1.1　機械設計基礎概述

機械設計基礎課程是機械工程及其自動化、機械設計制造及自動化專業以及許多機類和近機類專業的主要課程之一，也是一些非機類專業的必修課或選修課。該課程是機械原理與機械零件的有機整合，旨在教授學生機械設計基礎知識，培養相關能力，提高學生的工程素質。課程基礎性強、覆蓋專業面較廣，對培養學生綜合設計能力，有十分重要的作用。

1.1.1　機械設計基礎課程的內容、性質和要求

本小節介紹機械設計基礎課程的主要內容、在專業教學計劃中的性質、地位和學習后要達到的基本要求。

1.機械設計基礎課程的內容

本課程主要討論機械設計的常用方法和一般過程；機械傳動中常用機構的幾何尺寸計算、運動學分析和動力學分析；常用機構的一般設計方法；通用機械零件的失效分析、強度計算和常用標準零件的選用等問題。

2.機械設計基礎課程的性質

本課程是一門機械類專業和近機類專業必修的技術基礎課，其先修課程為機械制圖、高等數學、機械工程材料、工程力學。同時本課程還為后續的專業課程如：機械制造基礎、機電一體化技術和內燃機原理機等提供基礎知識，也為解決一般的機械方面的生產實際問題獲取必要知識。通過對本課程的學習使學生掌握機械設計的一般規律、基本理論與設計方法，初步具備機械工程技術人員應具有的基本技能和獨立完成一般機械的設計能力。

3.機械設計基礎課程的要求

通過學習本課程，應達到以下基本要求。

（1）熟悉常用機構的工作原理，運動特性、幾何尺寸計算，學會設計簡單機械。

（2）了解機械的平衡與調速。

（3）掌握一般機械傳動中通用機械零件的工作原理、幾何尺寸計算、強度計算、結構設計和選用方法等。

（4）學會使用相關手冊和標準，能進行通用零件和簡單機械傳動裝置的設計和計算。

1.1.2　機器的組成及其特征

機器對于我們并不陌生，從家用的洗衣機、自行車，旅行時乘坐的汽車、火車、飛機，到建筑用的推土機、吊車，加工用的車床、銑床、刨床等都是機器。雖然機器種類繁多，機器的用途和結構各不相同，但組成機器的常用機構是有限的，本課程的機械原理部分就是要通過分析和綜合這些機構，以此研究各種機構和機器所具有的一般共性問題。

1.機器

盡管各種機器的組成、功能和運動特點不盡相同，但它們都具有如下三個共同特征：

（1）機器是人為的實物組合；

（2）機器各部分之間具有確定的相對運動；

（3）機器具有確定的功能，可以用來轉換能量、傳遞信息、做有用功，以代替或者減輕人類的勞動。

圖1.1為空氣壓縮機工作原理圖，它將機械能轉換成氣體的勢能。壓縮機的動力來自曲軸8，通過連桿7將曲軸8的旋轉運動轉變成滑塊的往復運動，并通過連接桿4帶動活塞3作往復運動。當活塞3從左向右運動時，氣缸2內的氣腔容積增大，腔內壓力低于進氣口壓力，此時進氣閥9打開，排氣閥1關閉，壓力較低的外部氣體充滿氣腔；當活塞3從右向左運動時，彈簧10使進氣閥9關閉，此時氣處于密閉狀態，隨著運動的繼續，腔內氣體受到壓縮使壓力增高，當腔內壓力大于排氣口壓力p時，排氣口1打開，壓力較高的壓縮空氣向外排出。

在圖1.1中，滑塊5、機架6、連桿7、曲軸8組成了一個機構，它們將曲軸的旋轉運動轉變成為滑塊的往復運動，這種機構稱為曲柄滑塊機構。

圖1.2為單缸四沖程內燃機結構圖，它由氣缸體1，曲軸2，連桿3，活塞4，排氣閥5，火花塞6，進氣閥7，頂桿8，齒輪9、10、11，凸輪12等組成。燃氣推動活塞作往復移動，經連桿轉變為曲軸的連續轉動。凸輪和頂桿是用來啟閉進氣閥和排氣閥的。為了保證曲軸每轉兩周進、排氣閥各啟閉一次，曲軸與凸輪軸之間安裝了齒數比為1∶2的齒輪。其運動關系如圖1.3所示。這樣，當燃氣推動活塞運動時，各構件協調地動作，進、排氣閥有規律地啟閉，加上點火裝置的配合，就把熱能轉換為曲軸回轉的機械能。

內燃機中主要包含了以下機構：

（1）曲柄滑塊機構　由曲軸2（曲柄）、連桿3、活塞4（滑塊）和氣缸體1（機架）組成，活塞為主動件，曲軸為從動件，其功用為將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，用于實現移動與轉動之間的運動變換，完成做功、吸氣、壓縮、排氣等工作過程所需的運動。

