描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302516323丛书名: 普通高等院校机电工程类规划教材
本书可作为高等工科院校机械类专业导论教材，也可作为其他相关专业学生学习机械工程知识的教学用书或参考读物，还可供相关工程技术人员学习参考。
1.1机械定义变迁
1.2机械工程发展史
1.2.1古代机械工程史
1.2.2近代机械工程史
1.2.3现代机械工程史
1.3机械工程伟大成就
1.4机械工程发展趋势
1.5机械工程学科及相关课程体系
思考题
拓展资料
第2章零件、部件与机床
2.1零件
2.2部件
2.3机床
思考题
拓展资料
第3章力学在机械工程中的应用
3.1理论力学及工程应用
3.1.1静力学及工程应用
3.1.2运动学及工程应用
3.1.3动力学及工程应用
3.2材料力学与构件承载能力
3.2.1强度问题
3.2.2刚度问题
3.2.3稳定性问题
3.3流体力学在汽车外形上的应用
3.4振动力学及工程应用
思考题
拓展资料
第4章机构学及工程应用
4.1机构要素
4.2平面连杆机构及工程应用
4.2.1曲柄摇杆机构
4.2.2双曲柄机构
4.2.3曲柄滑块机构
4.3凸轮机构及工程应用
4.3.1盘形凸轮机构
4.3.2移动凸轮机构
4.3.3圆柱凸轮机构
4.4齿轮机构及工程应用
4.4.1齿轮
4.4.2齿轮机构
4.5间歇机构及工程应用
4.5.1棘轮机构
4.5.2槽轮机构
4.6自锁机构及工程应用
4.6.1自锁原理
4.6.2机构自锁实例分析
思考题
拓展资料
第5章工程材料及其应用
5.1金属材料及工程应用
5.1.1黑色金属
5.1.2有色金属
5.1.3特种金属
5.2非金属材料及应用
5.2.1工程塑料
5.2.2合成橡胶
5.2.3陶瓷材料
5.3复合材料及应用
5.4智能材料及应用
思考题
拓展资料
第6章现代机械设计方法
6.1机械设计的基本方法
6.1.1机械设计的基本要求
6.1.2机械设计的一般步骤
6.2现代机械设计方法与实例
6.2.1设计技术阶段
6.2.2现代机械设计方法
6.2.3现代设计实例分析
6.3现代设计常用软件及应用实例
6.3.1CAD/CAM软件
6.3.2工程分析常用软件
6.3.3应用实例
思考题
拓展资料
第7章先进制造技术
7.1先进制造工艺技术
7.1.1高速切削技术
7.1.2超精密加工技术
7.1.3快速原型制造技术
7.1.4激光加工技术
7.1.5绿色制造技术
7.2制造自动化技术
7.2.1制造自动化的定义和内涵
7.2.2制造自动化的发展历程及趋势
7.2.3制造自动化的关键技术
7.3先进制造模式
7.3.1精益生产
7.3.2网络化制造
思考题
拓展资料
第8章机电一体化技术
8.1概述
8.1.1机电一体化概念
8.1.2机电一体化内涵
8.1.3机电一体化技术的优势
8.1.4机电一体化技术发展趋势
8.2机电一体化系统的构成与关键技术
8.2.1机电一体化系统的构成
8.2.2机电一体化的关键技术
8.3机器人技术
8.3.1机器人的定义
8.3.2机器人的分类
8.3.3机器人的系统结构
8.3.4机器人技术的研究内容
8.4微机电系统
8.4.1微机电系统的发展与构成
8.4.2微机电系统的特点
8.4.3微机电系统的关键技术
8.4.4微机电系统的应用
思考题
拓展资料
参考文献
附录常用名词术语英汉对照表
全书共分8章，主要内容包括： 绪论； 零件、部件和机床； 力学在机械工程中的应用； 机构学及工程应用； 工程材料及其应用； 现代机械设计方法； 先进制造技术； 机电一体化技术。每章开始指出本章节内容的能力培养目标，各章后安排适当习题供学生思考、练习，并加入与章节内容呼应的课外拓展资料，开阔学生视野，教材最后附有常用名词术语英汉对照表。
本次教材修订工作由崔玉洁、石璞、化建宁共同完成。在修订过程中，部分插图与内容参考了书后所列的参考文献及网上的很多资料，作者在此一并致谢！
限于作者水平，书中疏漏在所难免，恳请各位专家学者及广大读者批评指正，使本书不断得到完善。
编者
2018年9月
第3章力学在机械工程中的应用
能力培养目标： 通过理论与实例说明了理论力学、材料力学、流体力学和振动力学在机械工程中的应用，使学生认识到力学在机械工程中的重要作用，体会到用力学的理论、观念与方法去解决机械工程中的科学与技术问题将会收到事半功倍的效果，认识到力学是机械工程发展的重要推动力。
