机械设计第1章 绪论

机构与机器的区别
机构只是一个构件系统，而机器除 构件系统外还包括电气、液压等其他装 置；机构只用于传递运动和力，机器还 具有变换或传递能量、物料、信息的功 能。研究构件的运动和受力情况时无区 别。
名词术语解释: 1.构件 ——独立的运动单元 内燃机中的连杆 零件 ——独立的制造单元
套筒 内燃机 连杆 螺栓 垫圈 螺母
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§1-3 典型机械简介
典型机械实例： 全自动洗衣机； 减速器； 工业机器人。
在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成、机械的基本要素有一个感 性的认识。下面先看几个例子。
１．全自动洗衣机；
潘存云教授研制
机械控制式
电气控制式
模糊控制式
除了控制方式以外，上述三种洗衣机的主要传动系统 没有很大的差别。
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▲ 教材论述机械零（部）件的一般顺序及目的 零（部）件的类型、构造、功能、材料、制法、标 准、优缺点、适用场合等； 然后论述工作情况、受力分析、应力状态、失效形 式、设计准则、设计方法与步骤、 参数选择、常用参考资料和注意事项等。 ▲ 内容繁杂 本课内容广泛； 各章之间联系少。 有“机械零乱”之称。
机械设计结果的表现形式为： 机械工程图、说明书和计算机程序。 本课程所涉及的先修课程有： 工程制图：设计的图形表达。
工程材料：非金属材料、金属材料及热处理。
机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。 公差配合与技术测量：解决精度设计问题。
理论力学：解决力分析与动力计算。 材料力学：解决强度分析问题。
机械原理：解决机械的方案设计。
自动洗衣机的组成：
上盖
进水口 控制面板
外箱体
排水管
潘存云教授研制
盛水桶 支撑拉杆 脱水桶 电动机 带传动
波轮
减速器
自动洗衣机的工作原理：
波轮 A
脱水桶
潘存云教授研制
B
带传动
洗涤： A制动，B放开，运动经电动机、带传动、中心齿轮、 行星轮、行星架、带动波轮旋转。
脱水： A放开，B制动，运动经电动机、带传动、内齿圈（脱 水桶）、中心齿轮、行星架，波轮与脱水桶等速旋转。
本课程的几个特点: ▲ 涉及面广
体现为5多
关系多——因与诸多先修课关系密切。 要求多——强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、 经济性。 门类多——各类零件，各有特点，设计方法各异。
公式多——有解析式、半解析式、经验式、半经验式 以及定义式的。 图表多——结构图、分析图、原理图、示意图、曲线 图、标准、经验数表。 ▲ 实践性强——只有理论知识不行，要多联系实际，要 注重实践性环节。 ▲ 设计结果不唯一——体现个性化，没有最好，只有更 好。
记
里
鼓
车
记里鼓车发明于西汉初年，外形为一辆 车子，车上设两个木人及一鼓一钟，木人一 个司击鼓，一个司敲钟。 车上装有一组减速齿轮，与轮轴相连。 车行一里时，控制击鼓木人的中平轮正好转 动一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳 索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。木人 便击鼓一次；车行10里时，控制敲钟木人的 上平轮正好转动一周，木人便敲钟一次。坐 在车上的人只要聆听这钟鼓声，就可知道车 已行了多少路程。这种机械装置的科学原理 与现代汽车上的里程表基本相同。
注意处理好几个关系 ▲ 零件的设计与选用 ——零件设计的两个主要途径。 ▲ 设计计算与结构设计 ——设计决非只是计算，更应重视结构设计的学习。
▲ 性能要求与经济性 ——永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。 ▲ 经验设计与现代设计 ——二者均重要，前者是后者的基础。 ▲ 具体的设计方法与一般的设计能力 ——前者是学习的形式，后者是学习的目的。
机械设计学习及实践方法
• • • • • 鼓励借鉴参考 使用标准及规范 学会使用标准语言：设计图。（图纸与说明书的作用） 发挥想象力：原创与沿袭 机电结合
第1章 绪 论（Introduction)
§1－1 机械的基本定义
§1－2 机械设计的基本要求和一般过程
§1－3 本课程的内容、性质与任务 §1－4 典型机械简介 §1－5 机器在国民经济建设中的作用
轻匠与鄙商
3 西方古今的机械概念
