机械工程基础笔记整理

绪论课程的特点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。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。一体性本门课程理论与实践紧密融合，学做一体。机械的组成“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。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。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。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。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）机械分类情况动力机械（变换能量）：电动机，内燃机等加工机械（变换物料）：金属切削机床，压力机等运输机械（变换位置）：汽车，缆车等信息机械（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5.零件通用零件指各种机械中经常用到的零件专用零件指在某些机械中才用到的零件摩擦与损失摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象30%-50%的能量消耗在各种形式摩擦中80%的机器因为零件磨损而失效摩擦，指两物体接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力1.摩擦类型：1.固体摩擦干摩擦，边界摩擦除利用外尽量避免2.液（气）摩擦理论上不产生磨损，理想摩擦状态3.混合摩擦两者之间2.磨损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一个机械的磨损过程大概分为三个阶段磨合阶段是有益磨损，如减速器根据磨损机理分类，磨损主要有粘着磨损，磨料磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损等机械工程材料金属材料性能使用性能定义：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金属材料--非合金钢金属材料分类：钢铁材料：非合金钢合金钢铸铁非铁金属：除钢铁材料以外其他金属（有色金属，硬质合金）炼铁过程：原料：铁矿石或废铁原料在高炉中经过一系列反应还原出铁铸造生铁，含碳2.11%以上炼钢生铁，在炼钢炉中进一步氧化碳，得到非合金钢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%非合金钢中含有少量硅，锰，硫，磷等硅，锰是脱氧剂主要成分，能提高钢的强度和硬度（有益元素）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，Q195Q215Q235：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Q255Q275：强度相对较高，可以用来制造链轮，拉杆，安全销等优质碳素结构钢例如，60代表C含量0.6%08F：强度硬度很低，塑性韧性很高，具有很好冷变形能力，常用于制造薄板，铁丝，冲压件等20：起重钩，指甲钳等受力不大，韧性较高的零件45：综合力学性能好，常用于制造齿轮，轴等重要运动零件60：弹簧，板簧等弹性零件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、T7T8：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T9T10;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T12T12A：硬度，耐磨性较高，制造普通刀具，一般性量具，模具。铸造碳钢：专用制造钢制铸件的非合金钢，零件形状复杂，强度要求较高，采用铸铁又不能满足要求时选用ZG200-400常用于制造电动机机座，截止阀阀体，变速箱壳体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。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。低合金高强度结构钢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，价格与非合金钢接近多扎制成板材，型材及无缝钢管等被广泛用于桥梁，船舶，车辆，锅炉工程机械及重要的建筑结构中牌号表达与碳素结构钢基本相同低合金耐候钢通过添加少量铜，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又称耐大气腐蚀钢主要可分为焊接耐候钢和高耐候钢例如通信电力塔，石油井架等（焊接耐候钢）集装箱，铁道车辆等（高耐候钢）低合金专业用钢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2.合金钢工程结构用合金钢机械结构用合金钢合金渗碳钢：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常用材料是合金渗碳钢20CrMnTi等合金调质钢：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1500MPa3.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4.合金工具钢与高速钢合金工具钢高速钢在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。目前高速钢已成为制造切削刀具的主要材料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）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5.蠕墨铸铁总结：刚体静力学静力学基础解决的是物体在平衡状态时受力分析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静力学基本公理.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.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约束与约束力自由体：位移不受限制的物体非自由体：位移受限制的物体主动力：使物体产生运动或运动趋势的力，重力，推力等约束力：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：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。铰链支座约束力：固定端约束：限制物体像任何方向运动受力分析与分析图平面汇交力系基本概念：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。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=FcosaFy=Fsina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。力偶：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。不能合成一个力，而是使物体处于转动状态两力为F，F’，两力之间垂直距离d，称为力偶臂。力偶对物体的作用效应，可以用力偶矩来度量力偶的作用效果与力的大小和d的长短有关，与矩心无关。力偶计算力与力偶臂