机械基础教案
一、教学目的与要求：
1.了解机器机构构件和零件等基本概念 2.了解本课程的内容性质和任务
1）了解工程力学的基本知识和相应简单扼要的计算 2）了解机械机械工程材料的基础知识； 3）了解常用的机构和机械传动原理； 4）了解金属零件的联接和支承 5）了解液压传动的基本内容
二、教学方法与手段
方法：讲授法、谈话法、讨论法、演示法、参观法、调查法、练习法、实验法、引导发现法、自学辅导法、案例教学法、情境教学法、实训作业法等。
手段：常规或现代（多媒体投影、音像资料、各种教具、实物、案例素材文件等）。
三、教学重点、难点：
机器与机构、构件和零件概念，的区别和联系
四、课时分配计划：2课时布置作业：0-1，0-2 实施情况及课后教学效果分析
引
言
当人们拓展视野、深入到创造物质世界活动中时会发现，单纯的数学、物理或化学，常常无法解决实际应用问题。不同的应用领域，需要将数、理、化知识适度综合，高度概括，从而形成解决问题更为直接、更为有效的理论体系，这便产生了诸如机械工程、电气工程、计算机工程、化学工程、建筑工程等门类众多的应用工程科学。它们是创造人类社会多姿多彩物质世界的应用理论基础。
一、本课程的研究对象
机械工程的研究对象是机械。
什么是机械?机械是机器与机构的总称。 1．机器
机器是用来变换或传递能量、物料和信息，能减轻或替代人类劳动的工具。
图1一1所示的台钻是比较常见的典型机器。观察其工作过程：电动机1转动，驱动带传动，带传动又将运动和动力传递给变速箱2内的齿轮系，变速箱中的主轴与钻头3直接联接，从而熔话动与动力传涕给了钻头。最后完成对工件的切削加工。
图O-2所示为牛头刨床，它由电动机1通过带传动3和齿轮传动装置2实现减速，又通过暇动导杆机构9改变运动形式，使滑枕5带动刨刀7作往复移动来实现刨削。
由上述两例分析表明，机器通常由三大部分组成：原动装置一传动装置一执行装置。机械最常见的原动装置是电动机。传动装置和执行装置通常是由一些机构或传动组成(如台钻的传动装置为带传动和变速箱，牛头刨床的执行装置为摆动导杆机构等)。 2．机构
机构是具有确定相对运动的构件组合。图0一3所示为实现滑枕运动的摆动导杆机构，它由若干构件(大齿轮6，滑块
1、3，导杆2，滑枕4)组合而成。从运动的角度看，构件是机器中运动的最小单元。 3．机械零件
从制造的角度看，机器是由许多零件组成的。零件是不可拆的最小制造单元。
一个零件可能是一个构件(如图O-3中的导杆)。但多数构件是由若干零件固定联接而成的刚性组合。如图。一4所示的齿轮构件，就是由轴、键和齿轮联接而成。
4．运动副
构件与构件之间既保证相互接触和制约，又保持确定的运动，这样一种可动联接称为“运动副”。只允许被联接的两构件在同一平面或相互平行的平面内作相对运动的运动副称为平面运动副。按照接触特性，平面运动副可分为低副和高副。构件问的接触形式为面接触的运动副称为低副。常见的平面低副有回转副和移动副。图0一5b所示为回转副及其运动简图符号，回转副有时也称为铰链(图O一5c)；图0一5a所示为移动副及其运动简图符号。 构件间的接触形式为点、线接触的运动副称为高副。如图O-6所示，在凸轮机构和齿轮机 构中，构件1和构件2形成的运动副均为高副。
综上所述，归纳要点如下：
1)构件与零件的区别在于：构件是机械运动的基本单元，零件是机械制造的基本单元；有时一个零件就是一个构件，但通常构件由多个零件刚性固接而成。 2)机器与机构的区别在于：虽然机器和机构都具有确定的相对运动，且机器可以是一个机构或由若干构件与零件组成，但机器具有能代替或减轻人类劳动，完成功能转换的特征，而机构则不具有此特征。
3)平面运动副可分为低副和高副：低副为面接触；高副为点或线接触。
二、本课程的主要内容
1．机械产生的步骤
实际应用的机械是怎样产生的?它通常要经历这样一些步骤： 1)根据工作要求，用规定的机构运动简图符号勾画出机器和机构的运动简图，并分析构件的运动速度和加速度等情况，通常称之为机械的运动设计。
2)按类比法，确定所要设计零件的材料；对铁碳合金材料，还要考虑其热处理方式。这一步骤可称之为机械的材料设计。
3)根据机器运动设计的简图，对各构件或零、部件进行受力分析，最终确定零件的受载情况，通常称之为机械的工程力学分析。
4)根据零件的最大受载和零件可能产生的失效破坏形式，按设计准则确定零件的主要参数，这称之为机械C零件)的强度设计。 5)计算零件的全部几何尺寸，按机械制图标准规范和公差配合要求画出零件工作图，通常称之为机械零件的结构设计。．
6)根据零件工作图，进行加工制造的工艺设计。
7)用机床(或数控机床)对零件进行制造加工。 8)装配，试车。 2．本课程的主要内容
1)工程力学基础； 2)机械工程材料基础；
3)常用机构与机械传动；4)联接与支承零部件； 5)液压传动。
思考题与习题
O-1 为什么机器中要用机构?机器与机构的根本区别是什么? 0-2辨别自行车、机械式手表、汽车、台虎钳等何为机器?何为机构?
