第一章 入门知识

第一节 机械基础的性质、任务和内容

本课程是机械类专业的一门专业基础课，无论从事机械制造或维修，还是使用、研究机械设备，以及进行技术革新都要学习这门课。通过学习，学生应熟悉和掌握机械传动、常用机构及轴系零件和液压传动的基本知识、工作原理和应用特点；掌握分析机械工作原理的基本方法；能作简单的有关计算；会查阅有关技术资料和选用标准件。

学习本课程要以辩证唯物论为指导，贯彻理论联系实际的原则，并注意在实验、实习、生产劳动中积累经验，观察思考问题，运用知识，深化知识，拓宽知识，提高专业素质和能力。

本课程的主要内容如下：

（1）常用机械传动。常用机械传动包括带传动、链传动、螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动和轮系。主要讨论机械传动的类型、组成、工作原理、传动特点、传动比计算和应用场合等。

（2）常用机构。常用机构包括平面连杆机构、凸轮机构及其他常用机构。主要讨论它们的结构、工作原理和应用场合等。

（3）轴系零件。轴系零件包括常用连接、轴、轴承、联轴器、离合器和制动器。主要讨论它们的结构、特点、常用材料和应用场合，并介绍有关标准和选用方法。

（4）液压传动。液压传动包括液压传动的基本概念、常用液压元件、液压基本回路和液压系统。着重介绍液压基本知识，液压泵、液压缸、液压控制阀等元件的构造、性能、工作原理，液压基本回路和机床液压传动系统实例。

第二节 机械基础概述

一、机器和机构

1．机器

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。

机器的种类繁多，其构造、性能和用途也各不相同，但是从机器的组成部分与运动的确定性和机器的功能关系来分析，所有机器都具有下列三个共同的特征：

（1）任何机器都是由许多构件组合而成的。如图1-1所示的单缸内燃机，是由汽缸、活塞、连杆、曲轴、轴承等构件组合而成的。

（2）各运动实体之间具有确定的相对运动。如图1-1所示的活塞2相对汽缸1的往复移动，曲轴4相对两端轴承5的连续转动。

（3）能实现能量的转换、代替或减轻人类的劳动，完成有用的机械功。例如：金属发动机可以把机械能转换为电能；运输机器可以改变物体在空间的位置；金属切削机床能够改变工件的尺寸、形状；计算机可以变换信息等。

根据上面的分析，可以对机器得到一个明确的概念：机器就是人为实体（构件）的组合，它的各部分之间具有确定的相对运动，并能代替或减轻人类的体力劳动，完成有用的机械功或实现能量的转换。

各种不同的机器按其功能可归纳成三类：变换或传递能量的机器，如电动机、内燃机、空气压缩机等；变换或传递物料（改变材料形状或位置）的机器，如金属切削机床、轧钢机、超重机、汽车、飞机等；变换或传递信息的机器，如计数机、计算机等。

在机械工业中，机器按其用途通常分为发动机（原动机）和工作机两种。

发动机是将非机械能转换成机械能的机器。例如电动机是将电能转换成机械能的机械，内燃机是将热能转换成机械能的机器。

工作机是用来改变被加工物料的位置、形状、性能、尺寸和状态的机器。工作机是利用机械能来做有用功的机器，例如车床、铣床、磨床等金属切削机床都是工作机。

2．机构

机构是用来传递运动和力的构件系统。构件系统中有一个构件为机架，构件系统是用运动副连接起来的。

与机器相比较，机构也是人为实体（构件）的组合。各运动实体之间也具有确定的相对运动，但不能做机械功，也不能实现能量转换。

机器的主要功用是利用机械能做功或实现能量的转换；机构的主要功用在于传递或转变运动的形式。例如航空发动机、机床、轧钢机、纺织机和拖拉机等都是机器，而钟表、仪表、千斤顶、机床中的变速装置或分度装置等都是机构。通常的机器必包含一个或一个以上的机构。如图1-1所示的单缸内燃机，其中就有一个曲柄连杆机构，用来将汽缸内活塞的往复运动转变为曲柄（曲轴）的连续转动。

如果不考虑做功或实现能量转换，只从结构和运动的观点来看，机器和机构二者之间没有区别，而将它们总称为机械，即机械是机器与机构的总称。

3．机器的组成

一台完整的机器通常由以下四个部分组成：

（1）原动机部分。原动机部分也称动力装置。其作用是把其他形式的能量转变成机械能，以驱动机器各部分运动、工作。它是机器完成预定功能的动力源，常用的有电动机和内燃机等。

（2）执行部分。执行部分也称工作部分（装置）。它是机器中直接完成具体工作任务的部分，例如汽车的车轮、缝纫机的机头等。

（3）传动部分（装置）。这部分是原动机到工作机构之间的联系机构，用以完成运动和动力的传递和转换。利用它可以减速、增速、调速，改变转矩以及运动形式等，从而满足工作机构的各种要求。传动机构在各种机器中占有重要地位，对机器的结构和外形都有重大影响。

