《机械设计基础》课件第1章静力学基础与理论
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《机械设计基础》课件——第一章 绪论
1.1.1 引言
人类在长期的生产和生活实践中创造和发展了机械，其目的是为
了减轻或替代人的劳动，提高生产率。
东汉张衡将杆机构巧妙地使用在人类第一台地震仪上，根据地动 仪内部机构的推测图（参见图1-2），它的原理是某一方向发生地震 时，使都柱（龙机）向该方向倾斜，带动杆件机构，迫使这个方位的 龙口大张，吐出小铜丸，掉进蟾蜍的嘴里，这样就能自动预报地震发 生的方向。
先以图1-3所示的单缸内燃机为例进行分析。
内燃机是由机架（缸体）1、曲轴2、连杆3、活塞4、进气阀5 、排气阀6、推杆7、凸轮8、齿轮9和10等组成。活塞、连杆、曲轴 和缸体组成主体部分，燃气推动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴 的连续转动；凸轮、进排气阀推杆和缸体组成进排气的控制部分，凸 轮转动，推动气阀按时启闭，分别控制进气和排气；曲轴上的齿轮和 凸轮轴上的齿轮与缸体组成传动部分，曲轴转动，通过齿轮将运动传 给凸轮轴。上述三部分共同将热能转换为曲轴的机械能。
设计零件时应满足的基本要求是从设计机器的要求中提出来的，
一般概括为以下两点：
（1）使用要求
（2）经济性要求
1.4.2 机械零件设计的一般方法
第一章 绪论
第一章 绪论
【引 子】
机械设计是根据机械的使用要求对其工作原理、结构、运动方式 ，零件的材料、几何形状等进行构思、分析和计算并将其转化为具体 的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成 部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
1.1 本课程的研究对象
它是机械中的装配单元，如减速器、离合器等。
3．构件 从机械实现预期运动和功能角度看，机构中形成相对运动的各个
运动单元称为构件。构件可以是由单一的零件，也可以是由若干零件 组成的运动单元。如图1-5所示的内燃机连杆是由连杆体1、轴套2、 连杆头3、螺栓4、定位销5、轴瓦6等组成，其一端与活塞相连，另 一端与曲轴相配合。
机械设计基础
D B R P1 P1 C P2 R R P1 P2 D D
A
A
A
P2
(a)
(b)
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作用于Ａ点的力多于两个时，它们的合力可用力多 边形法来确定，即连续运用力三角形法 ，依次求出各力 的合力。 实际操作中，只需将各力首尾相接，连成折线，然 后连接折线的首末两点，便可得合力。
P1 P2
R'
P1
P2
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例1－1 球的重量为G，用绳子挂在墙上，在A点处为光 滑接触，试画出球的受力图。
C Tb B Na
A
O
O
G
G
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例1－2 已知杆的重量为G，在B点用绳子悬挂，在A点处 用铰链连接在墙上，一外力P作用于B点，试画出杆的受 力图。
C
T
30° A
D G
B P
R AX A R AY
D G
B P
A
o
Ry
Rx
返回目录
活动铰链支座： 只能限制杆件沿支承面法线方向的运动，因此约束 反力不仅通过销钉的中心，而且垂直于支承面。
RA A B
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四、物体的受力分析、受力图
画出物体的简图，在图上表示出作用在它上面的主 动力和约束反力，这种表示物体受力情况的图形叫受 力图。 绘制受力图的主要步骤是： (1)明确受力对象； (2)将受力对象取出来； (3)画出全部主动力； (4)根据约束性质，画出全部约束反力。
P3 o P 1x P2 x Rx P3 x
x
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3.平面汇交力系合成的解析法 在求合力时，可以先求出合力在两坐标轴上的投影， 然后求出合力的大小和方向：
R tg R R
2 x 2 y
A
A
A
P2
(a)
(b)
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作用于Ａ点的力多于两个时，它们的合力可用力多 边形法来确定，即连续运用力三角形法 ，依次求出各力 的合力。 实际操作中，只需将各力首尾相接，连成折线，然 后连接折线的首末两点，便可得合力。
P1 P2
R'
P1
P2
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例1－1 球的重量为G，用绳子挂在墙上，在A点处为光 滑接触，试画出球的受力图。
C Tb B Na
A
O
O
G
G
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例1－2 已知杆的重量为G，在B点用绳子悬挂，在A点处 用铰链连接在墙上，一外力P作用于B点，试画出杆的受 力图。
C
T
30° A
D G
B P
R AX A R AY
