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高速双色牙刷植毛机机械结构设计,高速,牙刷,植毛机,机械,结构设计
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扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）中期自查表（中期教学检查用）学生姓名陈沛东学号100007102专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师竺志大职 称高级工程师设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计个人精力实际投入每天平均工作时间5小时迄今缺席天数0出勤率%100%指导教师每周指导次数3每周指导时间（小时）6未指导的周次及原因无毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容（30%）待完成主要内容（70%）1、 确定论文题目2、 完成老师给的的外文资料翻译3、 到工厂参观，对植毛机有个初步的了解4、 收集资料，完成开题报告5、测绘植毛机1、 进行论文的写作和说明书的撰写，对植毛机的传动进行计算，在老师的帮助下完成论文的修改等工作。2、 对植毛机的图进行整理修改。3、整理论文和图纸，准备答辩。存在问题及解决方案存在问题：1、对英文翻译和开题报告还不够准确，需要加强语言组织的能力。 2、对植毛机还不够了解，缺乏相应的理论知识。解决方案：1、多学习英语加强自己的外文水平。 2、多向工程师请教，加深对植毛机的理解。 3、多观察并提出疑问，加强自己的理论知识，向老师请教相关问题。指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）评阅人意见表设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计学生姓名陈沛东专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班评阅人姓名职称得分评阅人意见：评阅人签名：年 月 日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）题目申报表设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计题目类型2题目来源A面向专业机械指导教师竺志大职称高级工程师学位学士从事专业机械题目简介：牙刷生产工艺流程：刷柄注塑、注胶、切毛、植毛、平毛、磨毛、包装。其中植毛是关键，从手串，到简单机械植毛，至今天的高速多色植毛，本植毛机要求植两种颜色，生产率：750-900孔/分钟（25-30支/分钟），设计刷炳自动装夹、X/Y方向自动运行机构、自动分毛机构、送毛机构。审核意见：审核人签名： 年 月 日题目类型1、为结合科研；2、为结合生产实际；3、为结合大学生科研训练计划；4、为结合学科竞赛；5、模拟仿真；6、其它题目来源A.指导教师出题 ； B.学生自定、自拟 扬州大学广陵学院本科生毕业论文任务书论文题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计年级机械81001班专业机械设计制造及其自动化学生姓名陈沛东学号100007102主要内容： 牙刷生产工艺流程：刷柄注塑、注胶、切毛、植毛、平毛、磨毛、包装。其中植毛是关键，从手串，到简单机械植毛，至今天的高速多色植毛，本植毛机要求植两种颜色，生产率：750-900孔/分钟（25-30支/分钟），设计刷炳自动装夹、X/Y方向自动运行机构、自动分毛机构、送毛机构。主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）：主要任务：完成高速双色牙刷植毛机机械结构设计。基本要求：总装图、部件图、零件图；送丝机构的凸轮系统计算；参考资料：1.自动机与自动线 李绍炎 编著 清华大学出版社2.机械设计实用机构运动仿真图解 朱金生 凌云 编著 电子工业出版社 3.机器设计中伺服电机极驱动器的选型 （美）MENG KING 李幼涵 编著 机械工业出版社4.带传动与精确传动实用设计 （日）日本带传动专业技术委员会 编 齐彬 译 化学工业出版社5.广义机构设计与应用创新 邹慧君 张青 编著 机械工业出版社6.简明机械手册 （德）乌里希菲舍尔 等著 湖南科学技术出版社7.机械制造工程基础 （德）约瑟夫迪林格 等著 湖南科学技术出版社8.IE与单元生产 孙亚彬 著 厦门大学出版社 9.非标准机械设计实例详解 车洪麒 张素辉 编著 机械工业出版社 10.机械设计零件与实用装置 （美）Robert O.Parmley，,P.E. 