第1章 緒論

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的研究對象及內(nèi)容

1.1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的研究對象

1．機(jī)械

本課程的研究對象是機(jī)械，機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。

機(jī)械是伴隨人類社會(huì)的不斷進(jìn)步逐漸發(fā)展與完善的。機(jī)械已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和服務(wù)的五大要素（人、資金、能量、材料、機(jī)械）之一。從廣義角度講，凡是能完成一定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置都是機(jī)械。

工程中，常把每一個(gè)具體的機(jī)械稱為機(jī)器。即談到具體的機(jī)械時(shí)，常使用機(jī)器這個(gè)名詞，泛指時(shí)則用機(jī)械來統(tǒng)稱。現(xiàn)代機(jī)器的含義是：機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。坦克、導(dǎo)彈、汽車、飛機(jī)、輪船、車床、起重機(jī)、織布機(jī)、印刷機(jī)、包裝機(jī)等大量具有不同外形、不同性能和用途的設(shè)備都是具體的機(jī)器。

圖1.1（a）所示為一單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，它是一種動(dòng)力機(jī)械，通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力；通過完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒、排氣的循環(huán)過程，把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

氣缸1中的活塞4向下移動(dòng)，排氣閥門推桿5關(guān)閉，進(jìn)氣閥門推桿7在凸輪8的控制下開啟，將氣體吸入氣缸，此過程為進(jìn)氣沖程；活塞4向上移動(dòng)時(shí)，進(jìn)、排氣閥門均關(guān)閉，氣體受壓縮，此過程為壓縮沖程；壓縮沖程結(jié)束后，火花塞6利用高壓放電，使燃?xì)庠跉飧字腥紵⑴蛎洠a(chǎn)生壓力推動(dòng)活塞4向下移動(dòng)，此過程為爆炸沖程；活塞4向下移動(dòng)的同時(shí)，通過連桿3推動(dòng)曲軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，向外輸出機(jī)械能；當(dāng)活塞4再次上移時(shí)，進(jìn)氣閥門推桿7繼續(xù)處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣閥門推桿5在凸輪12的控制下打開，將廢氣排出，這一過程稱為排氣沖程。圖1.1（b）所示為內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖，利用機(jī)構(gòu)簡圖對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，大大簡化了設(shè)計(jì)工作。

活塞4的往復(fù)移動(dòng)通過連桿3推動(dòng)曲軸2連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這種把活塞往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置為連桿機(jī)構(gòu)。控制進(jìn)、排氣閥運(yùn)動(dòng)的裝置稱為凸輪機(jī)構(gòu)，把凸輪8、12的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)變換為推桿7、5的往復(fù)移動(dòng)。在四沖程的內(nèi)燃機(jī)中，活塞往復(fù)移動(dòng)四次，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，進(jìn)氣閥和排氣閥各啟閉一次，所以凸輪的轉(zhuǎn)數(shù)是曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的1/2。即在曲軸和凸輪軸之間要設(shè)置減速齒輪9、10、11，稱為齒輪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)減速轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)變換。

2．機(jī)器

1）機(jī)器的特征

由上述分析可以看出，從組成、運(yùn)動(dòng)和功能來看，機(jī)器具有以下共同的特征：

（1）是一種通過加工制造和裝配而成的構(gòu)件組合體；

（2）各個(gè)構(gòu)件之間都具有確定的相對運(yùn)動(dòng)；

（3）能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，并做有用的機(jī)械功。

凡同時(shí)具備上述三個(gè)特征的構(gòu)件組合體就稱為機(jī)器。

2）機(jī)器的組成

機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換其他能量為機(jī)械能。利用機(jī)械能來完成有用功的機(jī)器稱為工作機(jī)，如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、印刷機(jī)、紡織機(jī)、包裝機(jī)等。將化學(xué)能、水力、電能、風(fēng)力等能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器稱為原動(dòng)機(jī)，如內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)等。機(jī)器中還要有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞裝置或機(jī)械運(yùn)動(dòng)形態(tài)的變換裝置，稱為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和工作執(zhí)行系統(tǒng)，統(tǒng)稱機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；現(xiàn)代機(jī)器還必須有控制系統(tǒng)。圖1.2所示為機(jī)器的組成示意框圖。

3．機(jī)構(gòu)與構(gòu)件

機(jī)構(gòu)是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的構(gòu)件系統(tǒng)，由若干個(gè)構(gòu)件通過一定連接方式組成，且各構(gòu)件之間有確定的相對運(yùn)動(dòng)。每部機(jī)器又可分為一個(gè)或多個(gè)由若干構(gòu)件（如齒輪、凸輪、連桿、曲軸等）組成的特定組合體，用來實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)的傳遞或運(yùn)動(dòng)形式的變換。例如圖1.1中內(nèi)燃機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)。

由此可見，機(jī)構(gòu)是機(jī)器的重要組成部分，機(jī)構(gòu)具有機(jī)器的前兩個(gè)特性，即：

（1）是一種通過加工制造和裝配而成的構(gòu)件組合體。

（2）各個(gè)構(gòu)件之間都具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，機(jī)構(gòu)是組成機(jī)器的主體。機(jī)器是由一個(gè)或多個(gè)各種不同機(jī)構(gòu)所組成，它可以完成能量的轉(zhuǎn)換或做有用的機(jī)械功，而機(jī)構(gòu)則僅僅起著運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞和變換的作用。或者說，機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)件組合體，而機(jī)器則是由各種機(jī)構(gòu)組成的，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期機(jī)械運(yùn)動(dòng)并完成有用機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)與機(jī)器的共同點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，所以從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，二者是一樣的；不同點(diǎn)是機(jī)構(gòu)沒有能量的轉(zhuǎn)換和信息的傳遞。所以從機(jī)械運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看，機(jī)構(gòu)與機(jī)器沒有本質(zhì)區(qū)別，工程中將機(jī)構(gòu)與機(jī)器統(tǒng)稱為機(jī)械。

