引言：讲述加工中心、机器人、计算机的功能，提出问题：什么是机器，机器由几部分组成，它对人类的生产和生活有些什么影响？机械设计应怎样进行，有哪些基本要求？引出新课讲授新课第一章 机械设计概论一、机器的组成、功能及机械设计的基本要求机器在人类生活与生产中占有非常重要的地位，它可以减轻或代替人类的体力和脑力劳动，甚至可以做一些人类难以完成的工作。机械：是机器和机构的总称。（一）、机器和机构1、机器人工物体组合，各部分之间具有确定的相对运动，能够转换或传递能量、物料和信息的机械。2、机构人工物体组合，各部分之间具有一定的相对运动的机械。机器与机构的区别：机器能完成有用的机械功或转换机械能，机构只是完成传递运动、力或改变运动形式，同时机构是机器的主要组成部分。（机器用来传递和变换能量，机构用来传递和变换运动）（从结构和运动学的角度分析，它们之间并无区别）（二）、零件和构件1、零件机械的构成基本单元。（最小的制造单元）通用零件：各种机械常用的零件。如螺钉、螺母、轴、齿轮、弹簧等。专用零件：在特定的机械中使用的零件。如汽轮机的叶片、起重机的吊钩、内燃机的曲轴等。2、构件相互之间能作相对运动的机件。是机械的运动单元，可由若干个零件刚性联接而成，也可以是单一的零件。零件与构件的区别：零件是制造单元，构件是运动单元，零件组成构件，构件是组成机构的各个相对运动的独立运动实体。（三）、机器的组成一台完整的机器，通常由四个部分组成：1、原动机部分（动力装置）作用是将其它形式的能量转换为机械能，以驱动机器各个部分的运动。如电动机、内燃机等。2、工作机构部分（执行部分）机器中直接完成具体工作任务。如刀具、机械手等。3、传动部分（传动装置）将原动机的运动和动力传递给工作机构。如带传动、齿轮传动等。它可改变运动的速度和形式。（如齿轮机构、连杆机构等）4、操纵或控制部分显示、反映、控制机器的运行和工作。如离合器、制动器、变速器等。（四）、机器的类型1、动力机器：用来实现能量转换。如电动机、发电机、内燃机等。2、加工机器：用来改变物体的结构形状、性质和状态。如机床。3、运输机器：用来改变物体的空间位置。如汽车、飞机等。4、信息机器：用来获取或处理各种信息。如复印机、传真机、摄像机等。（五）、机械设计的两种形式1、应用新技术、新方法开发创造新产品；2、在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造，从而提高或改变原有机械的性能。（六）、机械设计的基本要求1、使用要求设计的机器必须能完成规定的功能，在规定的条件下和预定的寿命期限内能安全、稳定、可靠地工作，且尽量使操作简单、维护方便。2、经济性要求这时一项综合性指标。要求设计的机械产品在满足使用要求的前提下，尽量使得设计制造成本低，生产率和机械效率高（技术含量高）。3、其他要求外形美观，装拆、运输方便，使用噪音小等。（七）、机械零件的设计步骤1、根据使用要求，选择零件的类型及结构形式；2、按工作情况，确定作用在零件上的载荷；3、根据工作要求，合理地选择零件材料；4、分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件局部的基本尺寸；5、设计零件总体的结构及尺寸，并进行必要的强度、刚度校核计算；6、绘制零件工作图，拟定技术要求。二、机械零件设计的标准化、系列化及通用化1、标准化在对机器的机械零件设计中，会有很多通用零件需要设计。由于通用零件应用广泛，使用量大，已经被高度标准化而成为标准件。设计时只需根据零件的承载情况和工作条件，在相应的设计手册或产品目录上选择适合的规格型号，直接购买，而不需要再进行结构设计了。标准件：按规定标准生产的零件。2、系列化有些使用范围大的标准件，由于工作条件多种多样，对材料、尺寸、结构等方面都会有不同的要求。