（2）凸輪機構　由凸輪12、頂桿8和機架（氣缸體）組成，兩套凸輪機構相差一定的相位，分別控制進、排氣閥的動作。

（3）齒輪機構　由小齒輪10、大齒輪9、11組成，其傳動比為2。用于保證進氣閥、排氣閥和活塞之間形成一定的運動規律（曲軸每轉兩周進、排氣閥各啟閉一次）。

另外，內燃機的工作循環包括進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。這四個沖程中，只有一個沖程做功，因此，單缸四沖程內燃機的運轉不平穩，常在曲軸上安裝一個具有很大轉動慣量的圓盤，稱之為“飛輪”，其目的是減少速度波動。

如上所介紹的各種類型機器中可以看出，盡管其用途和結構各不相同，機器的主體部分都是由各種運動構件組成的。根據工作類型或用途的不同，機器可分為動力機器、加工機器、運輸機器和信息機器。

動力機器的用途是轉換機械能。將機械能轉換為其他形式能量的機器稱為換能機，如空氣壓縮機（見圖1.1）。將其他形式的能量轉換為機械能的機器稱為原動機，如蒸汽機、內燃機（見圖1.2）、電動機等。

加工機器用來改變被加工對象的尺寸、形狀、性質或狀態，如金屬加工機床、紡織機、軋鋼機、包裝機等。

運輸機器用來搬運物品和人，如汽車、飛機、起重機、運輸機。加工機器和運輸機器都要完成有用功。

信息機器的功能是處理信息，完成信息的傳遞與變換，例如復印機、打印機、照相機等。信息機器雖然也作機械運動，但其目的是處理信息，而不是完成有用的機械功，因而其所需的功率較小。

2.機構

在工程力學中我們對一些機構的運動學、動力學問題進行過研究，而上面提到的曲柄滑塊機構、齒輪機構、凸輪機構等組成了機器。那么什么是機構呢？

用來傳遞運動和力的、有一個構件為機架的、用構件間能夠相對運動的連接方式組成的構件系統稱為機構。

機構所涉及的基本單元是構件，如曲軸、連桿、滑塊等，它們具有各自的運動特征。如圖1.4所示為內燃機的連桿，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構成。這些零件之間沒有相對運動，它們是作為一個整體來運動的。構件和我們常用的另一個術語——“零件”有所不同。構件是運動的單元，而零件是制造的單元。構件可以是由一個零件組成的，也可以是由多個沒有相對運動的零件組成的。

機構具有以下兩個特征：

（1）機構是人為的實物組合；

（2）機構各部分之間具有確定的相對運動。

由此可見，機構具有機器的前兩個特征。

機器是由各種機構組成的，它可以完成能量的轉換或做有用的機械功，而機構則僅僅起著傳遞運動和力的作用。也就是說，機構是實現預期機械運動的實物組合體，而機器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。由于機構具有機器的前兩個特征，所以從結構和運動的觀點來看，兩者之間并無區別，傳統上認為，機械是機器和機構的總稱，將機器和機構均用“機械”來表示。

3.現代機械的組成

隨著科技的發展，機械的內涵不斷變化。機電一體化已成為現代機械的最主要特征，機電一體化拓展到光、機、電、聲、控制等多學科的有機融合。現代機械系統綜合運用了機械工程、控制系統、電子技術、計算機技術和電工技術等多種技術，是將計算機技術融合于機械的信息處理和控制功能中，實現機械運動、動力傳遞和變換，完成設定的機械運動功能的機械系統。就功能而言，一臺現代化的機械包含四個組成部分。

（1）動力部分　其作用是向機器提供動力，稱為原動機，可采用人力、畜力、液力、電力、熱力、磁力、壓縮空氣等作為動力源。其中以利用電力（電動機）和熱力（內燃機）的原動機應用最為廣泛。

（2）執行系統　執行系統是直接完成機器功能的部分，按照工藝要求完成確定的運動，其動力由原動機通過傳動系統提供。因此，在機器中，執行系統處于整個傳動路線的終端，執行系統的工作原理和結構隨機器的用途不同而不同，它屬于各種專業機械課程研究的內容。

（3）傳動部分　傳動部分介于驅動部分和執行部分之間。將原動機的運動和動力傳遞給執行裝置，并實現運動速度和運動形式的轉換。例如，電動機都是作回轉運動，而機器的執行部分則可能有各種運動形式，如回轉、往復擺動、往復移動、間歇運動等，還有的執行部分要走出一定的軌跡，這就需要實現運動形式轉換的各種機構，即傳動部分。另外，一般原動機的轉速都比較高，而機器的執行部分速度則各不相同，而且許多機器還需要執行裝置可以有多種不同的速度，這就需要實現速度變換的機構，此亦為傳動部分。從上一節的實例中可以清楚地看出，連桿機構、凸輪機構、棘輪機構可用來實現運動形式的轉換，而齒輪機構和帶傳動則用來實現速度變換。

（4）控制部分　它的作用是控制機器各部分的運動，處理機器各組成部分之間的工作協調。以及與外部其他機器或原動機之間的關系協調。例如各種傳感器收集信息，輸入計算機進行處理，并向機器各個部分發指令等。隨著現代機械設備自動化程度的提高，控制部分將變得越來越重要。

圖1.5所示為工業機器人的構造，工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。執行機構由多個剛性的桿件所組成，各桿件間由運動副相連（在機器人學中，通常稱這些運動副為關節），使得相鄰桿件間能產生相對運動。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。