主编 邹平译 机械工业出版社11.机械设计实用机构与装置图册 （美）Neil Sclater，Nicholas P.Chironis 编 邹平译 机械工业出版社12.包装机械结构与设计 黄颖为 主编 化学工业出版社13.现代印刷机械原理与结构 潘杰 主编 化学工业出版社 发出任务书日期：2014年03月01日 完成期限：2014年05月15日指导教师签名：专业主任签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）指导教师审阅意见表设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计学生姓名陈沛东专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师姓名竺志大职称高级工程师得分指导教师审阅意见：指导教师签名：年 月 日 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计题目来源指导教师出题题目类型结合生产实际指导教师竺志大学生姓名陈沛东学 号100007102专 业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。）文 献 综 述1.1前言不久前在美国进行了一次问卷调查，题目是：什么东西是您生活必需的。在被询问者的答案中，牙刷将汽车和电脑远远抛在了后面。第一个将牙刷生产工业化的人是英国的威廉艾利斯。牙刷的功能：一是为了去除造成龋齿、牙周病的牙垢，清楚牙齿表面的牙菌膜；二是为了对牙龈进行生理按摩。1.2主题（一）、牙刷考古资料表明，世界上最早的植毛牙刷是中国人发明的。1954年，辽宁省赤峰市大营子村一号辽代驸马墓中出土了两把骨制牙刷，这是辽代应历九年(959年)的遗物，距今已有1000多年。此牙刷柄长19厘米，植毛部分为扁平长方形，有8个植毛孔，分为两排，每排4孔。说明最迟在公元959年，中国人已经发明并使用了牙刷。宋代开始出现了用马尾制作的牙刷，当然其时没有现代的牙膏，而是以皂角、生姜、地黄、槐实、细辛、荷叶与青盐等研成细末洁齿。宋代的牙刷使用尚不普及，牙刷常作为珍贵礼品馈赠亲友。元代仍是如此，元人郭玉的诗中写道：南州牙刷寄来日，去腻涤烦一金直。明代以后牙刷才逐渐普及成为日常生活的必备品。国外牙刷起源的年代为1770年，至少比中国迟了800多年。其时美国的一位囚徒威廉阿迪斯在一块长而扁平的骨头上钻了几排小孔，用猪鬃嵌入小孔中制成牙刷。牙刷从来没有停止发展的脚步。1938年，杜邦公司用尼龙材料替代猪毛，制成了现代牙刷。1960年，第一把电动牙刷在美国诞生。1987年，第一把家用旋转电动牙刷诞生。1992年，电动声波振动牙刷在美国推出。最近35年间共取得整整3000项和牙刷有关的发明专利。当前可以把牙刷分为：传统牙刷、电动牙刷、声波牙刷、超声波牙刷、负离子牙刷等几大类。当然随着科技的进步和新材料的应用，新的牙刷品种也会随之出现。人们总是希望有一款牙刷既可以拥有各种牙刷的功能，又不是奇特的形状，在需要时这种功能体现出来 ，不需要时又不占用空间。那么，可换头的牙刷就成了未来牙刷的主角。牙刷的改良方案：牙刷头：根据美国牙科协会的规定，牙刷头的长度应为2.53厘米，宽度为0.81厘米，有24排刷毛，每排512束刷毛，牙刷头前端应为圆钝形。 在可换头牙刷套装中，已有两个标准牙刷头，一个单头牙刷头，一个牙缝刷头。（二）、牙刷植毛机伴随着牙刷的发展，生产牙刷的工艺流程也在不停地发展，牙刷生产的机器由半自动植毛机变为全自动植毛机。生产一支牙刷的设备包括：注塑机、植毛机、磨毛机、清洗机、甩干机。这里我着重介绍一下牙刷植毛机。植毛机构主要完成刷丝 传送、 铁片传 送、 铁片剪切、 刷丝与铁片合成、 植入刷板等动作。其工作原理是: 启动主轴电机, 带动主轴旋转, 安装在主轴上 的 3 只互成 一定角度的 凸轮启动。第一凸轮驱动一换向装置, 带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝, 从而不断将牙刷丝送入植毛嘴中; 同时另一凸轮带动送铁片机构,将铁片送入切片刀盒; 此时连杆机构带动刀片切出1.6mm *1 mm *0.4 mm 的薄片, 并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中, 由步进电机驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下, 将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中,完成一次循环。如此反复, 机器将不停地生产出牙刷, 平均每支牙刷植毛时间为 5-7 s。运动平台这是一套精度较高的两轴定位系统, 主要完成牙刷取板, 刷板定位, X 、 Y 方向移位,牙刷出板等一系列动作。