精密机械基础第2章精密机械设计的工程力学基础2
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精密机械设计考试重点整理第二章工程材料和热处理低碳钢：含碳≤0.25% 中碳钢：含碳0.25%~0.60% 高碳钢：含碳＞0.60%第四节钢的热处理（P23）普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理第四章平面机构的结构分析机构是按一定方式联接的构件组合体。
使两构件直接接触，而又能产生一定相对运动的联接（可动联接）称为运动副。
点接触或线接触的运动副成为高副；面接触的运动副称为低副。
机构运动简图的画法（P67例题4-1）第四节平面机构的自由度构件所具有的独立运动数目称为自由度，做平面运动的自由构件具有三个自由度。
机构自由度计算公式F=3n-2P L-P H自由度等于1的机构，在具有一个原动件时运动是确定的。
机构自由度、原动件数目与机构运动之间的关系：①当F≤0时，构件间不可能具有相对运动；②当F＞0时，原动件数大于机构自由度，机构会遭到损坏；原动件数小于机构自由度，机构运动不确定；③只有当原动件数等于机构自由度时，机构才具有确定的运动。
计算机构自由度时应注意的事项：（P69）①复合铰链：在同一轴线上有两个以上的构件用转动副联接时，则形成复合铰链。
若有m个构件用复合铰链联接时，则应含有（m-1）个转动副。
②局部自由度：在有些机构中，某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动，把这些构件所产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。
③虚约束：在机构中，有些运动副的约束可能与其他运动副的约束重复，因而这些约束对机构的运动实际上并无约束作用，这类约束称为虚约束。
第五节平面机构的组成原理和结构分析高副低代（P71）（什么是高副低代？怎么样代？特殊情况？）不能再拆的最简单的自由度为零的构件称为组成机构的基本杆组。
由二个构件三个低副组成，称之为Ⅱ级杆组，是应用最广的杆组。
平面机构的结构分析（P74）第五章平面连杆机构平面连杆机构是由若干刚性构件用低副（回转副、移动副）联接而成的一种机构，主要作用是用来传递运动、放大位移或改变位移的性质。
精密机械设计基础(1-2章) (裘祖荣 著) 机械工业出版社 1-2章课后答案
FC α α D T E Q C FDY FDX
代入已知参数，解得： FDX＝2Q ， FDY＝0.25Q 1-9 解 ： 取 杆 点受滑 D）T 和 程：
y
= 0 = FB ⋅ cos α − F
d FA’ FA O A M
即
FB = F / cos α
3）取 OA 杆进行受力分析。OA 杆在 A 点受力 FA（和 FA’是一对作用力和反作 用力） 。对 O 点取矩， 根据平衡条件合力 矩为 0：
M O ( F ) = 0 = FA ⋅ d − M
2
即： M = FA ⋅ d = FA '⋅ d = FB '⋅ d = FB ⋅ d = Fd / cos α 又：d=(200+100)sinα tanα＝100/200 解得：M＝60000N.mm＝60N.m
1-8 解：1）BC 杆是二力杆，受力在 杆沿线上。 2） 取 CD 杆和滑轮为一体进行受 力分析。 其中滑轮受力可简化到中心E （如图，T＝Q） 。 C 点受力 FC（方向 由二力杆 BC 确定） 。列平衡方程：
1-6 解：1）取整体结构为行受力分析，在外力（重 力 P、 在 B 点的正压力 FB 和在 C 点的正压力 FC） 作用下平衡，则对 B 点取矩，合力矩为 0：
M B (F ) = 0 = FC ⋅ 2l ⋅ cos α − P (2l cos α − a cos α )
FC
a a 解得 FC = P (1 − ) ， FB = P − FC = P 2l 2l
青大精密机械设计教学大纲
青大精密机械设计教学大纲05010092《精密机械设计》教学大纲学分4学时：（60+8）一、课程性质和目标本课程是为仪器仪表类及相近专业的本科学生开设的学科基础课，学时为68学时。
作为专业骨干课程，本课程是在具备机械制图、工程力学知识的基础上展开的。
