機械工程基礎筆記整理

緒論課程的特點1.綜合性本課結合了工程力學，機械工程材料，常用機構，支撐零部件，機械傳動，液壓傳動，氣壓傳動的相關知識。基礎性無論從事機械制造，還是使用研究機械，都要運用這些基本知識。一體性本門課程理論與實踐緊密融合，學做一體。機械的組成“機械基礎”主要研究對象是機械，我們的衣食住行都離不開機械。機械始于石器時代，指南車，地動儀是我們的祖先發(fā)明的機械。1840年英國工業(yè)革命開啟了機械飛速發(fā)展的時代，從蒸汽機，發(fā)電機，內燃機，計算機到現在的柔性制造單元和智能機器人等。人類憑借智慧，使機械在種類，材料，工藝，性能等方面不斷豐富完善。1.機械是機器和機構的統(tǒng)稱2.機器與機構的特征機器特征：（1）是人為的實體組合。（2）各部分（實體）之間具有確定的相對運動。（3）能夠轉換或傳遞能量，代替或減輕人類的勞動。機構特征：具有確定相對運動的構件的組合。具有獨立運動的基本單元機構不具備機器的第三個特征，是機器的主要組成部分，一部機器可以有多個機構，也可以只含有一個機構3.機器由哪幾部分組成動力部分傳動部分工作部分操作或控制部分輔助部分（潤滑，照明等）機械分類情況動力機械（變換能量）：電動機，內燃機等加工機械（變換物料）：金屬切削機床，壓力機等運輸機械（變換位置）：汽車，纜車等信息機械（變換信息）：傳真機，數碼相機等4.對機械要求：功能要求節(jié)能環(huán)保安全防護等5.零件通用零件指各種機械中經常用到的零件專用零件指在某些機械中才用到的零件摩擦與損失摩擦和磨損是自然界和社會生活中普遍存在的現象30%-50%的能量消耗在各種形式摩擦中80%的機器因為零件磨損而失效摩擦，指兩物體接觸表面阻礙它們相對運動的機械阻力1.摩擦類型：1.固體摩擦干摩擦，邊界摩擦除利用外盡量避免2.液（氣）摩擦理論上不產生磨損，理想摩擦狀態(tài)3.混合摩擦兩者之間2.磨損運動副之間的摩擦將導致機件表面材料逐漸損耗形成磨損一個機械的磨損過程大概分為三個階段磨合階段是有益磨損，如減速器根據磨損機理分類，磨損主要有粘著磨損，磨料磨損，疲勞磨損，腐蝕磨損等機械工程材料金屬材料性能使用性能定義：金屬材料在使用過程中所表現出來的特性物理特性：密度，熔點，導電性，導熱性，熱膨脹性，磁性化學特性：耐蝕性，抗氧化性，化學穩(wěn)定性力學特性：強度，塑性，硬度，韌性，疲勞強度工藝性能定義:金屬在加工制造過程中所表現出來的特性鑄造特性：金屬材料鑄造成型的能力鍛造特性：金屬在鍛壓成型過程中所表現出的能力切削加工性能：金屬被切割難易程度焊接性：在一定焊接條件下金屬材料獲得優(yōu)良焊接接頭的能力金屬材料--非合金鋼金屬材料分類：鋼鐵材料：非合金鋼合金鋼鑄鐵非鐵金屬：除鋼鐵材料以外其他金屬（有色金屬，硬質合金）煉鐵過程：原料：鐵礦石或廢鐵原料在高爐中經過一系列反應還原出鐵鑄造生鐵，含碳2.11%以上煉鋼生鐵，在煉鋼爐中進一步氧化碳，得到非合金鋼在煉鋼過程中加入某些合金元素，得到合金鋼非合金鋼：一種鐵碳合金（碳通常小于1.5%）分類1：低碳鋼<=0.25%中碳鋼=0.25%~0.60%高碳鋼>=0.6%非合金鋼中含有少量硅，錳，硫，磷等硅，錳是脫氧劑主要成分，能提高鋼的強度和硬度（有益元素）磷，硫是原料中附帶的，硫--熱脆性，磷--冷脆性，有害元素按磷硫分：普通質量非合金鋼S≤0.035%P≤0.035%優(yōu)質非合金鋼SP≤0.030%特殊質量非合金鋼S≤0.020%P≤0.025%按用途分：碳素結構鋼;例如鐵釘，屬于低碳鋼，冶煉容易，工藝性好，價格低廉，且在力學性能上也能滿足一般的工程結構及普通機械零件的要求，Q195Q215Q235：塑性和焊接性較好，但強度不高，可用于橋梁，高壓線塔，房屋框架等工程結構，鉚釘，螺栓螺母墊片，軸套等Q255Q275：強度相對較高，可以用來制造鏈輪，