第一篇 工程力学基础
第一章静力学概要
一、教学目标与要求
1．了解力的两种效应和力的三要素
2．了解静力学的基本力学规律，本书要求掌握静力学的四个基本公理。 3．了解受力图的基本画法 4．了解力矩和力偶的基本概念
二、学习重点和难点
1．学习重点 1）．了解力的两种效应和力的三要素 2）．了解静力学的基本力学规律，本书要求掌握静力学的四个基本公理。 2．学习难点 1）．了解受力图的基本画法 2）．了解力矩和力偶的基本概念
三、教学方法
讲授法、演示法、案例分析法和相互讨论法为主
四、讲授课时 8课时
如图1—1所示，在对工程实际对象(如汽车、船舶、机床、卫星等)进行力学分析时，首先要把它理想化，即合理抽象为力学模型，这样才便于进行数学描述，得到数学模型。这一过程也简称为“建模”。然后进行计算，一般用计算机数值求解。随后，对得出结果加以分析，特别要与实验结果相比较，如误差符合要求，则结束分析，如误差大，往往要修改力学模型再分析。由此可见，力学模型直接决定计算结果的正确性，它是力学分析的基础，十分重要。
静力分析的常用模型为刚体。实际物体在受力作用时，其内部各质点间的相对距离总要发生一定的伸长或缩短，即变形。由于这种变形通常十分微小，在对某些问题的研究中可以忽略不计，因此引入“刚体”这一为分析方便而假设的力学模型。所以说，刚体是在力作用下不变形的物体。 ．
刚体静力学是研究刚体在力系的作用下平衡规律的科学，简称为静力学。
第一节静力学基础
一、静力学基本概念 1．力
力是物体间的机械作用。这种作用有两种效应：使物体产生运动状态的变化和形状变化，前者称为运动效应，后者称为变形效应。
物理学中学过，力有三要素：大小、方向、作用点，如图1—1所示。因此可用有向线段OA表示，矢线始端O表示力的作用点，矢线方向表示力的方向，按一定比例尺所作线段OA的长度表示力的大小。计算时，力的单位采用我国的法定计量单位N；目前已不再使用的原工程单位制中，力的单位是kgf。N与kgf的换算关系是lkgf=9．807N 力对刚体只有运动效应(包括平动、转动及其特例——平衡)。这样，力的三要素可改述为大小、方向、作用线。这种作用在刚体上的力沿其作用线滑移的性质称为力的可传性，如图1—2所示。如图1—3a所示刚性环与图1—3b所示柔性环均在二力作用下处于平衡，即F，=F。。力F，沿作用线滑移前后，对刚性环的运动效应相同；但对柔性环的变形效应，则由呈椭圆形到仅有局部变形，二者差别很大。这说明力的可传性只适用于刚体模型。
2．分布力与集中力在物理学中和工程简化计算中，物体的受力一般认为力集中作用于一点，称为集中力。实际上，任何物体间的作用力都分布在有限的面积上或体积内，应为分布力。集中力在实际中并不存在，它只是分布力的理想化模型。但由于分布力的分布规律比较复杂，因此计算时需简化为集中力。
图1—4a、b所示为静置在路面上的车轮胎和水坝。轮胎是弹性的，其所受的力作用在以宽度为b表示的小面积内，当b同其它尺寸(如汽车轮距)相比较很小时，即可忽略不计，而用集中力FR代替，但在车辆动力学中，则要考虑弹性变形后的分布力，要用弹性力学来解决。水坝受到的静水压力分布在坝与水的接触面上，为面分布力，作近似计算时，将坝体简化为变截面梁的线分载荷，如图1-4b中的虚线三角形所示，在分析坝体的平衡时，可用集中力的大小与作用位置代替分布力。 3．理想约束
理想约束是对物体间接触性质和连接方式的理想化处理。
物体的受力可分为两类：约束力和主动力。约束施加于被约束物体的力称为约束力或约束反力；除约束力以外的其它力称为主动力或载荷，如物体的重力，结构承受的风力、水力，机械零件中的弹簧力、电磁力等。本课程中，主动力一般是给定的(实际工作中则往往需要自行确定)，对物体进行的受力分析只是分析约束力。
