《机械基础》备课笔记

《机械基础》备课笔记绪论机械基础课程——综合性课程。包括工程力学、机械工程材料、机械零件与传动等。机械基础课程——基础性课程。机械制造或维修；使用、研究机械或机器。工程力学——为分析构件的强度、刚度与选择合理的结构提供基本理论与方法。机械工程材料——为合理选择材料，充分发挥材料本身的潜在性能提供基础。机械零件与传动——了解机构的工作原理、特点及应用，了解通用零件的类型、结构、材料、标准及选择方法。第1章机械概述1-1机器的组成一、机器和机构1、机器机器的特征：①、机器是人为的实体组合；②、各部分(实体)之间具有确定的相对运动；③、能够转换或传递能量，代替或减轻人类的劳动。2、机构机构：由构件组合而成，各构件之间具有确定的相对运动。机器包含机构；机构是机器的主要组成部分；机器可以包含一个或多个机构。3、机械机械：机器和机构的总称。4、构件、零件构件：在机械中具有独立运动的基本单元。零件：机械制造的基本单元。构件通常由一个或多个零件组成；构件是机械运动的基本单元。机器由机构组合而成，机构由构件组合而成。根据GB10853-89《机器理论与机构学术语》的定义：机器：机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。机构：机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用运动副连接起来的构件系统。机械：机器与机构的总称。机械系统：由若干个机器与机构及其附属装置组成的系统。机械原理：研究机构的结构原理及机器与机构的运动学和动力学的一门学科。构件：机构中的运动单元体。二、机器的组成1、原动机部分也称动力装置，作用是把其它形式的能量转变成机械能，以驱动机器各部分运动。2、执行部分也称工作部分或装置，是机器直接完成具体工作任务的部分。3、传动部分是原动机到工作机构之间的传动机构，以完成运动和动力的传递与转换。4、操纵或控制部分作用是显示和反映机器的运行位置与状态，控制机器正常运行和工作。1-2金属材料的性能工艺性能：指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能。使用性能：指金属零件在使用条件下表现出来的性能。包括物理性能、化学性能和力学性能。一、金属材料的物理性能1、密度单位体积金属的质量，单位为kg/m3。轻金属：密度小于4.5g/cm3的金属，如铝、钛等。重金属：密度大于5g/cm3的金属，如铜、钨等。2、熔点金属从固态向液态转变时的温度，单位一般为℃。金属一般有固定熔点，如铅的熔点为323℃，钢的熔点为1538℃。低熔点金属：熔点低于1000℃的金属。中熔点金属：熔点为1000℃～2000℃的金属。高熔点金属：熔点高于2000℃的金属。3、导热性金属材料传导热量的能力，一般用热导率(导热系数)λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好，导热性好的金属散热性也好。4、热膨胀性金属材料存在热胀冷缩现象，常用线(膨)胀系数αl表示热膨胀性。5、导电性金属材料传导电流的性能。6、磁性金属材料导磁的性能。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。二、金属材料的化学性能1、耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀作用的能力。2、抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力。3、化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。三、金属材料的力学性能1、强度强度：金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力。抵抗能力越大，强度越高；强度越高，材料越能承受较大的载荷而不变形和破坏。由于材料承受载荷的方式不同，变形形式也不同，所以材料的强度分为：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度等。最常用的是抗拉强度或强度极限σb。强度极限σb可以通过拉伸试验测定，拉伸试验主要依据GB228-63及YB15-64规定。σb表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力，是机械设计和选材的主要依据之一。2、塑性塑性：金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。