因此, 这部分精度如何影响到整机性能及牙刷植毛质量, 要求运动平稳、 移位速度快、 到位精度高。通常刷板孔径在1.6mm 左右, 要能准确地将毛丝及铁片植入刷板每孔中心, 给运动平台提出了较高要求。其设计原理是: 由微电脑控制步进电机, 来驱动X轴与Y轴,而X轴和Y轴采用定制精密滚珠丝杠, 丝杠导程为9.6mm, 步距为0.04 mm。工作台的平移运动, 由 X 、Y 轴运动基座加装导杆, 并在导杆上安装立线轴承, 以消除晃动及步距误差, 夹板装置安装固定在运动平台上, 由电磁气动阀完成刷板的夹紧及弹出。（3） 、现状和发展趋势 从世界上一些大的公司厂商来看,牙刷生产的自动化程度越来越高,牙刷已从简单向复杂发展。从牙刷柄的设计、模压、植毛、剪毛、磨毛全都是自动化一条龙生产,牙刷柄的设计越来越科学,观越来越漂亮,刷毛的材料从普通尼龙丝,到尼龙b1o、尼龙b12,直到最近杜邦(加卯ut)公司推出的耐力丝(1加lex)更加经久耐用,不开花、不倒毛。 产品趋势：全世界的牙刷市场已从“一个大码适合一切需求”的产品观念,发展为高度细分化的牙刷产品市场。具体表现在: 牙刷的手柄已从单一的塑料材料发展到橡塑复合的双重材料,更符合人手的握姿和更富有弹性； 刷毛的排列更科学,前后内外刷毛材料、丝径不一样,更适合口腔和牙齿所需要的柔和性和清洁性； 刷毛的颜色因材料的不同而不同,外观更美观,同时出现了彩色牙刷,约占市场的30%，更注重以鲜艳的色彩吸引人； 产品从装饰性逐步向注重功能性、临床效果方向发展,设计更科学； 刷毛材质不断更新,丝光状况千变万化。 江苏扬州的中国牙刷城杭集工业园的牙刷产量占中国牙刷产量的80%，年产量达30亿支。牙刷设备的生产厂家过去大都用相同品牌的单片机控制系统和伺服电机电控系统其中伺服系统大多选用日本进口产品。近年台达伺服产品凭借优异的性能和具有竞争力的价格优势在高速牙刷植毛机行业份额逐年递增。目前市场要求毛刷品种、花色多样化，因此，应用微电脑对植毛机进行改造，使之能适应小批量、多品种生产的需要，并提高产品质量与生产率，降低成本。植毛机的功能也日益更新，由过去的半自动化到现在的全自动；由单色植毛到双色植毛再到现在的三色毛，当然以双色为主流。日本、欧美等国家已经基本上实现了从原材料到成品包装的一套完整的全自动流水线，中间过程完全不需要人工参与，而且自动化的水平已经达到了一个很高的水平。1.3总结近期阅读了一些关于牙刷的资料和自己到工厂参观、实习的经历，了解了牙刷生产的全过程，每一个环节的机器。牙刷虽小，却是一个人人需要，消费巨大，市场成熟的大商品。多少年来，几乎所有国产品牌的牙刷都只是在刷毛的软硬程度上做区分，产品设计单调，毫无创意。在外资品牌进入中国市场、带来了新的设计、新的理念之后，国产品牌才匆匆扮演了市场跟随者的角色。针对这一问题，我们的制造企业必须找准差异点。无论从产品的性能、设计、包装等发现突破性的差异点，就很容易把消费者的眼球吸引过来。现在我国牙刷生产现状：劳动密集型，工艺流程中每道工序之间是相互独立的，每道工序之间都存在半成品要人工上料和下料的问题，且每道工序之间半成品流动运输、周转都导致生产效率低、同时半成品占据厂房空间大，质量不稳定、工人劳动强度大、工作环境噪声、橡塑气味都影响工人身体健康。1.4 参考文献1 钱善寿. HJ-1型全自动牙刷植毛机系统介绍 .舰船电子对抗，2000年03期. 2 解 刚. 基于台达伺服解决方案的高速牙刷植毛机 . 伺服控制，2009年01期. 3 周一染. 中国牙刷之都 . 城乡致富 ,2005年11期.4 赵双战 赵林娟.中国古代健齿与牙刷发展 . 文博 ,2005年03期.5 谢德琼. 牙刷及其质量控制 . 口腔护理用品工业 ,2011年03期.6 林静； 邹慧娟； 杨湘云. 产业集群与区域经济发展研究扬州杭集牙刷产业的实证. 经营管理者，2009年11期.7 朱英明.产业集群与特色经济发展研究以江苏扬州杭集牙刷产业集群为例. 工业技术经济，2005年03期.8 唐莹. 牙刷品牌之争与中国制造业. 今日湖北，2004年07期.9 莫晚芳. 应该重视牙刷牙刷市场的发展前景与探讨. 牙膏工业，1998年01期.10 杨枝丽； 林向美.中国牙刷行业与市场分析 . 现代商业，2012年29期.11 范士忠. 牙刷史话.初中生学习(高)，2013年Z2期.12 Wickert, Jonathan. An introduction to mechanical engineering . 西安交通大学出版社.13 李绍炎.自动机与自动线. 清华大学出版社.14 齐彬 译. 带传动与精确传动实用设计 .日本带传动专业技术委员会，化学工业出版社.15 邹慧君 张青.广义机构设计与应用创新.机械工业出版社. 2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1研究的问题： 牙刷植毛机是如何进行自动植毛的，以及传递运动的，这是研究的关键。