D G
B P
A
o
Ry
Rx
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活动铰链支座： 只能限制杆件沿支承面法线方向的运动，因此约束 反力不仅通过销钉的中心，而且垂直于支承面。
RA A B
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四、物体的受力分析、受力图
画出物体的简图，在图上表示出作用在它上面的主 动力和约束反力，这种表示物体受力情况的图形叫受 力图。 绘制受力图的主要步骤是： (1)明确受力对象； (2)将受力对象取出来； (3)画出全部主动力； (4)根据约束性质，画出全部约束反力。
P3 o P 1x P2 x Rx P3 x
x
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3.平面汇交力系合成的解析法 在求合力时，可以先求出合力在两坐标轴上的投影， 然后求出合力的大小和方向：
R tg R R
2 x 2 y
《机械设计基础》课件第1章静力学基础与理论
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（2）力与轴不共面：
过力 F 的起点 和终点分别作 平面垂直于x轴，
则 X=±ABˊ
= ± ab
（3）正负号规定：
若a为F 与x轴正向的夹角，则X=Fcos a 若a为锐角，则X=±Fcos a ，用观察法确定正负，即：
如果从力的起点的投影到终点的投影与投影轴的正向一致 者为正，反之为负。
平行四边形的对角线来表示。即 RF1F2
力三角形→
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
公理2 二力平衡条件
作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等、方向相反、作用线共线，作用于同一 个物体上。
(简称等值、反向、共线）
注意：
F1F2 F1F2
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（1）平面问题中的力偶矩是代数量，大小等于力偶中的力的 大小与力偶臂的乘积：
'
mm(F,F)Fd 规定：逆时针转向为正，反之为负 。
单位：N.m，kN.m 《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（2）空间问题中的力偶矩是矢量，其对物体的作用决定于力 偶三要素：
●力偶矩的大小 ：m Fd
●力偶作用面在空间的方位
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.1 静力学基本知识
1.1.1力、刚体、平衡
（1）力的概念
1）定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 运动状态发生改变或使物体产生变形。
2） 力的效应： ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。
（如无特别声明，本课程只研究力的外效应） 3）力的三要素：大小，方向 ，作用点。
MO FR
（2）力与轴不共面：
过力 F 的起点 和终点分别作 平面垂直于x轴，
则 X=±ABˊ
= ± ab
（3）正负号规定：
若a为F 与x轴正向的夹角，则X=Fcos a 若a为锐角，则X=±Fcos a ，用观察法确定正负，即：
如果从力的起点的投影到终点的投影与投影轴的正向一致 者为正，反之为负。
平行四边形的对角线来表示。即 RF1F2
力三角形→
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
公理2 二力平衡条件
作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等、方向相反、作用线共线，作用于同一 个物体上。
(简称等值、反向、共线）
注意：
F1F2 F1F2
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（1）平面问题中的力偶矩是代数量，大小等于力偶中的力的 大小与力偶臂的乘积：
'
mm(F,F)Fd 规定：逆时针转向为正，反之为负 。
单位：N.m，kN.m 《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
（2）空间问题中的力偶矩是矢量，其对物体的作用决定于力 偶三要素：
●力偶矩的大小 ：m Fd
●力偶作用面在空间的方位
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.1 静力学基本知识
1.1.1力、刚体、平衡
（1）力的概念
1）定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 运动状态发生改变或使物体产生变形。
2） 力的效应： ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。
（如无特别声明，本课程只研究力的外效应） 3）力的三要素：大小，方向 ，作用点。
MO FR
机械设计基础课件_第1章_物体的受力分析与平衡
M= - Fd