它融合机械原理，机械零件，工程材料与热处理，零件的精度设计于一门课程，对精密机械及仪器仪表中常用机构和零部件的工作原理，适用范围，结构设计，理论计算方法，工程材料以及零件几何精度的基础知识等诸方面进行阐述，是该专业本科学习期间的一门综合性机械类课程。
在课程科学知识体系上，充分考虑仪器仪表类专业精密机械设计的特点，削减了对仪器仪表专业应用性较弱的知识点，贯彻落实“少而精，教给手”的教育理念，著重培育学生的结构设计能力，工程化和标准化设计能力。
充分利用一流设计手段，强化课堂教学环节，注重精密机械设计特点，特别强调设计方法和设计者素质的培育。
通过本课程的自学：1）使学生基本掌握精密仪器仪表中通用机构的结构分析、运动分析、动力分析及其设计方法；2）并使学生掌控通用型零、部件的工作原理、特点、选型及其计算方法，培育学生能够运用所学基础理论科学知识，化解精密机械零、部件的设计问题；3）培养学生具有设计精密机械传动和仪器机械结构的能力，以及对某些典型零、部件的精度分析，并提出改进措施；4）并使学生介绍常用机构和零、部件的试验方法；初步具备某些零、部件的性能测试和结构分析能力；5）使学生了解零件的材料与热处理方法、精度设计和互换性方面的基本知识，并能在工程设计中如何正确选用。
二、课程基本建议本门课是一门实践性很强的技术基础课。
主要由课堂教学，实验教学和集中课程设计。
在课堂教学中主要通过教师讲授与应用多媒体课件结合，采用启发式，问答式等方法进行教学。
实验教学为学生提供实验指导，由院实验中心组织任课老师和实验员负责实验的准备和实施，通过形式生动的实验教学，培养学生的感性认识。
精密机械设计的基础知识-16页文档资料
i1
n
1212...n2
2 i
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2、零件的特性误差估算 1）绝对误差估算 例如片簧的弹性变形
4 EFb33Lh f(L,b,h,E)
片簧变形的绝对误差为
dfd Lfd bfd hfdE
L b h E
写成增量形式，略去高阶无穷小，
fL fb fh fE
3、精度要求 精度是精密机械的一项重要技术指标，设 计时必须保证精密机械正常工作时所要求的精度。
4、经济性要求 组成精密机械的零部件能被最经济的制 造出来，这就要求零件结构简单、节省材料、工艺性 好，尽量采用标准尺寸和标准件。
5、外观要求 设计精密机械时应使其造型美观大方，色 泽柔和。
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三、精度 是表征测得结果与真实值的接近程度的量。精度的
高低是用误差的大小来度量的，误差越小，则精度越高。
四、误差的来源：
1、设计误差（原理误差）（产生于设计过程） 由于采用近似机构代替理想机构，或采用了近似
假设，使得设计的零件或机构在原理上产生了误差。
2、工艺误差 （产生于制造过程） 由于零件的加工和装配过程中，由机床、刀具、
二、是机指构实误际差机：构运來动自3精72度2 中与国理最想大机的构资运料库动下精载度之间的 偏差，常用机构位置误差和位移误差表示。 1、机构的位置误差: 当实际机构与理想机构的主动件 位置相同时，两者从动件位置的偏差。(B0B0’) 2、机构的位移误差: 实际机构与理想机构的主动件位 移相同时，两者从动件位移量的偏差。(B1B0 - B1’B0’)
精密机械基础-第2章精密机械设计的工程力学基础1讲解
一个力可以平行于其作用线移到任意点，但必须附加 一个力偶，这个力偶的矩等于原力对新作用点之矩，则其 作用效果不变。
3.6 平面一般力系的简化 任意一个平面力系总可以简化为一个力FR(主矢量)，和
一个力偶M(主矩)。FR等于力系各力的矢量和，作用于简化 中心；而M则等于力系各力对简化中心之矩的代数和。
1 刚体的概念
力是物体间的相互作用。 作用的效应－ 外效应（运动效应） 内效应（变形效应）两种效应同时出现。
刚体 在受力情况下保持形状和大小不变的物体。 外力作用下物体视为刚体的情况：
①研究物体受力与运动关系时； ②由平衡条件求解物体所受外力时。 变形体 在研究物体受力与变形关系时,认为零件是弹性体.
共线的两个相互平行的力.力偶中的 二力之间的垂直距离d称为力偶臂.