2.2研究手段： 先到车间去观察植毛机的工作情况，有疑问直接请教工人师傅，这样会看的比较明白，具体的内部结构可以请教那里的工程师或者自己的老师。再到图书馆或网上搜集一些关于这方面的资料，要搞清楚里面的互相关系和原理，再和同学或老师交流。然后去测绘要研究的部分，在电脑上进行三维造型。通过计算求出我们要研究的内容。2.3实施计划： 2014.02.172014.02.25 完成外文资料翻译 2014.02.262014.03.04 搜集资料，了解国内外相关产品的开发现状，写出文献综述； 2014.03.052014.03.25 到车间实习，测绘出零件的三维模型； 2014.03.262014.04.01 总体方案设计； 2014.04.022014.04.22 电动机的选型； 2014.04.232014.05.13 传动设计；学生签名： 指导教师审核签名： 日期： 2014.05.142014.05.27 调试、试验； 2014.05.282014.06.15 撰写毕业论文、准备答辩学生签名：陈沛东 指导教师审核签名： 日期：扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）答辩结果表设计（论文）题目高速双色牙刷植毛机机械结构设计学生姓名陈沛东专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班答辩记录：答辩小组意见：得 分组长签名日 期答辩委员会意见：指导教师评分评阅人评分答辩小组得分结构分最终成绩主任签章日 期机械工程学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名： 陈沛东 学号： 100007102 教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： 高速双色牙刷植毛机机械结构设计 指导老师： 竺志大 材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014年04月02日毕 业 实 习 调 研 报 告学 院： 扬州大学广陵学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械81001班 姓 名： 陈沛东 学 号： 100007102 指导老师： 竺志大 2014年03月25日1、 实习说明1、实习时间：2014年03月01日2014年6月1日2、实习地点：江苏艾萨克科技有限公司3、实习性质：毕业实习4、实习目的： （1）巩固、联系、充实、加深、扩大所学知识基础理论和专业知识。 （2）提高运用所学知识，解决实际问题的能力。 （3）敢于创新，并能正确地将独创精神与科学态度相结合。 （4）初步掌握专业设计工作的流程和方法。 （5）熟练运用计算机等工具提高工作效率。 （6）养成严肃认真、刻苦钻研、实事求是的工作作风。2、 单位简介江苏艾萨克科技有限公司，是一家专业从事自动化设备研发、制造、销售与服务一体化的高科技企业，公司融合了中国科学院自动化研究所、扬州大学等国内一些高端的工业自动化机械行业的专业学府与机构，实现产学研究等一体的合作模式，致力于工业自动化领域的研发和生产项目，为实现国内制造业工业革命的发展趋势为发展宗旨，不断进取，勇于创新，公司坚持“以人为本，为客户创造最大价值”的经营理念，以科技促进效益，为实现我国制造业的自动化生产转型和升级做出不懈努力！ 企业宗旨：用户至上，信誉取胜，质量优良，服务优质。 经营理念：质量形象的基础 科技腾飞的关键 管理永恒的主题 创新发展的源泉服务原则：热情友好，细致周到，持之以恒，精益求精。3、 实习具体内容 刚到这个企业，用了一天的时间对这个企业的各个部门进行一些基本的了解。主要是对设计部和生产、装配部门进行了具体的参观。第一天基本上就这样，回去之后进行了一些总结，大概知道自己的任务。第二天，先到牙刷生产的车间参观，在工人师傅以及老师的讲解下，对一支牙刷的生产过程基本上了解了。我主要是研究植毛机的工作原理，对这一台结构和功能都比较复杂的机器，当时我看到植毛机工作的时候觉得很神奇，同时我自己也看的一头雾水，光从表面上根本看不出什么，只有几个动作而且速度也很快。后来我们找了一台没有工作的机器，具体看了一下，在工人师傅和老师的分析和描述中我有点明白了它主轴箱内部的构造，具体的空间位置和布局还是不了解。然后进行了手动操作，一步一步地把它的一个工作循环过程分解下来，在进行分析，老师们讲完之后就要靠自己去慢慢理解，慢慢分析，主要是观察，再结合老师讲的，主要是自己要运用已学的知识去理解分析。回去之后我也上网找了一些关于植毛机的资料，还有它在国外的发展历史和我国的现状。经过几天的参观和思考以及搜集资料，对植毛机的工作原理大概有个了解。它主要运用机械结构来完成工作，就是我们机械原理里面学到的凸轮的有关知识。