M= - Fd1- Fd2= - Fd M= Fd3 - Fd4= -Fd
力偶符号： M
d d2 d1
d4
顺时针 －
F
逆时针 ＋
d3
性质三：力偶的作用面可以平移而不改变对刚体的作用
2 平面力偶系的合成与平衡 平面力偶系：平面一组力偶
合成：合力偶矩等于各分力偶矩代数和
平衡：合力偶矩等于零
矢量图解法：
矢量首尾相连，图形封闭，长度按比例
比例尺： N
mm
三、 平面汇交力系的平衡应用 例2—4
比例尺：
N
mm
1 3
2
3
2
1
T1 A
T2 W
T2
T1
A
W
1 3
2
T1 A
T2 W
1.3 力对点之矩、力偶
1.3.1 力对点之矩
1、力矩 力矩（力×力臂）：力使物体绕O点转动的效应 m0 (F ) F d
RB 2 =(RB ′ )2+ (RB ″ )2
练习：
Fr
i k
Ft Fa
50
j A 50
100 B
Fr Fa
若已知图中Fr=2000N，Fa=700N， Ft=2400N，求A、B的支反力
A
RA′
结果： RA ′ =1100 N； RB ′ =900 N
RA ″ =1600 N； RB ″ =800 N
画受力图的步骤：p7 1）画出研究对象 2）画出主动力 3）画出约束反力 4）画出物体间的相互作用力
关键：找出二力杆 注意：每个物体分离出来画
2 1
3
F13
W F23
例2 ： 杆件无重，滑轮半径可忽略，
机械设计基础第一章
物体的受力分析
例 题 1
解：
1.物块 B 的受力图。
H G
FD
D
C E
A B G1
F
D B
G2
G2
例题
物体的受力分析
例 题 1
2. 球 A 的受力图。
H C E G
FE
E
A
F
D B
A
G1
F
G2
G1
FF
例题
物体的受力分析
例 题 1
3.滑轮 C 的受力图。
H G
I
H FH
C E
公理五 刚化公理 如果变形体在已知力系作用下处于平衡，
此时将变形体刚化成为刚体，则平衡不受影响。 刚化公理也称为变形体平衡公理，即变形体只有在平衡的前题 下才能刚化为刚体。 F2 F1
F2 F1
刚体的平衡条件，对于变形体而言是平衡的必要条件而不是充 分条件，即变形体的平衡条件包括了刚体的平衡条件。因此， 把处于平衡的变形体刚化为刚体，可进而应用刚体静力学的全 部理论。由此可看出刚体静力学对研究变形体的重要性。
刚体—受力后不变形的物体。（是对物体抽象简化 后得到的一种理想模型）
刚体的特征表现：刚体内任意两点的距离始终保持 不变。 平衡—物体相对于地球处于静止或作匀速直线运动 的状态，它是机械运动的一种特殊形式。 1）平衡是相对的。
2）平衡是暂时的。
其共同特点是运动状态没有变化。
第二节 静力学的基本性质
公理三 力的平行四边形公理 作用于刚体上某
点 A（或作用线交于某点 A）的两个力 F1、F2，可以合 成为一个力，这个力称为合力 F，合力的大小、方 向、作用线由以这两个力为邻边所组成的平行四边 形的对角线来决定。
机械设计基础ppt第一章
行力的合成与分解。
力矩与力矩平衡
力矩是力与力臂的乘积，它对物 体产生旋转运动或平衡状态的作 用。在静力学中，我们通过分析 力矩的平衡来研究物体的平衡状
态。
动力学基础
01
动力学基本概念
动力学是研究物体运动状态变化规律的学科。在动力学中，我们主要关
注物体的加速度、速度和位移等运动参数pt第一章
• 机械设计概述 • 机械零件的类型与功能 • 机械设计材料选择 • 机械设计中的力学基础 • 机械设计制图与标准
01
机械设计概述
机械设计的定义与特点
总结词
机械设计是一种将理论和实践相结合的过程，旨在创造满足特定需求的机械设备 。
详细描述
机械设计涉及对机械系统的整体设计和详细设计，包括对机械的工作原理、结构 、材料、制造工艺等方面的研究和规划。机械设计的特点在于其将理论和实践相 结合，需要综合考虑多种因素，如功能、性能、成本、可靠性等。
VS
详细描述
轴承类零件是支撑和引导轴类零件的重要 元件，主要作用是减小摩擦和磨损，提高 机械效率和使用寿命。轴承通常由内圈、 外圈和滚动体组成，根据不同的工作需求 和应用场景，轴承有多种类型，如深沟球 轴承、角接触轴承和圆柱滚子轴承等。
弹簧类零件
总结词
吸收和释放能量的弹性元件
详细描述
弹簧类零件是吸收和释放能量的弹性元件， 广泛应用于各种机械中，起到减震、缓冲和 平衡的作用。根据不同的工作需求和应用场 景，弹簧有多种类型，如螺旋弹簧、板弹簧 和橡胶弹簧等。弹簧通常由高弹性材料制成， 如钢丝、不锈钢和天然橡胶等。
橡胶
具有弹性好、耐磨损和隔 震等特性，用于制造密封 件、减震器和轮胎等。
陶瓷
硬度高、耐高温和化学稳 定性好，用于制造刀具、 发动机零件和耐腐蚀设备 等。
力矩与力矩平衡
力矩是力与力臂的乘积，它对物 体产生旋转运动或平衡状态的作 用。在静力学中，我们通过分析 力矩的平衡来研究物体的平衡状
态。
动力学基础
01
动力学基本概念
动力学是研究物体运动状态变化规律的学科。在动力学中，我们主要关
注物体的加速度、速度和位移等运动参数pt第一章
• 机械设计概述 • 机械零件的类型与功能 • 机械设计材料选择 • 机械设计中的力学基础 • 机械设计制图与标准
01
机械设计概述
机械设计的定义与特点
总结词
机械设计是一种将理论和实践相结合的过程，旨在创造满足特定需求的机械设备 。
详细描述