力偶是物体受力的基本形式之一，不能化成更简单的力 或力系，其惟一效应是使物体产生转动。力偶对物体的转动 效应用力偶矩来度量。力偶矩为代数量，它等于力偶中的一 个力与力偶臂的乘积
与力矩一样，逆时针方向为正，顺时针方向为负.单位N·m
力偶矩的特点
平衡(一对平衡力)作用在一个物体上是不同的。
2.6 力的合成图解法
(1) 二力合成（平行四边形定律）
B FR
F2
O
F1
C A
简化
三角形法则
C
FR
F2
O
F1
A
合力大小 合力方位
FR F12 F22 2F1F2 cos
arctan F2 sin F1 F 2cos
(2) 力的分解 与分解不同，两个(或以上)
2 力的性质
2.1力的基本概念
力的三要素：作用点、方向、大小
对刚体而言，力具有可传性 即可沿作用线任意滑动。
《精密机械设计基础》课程教学大纲(本科)
精密机械设计基础(Fundamentals of Precision Machinery Design)课程编号：03410034学分：3.5学时：56 (其中：讲课学时：50实验学时：6上机学时：0)先修课程：工程图学、工程力学适用专业：测控技术与仪器，光信息科学与工程等专业教材：《精密机械设计》，庞振基，机械工业出版社，2004年3月第1版一、课程性质与课程目标(-)课程性质《精密机械设计基础》主要讲授精密机械及仪器仪表中常用机构和零部件的工作原理、适用范围、结构、设计计算方法，以及工程材料、零件几何精度的基础知识等。
具体内容包括精密机械设计的基础知识，工程材料和热处理，零件的几何精度，平面机构的结构分析，平面连杆机构，凸轮机构、摩擦轮和带轮传动，齿轮传动，轴、联轴器、离合器，支承。
本课程强调工程观点、定量运算、实验技能和设计能力的训练，强调理论与实际的结合，提高分析问题、解决问题的能力。
止匕外，由于本课程是一门理论与实践密切结合的设计性课程，在教学过程中，除进行理论讲课外，还安排有习题课、实验课及课程设计等实践性教学环节。
为培养复合型人才奠定了工程基础。
(-)课程目标.能正确描述机械和精密机械的基本概念，及零件的设计方法；1.根据材料的分类，能正确划分常用工程材料；根据各种热处理方法的不同，在实际应用中能正确选用合适的热处理手段；2.能正确计算孔和轴配合的各种尺寸；能在图纸上正确标注形位公差和粗糙度等；.能正确绘制出给定实际机构的运动简图；能对给定的高副机构进行低代处理；能利用机构的组成原理正确进行结构分析；3.根据钱链四杆机构中曲柄存在的条件，由已知条件能求出未知杆长范围；能运用常见钱链四杆机构的设计方法，进行合理设计；.根据凸轮机构从动件常用运动规律，由给定的条件能用图解法设计常见的凸轮机构;4.能正确进行带传动中带的受力分析，能根据给定的工作条件正确选择合适的带传动;.能合理地设计直齿圆柱齿轮传动，并能正确进行校核；能利用适当的方法，正确计算各种轮系的传动比。
精密机械设计基础课后习题简答全
C22-1 表征金属材料的力学性能时，主要有哪几项指标解：表征金属材料的力学性能时，主要指标有：强度（弹性极限、屈服极限、强度极限），刚度、塑性、硬度。
2-2 常用的硬度指标有哪些解：常用的硬度指标有三种：布氏硬度（HBS）、洛氏硬度（HRC－洛氏C标度硬度）、维氏硬度（HV）。
2-3 低碳钢，中碳钢，高碳钢的含碳量范围是多少解：低碳钢（C≤%）；中碳钢（%＜C≤%）；高碳钢（C＞%）2-4 什么是合金钢钢中含合金元素 Mn,Cr,Ni,对钢的性能有何影响解：冶炼时人为地在钢中加入一些合金元素所形成的钢就是合金钢。
其中加入Mn可以提高钢的强度和淬透性；加入Cr可以提高钢的硬度、耐磨性、冲击韧性和淬透性；加入Ni可以提高钢的强度、耐热性和耐腐蚀性。
2-5 非铁金属共分几大类具有哪些主要特性解：有色金属主要分为以下几类：1）铜合金：良好的导电性、导热性、耐蚀性、延展性。
2）铝合金：比强度高，塑性好，导热、导电性良好，切削性能良好。
3）钛合金：密度小，机械强度高、高低温性能好，抗腐蚀性良好。
2-6 常用的热处理工艺有哪些类型解：常用的热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理。
2-7 钢的调质处理工艺过程是什么其主要目的是什么解：钢的调质处理工艺指的是淬火加高温回火。
目的是为了获得良好的综合机械性能，即好的强度、韧性和塑性。