植毛机构主要完成刷丝 传送、 铁片传 送、 铁片剪切、 刷丝与铁片合成、 植入刷板等动作。其工作原理是: 启动主轴电机, 带动主轴旋转, 安装在主轴上 的 3 只互成 一定角度的 凸轮启动。第一凸轮驱动一换向装置, 带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝, 从而不断将牙刷丝送入植毛嘴中; 同时另一凸轮带动送铁片机构,将铁片送入切片刀盒; 此时连杆机构带动刀片切出1.6mm *1 mm *0.4 mm 的薄片, 并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中, 由步进电机驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下, 将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中,完成一次循环。如此反复, 机器将不停地生产出牙刷, 平均每支牙刷植毛时间为 5-7 s。知道了工作原理之后，我就跟几个实习的学生一起来测绘这台植毛机。机械零件测绘的步骤：1）分析零件；2）确定零件的视图表达方案；3）目测徒手画零件草图；）绘制零件工作图。零件测绘的注意事项：1）测量尺寸时，应正确选择测量基准，以减少测量误差。零件上磨损部位的尺寸，应参考其配合的零件的相关尺寸，或参考有关的技术资料予以确定。2）零件间相配合结构的基本尺寸必须一致，并应精确测量，查阅有关手册，给出恰当的尺寸偏差。3）零件上的非配合尺寸，如果测得为小数，应圆整为整数标出。4）零件上的截交线和相贯线，不能机械地照实物绘制。因为它们常常由于制造上的缺陷而被歪曲。画图时要分析弄清它们是怎样形成的，然后用学过的相应方法画出。 5）要重视零件上的一些细小结构，如倒角、圆角、凹坑、凸台和退刀槽、中心孔等。如系标准结构，在测得尺寸后，应参照相应的标准查出其标准值，注写在图纸上。6）对于零件上的缺陷，如铸造缩孔、砂眼、加工的疵点、磨损等，不要在图上画出。7）技术要求的确定 测绘零件时，可根据实物并结合有关资料分析，确定零件的有关技术要求，如尺寸公差、表面粗糙度、形位公差、热处理和表面处理等。在了解这些要点之后，我们准备了一些必要的测量工具，一边拆机器一边测量，还要拍照记录没拆之前的样子，以便我们后面好装配。就这样我们每天带着自己的电脑到公司里来测绘。4、 实习总结 通过本次毕业实习我真正了解到步入社会后我们还有许多知识要学习，还有许多需要加强的地方，我们的专业课知识还不能熟练的掌握，我们的动手能力不足等，我知道这不是短时间内能够学会的，这次实习对我的毕业设计也有很大的帮助，在以后的设计过程中我还会学到很多东西。 此次毕业实习，我学会了运用所学知识解决处理简单问题的方法与技巧。同时我体验到了社会工作的艰苦性，通过实习，让我在社会中磨练了下自己，也锻炼了下意志力，训练了自己的动手操作能力，提升了自己的实践技能。我用计算机软件进行零件的三维造型能力得到了提升，包括绘图速度、读图的能力，以及对零件的技术要求有了一定的了解。有了这次毕业实习的经验，再以后毕业以后就可以更快、更好地融入新的环境，完成学生向职场人士的转换。机械工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 陈沛东 学 号： 100007102 外 文 出 处： An Introduction to Mechanical Engineering （用外文写）附 件： 指导老师评语签名： 年 月 日第四章、结构和流体中的力概述 当机械工程师在设计产品，系统和硬件时，他们必须应用数学和物理原理进行建模，分析和预测系统特性。通过有效的工程分析成功的设计是支持的；有效的工程分析依赖于在结构和机构上对力的了解。本章和下一个单元讲述机械工程的这一重点。本章向您介绍力学的主题，这个主题包含了结构和机构在力的作用下要么保持静止，要么保持移动。形成这种现象的基本原理是以牛顿的三大运动定律为基础的：1、 每一个物体都保持静止状态或匀速运动状态，除非在它的外部受到不平衡力的作用。2、 物体的质量为m，受的力为F，物体的加速度与物体受到运动方向相同的力的大小成正比，与物体的质量成反比。这种关系可表示为：F=ma。3、 两个物体之间的作用力与反作用力，大小相等，方向相反，并且共线。4.3力矩 当你想用长柄扳手拧松冻结的螺栓，螺栓更容易转向时。力的趋势（在这种情况下，应用于手柄的一端）使物体旋转称为矩。矩的大小同时取决于所施加的力和力到枢轴点的垂直距离。垂直的力臂矩的大小是由它的定义中找到 (4.8)其中是关于点O的力矩，F是力的大小，d是力到O点的垂直距离。转矩一词也可用于描述作用在杠杆臂上的力的影响，但在电机、发动机或变速箱中机械工程师通常用转矩来代替力矩。我们将在第7章讨论这些应用。 基于方程4.8，Mo单位是力和距离组成的。在美国，矩的单位是磅英寸或磅英尺。