《机械基础》授课教案
第1讲 机械概述、力的基本性质
授课日期： 25/2
课 题： 绪论、机械概述、力的基本性质
课 型： 课堂讲解
目的要求： 1、本课程的性质、内容、特点及学习方法
2、掌握机器的概念、术语及组成
3、掌握摩擦的概念、类型、磨损及磨损规律
4、掌握力的概念、基本性质、物体的受力分析
重点难点： 1、机器的概念和术语
2、力的概念、基本性质、物体的受力分析及计算
教 具：
教学方式及时间分配：课时总计2课时，教师课堂讲解重点内容，学生自学第2
节、3节。
复习与课外作业： 安排学生复习、预习；作业
（1－1）
第1章 机械概述
绪论
1、课程的性质：机械专业的综合基础课（我们为非机械专业）
2、课程内容：包括工程力学、机械工程材料学、机械零件、机械传动与液压传动等方面的基础知识。
适当补充机械识图知识。
3、学习方法：教师重点讲解与学生自学相结合；理论和实践相结合；预习和复习相结合
4、目的要求：1）了解和掌握工程力学、机械工程材料学（自学）、机械零件、机械传动与液压传动等方面的基础知识。
2）能看懂机械原理图和结构图
3）初步具有使用、维护一般机械的能力
4）初步具备分析一般机械的能力、
机器的概念及组成
（一）机器的概念
1、机械：
机器和机构的总称。
2、机器：
人工物体组合，各部分之间具有确定的相对运动，能够转换或传递能量、物料和信息的机械。
3、机构：
人工物体组合，各部分之间具有一定的相对运动的机械。
构件：
相互之间能作相互运动的机件。
零件：机械的构成单元。
零件与构件的区别：
零件是制造单元，构件是运动单元，零件组成构件，构件是组成机构的各个相对运动的实体。
机构与机器的区别：
机器能完成有用的机械功或转换机械能，机构只是完成传递运动、力或改变运动形式，同时
机构是机器的主要组成部分。
（二）机器的组成
一台完整的机器，通常由四部分组成
原动机部分（动力装置）：
作用是将其它形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部分的运动。
执行部分（工作机构）：
机器中直接完成具体工作任务。
传动部分（传动装置）：
将原动机的运动和动力传递给工作机构。
操纵或控制部分：
显示、反映、控制机器的运行和工作。
（1－2）
三、金属材料的性能
金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。
工艺性能：
金属材料在各种加工条件下所表现出来的性能。
使用性能：
金属零件在使用条件下材料所表现出来的性能。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。
金属材料的物理性能
物理性能：指金属所固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、热膨胀和磁性等。
1、密度
单位体积金属的质量（单位：㎏/m3）。根据密度，可分为轻金属（4.5g/㎝3）和重金属。
2、熔点：
金属从固态转变为液态时的温度称为熔点。单位：oC。根据熔点，可分为低熔点金属（小于1000oC），中熔点金属（1000～2000oC）和高熔点金属（大于2000oC）。
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表示导热性能的优劣。单位为W（m·K）
4、热膨胀性
金属材料的体积随温度升高而增大，随温度的降低而减小的性能。常用线膨胀系数αl表示其膨胀性。
导电性
金属材料传导电流的性能。
磁性
金属材料导磁的性能称为磁性。
金属材料的化学性能
金属材料在化学作用下所表示出来的性能，主要表现在以下三个方面：
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。
化学稳定性
金属材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
（1－3）
（三）金属材料的力学性能
指金属材料在外力的作用下所表示出来的抵抗性能
强度
金属材料在静载荷的作用下，抵抗变形和破坏的能力。
强度指标一般用抭拉强度或强度极限σb表示，σb表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力，可以通过拉伸实验确定。
