机械工程基础笔记整理

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2024-03-31 11:13 115阅读 0赞

第一章 绪论 第一节 课程的特点 1. 综合性 本课结合了工程力学，机械工程材料，常用机构，支撑零部件，机械传动，液压传动，气压传动的相关知识。 2. 基础性 无论从事机械制造，还是使用研究机械，都要运用这些基本知识。 3. 一体性 本门课程理论与实践紧密融合，学做一体。 第二节 机械的组成 ² “机械基础”主要研究对象是机械，我们的衣食住行都离不开机械。 ² 机械始于石器时代，指南车，地动仪是我们的祖先发明的机械。 ² 1840年英国工业革命开启了机械飞速发展的时代，从蒸汽机，发电机，内燃机，计算机到现在的柔性制造单元和智能机器人等。 ² 人类凭借智慧，使机械在种类，材料，工艺，性能等方面不断丰富完善。 1.机械是机器和机构的统称 2.机器与机构的特征 l 机器特征：（1）是人为的实体组合。（2）各部分（实体）之间具有确定的相对运动。 （3）能够转换或传递能量，代替或减轻人类的劳动。 l 机构特征：具有确定相对运动的构件的组合。具有独立运动的基本单元 l 机构不具备机器的第三个特征，是机器的主要组成部分，一部机器可以有多个机构，也可以只含有一个机构 3.机器由哪几部分组成 l 动力部分 传动部分 工作部分 操作或控制部分 辅助部分（润滑，照明等） l 机械分类情况 ² 动力机械（变换能量）：电动机，内燃机等 ² 加工机械（变换物料）：金属切削机床，压力机等 ² 运输机械（变换位置）：汽车，缆车等 ² 信息机械（变换信息）：传真机，数码相机等 4.对机械要求： 功能要求 节能环保 安全防护等 5.零件 l 通用零件 指各种机械中经常用到的零件 l 专用零件 指在某些机械中才用到的零件 第三节 摩擦与损失 l 摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象

l 30%-50%的能量消耗在各种形式摩擦中

l 80%的机器因为零件磨损而失效

l 摩擦，指两物体接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力

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1.摩擦类型：

² 1.固体摩擦 干摩擦，边界摩擦 除利用外尽量避免

² 2.液（气）摩擦 理论上不产生磨损，理想摩擦状态

² 3.混合摩擦 两者之间

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2.磨损

² 运动副之间的摩擦将导致机件表面材料逐渐损耗形成磨损

² 一个机械的磨损过程大概分为三个阶段

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² 磨合阶段是有益磨损，如减速器

² 根据磨损机理分类，磨损主要有粘着磨损，磨料磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损等

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第二章 机械工程材料

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第一节 金属材料性能

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1. 使用性能

定义：金属材料在使用过程中所表现出来的特性

物理特性：密度，熔点，导电性，导热性，热膨胀性，磁性

化学特性：耐蚀性，抗氧化性，化学稳定性

力学特性：强度，塑性，硬度，韧性，疲劳强度

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2. 工艺性能

定义:金属在加工制造过程中所表现出来的特性

铸造特性：金属材料铸造成型的能力

锻造特性：金属在锻压成型过程中所表现出的能力

切削加工性能：金属被切割难易程度

焊接性：在一定焊接条件下金属材料获得优良焊接接头的能力

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第二节 金属材料--非合金钢

l 金属材料分类：

l 钢铁材料：非合金钢 合金钢 铸铁

l 非铁金属：除钢铁材料以外其他金属（有色金属，硬质合金）

l 炼铁过程：原料：铁矿石或废铁

² 原料在高炉中经过一系列反应还原出铁

² 铸造生铁，含碳2.11%以上

² 炼钢生铁，在炼钢炉中进一步氧化碳，得到非合金钢

² 在炼钢过程中加入某些合金元素，得到合金钢

非合金钢：一种铁碳合金（碳通常小于1.5%）

分类1：低碳钢<=0.25%

中碳钢=0.25%~0.60%

高碳钢>=0.6%

B. 非合金钢中含有少量硅，锰，硫，磷等

C. 硅，锰是脱氧剂主要成分，能提高钢的强度和硬度（有益元素）

D. 磷，硫是原料中附带的，硫--热脆性，磷--冷脆性，有害元素

按磷硫分：普通质量非合金钢S≤0.035% P≤0.035%

优质非合金钢SP≤0.030%

特殊质量非合金钢S≤0.020% P≤0.025%

按用途分：碳素结构钢;例如铁钉，属于低碳钢，冶炼容易，工艺性好，价格低廉，且在力学性能上也能满足一般的工程结构及普通机械零件的要求，

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Q195 Q215 Q235：塑性和焊接性较好，但强度不高，可用于桥梁，高压线塔，房屋框架等工程结构，铆钉，螺栓螺母垫片，轴套等

