《机械基础（多学时）》绪 论

绪论人类生活的不断改善与机械工业的发展紧密相连。机械是机器和机构的统称。机械零件的承载能力包含强度、刚度、耐磨性等各个方面。机械零件最常用的材料为金属材料。机械零件的加工工艺性对其结构设计影响很大。机械零件在相对运动中会产生摩擦、磨损的情况，润滑是减少摩擦、磨损最有效的方法。第1节机械发展的历史回顾第2节机器的组成第3节机械零件的承载能力与强度第4节机械零件材料与结构工艺性第5节摩擦、磨损及润滑概述第6节课程的性质、任务及学习要求

第1节机械发展的历史回顾人类通过长期生产实践创造和发明了各种机械，用以减轻人类的体力劳动，提高劳动生产率，完成各种复杂的工作。人们很早以前就开始使用简单的纺织机械；西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车（图0-1）；东汉张衡发明的候风地动仪（图0-2）是世界上第一台地震仪。图0-1记里鼓车图0-2候风地动仪18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次工业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、蒸汽动力车（图0-3）、火车。

哈格里沃斯发明的“珍妮纺纱机”图0-3法国古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车（图0-4）、飞机等运输工具的出现和发展。图0-41898年问世的“雷诺”牌汽车现代汽车

圣路易斯“精神”号飞机

美国西科斯基公司生产的“黑鹰”直升机20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人（图0-5），航空航天海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等。图0-5利用机械臂维修“哈勃”空间望远镜国际太空站航天飞机随着智能机械、微型机构、仿生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础学科知识。用光刻技术做成的微米尺寸的微机械用光刻技术做成的微米尺寸的微机械机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。从早年的记里鼓车、候风地动仪，近代的汽车、轮船，到现代的机器人、航天器，机械不断更新换代，发展日新月异，在生产力发展中一直扮演着重要角色。不论传统产业还是新兴产业，其进步与发展都离不开机械技术的支持。机械是国民经济发展的基础技术，是衡量国家经济实力和科技水平的重要标志。第2节机器的组成2.1机器、机构

在人们的生产和生活中，广泛使用着各种机器。如图所示0-6示的颚式破碎机，在电动机的轴上安装V带轮,通过V带驱动大轮,偏心轴随之转动,使动颚板(动颚板连在肘板上)产生摆动,从而破碎置于动颚板与定颚板间的物料。大带轮电动机V带小带轮定颚板动颚板偏心轴肘板工作过程如下：电动机带传动偏心轴转动动颚板摆动，与定颚板一起压碎物料机器是由机构组成的，它用来转换能量，改变或传递物料和处理信息，以代替和减轻人的体力和脑力劳动。上例中的颚式破碎机就是机器。机构是实现传递机械运动和动力或改变机械运动形式的构件组合体。例如我们在工程上或生活中常见的齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、带传动和链传动机构等。机构是机器的重要组成部分，用以实现机器的动作要求。一部机器可能只包含有一个机构，也可由若干个机构所组成。机器与机构的根本区别在于：机构的主要职能是传递运动和动力，而机器的主要职能除传递运动和动力外，还能转换机械能或完成有用的机械功。机械是机器和机构的统称。2.2构件、零件组成机械的相对运动的单元体称为构件，构件可以是一个独立的零件,如曲轴（图0-7），也可以是由几个零件刚性地连接组成的，如内燃机连杆（图0-8），由连杆体1、轴套2、螺母3、连杆头4、轴瓦5等组成。

12543图0-7曲轴图0-8内燃机连杆从制造的角度看,机器是由若干零件组成的,零件是最小的制造单元。较复杂的机器是先由零件组装成部件,再由零件和部件组装成机器。零件分为通用零件和专用零件。在各种机械中普遍使用的零件称为通用零件。通用零件分为：连接零件——螺栓、键、花键、销；传动零件——齿轮、蜗杆、带、链；轴系零件——轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器；其他零件——弹簧、机架。

只在某种机器中使用的零件称为专用零件，如活塞、曲轴、风扇叶片等。

构件与零件的根本区别在于：构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。这些自由分散的零件，一旦按照一定的方式和规则组合到一部机器中，它们就成为机器上不可或缺的一部分，发挥着各自的作用。特别是一些关键零部件，决定着整个机器的性能。2.3现代机器从大的方面看，机器由三个部分所组成，即原动机部分、传动部分和执行部分。伴随着科技的发展，一个重要的趋势就是各个学科领域之间的相互渗透和融合。如今在机械工程领域，自动控制、电子技术和计算机技术等地应用日益广泛和深入，因此从某种意义上来说：现代的机械系统应该是机电一体化的系统。一个现代化的机器包括五个方面，即：原动机部分、传动部分、执行部分、控制部分和辅助系统。轿车就是一个典型的现代机器，如图0-9所示。电动机内燃机控制部分原动机部分传动部分执行部分辅助系统机、电、液、气、计算机综合控制传递运动和动力机箱、润滑、照明等直接完成工作任务图0-9现代机器的组成第3节机械零件的承载能力与强度3.1机械零件的承载能力机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。在不发生失效的条件下，规定期限内零件所能工作的限度，称为零件的工作能力。通常这个限度是对载荷而言的，所以又称承载能力。引起零件失效的原因可能有：(1)强度不够，发生断裂，如齿轮轮齿断裂。(2)刚度不够，发生过度的弹性变形，如轴的挠度和转角过大；(3)磨损严重，使零件损坏或丧失精度，如齿轮轮齿过度磨损；(4)摩擦力不够，如带传动打滑；(5)强烈的共振，如轴所受干扰频率接近自振频率时将引起共振等。