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表示，δ、ψ的值越大，表示材料的塑性越好。
硬度
硬度是指金属材料抵抗其它物体压入其表面的能力。
硬度一般采用压入法硬度试验，即布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度
布氏硬度（HB）
洛氏硬度（HRC、HRB、HRA）
3）维氏硬度（HV）
韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
韧性指标用冲击韧度或冲击值αk表示，其单位为J/㎝2。αk值越大，冲击韧度超高。
疲劳强度
金属材料在无限多次交变载荷（钢107次、有色金属108次）作用下而不破坏的最大应力称疲劳强度或疲劳极限。
当施加的交变应力是对称循环力时，所得的疲劳强度用σ－1表示。
金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是指其在各种加工条件下所表现出来的适应能力。
铸造性
金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能。
锻压性
金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能。
（1－4）
焊接性
金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力。
四、机械零件的强度
在外力作用下的零件，要求能够正常的工作，一般应满足以下三个方面的要求：
足够的强度；
必要的刚度；
足够的稳定性。
（一）机械零件的强度
机械零件的强度是指零件受载后抵抗断裂、塑性变形和表面失效的能力。
内力
内力，即是构件内部之间或各质点之间的相互作用力。
构件在未受外力作用时，其中即有内力存在；当受到外力作用时，这些构件内力就要发生相应的变化，可以认为，在外力作用下出现了附加内力，材料力学中，只研究外力与附加内力的关系，故将附加内力简称为内力。
应力
根据“平面假设”可知，内力在横截面上是均匀分布的，若杆轴力为N，横截面面积为A，则单位面积上的内力为：
σ＝N/A
式中σ称为正应力，它反映了内力中横截面上分布的密度，国际单位为帕斯卡（Pa）。
P P
P N
许用应力·强度条件
1）在外力作用下材料不被破坏的条件下，应力能够达到的最大限度，称为该材料的极限应力σjx
2）将测定的极限应力σjx作适当降低，规定出杆件能安全工作的应力最大值，这就是许用应力〔σ〕。
为保证零件有足够的强度，必须使零件在受载后的工作应力不超过许用应力。
即：
σ≤〔σ〕
（1－5）
五、摩擦和磨损
（一）摩擦
摩擦是指两物体的接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力。
摩擦的基本概念、分类、摩擦状态及物理值见教材P9面表1－1。
（二）磨损
1、磨损的过程
机件的磨损过程大致分为三个阶段
走合磨损阶段
稳定磨损阶段
剧烈磨损阶段
2、磨损的类型
根据磨损的机理分可分为以下五种
1）粘着磨损：
摩擦表面不平峰尖在相互作用的各点发生“冷焊”（粘附）后，材料从一个面转移 到另一个面形成的磨损。
异类材料比同类材料抗粘性好；脆性材料比塑性材料抗粘性好；表面粗糙度愈小，抗粘能力愈强。
2）磨料磨损：
由外部进入摩擦表面间的游离颗粒或硬的不平峰尖在较软材料表面划刨出许多沟纹而形成的磨损。
材料的硬度超高，耐磨性越好；磨料的平均尺寸越大、硬度越大，磨损越大。
3）疲劳磨损
当作滚动或滚滑运动的高副受到反复的接触应力，如果接触应力超过材料的接触疲劳强度，就会在其表面或表面下形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展和相互连接，就会造成许多颗粒从零件工作表面脱落下来，而形成的磨损。
钢的心部硬度越高，产生疲劳裂纹的危险性越小；提高表面质量，在一定范围内能提高抗疲劳磨损能力；高压润滑，能提高抗疲劳磨损能力。
4）冲蚀磨损：
含有硬质微粒的流体冲击到固体表面所造成的磨损。
其影响因素有：磨粒与固体表面的摩擦因数、磨粒的冲击角度、冲击速度等。
5）腐蚀磨损
由空气中的酸性物质水分，或润油料中的无机酸的化学作用在摩擦表面所造成的磨损。
