第一章 入門知識

第一節 機械基礎的性質、任務和內容

本課程是機械類專業的一門專業基礎課，無論從事機械制造或維修，還是使用、研究機械設備，以及進行技術革新都要學習這門課。通過學習，學生應熟悉和掌握機械傳動、常用機構及軸系零件和液壓傳動的基本知識、工作原理和應用特點；掌握分析機械工作原理的基本方法；能作簡單的有關計算；會查閱有關技術資料和選用標準件。

學習本課程要以辯證唯物論為指導，貫徹理論聯系實際的原則，并注意在實驗、實習、生產勞動中積累經驗，觀察思考問題，運用知識，深化知識，拓寬知識，提高專業素質和能力。

本課程的主要內容如下：

（1）常用機械傳動。常用機械傳動包括帶傳動、鏈傳動、螺旋傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動和輪系。主要討論機械傳動的類型、組成、工作原理、傳動特點、傳動比計算和應用場合等。

（2）常用機構。常用機構包括平面連桿機構、凸輪機構及其他常用機構。主要討論它們的結構、工作原理和應用場合等。

（3）軸系零件。軸系零件包括常用連接、軸、軸承、聯軸器、離合器和制動器。主要討論它們的結構、特點、常用材料和應用場合，并介紹有關標準和選用方法。

（4）液壓傳動。液壓傳動包括液壓傳動的基本概念、常用液壓元件、液壓基本回路和液壓系統。著重介紹液壓基本知識，液壓泵、液壓缸、液壓控制閥等元件的構造、性能、工作原理，液壓基本回路和機床液壓傳動系統實例。

第二節 機械基礎概述

一、機器和機構

1．機器

機器是執行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。

機器的種類繁多，其構造、性能和用途也各不相同，但是從機器的組成部分與運動的確定性和機器的功能關系來分析，所有機器都具有下列三個共同的特征：

（1）任何機器都是由許多構件組合而成的。如圖1-1所示的單缸內燃機，是由汽缸、活塞、連桿、曲軸、軸承等構件組合而成的。

（2）各運動實體之間具有確定的相對運動。如圖1-1所示的活塞2相對汽缸1的往復移動，曲軸4相對兩端軸承5的連續轉動。

（3）能實現能量的轉換、代替或減輕人類的勞動，完成有用的機械功。例如：金屬發動機可以把機械能轉換為電能；運輸機器可以改變物體在空間的位置；金屬切削機床能夠改變工件的尺寸、形狀；計算機可以變換信息等。

根據上面的分析，可以對機器得到一個明確的概念：機器就是人為實體（構件）的組合，它的各部分之間具有確定的相對運動，并能代替或減輕人類的體力勞動，完成有用的機械功或實現能量的轉換。

各種不同的機器按其功能可歸納成三類：變換或傳遞能量的機器，如電動機、內燃機、空氣壓縮機等；變換或傳遞物料（改變材料形狀或位置）的機器，如金屬切削機床、軋鋼機、超重機、汽車、飛機等；變換或傳遞信息的機器，如計數機、計算機等。

在機械工業中，機器按其用途通常分為發動機（原動機）和工作機兩種。

發動機是將非機械能轉換成機械能的機器。例如電動機是將電能轉換成機械能的機械，內燃機是將熱能轉換成機械能的機器。

工作機是用來改變被加工物料的位置、形狀、性能、尺寸和狀態的機器。工作機是利用機械能來做有用功的機器，例如車床、銑床、磨床等金屬切削機床都是工作機。

2．機構

機構是用來傳遞運動和力的構件系統。構件系統中有一個構件為機架，構件系統是用運動副連接起來的。

與機器相比較，機構也是人為實體（構件）的組合。各運動實體之間也具有確定的相對運動，但不能做機械功，也不能實現能量轉換。

機器的主要功用是利用機械能做功或實現能量的轉換；機構的主要功用在于傳遞或轉變運動的形式。例如航空發動機、機床、軋鋼機、紡織機和拖拉機等都是機器，而鐘表、儀表、千斤頂、機床中的變速裝置或分度裝置等都是機構。通常的機器必包含一個或一個以上的機構。如圖1-1所示的單缸內燃機，其中就有一個曲柄連桿機構，用來將汽缸內活塞的往復運動轉變為曲柄（曲軸）的連續轉動。

如果不考慮做功或實現能量轉換，只從結構和運動的觀點來看，機器和機構二者之間沒有區別，而將它們總稱為機械，即機械是機器與機構的總稱。

3．機器的組成

一臺完整的機器通常由以下四個部分組成：

（1）原動機部分。原動機部分也稱動力裝置。其作用是把其他形式的能量轉變成機械能，以驅動機器各部分運動、工作。它是機器完成預定功能的動力源，常用的有電動機和內燃機等。

（2）執行部分。執行部分也稱工作部分（裝置）。它是機器中直接完成具體工作任務的部分，例如汽車的車輪、縫紉機的機頭等。

（3）傳動部分（裝置）。這部分是原動機到工作機構之間的聯系機構，用以完成運動和動力的傳遞和轉換。利用它可以減速、增速、調速，改變轉矩以及運動形式等，從而滿足工作機構的各種要求。傳動機構在各種機器中占有重要地位，對機器的結構和外形都有重大影響。

