機械設計基礎1緒論

1、緒緒 論論一、課程的內容、性質和任務一、課程的內容、性質和任務1.1.課程內容課程內容2.2.課程性質課程性質 3.3.課程任務課程任務 具體研究內容具體研究內容 研究機械中常用機構和通用機械零部件（各種機常用機構和通用機械零部件（各種機械中普遍使用的零部件）的工作原理、結構特點、基本設計理論械中普遍使用的零部件）的工作原理、結構特點、基本設計理論和設計方法和設計方法。機器機器 若干個機構組合而成的具有確定運動的運動裝置，能實現(xiàn)能量的轉化或傳遞能量、物料或信息，實現(xiàn)預 期的工作。如內燃內燃機機、電動機、起重汽車、金屬切削機床電動機、起重汽車、金屬切削機床、 電話機和計算機等。機構機構 是機器的

2、組成部分，是由兩個或兩個以上的構件通過可動聯(lián)接構成的運動確定的系統(tǒng)，用來傳遞運動和力 。構件構件 是由若干零件剛性聯(lián)接而成，是機器運動的最小單元。 零件零件 是機器加工制造的最小單元。機器的組成機器的組成 由原動機、工作機、傳動系統(tǒng)等組成。原動機、工作機、傳動系統(tǒng)等組成。 1.1.課程內容課程內容曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構，將活塞往復，將活塞往復移動轉化為曲柄的連續(xù)轉動；移動轉化為曲柄的連續(xù)轉動；齒輪機構齒輪機構，改變轉速大小和，改變轉速大小和轉向；轉向；凸輪機構凸輪機構，將凸輪的，將凸輪的連續(xù)轉動轉變?yōu)橥茥U往復移動。連續(xù)轉動轉變?yōu)橥茥U往復移動。 機器實例：機器實例：內燃機內燃機 1 1、功能：

3、內燃機、功能：內燃機是將燃氣燃燒時的熱是將燃氣燃燒時的熱能轉化為機械能的能轉化為機械能的機機器器。 2 2、組成包含三種機構：、組成包含三種機構：一、機械、機器和機構一、機械、機器和機構氣缸體氣缸體1 1活塞活塞2 2進氣閥進氣閥3 3排氣閥排氣閥4 4連桿連桿5 5曲軸曲軸6 6凸輪凸輪7 7頂桿頂桿8 8齒輪齒輪9 92 2、研究對象、研究對象 活塞下行，進氣閥打開，活塞下行，進氣閥打開，燃氣被吸入汽缸燃氣被吸入汽缸活塞上行，進氣閥關閉，壓縮燃氣活塞上行，進氣閥關閉，壓縮燃氣點火后燃氣燃燒膨脹，推動活塞點火后燃氣燃燒膨脹，推動活塞下行，經連桿帶動曲軸輸出轉動下行，經連桿帶動曲軸輸出轉動 活

4、塞上行，排氣閥打開，排出廢氣活塞上行，排氣閥打開，排出廢氣3 3、工作過程：、工作過程：4 4、運動分析：、運動分析：原動件：活塞原動件：活塞由燃氣推動（驅動力所作用的構件）由燃氣推動（驅動力所作用的構件）主運動：將活塞的往復直線運動主運動：將活塞的往復直線運動曲軸的回轉運動曲軸的回轉運動輔助運動：配氣輔助運動：配氣 啟閉進排氣閥啟閉進排氣閥 機器：既能實現(xiàn)確定的機械運動，又能完成有用的機器：既能實現(xiàn)確定的機械運動，又能完成有用的機械功，或者能傳遞或轉換能量、物料、信息等。如機械功，或者能傳遞或轉換能量、物料、信息等。如 車車床床實現(xiàn)確定的機械運動，又作有用的機械功實現(xiàn)確定的機械運動，又作有用

5、的機械功 內燃機內燃機轉換能量轉換能量 機械手機械手傳遞物料傳遞物料 照相機照相機傳遞信息傳遞信息 機構：僅能傳遞或轉換運動。如機構：僅能傳遞或轉換運動。如 齒輪機構齒輪機構傳遞運動傳遞運動 凸輪機構凸輪機構轉換運動轉換運動 機械：是機器和機構的總稱。機械：是機器和機構的總稱。 總結：總結：二、機械的特征二、機械的特征1 1）人為的實物組合）人為的實物組合由人工組合的構件系統(tǒng)由人工組合的構件系統(tǒng)2 2）各實物間具有確定的相對運動）各實物間具有確定的相對運動3 3）實現(xiàn)能量轉換或完成有效的機械功）實現(xiàn)能量轉換或完成有效的機械功如如內燃機：熱能內燃機：熱能機械能機械能發(fā)電機：機械能發(fā)電機：機械能電

