在日常生活和工业生产中，机械产品无处不在。人们骑的自行车、手腕上佩戴的机械手表、工厂的机床设备、各式各样的汽车，这些都是典型的机械产品。随着现代科技的发展，机械被赋予了越来越多的简约化和智能化元素。

【学习目标】

· 了解机械的概念。

· 了解机械中材料的属性以及选用原则。

· 了解机械设计的用途和任务。

· 初步了解现代机械设计方法。

【观察与思考】

（1）人们日常生活中用到许多典型的机械产品，如图1-1所示的手表，其工作过程和原理就是一台机器的缩影。仔细观察图1-2所示的手表结构，并思考其中的零件各有什么特点。

（2）手机是常见的生活用品，如图1-3所示。同学们可以查看一款废弃手机的内部结构，总结其特点。

（3）汽车的内部结构更加复杂，如图1-4所示。与前面提到的钟表和手机相比，思考汽车产品在构成上有什么特点？在设计这类产品的各个零部件时应该注意哪些问题？

（4）图1-5所示为具有人工智能的焊接机器人；图1-6所示为具有灵活关节的仿生机器人，它能随着音乐的节奏翩翩起舞。思考这类机械产品的主要特点是什么？同时想想现代机械的发展方向是什么？

机械是机器与机构的总称，它能够将能量、力从一个地方传递到另一个地方，能改变物体的形状结构，创造出新的物件。在我们周围的生活中有不同种类的机械在为我们工作。

1.1.1 与机械相关的基础知识

机械是各种机器和机构的统称，如钟表、汽车、起重机、机床及电风扇、洗衣机等。机械的种类繁多，其结构、性能和用途各有差别。

1.机械的组成

各类机械虽然从结构和功能上都存在很大的区别，但是从宏观上分析，各类机械仍然具有以下共同特点。

（1）机械由一定数量的零（部）件组合而成。

（2）机械通常包括原动机、工作机构和传动机构等部分，其中各部分的用途如下。

· 原动机：它为整个机器提供动力，可以把其他形式的能源转换为机械能，产生驱动力。常用的原动机包括电动机和内燃机。

· 工作机构：机械中直接产生工艺动作的部分，如机床上驱动刀具和工件产生相对切削运动的机构。

· 传动机构：将原动机中的运动和动力准确传递到工作机构上的部分，在传递过程中它还会根据需要对运动的性质和速度进行变换。

图1-7所示为一个内燃机的内部结构，该内燃机由齿轮机构、凸轮机构、四杆机构等构成。请同学们通过课堂讨论的形式分析其结构特点，并尝试分析该机器的主要功能。

2.机械中的力学知识

在日常生活中，力的作用无处不在。在机械中，零件工作时都必须承受力的作用，有些零件还处于非常复杂的受力环境中。

（1）在图1-8所示的斜拉桥中，钢丝主要承受拉力，当钢丝承受的拉应力超过其许用应力时，钢丝被拉断。

（2）图1-9所示的起重臂主要承受拉（或压）力、弯矩，其主要破坏形式是拉断或压溃，当负载过大时，起重臂将有折断的危险。

（3）在图1-10所示的齿轮传动机构中，齿轮的齿面主要承受压力，安装齿轮的轴主要承受弯曲变形和扭转变形。

（4）机械加工中，零件的受力情况更加复杂。图1-11所示为使用机床加工机械零件的实例，在加工过程中，工件和刀具受力的性质、大小和方向都在不断变化。

3.整机、机器和机构

（1）整机。机器不论其结构是简单还是复杂，都是由若干零件和部件组成的，而各个零件通过装配的方法组合成一个紧凑的产品，这就是整机。

图1-12所示内燃机的各个零件通过一定的装配方法组合而形成图1-13所示内燃机的整机，这就是一个从零件到整机的过程。

（2）机器和机构。通过内燃机的内部结构可以看出机器的主体是若干机构的组合；机器用于传递运动和动力，具有变换或传递能量、物料和信息的功能。

机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运动，但是不具有变换或传递能量、物料、信息的功能。例如，内燃机中，曲轴、连杆、活塞和气缸组成连杆机构，凸轮、顶杆和气缸组成凸轮机构。