为了解决这个问题，常对某些基本参数规定为标准的系列化数列，制作成一些表格，以便查找获得，简化设计。例如：齿轮的模数有规定的系列；同一型号、同一内径的滚动轴承也可以有不同的宽度和直径系列。3、通用化指在不同类型或不同规格的产品中采用具有相同结构尺寸的零件和部件。机械零件设计中采用标准化、系列化及通用化，将有利于简化设计工作，降低制造成本，保证产品质量，提高生产效率。三、力的基本概念机器的运行是由于力的作用引起的，而机器是由若干个构件组成的，构件的受力情况直接影响了机器的工作能力。因此，在设计和使用机器时，我们都需要对构件进行受力分析。我们知道，任何物体受力后都会产生变形，对这些变形可有两种处理方法：1、在对构件进行受力分析时，可忽略物体变形的影响，将物体当作刚体。2、在研究构件的承载能力时，必须考虑物体变形的影响，则将物体当作变形体。刚体：指在力系作用下不会变形的物体。物体都是变形体，而刚体只是一个理想的力学模型，并不存在。（一）平衡平衡状态：物体相对地球保持静止或做匀速直线运动的状态。力系：是指作用于物体上的一组力。力系的平衡条件：物体处于平衡状态时，作用于物体上的力系应满足的条件。平衡力系：使物体处于平衡状态的力系。（二）力力：是物体之间相互的机械作用。它的作用效应有两种：运动效应：使物体的机械运动状态发生变化。变形效应：使物体的形状发生改变。力对物体的作用效应，取决于力的三要素：即力的大小、方向和作用点。任何一个要素的改变，力的作用效应就会改变。力是矢量，一般可用一个带有箭头的有向线段表示。如按一定的比例尺所作的线段长度（模）表示力的大小，箭头的指向表示力的方向，线段的起点（或终点）表示力的作用点，通过力的作用点沿力的方向的直线称为力的作用线。力的矢量：用黑体大写字母表示。力的单位：用牛顿（N）或千牛顿（kN）计量。力的基本性质如下：1、二力平衡公理刚体受两力作用而能保持平衡的充分必要条件是：F1=F2两力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上。（如果是变形体，则条件必要但不充分。例如软绳受拉力可平衡，而受压力则不能平衡）二力杆件：不计重量和摩擦力，在两个力作用下处于平衡的刚体。二力杆件受力的特点：两个力的作用线必定是沿其作用点的连线，且等值、反向。2、加减平衡力系公理在任意一个已知力系上加上或减去任意的平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用效应。力的可传性推理：作用在刚体上的力，沿其作用线移动到刚体上的任意一点，不会改变它对刚体的作用效应。力对刚体的效应与力的作用点在作用线上的位置无关，因此，力的三要素也可认为是力的大小、方向和作用线。3、力的平行四边形法则作用于物体上某一点的两个力，可以合成为一个合力。合力作用点也在该点上，大小和方向则由两个已知力为邻边所构成的平行四边形的对角线确定。（图17a所示）合力等于两个分力的矢量和：FF1F2合力F的大小不仅与两个分力大小有关，而且还与两个分力的方向有关。实际作图时可不用画完整个平行四边形：如从A点先作一矢量F1，再过B点作一矢量F2，然后连接F1的起点A与F2的终点C，则矢量就是F1与F2的合力F。力的三角形法则：通过画三角形求合力的方法。4、作用力与反作用力公理两个物体之间的作用力与反作用力，总是同时存在，且大小相等、方向相反、处于同一直线上，分别作用在两个物体上。力总是成对出现的，有作用力就有反作用力，两者永远是同时存在，又同时消失。注意：由于作用力与反作用力分别作用在两个物体上，因此不能说成是一对平衡力。