6、能電能電動機：電能電動機：電能機械能機械能1 1、機器的特征、機器的特征活塞活塞缸體：往復運動缸體：往復運動曲軸曲軸缸體：轉動缸體：轉動連桿連桿曲軸：擺動曲軸：擺動如如具有以上三個特征具有以上三個特征機器機器凸輪機構（配氣機構）：把回轉運動凸輪機構（配氣機構）：把回轉運動直線運動直線運動曲柄滑塊機構：將活塞的直線運動曲柄滑塊機構：將活塞的直線運動曲柄的回轉曲柄的回轉運動運動如如機器是由一種或多種機構組成的。機器是由一種或多種機構組成的。只具有機器的前兩個特征只具有機器的前兩個特征機構機構2 2、機構的特征、機構的特征3 3、機器和機構的關系、機器和機構的關系三、構件和零件三、構件和零件1. 1

7、. 機器由機構組成機器由機構組成: :3.3.構件：機構的基本運動單元，是機器中獨立運動的構件：機構的基本運動單元，是機器中獨立運動的單元體，由一個或幾個零件組成。單元體，由一個或幾個零件組成。單一零件曲軸單一零件曲軸多個零件多個零件剛性組合剛性組合連桿連桿2. 2. 機構是人工組合的構件系統(tǒng)，必須滿足兩點機構是人工組合的構件系統(tǒng)，必須滿足兩點: :若干構若干構件的組合；這些構件具有確定的相對運動。件的組合；這些構件具有確定的相對運動。 4.4.零件是組成機器最基本的單元體，是機械制造的單元零件是組成機器最基本的單元體，是機械制造的單元體。體。 專用零件：特定機器中所使用的零件，如活塞、曲專用

8、零件：特定機器中所使用的零件，如活塞、曲軸、葉片軸、葉片通用零件：各類機器中普遍使用的零件，如齒輪、通用零件：各類機器中普遍使用的零件，如齒輪、軸、螺栓等軸、螺栓等 5.5.部件：若干個零件的裝配體部件：若干個零件的裝配體 常用機構設計常用機構設計 連桿機構連桿機構、凸輪機構凸輪機構、間歇運動機構（棘輪機構棘輪機構、 槽輪機構槽輪機構、不完全不完全 齒輪機構齒輪機構）等。 常用通用零部件設計常用通用零部件設計 傳動零件傳動零件：齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、螺旋傳動、摩 擦傳動等。 聯(lián)接零件聯(lián)接零件: 螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接等。 軸系零件軸系零件：軸、 軸承（滑動軸承、滾動軸承）、 聯(lián)

9、軸器等 。 機械系統(tǒng)的調速與回轉件的平衡機械系統(tǒng)的調速與回轉件的平衡 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計（運動方案設計及結構設計）（運動方案設計及結構設計） 現(xiàn)代設計法方法簡介現(xiàn)代設計法方法簡介具體內容具體內容 機構：機構：人為實物的組合體，人為實物的組合體，具有確定的機械運動，具有確定的機械運動，可以用來傳遞和轉換運動。可以用來傳遞和轉換運動。機器機器：人為實物的組合體，人為實物的組合體，具有確定的機械運動，具有確定的機械運動，可以用來轉換能量、可以用來轉換能量、 完成有用功完成有用功 或處理信息，或處理信息，以代替或減輕人的勞動。以代替或減輕人的勞動。機器是由機構組成的。機器是由機構組成的。簡單的機

