0-1 机械的组成及机械零件的强度（课件）《机械基础》上好课（高教版·第三版）

《机械基础》（高级版·第三版） 上好课—中职专业课 绪论 0-1 机械的组成及机械零件的强度 教学目标 知识目标 1.说出机器的五大部分及各部分作用； 2.记住机械的四种主要类型及应用； 3.说出载荷与应力的概念，区分三种载荷； 4.记住静应力与交变应力下零件的主要失效形式。 能力目标 1.能正确区分机器与机构，能分析简单机械装置由哪些机构组成； 2.能区分构件与零件，指出常用机械中的构件和零件实例； 3.能分析简单机械零件在受力情况下的失效形式。 情感目标 1.激发学习兴趣和热情； 2.养成重视机械安全、严谨规范的态度； 3.树立节能环保和安全防护意识。 1.7.2013 ‹#› 教学引入 机器、机构、机械含义是否相同？ 在机械工程的专业语境中，“机器”“机构”“机械”并非简单的同义词，齿轮与结构的组合背后，是严谨的定义边界与逻辑关联。 生活中我们常将其混为一谈，但在工程领域，它们有着明确且严格的界定。 厘清这些基础概念的差异，是构建系统机械知识体系的基石。 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：什么是机器？ 核心定义：机器是人类设计制造的执行机械运动的装置，旨在代替或减轻劳动，是服务于人类的复杂工具系统。 功能与示例：可实现能量转换（如内燃机）、物料传递（如起重机）或信息交互（如智能机器），具备系统性运动机制，能自动完成复杂任务。 知识讲授：机器的三大共同特征（1） 01 / 人为的实体组合 机器并非自然存在，而是由人类依据特定需求设计、通过零件与构件规则化装配形成的实物组合体，这是其区别于自然物的首要标志。 从简单工具到复杂装备，机器本质上都是人类智慧的结晶，由物理部件构成，拥有确定的形态与功能边界。 知识讲授：机器的三大共同特征（2） 02. 各部分之间具有确定的相对运动 构成机器的构件通过严格约束形成确定的相对运动关系，这是机器稳定、可靠完成特定功能的物理基础。 典型案例：自行车的传动逻辑 脚踏板的圆周运动通过链轮与链条精准转化为后轮转动，固定的传动比确保了动力的可控传递。 知识讲授：机器的三大共同特征（3） 能够转换或传递能量，代替或减轻人类的劳动 这是机器最核心的价值。机器可将一种能量转化为另一种，或传递能量，最终代替、辅助人类做功，让生产摆脱对人力的过度依赖。 从水电站将水能转化为电能，到电动机将电能转化为机械能，机器通过高效的能量转换与传递，极大提升生产效率，拓展了人类能力边界。 知识讲授：典型案例：内燃机 图示说明：内燃机四冲程循环，实现往复到旋转运动的转换，是能量利用的经典。 人为的实体组合：由气缸体、活塞等零件组装，是确定结构的机械系统。 确定的相对运动：活塞往复运动转化为曲轴旋转，各构件运动关系明确。 能量的高效转化：燃料化学能转热能，再转化为驱动车辆的机械能。 知识讲授：机构的概念 构件组合与确定的相对运动 机构由构件组合而成，各构件间有确定的相对运动，是机械系统的基本单元。 专注运动变换，无能量转换功能 机构是实现运动变换的装置，核心是传递和改变运动形式，但本身不具备能量转换能力。 机器的核心组成部分 机构是机器的“运动骨架”，机器通过不同机构的组合实现预期功能。图示齿轮传动机构正是这一属性的直观体现。 知识讲授：机器 vs. 机构：核心区别 图示精密机床是典型“机器”，其内部齿轮传动系统仅负责相对运动，属于“机构”。 机构：机器的“运动骨架” 是人为实体组合，能实现确定相对运动，但无能量转换功能，仅负责机械动作。 机器：完整的功能系统 集成动力源与控制系统，可进行能量转换，独立完成有用机械功的完整装置。 知识讲授：机器与机构 知识讲授：机器与机构的联系 核心联系：机构是机器的基本单元 机器由若干具有确定运动的机构组合而成，机构各司其职、协同配合，共同实现机器的功能与运动目标。 曲柄滑块机构 实现活塞往复与曲轴旋转运动的转换，是内燃机能量转化的核心执行机构。 控制与传动系统 凸轮机构控制气门开闭，齿轮与带传动机构负责动力传递与转速调节。 知识讲授：特例：颚式破碎机 极简的结构：单一机构构成主体 颚式破碎机的主体仅包含一个曲柄摇杆机构，通过该机构的往复运动即可完成物料破碎，结构极为紧凑。 机器的核心：具备确定的能量转化 其配备电动机作为动力源，将电能转化为机械能，完全满足机器的定义。 核心结论：一台机器可以只包含一个机构。 知识讲授：什么是构件？ 