接触面的物理性质分为绝对光滑(理想约束)和存在摩擦(一般为非理想约束)两种。这里主要介绍理想约束。下面介绍几种典型的约束模型。
(1)理想冈lI性约束这种约束也是刚体，它与被约束间为刚性接触。常见的有： 1)光滑接触面。当物体与固定约束(图l一5a)或活动约束(图1—5b)间的接触面非常光 滑，其摩擦可忽略不计时，即可简化为这类约束，其约束反力的方向为公法线挖的方向，称为法向反力，记为FN。 2)光滑圆柱铰链。这种约束简称为柱铰，包括固定柱铰(图1—6)和活动柱铰(图1—7)，实际是平面回转副的两种表现形式，常简称为固定铰链和活动铰链。这种光滑面约束，其约束体与被约束体的接触点在两维空间内是未知的，因此其约束反力可用一对正交力F。、F，表示．
(2)理想柔性约束 如图1—8所示，柔性线绳受物体外力(如重力)作用，此时线绳约束力与外力方向相反，并一定沿着线绳方向。当忽略摩擦时，这种约束称为理想柔性约束。工程中常遇到的钢索、链条、传动带等物体均可近似认之为柔性约束。
二、静力学公理
静力学公理是人类经过长期经验积累和实践验证总结出来的最基本的力学规律。它概括了力的一些基本性质。下面简要介绍四个公理。 1．两力平衡公理
刚体受两个力作用，处于平衡状态的充分和必要条件是：两力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上(图1—9a)，即 F1一F2 这个公理总结了作用于刚体上最简单的力系(两个力以上的一组力)平衡所必须满足的条件。这个条件对刚体来说，既必要又充分。但对非刚体来说，这个条件是不充分的。例如对柔性约束，受两个等值、反向的拉力作用时可以平衡，而受两个等值、反向的压力作用时就不能平衡。若刚体受两个力作用处于平衡状态，则这两个力的方向必在两力作用点的连线上，此刚体称为二力体，如果刚体是杆件，也称二力杆(图1—9b)。 ． 2．加减平衡力系公理
在任意一个已知力系上，可随意加上或减去一平衡力系，这不会改变原力系对 物体的作用效应。
这一公理对研究力系简化问题十分重要。实际上，前述力的可传性是这一公理的推理。如图1—10所示，图a为原力系，图b在原力系上加了一个F。一Fz的平衡力系，设F=F。，显然F与Fz也构成一平衡力系，可以减去，于是变为图c情况，力在刚体上成功地实现了滑移。
3．平行四边形公理
作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个力，其作用线通过该点，合力的大小和方向由以已知两力为边的平行四边形的对角线表示，这称为力的平行四边形公理或称平行四边形法则。如图1—11所示，作用在物体O点上的两已知力F，、Fz的合力为F，力的合成法则可写成矢量式
4．作用力与反作用力公理
即牛顿第三定律。两个物体之间的作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反、作用线相同，但分别作用在两个物体上。例如车刀在工件上切削，车刀作用在工件上的切削力为F。，与此同时，工件必有一反作用力F；作用在车刀上，如图1—12所示，此两个力F。F总是等值、反向、共线的。必须注意，由于作用力与反作用力作用在两个物体上，因此不能说成是一对半衡力。
三、受力图
在求解力学问题时，必须根据已知条件和待求量，从与问题有关的许多物体中，选择确了定一物体(或几个物体的组合)作为研究对象，对它进行受力分析。为了清楚地表示所研究物体的．受力情况，需将研究对象从周围的物体中分离出来(即解除约束)，单独画出。这种被分离出来的物体称为分离体。画有分离体及其全部主动力和约束反力的简图称为受力图。下面举例说明受力图的画法。
例1-1用力拉动碾子以压平路面，碾子受到一障碍物的阻碍，如图1—13a所示，如不计接触处的摩擦，试画出碾子的受力图。