10、器，可能只含有一個機構簡單的機器，可能只含有一個機構, 但一般都含有但一般都含有多個機構。多個機構。機械機械: 機器和機構的總稱機器和機構的總稱。機器機器 機構機構機器中的單個機構不具有轉換能量或完成有用功機器中的單個機構不具有轉換能量或完成有用功的功能。的功能。我們已經多次使用了我們已經多次使用了“構件構件”這個術語。這個術語?；钊⑦B桿、曲軸、滑枕等都是構件。活塞、連桿、曲軸、滑枕等都是構件。構件是組成機構的有確定運動的單元。構件構件是運動的單元，而零件是制造的單元構件是運動的單元，而零件是制造的單元。構件零件各種機械中廣泛使用的零件稱為各種機械中廣泛使用的零件稱為通用零件通用零件。如螺栓

11、、軸、齒輪、彈簧等。如螺栓、軸、齒輪、彈簧等。只在某一類機械中使用的零件稱為只在某一類機械中使用的零件稱為專用零件專用零件。如內燃機中的活塞、曲軸等。如內燃機中的活塞、曲軸等。通用零件中主要包括三大類零件：通用零件中主要包括三大類零件：傳動零件傳動零件 （齒輪、帶、鏈等）（齒輪、帶、鏈等）聯(lián)接零件聯(lián)接零件 （螺栓、鍵等）（螺栓、鍵等）軸系零件軸系零件 （軸、軸承等）（軸、軸承等）此外此外: 彈簧彈簧等零件。等零件。通用零件與專用零件返回返回 傳動零件傳動零件 齒輪傳動齒輪傳動蝸桿傳動蝸桿傳動帶傳動帶傳動傳動零件傳動零件 圓柱平摩擦輪傳動圓柱平摩擦輪傳動（a a）滑動螺旋）滑動螺旋 ;(;(b）

12、滾動螺旋）滾動螺旋; ;（c）靜壓螺旋）靜壓螺旋 鏈傳動鏈傳動螺旋傳動螺旋傳動(a)(b)(c)聯(lián)接零件聯(lián)接零件 螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接鍵聯(lián)接銷聯(lián)接銷聯(lián)接軸軸滑動軸承滑動軸承滾動軸承滾動軸承聯(lián)軸器聯(lián)軸器軸系零件軸系零件機器圖機器圖數數控控立立式式升升降降臺臺銑銑床床電機電機起重機起重機連連桿桿曲曲柄柄內燃機實物圖內燃機實物圖1- -氣缸體；氣缸體；2-2-活塞；活塞；3-3-連桿；連桿；4-4-曲軸；曲軸；5 5、6-6-齒輪；齒輪；7-7-凸輪；凸輪；8-8-進氣閥頂桿進氣閥頂桿 機械的發(fā)展歷程概述機械的發(fā)展歷程概述機械的發(fā)展歷程機械的發(fā)展歷程機械設計及理論的發(fā)展歷程機械設計及理論的發(fā)展歷程

13、古古 代代 近近 代代 現(xiàn)現(xiàn) 代代簡單機械：杠桿、車輪、滑輪、斜面、螺旋等。簡單機械：杠桿、車輪、滑輪、斜面、螺旋等。公元前公元前3000年，在修建金字塔的過程中，就使用了年，在修建金字塔的過程中，就使用了滾木來搬運巨石。滾木來搬運巨石。阿基米德用螺旋將水提升至高處，那就是今天的螺阿基米德用螺旋將水提升至高處，那就是今天的螺旋式輸送機的始祖。旋式輸送機的始祖。公元前公元前770年，中國開始使用失蠟鑄造方法鑄造青年，中國開始使用失蠟鑄造方法鑄造青銅器。銅器。 遠古時代公元一世紀 東漢“水排水排”用水力鼓風煉鐵，其中應用用水力鼓風煉鐵，其中應用了齒輪和連桿機構了齒輪和連桿機構古代中國 晉 代 “連

14、連 磨磨”用一頭牛驅動八臺磨盤，用一頭牛驅動八臺磨盤，其中應用了齒輪系。其中應用了齒輪系。中世紀 歐洲 用腳踏板驅動的用腳踏板驅動的加工木棒的車床加工木棒的車床中世紀 歐洲 利用曲軸的研磨機利用曲軸的研磨機13世紀以后，機械鐘表在歐洲發(fā)展起來。連桿機構、齒輪機構和凸輪機構等在古代機械中即已經有所應用。在達芬奇時代，現(xiàn)在最常用的一些機構型式即已基本知曉。近 代： 18世紀中葉 20世紀中葉 動力的變革動力的變革材料的變革材料的變革加工手段的變革加工手段的變革生產模式的變革生產模式的變革機構與傳動的變革機構與傳動的變革機械理論和設計方法的建立機械理論和設計方法的建立近代 動力的變革動力的變革176