在国际单位制中，单位是牛顿米，应用不同的前缀时数值可以是非常大或非常小。例如；5000N-m5KN-m和0.002N-m2mN-m.两个单位之间的转换系数见表4:2，在那里你可以看到1英尺磅1.356N-m。功和能，这是在机械工程中出现的参数，也有是力和距离的乘积单位。例如，在国际单位制中，焦耳（J）被定义为一个牛顿米。它是由一个1牛顿的力通过距离1米的工作量。然而，功和能的物理量跟力矩和转矩有很大的不同，为了要清楚区分它们时，牛顿米的单位（而不是焦耳）应使用在国际单位制中表示力矩和转矩。 表达式Fd可以应用于具体结构的理解。图4.9（a），力F大致向下作用在支架的右侧。有可能力的作用点在支撑杆的底部，标示在图中为点O。该结构可以在该位置分解，且工程师将研究后，以确保它能够支持F。力矩的计算是基于力F的大小和偏离O点的垂直距离。事实上，力F可沿着它的作用线的任何一点施加到支架上，对O点产生的力矩将保持不变，因为d不会改变。力矩的方向是顺时针，因为力F引起后倾旋转的趋势（在这种情况下虽然刚性安装可以防止后倾的趋势）图4.9（b）F的方向已更改。力的作用线将直接通过点O，偏移距离d0。不产生力矩，力趋向于直接从后拉其离开地基。总之，在计算力矩的时候必须考虑力的方向以及它的大小。实例4.3如图4.10所示的开口扳手紧固六角头螺栓和螺母。计算当35磅力被施加到如图所示扳手的两个方向上螺母的中心的力矩。手柄的整个长度，手柄是倾斜的稍微向上。开口端和封闭端中心之间的长度为英寸。解决方案（一）在图4.10（a），35磅的力垂直向下作用。从螺母的中心到力的作用线的垂直距离为d6英寸。该扳手的手柄的倾斜和长度都无关紧要与计算有关的是d；手柄的长度不一定和力臂的垂直距离相同。力矩有大小 (35 1b) (6 in.)210 in. lb17.5 ft.lb力矩方向是顺时针（CW）。（b）在图4.10（b）；力已经转向倾斜一个角度，它的作用线已经变了，测得d为英寸。力矩减少到(35 lb) (5.375 in.)188 in.lb15.7ft.lb我们得到的答案为Mo=15.7英尺磅（CW）。力矩分量 就像我们可以把力分解为两个互相垂直的力；它有时是有用的来计算出力矩的分量之和。力矩被确定为与该力相关联的两个组成部分的总和，而不是力的全部合成值。据计算，力矩被分解，它往往比合力更容易找到各个组成部分的力臂。应用这种技术时，有必要规定符号，了解各分力产生的力矩是顺时针还是逆时针：为了说明这种方法，我们计算如图4.11所示的矩点的力矩。首先我们选择以下符号规定：那就是力矩顺时针为正，逆时针为负。符号规定只是一种簿记工具结合了各种顺时针和逆时针力矩分量。对O点的力矩顺时针方向都带有一个正号；而另一个方向的力矩为负。这种正方向和负方向的选择是任意的;；我们可以简单地选定逆时针的方向为正。然而，一旦符号规定好后，我们坚持始终如一地遵循它。图4.11（a）。力被分解为分量Fx和Fy。而不是确定从O点到力F垂线的距离，理应涉及到几何关系，这是我们希望避免的，我们不需要单个计算Fx和Fy杠杆臂的距离，这是更直接的。保持符号约定，对O点的力矩变为。每个对 Mo 产生的力矩都是正的，因为Fx ，Fy每个都引起顺时针旋转的趋势。它们的作用是要合并起来的。F的方向已经在图4.11（b）中变化了。当分力Fx 还是形成正的力矩，分力Fy现在对O点产生逆时针的力矩。因此有一个负的力矩，总的力矩变成了。此处是用两个分量的解合并的方法。在特殊情况下，这两个力矩恰好抵消。在这种情况下的力矩为零因为F作用线直接穿过O点，如图4.9（b）。一般情况下力矩的表达式，我们写为 (4.9)正负号是由分量是顺时针或逆时针所决定的：不管你使用什么方法计算力矩，当报答案时你应该说明（1）力矩的数值的大小，（2）单位，（3）方向。您可以通过使用符号指明方向，前提是您也表明了符号规定在你的图上。符号的顺时针或逆时针表示力矩的顺时针或逆时针也是非常有用。实例4.4在可调扳手施加250-N的力确定螺母中心的力矩，图4.12中的处理。使用（a）垂直杠杆臂的方法，（b）一组分力的方法。解决方案 （a）如图4.13（a）所示，我们表示螺母的中心点为A，施加力的点为B，使用给定的尺寸，距离AB的计算值虽然这是从点A到在其中施加力的位置的距离，它不是垂直的杠杆臂的距离d。为此，我们需要计算的实际长度是作用力倾斜35的垂直距离，垂直力的作用线是与水平面成35的角。如图4.13（a）；AB线位于水平线以下tan-1（75/200）20.6，从AC偏移。因此，正确的杠杆臂的距离成为。扳手的力矩为。方向为顺时针（CW）。 （b）在图4.13（b）中，该250-N的力被分解为两个分力。水平分量（250N）sin35143N，垂直分量（250N）cos35205N。这些分量的方向分别向左、向下，他们对点A都产生顺时针力矩的作用。在图4.13（b）中，我们已经规定顺时针的力矩为正号。