解1)取碾子为研究对象，并画出分离体图。 2)画出主动力。有重力以和杆对碾子的拉力F。 3)画出约束反力。
碾子的受力图如图1—13b所示。
例1-2水平梁AB的A端为固定铰链支座，B端为可动铰链支座，梁中点C受主动力F。作用，如图1—14所示。不计梁的自重，试画出梁的受力图。 解1)取梁为研究对象，并画出分离体图。 2)画出主动力Fp。 3)画出约束反力。
例1—3 图1-15a所示为一压榨机机构的简图，ABC为杠杆，CD为连杆，D为滑块。在杠杆的端部加一力Fp，不计各构件的自重和接触处的摩擦，试分别画出杠杆、连杆和滑块的受力图。
解 1)取连杆CD为研究对象。 2)取杠杆ABC为研究对象。
3)取滑块D为研究对象。
连杆CD、杠杆ABC、滑块D的受力图如图1—15b所示。
例1-4如图1—16所示为油压夹具。液压缸中的油压力F。通过活塞杆AD、连杆AB使杠杆BOC压紧工件。其中A和B为铰接，0处为固定铰链支承，C和E处为光滑接触。不计各构件白重，试分别画出活塞杆AD、连杆AB、滚轮R(连同销钉A)、杠杆BOC以及它们组成的物系的受力图。
解 1)取活塞杆AD为研究对象。 2)取连杆为研究对象。
． 3)取滚轮R(连同销钉A)为研究对象。
4)取杠杆BOC为研究对象。
5)取活塞杆、连杆、滚轮和杠杆组成的物系为研究对象。如图1—16f所示。
第二节平面汇交力系
静力学研究的主要问题是力系的合成与平衡。
根据由简到繁、由特殊到一般的认识规律，我们先从比较简单的平面汇交力系开始研究。
平面汇交力系是各力的作用线都在同一平面内，且汇交于同一点的力系。如图1—17所示的起重机的吊钩，即受一平面汇交力的作用。
研究平面汇交力系的合成与平衡将采用两种方法：几何法和解析法。
一、平面汇交力系合成的几何法
根据力的可传性原理，作用于刚体上的平面汇交力系中的各点可以分别沿它们的作用线移到汇交点上，并不影响其对刚体的作用效果，所以平面汇交力系与作用于同一点的平面力系(平面共点力系)对刚体的作用效果桂同。因此这里只需研究共点力系力合成的几何法则。 1．两个共点力合成的力三角形法则
这一法则实际上是力的平行四边形法则的另一种表达方式。设有F。和F。两力作用于某刚体的A点，则其合力可用平行四边形法则确定，如图1—18a所示。此法称为求两个共点力合力的三角形法则其矢量式为 F=F1+F2 2．多个共点力合成的多边形法则 如图1-19a所示，
由图1—19b可以看出，虚线矢量可不必画出，只要将力系各力首尾相接形成一个开口的多边形ABCDE，最后将其封闭，由最先画出的F，的始端A指向最后画出的Fa以受力图中不必画出内力，只需画出物系以外的物体对物系的作用力即可，这种力称为外力。合力F的大小和方向。此法称为多边形法则，其矢量表达式为 F=F1+F2+F3+F4 上述方法可推广到平面汇交力系有咒个力的情况，于是可得结论：平面汇交力系合成的结果是一个合力，合力作用线通过力系汇交点，合力大小由多边形的封闭边表示，即等于力系各力的矢量和。其矢量表达式为 ，
二、平面汇交力系平衡的几何条件
我们已经知道，平面汇交力系可以合成为一个合力，即平面汇交力系可用其合力来代替。因此若合力F等于零，则说明物体处于平衡；反之，若物体处于平衡，则其合力F一定等于零。可见平面汇交力系平衡的充分与必要条件是力系的合力等于零，即
在力系合成的几何法中，平面汇交力系的合力是由力多边形的封闭边表示的，当力系平衡时，合力封闭边变为一点，即力系中各力首尾相接构成一个自行封闭的力多边形，如图1—20所示。因此可得平衡力系平衡的充分与必要的几何条件是：力系中各力构成的力多边形自行封闭。 ．
用力多边形封闭的条件求解平面汇交力系平衡问题的方法称为几何法。这种方法常用于求解三力汇交的平衡问题，这时三力构成一个自行封闭的力三角形。
例l一5如图1—21a所示，
例1-6如图1-22a所示，