δ和ψ值越大，表示材料的塑性越好。一般认为δ10≥5%的材料为塑性材料，δ10＜5%的材料为脆性材料。材料具有塑性才能进行压力加工(如汽车外壳、不锈钢用品等)。塑性好的材料制成的零件在使用时也较安全。3、硬度硬度：金属材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力；是金属材料表面抵抗变形或破坏的能力。是材料的塑性、强度等性能的综合体现。布氏硬度(HB)试验方法依据GB231-63规定，用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢及调质钢件的硬度。洛氏硬度(HR)试验方法依据GB230-63规定，应用最广，常用于测定工件的表面硬度(如淬火钢)。维氏硬度(HV)应用较少。4、韧性韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料冲击韧性一般按GB229-63及YB19-64规定，在摆锤冲击试验机上，采用横梁式冲击弯曲试验法进行测试。冲击韧度(冲击值)：试样在冲断时，断口单位面积所消耗的冲击吸收功，常用aK表示，单位为J/cm2。5、疲劳强度疲劳强度(疲劳极限)：金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。一般根据YB40-64规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力，称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环变化时，所得的疲劳强度用σ-1表示。疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。四、金属材料的工艺性能1、铸造性铸造性(可铸性)：金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能。主要取决于金属材料融化后的流动性、收缩率等。常用金属材料中，灰铸铁的铸造性能较好。2、锻压性锻压性(可锻性)：金属材料能否用锻压方法制成锻压件的性能。一般与材料的塑性及塑性变形抗力有关。一般情况下，材料塑性好，变形抗力小，则锻压性好。通常低碳钢的锻压性最好，中碳钢和高碳钢次之。各类铸铁则不能进行锻压。3、焊接性焊接性(可焊性)：金属材料在一定的焊接条件下，能否易于获得优良焊接接头的能力。取决于焊缝是否产生裂纹、气孔等。低碳钢的焊接性较好，高碳钢较差，各类铸铁更差。4、可加工性可加工性(切削加工性)：金属材料切削加工的难易程度。1-3机械零件的强度失效：零件丧失工作能力或达不到要求的性能。常见的失效形式：断裂、过量变形(弹性变形或塑性变形)、表面失效(过度磨损、打滑等)。工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度。一、载荷和应力1、载荷载荷(负荷)：零件在使用和制造过程中受到的力的作用。静载荷：载荷的大小、方向不随时间变化或变化缓慢。变载荷：也称动载荷。载荷的大小、方向随时间变化。动载荷又分为冲击载荷和交变载荷。2、应力应力：零件在载荷作用下，单位截面上的内力。单位为Pa(帕)。1Pa=1N/m2，工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106Pa=1N/mm2。静应力：应力的大小、方向不随时间变化或变化缓慢。变应力：应力的大小、方向随时间变化。静应力只能由静载荷作用下产生；而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生。二、机械零件的强度零件工作应力是静应力时，强度的主要表现形式(失效形式)为断裂或塑性变形。零件工作应力是交变应力时，强度的主要表现形式(失效形式)为疲劳断裂。两个零件表面接触而无相对运动，承受载荷时因相互挤压作用而产生挤压应力。强度的主要表现形式(失效形式)为压溃或塑性变形(即挤压强度)。机械中的高副(如齿轮副、蜗轮蜗杆副、凸轮副等)，由于接触面很小(点接触或线接触)，表层的局部应力很大，称为接触应力，用σH表示。接触应力一般都是变应力，在接触应力作用下零件的强度称为接触强度。当接触应力超过材料相应的疲劳强度时，零件表层金属从本体剥落，形成小坑，这种现象称为疲劳点蚀。1-4摩擦和磨损一、摩擦摩擦：两物体之间的接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力。摩擦副：相互摩擦的两个物体。根据摩擦副的运动状态，摩擦分为：静态摩擦、临界(起动)摩擦、动摩擦和惯性摩擦。