² Q255 Q275：强度相对较高，可以用来制造链轮，拉杆，安全销等

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优质碳素结构钢

例如，60代表C含量0.6%

² 08F：强度硬度很低，塑性韧性很高，具有很好冷变形能力，常用于制

² 造薄板，铁丝，冲压件等

² 20：起重钩，指甲钳等受力不大，韧性较高的零件

² 45：综合力学性能好，常用于制造齿轮，轴等重要运动零件

² 60：弹簧，板簧等弹性零件

² 80：强度较高，常用来制造受巨大拉力的钢丝绳

碳素工具钢：高硬度，高耐磨性（0.7%以上高碳钢）（优质非合金钢）

用T+数字表示 T代表碳数字代表含碳千分数，后加A表示有害元素更低、

² T7 T8：碳质量分数相对较低，仍具有一定塑性，且有良好硬度，常用于制造斧头，锤子，凿子，定位冲子等切削能力要求不高的工具

² T9 T10;用于制造钢锯锯条，手攻螺纹用的丝锥和板牙等低速耐磨工具

² T12 T12A：硬度，耐磨性较高，制造普通刀具，一般性量具，模具。

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² ZG200-400常用于制造电动机机座，截止阀阀体，变速箱壳体

² ZG340-640常用于制造大型齿轮，大型飞轮，火车车轮，火车车钩（力学性能较高）

易切削钢：在钢中加入较高含量硫 铅 锡 钙等切削元素，可减少刀具磨损，且保证切削后零件表面质量，主要用于制造受力较小，不太重要，且大批量生产的标准件

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第三节 金属材料--低合金钢

合金钢：为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入一种或多种合金元素的钢。

低合金钢：合金含量较低的合金钢。

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1.低合金钢

一般指合金元素质量分数小于3.5%且可焊接的低碳低合金结构用钢。

1. 低合金高强度结构钢

l 在碳的质量分数小于0.2%的碳素结构钢的基础上，加入以锰为主，钒，钛，铝，铌等元素为辅

l 具有较高强度和韧性，良好的焊接性，冷热压力加工性能和耐腐蚀性，

l 价格与非合金钢接近

l 多扎制成板材，型材及无缝钢管等

l 被广泛用于桥梁，船舶，车辆，锅炉工程机械及重要的建筑结构中

l 牌号表达与碳素结构钢基本相同

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低合金耐候钢

l 通过添加少量铜，铬，钼等元素，使金属表面形成保护层，以提高大气耐腐蚀能力的钢

l 又称耐大气腐蚀钢

l 主要可分为焊接耐候钢和高耐候钢

l 例如通信电力塔，石油井架等（焊接耐候钢）

l 集装箱，铁道车辆等（高耐候钢）

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低合金专业用钢

l 为了适应某些行业特殊要求，通过对低合金高强度结构钢的化学成分，加工工艺及性能作相应的补充和调整，从而获得的专业用钢

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2.合金钢

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工程结构用合金钢

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机械结构用合金钢

l 合金渗碳钢：汽车差速器齿轮，要求表面具有高硬度和高耐磨性，且心部要有良好的韧性

l 常用材料是合金渗碳钢20CrMnTi等

l 合金调质钢：汽车发动机轴及齿轮，在中碳钢基础上加入一种或数种合金金属以提高其淬透性和耐回 火 性

l 合金弹簧钢：摩托车弹簧，汽车板簧等截面较大，屈服强度较高的重要弹性元件

l 超高强度钢：航空工业中用到的钢，在合金调质钢基础上加入多种合金元素复合强化，屈服强度大于1370MPa，抗拉强度大于1500MPa

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3.高碳铬轴承钢

专用于制造滚动轴承的钢。

其中铬元素可以增加钢的淬透性和耐磨性

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4.合金工具钢与高速钢

合金工具钢

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高速钢

l 在600℃时仍能保持高的硬度和耐磨性，强度和切削速度也比一般碳素工具钢和合金刀具钢高很多。

l 目前高速钢已成为制造切削刀具的主要材料

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5.不锈钢与耐热钢

不锈钢 （铬镍） 06Cr19Ni10---菜刀---脸盆---水龙头 12Cr18Ni9---橱柜---扶手---护栏

（铬） 32Cr13Mo--医疗器械 68Cr17精密卡尺 68Cr17---滚动轴承

耐热钢 具有不锈钢特性及高温下化学稳定且保持强度

（抗氧化钢）26Cr18Mn12Si2N---加热炉构件 45Cr9Si2--汽轮机叶片

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6. 铸造钢合金

坦克履带，挖掘机铲斗等，不但要求有较高硬度和耐磨性

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合金钢牌号

我国合金钢牌号由碳的质量分数和合金元素的质量分数组合而成

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第四节 金属材料--铸铁

专门用于铸造成型的钢铁材料就称为铸铁

铸铁是指碳质量分数大于2.11%的铁碳合金

工业铸铁2.5%-4%之间，硅，锰，硫，磷等杂质含量也比非合金钢多

铸铁和非合金钢最大区别：非合金钢中以铁素体型组织，奥氏体型组织

铸铁中以铁的碳化物（渗碳体），碳的单质状态（石墨）

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1. 白口铸铁：以渗碳体形式存在，断口呈银白色

硬度高 脆性大 难以切削 很少被直接利用

其他铸铁：主要以石墨形式存在，断口呈灰色

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石墨：

优点：在铸铁中可以增加铁水流动性，减小切削抗力，使铸铁获得良好铸造性能和切削加工性能

还具有润滑，吸振作用。因此，铸铁硬度虽然不高，但耐磨性好，还具有良好的减震性和低的缺口敏感性

缺点：强度和塑性几乎为零，抗拉强度低，塑性韧性差，但抗压强度与钢接近

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灰铸铁应用最广，占铸铁总量80%以上，牌号用HT（灰铁）+数字（最低抗拉强度）表示