通过累加每个分量的力矩，我们得到 因为最终的结果是正的，力矩的方向为顺时针。4.4力和力矩的平衡现已确定力和力矩的基本属性，我们接下来的任务是计算作用于其他结构和机器的（未知）力通过目前（已知）的力。这个过程涉及到应用静力平衡的原则，即要么是静止的或移动的等速系统。在任何情况下，没有加速度的存在，并根据运动规律，作用在系统上的合力为零。质点和刚体一个机械系统可以包括单一的对象（例如，发动机活塞）或多个对象连接在一起（整个发动机）。当物体的物理尺寸在计算力的时候是不重要的，该对象被称为一个质点。这一概念将一个对象集中为一个点，而不是分布在一个扩展的面积或体积上。为了达到解决问题的目的，因此，一个粒子可以被视为具有可忽略不计的尺寸。另一方面，如果一个对象的长度，宽度，和面积是重要的问题，它被称为一个刚体。当看到航天飞机的运动，它绕地球运行，例如，飞船被视为质点由于其尺寸相对于轨道的大小是小的。然而，当航天飞机在着陆和工程感兴趣的的空气动力学性能和飞行特性，将不被视为一个刚体。如图4.14说明应用到质点和刚体力之间的区别；你可以看到一个力不平衡可能导致刚体转动。如果一个平衡力作用在质点上面，产生平衡。因为力作为矢量，最终必须为零在两个垂直方向上，我们标为x和y： (4.10)对于刚体处于平衡状态，它是必要的，（1）所有的合力为零，（2）净力矩为零。当这些条件得到满足，对象没有移动（反应部队）或转动（反应时间）的趋势。刚体的平衡要求，涉及方程4.10和 (4.11)Moi的书写方式被用来表示对O点施加的第i个力矩。总之，公式4.10两个关系注明，无论是在x或y方向都没有净力作用，方程4.11注明没有净力矩往往造成旋转。 符号规定是一个簿记方法来区分力作用在相反的方向，力矩的方向是顺时针或逆时针。在平衡方程求和时包括了所有的力和力矩，他们的方向和大小是预先已知的。在问题开始的时候代数变量求和总是包含未知的力在他们当中，然后列平衡方程时应用确定的数值。从数学上讲，一个刚体的平衡方程是一个包括三个未知的力和力矩的线性方程组。这个特性的一个含义是，以定它确是可能的最多三个未知量时，方程4.10-4.11应用到一个单一的刚体。通过对比；要求一个质点平衡时，力矩方程是没有用的。因此，产生两个独立的方程，可以确定只有两个未知数。这是不可能获得更多独立的方程分解通过点的力矩，或在不同的方向求合力。附加方程仍然有效，但它们将仅仅是其他（已经派生）那些组合。因此，它们将不提供新的信息。当你解决平衡问题，你应该检查一下，你的独立方程比未知量多。自由体图自由体图（简称FBD）是草图用来分析作用在结构和机器上的力和力矩，它们的建立是一项重要的技能。FBD是用来识别的机械系统，经过检查，表示所有存在的已知和未知的力。当绘制FBD要经过三个主要步骤：1。选择一个对象，将采用平衡方程分析。试想一下，一个细虚线围绕着对象绘制，请注意线将如何切入和表示各种力。虚线内的一切都与周围分开并应该出现在图中。2。坐标系统绘制在旁边来指示力和力矩的正号。这将是毫无意义的汇报答案，说，“-25米”或“+250磅”没有定义与所述正号和负号相关联的方向。3。在最后一步中，所有的力和力矩的绘制与标注。这些力可能代表重力或自由体和其他对象接触之间的力，物体被分离时这些力也被移除，。当力是已知的，其方向和大小应写在图中。力是即使它们的大小和方向不知道在这一步骤中，分析已知：如果力的方向是未知的（例如，向上/向下或向左/向右），你应该绘制它用一种方式或其他方式在FBD中，或者用你的直觉为导向。应用平衡方程和一贯使用符号规定后，正确的方向可以通过计算确定。如果你找到的数量是正的，那么你知道，选择了正确的方向。另一方面，如果值是负的，结果只是意味着力与假定的方向相反。实例4.5一种汽车碰撞测试中，膝部和肩部安全带各张紧到300磅，如图4.15所示（a）。处理扣b作为一个质点，（a）画的自由体图，（b）确定锚带AB张力T，（c）确定T作用的角度。 解决方案（a）扣的自由体图如图4.15（b）。XY坐标系统也画出来表示我们对正的水平和垂直方向的符号规定。三力作用于扣：两个给定的300磅力和锚带未知力。由于扣处于平衡状态，这三种力必须平衡。虽然两者的幅度T和在带AB力的方向是未知的，两个量都在自由体图上完整地表示出来了。（b）我们通过使用矢量多边形的方法连接三个力，如图4.15（c）。多边形的起点和终点都是一样的，因为三个力一起作用的合力为零；即多边形的开始和结束点之间的距离是零。张力利用余弦定理确定（斜三角形方程在附录B进行了综述）的边角边三角形如图4.15（c）：我们计算： （c）锚带的角度由正弦定理： o 实例4.6一对钢丝钳如图4.16所示。机械师在手柄施加70-N的抓握力。在电线上的切削力的幅度是多少？解决方案规定力和力矩的坐标系统和正方向，如图4.17所示。接下来我们绘制自由体图的一个夹爪/手柄组件，这被视为一个刚体，因为它可以旋转并且和力之间的距离是显著的问题：当一个刀片压紧导线，电线反过来作用在刀刃的（未知）力A。