機械設計基礎第1章概述§1-1本課程研究的對象§1-2機器的組成§1-3機械設計的基本要求§1-4機械設計的基本過程第1章概述§1-1本課程研究的對象機械是機器和機構的總稱什么是機器呢？內燃機內燃機牛頭刨床工業機器人可以用來轉換能量、完成有用功或處理信息，以代替或減輕人的勞動。機器：是人為實物的組合體，是執行機械運動的裝置，什么是機構？曲柄滑塊機構齒輪機構凸輪機構能夠實現預期的機械運動的各構件（包括機架）的基本組合體稱為機構連桿機構凸輪機構齒輪機構間歇運動機構帶傳動和鏈傳動機構螺旋機構組合機構常用的機構連桿機構凸輪機構齒輪機構間歇運動機構螺旋機構直齒輪的嚙合電影機構螺旋機構凸輪組合機構組合機構我們已經多次使用了“構件”這個術語。活塞、連桿、曲軸、滑枕等都是構件。構件構件是運動的單元，而零件是制造的單元。構件零件構件是機器或機構中獨立的運動單元通用零件中主要包括三大類零件：通用零件與專用零件各種機械中廣泛使用的零件稱為通用零件。如螺栓、軸、齒輪、彈簧等。只在某一類機械中使用的零件稱為專用零件。如內燃機中的活塞、曲軸等。此外:彈簧等零件。傳動零件（齒輪、帶、鏈等）聯接零件（螺栓、鍵等）軸系零件（軸、軸承等）簡單的機器，可能只含有一個機構,但一般都含有多個機構。機械:

機器和機構的總稱。機器是由機構組成的。§1-2機器的組成傳統機器都包含如下三個部分：驅動裝置傳動裝置執行裝置常稱為原動機，是機器的動力來源。常用：電動機、內燃機、液壓缸和氣動缸，以各種電動機的應用最為普遍。處于整個傳動路線的終端，按照工藝要求完成確定的運動，是直接完成機器功能的部分。執行裝置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。如牛頭刨床、空氣壓縮機驅動裝置傳動裝置執行裝置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。運動速度的轉換運動形式的轉換運動速度的轉換許多機器還需要執行裝置有多種不同的速度。鼠籠式交流電動機的同步轉速（r/min）

600750100015003000帶、鏈傳動、各種齒輪傳動減速器例如自行車鏈傳動例如汽車、機床的變速器傳動裝置解決原動機速度和執行裝置速度不匹配的問題。一般的普通交流電動機速度是固定的。一般機器執行部分速度低于原動機的轉速,需要減速。（也有相反的情況，需要增速）。運動形式的轉換機器執行部分可能有各種運動形式：一般的原動機作回轉運動變速回轉往復擺動往復移動間歇運動特定軌跡轉換運動形式的各種機構

間歇運動機構連桿機構連桿機構連桿機構凸輪機構凸輪機構連桿機構

隨著20世紀后半葉以來現代科學技術的發展，特別是控制理論的發展和計算機在工業上的應用，機器的組成更復雜了。驅動裝置傳動裝置執行裝置控制裝置檢測伺服電機的輸出轉角檢測執行裝置的運動輸出由程序給定運動規律前饋控制反饋控制傳感器傳感器控制裝置的作用是控制機器各部分的運動。測量運動構件真實運動情況，并將測量結果隨時反饋給控制系統發出指令調節伺服電機的運動驅動裝置傳動裝置執行裝置控制裝置驅動裝置傳動裝置執行裝置傳統機器現代機器普通車床牛頭刨床空氣壓縮機起重機掘土機皮帶運輸機……機器人數控機床……心臟軀干，臂手腦眼§1-3機械設計的基本要求

功能性要求可靠性要求經濟性要求社會性要求1．功能性要求例：牛頭刨床機械的功能可表達為一個或幾個功能指標。主要功能指標：被加工工件的尺寸范圍；滑枕應具有若干種不同的往復運動速度，以滿足不同切削工藝的要求；工作臺沿橫向應能實現若干種不同的進給量；應能供給并傳遞足夠的功率，以克服切削力；應能保證一定的加工精度。

機械產品必須完成規定的功能。機械功能指標的確定：由用戶提出，由設計者與用戶協商確定機械的功能指標是機械設計最基本的出發點。2．可靠性要求磨損曲軸折斷潘存云教授研制齒輪損壞機械要傳遞力和力矩機械零件的內部和表面產生應力和變形有可能導致零件的失效

機械應能以一定的概率保證在規定的使用壽命期限內，零件不發生各種型式的失效。

為此要進行強度、剛度和壽命的計算，這些計算在整個設計工作量中占了很大的比例。3．經濟性要求制造成本使用成本簡化結構選用適當的材料確定合理的加工精度標準化、系列化和通用化降低機械的能量損失考慮到維修的方便性和經濟性成本

設計階段的工作如何，就基本上決定了一個產品成本的高低。

4．社會性要求所設計的產品不應對人、環境和社會造成消極影響。操作者的安全性和舒適性機械的造型和色彩美觀、大方、宜人符合國家在環境保護方面的法規數控加工中心機械是否滿足社會性要求，完全取決于設計。對機械設計的四項基本要求功能性要求經濟性要求可靠性要求社會性要求機械設計的完整過程投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段§1-4

機械設計的過程

提出設計任務（市場需求，用戶委托，主管部門下達）可行性研究（重大問題應召開論證會）編制設計任務書投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段計劃階段

提出機械的工作原理（通過調查研究和必要的分析，還可能需要進行原理性試驗）提出幾種機械系統運動方案（進行必要的運動學設計，一般是初步的、粗略的）確定出最佳總體方案（經過分析、對比和評價，作出決策）投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段方案設計階段