机械设计涉及对机械系统的整体设计和详细设计，包括对机械的工作原理、结构 、材料、制造工艺等方面的研究和规划。机械设计的特点在于其将理论和实践相 结合，需要综合考虑多种因素，如功能、性能、成本、可靠性等。
VS
详细描述
轴承类零件是支撑和引导轴类零件的重要 元件，主要作用是减小摩擦和磨损，提高 机械效率和使用寿命。轴承通常由内圈、 外圈和滚动体组成，根据不同的工作需求 和应用场景，轴承有多种类型，如深沟球 轴承、角接触轴承和圆柱滚子轴承等。
弹簧类零件
总结词
吸收和释放能量的弹性元件
详细描述
弹簧类零件是吸收和释放能量的弹性元件， 广泛应用于各种机械中，起到减震、缓冲和 平衡的作用。根据不同的工作需求和应用场 景，弹簧有多种类型，如螺旋弹簧、板弹簧 和橡胶弹簧等。弹簧通常由高弹性材料制成， 如钢丝、不锈钢和天然橡胶等。
橡胶
具有弹性好、耐磨损和隔 震等特性，用于制造密封 件、减震器和轮胎等。
陶瓷
硬度高、耐高温和化学稳 定性好，用于制造刀具、 发动机零件和耐腐蚀设备 等。
《机械设计基础 》课件第1章
2. 因机构由若干具有相对运动的构件组成，所以每个构件 都以一定的方式与其他构件相互联接，这种联接不是固定联 接，而是允许有一定相对运动的联接。这种两个构件直接接 触并允许有一定相对运动的联接称为运动副。例如，轴与轴 承的联接、活塞与汽缸的联接、传动齿轮的两个轮齿间的联 接等都构成运动副。两构件组成运动副后，其独立的相对运
F ＝3n-2PL-PH
(1-1)
式(1-1)就是平面机构自由度的计算公式。由公式可知， 机构自由度F取决于活动构件的数目以及运动副的性质和 数目，F必须大于零，构件组合才能够运动。
1.3.2
机构的自由度也就是机构所具有的独立运动的个数。由 前述可知，从动件是不能独立运动的，只有主动件才能独立 运动。通常每个主动件只具有一个独立运动，因此，构件组 合具有确定的相对运动的条件是：机构自由度F＞0，且F等
例1-1 试绘制如图1-7(a)
图1-7 (Байду номын сангаас) 颚式破碎机；(b)
解 (1) 确定构件数，辨清主、从动件。 颚式破碎机的主体机构由机架1、偏心轴2(与带轮固连)、 动颚3(与衬板固连)、肘板4共四个构件组成。其工作原理是： 当电动机通过带拖动带轮和与之固联的偏心轴2绕轴线A转动 时，驱使动颚3作平面复杂运动，从而将矿石轧碎。显然， 偏心轴2是运动和动力输入构件，即主动件，动颚3是输出构
对于机械中常用的构件和零件，有时也可采用惯用画 法，例如用粗实线或点划线画出一对节圆来表示互相啮合的 齿轮，用完整的轮廓曲线来表示凸轮。其他常用零部件的表 示方法可参看GB 4460—84《机构运动简图符号》
(1) 固定构件(机架)——用来支撑活动构件的构件。研究 机构中活动构件的运动时，一般以固定构件作为参考坐标系。
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公理5 刚化原理
变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成 刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。
公理5告诉我们：处 于平衡状态的变形体， 可用刚体静力学的平 衡理论。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.3 力在坐标轴上的投影
1.3.1力的轴上投影 1.力 F 在任一轴上的投影 （1）力 F 与轴共面： 以X表示力 F 在x轴上的投影，则 X= ②对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中)
③二力构件：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力构件。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
公理2 加减平衡力系公理
在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原 力系对刚体的效应。
推论：力的可传递性 作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.3 力在坐标轴上的投影
1.3.1力的轴上投影 1.力 F 在任一轴上的投影 （1）力 F 与轴共面： 以X表示力 F 在x轴上的投影，则 X=±ab。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
2.力平面上的投影 F ' 为力 F 在平面上的投影，大小：
点，而不改变该力对刚体的效应。
因此，对刚体来说，力的三要素为：大小、方向、作用线
力是滑移矢量
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
推论：三力平衡汇交定理
当刚体受到三力作用而平衡时，若 有两力的作用线相交，则此三力必 构成平面汇交力系。
[证] ∵ F1 , F2 , F3为平衡力系， ∴ R , F3 也为平衡力系。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.2静力学公理
公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的 实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。