力B是通过铰链销施加，连接两个夹爪/手柄件。70-N的抓握力作用在手柄的端部并在FBD显示。图4.17中完成的自由体图，作用在刚体上的切削力是通过应用平衡方程求得。在垂直方向上力的平衡条件是 有两个未知数，A和B，因此需要额外的方程。通过对B点的力矩，我们有 负号的存在，因为70牛顿的力对B点产生一个逆时针方向的力矩。切削力求得A315 N，经过回代，B385 N。因为这些都是正的，假设的方向和FBD显示是正确的。这些钢丝钳根据杠杆原理操作。每个夹爪/手柄组件绕点B旋转。作用在A点的力与手柄上的力是成正比的，它也与距离AB和BC的比值有关。一个机器的机械优势定义为输出和输入力之比，或在这种情况下，（315N）/（70N）4.5。因此，钢丝钳放大机械师的抓握力约450%。实例4.7在图4.18（a）所示的叉车重3500 1b，并带有一个800磅的集装箱。在叉车上有两个前轮和两个后轮。（a）画的叉车的自由体图。（b）确定车轮和地面之间的接触力。（C）你怎样确定前轮动力，而无需求后轮的力？（d）叉车前轮的尖端可以承载多少的负荷？解决方案（a）叉车的自由体图绘制在图4.18（b），力和力矩的正方向规定也显示在图中。我们选择向上的方向是力的正方向，顺时针方向为力矩的正方向。我们首先通过叉车，集装箱的质量中心绘制和标注已知的3500-1b和800-1b的重力。前车轮与地面之间的（未知的）力被表示为F（未知的），后轮与地面之间的（未知）力为R。在旁边，在FBD中查看，车轮的前头净效应变为2F和2R。（b）有两个未知数（F和R），因此，需要两个独立的平衡方程解决问题。我们首先在垂直方向的合力 但是，需要解决的问题是一个二次方程。在水平方向的合力将不提供任何有用的信息，所以我们利用力矩平衡。任何位置可以被作为力矩的作用点。我们确认，通过选择，力矩点与前轮重合，力F将被从计算中消除。因此，对点A取矩，我们有 从中我们求得R888磅，800磅的力和后轮的重力对点A产生逆时针或负的力矩，叉车的3500磅的重力对点A产生正的弯矩。将R代入力的平衡方程，求得F1262磅。 （c）为了求得前轮的力，而不需要求R，我们可以得到对点B的合力矩，未知力R通过该点；力矩平衡方程是 我们得到F1262磅直接通过一个方程。 （d）当叉车前车轮的边缘倾斜，后轮就与地面失去接触；所以R0。我们表示为W新（未知）集装箱的重力引起的倾斜。关于前轮的力矩平衡方程是 叉车将濒临倾翻，当操作员试图举起W =6125磅的集装箱。4.5在流体中的浮力，阻力和升力在这一点上，我们已经考虑了机械系统中力与重力或元件之间的连接有关：力也是由固定的和移动的流体产生，可以是液体或气体。在本节中，我们将探讨三种类型的流体力称为浮力，阻力，和升力，接下来，我们重点介绍流体的特性和令人感兴趣的特点。液体和气体的产生的力是重要的在许多机械工程领域。一些应用包括汽车风阻和燃油经济性；火箭和飞机的飞行性能；在工程机械液压系统；相互作用的大气，海洋，和全球气候；甚至在人肺系统的空气和血液的生物力学研究。图4.19显示，四力作用在飞行中的飞机：飞机的重力W，由发动机产生的推力T，由机翼产生的升力L,在空气中阻碍着飞机运动的阻力D。 风洞，如图4.20所示，是重要的研究和开发工具，用于测量空气流围绕对象所产生的力。广泛应用于航空航天工业，风洞使工程师能优化飞机，导弹的性能，和火箭有不同的速度和飞行条件。在这样一个试验，一个规模模型的建立，并连接到一个特殊的夹具，用于测量通过的气流产生的力。作为一个例子，一个规模.图4.20用于飞机和飞行动力学研究的几个风洞鸟瞰图来源：转载并得到美国航天局的许可。图4.21航天飞机系统的上升过程中A1的比例模型。该工程模型包括轨道器，两个固体火箭发动机，外部燃料箱和排气羽。它是在一个跨音速风洞进行测试。来源：转载并得到美国航天局的许可。在图4.21风洞测试过程中显示的航天飞机系统在其上升的配置模型。这个模型甚至包括轨道器发动机和固体火箭发动机创造的排气羽流，这影响了空气动力。风洞也被用来进行超音速飞行的实验;图4.22描绘了冲击波传播了在一个高层大气中研究飞机的比例模型。当空气流绕飞机的速度超过音速时发生冲击波，这种噪音被称为音爆。风洞也可以用来设计汽车，减少风的阻力，因此，带来更好的燃油经济性。低速风洞甚至在奥林匹克运动领域应用，有助于滑雪跳线改善他们的形式，并帮助工程师设计自行车，自行车头盔，运动服装和改善空气动力学性能。浮力和压力阻力和升力，我们将稍后讨论，产生原因物体移动通过流体，或相反，流体流过对象。另一方面，流体和固体之间的力可能会产生即使它们都是静止的，由于重力及流体的重力。当你游到池的底部或在山上行进时，在水中或空气中，围绕着你的压力变化，当你调节上升或下降的压力时，你的耳朵“啪”的作响。 - 我们的经验是，压力
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