15、5年，瓦特（年，瓦特（watt）發(fā)明了蒸汽機。）發(fā)明了蒸汽機。揭開了第一次工業(yè)革命的序幕。揭開了第一次工業(yè)革命的序幕。蒸汽機給人類帶來了強大的動力，各種由動力驅蒸汽機給人類帶來了強大的動力，各種由動力驅動的產業(yè)機械動的產業(yè)機械 紡織機、車床等，如雨后春筍般紡織機、車床等，如雨后春筍般出現(xiàn)。出現(xiàn)。古代機械的動力：人力、畜力和水力。古代機械的動力：人力、畜力和水力。動力制約了機械的發(fā)展。動力制約了機械的發(fā)展。首先是動力的變革推動了機械的飛速發(fā)展和廣泛首先是動力的變革推動了機械的飛速發(fā)展和廣泛應用。應用。蒸汽機無法實現(xiàn)小型化，所以在當時的工廠里采用集中驅動的方式。蒸汽機時代的紡織工廠蒸汽機時代的紡織

16、工廠蒸汽機皮帶天軸皮帶生產機械 2皮帶生產機械 1皮帶生產機械 319世紀，第二次工業(yè)革命世紀，第二次工業(yè)革命電動機和內燃機發(fā)明電動機和內燃機發(fā)明為汽車、飛機的為汽車、飛機的出現(xiàn)提供了可能性。出現(xiàn)提供了可能性。電力代替了蒸汽。電力代替了蒸汽。集中驅動被拋棄了，集中驅動被拋棄了，每臺機器都安裝了獨每臺機器都安裝了獨立的電動機。立的電動機。 與此同時，戴姆勒也發(fā)明與此同時，戴姆勒也發(fā)明出了他的第一輛四輪汽車。出了他的第一輛四輪汽車。 1886年，本茨發(fā)明的汽油發(fā)動年，本茨發(fā)明的汽油發(fā)動機為動力的三輪車被授予專利。機為動力的三輪車被授予專利。萊萊特特兄兄弟弟190319世紀中葉，發(fā)明了世紀中葉，發(fā)明

17、了煉鋼法煉鋼法，從那時一直到現(xiàn)在，從那時一直到現(xiàn)在，鋼鐵始終是制造機械最主要的材料。鋼鐵始終是制造機械最主要的材料。18世紀末，現(xiàn)代世紀末，現(xiàn)代車床車床的雛形在英國問世的雛形在英國問世;19世紀中葉世紀中葉, 通用機床通用機床的各種類型已大體齊備；的各種類型已大體齊備；19世紀末，世紀末，自動機床、大型機床自動機床、大型機床出現(xiàn)。出現(xiàn)。近代 材料的變革材料的變革近代 加工手段的變革加工手段的變革近代 生產模式的變化生產模式的變化社會需求日益增長。社會需求日益增長。 20世紀初葉，機械制造進入了世紀初葉，機械制造進入了大批量生產模式大批量生產模式的時代。標志：美國福特汽車的生產的時代。標志：美國

18、福特汽車的生產進行大批量生產的要求。進行大批量生產的要求。近代 機構與傳動的變革機構與傳動的變革 提高生產率的需要。提高生產率的需要。 基于動力的變革，大幅度提高機器的速度成為可能?；趧恿Φ淖兏?，大幅度提高機器的速度成為可能。 機器速度的提高是幾百年來未曾停遏的發(fā)展趨勢。機器速度的提高是幾百年來未曾停遏的發(fā)展趨勢。高速化高速化自動化自動化精密化精密化提高產品質量的需要。提高產品質量的需要?；诩庸に降奶岣?，提高機器的精度成為可能?；诩庸に降奶岣?，提高機器的精度成為可能。近代機械的發(fā)展趨向近代機械的發(fā)展趨向要求不斷完善已有的機構，要求不斷完善已有的機構，并發(fā)明出新的機構并發(fā)明出新的機構例

