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
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