普通高等院校机电工程类规划教材机械设计基础/郭润兰

第1章绪论 1.1机械设计基础课程的研究对象及内容 1.1.1机械设计基础课程的研究对象 1. 机械 本课程的研究对象是机械，机械是机器和机构的总称。 机械是伴随人类社会的不断进步逐渐发展与完善的。机械已经成为现代社会生产和服务的五大要素(人、资金、能量、材料、机械)之一。从广义角度讲，凡是能完成一定机械运动的装置都是机械。 工程中，常把每一个具体的机械称为机器。即谈到具体的机械时，常使用机器这个名词，泛指时则用机械来统称。现代机器的含义是： 机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。坦克、导弹、汽车、飞机、轮船、车床、起重机、织布机、印刷机、包装机等大量具有不同外形、不同性能和用途的设备都是具体的机器。 图1.1(a)所示为一单缸四冲程内燃机，它是一种动力机械，通过使燃料在机器内部燃烧，将其放出的热能直接转换为动力； 通过完成进气、压缩、燃烧、排气的循环过程，把热能转换为机械能。 图1.1内燃机及其机构简图 1—气缸； 2—曲轴； 3—连杆； 4—活塞； 5—排气阀门推杆； 6—火花塞； 7—进气阀门推杆； 8，12—凸轮； 9，10，11—减速齿轮 气缸1中的活塞4向下移动，排气阀门推杆5关闭，进气阀门推杆7在凸轮8的控制下开启，将气体吸入气缸，此过程为进气冲程； 活塞4向上移动时，进、排气阀门均关闭，气体受压缩，此过程为压缩冲程； 压缩冲程结束后，火花塞6利用高压放电，使燃气在气缸中燃烧、膨胀，产生压力推动活塞4向下移动，此过程为爆炸冲程； 活塞4向下移动的同时，通过连杆3推动曲轴2转动，向外输出机械能； 当活塞4再次上移时，进气阀门推杆7继续处于关闭状态，排气阀门推杆5在凸轮12的控制下打开，将废气排出，这一过程称为排气冲程。图1.1(b)所示为内燃机的机构简图，利用机构简图对内燃机进行分析和设计，大大简化了设计工作。 活塞4的往复移动通过连杆3推动曲轴2连续旋转，这种把活塞往复移动转化为曲轴连续转动的装置为连杆机构。控制进、排气阀运动的装置称为凸轮机构，把凸轮8、12的连续转动变换为推杆7、5的往复移动。在四冲程的内燃机中，活塞往复移动四次，曲轴转动两周，进气阀和排气阀各启闭一次，所以凸轮的转数是曲轴转数的1/2。即在曲轴和凸轮轴之间要设置减速齿轮9、10、11，称为齿轮机构，可实现减速转动的运动变换。 2. 机器 1) 机器的特征 由上述分析可以看出，从组成、运动和功能来看，机器具有以下共同的特征： (1) 是一种通过加工制造和装配而成的构件组合体； (2) 各个构件之间都具有确定的相对运动； (3) 能实现能量的转换，并做有用的机械功。 凡同时具备上述三个特征的构件组合体就称为机器。 2) 机器的组成 机器是执行机械运动的装置，用来完成有用的机械功或转换其他能量为机械能。利用机械能来完成有用功的机器称为工作机，如各种机床、轧钢机、印刷机、纺织机、包装机等。将化学能、水力、电能、风力等能量转换为机械能的机器称为原动机，如内燃机、电动机、涡轮机等。机器中还要有机械运动的传递装置或机械运动形态的变换装置，称为机械传动系统和工作执行系统，统称机械运动系统； 现代机器还必须有控制系统。图1.2所示为机器的组成示意框图。 图1.2机器的组成示意框图 3. 机构与构件 机构是传递运动和动力的构件系统，由若干个构件通过一定连接方式组成，且各构件之间有确定的相对运动。每部机器又可分为一个或多个由若干构件(如齿轮、凸轮、连杆、曲轴等)组成的特定组合体，用来实现某种运动的传递或运动形式的变换。例如图1.1中内燃机的连杆机构、凸轮机构和齿轮机构。 由此可见，机构是机器的重要组成部分，机构具有机器的前两个特性，即： (1) 是一种通过加工制造和装配而成的构件组合体。 (2) 各个构件之间都具有确定的相对运动。 综上所述，机构是组成机器的主体。机器是由一个或多个各种不同机构所组成，它可以完成能量的转换或做有用的机械功，而机构则仅仅起着运动和动力的传递和变换的作用。或者说，机构是实现预期的机械运动的机件组合体，而机器则是由各种机构组成的，能实现预期机械运动并完成有用机械功或转换机械能的机构系统。机构与机器的共同点都是实现机械运动的装置，传递运动和动力，所以从运动学的观点看，二者是一样的； 不同点是机构没有能量的转换和信息的传递。