根据零件失效的原因，可建立相应的零件工作能力的判定条件。它们是：①强度判定条件：应力许用应力；②刚度判定条件：变形量许用变形量；③耐磨性判定条件：压强许用压强……。

判定条件可概括为：计算量许用量。3.2机械零件的强度强度准则是设计机械零件的最基本准则。1.载荷和应力机械零件所受的载荷包括力、转矩、弯矩和功率等。载荷按其大小和方向是否随时间发生变化，可分为：（1）静载荷：不随时间变化（或变化缓慢）的载荷；（2）变载荷：随时间变化的载荷。变载荷分为循环变载荷和随机变载荷。在计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷：（1）名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷。（2）计算载荷：机械在运转时，还会受到各种附加载荷，用引入载荷系数（有时只考虑工作情况的影响，则用工作情况系数）来估计这些因素的影响。载荷系数与名义载荷的乘积称为计算载荷。2.应力的分类（1）静应力：大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力。静应力只能在静载荷作用下产生。（2）变应力：大小和方向随时间显著变化的应力。变应力由变载荷产生，也可由静载荷作用下产生。3.机械零件的强度静应力作用下的零件，其失效形式是塑性变形或断裂。绝大多数机械零件是在变应力下工作的，其主要失效形式为疲劳断裂。变应力的极限应力称为疲劳强度，即在一定的循环特性下，应力循环N次，材料不发生疲劳破坏的最大应力。第4节机械零件材料与结构工艺性4.1机械零件常用材料

机械零件所用的材料是多种多样的，有钢、铸铁、有色合金和非金属材料等。但是金属材料，尤其是钢铁材料，应用最为广泛。有关机械零件材料的详细内容请参阅第3章。4.2机械零件的结构工艺性对于零件机械加工结构工艺性，主要从零件加工的难易性和加工成本两方面考虑。在满足使用要求的前提下，一般对零件的技术要求应尽量降低，同时对零件每一个加工表面的设计，应充分考虑其可加工性和加工的经济性，使其加工工艺路线简单，有利于提高生产效率，并尽可能使用标准刀具和通用工装等，以降低加工成本。此外零件机械加工结构工艺性还要考虑以下要求：

（1）设计的结构要有足够的加工空间，以保证刀具能够接近加工部位，留有必要的退刀槽和越程槽等；

(2）设计的结构应便于加工，如应尽量避免使钻头在斜面上钻孔；

(3）尽量减少加工面积，如对大平面或长孔合理加设空刀等；

(4）从提高生产率的角度考虑，在结构设计中应尽量使零件上相似的结构要素（如退刀槽、键槽等）规格相同，并应使类似的加工面（如凸台面、键槽等）位于同一平面上或同一轴截面上，以减少换刀或安装次数及调整时间；

(5）零件结构设计应便于加工时的安装与夹紧。第5节摩擦、磨损及润滑概述

各类机器在工作时，其各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦，摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅消耗能量，而且使零件发生磨损，甚至导致零件失效。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施，这三者是相互联系不可分割的。5.1摩擦两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。根据摩擦副表面问的润滑状态将摩擦状态分为四种：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦(如图0-10所示)。

(a）干摩擦(b）液体摩擦(c）边界摩擦(d）混合摩擦

0-10摩擦状态(1)干摩擦摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。(2)液体摩擦两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦称为液体摩擦。(3)边界摩擦两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。(4)混合摩擦两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。5.2磨损及其过程运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。磨损过程大致可分为三个阶段，如图0-11所示。0-11磨损过程(1)跑合(磨合)磨损阶段（Ⅰ段）由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，因此，磨损速度较快。(2)稳定磨损阶段（Ⅱ段）机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。(3)剧烈磨损阶段（Ⅲ段）经稳定磨损阶段后，使精度降低、间隙增大，从而产生冲击、振动和噪声，磨损加剧，温度升高，短时间内使零件迅速报废。上述磨损过程中的三个阶段，是一般机械设备运转过程中都存在的。必须指出的是，在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。5.3磨损分类按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同，一般工况下把磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。(1）磨粒磨损也称磨料磨损，是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。(2）粘着磨损也称胶合摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。(3）疲劳磨损(点蚀)即疲劳点蚀两个相互滚动或滚动兼滑动的磨擦表面，在循环接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。(4）腐蚀磨损摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。应该指出的是，实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损等。5.4润滑和密封在摩擦副间加入润滑剂，以降低摩擦、减轻磨损，这种措施称为润滑。润滑的主要作用是：（1）减小摩擦系数，提高机械效率；（2）减轻磨损，延长机械的使用寿命。同时润滑还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。常用的润滑剂有润滑油、润滑脂、固体润滑剂（如石墨等）、气体润滑剂(如空气等)。机器的润滑有分散润滑和集中润滑两大类。密封装置从总体上可分为两大类：静密封和动密封。有关润滑及密封的详细介绍请参阅第6章。第6节课程的性质、任务及学习要求本课程是中等职业学校机械类及工程技术类相关专业的一门基础课程。其任务是：（1）掌握必备的机械基本知识和基本技能，懂得机械工作原理，了解机械工程材料性能，准确表