《机械设计基础》第一章：概述

机械设计基础第1章概述§1-1本课程研究的对象§1-2机器的组成§1-3机械设计的基本要求§1-4机械设计的基本过程第1章概述§1-1本课程研究的对象机械是机器和机构的总称什么是机器呢？内燃机内燃机牛头刨床工业机器人可以用来转换能量、完成有用功或处理信息，以代替或减轻人的劳动。机器：是人为实物的组合体，是执行机械运动的装置，什么是机构？曲柄滑块机构齿轮机构凸轮机构能够实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构带传动和链传动机构螺旋机构组合机构常用的机构连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构螺旋机构直齿轮的啮合电影机构螺旋机构凸轮组合机构组合机构我们已经多次使用了“构件”这个术语。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。构件构件是运动的单元，而零件是制造的单元。构件零件构件是机器或机构中独立的运动单元通用零件中主要包括三大类零件：通用零件与专用零件各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。只在某一类机械中使用的零件称为专用零件。如内燃机中的活塞、曲轴等。此外:弹簧等零件。传动零件（齿轮、带、链等）联接零件（螺栓、键等）轴系零件（轴、轴承等）简单的机器，可能只含有一个机构,但一般都含有多个机构。机械:

机器和机构的总称。机器是由机构组成的。§1-2机器的组成传统机器都包含如下三个部分：驱动装置传动装置执行装置常称为原动机，是机器的动力来源。常用：电动机、内燃机、液压缸和气动缸，以各种电动机的应用最为普遍。处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的部分。执行装置随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。如牛头刨床、空气压缩机驱动装置传动装置执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。运动速度的转换运动形式的转换运动速度的转换许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。鼠笼式交流电动机的同步转速（r/min）

600750100015003000带、链传动、各种齿轮传动减速器例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般机器执行部分速度低于原动机的转速,需要减速。（也有相反的情况，需要增速）。运动形式的转换机器执行部分可能有各种运动形式：一般的原动机作回转运动变速回转往复摆动往复移动间歇运动特定轨迹转换运动形式的各种机构

间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构连杆机构

随着20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。驱动装置传动装置执行装置控制装置检测伺服电机的输出转角检测执行装置的运动输出由程序给定运动规律前馈控制反馈控制传感器传感器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。测量运动构件真实运动情况，并将测量结果随时反馈给控制系统发出指令调节伺服电机的运动驱动装置传动装置执行装置控制装置驱动装置传动装置执行装置传统机器现代机器普通车床牛头刨床空气压缩机起重机掘土机皮带运输机……机器人数控机床……心脏躯干，臂手脑眼§1-3机械设计的基本要求

功能性要求可靠性要求经济性要求社会性要求1．功能性要求例：牛头刨床机械的功能可表达为一个或几个功能指标。主要功能指标：被加工工件的尺寸范围；滑枕应具有若干种不同的往复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；应能保证一定的加工精度。

机械产品必须完成规定的功能。机械功能指标的确定：由用户提出，由设计者与用户协商确定机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。2．可靠性要求磨损曲轴折断潘存云教授研制齿轮损坏机械要传递力和力矩机械零件的内部和表面产生应力和变形有可能导致零件的失效

机械应能以一定的概率保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。

为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。3．经济性要求制造成本使用成本简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性成本

设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。

4．社会性要求所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。操作者的安全性和舒适性机械的造型和色彩美观、大方、宜人符合国家在环境保护方面的法规数控加工中心机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。对机械设计的四项基本要求功能性要求经济性要求可靠性要求社会性要求机械设计的完整过程投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段§1-4

机械设计的过程

提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达）可行性研究（重大问题应召开论证会）编制设计任务书投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段计划阶段

提出机械的工作原理（通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验）提出几种机械系统运动方案（进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的）确定出最佳总体方案（经过分析、对比和评价，作出决策）投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段方案设计阶段

运动学分析与设计工作能力分析与设计动力学分析与设计结构设计装配图和零件图的绘制投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段技术设计阶段

通过试制和试验，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段试制试验阶段

收集用户反馈意见，研究使用中发现的问题，进行改进。收集市场变化的情况，为可能提出新的设计计划准备资料。投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段投产以后计划阶段方案设计阶段试制试验阶段技术设计阶段投产以后学习方法以及对大家的期望注重对内容的理解多数公式不必死记硬背多观察、多思考，理论联系实际勤动手，学会查手册及时复习，按时、独立完成作业机械的发展历程机械设计及理论的发展历程古代近代现代§1-6

机械的发展历程概述阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。远古时代简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。公元前3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。用水力鼓风炼铁，其中应用了齿轮和连杆机构古代中国水排·东汉用一头牛驱动八台磨盘，其中应用了齿轮系。连磨·晋代用脚踏板驱动的加工木棒的车床中世纪欧洲利用曲轴的研磨机中世纪欧洲13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。

连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达•芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。近代：18世纪中叶－20世纪中叶动力的变革材料的变革加工手段的变革生产模式的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立近代—

动力的变革蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械—纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。1765年，瓦特（Watt）改良了蒸汽机。揭开了第一次工业革命的序幕。古代机械的动力：人力、畜力和水力。动力制约了机械的发展。

蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱动的方式。蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机皮带天轴皮带生产机械2皮带生产机械1皮带生产机械3……19世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明为汽车、飞机的出现提供了可能性。电力代替了蒸汽。集中驱动被抛弃了，每台机器都安装了独立的电动机。

与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。1886年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。莱特兄弟190319世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一直到现在，钢铁始终是制造机械最主要的材料。18世纪末，现代车床的雏形在英国问世;19世纪中叶,通用机床的各种类型已大体齐备；19世纪末，自动机床、大型机床出现。近代—

材料的变革近代—

加工手段的变革近代—

生产模式的变化社会需求日益增长。20世纪初叶，机械制造进入了大批量生产模式的时代。进行大批量生产的要求。近代—

机构与传动的变革

提高生产率的需要。基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。高速化自动化精密化提高产品质量的需要。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。近代机械的发展趋向要求不断完善已有的机构，并发明出新的机构例如：18世纪，欧拉（Euler）首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，从而使高速、大功率的机械传动成为可能。20世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，高速的步进机构，精密的滚动螺旋传动，

………

机构的创新一直到今天也没有停止。机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。近代—

机械理论和设计方法的建立材料学强度理论运动学静力学动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器要运动、要传递力，因此，最先发展起来的是：材料学强度理论运动学静力学动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学随着机器运转速度的不断提高，机器的振动、速度波动等问题引起了人们的重视，机械动力学发展起来。机器动力学材料学强度理论运动学静力学动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器动力学机械零件设计到20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。工程图学但是，这些方法都基于图解和手工计算。现代：20世纪中叶－

计算机的发明

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科学技术发展史上划时代的大事。现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新现代：机器人的出现

随着计算机和伺服电机的出现，机器人作为现代机器的代表走上了历史舞台。工业机器人特种机器人

工业机器人：在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。清洗飞机的机器人隧道凿岩的机器人第一汽车制造厂的汽车装配生产线几种工业机器人特种机器人：在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。水下扫雷机器人爬壁机器人几种特种机器人

军用昆虫机器人爬缆索机器人数控车床

数控加工中心计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。现代机器向主动控制、信息化和智能化