影响腐蚀磨损的主要因素是：零件表面的氧化膜性质和环境温度。
（1－6）
第二章 构件的静力分析
构件的静力分析是选择构件的材料、确定构件具体外形尺寸的基础。
一、工程力学的几个基本概念
1、 刚体
指受力时不变形的物体。
实际中刚体并不存在，但如果物体的尺寸和运动范围都远大于其变形量，则可不考虑变形的影响，将其视 为刚体，因此，刚体只是一个理想的力学模型。
2、 平衡
平衡是指物体相对于地面保持静止或作均速直线运动。
3、平衡条件
作用在刚体上的力应当满足的必要和充分的条件称为平衡条件。
二、力的基本性质
（一） 力和力系
1、力的定义
力是物体间的相互作用，这种作用使物体的运动状态和形状发生改变。
力使物体的运动状态发生改变的效应，称为力的外效应；使物体的形状发生改变的效应，称
为力的内效应
2、力的三要素
力的大小、方向和作用点称为力的三要素。
力的任一要素的改变，都将改变其作用效果，因此，力是矢量，用黑体字母（如F）表示，对
应的白体字母表示其大小，力的大小以牛顿（N）为单位。
3、力的图示法
力在图中用有向线段AB表示：
线段的长度代表其大小；线段所在
的直线为力的作用线，箭头代表力
的方向；线段的起点表示力的作用点。
4、力系
力系的概念
作用在物体上的一群力称为力系
力系的等效
力系的等效是指两个力系对同一刚体的作用效果相同。等效的两个力系可以互相代替。
（1－7）
合力与分力
若一力与一力系等效，则此力称为该力系的合力，力系中各力称为此力的分力。
（二）力的基本性质
性质一（二力平衡原理）
作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等，方向相
反，作用在同一直线上（即两力等值、反向、共线）。
只受二个力的作用而保持平衡的刚体称为二力体。
F2
F1
性质二（力的平衡四边形法则）
作用在物体上同一点的两个力，可以按平行四边形法则合成一个合力。此合力也作用在该点，其大小和方向由这两力为边构成的平行四边形的主对角线确定。
R＝F1＋F2 （2－1） F2
FF R
F1
性质三（作用和反作用定律）
任意两个相互作用物体之间的作用力和反作用力同时存在。这两个力大小相等，作用线相同而指向相反，分别作用在这两个物体上。（注意和二力平衡的区别）
4）性质四（力的可传性）
作用在刚体的力，可沿其作用线任意移动其作用点而保持它原来对刚体的作用效果。
F F
（1－8）
三、约束和约束力
在分析物体的受力情况时，常将力分为给定力（已知力，如重力、磁力、流体压力、弹簧弹力和某些作用在物体上的已知力）和约束力。
（一）约束和约束力
1、约束
对物体运动起限制作用的其他物体称为约束物，简称约束。
2、约束力
约束对被约束物的力称为约束力。
约束力的方向与该约束所能限制的运动方向相反。约束力的大小需由平衡条件求出。
（二）常见的约束类型
1）光滑接触表面约束
两物体的接触表面非常光滑，摩擦可忽略不计时，即属于光滑表面约束。
约束力作用在接触点，方向沿接触表面的公法线并指向受力物体。
N
N
A B
A
2）柔性约束
由柔软的绳索、链条等构成的约束（假设其不可伸长）称为柔性约束。
其约束力为拉力，作用在接触点，方向沿绳索背离物体。
S
S1 S1
G G
3）光滑柱鉸
约束物与被约束物以光滑圆柱面相联接。其中一个为约束物，另一个为被约束物，约束物不动时，称为固定铰链支座，简称固定支座。
约束力为过接触点K沿径向的压力，由于接触点在圆周上的位置不能预先确定，因此，通常用两个相互垂直的分力代替。
N NY
NY N1
NX
NX
柱铰支座简化画法 K 固定支座简化画法
N2
（1－9）
4）可动支座（可动铰链支座的简称）
它为一种复合约束，约束力的方向与支承面垂直。
NY
A
可动支座的简图和约束为画法
5）固定端约束
P P
A
A FX
FY
固定约束简化画法
6）二力体
二力体为一种复合约束。工程上常见的二力体是指两端有鉸且自重不计的拉杆或压杆。
二力体对被约束物的约束力的作用线与二力体所受两力作用点的連线重合。
C
NC
D
ND
四 物体受力分析和受力图
受力分析就是研究某个物体受到的力，并分析这些力的三要素。
画受力图的一般步骤：
1、认定研究对象，并单独画出。
2、画给定力
3、分析并画约束力
F
例一：
OOOOOOO
碾子
石块
NA
B NB
（1－10）