4.常用机构

从运动上讲，机器的主体部分是由机构组成的，一部机器可包含一个或若干个机构。例如，电动机只包含一个机构，而内燃机则包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等若干个机构。机构用于传递运动和力。机构的种类很多，每类机构都具有特定的构成形式和功能。

下面是机器中常用的一些机构以及主要的应用。

（1）图1-14所示为常见的各种凸轮零件。凸轮机构主要用于实现运动变换，将主动件的转动或移动转换为从动件的往复移动或摆动。

（2）图1-15所示为常见的齿轮。齿轮机构是一种重要的传动机构，用于实现运动和速度的变换。

（3）图1-16所示为常用的双曲柄机构，该机构被用于火车机车车轮上，如图1-17所示。

（4）图1-18所示为棘轮棘爪机构，它可以将主动件的连续运动变换成从动件的间歇运动。该机构作为核心部件应用在图1-19所示的手拉葫芦中，用于吊起重物。

（5）图1-20所示为螺旋机构，它可以将旋转运动变换为直线运动，同时具有增力作用，在主动件上施加较小的力即可获得较大的输出力。该机构作为核心部件应用在图1-21所示的千斤顶中。

5.机械传动

机械中都会具有相对运动的零件，并且这些零件的运动有顺序关系，往往是某一个零件按照一定规律运动后带动其他零件运动，这就是机械传动。机械传动是由具体的传动部件来实现的，机械传动的设计是机械设计的重点之一。

常用的机械传动机构如图1-22所示，试思考这些机构在传动过程中各有何特点，主要用于什么场合，并尝试在日常生活中寻找这些机构的应用。

1.1.2 机械零件的常用材料以及选用原则

机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金（如铝合金、铜合金等）以及非金属材料（如橡胶、塑料等）。

1.常用金属材料

金属材料主要指铸铁和钢，它们均属于铁碳合金，其主要区别在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金为钢，大于2%的为铸铁。

（1）铸铁。常用铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁属于脆性材料，不能锻造和辗压，但具有较好的熔融性和流动性。

要点提示

灰铸铁的抗压强度高，耐磨性、减振性好，对应力集中的敏感性低，常用作机架和底座，如图1-23所示。

（2）钢。钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接、铸造等方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理的方法提高机械性能，因此，被广泛应用在机械生产中。

钢的种类较多，其按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。

· 结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。

· 工具钢可用于制造各种刀具、模具等，如图1-24所示。

· 特殊用途钢主要用于制造特殊工况条件下使用的零件，如图1-25所示的不锈钢法兰。

问题思考

新知识

近年来出现了新型复合材料和功能材料，即将两种以上不同性质的材料通过人工合成，使其既保持了各自的特性，又具有了组合后的新特性，从而可满足零件对材料性能的要求，以便更合理地利用材料。

