《清華機(jī)械原理》課件

《清華機(jī)械原理》課程介紹本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械原理的深刻理解，以及解決機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的實(shí)際問(wèn)題的能力。課程內(nèi)容涵蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、摩擦與潤(rùn)滑等。機(jī)械原理的學(xué)習(xí)意義機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械原理是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，為設(shè)計(jì)和制造各種機(jī)械設(shè)備提供理論支撐。工程應(yīng)用廣泛機(jī)械原理的知識(shí)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。解決工程問(wèn)題學(xué)習(xí)機(jī)械原理有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高工程實(shí)踐能力。機(jī)械原理的學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)核心內(nèi)容學(xué)習(xí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和原理，掌握機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等。理解機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的基本理論。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握機(jī)械原理的基本知識(shí)，培養(yǎng)分析解決機(jī)械問(wèn)題的能力。為后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用課程打下基礎(chǔ)。機(jī)械的分類和特點(diǎn)按運(yùn)動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、組合運(yùn)動(dòng)等。按傳動(dòng)方式齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)架式、懸臂式、移動(dòng)式等。按功能加工機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。力的概念和分類力的定義力是物體之間的相互作用，導(dǎo)致物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，或使其發(fā)生形變。力的分類力可以分為重力、彈力、摩擦力、壓力、浮力、向心力、電磁力等。力的特征力具有大小和方向，是一個(gè)矢量。力的合成和分解力的合成多個(gè)力共同作用于物體上的效果，可以用一個(gè)等效力來(lái)代替，這個(gè)等效力稱為合力。平行四邊形法則將兩個(gè)力的作用線作為平行四邊形的兩條鄰邊，合力則為平行四邊形的對(duì)角線。力的分解將一個(gè)力分解成兩個(gè)或多個(gè)力的效果相同，分解后的力稱為分力。正交分解將力分解為相互垂直的兩個(gè)分力，便于分析和計(jì)算，也稱為力的投影。平面上的力系平面上的力系是指作用在同一平面上的多個(gè)力。它們可以是平行力，也可以是斜交力。力系的合成與分解是機(jī)械原理中一個(gè)重要的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。力系的合成是指將多個(gè)力合成為一個(gè)等效力的過(guò)程，而力系的分解是指將一個(gè)力分解成多個(gè)力的過(guò)程。平面上的平衡條件1合力為零所有作用在物體上的力矢量和為零，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2力矩平衡物體受到的力矩之和為零，物體不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。3平衡條件合力為零且力矩平衡，物體才能處于平衡狀態(tài)。兩力系的平衡1平衡狀態(tài)兩個(gè)力作用于剛體上，并且大小相等，方向相反，作用線在同一條直線上，則剛體處于平衡狀態(tài)。2合力為零當(dāng)兩個(gè)力的合力為零時(shí)，剛體處于平衡狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)力互為平衡力。3應(yīng)用場(chǎng)景兩力系的平衡原理在許多工程領(lǐng)域中都有應(yīng)用，例如：橋梁設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等。結(jié)構(gòu)中的受力分析受力分析的步驟首先，確定結(jié)構(gòu)的邊界條件，然后根據(jù)載荷和約束條件，繪制受力圖，并標(biāo)注所有的作用力和反作用力。最后，根據(jù)平衡方程，求解結(jié)構(gòu)中各部分的內(nèi)力。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型包括梁、桁架、框架等。不同的結(jié)構(gòu)類型，其受力特點(diǎn)和分析方法也不同。例如，梁的受力分析主要涉及彎矩和剪力，而桁架的受力分析則主要涉及桿件的軸力。摩擦力的基本概念接觸面當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生摩擦力。靜摩擦力當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，接觸面之間產(chǎn)生的摩擦力稱為靜摩擦力。動(dòng)摩擦力當(dāng)物體在接觸面上滑動(dòng)時(shí)，接觸面之間產(chǎn)生的摩擦力稱為動(dòng)摩擦力。靜摩擦力和動(dòng)摩擦力靜摩擦力靜摩擦力是物體在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于接觸面之間的相互作用而產(chǎn)生的摩擦力。靜摩擦力的大小與物體所受的壓力成正比，與接觸面的粗糙程度有關(guān)。動(dòng)摩擦力動(dòng)摩擦力是物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，由于接觸面之間的相互作用而產(chǎn)生的摩擦力。動(dòng)摩擦力的大小與物體所受的壓力成正比，與接觸面的粗糙程度有關(guān)，但與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的區(qū)別靜摩擦力的大小會(huì)隨著外力變化而改變，直到達(dá)到最大靜摩擦力，而動(dòng)摩擦力的大小則相對(duì)固定。靜摩擦力的大小可大于或等于外力，而動(dòng)摩擦力的大小則小于外力。機(jī)械傳動(dòng)的分類齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，如汽車(chē)變速箱、精密儀器等。帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)常用于速度較低、載荷較輕的場(chǎng)合，如紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。鏈傳動(dòng)鏈傳動(dòng)具有較高的傳動(dòng)效率和承載能力，常用于重型機(jī)械、礦山設(shè)備等。摩擦傳動(dòng)摩擦傳動(dòng)利用兩個(gè)接觸面間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，如剎車(chē)、離合器等。齒輪傳動(dòng)的基本原理1齒輪嚙合兩個(gè)齒輪的齒相互嚙合，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞。2齒輪參數(shù)齒輪的模塊、齒數(shù)、壓力角等參數(shù)決定傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。3傳動(dòng)類型外嚙合、內(nèi)嚙合、行星齒輪等不同類型，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。4運(yùn)動(dòng)關(guān)系齒輪的轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)傳動(dòng)比相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一種，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它在汽車(chē)、航空、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。帶傳動(dòng)的基本原理1摩擦力帶與輪之間摩擦力2張緊力帶的拉緊程度3速度比輪的轉(zhuǎn)速比4功率傳遞帶的張力差帶傳動(dòng)利用帶和輪之間摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)和功率。張緊帶增加摩擦力，實(shí)現(xiàn)高效傳動(dòng)。速度比受帶輪直徑影響，功率與帶的張力差成正比。鏈傳動(dòng)的基本原理1鏈輪鏈條的連接點(diǎn)2鏈條由多個(gè)鏈節(jié)組成，連接鏈輪3傳動(dòng)比鏈輪尺寸影響轉(zhuǎn)速鏈傳動(dòng)是一種通過(guò)鏈條和鏈輪實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞的傳動(dòng)方式，鏈傳動(dòng)能夠傳遞較大的功率，承載較大的載荷，使用壽命長(zhǎng)。鏈條通常由鋼制成，由許多鏈節(jié)連接而成。聯(lián)軸器的作用和分類1連接作用聯(lián)軸器用于連接兩根旋轉(zhuǎn)軸，使它們同步旋轉(zhuǎn)，傳遞扭矩。2緩沖作用一些聯(lián)軸器可以緩沖兩軸之間的沖擊和振動(dòng)，保護(hù)機(jī)器。3補(bǔ)償作用聯(lián)軸器可以補(bǔ)償兩軸之間的輕微偏差，例如軸線偏移、角度偏差等。4分類聯(lián)軸器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、用途、連接方式等進(jìn)行分類，包括剛性聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器、液壓聯(lián)軸器等。螺紋傳動(dòng)的基本原理1螺紋副螺紋副由螺紋和螺母組成2螺紋的類型三角形、梯形、矩形3螺紋傳動(dòng)形式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)4螺紋傳動(dòng)應(yīng)用夾緊、升降、緊固螺紋傳動(dòng)是利用螺紋副之間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力的。通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋，可以帶動(dòng)螺母沿螺紋軸線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。螺紋傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中，例如夾緊裝置、升降機(jī)構(gòu)、緊固件等。液壓傳動(dòng)的基本原理1液體介質(zhì)傳遞動(dòng)力液壓傳動(dòng)利用液體作為工作介質(zhì)，通過(guò)液體的壓力傳遞動(dòng)力。2能量轉(zhuǎn)換液壓系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，再將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。3應(yīng)用廣泛液壓傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、機(jī)床、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域，具有傳遞功率大、控制方便的特點(diǎn)。氣壓傳動(dòng)的基本原理壓縮空氣氣壓傳動(dòng)利用壓縮空氣作為動(dòng)力源，通過(guò)氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成各種機(jī)械動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)氣壓控制系統(tǒng)通過(guò)電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)等元件來(lái)控制壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如氣缸將壓縮空氣轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)馬達(dá)將壓縮空氣轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。常見(jiàn)機(jī)械零件的作用齒輪齒輪用于改變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向和速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)。軸承軸承用于支撐旋轉(zhuǎn)軸，減少摩擦，提高機(jī)械效率。彈簧彈簧用于儲(chǔ)存和釋放能量，緩沖沖擊力，保持機(jī)械部件的穩(wěn)定性。螺母和螺栓螺母和螺栓用于連接和固定機(jī)械部件，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的牢固性。常見(jiàn)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度零件應(yīng)能承受工作載荷而不發(fā)生斷裂或永久變形。剛度零件應(yīng)具有足夠的剛度，以保證在工作過(guò)程中不發(fā)生過(guò)大的變形，影響機(jī)械的正常工作。耐磨性零件在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生摩擦，因此應(yīng)具有足夠的耐磨性，以延長(zhǎng)使用壽命。