力学是一门既古老又有永恒活力的学科，它对于近、现代科学技术的进步有着重要影响。力学的起源可以回溯到阿基米德时代，1687年牛顿的著作《自然哲学的数学原理》出版，奠定了经典力学的基础。
机械与力学有着不解之缘，英语mechanics有“机械学”和“力学”的双重中文释义，事实上，欧洲各国的语言中，“力学”(mechanics)和“机械装置”(mechanism)都是同源的，当时机械装置的大量出现和应用，促进了力学的产生与发展； 反过来，力学也促进了机械工业的进步。在各种各样机械设备的设计、制造和运行控制过程中，要做到安全、可靠、经济和耐用，都有必要对其整体或关键部件进行有效的力学分析，其中包括强度、刚度、稳定性和动力学特性方面的分析。因此，对构件进行受力分析是设计或使用机器时最基本也是最重要的工作之一。构件在载荷作用下的运动和平衡规律、构件的承载能力是机械工程中经常遇到的力学问题。
现代机械工程是传统工业与现代技术的结合，高新技术已渗透到机械工程的各个角落，而机械设备正向着高性能和高经济性的方向发展，要适应这种趋势，机械工程必须要以力学作为其学科基础之一，力学也成为机械工程发展的重要推动力。
本章主要介绍刚体力学、材料力学、流体力学及振动力学在机械工程中的应用。
3.1理论力学及工程应用
理论力学研究对象是速度远小于光速的宏观物体的机械运动。研究内容包括静力学、运动学和动力学三大部分。静力学主要研究力系的简化、合成与力系的平衡条件； 运动学是从几何的角度研究点和刚体的运动规律； 动力学是研究力的作用和机械运动变化的关系。这三部分内容既有独立的工程实用意义，相互之间又有密切的关系。
3.1.1静力学及工程应用
从既安全又经济的原则出发，在设计机械或工程结构时，对有关的机械零件或结构物，一般应首先进行静力分析，然后在此基础上再进行有关强度、刚度等一系列的设计计算。静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。
1. 平衡及应用
平衡是运动的一种特殊状态，指物体相对于惯性参考系保持静止或匀速直线运动。对工程技术中的多数问题来说，可以把固连于地面的参考系当作惯性参考系。
力系是指作用于物体上的一群力。如果作用于某一刚体上的力系可以用另一力系来等效替换，而不改变原力系对物体的作用效果，则此二力系称为等效力系。如果一个力系作用于刚体能使刚体保持平衡状态，则称这个力系为平衡力系。力系成为平衡力系时所要满足的条件称为平衡条件。在力系的作用下，使物体处于平衡状态满足的条件是，作用在该物体上的合外力、合外力矩必须都为零，根据这个条件就可以解决工程实际问题了。
例如在工程实际中，起重机械是现代化生产不可缺少的组成部分，主要作用是完成重物的位移。它可以减轻劳动强度，提高劳动生产率。起重设备帮助人类在征服自然改造自然的活动中，实现了过去无法实现的大件物品的吊装和移动，比如重型船舶的分段组装，化工反应塔的整体吊装，体育场馆钢屋架的整体吊装等。而起重机械在工作过程中发生的人身伤亡和设备损坏事故，对人们的生命和财产造成了不可估量的损失。事故原因之一就是对物体的平衡原理认识不足。
如图3.1所示的塔式起重机，要保证起重机不会翻倒，就是要保证起重机在满载时不绕B点向右翻倒； 空载时不绕A点向左翻倒。假设重力为P1 ，最大起重量为P2 ，平衡锤重P3。欲使起重机在满载和空载时均不翻倒，平衡锤重P3应满足什么条件呢？
这就要求作用在起重机上的力系在以上两种情况下都能满足平衡条件，那我们就可以利用静力学平衡条件分别求出平衡锤重P3的两个极值P3min和P3max，如图3.2所示为受力图。
图3.1塔式起重机
图3.2起重机受力图
为保证塔式起重机的安全，平衡锤重P3的范围应是： P3min≤P3≤P3max。如果在实际操作时，平衡锤的重量不满足上式的要求，塔式起重机必然会失去平衡而造成倒塌事故，这就是塔式起重机由于失去力的平衡造成倒塌事故的力学机理。
2. 摩擦及应用
当两物体具有相对运动的趋势或相对运动时，在其接触处的公切面内就会彼此作用有阻碍相对滑动的阻力，即滑动摩擦力，简称为摩擦力。摩擦在机械中有广泛的应用。例如，机械加工中的很多夹具是利用摩擦来夹紧工件的； 带轮利用摩擦传递运动； 制动器利用摩擦刹车; 螺栓利用摩擦锁紧等。
图3.3车床夹持薄圆盘工件