小结：力的基本概念，静力学的四大公理，二力平衡与作用力与反作用力公理的异同作业：思考题与习题11引言：复习旧课，引出新课，讲授新课：（三）、约束与约束反力当构件组成机构时，每个构件都会以一定的方式与其他构件相联接，构件间的接触就使得相互之间某些方面的运动受到了限制。约束：限制物体运动的周围每一个物体，都称为约束。（物体和约束可互换）机械中的构件为了传递运动，彼此之间将会形成各种各样的约束。物体的受力可分为两类：主动力和约束反力。主动力：指使物体产生运动或运动趋势的力。（如物体的重力、零件的载荷等）约束反力：约束对物体运动起限制作用的力。特点：由于约束的作用是限制物体的运动，所以约束反力的方向总是与限制的运动方向相反，其作用点在约束与被约束物体相互联接或接触之处。几种典型的约束模型：1、柔性约束由线绳、链条或胶带等非刚体对物体所形成的约束。特点：只能受拉，不能受压，约束反力（拉力）的方向沿着中心线而背离被约束物体，用FT来表示。2、光滑面约束物体与光滑平面或曲面成点、线、面刚性接触所形成的约束。特点：约束反力的方向沿接触表面的公法线并指向被约束物体。约束反力（压力）常用FN来表示。3、光滑圆柱铰链约束两个物体经光滑圆柱销联接所形成的约束。例如：门窗合页、门扣、轴承等。圆柱形铰链是由两个带圆孔的构件，用一个圆柱销轴联接而成。由于两者之间常有间隙，物体受力后形成线接触点K。约束力应为过接触点K沿径向的压力，而销钉对物体的约束反力应沿接触点K处的公法线通过物体圆孔中心（或铰链中心）向外。由于接触点K在圆周上的位置不能预先确定，因此，通常用两个通过铰链中心的互相垂直的分力来代替（Fx和Fy）。光滑圆柱铰链约束可分为：中间铰链约束、固定铰链支座约束、活动铰链支座约束。（1）、中间铰链约束：铰链联接的两个构件都是活动构件。（2）、固定铰链支座约束：铰链联接的两个构件中有一个构件是固定支座。特点：只能限制被约束物体之间的相对移动，不能限制物体绕销轴中心线的相对转动。约束反力方向：作用线过铰链中心，方向待定，可用两个互相垂直的分力来表示（Fx和Fy）。（3）、活动铰链支座约束：铰链联接的两个构件中有一个构件是活动支座。特点：只能限制被约束物体沿支承面法线方向的运动，不能限制切线方向的运动。约束反力方向：作用线通过销钉中心且垂直于支承面指向物体。用FN表示。4、固定端约束物体的一部分固嵌于另一个物体中所形成的约束。如机床刀架上的刀具、卡盘上的工件等。固定端约束的构件都可以用一端插入刚体内的悬臂梁来表示。如图118（P8）特点：这种约束将限制物体在约束处沿任何方向的移动和转动。约束作用：包括了限制移动的两个正交约束反力Fx、Fy（方向不定）和限制转动的约束反力偶M。（四）、受力分析与受力图受力分析：研究某个物体受到的力，并分析这些力对物体的作用情况，确定各个力的作用位置、大小和方向。在对某一物体进行受力分析时，通常先将物体从周围的物体群中分离出来，成为分离体，然后再画其出受力图。受力图：画有分离体及其全部主动力和约束反力的简图。受力图的画法：1、明确研究对象，并单独画出分离体；2、在分离体上画出全部主动力；3、在分离体的约束处，分析并画出约束反力。注意：画图时应先找出二力杆将有助于确定未知力的方向，当受力指向不明时，可先设为某一方向，系统内力作用可不画出。例1-2 ：图1-20a所示，梁A端用铰链固定支座支持，B端放置于光滑墙上，画出梁的受力图。解：取梁为研究对象，画出分离体图；画出梁所受的主动力G，约束反力FB、FAx、FAy ，如图20 b。例1-3 ：物系放置如图1-21a所示，分别作出每个物体的受力图。解：(1) 取小球为研究对象，画出分离体图；画出小球所受的主动力W，约束反力FT，如图1-21b。 (2) 取杆AB为研究对象，画出分离体图；画出杆所受的全部约束反力FE、FT和FAy、FAx ，如图1-21c。(3) 取大球为研究对象，画出分离体图； 画出大球所