（4）操纵或控制部分。这部分的作用是显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作。控制装置可采用机械、电子、电气、光波等。

简单的机器一般由上述的前三部分组成，有的甚至只有原动机和执行部分，如水泵、排风扇等。而现代新型的自动化机器，如数控机床、加工中心等，控制部分（包括检测）的地位愈来愈重要。

二、构件和零件

1．构件

机器及机构是由许多具有确定的相对运动的构件组合而成，因此，构件是机构中的运动单元体，也就是相互之间能作相对运动的物体。在机械中应用最多的是刚性构件，即作为刚体看待的构件。一个构件，可以是不能拆开的单一整体，如图1-1所示的曲轴4；也可以是几个相互之间没有相对运动的物体组合而成的刚性体，如图1-1中构件连杆3，便是由几个可以拆卸的物体组合而成的刚性体。如图1-2是连杆构件的组成图，它由连杆体1、连杆盖3、螺栓2和螺母4等物体组合而成。

构件按其运动状况，可分固定构件和运动构件两种。固定构件又称机架，是机构中固定于定参考系的构件。固定构件一般用来支持运动构件，通常就是机器的基体或机座，例如各类机床的床身。运动构件又称可动构件，是机构中可相对于机架运动的构件。运动构件又分成主动件（原动件）和从动件两种。主动件是机构中作用有驱动力或力矩的构件，有时也将运动规律已知的构件称为主动件。形象地说，主构件就是带动其他可动构件运动的构件，从动件是机构中除了主动件以外的随着主动件的运动而运动的构件。

2．零件

零件是构件的组成部分。机构运动时，属于同一构件中的零件，相互之间没有相对运动。

构件与零件既有联系又有区别，构件可以是单一的零件，如单缸内燃机中的曲轴，既是构件，也是零件；构件也可以是由若干零件连接而成的刚性结构，如连杆构件是由连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等零件连接而成。

构件与零件的区别在于：构件是运动的单元，零件是加工制造的单元。

三、运动副

机构的重要特征是构件之间具有确定的相对运动，为此必须对各个构件的运动加以必要的限制。在机构中，每个构件都以一定的方式与其他构件相互接触，二者之间形成一种可动的连接，从而使两个相互接触的构件之间的相对运动受到限制。两个构件之间的这种可动连接，称为运动副。

运动副是两构件直接接触组成的可动连接，它限制了两构件之间的某些相对运动，而又允许有另一些相对运动。

两构件组成运动副时，构件上能参与接触的点、线、面称为运动副元素。

根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副可分为低副和高副。

1．低副

低副是指两构件以面接触的运动副。按两构件的相对运动形式，低副可分为以下几种：

（1）转动副。组成运动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动的运动副称为转动副。如图1-3所示的铰链连接就是转动副的一种形式，即由圆柱销和销孔及其两端面组成的转动副。铰链连接的两构件只能绕Z轴自由转动，沿X轴和Y轴的自由移动则被限制（约束）掉了。

（2）移动副。组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副称为移动副，如图1-4所示。

（3）螺旋副。组成运动副的两构件只能沿轴线作相对螺旋运动的运动副称为螺旋副，如图1-5所示。

2．高副

高副是指两构件以点或线接触的运动副。如图1-6所示为常见的几种高副接触形式；图1-6（a）是车轮与钢轨的接触，图1-6（b）是齿轮的啮合，都是属于线接触的高副；图1-6（c）是凸轮与从动杆的接触，是属于点接触的高副。

低副和高副由于两构件直接接触部分的几何特征不同，因此在使用上也具有不同的特点。

低副是面接触的运动副，其接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修，承受载荷时单位面积压力较低（故称低副），因而低副比高副的承载能力大。低副属滑动摩擦，摩擦损失大，因而效率较低；此外，低副不能传递较复杂的运动。

高副是点或线接触的运动副，承受载荷时单位面积压力较高（故称高副），两构件接触处容易磨损，寿命短，制造和维修也较困难。高副的特点是能传递较复杂的运动。

3．低副机构和高副机构

机构中所有运动副均为低副的机构称为低副机构。机构中至少有一个运动副是高副的机构称为高副机构。

四、机械传动的分类

传动装置是一般机器的三大组成部分之一，现代工业中主要应用的传动方式有机械传动、液压传动、气动传动和电气传动等四种。其中，机械传动是一种最基本的传动方式，应用最普遍。

用来传递运动和动力的机械装置叫做机械传动装置。按其传递运动和动力的方式，机械传动可分为摩擦传动和啮合传动两大类。按运动副构件的接触方式可分为直接接触传动和有中间挠性件（带、链等）传动两种。

机械传动的一般分类如下：

复习题

1．试述机器与机构的特点及其区别。

2．举例说明构件、零件及其区别。

3．试述机器的组成及各部分的作用。

4．什么是运动副？运动副如何分类？

5．运动副中的高副与低副如何区分？各有什么特点？

6．如图1-6（c）所示凸轮机构由构件支架、凸轮和从动轮组成。试分析有几个运动副？它们各属于何种运动副？