機械工程概述課件

1、第一章 機械工程概述第一章 機械工程概述1.1 科學(xué)和工程 1.1.1 科學(xué)的基本概念 科學(xué)在不同時期、不同場合有不同意義，科學(xué)本身在發(fā)展，人們對它的認(rèn)識也在不斷深化。 一、來源:科學(xué)是對客觀事物發(fā)展規(guī)律的正確認(rèn)識和總結(jié)二、屬性:科學(xué)是關(guān)于自然、社會和思維的知識體系三、用途:科學(xué)是征服自然、改造社會的武器第一章 機械工程概述1.1.2 工程的概念 工程就是應(yīng)用科學(xué)知識使自然資源最佳地為人類服務(wù)的一種專門技術(shù)。 它是為了滿足特定的社會需要，由具有專門知識和技能的人所從事的研究、開發(fā)、設(shè)計、創(chuàng)造和使用具備特定功能的產(chǎn)品(包括人工過程)的活動過程，以及這種過程所使用和創(chuàng)造的各種手段、知識和規(guī)則的總和

2、。 第一章 機械工程概述1.1.3 工程的基本特點 第一與科學(xué)研究相比，工程技術(shù)的顯著特點是實用性。 科學(xué)研究的任務(wù)是探索真理，增加人類的知識財富； 工程技術(shù)的任務(wù)則是控制、利用和改造客觀世界，增加人類的物質(zhì)財富；科學(xué)知識力求反映客觀真理，并且越精確越好。 第二，與生產(chǎn)活動相比，工程技術(shù)的特點是其成果的信息形式。 第三，工程技術(shù)具有更大的經(jīng)驗性。 第四，工程技術(shù)具有高度的綜合性。它不僅與某一門科學(xué)有關(guān)，而且要運用多學(xué)科的綜合知識，涉及到經(jīng)濟的、社會的、法律的、環(huán)境的、心理的和生理的因素。 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.1 機械 機械是現(xiàn)代社會進行生產(chǎn)和服務(wù)的六大要素(即人、

3、資金、信息、能量、材料和機械)之一，并且能量和材料的生產(chǎn)還必須有機械的參與。所謂的機械就是機器和機構(gòu)的總稱。機器在我們生活中有很多，如內(nèi)燃機、發(fā)電機、電梯、機器人及各種機床等。圖1-1 畫像機器人第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.1 機械 盡管機器品種繁多，形式多樣，用途各異，但都具有如下特征： 1都是有許多構(gòu)件組合而成。 2組成機器的各運動實體之間有確定的相對運動關(guān)系。 3能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，代替或減輕人的勞動，完成有用的機械功。 凡具備上述三個特征的實體組合體稱為機器。 所謂機構(gòu)，就是具有確定相對運動的各種實物的組合，即符合機器的前兩個特征。 機構(gòu)主要用來傳遞和變換運動，而機

4、器主要用來傳遞和變換能量，從結(jié)構(gòu)和運動學(xué)的角度分析，機器與機構(gòu)之間并無區(qū)別。 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.1 機械 機器是由若干不同零件組裝而成。 零件是組成機器的基本要素，即機器的最小制造單元。 各種機器經(jīng)常用到的零件稱為通用零件，如螺釘、螺母、軸、齒輪、彈簧等。 在特定的機器中用到的零件稱為專用零件，如汽輪機中的葉片、起重機的吊鉤、內(nèi)燃機中的曲軸、連桿、活塞等。 構(gòu)件是機器的運動單元，一般由若干個零件剛性聯(lián)接而成，也可以是單一的零件。第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.1 機械 一部完整的機器基本上有原動機、工作機和傳動裝置三部分組成： 1原動機 是機器

5、的動力來源。常用的原動機(發(fā)動機)有電動機、內(nèi)燃機及液壓機等。 2工作機 處于整個機械傳動路線終端，是完成工作任務(wù)的部分。 3傳動裝置 介于動力部分與工作部分之間，主要作用是把動力部分的運動和動力傳遞給工作部分的中間環(huán)節(jié)。但也有一些機器動力部分和工作部分直接相連。 較復(fù)雜的機器還包括控制部分，如控制離合器、制動器、變速器等，能夠使機器的原動部分、傳動裝置和工作部分按一定的順序和規(guī)律運動，完成給定的工作循環(huán)。 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.2 機械工程 機械工程是以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合在生產(chǎn)實踐中積累的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、運用和修

