精密机械设计基础第一章.ppt

1、第一章 结构设计中的静力学平衡参考文献参考文献 范钦珊，蔡新编著，范钦珊，蔡新编著，工程力学工程力学，机械，机械工业出版社，工业出版社，2006.7 贾启芬，刘习军主编，贾启芬，刘习军主编，理论力学理论力学（中（中学时），机械工业出版社，学时），机械工业出版社，2005.1 其他工程力学以及理论力学的相关书籍其他工程力学以及理论力学的相关书籍主要内容主要内容 第一节第一节 刚体的概念刚体的概念 第二节第二节 力的性质力的性质 第三节第三节 平面力系的一般简化平面力系的一般简化 第四节第四节 零件受力分析与受力图零件受力分析与受力图 第五节第五节 平面一般力系的平衡平面一般力系的平衡 第六节第六

2、节 摩擦摩擦第一节第一节 刚体的概念刚体的概念 力是物体间的相互机械作用。力是物体间的相互机械作用。作用的效应作用的效应 外效应（运动效应）外效应（运动效应）内效应（变形效应）内效应（变形效应）两种效应同时出现。两种效应同时出现。刚体刚体 在受力情况下保持形状和大小不变的物体。在受力情况下保持形状和大小不变的物体。外力作用下物体视为刚体的情况：外力作用下物体视为刚体的情况：研究物体受力与运动关系时；研究物体受力与运动关系时；由平衡条件求解物体所受外力时。由平衡条件求解物体所受外力时。变形体变形体 在研究物体受力与变形的关系时，认为零在研究物体受力与变形的关系时，认为零件是弹性体。件是弹性体。第

3、一节第一节 刚体的概念刚体的概念 力的基本概念力的基本概念 力的三要素：作用点、方向、大小力的三要素：作用点、方向、大小 对对刚体刚体而言，力具有而言，力具有可传性可传性F第二节第二节 力的性质力的性质 力系的概念力系的概念 同时作用在同一物体上的许多力。同时作用在同一物体上的许多力。平面力系平面力系 分类分类 空间力系空间力系 等效力系、平衡力系等效力系、平衡力系 汇交力系汇交力系平行力系平行力系平面一般力系平面一般力系第二节第二节 力的性质力的性质 二力平衡定律二力平衡定律 一个零件受两个力的作用平衡，则此二力一个零件受两个力的作用平衡，则此二力等值、反向、共线。等值、反向、共线。二力杆二

4、力杆工程静力学的主要研究对象工程静力学的主要研究对象 二力杆上二平衡力作用点的连线就是力的二力杆上二平衡力作用点的连线就是力的作用线。作用线。F FF F第二节第二节 力的性质力的性质 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 三力汇交是平衡的必要条件三力汇交是平衡的必要条件F1F2F3F3F1、F2的合力的合力F3与与F3平衡平衡ABCO例例1-1第二节第二节 力的性质力的性质 作用力和反作用力作用力和反作用力 力是物体间的相互作用，甲给乙一个作力是物体间的相互作用，甲给乙一个作用力时，乙同时给甲一个反作用力，它们用力时，乙同时给甲一个反作用力，它们大小相等，方向相反，作用于同一条直线大小相等，方向

5、相反，作用于同一条直线上。上。作用力和反作用力是不能平衡的，它们作用力和反作用力是不能平衡的，它们分别作用在两个物体上。分别作用在两个物体上。例例1-A例例1-B第二节第二节 力的性质力的性质 力的合成图解法力的合成图解法 1、二力合成（平行四边形定律）、二力合成（平行四边形定律）22121 22cosRFFFFF F1F2FRCBAO F1F2FRCAOcossinarctan212FFF合力大小合力大小合力方位合力方位三角形法则三角形法则第二节第二节 力的性质力的性质 力的合成图解法力的合成图解法 2 2、力的分解、力的分解cosntFF FRF1F2F3F4F5F6O2O1FrFtFn

6、第二节第二节 力的性质力的性质sinnrFF 力的合成图解法力的合成图解法 3 3、平面汇交力系的合成、平面汇交力系的合成OF1F2F3F4F5OAF1BF2CF3DF4EF5FR1FR2FR3FR力多边形力多边形OABCDE第二节第二节 力的性质力的性质 平面汇交力系合成的解析法平面汇交力系合成的解析法 1 1、力在坐标轴上的投影、力在坐标轴上的投影OyxFABFxFya1b2a2b1sincosFFFFyx第二节第二节 力的性质力的性质 平面汇交力系合成的解析法平面汇交力系合成的解析法 2 2、合力投影定理、合力投影定理123xxxRxFabFbcFcdFadOyxFRadcbABCDF1

7、F2F3RRxixyiyFFFFF1F2F3OFR22RRRRRtan/xyyxFFFFF第二节第二节 力的性质力的性质例例1 12 2 压紧机构如图示。压紧机构如图示。ABAB与与BCBC长度相等，自重略去不计；长度相等，自重略去不计；A A、B B、C C三处均为铰链连接，水平推力为三处均为铰链连接，水平推力为F F。求滑块。求滑块C C加于工件上的压紧力。加于工件上的压紧力。A工件工件FBCLLh工件工件xyCxyBF FR1FR2FRCFR2FRAFR1FNC FRCFNCFNABBCFN工件工件 力对点之矩力对点之矩 对平面力系对平面力系 力矩力矩 工程上习惯逆时针为工程上习惯逆时针

8、为“”第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化()()oMFF d N m OdF 合力矩定理合力矩定理 平面力系的合力对平面内任一点的力矩等平面力系的合力对平面内任一点的力矩等于各分力对同一点力矩的代数和。于各分力对同一点力矩的代数和。R()()ooiMFMFFRXYAXOF1F2h2hh1 BC例例1-3例例1-3Z第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化 力偶：大小相等、方向相反、不共线的两个相互平力偶：大小相等、方向相反、不共线的两个相互平行的力。行的力。力偶矩：力偶矩：M F d 力偶矩的特点力偶矩的特点 1、力偶对平面内任意点之、力偶对平面内任意点之力矩代数和等

9、于力偶矩；力矩代数和等于力偶矩；2、力偶是基本力矢量，、力偶是基本力矢量，只能用力偶平衡；只能用力偶平衡；3、力偶等效变换性质，、力偶等效变换性质，力偶可在其作用平面内任意移动或转动，效果不变。力偶可在其作用平面内任意移动或转动，效果不变。dFF30N 2m 20N 3m M=60N m 负力偶负力偶第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化 平面力偶系的合成平面力偶系的合成iMMF2F2d2d1F1F1dF3F3F4F4dFRFR第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化 力的平移定理力的平移定理 一个力可以平行于其作用线移到任意点，一个力可以平行于其作用线移到任意点，但必须

10、附加一个力偶，这个力偶的矩等于原但必须附加一个力偶，这个力偶的矩等于原力对新作用点之矩，则其作用效果不变。力对新作用点之矩，则其作用效果不变。ABAABFBdF”FFF”M第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化推论：一个力可以分解为同一作用平面内的一个推论：一个力可以分解为同一作用平面内的一个力偶和一个力，反之作用于同一平面内的一个力力偶和一个力，反之作用于同一平面内的一个力和一个力偶，也可以合成为一个力。和一个力偶，也可以合成为一个力。OA1A2A3F1M1 平面一般力系的作用面内一点简化平面一般力系的作用面内一点简化 任意一个平面力系总可以简化为一个主矢任意一个平面力系总可以简

11、化为一个主矢量量F FR R（作用于（作用于简化中心简化中心）和一个主矩）和一个主矩M M（等（等于力系各力对于力系各力对简化中心简化中心之矩的代数和）。之矩的代数和）。OA1A2A3F1F2F3F2M2F3M3F2F3FRM第三节第三节 平面一般力系的简化平面一般力系的简化 主动力主动力 使零件运动或有运动趋势的力。使零件运动或有运动趋势的力。约束约束 限制物体运动的条件。限制物体运动的条件。约束反力约束反力 约束限制构件运动而给构件的力。约束限制构件运动而给构件的力。第四节第四节 零件受力分析与受力图零件受力分析与受力图FWFN 常见约束及其约束反力常见约束及其约束反力 1、柔软约束柔软约

12、束 2、光滑面约束光滑面约束 3、固定铰链约束固定铰链约束 4、活动铰链约束活动铰链约束 5、固定端约束固定端约束第四节第四节 零件受力分析与受力图零件受力分析与受力图 受力图受力图1、提取受力分离体、提取受力分离体2、画出主动力、画出主动力3、用约束反力代替约束、用约束反力代替约束注意：所画均为外力，内力成对出现，不注意：所画均为外力，内力成对出现，不必画出。必画出。ABFMABFMFRAYFRAXFRBY第四节第四节 零件受力分析与受力图零件受力分析与受力图第四节第四节 零件受力分析与受力图零件受力分析与受力图受力图示例受力图示例例例1-C 平面一般力系平衡的充要条件平面一般力系平衡的充要

13、条件 主矢量主矢量0，对任一点的主矩，对任一点的主矩0 平衡方程：平衡方程：第五节第五节 平面一般力系的平衡平面一般力系的平衡0)(000FMFFyx000)(0)(yxBAFFFMFM或0)(0)(0)(FMFMFMCBA00yxFF0)(00FMFy一般工程一般工程A、B、C三点不共线三点不共线三个方程、三个未知数三个方程、三个未知数汇交力系汇交力系平行力系平行力系or 选取适当的坐标轴和力矩中心，可以减少选取适当的坐标轴和力矩中心，可以减少每个平衡方程中的未知数目。在平面任意每个平衡方程中的未知数目。在平面任意力系情形下，力矩中心应取在两未知力的力系情形下，力矩中心应取在两未知力的交点上