（4）操縱或控制部分。這部分的作用是顯示和反映機器的運行位置和狀態，控制機器正常運行和工作。控制裝置可采用機械、電子、電氣、光波等。

簡單的機器一般由上述的前三部分組成，有的甚至只有原動機和執行部分，如水泵、排風扇等。而現代新型的自動化機器，如數控機床、加工中心等，控制部分（包括檢測）的地位愈來愈重要。

二、構件和零件

1．構件

機器及機構是由許多具有確定的相對運動的構件組合而成，因此，構件是機構中的運動單元體，也就是相互之間能作相對運動的物體。在機械中應用最多的是剛性構件，即作為剛體看待的構件。一個構件，可以是不能拆開的單一整體，如圖1-1所示的曲軸4；也可以是幾個相互之間沒有相對運動的物體組合而成的剛性體，如圖1-1中構件連桿3，便是由幾個可以拆卸的物體組合而成的剛性體。如圖1-2是連桿構件的組成圖，它由連桿體1、連桿蓋3、螺栓2和螺母4等物體組合而成。

構件按其運動狀況，可分固定構件和運動構件兩種。固定構件又稱機架，是機構中固定于定參考系的構件。固定構件一般用來支持運動構件，通常就是機器的基體或機座，例如各類機床的床身。運動構件又稱可動構件，是機構中可相對于機架運動的構件。運動構件又分成主動件（原動件）和從動件兩種。主動件是機構中作用有驅動力或力矩的構件，有時也將運動規律已知的構件稱為主動件。形象地說，主構件就是帶動其他可動構件運動的構件，從動件是機構中除了主動件以外的隨著主動件的運動而運動的構件。

2．零件

零件是構件的組成部分。機構運動時，屬于同一構件中的零件，相互之間沒有相對運動。

構件與零件既有聯系又有區別，構件可以是單一的零件，如單缸內燃機中的曲軸，既是構件，也是零件；構件也可以是由若干零件連接而成的剛性結構，如連桿構件是由連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等零件連接而成。

構件與零件的區別在于：構件是運動的單元，零件是加工制造的單元。

三、運動副

機構的重要特征是構件之間具有確定的相對運動，為此必須對各個構件的運動加以必要的限制。在機構中，每個構件都以一定的方式與其他構件相互接觸，二者之間形成一種可動的連接，從而使兩個相互接觸的構件之間的相對運動受到限制。兩個構件之間的這種可動連接，稱為運動副。

運動副是兩構件直接接觸組成的可動連接，它限制了兩構件之間的某些相對運動，而又允許有另一些相對運動。

兩構件組成運動副時，構件上能參與接觸的點、線、面稱為運動副元素。

根據運動副中兩構件的接觸形式不同，運動副可分為低副和高副。

1．低副

低副是指兩構件以面接觸的運動副。按兩構件的相對運動形式，低副可分為以下幾種：

（1）轉動副。組成運動副的兩構件只能繞某一軸線作相對轉動的運動副稱為轉動副。如圖1-3所示的鉸鏈連接就是轉動副的一種形式，即由圓柱銷和銷孔及其兩端面組成的轉動副。鉸鏈連接的兩構件只能繞Z軸自由轉動，沿X軸和Y軸的自由移動則被限制（約束）掉了。

（2）移動副。組成運動副的兩構件只能作相對直線移動的運動副稱為移動副，如圖1-4所示。

（3）螺旋副。組成運動副的兩構件只能沿軸線作相對螺旋運動的運動副稱為螺旋副，如圖1-5所示。

2．高副

高副是指兩構件以點或線接觸的運動副。如圖1-6所示為常見的幾種高副接觸形式；圖1-6（a）是車輪與鋼軌的接觸，圖1-6（b）是齒輪的嚙合，都是屬于線接觸的高副；圖1-6（c）是凸輪與從動桿的接觸，是屬于點接觸的高副。

低副和高副由于兩構件直接接觸部分的幾何特征不同，因此在使用上也具有不同的特點。

低副是面接觸的運動副，其接觸表面一般為平面或圓柱面，容易制造和維修，承受載荷時單位面積壓力較低（故稱低副），因而低副比高副的承載能力大。低副屬滑動摩擦，摩擦損失大，因而效率較低；此外，低副不能傳遞較復雜的運動。

高副是點或線接觸的運動副，承受載荷時單位面積壓力較高（故稱高副），兩構件接觸處容易磨損，壽命短，制造和維修也較困難。高副的特點是能傳遞較復雜的運動。

3．低副機構和高副機構

機構中所有運動副均為低副的機構稱為低副機構。機構中至少有一個運動副是高副的機構稱為高副機構。

四、機械傳動的分類

傳動裝置是一般機器的三大組成部分之一，現代工業中主要應用的傳動方式有機械傳動、液壓傳動、氣動傳動和電氣傳動等四種。其中，機械傳動是一種最基本的傳動方式，應用最普遍。

用來傳遞運動和動力的機械裝置叫做機械傳動裝置。按其傳遞運動和動力的方式，機械傳動可分為摩擦傳動和嚙合傳動兩大類。按運動副構件的接觸方式可分為直接接觸傳動和有中間撓性件（帶、鏈等）傳動兩種。

機械傳動的一般分類如下：

復習題

1．試述機器與機構的特點及其區別。

2．舉例說明構件、零件及其區別。

3．試述機器的組成及各部分的作用。

4．什么是運動副？運動副如何分類？

5．運動副中的高副與低副如何區分？各有什么特點？

6．如圖1-6（c）所示凸輪機構由構件支架、凸輪和從動輪組成。試分析有幾個運動副？它們各屬于何種運動副？