6、理各種機械中的全部理論和實際問題的一門應(yīng)用學(xué)科。 機械的種類繁多，根據(jù)用途不同，可分為： l動力機械，如電動機、內(nèi)燃機、發(fā)電機、液壓機等，主要用來實現(xiàn)機械能與其他形式能量間的轉(zhuǎn)換。 2加工機械，如軋鋼機、包裝機及各類機床，主要用來改變物料的結(jié)構(gòu)形狀、性質(zhì)及狀態(tài)。 3運輸機械，如汽車、飛機、輪船、輸送機等，主要用來改變?nèi)嘶蛭锪系目臻g位置。 4信息機械，如復(fù)印機、傳真機、攝像機，主要用來獲取或處理各種信息。 風(fēng)力水車熱機熱機是利用燃料燃燒時產(chǎn)生的能量對外做功的機器。是依靠由某些熱力學(xué)過程組成的特定熱力學(xué)循環(huán)進行工作的。內(nèi)燃機內(nèi)燃機是熱機的一種，能將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化機械能。一般的實現(xiàn)方式為，燃料與空

7、氣混合燃燒，產(chǎn)生熱能，氣體受熱膨脹，通過機械裝置轉(zhuǎn)化為機械能對外做功。內(nèi)燃機有非常廣泛的應(yīng)用，汽車、船舶、飛機、火箭等的發(fā)動機基本都是內(nèi)燃機，其最常見的例子即為車用汽油機與柴油機。內(nèi)燃機的燃燒氣體同時也是工作介質(zhì)，比如汽油機中，汽油燃燒后的氣體直接推動活塞做功。與此相對，燃料不作為工作介質(zhì)的熱機則稱為外燃機，比如蒸汽機的工作介質(zhì)（蒸氣）并不是燃料。 蒸汽機蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復(fù)式動力機械。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原動機，后來才逐漸讓位于內(nèi)燃機和汽輪機等。1 汽輪機汽輪機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。又稱蒸汽透

8、平。主要用作發(fā)電用的原動機，也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要 。 發(fā)電機發(fā)電機，1831年9月23日由法拉第發(fā)明，是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的電機。通常由汽輪機、水輪機或內(nèi)燃機驅(qū)動。電能是現(xiàn)代社會最主要的能源之一。 電動機電動機（Motors）是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，它是利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象制成，分布于各個用戶處，電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成。通電導(dǎo)線在

9、磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關(guān)。 液壓機液壓機是一種以液體為工作介質(zhì)，根據(jù)帕斯卡原理制成的用于傳遞能量以實現(xiàn)各種工藝的機器。液壓機一般由本機（主機）、動力系統(tǒng)及液壓控制系統(tǒng)三部分組成。液壓機分類有閥門液壓機，液體液壓機，工程液壓機。 內(nèi)燃機發(fā)電機電動機液壓機工作機工作機外燃機第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程 1.2.3 機械工程的發(fā)展過程 人類成為“現(xiàn)代人”的標(biāo)志是制造工具。 最早的人造材料是陶瓷。 幾千年前，人類已創(chuàng)造了例如用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨用來提水的桔槔(jigo和轆轤l lu，裝有輪子的車航行于江河的船及其槳、槽、舵等。所用的動力，從人自身的