英文的“machine”（机械）一词来源于希腊文mechine及拉丁 文mecina，两者原意都指的是“巧妙的设计”。 1) 亚历山大利亚城的希罗（Hero of Alexandria，公元1世纪） 最早讨论了机械的基本要素，他认为机械的要素有五类：轮与
轴，杠杆，滑车，尖劈，螺旋。
潘存云教授研制
工业机器人的组成
操作手 控制系统 示教盒（编程器）
潘存云教授研制
潘存云教授研制
示教盒用于输 入控制命令或 控制程序。
控制系统用于控制 操作机各关节内伺 服电机的运动。
操作手在控制系统 的指挥下，完成各 种复杂的作业。
典型机械实例：
１．全自动洗衣机；２．减速器；３．工业机器人
由以上实例，可归纳得出以下几点： 1. 一个机械系统包含着机械结构系统、驱动动力系统、 检测与控制系统； 2. 现代机器不仅可以代替人类的体力劳动，还可以代 替部分脑力劳动。 3. 一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每 个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种 机器中常用的，称之为通用零件，如螺钉、齿轮、 轴承等；有些零件只有在特定的机器中才用到，称 之为专用零件，如洗衣机中的波轮、工业机器人的 末端执行器、军械中的枪栓等。
2) 1724年，德国莱比锡的机械士廖波尔特（Leopold）给出的定义 是：“机械或工具是一种人造的设备，用它来产生有利的运动； 同时在不能用其他方法节省时间和力量的地方，它能做到节省。
机械工程与人类社会发展
人类使用简单工具， 劳动创造了人 人类使用简单机械农耕，人类由游牧社会进入农业社会 工业革命使机械工业大发展,使人类由农业社会进入工业社会
机械设计
学时：64学时 专业：机械设计、制造及自动化 单位：北京林业大学工学院
工科生求学目的——求职文化
读书的目的是为了什么？为了 就业。Job or Degree?
• 被动接收知识——主动思考
“经”与“典”
• 保姆式安排——自主管理时间 • 衣食无忧——学费与生活自理
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学习的动力问题：考试？工作？厌学现象 教学的问题：脱离实际？ 人生的成功要求我们具备很强的把握机会的能力。 把握机会的能力要靠平时扎扎实实的准备。 与别人分享劳动成果可以事半功倍。 和有共同目标的人一同努力，可以达到双赢的结果。
连杆体 轴瓦
连杆盖
机构 机械
机器 原动机
工作机
工作机的组成：
原动部分——是工作机动力的来源，最常见的是电动 机和内燃机。 工作部分——完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分——联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分——保证机器的启动、停止和正常协调动作。
其关系如下
原动机
传动
工作
控制
机器（Machine）的基本组成要素
4) 机器
2 古代中国定义
“机械”一词由“机”与“械”两个汉字组成。 1) 古代常以“机”指弩上发箭的装置，即弩机。 2) “械”在古代是指器械、器物等实物。
《庄子· 天地》载“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功 多。” 古代机械的概念：机械是能用力甚寡而见功多的器械。
子贡南游于楚，反於晋，过汉阴，见一丈人，方将为圃 畦，凿隧而入井，抱甕而出灌，搰搰然用力甚多，而见功寡 。子贡曰：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡，而见功多 ，夫子不欲乎？”为圃者昂而视之曰：“奈何？”曰：“凿 木为机，后重前轻。挈水若抽，数如泆( yì 通“溢”。水满 出)汤，其名为槔。” 为圃者忿然作色而笑曰：“吾闻之吾师‘有机械者，必 有机事，有机事者，必有机心。机心存于胸中，则纯白不备 ，纯白不备，则神生不定，神生不定者，道之所不载也。’ 吾非不知，羞而不为也。” 《庄子· 天地》
计算机的发明使机械自动化，使人类由工业社会进入现代社会
§2-2 中国机械发展史简介
1. 简单机械的发明创造 2. 简单机械的发展和提高
简单锥井机、脚踏锥舂米 提水辘轳、弹棉弓图、轧棉机图 扇车图、脚踏扇车图 砻谷图、碾米图 磨面图、牛转翻车汲水图 驴转翻车汲水图
水力驱动鼓风图、的连机杵臼
3. 能源的利用
记里鼓车是指南车的姐妹车，他们同为天 子大驾出行时的仪仗车，还时常排列在相同位 置，两者要求基本相同, 装饰华美富丽，不亚 于指南车。 记里鼓车的基本原理和指南车相同，也是 利用齿轮机构系统实现的。 指南车和记里鼓车的形状虽然在历代制造 时都有些改进，但它的差动齿轮原理可以肯定 在1800多年前已经被张衡所应用。
