1.1 本课程研究的对象、内容
人类社会的经济活动始终面临着3 个基本问题:一是生产什么与生产多少;二是如何生产;三是为谁生产。 问题一、问题三属于经济管理科学范畴,问题二则与技术科学密切相关。在工业生产中,机械工程科学是最基本的技术科学之一。 其中,机械设计学科又是机械工程科学的主要基础。 由此可见工程技术人员掌握必要的机械设计知识的重要性。
“机械设计基础”是一门培养学生具有一定机械设计能力的技术基础课程。
本课程研究的对象是机械。
什么是机械? 机械是机器和机构的统称。
在生产实践和日常生活中,人们广泛地使用各种机器,常见的有自行车、汽车、洗衣机、电动机及电梯等。 机器的作用是实现能量转换或完成有用的机械功,以减轻或代替人的劳动。随着生产和科技的发展,机器的种类、形式、功能将越来越多。
从研究分析机器的工作原理、运动特点和设计新机器的角度看,机器可视为若干机构的组合。 如图1.1 所示,单缸内燃机由机架(汽缸体)1、曲柄2、连杆3、活塞4、进气阀5、排气阀6、推杆7、凸轮8,以及齿轮9、齿轮10 组成。 当燃气推动活塞4 作往复移动时,通过连杆3 使曲柄2作连续转动,从而将燃气的压力能转换为曲柄的机械能。 齿轮、凸轮和推杆的作用是按一定的运动规律按时开闭阀门,以吸入燃气和排出废气。 这种内燃机可视为以下3 种机构的组合:
①曲柄滑块机构。 它由活塞4、连杆3、曲柄2 和机架1 构成,作用是将活塞的往复移动转换为曲柄的连续转动。
②齿轮机构。 由齿轮9、齿轮10 和机架1 构成,作用是改变转速的大小和转动的方向。
③凸轮机构。 由凸轮8、推杆7 和机架1 构成,作用是将凸轮的连续转动转变为推杆的往复移动。
由上述机构分析可知,机构在机器中的作用是传递运动和力,实现运动形式或速度的变化。机构必须满足两点要求:首先,它是若干构件的组合;其次,这些构件均具有确定的相对运动。
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图1.1 单杠内燃机
1—机架(汽缸体);2—曲柄;3—连杆;4—活塞;5—进气阀;6—排气阀;7—推杆;8—凸轮;9,10—齿轮
所谓构件,是指机构的基本运动单元。 它可以是单一的零件,也可以是几个零件联接而成的运动单元。 如图1.1 所示的内燃机连杆,就是由如图1.2 所示的连杆体1、连杆盖5、螺栓2、螺母3、开口销4、轴瓦6 及轴套7 这些零件构成的;如图1.3 所示的齿轮-凸轮轴,则是由凸轮轴1、齿轮2、键3、轴端挡圈4 及螺钉5 这些零件构成的。 显然,零件是制造的基本单元。
图1.2 内燃机连杆
图1.3 齿轮-凸轮轴
1—凸轮轴;2—齿轮;3—键;4—轴端挡圈;5—螺钉
各种机械中经常使用的机构,称为常用机构,如平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构及间歇运动机构等。
各种机械中普遍使用的零件,称为通用零件,如齿轮、轴、螺钉及弹簧等。 只在某一类型机械中使用的零件,称为专用零件,如汽轮机的叶片、内燃机的活塞等。
本课程作为机械设计的基础,主要介绍机械中常用机构和通用零件的工作原理、运动特性、结构特点、使用维护以及国家标准和规范。 这些内容是机械设计的基本内容,在各种机械设计中是普遍适用的。 从庞然大物般的万吨水压机到袖珍机械式手表,从航天器中的高精度仪表到精度要求较低的简单机器,它们所用的同类机构和零件,虽然尺寸大小、结构形状、工作条件等有很大差异,但其工作原理、运动特点以及设计计算的基本理论与方法是类同的。