10、體力，發(fā)展到利用畜水、水力和風(fēng)力。 15-16世紀(jì)以前，機械工程的發(fā)展非常緩慢。18世紀(jì)后期，蒸汽機的應(yīng)用從采礦業(yè)推廣到紡織、食品、冶金等行業(yè)，促進了機械工程的大發(fā)展，并逐漸發(fā)展成為一門有理論指導(dǎo)的、系統(tǒng)的較獨立的工程技術(shù)。機械工程是促成1819世紀(jì)的工業(yè)革命以及資本主義機械大生產(chǎn)的主要技術(shù)因素。第一章 機械工程概述圖1-2 中國第一臺蒸汽機(1863年七月在安徽安慶誕生) 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程 1.2.3 機械工程的發(fā)展過程 一、動力機械的發(fā)展 18世紀(jì)初出現(xiàn)了T紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅(qū)動礦井排水泵。但是這種蒸汽機的燃料消耗率很高，基本上只能用于煤礦。 1765年J

11、瓦特發(fā)明了有分開凝汽器的蒸汽機，降低了燃料消耗率。 1781年瓦特又創(chuàng)造出提供回轉(zhuǎn)力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應(yīng)用范圍。蒸汽機的發(fā)明和發(fā)展，使礦業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和航運都得以機械動力化。 蒸汽機幾乎是19世紀(jì)惟一的動力源。 19世紀(jì)末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動機已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機，成為驅(qū)動各種工作機械的基本動力。 19世紀(jì)后期發(fā)明的內(nèi)燃機經(jīng)過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時啟動的原動機。內(nèi)燃機和以后發(fā)明的燃氣輪機、噴氣發(fā)動機的發(fā)展，還是飛機、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。燃氣輪機燃氣渦輪發(fā)動機（Gas turbine engine或Combustion turbine e

12、ngine）或稱燃氣輪機，是屬于熱機的一種發(fā)動機。燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼，基本原理大同小異，包括渦輪噴射引擎等等都包含在內(nèi)。而一般所指的燃氣渦輪引擎，通常是指用于船舶（以軍用作戰(zhàn)艦艇為主）、車輛（通常是體積龐大可以容納得下燃氣渦輪機的車種，例如坦克、工程車輛等）、發(fā)電機組等的。與推進用的渦輪發(fā)動機不同之處，在于其渦輪機除了要帶動壓縮機外，還會另外帶動傳動軸，傳動軸再連上車輛的傳動系統(tǒng)、船舶的螺旋槳或發(fā)電機等。 熱機熱機是利用燃料燃燒時產(chǎn)生的能量對外做功的機器。是依靠由某些熱力學(xué)過程組成的特定熱力學(xué)循環(huán)進行工作的。 噴氣發(fā)動機噴氣發(fā)動機（Jet engine）是一種通過加速和排出的高速流體

13、做功的熱機或電機，使燃料燃燒時產(chǎn)生的氣體高速噴射而產(chǎn)生動力。 大部分噴氣發(fā)動機都是依靠牛頓第三定律工作的內(nèi)燃機。 第一章 機械工程概述 圖1-3 瓦特旋轉(zhuǎn)式蒸汽機 圖1-4 空氣噴氣發(fā)動機和火箭第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程 1.2.3 機械工程的發(fā)展過程 二、機械加工技術(shù)的發(fā)展 1、加工對象 工業(yè)革命以前，機械大都是木結(jié)構(gòu)的，由木工手工制成。金屬(主要是鋼、鐵)僅是木結(jié)構(gòu)機械上的小零件。金屬加工主要依靠機匠的精工細作，以達到需要的精度。 隨著蒸汽機動力裝置的推廣，以及隨之出現(xiàn)的礦山、冶金、輪船、機車等大型機械的發(fā)展，需要成形加工的金屬零件越來越多、越來越大，要求的精度也越來越高。

14、應(yīng)用的金屬材料從銅、鐵發(fā)展到以鋼為主。 2、加工方法和加工設(shè)備 機械加工包括：鑄造、緞壓、鈑金工、焊接、熱處理等技術(shù)及其裝備，以及切削加工技術(shù)和機床、刀具、量具等。第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程 1.2.3 機械工程的發(fā)展過程 二、機械加工技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì)中、后期，機械加工的主要特點是： 不斷提高機床的加工速度和精度，減少對手工技藝的依賴； 發(fā)展精密切削加工工藝； 提高成形加工、切削加工和裝配的機械化和自動化程度。自動化從機械控制的自動化發(fā)展到電氣控制的自動化和計算機程序控制的完全自動化，直至無人車間和無人工廠； 利用數(shù)字控制機床、加工中心、成組技術(shù)等，發(fā)展柔性加工系統(tǒng)，使中小