4. 机械传动领域的发明创造 5. 中国机械工程的兴衰史
水力驱动的水磨、水力驱动的水碾 小孩风车图、走马灯图 火箭、飞空击贼震天雷炮、神火飞鸦
牛转绳轮凿井图
木棉纺车图 指南车 记里鼓车
简单锥井机
脚踏锥舂米
轧 棉 机 图
提 水 辘 轳
弹 棉 弓 图
• 远在2400多年前的东周时代，我国已经有了铜 铸的齿轮。山西侯马东周晋国铸铜遗址就曾经 发现成套的齿轮陶范，有不同规格的4套，齿 轮中间有孔，周围8个齿，这是迄今所知最早 的齿轮铸件。专家研究认为，早期的齿轮大多 用于止动，就是古人为了使那些作回转运动的 机械（譬如辘轳）停下来并防止其滑动。汉代 时，我国已经有了比较先进的齿轮。多年来， 在陕西、河南、河北、山西等省的许多地方都 出土了汉代的齿轮，有铜铸的，还有铁质的。
• 现代沙漏
北京林业大学专用
咸 阳 水 钟
北京林业大学
驴 转 翻 车 汲 水 图
水力驱动鼓风图
水力驱动的连机杵臼
水力驱动的水磨
水力驱动的水碾
小孩风车图
走马灯图
神火飞鸦
火箭
飞空击贼震天雷炮
牛转绳轮凿井图
木棉纺车图
指 南 车
指南车的原理是车上装有一套 差动齿轮装置，当车辆左、右转弯 时，车上可以自动离合的齿轮传动 装置就带动木人向车辆转弯相反的 方向转动，使木人的手臂始终保持 指南。指南车上这种利用差动齿轮 装置来指示方向的机械，在今日仍 有现实意义。
4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。
§1-4 机械设计的基本要求和一般过程
机械设计——规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。 基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效 率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和 造型美观。 机械设计的内容： 1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构； 2. 拟定设计方案； 3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；
§1-1 机械的定义
1. 机械与机器 2. 古代中国的机械定义 3. 西方古今的机械概念
１．机械与机器
1) 机械 2) 工具 3) 机构 从广义角度讲，凡是能完成一定机械 运动的装置都是机械。 人们常把最为简单的、没有动 力源机械称为工具或器械。 由若干个不同形状的物体（构件）用具有相对运 动的连接组合在一起，并能实现一定的机械运动 的装置 工程中，常把每一个具体的机械称为机器。机器 的真正含义是执行机械运动的装置，用来变换或 传递能量物料与信息
通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。
§1-2 本课程的内容、性质与任务
本课程的主要内容： 学习机械系统设计的基础知识；
学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。 本课程中“设计”的含义是指: 机械装置的实体设计; 涉及零件的应力、强度的分析计算; 材料的选择; 结构设计; 考虑加工工艺性; 标准化以及经济性; 环境保护等。
机械系统=机械结构 + 驱动动力 + 检测与控制
一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机 构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种机器中常 用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中 才用到，称之为专用零件。 本课程学习对象 通用零件包括： 齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动； 轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承； 螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件； 弹簧、机架、箱体等。 专用零件，例如叶片、犁铧、枪栓等。
洗衣机系统简图
典型机械实例： ２．减速器
潘存云教授研制
典型机械实例： ３．工业机器人
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： ３．工业机器人
潘存云教授研制
典型机械实例： ３．工业机器人