19、如：例如：18世紀，歐拉（世紀，歐拉（euler）首次提出采用漸開線作為齒輪的齒廓，首次提出采用漸開線作為齒輪的齒廓，從而使高速、大功率的機械傳動成為可能。從而使高速、大功率的機械傳動成為可能。 20世紀世紀各種大傳動比、結構緊湊的新型傳動，各種大傳動比、結構緊湊的新型傳動，高速的步進機構，高速的步進機構，精密的滾動螺旋傳動，精密的滾動螺旋傳動， 機構的創(chuàng)新一直到今天也沒有停止。機構的創(chuàng)新一直到今天也沒有停止。 機器的發(fā)展，呼喚著機械的理論和設計方法。機器的發(fā)展，呼喚著機械的理論和設計方法。牛頓經典力學的建立則為此準備了理論基礎。牛頓經典力學的建立則為此準備了理論基礎。近代 機械理論和設計方法

20、的建立機械理論和設計方法的建立材料學材料學強度理論強度理論運動學運動學靜力學靜力學動力學動力學牛頓經典力學牛頓經典力學機構結構學機構結構學機構運動學機構運動學機器靜力學機器靜力學機器要運動、要傳遞機器要運動、要傳遞力，因此，最先發(fā)展力，因此，最先發(fā)展起來的是：起來的是：材料學材料學強度理論強度理論運動學運動學靜力學靜力學動力學動力學牛頓經典力學牛頓經典力學機構結構學機構結構學機構運動學機構運動學機器靜力學機器靜力學機器動力學機器動力學隨著機器運轉速隨著機器運轉速度的不斷提高，度的不斷提高，機器的振動、速機器的振動、速度波動等問題引度波動等問題引起了人們的重視，起了人們的重視，機械動力學發(fā)展機械

21、動力學發(fā)展起來。起來。材料學材料學強度理論強度理論運動學運動學靜力學靜力學動力學動力學牛頓經典力學牛頓經典力學機構結構學機構結構學機構運動學機構運動學機器靜力學機器靜力學機器動力學機器動力學機械零件設計機械零件設計到到20世紀上半葉，機械設計的方法已基本形成。世紀上半葉，機械設計的方法已基本形成。但是，這些方法都基于圖解和手工計算。但是，這些方法都基于圖解和手工計算?，F(xiàn) 代： 20世紀中葉 計算機的發(fā)明計算機的發(fā)明 科學技術發(fā)展史上劃時代的大事?？茖W技術發(fā)展史上劃時代的大事?，F(xiàn)代機器的出現(xiàn)現(xiàn)代機器的出現(xiàn)計算機使機械設計方法面目一新計算機使機械設計方法面目一新現(xiàn) 代： 機器人的出現(xiàn)機器人的出現(xiàn)

22、隨著隨著計算機計算機和和伺服電機伺服電機的出現(xiàn)，的出現(xiàn)，機器人機器人作為作為現(xiàn)代機器的代表走上了歷史舞臺?，F(xiàn)代機器的代表走上了歷史舞臺。 工業(yè)機器人工業(yè)機器人 特種機器人特種機器人 工業(yè)機器人工業(yè)機器人：在工業(yè)生產中越來越廣泛地應：在工業(yè)生產中越來越廣泛地應用。用于搬運、裝配、焊接、噴漆、鑿巖等工用。用于搬運、裝配、焊接、噴漆、鑿巖等工作。作。清洗飛機的機器人隧道鑿巖的機器人第一汽車制造廠的汽車裝配生產線幾幾 種種工業(yè)機器人工業(yè)機器人特種機器人特種機器人：在潛水、管道修理、外科手：在潛水、管道修理、外科手術、生物工程、軍事、星際探索等領域應術、生物工程、軍事、星際探索等領域應用，承擔著許多由人的直接操作無法完成用，承擔著許多由人的直接操作無法完成的工作。的工作。水下掃雷機器人爬壁機器人幾種幾種特種機器人特種機器人 軍用昆蟲機器人爬纜索機器人數控車床 數控加工中心計算機控制系統(tǒng)和伺服電機被引入到傳統(tǒng)機器中來，計算機控制系統(tǒng)和伺服電機被引入到傳統(tǒng)機器中來，使其組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化。使其組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化?，F(xiàn)代機器向主動控制、信息化和智能化方向發(fā)展，現(xiàn)代機器向主動控制、信息化和智能化方向發(fā)展，從這個