15、批量、多品種生產(chǎn)的生產(chǎn)效率提高到近于大量生產(chǎn)的水平； 研究和改進難加工的新型金屬和非金屬的成形和切削加工技術(shù)。第一章 機械工程概述圖1-圖1-5 電動機裝配生產(chǎn)線圖1-第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程 1.2.3 機械工程的發(fā)展過程 三、機械工程基礎(chǔ)理論的發(fā)展 18世紀(jì)以前，機械匠師全憑經(jīng)驗、直覺和手藝進行機械制作，與科學(xué)幾乎不發(fā)生聯(lián)系。 內(nèi)燃機最重要的理論基礎(chǔ)是法國的羅沙在1862年創(chuàng)立的，1876年NA奧托應(yīng)用羅沙的理論，徹底改進了它原來的粗陋笨重、噪聲大、熱效率低的內(nèi)燃機，從而奠定了內(nèi)燃機的地位。 早在公元前，中國已在指南針上應(yīng)用復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)。 古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和

16、蝸桿傳動的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動瞬時速比與齒輪的關(guān)系相齒形曲線的選擇，直到17世紀(jì)之后方有理論闡述。機構(gòu)學(xué)作為一個專門學(xué)科遲至19世紀(jì)初才第一次被列入高等工程學(xué)院(巴黎的工藝學(xué)院)的課程。第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.3 機械工程的發(fā)展過程三、機械工程基礎(chǔ)理論的發(fā)展 機械工程的工作對象是動態(tài)的機械。與靜態(tài)結(jié)構(gòu)為工作對象的土木工程相比，機械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機械工程只運用簡單的理論概念，結(jié)合實踐經(jīng)驗進行工作。設(shè)計計算多依靠經(jīng)驗公式；為保證安全，都偏于保守。結(jié)果，制成的機械笨重而龐大，成本高，生產(chǎn)串低，能量消耗很大。 從18世紀(jì)起，設(shè)計計算從兩個

17、方面不斷提高了精確度： (1)在材料強度方面，從早期按靜強度除以安全系數(shù)的粗糙計算，提高到考慮材料的疲勞(19世紀(jì)后半期)；從一律按材料的無限疲勞壽命進行設(shè)計，改為按照實踐要求的壽命進行有限壽命設(shè)計(20世紀(jì)前半期)；從認(rèn)為材料原則上不能有裂紋，發(fā)展到以斷裂力學(xué)理論為依據(jù)考慮裂紋材料的強度和壽命。 (2)機械結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方面，從應(yīng)用經(jīng)驗公式和簡化的力學(xué)分析來確定各種受力和力矩，發(fā)展到應(yīng)用復(fù)雜的力學(xué)分析和數(shù)學(xué)計算方法。 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.4機械工程的展望一、機械工程與人類的生存環(huán)境 工程技術(shù)的發(fā)展在提高人類的物質(zhì)文明和生活水平的同時，也對自然環(huán)境起了破壞作用。2

18、0世紀(jì)中期以來暴露出來的嚴(yán)重問題有兩個方面：資源(其中最嚴(yán)重的是能源)的大量消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染。 機械工程一向以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性，即以提高人類的近期利益為目標(biāo)來研究和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標(biāo)任務(wù)。 圖1-6 新能源汽車 第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.4機械工程的展望二、機械工程與人工智能 機械工程是傳統(tǒng)的工程技術(shù)、機械可以完成人用雙手和雙目以及雙足雙耳直接完成或不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。 現(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機械相機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人工智能與機械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系。其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。 過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應(yīng)速度和操作精度受到進化很饅的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制。人工智能的發(fā)展在很大程度上消除了這個限制。第一章 機械工程概述1.2 機械與機械工程1.2.4機械工程的展望三、機械工程的專業(yè)化和綜合化 19世紀(jì)時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的