拉桿，安全銷等優(yōu)質碳素結構鋼例如，60代表C含量0.6%08F：強度硬度很低，塑性韌性很高，具有很好冷變形能力，常用于制造薄板，鐵絲，沖壓件等20：起重鉤，指甲鉗等受力不大，韌性較高的零件45：綜合力學性能好，常用于制造齒輪，軸等重要運動零件60：彈簧，板簧等彈性零件80：強度較高，常用來制造受巨大拉力的鋼絲繩碳素工具鋼：高硬度，高耐磨性（0.7%以上高碳鋼）（優(yōu)質非合金鋼）用T+數字表示T代表碳數字代表含碳千分數，后加A表示有害元素更低、T7T8：碳質量分數相對較低，仍具有一定塑性，且有良好硬度，常用于制造斧頭，錘子，鑿子，定位沖子等切削能力要求不高的工具T9T10;用于制造鋼鋸鋸條，手攻螺紋用的絲錐和板牙等低速耐磨工具T12T12A：硬度，耐磨性較高，制造普通刀具，一般性量具，模具。鑄造碳鋼：專用制造鋼制鑄件的非合金鋼，零件形狀復雜，強度要求較高，采用鑄鐵又不能滿足要求時選用ZG200-400常用于制造電動機機座，截止閥閥體，變速箱殼體ZG340-640常用于制造大型齒輪，大型飛輪，火車車輪，火車車鉤（力學性能較高）易切削鋼：在鋼中加入較高含量硫鉛錫鈣等切削元素，可減少刀具磨損，且保證切削后零件表面質量，主要用于制造受力較小，不太重要，且大批量生產的標準件金屬材料--低合金鋼合金鋼：為了改善鋼的某些性能或使之具有某些特殊性能，在煉鋼時有意加入一種或多種合金元素的鋼。低合金鋼：合金含量較低的合金鋼。1.低合金鋼一般指合金元素質量分數小于3.5%且可焊接的低碳低合金結構用鋼。低合金高強度結構鋼在碳的質量分數小于0.2%的碳素結構鋼的基礎上，加入以錳為主，釩，鈦，鋁，鈮等元素為輔具有較高強度和韌性，良好的焊接性，冷熱壓力加工性能和耐腐蝕性，價格與非合金鋼接近多扎制成板材，型材及無縫鋼管等被廣泛用于橋梁，船舶，車輛，鍋爐工程機械及重要的建筑結構中牌號表達與碳素結構鋼基本相同低合金耐候鋼通過添加少量銅，鉻，鉬等元素，使金屬表面形成保護層，以提高大氣耐腐蝕能力的鋼又稱耐大氣腐蝕鋼主要可分為焊接耐候鋼和高耐候鋼例如通信電力塔，石油井架等（焊接耐候鋼）集裝箱，鐵道車輛等（高耐候鋼）低合金專業(yè)用鋼為了適應某些行業(yè)特殊要求，通過對低合金高強度結構鋼的化學成分，加工工藝及性能作相應的補充和調整，從而獲得的專業(yè)用鋼2.合金鋼工程結構用合金鋼機械結構用合金鋼合金滲碳鋼：汽車差速器齒輪，要求表面具有高硬度和高耐磨性，且心部要有良好的韌性常用材料是合金滲碳鋼20CrMnTi等合金調質鋼：汽車發(fā)動機軸及齒輪，在中碳鋼基礎上加入一種或數種合金金屬以提高其淬透性和耐回火性合金彈簧鋼：摩托車彈簧，汽車板簧等截面較大，屈服強度較高的重要彈性元件超高強度鋼：航空工業(yè)中用到的鋼，在合金調質鋼基礎上加入多種合金元素復合強化，屈服強度大于1370MPa，抗拉強度大于1500MPa3.高碳鉻軸承鋼專用于制造滾動軸承的鋼。其中鉻元素可以增加鋼的淬透性和耐磨性4.合金工具鋼與高速鋼合金工具鋼高速鋼在600℃時仍能保持高的硬度和耐磨性，強度和切削速度也比一般碳素工具鋼和合金刀具鋼高很多。目前高速鋼已成為制造切削刀具的主要材料5.不銹鋼與耐熱鋼不銹鋼（鉻鎳）06Cr19Ni10---菜刀---臉盆---水龍頭12Cr18Ni9---櫥柜---扶手---護欄（鉻）32Cr13Mo--醫(yī)療器械68Cr17精密卡尺68Cr17---滾動軸承耐熱鋼具有不銹鋼特性及高溫下化學穩(wěn)定且保持強度（抗氧化鋼）26Cr18Mn12Si2N---加熱爐構件45Cr9Si2--汽輪機葉片鑄造鋼合金坦克履帶，挖掘機鏟斗等，不但要求有較高硬度和耐磨性合金鋼牌號我國合金鋼牌號由碳的質量分數和合金元素的質量分數組合而成金屬材料--鑄鐵專門用于鑄造成型的鋼鐵材料就稱為鑄鐵鑄鐵是指碳質量分數大于2.11%的鐵碳合金工業(yè)鑄鐵2.5%-4%之間，硅，錳，硫，磷等雜質含量也比非合金鋼多鑄鐵和非合金鋼最大區(qū)別：非合金鋼中以鐵素體型組織，奧氏體型組織 鑄鐵中以鐵的碳化物（滲碳體），碳的單質狀態(tài)（石墨）白口鑄鐵：以滲碳體形式存在，斷口呈銀白色硬度高脆性大難以切削很少被直接利用其他鑄鐵：主要以石墨形式存在，斷口呈灰色石墨：優(yōu)點：在鑄鐵中可以增加鐵水流動性，減小切削抗力，使鑄鐵獲得良好鑄造性能和切削加工性能還具有潤滑，吸振作用。