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公理1 力的平行四边形法则
作用于物体上同一点的两个力可合成 一个合力，此合力也作用于该点，合力的 大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的
表示为：F，手写为 FF
力是矢量 力的单位： 国际单位制：牛顿(N) 千牛顿(kN)
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（2）刚体
刚体：在力的作用下，大小和形状都不变的物体。
注意： 1. 力作用于可变形的物体时，既有内效应，也会有外效应。 2. 力作用于刚体时，只有外效应。
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平行四边形的对角线来表示。即 RF1F2
力三角形→
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公理2 二力平衡条件
作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等、方向相反、作用线共线，作用于同一 个物体上。
(简称等值、反向、共线）
注意：
F1F2 F1F2
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力的大小： F X2Y2Z2
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（2）力与轴不共面：
过力 F 的起点 和终点分别作 平面垂直于x轴，
则 X=±ABˊ
= ± ab
（3）正负号规定：
若a为F 与x轴正向的夹角，则X=Fcos a 若a为锐角，则X=±Fcos a ，用观察法确定正负，即：
如果从力的起点的投影到终点的投影与投影轴的正向一致 者为正，反之为负。
Fˊ=Fcosj
注意：力在轴上的投影是代数 量，而在平面上的投影是矢量。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.3.2力在直角坐标轴上的投影 1)一次投影法（直接投影法）
若已知力与坐标轴正向的
夹角α、β、γ，则
X F cos a , Y F cos , Z F cos
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又∵ 二力平衡必等值、反向、共线，
∴ 三力 F1 , F2 , F3必汇交，且共面。
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公理4 作用和反作用定律
两物体间的相互作用力即作用力与反作用力，总是大小相等、 方向相反、作用线重合，并分别作用在这两个物体上。 [例] 吊灯
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《机械设计基础》 课件
第1章 静力学基础和理论
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
第1章 静力学基础
§1.1静力学基本知识
静力学的基本知识 静力学公理 力在坐标轴上的投影 力对点之矩 平面力偶 空间力偶 约束和约束反力 物体的受力分析和受力图
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1.1 静力学基本知识
1.1.1力、刚体、平衡
（1）力的概念
1）定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 运动状态发生改变或使物体产生变形。
2） 力的效应： ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。
（如无特别声明，本课程只研究力的外效应） 3）力的三要素：大小，方向 ，作用点。
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
1.1.2静力学的两个基本问题： 1.作用在刚体上的力系的简化（或合成）：用最简单 的力系代替复杂的力系。
用一个力系代替另一个力系，而不改变原力系对 刚体的效应，称此两力系等效或互为等效力系。 2.力系的平衡条件及应用：物体平衡时，作用于其上 的力系应满足的条件。
（3）平衡
平衡：是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运 动的状态。 力系：是指作用在物体上的一群力。
若把与地球固结的参考系作为惯性参考系，则相对于地 球保持静止或作匀速直线运动的物体，就处于平衡状态。
注意：运动是绝对的平衡是相对的。 平衡力系：物体在力系作用下处于平衡，我们称这个力系为 平衡力系。
2）二次投影法（间接 投影法）
当力与各轴正向夹 角不易确定时，可先将 F 投影到xy面上，然后 再投影到x、y轴上， 即
FxyFsin
X Fxycojs Fsin cojs YFxysinjFsin sinj Z Fcos
《机械设计基础》课件第1章静力学基础 和理论
3）若已知力在直角坐标轴上的投影X、Y、Z，则