2-8 镀铬和镀镍的目的是什么解：镀铬的目的是为了使材料表层获得高的化学稳定性，并具有较高的硬度和耐磨性。
镀镍是为了获得良好的化学稳定性，并具有良好的导电性。
2-9 选择材料时应该满足哪些基本要求解：选择材料时主要满足使用要求、工艺要求和经济要求。
C44-1 何谓运动副和运动副要素运动副如何进行分类解：由两个构件直接接触而组成的可动的连接称为运动副。
两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面等元素被称为运动副要素。
运动副有多种分类方法：按照运动副的接触形式分类：面和面接触的运动副在接触部分的压强较低，被称为低副，而点、线接触的运动副称为高副。
精密机械设计基础详解
用当量荷载评价——F′（ M′）
即产生单位变形所承受的外力(外力矩)
例：悬臂梁刚度评价
L
F
b
h
F'
F
3 EI a L3
Ebh3 4 L3
(N/mm)
20/04
2. 振动稳定性 精密机械系统中运动引起的振动对传
动精度有直接影响，结构固有频率计算：
固有频率： n
F' K m
式中：F′——相当荷载 m —— 系统质量 K —— 弹性系数
20/08
2. 特性误差 零件实际特性与理想特性之间的差异。
影响互换性的因素除尺寸、形状外，还 包括机械性能、物理化学性能。
例：机械零件可能出现的特性误差
●片簧承载时有挠度误差（材质影响） ●导轨表面硬度不足（热处理） ●发动机汽缸连杆之间质量超差（工艺） ●陀螺仪质心位置误差（工艺）
20/09
四. 机构的误差 机构误差是零件误差、装配误差之和，属于
上次课主要内容：
1.精密机械系统的基本组成 2.精密机械设计的基本要求 3.常规工作机分类及用途 4.设备生产效率分析
●单机生产 ●多工位周期位移生产线 ●连续位移生产线
普通机械设计 精密机械设计
相关思考：成本、性价比、生产规模
20/01
§1.4 精密机械设计基础知识
一. 总体方案设计 方案设计的优劣直接影响产品开发的结果。
主动件曲柄转动角度达到理想时，从动件
滑块的始点、终点都相对理想点有误差。
曲
柄
终点位置误差 始点位置误差
滑
块
机
构
20/11
位置误差评价：
主动转角：Δα=α1-α0源自从动件初始位置误差：Δ0=OB0′-OB0
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国际单位N/m2(Pa), 工程常用N/mm2(MPa, 106Pa)
通常把应力p分解成垂直于截面的正应力和 切于截面内的剪应力τ, 且 >0，拉应力；<0，压
应力。
设想从受力构件的某一点C周 围取出一个正六面体, 其与x轴平行 的棱边ab原长为Δx,变形后长度变 为Δx+Δu, 则 lim u, 称为C点沿
x0 x
x轴方向的线应变.
物体变形后，通常原来相互垂直的两根棱边的直 角夹角也将发生变化, 其改变量γ称为剪应变。
ε和γ都是极微小量, 分别与正应力和剪应力相联系(胡克定律)
E G E和G分别为弹性模量和剪切弹性模量
F F
a' a c c'
假设变形前原为平面的横截面变 F 形后仍保持平面，即直杆的所有纵向
例3-3 图示传动轴为钢制实心轴，传递的最大工作扭矩Mn= 12N·m，轴用45钢，其许用应力［τ］= 40N／mm2，试设计传 动轴的直径d。
解：根据圆轴扭转的强度条件
得出 选取d=12mm
第五节 梁的平面弯曲
平面弯曲的特点和基本类型
物体受剪力F作用后，原AC和BD线歪斜为AC’和 BD’, 歪斜角γ称为切应变，受剪面上抵抗滑移的力是内力，
称为剪力，单位面积上的内力称为切(剪)应力。
▪ 剪切时的内力和应力
▪ 内力
FQ＝F
▪ 切应力 ＝ FQ /A N/mm2
▪ 强度条件 ＝ FQ /A []
[]为许用剪应力. 塑性材料0.6~0.8 [], 脆性材料0.8~1.0 []
1、集中载荷 作用于一点 2、分布载荷（均布载荷、非均布载荷）
连续作用于某段长度或某块面积，单位N/mm,N/mm2
▪ 按载荷性质分类 1、静载荷 大小和方向不随时间变化或变化缓慢 2、动载荷 大小和方向随时间迅速变化
精密机械中零件受静载荷作用情况压缩，如链条、皮带、桁架的拉杆（或压
b' b d d'
纤维伸长相等；并假设材料均匀即内 力均匀分布。由此, 拉压杆横截面上
只有处处相等的正应力σ,无剪应力.