因此，鑄鐵硬度雖然不高，但耐磨性好，還具有良好的減震性和低的缺口敏感性缺點：強度和塑性幾乎為零，抗拉強度低，塑性韌性差，但抗壓強度與鋼接近灰鑄鐵應用最廣，占鑄鐵總量80%以上，牌號用HT（灰鐵）+數字（最低抗拉強度）表示3.可鍛鑄鐵=白口鑄鐵退火強度和塑性比灰鑄鐵好不可鍛壓KTH300-06：最低抗拉強度300MPa，斷后伸長率6%的黑心可鍛鑄鐵，常用于鑄成彎頭，三通，管道零件4.球墨鑄鐵在澆筑前往鐵水中加入一定量球化劑和孕育劑，使石墨呈球狀析出力學性能比前兩種都要好成本較低5.蠕墨鑄鐵總結：剛體靜力學靜力學基礎解決的是物體在平衡狀態(tài)時受力分析靜力學基本概念研究的是剛體在力系作用下平衡規(guī)律剛體：理性狀態(tài)下不計變形的物體，力只改變其運動狀態(tài)力：物體之間的相互機械作用，能使物體運動狀態(tài)發(fā)生變化，或使物體發(fā)生形變力的三要素：力是矢量，力的大小，方向和作用點力的單位：以牛或千牛表示物體平衡狀態(tài)：指物體相對于地球處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)靜力學基本公理.二力平衡公理：只受兩個力的剛體，保持平衡狀態(tài)充要條件：兩力等值，反向，共線。只受兩力作用并處于平衡狀態(tài)的物體稱為二力構件.加減平衡力系公理：在已知力系加上或減去任意平衡力系，不會改變原力系對剛體作用效應。推論1.力的可傳遞原理：作用于剛體上某一點的力可延其作用線移至剛體上任一點，而不會改變原力系對剛體的作用效果。注：推論1只適用于剛體且只能沿其作用線滑移而不能移至作用線以外的位置3）.力的平行四邊形公理：作用于物體上某一點的兩個力的合力也作用于該點，合力的大小方向由兩個力為臨邊構成的平行四邊形對角線確定。 推論2.三力平衡匯交定理：剛體上受同一平面內互不平行3個力作用而且互相平行時，則此3個力的作用線匯交于一點，并在同一平面內。4）.作用與反作用公理：兩個物體間的作用力與反作用力總是同時存在，且等值，反向，共線，分別作用在這兩個物體上約束與約束力自由體：位移不受限制的物體非自由體：位移受限制的物體主動力：使物體產生運動或運動趨勢的力，重力，推力等約束力：約束體施加于非自由體上的作用力，大小一般未知常見約束類型：柔性約束：傳送帶，鏈條等，力的作用點，在繩索和重物的接觸點光滑面約束：兩物體直接接觸，且表面光滑，接觸處摩擦力可忽略不計。鉸鏈支座約束力：固定端約束：限制物體像任何方向運動受力分析與分析圖平面匯交力系基本概念：平面力系：各力作用線均在同一平面內的力系。平面匯交力系：平面力系中各力作用線都匯交于一點。求解幾何法：連續(xù)應用力的三角形法則，將已知力依次相加，求出合力的大小和方向。注意，在連接力多邊形的封閉邊時，應從第一個力的始端指向最后一個力的末端。解析法：將力分解在坐標系中。Fx=FcosaFy=Fsina力偶與力矩力矩：即力對點的矩，等于從該點到力的作用線的垂直距離d與該力F的矢量積。力偶：兩個大小相等方向相反（不在同一點上）的平行力組成的二力。不能合成一個力，而是使物體處于轉動狀態(tài)兩力為F，F’，兩力之間垂直距離d，稱為力偶臂。力偶對物體的作用效應，可以用力偶矩來度量力偶的作用效果與力的大小和d的長短有關，與矩心無關。力偶計算力與力偶臂