耐腐蝕性某些零件需要在腐蝕性環(huán)境中工作，因此應(yīng)具有足夠的耐腐蝕性，以防止腐蝕失效。機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1位移描述物體在空間中的位置變化。2速度描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢和方向。3加速度描述物體速度變化的快慢和方向。機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要研究機(jī)械系統(tǒng)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不考慮引起運(yùn)動(dòng)的力。機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析分析機(jī)械系統(tǒng)在受力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，例如速度、加速度和位移等。能量分析研究機(jī)械系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程，包括動(dòng)能、勢(shì)能和功等。平衡分析分析機(jī)械系統(tǒng)在受到外力和慣性力作用下的平衡狀態(tài)，并評(píng)估其穩(wěn)定性和安全性。振動(dòng)分析研究機(jī)械系統(tǒng)在受到周期性外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，并確定其振幅、頻率和阻尼等特性。機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)平衡分析動(dòng)平衡分析是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，保證機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。1靜平衡轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上的質(zhì)量分布均勻，處于平衡狀態(tài)。2動(dòng)平衡轉(zhuǎn)動(dòng)部件在運(yùn)轉(zhuǎn)中保持穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。3動(dòng)平衡試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)確定不平衡量，并進(jìn)行平衡修正。4平衡方法添加平衡塊或調(diào)整部件質(zhì)量分布進(jìn)行平衡。常見(jiàn)的動(dòng)平衡方法包括添加平衡塊，調(diào)整部件質(zhì)量分布等，可以有效降低機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，提高運(yùn)行效率。振動(dòng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響降低機(jī)械效率振動(dòng)會(huì)引起機(jī)械部件之間的摩擦增加，導(dǎo)致能量損失，降低機(jī)械效率。振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械部件的疲勞損傷，縮短其使用壽命。影響產(chǎn)品質(zhì)量振動(dòng)會(huì)引起機(jī)械加工精度降低，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。振動(dòng)還會(huì)引起產(chǎn)品表面出現(xiàn)瑕疵，影響產(chǎn)品的外觀。造成噪音污染振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪音，影響周?chē)h(huán)境，造成噪音污染。噪音還會(huì)影響工作人員的健康，降低工作效率。安全隱患振動(dòng)會(huì)引起機(jī)械部件的松動(dòng)，甚至脫落，造成安全隱患。振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)失控，造成事故。材料的力學(xué)性能和試驗(yàn)11.強(qiáng)度材料抵抗外力破壞的能力，是指材料在拉伸、壓縮、彎曲、剪切等外力作用下發(fā)生斷裂或屈服時(shí)的抵抗能力。22.韌性材料在斷裂前吸收能量的能力，是指材料在拉伸、壓縮、彎曲等外力作用下發(fā)生斷裂前所能吸收的能量。33.硬度材料抵抗硬物壓入其表面的能力，是指材料抵抗壓痕的難易程度，表示材料表面的抵抗磨損能力。44.疲勞強(qiáng)度材料在交變載荷作用下抵抗破壞的能力，是指材料在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的抵抗能力。機(jī)械設(shè)計(jì)的基本過(guò)程1需求分析明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，了解用戶需求，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。2方案設(shè)計(jì)提出多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行可行性分析，選取最優(yōu)方案。3詳細(xì)設(shè)計(jì)繪制零件圖和裝配圖，確定材料和工藝，進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算。4樣機(jī)制作根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制造樣機(jī)，進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，進(jìn)行必要的修改。5產(chǎn)品試制批量生產(chǎn)產(chǎn)品，進(jìn)行性能測(cè)試和可靠性試驗(yàn)，進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)。6產(chǎn)品投產(chǎn)產(chǎn)品投入市場(chǎng)，進(jìn)行市場(chǎng)推廣和售后服務(wù)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品性能。機(jī)械設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題強(qiáng)度不足零件承受過(guò)大的載荷，導(dǎo)致強(qiáng)度不足，甚至發(fā)生斷裂或變形。剛度不足零件在承受載荷時(shí)，發(fā)生過(guò)大的變形，影響機(jī)器的正常工作。疲勞失效零件在反復(fù)載荷的作用下，產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致失效。潤(rùn)滑不良零件之間摩擦力過(guò)大，導(dǎo)致磨損加劇，影響機(jī)器的使用壽命。機(jī)械設(shè)計(jì)的未來(lái)趨勢(shì)智能化設(shè)計(jì)人工智