FN
FN
A
▪ 直杆拉伸（压缩）的强度条件：
＝ FN / A []
[]为许用应力,等于材料极限σu应力除以安全系数S(S>1)
▪ 应用：(两个参数—杆件截面面积A、所受载荷FN )
l M n dx M n l
0 GI P
GI P
工程上常用单位长度(1m)的扭转角不超过许用值[φ0]作为扭转 刚度条件，即有
Mn单位N·mm, G单位N/mm2
Ip单位mm4, [φ0]单位 °/m
从实心轴横截面上的切应力分布规律看出，最大切 应力在周边，轴心处为零，这部分材料的抗扭作用 未得到充分发挥，如将其移到周边以外，制成空心 轴,那么这些外移的材料可承受较大切应力,且距轴 心又远，可分担较大的内力矩，故在轴的截面面积 相同的情况下，空心轴的强度和刚度都大大提高.
1 变形几何方程
自圆轴中取出微段dx, 其两横截面相对扭角为dφ, 截面上任 意半径ρ处的切应变为γρ (一个角度)其沿半径按直线规律变化, 关 系式为
剪应变γρ与半径ρ成正比，最外层变形大(意味着最外层的剪 应力也最大).
2 物理方程
在弹性范围内，切应力与切应变之间的关系符合胡克定律
G
G
d
▪ 强度：零件抵抗破坏的能力。
破坏形式：断裂、过大的塑性变形。
▪ 刚度：零件抵抗变形的能力。
保证零件在受力时所产生的弹性变形在允许的限度内,使零件 能正常工作。 本章任务：讨论零件受力后的变形与破环的规律问题(应力 与应变问题)，提供零件强度刚度分析计算的方法。
第一节 概述
▪ 零件受力(载荷,负荷) 种类 ▪ 按载荷作用特征分类
圆轴扭转时的内力偶(截面法求解)和应力
在I－I处将轴截开，取左段为分离体, 根据平衡条件，知横 截面上存在一个与外力偶矩T等值反向的内力偶(内力)，其力偶 矩称为扭(转)矩Mn.
扭(转)矩Mn的符号: 按右手螺旋法则把Mn表示为矢量, 矢量 方向与截面的外法线方向一致时， Mn为正，否则为负.
在求得内力的基础上，可综合考虑变形、物理和静力学三 方面来建立求解应力的公式。
dx
G为剪切弹性模量
max Mn
3 静力学关系
圆轴横截面上微内力矩 总和等于该面上的扭矩.
得出
代入上式有
Mn
IP
最大应力在横截面周边
令 式中
则有
Wt (或Wn) —抗扭截面模量(系数), 单位mm3, 仅于截面尺寸有关.
设
扭转强度、刚度条件和空心轴
扭转强度条件
max
Mn Wt
[ ]
扭转刚度条件
▪ 应用：安全销
例3-2
第四节 圆轴扭转
如螺丝刀拧紧螺钉时的受力变形；汽车传动轴(只受扭矩作用)
▪ 圆轴扭转变形特征 ▪ 变形特征 ▪ 推论：
1、平面假设 变形后横截面仍为平面,仅绕轴线作了转动 2、无轴向应变，各截面不存在正应力 3、相邻截面相对错动,纵线倾斜了γ角,故存在剪切 变形，各截面存在切应力
▪ 强度校核： ＝ FN / A [] ▪ 计算截面： A FN / [] ▪ 确定许用载荷： FN A[]
例3－1
第三节 剪切
▪ 剪切
一对大小相等、方向相反，且距离很近的横向力(剪力) 作用于物体两侧，物体受力后截面(受剪面)间产生相对滑 移错动(剪切变形). 滑移过大时物体被剪切破坏.
2-2 零件强度、刚度 分析的基本知识
主要内容
▪ 第一节 概述 ▪ 第二节 直杆轴向拉伸与压缩 ▪ 第三节 剪切 ▪ 第四节 圆轴扭转 ▪ 第五节 梁的平面弯曲 ▪ 第六节 复杂变形的强度计算
第一节 概述
▪ 变形：外力作用下,零件尺寸和形状发生改变
弹性变形(外力撤去后变形随之消失) 塑性变形(外力超过一定限度，撤去后残留一部分变形)
杆）、立柱。 ▪ 剪切，如螺钉、铆钉。 ▪ 扭转，如传动轴。 ▪ 弯曲，如各种梁。
以上四种称为简单变形, 同时产生其中的两种或多种变形 则称之为复杂变形.
杆件：长度方向尺寸>横向尺寸的构件。
第二节 直杆轴向拉伸与压缩
▪ 受力特点：沿直杆轴线受拉或压力。 ▪ 内力：构件受外力作用而引起的其内部相
连两部分的相互作用力。 ▪ 内力与外力互相对立，互相依存，同时出