核心定义：构件是组成机器或机构的基本运动单元，是机器中独立运动的最小体。 判断关键：判定是否为构件，核心看其运动时内部各点相对位置是否始终不变。 典型实例：图示内燃机连杆由多个零件组成，但工作时无相对运动，故视为一个构件。 知识讲授：什么是零件？ 形形色色的机械零件构成了现代工业的基石，是机械制造中不可再分割的最小单元，也是加工生产的基本单位。 螺栓、螺母、齿轮、轴等是最常见的零件，无论标准件还是定制件，都是机械装配的核心组件。 任何复杂机械，本质上都是由一个个零件有序装配而成，零件是构建整个机械世界的原子。 构件与零件：运动单元 vs. 制造单元 01. 本质属性的核心分野 构件是机构的运动基本单元，侧重“运动功能”；零件是机器的制造基本单元，侧重“加工制造”，此为二者根本区别。 02. 构件的组成逻辑 构件由一个或多个零件通过焊接、铆接等方式刚性结合而成，是实现机械运动的载体。 03. 从简单到复杂的实例 简单构件可仅含一个零件（如单一轴）；复杂构件由多零件组成（如内燃机连杆），作为整体完成特定运动。 知识讲授：零件的分类：通用零件 什么是通用零件？ 通用零件是各类机械中广泛使用的核心基础部件，标准化与系列化程度极高。 核心特性： • 强通用性：跨越机械门类，在多领域普遍适用。 • 高互换性：规格统一，相同型号可直接替换。 • 标准化：遵循国标或国际标准，质量稳定一致。 知识讲授：零件的分类：专用零件 专用零件专为特定机械设计，结构独特，无法通用。 01. 起重机吊钩：起重机械核心部件，结构专为起吊设计，无法替代。 02. 内燃机曲轴：内燃机核心，将往复运动转为旋转，匹配特定发动机。 03. 飞机涡轮叶片：航空发动机关键部件，专为特定机型设计。 机器的五大组成部分：动力部分 机器的“心脏”：能量转换核心 动力部分是机器运转的源泉，负责将化学能、电能等转化为机械能，为整机提供持续动力。 典型动力装置与驱动方式 • 工业电动机：将电能高效转化为机械能，是工业生产中最广泛的动力来源。 • 内燃机驱动：通过燃料燃烧释放能量转化为机械运动，适用于汽车、船舶等移动设备。 • 流体驱动：液压/气动马达利用流体压力做功，适用于重载或防爆场景。 机器的五大组成部分：执行部分 核心定义：执行部分（工作部分）是机器直接完成预定任务的关键部件，接收动力并实现核心功能。 典型示例： • 汽车车轮：实现行驶、转向与制动。 • 冲床冲头：完成工件成型、裁切。 • 机械手臂：完成抓取、装配与搬运。 核心规律：执行部分的运动与结构，取决于机器的用途和作业对象。 图示说明：图示为工业机器人机械臂，通过精密运动完成抓取、搬运等任务。 机器的五大组成部分：传动部分 传动部分是动力与执行机构间的“桥梁”，负责精准传递运动和动力，是调控运动参数的核心环节。 核心功能： • 调节速度：按需增速或减速，匹配执行端最佳速率。 • 变换方向：改变动力传递方向，实现往复或旋转运动。 • 改变转矩：放大或缩小扭矩，确保工作机构动力充足。 典型应用： 汽车变速器、自行车链轮、机床齿轮箱等。如汽车自动变速器，是传动部分的核心代表。 机器的五大组成部分：操作或控制部分 核心功能：机器的“大脑与神经” 负责显示反馈运行状态，精准控制启停、调速、换向等动作，确保机器按程序稳定安全工作。 基础控制形式 采用开关、手柄等直接操作元件，适用于结构简单、逻辑单一的设备。 智能控制体系 集成传感器、PLC、工控机，实现自动化监测与闭环调节，是现代智造核心。 图示：现代数控机床操作面板是典型复杂控制终端，控制部分是决定机器性能与精度的关键。 机器的五大组成部分：辅助部分 辅助部分定义：是保证机器正常运行的配套装置，虽不直接参与能量转换与工作执行，却是决定机器寿命、运行效率和操作安全性的核心保障系统。 润滑系统：向摩擦表面供给润滑剂，减少磨损、降低能耗，延长机器使用寿命。 冷却系统：控制机器运转时的温升，避免热变形和零件失效，保证工作精度。 照明与操控：提供清晰视野与交互界面，提升操作便利性与维护效率。 安全防护装置：隔离危险区域，保障操作人员与设备的安全。 知识讲授：机械的类型 根据主要使用功能的不同，庞杂的机械世界可归纳为四大基本类型。这种分类方式有助于我们剥离复杂表象，从宏观维度精准把握各类机械的核心使命与应用场景。 • 动力机械：将自然界的能量转换为机械能，为各类机械运转提供核心动力源，是现代工业的“心脏”。 • 加工机械：对工件的形状、尺寸、性能进行改变的机械，实现原材料到成品的转化，是制造业的基础。 • 运输机械：承担人或物的空间位置转移任务，构建起现代物流与交通网络的关键环节，保障流转效率。 • 信息机械：对信息进行采集、处理、存储与传递的机械，是连接物理世界与数字世界的重要桥梁。 知识讲授：类型一：动力机械 核心使命：实现能量的跨形式转换 动力机械是工业“心脏”，负责将化学能、电能、风能等原始能源，转化为便于利用的机械能。 典型代表与转化形式： • 风力发电机：风能→电能，工业应用关键桥梁。 • 电动机：电能→机械能，应用最广泛的动力形式。 • 内燃机等：化学能→机械能，传统动力源。 • 液压泵：机械能→液压能，用于工程与精密控制。 知识讲授：类型二：加工机械 核心功能：形态与性能的重塑 加工机械通过物理手段改变物料形态、尺寸或性能，将原料转化为特定零件或产品。 切削成型：用车床、铣床等切削，精确改变工件几何形状与尺寸。 压力塑形：通过压力机等施力，实现冲压、轧制，形成板材或构件。 复合加工：将单一原料组合加工，形成具备新结构的材料。 知识讲授：类型三：运输机械 核心功能：变换人或物料的空间位置，打破地域阻隔，实现高效流转。 典型代表：高速列车以高能效与高速度，诠释了突破空间、高效流转的价值。 主要分类： • 民用交通：含汽车、高铁、飞机、轮船等，构建全球运输网络。 • 工业物流：含起重机、传送带、叉车等，支撑生产物料搬运。 知识讲授：类型四：信息机械 核心功能：获取、处理与传递信息 这类机械不直接改变物质形态，而是专注于信息的采集、计算、显示与传输，构建信息流转的基础链路。 介质转化：以打印机、绘图仪为代表，将数字编码转化为实体介质上的视觉符号。 采集与传输：数码相机捕捉光影，传真机与机械计算机负责信息传递与计算。 信息机械的物理操作逻辑，仍是现代信息系统的基石。 载荷与应力（一）：什么是载荷？ 载荷定义：机械零件使用中受的各种力，是引发变形、磨损、断裂的根本原因，也是强度计算的核心依据。 分析意义：是分析零件强度、防止失效的前提，不同载荷对材料疲劳和结构稳定性影响显著。 静载荷：大小、方向、位置不随时间变化（或变化极缓）。 变载荷：大小、方向或位置随时间周期性/非周期性变化。 冲击载荷：碰撞、跌落或突然加减速产生的瞬间载荷。 知识讲授：载荷 知识讲授：载荷的三种类型 静载荷：大小和方向不随时间变化或变化极慢，受力状态稳定。 冲击载荷：短时间内高速作用，特点是作用时间短、冲击力大。 交变载荷：大小或方向周期性变化，是零件疲劳破坏的主因。 载荷与应力（二）：什么是应力？ 图示：单元体应力状态与截面应力分布。 01 / 核心定义 零件受载产生内力，单位截面积的内力即为应力 (σ)，反映内部受力密集度。 02 / 定量计算 σ = F / A（F为内力，A为受力截面积），用于计算平均正应力。 03 / 工程指标与影响 单位：兆帕(MPa)。应力是衡量零件受力的关键，应力过大是零件失效、断裂的根本原因。 知识讲授：什么是强度和失效？ 强度是指机械零件抵抗载荷而不发生失效的能力。当零件的应力超过材料极限，丧失工作能力的现象即为失效，这是机械设计必须规避的核心风险。 脆性断裂与疲劳失效：零件受载时发生明显裂纹扩展直至断裂，或在长期循环载荷下出现疲劳点蚀、裂纹，如过载断裂的起重链条。 过量塑性变形与表面损伤：零件发生无法恢复的永久变形，或因摩擦、磨损导致尺寸精度丧失，如过载后弯曲的扳手。 知识讲授：静应力下的强度失效 典型案例：金属吊钩因静载荷超强度极限发生过载断裂，是静应力下极具破坏性的失效形式。 断裂：最危险的失效形式。应力超断裂强度时会突然断裂，无明显预兆，易引发严重安全事故。 塑性变形：精度与功能丧失。应力超屈服极限会产生不可恢复变形，导致零件无法正常工作。 设计准则：零件工作应力需严格控制，远低于强度极限，预留充足安全裕度。 交变应力下的强度失效：疲劳断裂 核心定义：零件承受交变载荷，即使应力远低于强度极限，经长期反复作用，也会因裂纹萌生扩展而突然断裂。 关键特性：断裂前无明显塑性变形，过程隐蔽；临界裂纹出现后瞬间脆性断裂，易引发安全事故。 典型高发：传动轴、齿轮、弹簧、滚动轴承等承受循环交变载荷的动载核心部件。 断口特征：疲劳断口常呈现“贝壳状”或“海滩状”条纹，是判断疲劳断裂的重要依据。 接触应力下的失效：疲劳点蚀 图示说明：齿轮齿面可见大量因材料疲劳剥落形成的麻点与凹坑，是典型的接触疲劳失效特征。 接触应力机制：齿轮、轴承等高副接触部位因接触面积极小，产生极大的周期性交变接触应力，是表面疲劳的核心诱因。 