構(gòu)件是機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)單元體，既可以是單一的整體，又可以是由幾個(gè)元素組合在一起形成的剛性構(gòu)件。內(nèi)燃機(jī)中，由氣缸1、曲軸2、活塞4和連桿3四個(gè)構(gòu)件組成連桿機(jī)構(gòu)，如圖1.1（b）所示。曲軸2是一個(gè)構(gòu)件，也是一個(gè)零件；而連桿3是一個(gè)構(gòu)件，是由連桿體1、連接螺栓2、螺母3、連桿頭4等多個(gè)零件剛性連接而成的組成體，形成一個(gè)剛性整體（如圖1.3所示），組成一個(gè)構(gòu)件的各零件之間沒有相對運(yùn)動(dòng)。

機(jī)構(gòu)中固接于定參考系的構(gòu)件稱為機(jī)架（或固定件）；可相對于機(jī)架運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為活動(dòng)構(gòu)件，其中按照給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件（主動(dòng)件），而其余活動(dòng)構(gòu)件稱為從動(dòng)件。如圖1.1（b）所示連桿機(jī)構(gòu)中，氣缸1為機(jī)架，活塞4為原動(dòng)件，而連桿3和曲軸2為從動(dòng)件。

需要說明的是，從現(xiàn)代機(jī)器發(fā)展趨勢來看，機(jī)構(gòu)中的各構(gòu)件可以是剛性的，某些構(gòu)件也可以是撓性的或彈性的，或是由液壓、氣動(dòng)、電磁件構(gòu)成的。所以說，現(xiàn)代機(jī)器中的機(jī)構(gòu)也不再是純剛性構(gòu)件的機(jī)構(gòu)。

4．零件

零件是組成構(gòu)件或機(jī)構(gòu)的制造單元。如內(nèi)燃機(jī)曲軸，在內(nèi)燃機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中是一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，也是一個(gè)制造單元，是構(gòu)件，也是零件。而組成連桿的連桿體、連桿頭、連接螺栓及螺母則分別是不同的制造單元，均屬于零件，各零件之間沒有相對運(yùn)動(dòng)。零件是制造后沒有經(jīng)過組裝的物體，因而是組成機(jī)器的最小制造單元。構(gòu)件可以是若干零件的剛性組合體，也可以是單個(gè)零件，如一個(gè)齒輪既是一個(gè)零件，又是一個(gè)構(gòu)件。

機(jī)械零件有通用零件和專用零件兩大類。通用零件是各類機(jī)械中常用的、按同一標(biāo)準(zhǔn)制造的零件，例如齒輪、軸承、螺栓、螺母等。專用零件是為特定機(jī)械特別制造的零件，例如，內(nèi)燃機(jī)中的曲軸、活塞均屬于專用零件。

綜上所述，機(jī)器由機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)由構(gòu)件組成，構(gòu)件可以是單一的整體，也可以由若干個(gè)零件組成。機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為機(jī)械。構(gòu)件和零件之間的主要區(qū)別是：構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)單元，零件是制造單元。

1.1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容、特點(diǎn)和任務(wù)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是研究有關(guān)“機(jī)械”基本理論的一門課程，其研究對象為機(jī)械。而機(jī)械又是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱，所以說機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是研究機(jī)器和機(jī)構(gòu)基本理論的科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和各學(xué)科之間的融合與滲透，機(jī)械的內(nèi)容不斷豐富，微小機(jī)械、微型機(jī)械、仿生機(jī)械、生物機(jī)械的出現(xiàn)，使機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究對象的含義不斷拓展。

1．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容

（1）機(jī)械傳動(dòng)。平面機(jī)構(gòu)的自由度、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、輪系、帶傳動(dòng)。

（2）機(jī)械連接。螺紋連接、鍵連接、銷連接。

（3）軸系。滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、軸、聯(lián)軸器、離合器。

（4）機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

2．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的主要特點(diǎn)

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，與基礎(chǔ)課程相比，它更接近工程實(shí)際；與專業(yè)課程相比，它有更寬的研究面和更廣的適應(yīng)性。該課程起到承上啟下的作用。

（2）多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程圖學(xué)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、金屬材料及熱處理、公差配合與技術(shù)測量等有關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課程知識的綜合運(yùn)用。

（3）設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性。考慮到機(jī)械設(shè)計(jì)的綜合性，設(shè)計(jì)者采用的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)結(jié)果都具有多樣性。

（4）設(shè)計(jì)方法的多樣性。在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和零件的過程中，常常需要通過剛度、強(qiáng)度等方面的計(jì)算確定構(gòu)件或零件的一些幾何尺寸參數(shù)，但計(jì)算并非設(shè)計(jì)的唯一方法和手段。根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)條件設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，常用的設(shè)計(jì)方法有解析法、實(shí)驗(yàn)法和圖解法。設(shè)計(jì)機(jī)械、機(jī)構(gòu)、部件和零件的過程中，還需綜合考慮結(jié)構(gòu)、工藝、材料選擇和經(jīng)濟(jì)性等各方面的因素。

3．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的主要任務(wù)

（1）掌握常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、特性等基本知識，并初步具有選用、分析基本機(jī)構(gòu)的能力。

（2）掌握通用機(jī)械零件的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和簡單設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并初步具有選用和分析簡單機(jī)械傳動(dòng)裝置的能力。

（3）具備運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料的能力。

（4）培養(yǎng)創(chuàng)新、總結(jié)歸納、綜合運(yùn)用所學(xué)的知識的能力。