1—法兰芯轴； 2—圆盘工件；
3—球轴承； 4—尾座顶尖
在车床上加工零件，经常要车削很薄的圆盘工件，该种工件既无中心孔，又无其他可供夹持的地方。为解决此问题，可采用带法兰的芯轴来夹持工件，如图3.3所示。
车削圆盘时，首先选择略小于薄圆盘直径的法兰芯轴，把它夹持在三爪自定心卡盘上或夹头内，用两面一样的胶布将粗加工的圆盘坯件放置在法兰的前端面，再用一球轴承通过车床尾座顶尖支撑，并压紧工件。由于法兰芯轴端面与圆盘工件之间有摩擦因数较大的胶布，当法兰芯轴转动时，利用其静摩擦力带动圆盘转动，此时即可车削圆盘的外径。
另外，机械工程中常利用自锁条件来设计一些器械或夹具，使它们在工作时能自动“卡住”。例如图3.4所示的螺旋千斤顶，其结构由底座与螺杆组成。它的简化力学模型为滑块斜面模型。滑块为重物加螺杆，底座的内螺纹相当于斜面。螺杆与底座两种材料的摩擦因数决定了摩擦角。只要摩擦角大于矩形螺杆的倾角，即出现力学上的摩擦自锁。那么，螺旋千斤顶在工作中通过螺纹的正向旋转顶起重物，而不会在重物的作用下出现反向旋转被压下。莫氏圆锥体也是利用摩擦自锁原理工作的一种定位工具，应用十分广泛，常见的有刀具锥柄、顶尖体，如图3.5所示。将莫氏圆锥体装进圆锥孔后，在重力的作用下，莫氏圆锥体有滑出圆锥孔的趋势，由于莫氏圆锥体的斜角设计满足一定条件，所以在静摩擦力的作用下，能保证莫氏体的平衡状态，即产生自锁(在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱动力作用方向的问题，有时会出现无论驱动力如何增大，机械都无法运转的现象，称为自锁)。
图3.4螺旋千斤顶
图3.5莫氏圆锥体
3.1.2运动学及工程应用
运动学是撇开物体的受力，从几何角度分析物体的运动，如轨迹、速度、加速度等，而不研究引起物体运动的物理原因。在运动学中，有两类模型： 一类是点模型，即不计尺寸大小的物体； 另一类是刚体模型。刚体就是在力的作用下，大小和形状都保持不变的物体，或在力的作用下，组成物体的所有质点之间的距离始终保持不变的物体。刚体是一个抽象化的概念，是力学中的一个有用的理想化模型。
1. 点的复合运动
工程中常遇到这样的情况： 点相对于某一参考系运动，而此参考系又相对于另一参考系运动； 对后一参考系而言，点就做复合运动。虽然相对于不同的参考系，所描述的同一点运动是不同的，但这些运动之间必然存在一定的联系。
如图3.6所示车轮轮缘上一点，相对车体点作圆周运动； 而车体相对于地面做直线运动，因此相对于地面点做复合的旋轮线运动。
如图3.7所示，螺旋桨上一点相对于直升机本体作定轴转动，直升机又相对于地面做垂直向上运动。所以螺旋桨上一点相对于地面就做复合运动。
图3.6车轮上一点的运动
图3.7螺旋桨复合运动示意图
2. 刚体的运动
(1) 刚体平动
刚体在运动过程中能保证刚体上任意两点连线保持方向不变，称为刚体平动。刚体平动分为直线平动和曲线平动。直线平动如图3.8所示，小车在平面上运动，车体做直线平动。而如图3.9所示的摩天轮观光舱的运动则是曲线平动。
图3.8车体的直线平动
图3.9摩天轮观光舱的曲线平动
(2) 刚体定轴转动
刚体定轴转动时，刚体内始终有一条固定不动的直线，而这条直线以外的各点则绕此直线作圆周运动。如图3.10所示保持不动的直线称之为转轴或者轴线。刚体定轴转动中刚体与某一固定面的夹角是时间的函数，该函数分别对时间求一阶和二阶导数，即可得到刚体定轴转动的角速度和角加速度。其中角速度表示刚体绕轴转动的快慢； 角加速度表示角速度变化的快慢。
常见的钟表指针的运动、门的转动、车床主轴的运动都属于定轴转动。
(3) 刚体平面运动
刚体中任意一点始终在平行于某一固定平面的平面内运动，称为刚体的平面运动。平面运动可分解为某一平面内任意一点的平动和绕着该点且垂直于固定平面的固定转轴的转动。
例如沿直线滚动的车轮的运动就是平面运动,见图3.11。平面运动是平动与转动的合成运动，也可以看成是绕着不断运动的轴的转动。
图3.10定轴转动
图3.11刚体平面运动
3. 机构运动分析
(1) 机构运动分析的目的