后果与影响：表面材料疲劳剥落形成点蚀，破坏零件精度，引发振动和噪声，最终导致设备失效。 知识点背诵 一、机器的三个共同特征： 人为的实体组合；各部分有确定的相对运动；能够转换或传递能量。 二、机器与机构的区别： 机器有三个特征，机构只有前两个（缺少转换或传递能量） 三、构件是运动单元，零件是制造单元。构件可由一个或多个零件组成。 四、静应力下失效形式为断裂或塑性变形；交变应力下失效形式为疲劳断裂；接触应力下失效形式为疲劳点蚀。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动 降低正弦量计算门槛，提升效率 问题 以自行车为例， 分析它属于什么类型的机械？ 它由机器的哪些部分组成？ 其中哪些是构件？ 哪些是零件？ 结论 自行车属于运输机械。 它由动力部分（人体提供动力）、传动部分（链条、飞轮、曲柄链轮）、执行部分（车轮）、操作控制部分（车闸、车把）组成。车轮、车架、曲柄等是构件；链条中的链节、飞轮中的齿轮、车架上的螺栓螺母、轮胎等是零件。 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.下列机械中，属于加工机械的是（ ） A. 电动机 B. 金属切削机床 C. 起重机 D. 传真机 正确答案：B 加工机械是用于改变物料形态的机械，如金属切削机床、压力机、轧钢机、织布机、锯床等。电动机属于动力机械，起重机属于运输机械，传真机属于信息机械。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.下列关于机器组成说法正确的是（ 　） A. 所有机器都必须包含传动部分 B. 数控机床的控制部分作用越来越重要 C. 动力部分的作用是直接完成工作任务 D. 辅助部分对机器运行可有可无 正确答案：B 现代新型自动化机器（如数控车床、数控铣床、加工中心等），控制部分（包括检测）的作用越来越重要。简单机器可不含传动部分（如排风扇），执行部分才是直接完成工作任务的部件，辅助部分为机器正常运行提供保障，并非可有可无。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.下列关于应力的说法，正确的是（ 　） A. 应力的单位是N B. 工程上常用Pa作为应力单位 C. 应力是单位截面上的内力 D. 应力与载荷无关 正确答案：C 应力是零件在载荷作用下产生内力，单位截面上的内力称为应力。应力的单位是Pa，工程上常用MPa，1MPa=10⁶Pa=1N/mm²，N是力的单位不是应力单位，应力由载荷产生故与载荷有关。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 简述机器的五个组成部分及其各自的作用。 课后练习 一台完整的机器主要由以下五部分组成：（1）动力部分——也称驱动部分，将其他形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部分运动，如内燃机、电动机；（2）执行部分——也称工作部分，机器中直接完成工作任务的部件，如汽车车轮、冲床冲头；（3）传动部分——原动机到工作机构之间的传动机构，用以完成运动和动力的传递和转换，可实现变速、增速、改变转矩及运动形式等，如汽车变速器、自行车传动带与飞轮；（4）操作或控制部分——显示和反馈机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作，如电动机开关、离合器、制动器；（5）辅助部分——润滑、照明、防护等，如润滑装置、照明灯、防护装置。简单的机器可只有动力部分和执行部分（如排风扇），有的包含传动部分；现代自动化机器控制部分作用越来越重要。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1. 选择一种生活中的机械装置（如自行车、洗衣机、缝纫机、千斤顶等），画出其组成框图，标出动力部分、传动部分、执行部分、操作控制部分（如有），并指出其中包含了哪些机构，列举其中的构件和零件各两个。 2. 观察身边的机械装置或工具，找出一处可能存在强度失效的部位，分析其可能承受的载荷类型（静载荷、冲击载荷或交变载荷）和可能的失效形式（断裂、塑性变形、疲劳断裂或疲劳点蚀），写出简要分析。 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $