第1章 緒論

1.1 機械設計基礎課程的研究對象及內容

1.1.1 機械設計基礎課程的研究對象

1．機械

本課程的研究對象是機械，機械是機器和機構的總稱。

機械是伴隨人類社會的不斷進步逐漸發展與完善的。機械已經成為現代社會生產和服務的五大要素（人、資金、能量、材料、機械）之一。從廣義角度講，凡是能完成一定機械運動的裝置都是機械。

工程中，常把每一個具體的機械稱為機器。即談到具體的機械時，常使用機器這個名詞，泛指時則用機械來統稱。現代機器的含義是：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。坦克、導彈、汽車、飛機、輪船、車床、起重機、織布機、印刷機、包裝機等大量具有不同外形、不同性能和用途的設備都是具體的機器。

圖1.1（a）所示為一單缸四沖程內燃機，它是一種動力機械，通過使燃料在機器內部燃燒，將其放出的熱能直接轉換為動力；通過完成進氣、壓縮、燃燒、排氣的循環過程，把熱能轉換為機械能。

氣缸1中的活塞4向下移動，排氣閥門推桿5關閉，進氣閥門推桿7在凸輪8的控制下開啟，將氣體吸入氣缸，此過程為進氣沖程；活塞4向上移動時，進、排氣閥門均關閉，氣體受壓縮，此過程為壓縮沖程；壓縮沖程結束后，火花塞6利用高壓放電，使燃氣在氣缸中燃燒、膨脹，產生壓力推動活塞4向下移動，此過程為爆炸沖程；活塞4向下移動的同時，通過連桿3推動曲軸2轉動，向外輸出機械能；當活塞4再次上移時，進氣閥門推桿7繼續處于關閉狀態，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）所示為內燃機的機構簡圖，利用機構簡圖對內燃機進行分析和設計，大大簡化了設計工作。

活塞4的往復移動通過連桿3推動曲軸2連續旋轉，這種把活塞往復移動轉化為曲軸連續轉動的裝置為連桿機構。控制進、排氣閥運動的裝置稱為凸輪機構，把凸輪8、12的連續轉動變換為推桿7、5的往復移動。在四沖程的內燃機中，活塞往復移動四次，曲軸轉動兩周，進氣閥和排氣閥各啟閉一次，所以凸輪的轉數是曲軸轉數的1/2。即在曲軸和凸輪軸之間要設置減速齒輪9、10、11，稱為齒輪機構，可實現減速轉動的運動變換。

2．機器

1）機器的特征

由上述分析可以看出，從組成、運動和功能來看，機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件組合體；

（2）各個構件之間都具有確定的相對運動；

（3）能實現能量的轉換，并做有用的機械功。

凡同時具備上述三個特征的構件組合體就稱為機器。

2）機器的組成

機器是執行機械運動的裝置，用來完成有用的機械功或轉換其他能量為機械能。利用機械能來完成有用功的機器稱為工作機，如各種機床、軋鋼機、印刷機、紡織機、包裝機等。將化學能、水力、電能、風力等能量轉換為機械能的機器稱為原動機，如內燃機、電動機、渦輪機等。機器中還要有機械運動的傳遞裝置或機械運動形態的變換裝置，稱為機械傳動系統和工作執行系統，統稱機械運動系統；現代機器還必須有控制系統。圖1.2所示為機器的組成示意框圖。

3．機構與構件

機構是傳遞運動和動力的構件系統，由若干個構件通過一定連接方式組成，且各構件之間有確定的相對運動。每部機器又可分為一個或多個由若干構件（如齒輪、凸輪、連桿、曲軸等）組成的特定組合體，用來實現某種運動的傳遞或運動形式的變換。例如圖1.1中內燃機的連桿機構、凸輪機構和齒輪機構。

由此可見，機構是機器的重要組成部分，機構具有機器的前兩個特性，即：

（1）是一種通過加工制造和裝配而成的構件組合體。

（2）各個構件之間都具有確定的相對運動。

綜上所述，機構是組成機器的主體。機器是由一個或多個各種不同機構所組成，它可以完成能量的轉換或做有用的機械功，而機構則僅僅起著運動和動力的傳遞和變換的作用。或者說，機構是實現預期的機械運動的機件組合體，而機器則是由各種機構組成的，能實現預期機械運動并完成有用機械功或轉換機械能的機構系統。機構與機器的共同點都是實現機械運動的裝置，傳遞運動和動力，所以從運動學的觀點看，二者是一樣的；不同點是機構沒有能量的轉換和信息的傳遞。所以從機械運動的觀點看，機構與機器沒有本質區別，工程中將機構與機器統稱為機械。