通过对机构的位移或轨迹分析，可以确定各构件在运动过程中所占据的空间大小，判断各构件之间是否会发生位置干涉，考察从动件及其上某些点能否实现预定的位置或轨迹要求； 基于机构的速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求。其次，由于功率是速度和力的乘积，所以在功率已知的条件下，通过速度分析还可以了解机构的受力情况和加速度情况。由机构的加速度分析，可以确定各构件及其上某些点的加速度变化规律，这是计算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。
(2) 机构运动分析的方法
机构运动分析的方法很多，可以按表示相对运动关系的数学工具的不同进行分类，例如有复数矢量法、矩阵法； 还可以按运动关系求解方法的不同分为图解几何法和解析法。几何法是通过作图的方法对运动关系进行求解，故直观形象，但作图误差较大，特别是当机构比较复杂，构件数目较多，或者需要作运动分析的位置较多时，会显得十分烦琐。解析法是通过对运动方程的求解获得有关运动参数，故其直观性差，但设计精度高，一般是先建立机构的位置方程，然后将位置方程对时间求导得速度方程和加速度方程。随着计算机的普及应用，解析法已在机构运动分析中得到广泛应用。
(3) 机构运动分析实例
① 曲柄摇杆机构。
如图3.12所示的是雷达机构，图3.13是其机构简图，即曲柄摇杆机构，研究曲柄AB转动角度、角速度和角加速度与天线CD摆动角度、角速度和角加速度之间的关系。
图3.12雷达机构
图3.13雷达机构结构简图(曲柄摇杆机构)
采用解析法对曲柄摇杆机构进行运动学分析。问题可以描述为： 平面四杆机构中，已知杆长分别为l1、l2、l3、l4，原动件AB的正向转角及正向角速度分别为θ1、ω1。求解： 摇杆CD的角位移θ3、角速度ω3以及角加速度α3。
将铰链四杆机构ABCD看作一个向量封闭多边形，如图3.14所示，则该机构的向量封闭方程式为
l1 l2=l3 l4
(3.1)
图3.14曲柄摇杆机构图
写成展开式
l1cosθ1 l2cosθ2=l4 l3cosθ3
l1sinθ1 l2sinθ2=l3sinθ3
(3.2)
消去以上的θ2，得到
A=l4-l1cosθ1
B=-l1sinθ1
C=(A2 B2 l23-l22)/(2l3)
Acosθ3 Bsinθ3 C=0
(3.3)
于是可以计算出θ3
θ3=2arctan{［B±(A2 B2-C2)1/2］/(A-C)}
(3.4)
将位置方程对时间求一阶导数得角速度方程为
ω3=ω1l1sin(θ1-θ2)/［l3sin(θ3-θ2)］
(3.5)
同理，可得角加速度方程
α3=［l2ω22
l2ω22cos(θ1-θ2)-
l3ω23cos(θ3-θ2)
］/
［l3sin(θ3-θ2)］
(3.6)
如图3.15所示为曲柄摇杆机构运动规律
图3.15曲柄摇杆机构运动规律图
② 曲柄滑块机构。
图3.16曲柄滑块机构图
曲柄滑块机构是很多机械都有的机构，如锯床、空气压缩机、内燃机和蒸汽机等。那么曲柄滑块机构能否实现预定的运动，就要对它进行运动分析。
若曲柄OA长为r，绕O轴匀速转动，曲柄与水平线之间的夹角为θ，其中ω为角速度。为了确定滑块的运动规律，就必须写出它的运动方程。为此，取滑块为研究对象，滑块的运动为直线运动，取如图3.16所示的坐标轴，运动方程为
x=OB=OC CB=rcosθ L2-r2sin2θ
(3.7)
因为
dx
dt
=
dx
dθ
dθ
dt
=ωdx
dθ
(3.8)
所以
dx
dθ
=-rsinθ-
r2sinθcosθ
L2-r2sin2θ
(3.9)
于是滑块的速度
v=
dxdt
=
dxdθ
dθdt
=ω
dxdθ
=-ω rsinθ
1
rcosθ
L2-r2sin2θ
(3.10)
进而，可以得到滑块的加速度
a=
dvdt
=ω
dvdθ
=-ω2r
cosθ
r
(L2cos2θ r2sin4θ)
(L2-r2sin2θ)32
(3.11)
如果曲柄是主动件，曲柄滑块机构就可以将旋转运动转换为从动件的直线往复运动，如锯床、空气锤、空气压缩机和往复式水泵等。如果滑块是主动件，曲柄滑块机构就可以将直线运动转换为从动件的往复运动，如内燃机和蒸汽机。
③ 凸轮机构。
当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用凸轮机构。凸轮机构由凸轮、从动件、机架3个基本构件组成，是一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续等速转动，从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。凸轮机构通常适用于传递动力不大的机械中,尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中，见图3.17。