所以从机械运动的观点看，机构与机器没有本质区别，工程中将机构与机器统称为机械。 图1.3连杆 1—连杆体； 2—连接螺栓； 3—螺母； 4—连杆头 构件是机构中的运动单元体，既可以是单一的整体，又可以是由几个元素组合在一起形成的刚性构件。内燃机中，由气缸1、曲轴2、活塞4和连杆3四个构件组成连杆机构，如图1.1(b)所示。曲轴2是一个构件，也是一个零件； 而连杆3是一个构件，是由连杆体1、连接螺栓2、螺母3、连杆头4等多个零件刚性连接而成的组成体，形成一个刚性整体（如图1.3所示），组成一个构件的各零件之间没有相对运动。 机构中固接于定参考系的构件称为机架(或固定件)； 可相对于机架运动的构件称为活动构件，其中按照给定运动规律独立运动的构件称为原动件(主动件)，而其余活动构件称为从动件。如图1.1(b)所示连杆机构中，气缸1为机架，活塞4为原动件，而连杆3和曲轴2为从动件。 需要说明的是，从现代机器发展趋势来看，机构中的各构件可以是刚性的，某些构件也可以是挠性的或弹性的，或是由液压、气动、电磁件构成的。所以说，现代机器中的机构也不再是纯刚性构件的机构。 4. 零件 零件是组成构件或机构的制造单元。如内燃机曲轴，在内燃机的曲柄滑块机构中是一个运动单元，也是一个制造单元，是构件，也是零件。而组成连杆的连杆体、连杆头、连接螺栓及螺母则分别是不同的制造单元，均属于零件，各零件之间没有相对运动。零件是制造后没有经过组装的物体，因而是组成机器的*小制造单元。构件可以是若干零件的刚性组合体，也可以是单个零件，如一个齿轮既是一个零件，又是一个构件。 机械零件有通用零件和专用零件两大类。通用零件是各类机械中常用的、按同一标准制造的零件，例如齿轮、轴承、螺栓、螺母等。专用零件是为特定机械特别制造的零件，例如，内燃机中的曲轴、活塞均属于专用零件。 综上所述，机器由机构组成，机构由构件组成，构件可以是单一的整体，也可以由若干个零件组成。机器和机构统称为机械。构件和零件之间的主要区别是： 构件是运动单元，零件是制造单元。 1.1.2机械设计基础课程的内容、特点和任务 机械设计基础是研究有关“机械”基本理论的一门课程，其研究对象为机械。而机械又是机器和机构的总称，所以说机械设计基础是研究机器和机构基本理论的科学。随着科学技术的飞速发展和各学科之间的融合与渗透，机械的内容不断丰富，微小机械、微型机械、仿生机械、生物机械的出现，使机械设计基础研究对象的含义不断拓展。 1. 机械设计基础课程的内容 (1) 机械传动。平面机构的自由度、平面连杆机构、凸轮机构、齿轮传动、蜗杆传动、轮系、带传动。 (2) 机械连接。螺纹连接、键连接、销连接。 (3) 轴系。滑动轴承、滚动轴承、轴、联轴器、离合器。 (4) 机械系统运动方案设计。 2. 机械设计基础课程的主要特点 (1) 机械设计基础课程是一门技术基础课程，与基础课程相比，它更接近工程实际； 与专业课程相比，它有更宽的研究面和更广的适应性。该课程起到承上启下的作用。 (2) 多学科知识的综合运用。机械设计基础是数学、物理学、理论力学、材料力学、工程图学、机械制造基础、金属材料及热处理、公差配合与技术测量等有关的技术基础课程知识的综合运用。 (3) 设计步骤和设计结果的多样性。考虑到机械设计的综合性，设计者采用的设计步骤和设计结果都具有多样性。 (4) 设计方法的多样性。在设计机构和零件的过程中，常常需要通过刚度、强度等方面的计算确定构件或零件的一些几何尺寸参数，但计算并非设计的唯一方法和手段。根据给定的运动条件设计机构，常用的设计方法有解析法、实验法和图解法。设计机械、机构、部件和零件的过程中，还需综合考虑结构、工艺、材料选择和经济性等各方面的因素。 3. 机械设计基础课程的主要任务 (1) 掌握常用机构的结构、特性等基本知识，并初步具有选用、分析基本机构的能力。 (2) 掌握通用机械零件的工作原理、特点、应用和简单设计计算方法，并初步具有选用和分析简单机械传动装置的能力。 (3) 具备运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。 (4) 培养创新、总结归纳、综合运用所学的知识的能力。 1.2机械设计的基本要求和一般程序 1.2.1机械设计的基本要求