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3.可锻铸铁=白口铸铁退火

强度和塑性比灰铸铁好

不可锻压

KTH300-06：最低抗拉强度300MPa，断后伸长率6%的黑心可锻铸

铁，常用于铸成弯头，三通，管道零件

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4.球墨铸铁

在浇筑前往铁水中加入一定量球化剂和孕育剂，使石墨呈球状析出

力学性能比前两种都要好 成本较低

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5.蠕墨铸铁

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总结：

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第三章 刚体静力学

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第一节 静力学基础

解决的是物体在平衡状态时受力分析

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1. 静力学基本概念

研究的是刚体在力系作用下平衡规律

刚体：理性状态下不计变形的物体，力只改变其运动状态

力：物体之间的相互机械作用，能使物体运动状态发生变化，或使物体发生形变

力的三要素：力是矢量，力的大小，方向和作用点

力的单位：以牛或千牛表示

物体平衡状态：指物体相对于地球处于静止或匀速直线运动状态

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2. 静力学基本公理

1）.二力平衡公理：只受两个力的刚体，保持平衡状态充要条件：两力等值，反向，共线。

只受两力作用并处于平衡状态的物体称为二力构件

2）.加减平衡力系公理：在已知力系加上或减去任意平衡力系，不会改变原力系对刚体作用效应。

推论1.力的可传递原理：作用于刚体上某一点的力可延其作用线移至刚体上任一点，而不会改变原力系对刚体的作用效果。

注：推论1只适用于刚体且只能沿其作用线滑移而不能移至作用线以外的位置

3）.力的平行四边形公理：作用于物体上某一点的两个力的合力也作用于该点，合力的大小方向由两个 力为临边构成的平行四边形对角线确定。

推论2.三力平衡汇交定理：刚体上受同一平面内互不平行3个力作用而且互相平行时，则此3个力 的作用线汇交于一点，并在同一平面内。

4）.作用与反作用公理：两个物体间的作用力与反作用力总是同时存在，且等值，反向，共线，分别作用在这两个物体上

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约束与约束力

l 自由体：位移不受限制的物体

l 非自由体：位移受限制的物体

l 主动力：使物体产生运动或运动趋势的力，重力，推力等

l 约束力：约束体施加于非自由体上的作用力，大小一般未知

常见约束类型：

² 柔性约束：传送带，链条等，力的作用点，在绳索和重物的接触点

² 光滑面约束：两物体直接接触，且表面光滑，接触处摩擦力可忽略不计。

² 铰链支座约束力：

² 固定端约束：限制物体像任何方向运动

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第二节 受力分析与分析图

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第三节 平面汇交力系

1. 基本概念：

平面力系：各力作用线均在同一平面内的力系。

平面汇交力系：平面力系中各力作用线都汇交于一点。

2. 求解

几何法：连续应用力的三角形法则，将已知力依次相加，求出合力的大小和方向。

注意，在连接力多边形的封闭边时，应从第一个力的始端指向最后一个力的末端。

解析法：将力分解在坐标系中。Fx=Fcosa Fy=Fsina

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第四节 力偶与力矩

力矩：即力对点的矩，等于从该点到力的作用线的垂直距离d与该力F的矢量积。

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力偶：

l 两个大小相等方向相反（不在同一点上）的平行力组成的二力。

l 不能合成一个力，而是使物体处于转动状态

l 两力为F，F’，两力之间垂直距离d，称为力偶臂。

l 力偶对物体的作用效应，可以用力偶矩来度量

l 力偶的作用效果与力的大小和d的长短有关，与矩心无关。

l 力偶计算

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l 力与力偶臂的矢量积记作M=±F\*d

l 力偶距的方向规定：逆转为正，顺转为负。

l 在同平面内的两个力偶，如果力偶距相等，则两力偶彼此等效。

l 力偶的性质：力偶可以在其作用面内任意转移，而不改变他对刚体的作用。

只要保持力偶距的大小和力偶的转动方向不变，可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变有对刚体的作用效果。

力的平移：可以把作用在刚体上点A的力F平移到一点B，但同时必须附加一个力偶，这个附加力偶的矩等于原来的力F对新作用点B的矩

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第五节 平面任意力系

平面任意力系的定义：各力的作用线不汇交于一点。

求解平面任意力系

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