图3.17凸轮机构应用
对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓由曲线AB、CD和圆弧BC、DA组成。凸轮以ω角速度逆时针转动，在转过一圈时，从动件在AB段上升、BC段停留在最高处、CD段下降、DA段停留在最低处。如图3.18所示是凸轮机构的从动件位移图。对该图曲线进行微分可以得到从动件AB速度图和加速度图。
图3.18凸轮机构运动过程
④ 齿轮机构。
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。
传动时所有齿轮的几何轴线位置均固定不变的轮系称为平面定轴轮系，如图3.19所示为外啮合定轴轮系机构。轮系始端主动轮与末端从动轮转速之比值，称为轮系的传动比，用i表示：
i=±n1n2(3.12)
其中： n1为主动轮的转速； n2为从动轮的转速。两个齿轮转向相同取“ ”号，否则取“-”号。
图3.19外啮合定轴轮系机构
行星轮系与定轴轮系的根本区别在于行星轮系中具有转动的行星架，从而使得行星轮系既有自转，又有公转。如图3.20所示，齿轮2既绕自己的轴线作自转，又绕定轴齿轮1、3的轴线作公转，犹如行星绕日运行一样，故称其为行星轮。H称为行星架或系杆。行星轮系可以获得很大的减速比，适用于结构要求紧凑的地方。
图3.20行星轮系机构
利用定轴轮系传动比的计算方法，可列出转化轮系中任意两个齿轮的传动比。如1、3轮的传动比为
iH1，3
=±
n1-nHn3-nH
(3.13)
⑤ 链条机构。
链条机构是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，见图3.21,以链作中间挠性件，靠链与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。
图3.21链传动机构
链传动的平均传动比为主动链轮和从动链轮转速之比值。
i=n1n2
(3.14)
3.1.3动力学及工程应用
刚体动力学是一般力学的一个分支，研究刚体在外力作用下的运动规律。它是机器部件的运动，舰船、飞机、火箭等航行器的运动以及天体姿态运动的力学基础，其核心是牛顿第二定律的变形应用。
在机构运动过程中，其各个构件都受到力的作用，所以机构的运动过程也是机构传力和做功的过程。作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。所以不论是设计新的机械，还是为了合理地使用现有的机械，都必须对机构的受力情况进行分析。机械动力学的分析过程，按其任务不同，可分为动力学正问题和动力学反问题两类,已知力求运动属于动力学正问题，已知运动求力属于动力学反问题。
研究机构力分析的目的有二： ①确定运动副中的反力。对于设计机构各个零件和校核其强度、测算机构中的摩擦力和机械效率等，都必须已知机构的运动副反力。②确定机构需加的平衡力或平衡力矩。对于确定机器工作时所需的驱动功率或能承受的最大负荷等都是必需的数据。
1. 倒立摆动力学方程
以倒立摆为例研究刚体动力学,如图3.22所示为倒立摆示意图。研究倒立摆的目的是研究控制方法，就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。研究倒立摆控制方法的关键是刚体动力学。
小车质量为M； 杆件的质量为m； 摆杆转动轴心到杆质心的长度为l； 小车摩擦因数为b； 摆杆惯量为I； 加在小车上的力为F； 小车位置为x；
初始时刻杆件与垂直方向的夹角为θ。
对小车和杆件分别进行受力分析，其中N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量，如图3.23所示。
分析小车水平方向的受力，得到方程：
Mx¨ bx· N=F(3.15)
由摆杆水平方向的受力，得到方程： N=mx¨ mlθ¨cosθ-mlθ·2sinθ
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