14、，而坐标轴应当与尽可能多的未知交点上，而坐标轴应当与尽可能多的未知力相垂直。力相垂直。第五节第五节 平面一般力系的平衡平面一般力系的平衡例例15例例15Z 摩擦摩擦 绝对光滑表面不存在绝对光滑表面不存在 摩擦力摩擦力 两物体表面相互接触，存在正压力，并有运动或两物体表面相互接触，存在正压力，并有运动或运动趋势时，接触面间产生阻碍物体发生相对运动运动趋势时，接触面间产生阻碍物体发生相对运动的力，方向与运动或运动趋势方向相反。的力，方向与运动或运动趋势方向相反。有害面有害面 消耗部分输入功，发热、磨损，降低效率、精度，消耗部分输入功，发热、磨损，降低效率、精度，缩短寿命。缩短寿命。有利面有利面 人

15、行走；摩擦传动；制动器；锁紧装置和螺纹紧人行走；摩擦传动；制动器；锁紧装置和螺纹紧固（自锁性）。固（自锁性）。第六节第六节 摩擦摩擦 滑动滑动摩擦基本规律摩擦基本规律 静摩擦力静摩擦力 0 Ff Ffmax 静摩擦定律静摩擦定律 Ffmax=fFN 静摩擦因数静摩擦因数 fFWFNFFf第六节第六节 摩擦摩擦maxFR 摩擦角摩擦角 自锁自锁 主动力主动力F与法线夹角与法线夹角 AFNFfFfmax maxNNNtanfFfFfFF FF 第六节第六节 摩擦摩擦摩摩擦擦锥锥第六节第六节 摩擦摩擦螺旋千斤顶螺旋千斤顶-自锁应用自锁应用力的可传性力的可传性 刚体刚体 变形体变形体F FFFFFF

16、F汇交力系汇交力系 平行力系平行力系 平面一般力系平面一般力系2aaABCD例例1-1 如图示的钢架，在如图示的钢架，在C C点作用一水平力点作用一水平力F F，尺寸如图。，尺寸如图。求支座求支座A A和和B B处的约束反力。钢架的重量略去不计。处的约束反力。钢架的重量略去不计。FFRBFRAFRAFRBFabdO 两根杆，杆端挂重物，求铰链两根杆，杆端挂重物，求铰链C C对对CDCD杆、铰链杆、铰链A A对对ABAB杆的作用杆的作用。ABFWDCFWAB杆是二力杆杆是二力杆CD杆是三力杆杆是三力杆FBFAFBFCFWABCDFAFC例例1-A 将力从上图的作用点位置移到下图位置，铰将力从上图

17、的作用点位置移到下图位置，铰链链A、B处的作用力是否有变化？处的作用力是否有变化？CABFABCFBCACFFAFCFCFBFBFAACFBCFBFCFAFCFAFBAC三力杆三力杆CB二力杆二力杆AC二力杆二力杆CB三力杆三力杆例例1-BC 平面上作用两个平行力平面上作用两个平行力F F1 1与与F F2 2。已知。已知F F1 1=30N=30N，F F2 2=20N=20N，d=400mmd=400mm，试求合力，试求合力F FR R之大小、方向之大小、方向及作用线。及作用线。F1F2BAdOYXFRd1d2例例1-3 求解反向平行力的合力求解反向平行力的合力F1F2BAdOYXd1FR

18、C问：若两反向平行力大小相等，方向相反，合力？问：若两反向平行力大小相等，方向相反，合力？FRC例例1-3Z柔软约束柔软约束 柔软、不可伸长的约束物体，其截面尺寸和柔软、不可伸长的约束物体，其截面尺寸和重量忽略不计。重量忽略不计。约束反力沿绳索方向，且只能是拉力。约束反力沿绳索方向，且只能是拉力。FW FT2 FT1 F1F2F1F2M1M2 日光灯日光灯滑轮滑轮光滑面约束光滑面约束 约束反力经过接触点沿光滑接触面的法线方约束反力经过接触点沿光滑接触面的法线方向，指向物体，称为法向压力或正压力；不向，指向物体，称为法向压力或正压力；不计摩擦。计摩擦。FNFNAFNBAFWOBAYX固定铰链约束

19、固定铰链约束 约束反力通过铰链中心，方约束反力通过铰链中心，方向和大小由主动力决定。向和大小由主动力决定。（两个未知数）（两个未知数）FRYFRFRXFR活动铰链约束活动铰链约束 约束反力通过铰链中心，垂直于支承面；约束反力通过铰链中心，垂直于支承面；不能承受不能承受x x方向的力。方向的力。FRAA固定端约束固定端约束约束反力可用一个力偶和两个相互垂直的约束反力可用一个力偶和两个相互垂直的分力表示。分力表示。FMAAFXFYFRDFREFRCFRBFRAFWFREFWAFEDCBFWADBECFFRCFRDWDCFRCFRDABAEFFWFRCFRDFRAFRBFRAFREFREFRB例例 简易起重机如图，起重臂自重略去不计，简易起重机如图，起重臂自重略去不计，求平衡时支座求平衡时支座A反力和绳子反力和绳子BC的张力。的张力。B30 ABC40 FWA40 30 FT1FNA1Y2XFWFT2FT2例例1-5 均匀杆均匀杆AB重为重为FW，长为，长为l，在，在B端作用力为端作用力为F。不计摩擦，求平衡位置不计摩擦，求平衡位置 角。角。aFWFABC FWFABCDOEFNAFNC例例1-5Z