運動學分析與設計工作能力分析與設計動力學分析與設計結構設計裝配圖和零件圖的繪制投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段技術設計階段

通過試制和試驗，發現問題，加以改進，修改某一部分設計結果。投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段試制試驗階段

收集用戶反饋意見，研究使用中發現的問題，進行改進。收集市場變化的情況，為可能提出新的設計計劃準備資料。投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段投產以后計劃階段方案設計階段試制試驗階段技術設計階段投產以后學習方法以及對大家的期望注重對內容的理解多數公式不必死記硬背多觀察、多思考，理論聯系實際勤動手，學會查手冊及時復習，按時、獨立完成作業機械的發展歷程機械設計及理論的發展歷程古代近代現代§1-6

機械的發展歷程概述阿基米德用螺旋將水提升至高處，那就是今天的螺旋式輸送機的始祖。遠古時代簡單機械：杠桿、車輪、滑輪、斜面、螺旋等。公元前3000年，在修建金字塔的過程中，就使用了滾木來搬運巨石。用水力鼓風煉鐵，其中應用了齒輪和連桿機構古代中國水排·東漢用一頭牛驅動八臺磨盤，其中應用了齒輪系。連磨·晉代用腳踏板驅動的加工木棒的車床中世紀歐洲利用曲軸的研磨機中世紀歐洲13世紀以后，機械鐘表在歐洲發展起來。

連桿機構、齒輪機構和凸輪機構等在古代機械中即已經有所應用。在達?芬奇時代，現在最常用的一些機構型式即已基本知曉。近代：18世紀中葉－20世紀中葉動力的變革材料的變革加工手段的變革生產模式的變革機構與傳動的變革機械理論和設計方法的建立近代—

動力的變革蒸汽機給人類帶來了強大的動力，各種由動力驅動的產業機械—紡織機、車床等，如雨后春筍般出現。首先是動力的變革推動了機械的飛速發展和廣泛應用。1765年，瓦特（Watt）改良了蒸汽機。揭開了第一次工業革命的序幕。古代機械的動力：人力、畜力和水力。動力制約了機械的發展。

蒸汽機無法實現小型化，所以在當時的工廠里采用集中驅動的方式。蒸汽機時代的紡織工廠蒸汽機皮帶天軸皮帶生產機械2皮帶生產機械1皮帶生產機械3……19世紀，第二次工業革命電動機和內燃機發明為汽車、飛機的出現提供了可能性。電力代替了蒸汽。集中驅動被拋棄了，每臺機器都安裝了獨立的電動機。

與此同時，戴姆勒也發明出了他的第一輛四輪汽車。1886年，本茨發明的汽油發動機為動力的三輪車被授予專利。萊特兄弟190319世紀中葉，發明了煉鋼法，從那時一直到現在，鋼鐵始終是制造機械最主要的材料。18世紀末，現代車床的雛形在英國問世;19世紀中葉,通用機床的各種類型已大體齊備；19世紀末，自動機床、大型機床出現。近代—

材料的變革近代—

加工手段的變革近代—

生產模式的變化社會需求日益增長。20世紀初葉，機械制造進入了大批量生產模式的時代。進行大批量生產的要求。近代—

機構與傳動的變革

提高生產率的需要。基于動力的變革，大幅度提高機器的速度成為可能。機器速度的提高是幾百年來未曾停遏的發展趨勢。高速化自動化精密化提高產品質量的需要。基于加工水平的提高，提高機器的精度成為可能。近代機械的發展趨向要求不斷完善已有的機構，并發明出新的機構例如：18世紀，歐拉（Euler）首次提出采用漸開線作為齒輪的齒廓，從而使高速、大功率的機械傳動成為可能。20世紀各種大傳動比、結構緊湊的新型傳動，高速的步進機構，精密的滾動螺旋傳動，

………

機構的創新一直到今天也沒有停止。機器的發展，呼喚著機械的理論和設計方法。牛頓經典力學的建立則為此準備了理論基礎。近代—

機械理論和設計方法的建立材料學強度理論運動學靜力學動力學牛頓經典力學機構結構學機構運動學機器靜力學機器要運動、要傳遞力，因此，最先發展起來的是：材料學強度理論運動學靜力學動力學牛頓經典力學機構結構學機構運動學機器靜力學隨著機器運轉速度的不斷提高，機器的振動、速度波動等問題引起了人們的重視，機械動力學發展起來。機器動力學材料學強度理論運動學靜力學動力學牛頓經典力學機構結構學機構運動學機器靜力學機器動力學機械零件設計到20世紀上半葉，機械設計的方法已基本形成。工程圖學但是，這些方法都基于圖解和手工計算。現代：20世紀中葉－

計算機的發明

－

科學技術發展史上劃時代的大事。現代機器的出現計算機使機械設計方法面目一新現代：機器人的出現

隨著計算機和伺服電機的出現，機器人作為現代機器的代表走上了歷史舞臺。工業機器人特種機器人

工業機器人：在工業生產中越來越廣泛地應用。用于搬運、裝配、焊接、噴漆、鑿巖等工作。清洗飛機的機器人隧道鑿巖的機器人第一汽車制造廠的汽車裝配生產線幾種工業機器人特種機器人：在潛水、管道修理、外科手術、生物工程、軍事、星際探索等領域應用，承擔著許多由人的直接操作無法完成的工作。水下掃雷機器人爬壁機器人幾種特種機器人

軍用昆蟲機器人爬纜索機器人數控車床

數控加工中心計算機控制系統和伺服電機被引入到傳統機器中來，使其組成、面貌和功能發生了革命性的變化。現代機器向主動控制、信息化和智能化