根据摩擦副的运动形式，摩擦分为：滑动摩擦和滚动摩擦。根据摩擦副的摩擦状态，摩擦分为：固体摩擦、液(气)体摩擦和混合摩擦。1、固体摩擦干摩擦：摩擦副在直接接触时产生的摩擦。摩擦因数大，磨损严重。边界摩擦：在摩擦副间施加润滑剂，从而使摩擦副表面吸附一层极薄的润滑膜的摩擦状态。由于润滑膜强度低，容易破裂，致使摩擦副部分表面直接接触产生摩擦，但摩擦和磨损状况优于干摩擦。2、液(气)体摩擦液(气)体摩擦：在摩擦副间施加润滑剂，从而使摩擦副表面被一层具有一定压力和厚度的流体润滑膜完全隔开时的摩擦。由于摩擦副表面不直接接触，摩擦因数很小，理论上不产生磨损。3、混合摩擦混合摩擦：兼有固体摩擦和液(气)体摩擦的摩擦状态。摩擦副表面仍有少量直接接触，大部分处于液(气)体摩擦，摩擦和磨损状况优于固体摩擦，但比液(气)体摩擦差。二、磨损磨损：运动副之间的摩擦导致的机件表面材料逐渐损耗。1、磨损过程⑴、磨合阶段在运转初期，摩擦副的接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，磨损速度较快。随着磨合的进行，实际接触面积不断增大，磨损速度在达到某一定值后即转入稳定磨损阶段。⑵、稳定磨损阶段在稳定磨损阶段，机件以平稳而缓慢的速度磨损，标志着摩擦条件保持不变。这个阶段代表机件的使用寿命。⑶、剧烈磨损阶段经过稳定磨损阶段后，机件的表面磨损较为严重，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，出现噪声和振动，最终导致失效。2、磨损类型大体有两种分类方法。根据磨损结果对磨损表面外观描述：点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损等。根据磨损机理：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损。⑴、粘着磨损当摩擦表面的不平度峰尖在相互作用的各点处发生粘着后，在相对滑动时材料从一个表面转移到另一个表面，形成粘着磨损。影响粘着磨损的主要因素：同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高；在一定范围内，零件表面粗糙度越小，抗粘着能力越强。⑵、磨料磨损进入摩擦面间的游离颗粒(如磨损造成的金属微粒)，会在较软材料表面犁刨出很多沟纹，这种微切削过程称为磨料磨损。影响磨料磨损的主要因素：材料硬度越高，耐磨性越好；磨粒平均尺寸越大，磨损就越大；磨损量随磨料硬度的提高而加大。⑶、疲劳磨损做滚动或滚滑动运动的高副所受的接触应力超过材料的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，造成许多微粒从零件工作表面上脱落，致使表面出现月牙形浅坑，称为疲劳磨损(疲劳点蚀)。影响疲劳磨损的主要因素：表面硬度越高，产生疲劳裂纹的危险性越小；提高表面质量，对疲劳寿命有显著改善；高压下润滑油能在接触区起到均化接触应力的作用，提高抗疲劳磨损的能力；高粘度的油，有利于提高抗疲劳能力。⑷、冲蚀磨损含有硬质微粒的流体冲击到固体表面，就会造成冲蚀磨损。影响冲蚀磨损的主要因素：磨粒与固体表面的摩擦因数；磨粒的冲击速度；磨粒冲击速度的方向与固体表面的冲击角。⑸、腐蚀磨损摩擦副受空气中的酸、润滑油、燃油中残存的少量无机酸及水分的化学作用或电化学作用，在相对运动中造成材料损失，称为腐蚀磨损。影响腐蚀磨损的主要因素：零件表面的氧化膜性质；环境温度。第2章构件的静力分析刚体：受力时不变形的物体。刚体内任何两点间的距离永不改变。刚体是一个理想的力学模型，实际的物体在受力时总是要变形的。同一物体，在理论力学问题里被看作刚体，而在材料力学问题中，当需要了解作用力和变形之间的关系时，却被看成弹性体。2-1力的基本性质一、力的定义力：是使物体的运动状态发生变化、或使物体产生变形的、物体间的相互机械作用。力的三要素：力的大小；力的方向；力的作用点。二、静力学的基本公理公理1(二力平衡公理)：作用于刚体上的两个力，使刚体处于碰横状态的必要和充分条件是，两力大小相等，方向相反，并且作用在同一直线上。公理2(力的平行四边形公理)：作用在物体上同点的两个力，可以合成一个合力，合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由这两个力为边构成的平行四边形的对角线来表示。即：21FFF推论(三力平衡汇交定理)：刚体受三个力作用而处于平衡时，若其中两个力的作用线汇交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点，并且三个