2.材料选用原则

机械材料的种类较多，选用机械材料时应遵循下面的选用原则。

（1）使用要求。

· 当零件所受载荷大或要求重量轻、尺寸小时，可选用强度较高而价格较高的材料。

· 当零件承受静应力时，可以选用塑性或脆性材料；当零件承受冲击载荷时，必须选用塑性材料，特别要求它的冲击韧性较好。

· 当零件承受变应力时，须选用疲劳强度较高的材料；有时选用强度较低的材料，而采用改进结构形状或表面硬化处理的方法来提高疲劳强度。

· 当零件以刚度为主要要求时，可以选用一般强度的材料，并注意适当选取零件的截面形状和尺寸，以提高零件的刚度。

· 当零件以耐磨性为主要要求时，可以选用减摩材料，有时可以选用一般强度的材料，再进行表面硬化处理来提高其耐磨性。

（2）工艺要求。

· 当零件的尺寸较大时，如直径大于500mm的齿轮毛坯，在一般设备条件下锻造比较困难，就应该选用铸件或焊接件。

· 当零件形状比较复杂时，如箱形零件，也应选用铸件或焊接件。

（3）经济要求。

· 当零件用价格低的材料已能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。

· 铸铁与钢板相比，其价格较低，但对于单件或小批生产的某些箱形零件，选用钢板焊接反而有利。

· 对于同一零件的不同部位采用不同材料的情况，如有的齿轮由于轮齿需具有耐磨性和抗胶合的力，故将齿圈的材料选得好一些，而轮心则选用较差的材料。

· 为了生产准备和供应方便，所用材料的牌号、品种和规格，要尽可能少。

1.1.3 零件的失效形式及其设计准则

机械零件在预定的时间和规定的条件下，不能具备正常的使用性能，称为失效。

零件失效的形式与许多因素有关，具体取决于该零件的工作条件、材质、受载状态及其所在的应力性质等多种因素。

机械零件的失效形式主要有断裂、过大的残余应力、表面磨损、腐蚀、接触疲劳、共振等。

要点提示

零件工作时都必须承受力的作用，有些零件处于非常复杂的受力环境中，故在设计零件时必须考虑到零件设计准则，防止或者减少零件的失效。

（1）强度。强度是保证机械零件正常工作的基本要求，为了避免零件在工作中发生断裂，必须使零件满足以下设计准则

σ ≤ [ σ ]

式中： σ 、[ σ ]——零件工作时的正应力和材料的许用应力。

为了提高机械零件的强度，设计者设计时可采用以下措施。

· 用高强度的材料。

· 使零件具有足够的截面尺寸。

· 合理设计机械零件的截面形状，以增大截面的惯性矩。

· 采用各种热处理和化学处理方法来提高材料的机械强度特性。

· 合理地进行结构设计，以降低作用于零件上的载荷。

（2）刚度。刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不够，就会产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作。例如，车床的主轴弹性变形过大，将影响加工精度。

在机械产品中，当零件受力过大并且超出其本身的承受能力时，零件将发生断裂等破坏，轻者将导致其无法继续工作，重者将引发严重的事故。因此，对机械产品进行受力分析，发现潜在的设计隐患是机械设计中的重要技术环节。

（3）耐磨性。机械中相互接触且有相对运动的两个零件表面之间，因摩擦的存在会导致零件表面材料的逐渐丧失，称为磨损。

据统计，机械零件的报废约80%是由磨损造成的。零件的磨损可分为跑合磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。

要点提示

提高零件表面质量或硬度、采取良好的润滑措施等都可以提高零件的耐磨性。此外，零件的磨损与环境条件也有关，在工作中应加以注意。

（4）振动稳定性。零件发生周期弹性变形的现象称为振动。振幅和频率是描述振动现象的两个参数。随着现代机器工作速度的不断提高，易于使机器出现振动问题，影响工作质量。

引起振动的周期性外力：往复运动零件产生的惯性力和摆动零件产生的惯性力矩；转动零件的不平衡产生的离心力；周期性作用的外力。

减小振动可以采取下列措施：对转动零件进行平衡；利用阻尼作用消耗引起振动的能量；设置隔振零件（如弹簧、橡胶垫等）。

（5）可靠性。按传统的强度设计方法设计的零件，由于材料强度、外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况，因此，希望将出现这种失效情况的概率限制在一定程度之内，这就是对零件提出的可靠性要求。

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

（6）标准化。标准化是指零件的特征参数以及其结构尺寸、检验方法、制图等的规范要求。标准化是缩短产品设计周期，提高产品质量和生产效率，降低生产成本的重要途径。 0wKd9R6HU1fw8ceq7odeRMUToLAUHhmTKCJmhI9RaI470O/4FxnSu6pT+WAcfz78