構件是機構中的運動單元體，既可以是單一的整體，又可以是由幾個元素組合在一起形成的剛性構件。內燃機中，由氣缸1、曲軸2、活塞4和連桿3四個構件組成連桿機構，如圖1.1（b）所示。曲軸2是一個構件，也是一個零件；而連桿3是一個構件，是由連桿體1、連接螺栓2、螺母3、連桿頭4等多個零件剛性連接而成的組成體，形成一個剛性整體（如圖1.3所示），組成一個構件的各零件之間沒有相對運動。

機構中固接于定參考系的構件稱為機架（或固定件）；可相對于機架運動的構件稱為活動構件，其中按照給定運動規律獨立運動的構件稱為原動件（主動件），而其余活動構件稱為從動件。如圖1.1（b）所示連桿機構中，氣缸1為機架，活塞4為原動件，而連桿3和曲軸2為從動件。

需要說明的是，從現代機器發展趨勢來看，機構中的各構件可以是剛性的，某些構件也可以是撓性的或彈性的，或是由液壓、氣動、電磁件構成的。所以說，現代機器中的機構也不再是純剛性構件的機構。

4．零件

零件是組成構件或機構的制造單元。如內燃機曲軸，在內燃機的曲柄滑塊機構中是一個運動單元，也是一個制造單元，是構件，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動。零件是制造后沒有經過組裝的物體，因而是組成機器的最小制造單元。構件可以是若干零件的剛性組合體，也可以是單個零件，如一個齒輪既是一個零件，又是一個構件。

機械零件有通用零件和專用零件兩大類。通用零件是各類機械中常用的、按同一標準制造的零件，例如齒輪、軸承、螺栓、螺母等。專用零件是為特定機械特別制造的零件，例如，內燃機中的曲軸、活塞均屬于專用零件。

綜上所述，機器由機構組成，機構由構件組成，構件可以是單一的整體，也可以由若干個零件組成。機器和機構統稱為機械。構件和零件之間的主要區別是：構件是運動單元，零件是制造單元。

1.1.2 機械設計基礎課程的內容、特點和任務

機械設計基礎是研究有關“機械”基本理論的一門課程，其研究對象為機械。而機械又是機器和機構的總稱，所以說機械設計基礎是研究機器和機構基本理論的科學。隨著科學技術的飛速發展和各學科之間的融合與滲透，機械的內容不斷豐富，微小機械、微型機械、仿生機械、生物機械的出現，使機械設計基礎研究對象的含義不斷拓展。

1．機械設計基礎課程的內容

（1）機械傳動。平面機構的自由度、平面連桿機構、凸輪機構、齒輪傳動、蝸桿傳動、輪系、帶傳動。

（2）機械連接。螺紋連接、鍵連接、銷連接。

（3）軸系。滑動軸承、滾動軸承、軸、聯軸器、離合器。

（4）機械系統運動方案設計。

2．機械設計基礎課程的主要特點

（1）機械設計基礎課程是一門技術基礎課程，與基礎課程相比，它更接近工程實際；與專業課程相比，它有更寬的研究面和更廣的適應性。該課程起到承上啟下的作用。

（2）多學科知識的綜合運用。機械設計基礎是數學、物理學、理論力學、材料力學、工程圖學、機械制造基礎、金屬材料及熱處理、公差配合與技術測量等有關的技術基礎課程知識的綜合運用。

（3）設計步驟和設計結果的多樣性。考慮到機械設計的綜合性，設計者采用的設計步驟和設計結果都具有多樣性。

（4）設計方法的多樣性。在設計機構和零件的過程中，常常需要通過剛度、強度等方面的計算確定構件或零件的一些幾何尺寸參數，但計算并非設計的唯一方法和手段。根據給定的運動條件設計機構，常用的設計方法有解析法、實驗法和圖解法。設計機械、機構、部件和零件的過程中，還需綜合考慮結構、工藝、材料選擇和經濟性等各方面的因素。

3．機械設計基礎課程的主要任務

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

（2）掌握通用機械零件的工作原理、特點、應用和簡單設計計算方法，并初步具有選用和分析簡單機械傳動裝置的能力。

（3）具備運用標準、規范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力。

（4）培養創新、總結歸納、綜合運用所學的知識的能力。