1.1　机械设计基础概述

机械设计基础课程是机械工程及其自动化、机械设计制造及自动化专业以及许多机类和近机类专业的主要课程之一，也是一些非机类专业的必修课或选修课。该课程是机械原理与机械零件的有机整合，旨在教授学生机械设计基础知识，培养相关能力，提高学生的工程素质。课程基础性强、覆盖专业面较广，对培养学生综合设计能力，有十分重要的作用。

1.1.1　机械设计基础课程的内容、性质和要求

本小节介绍机械设计基础课程的主要内容、在专业教学计划中的性质、地位和学习后要达到的基本要求。

1.机械设计基础课程的内容

本课程主要讨论机械设计的常用方法和一般过程；机械传动中常用机构的几何尺寸计算、运动学分析和动力学分析；常用机构的一般设计方法；通用机械零件的失效分析、强度计算和常用标准零件的选用等问题。

2.机械设计基础课程的性质

本课程是一门机械类专业和近机类专业必修的技术基础课，其先修课程为机械制图、高等数学、机械工程材料、工程力学。同时本课程还为后续的专业课程如：机械制造基础、机电一体化技术和内燃机原理机等提供基础知识，也为解决一般的机械方面的生产实际问题获取必要知识。通过对本课程的学习使学生掌握机械设计的一般规律、基本理论与设计方法，初步具备机械工程技术人员应具有的基本技能和独立完成一般机械的设计能力。

3.机械设计基础课程的要求

通过学习本课程，应达到以下基本要求。

（1）熟悉常用机构的工作原理，运动特性、几何尺寸计算，学会设计简单机械。

（2）了解机械的平衡与调速。

（3）掌握一般机械传动中通用机械零件的工作原理、几何尺寸计算、强度计算、结构设计和选用方法等。

（4）学会使用相关手册和标准，能进行通用零件和简单机械传动装置的设计和计算。

1.1.2　机器的组成及其特征

机器对于我们并不陌生，从家用的洗衣机、自行车，旅行时乘坐的汽车、火车、飞机，到建筑用的推土机、吊车，加工用的车床、铣床、刨床等都是机器。虽然机器种类繁多，机器的用途和结构各不相同，但组成机器的常用机构是有限的，本课程的机械原理部分就是要通过分析和综合这些机构，以此研究各种机构和机器所具有的一般共性问题。

1.机器

尽管各种机器的组成、功能和运动特点不尽相同，但它们都具有如下三个共同特征：

（1）机器是人为的实物组合；

（2）机器各部分之间具有确定的相对运动；

（3）机器具有确定的功能，可以用来转换能量、传递信息、做有用功，以代替或者减轻人类的劳动。

图1.1为空气压缩机工作原理图，它将机械能转换成气体的势能。压缩机的动力来自曲轴8，通过连杆7将曲轴8的旋转运动转变成滑块的往复运动，并通过连接杆4带动活塞3作往复运动。当活塞3从左向右运动时，气缸2内的气腔容积增大，腔内压力低于进气口压力，此时进气阀9打开，排气阀1关闭，压力较低的外部气体充满气腔；当活塞3从右向左运动时，弹簧10使进气阀9关闭，此时气处于密闭状态，随着运动的继续，腔内气体受到压缩使压力增高，当腔内压力大于排气口压力p时，排气口1打开，压力较高的压缩空气向外排出。

在图1.1中，滑块5、机架6、连杆7、曲轴8组成了一个机构，它们将曲轴的旋转运动转变成为滑块的往复运动，这种机构称为曲柄滑块机构。

图1.2为单缸四冲程内燃机结构图，它由气缸体1，曲轴2，连杆3，活塞4，排气阀5，火花塞6，进气阀7，顶杆8，齿轮9、10、11，凸轮12等组成。燃气推动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。为了保证曲轴每转两周进、排气阀各启闭一次，曲轴与凸轮轴之间安装了齿数比为1∶2的齿轮。其运动关系如图1.3所示。这样，当燃气推动活塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启闭，加上点火装置的配合，就把热能转换为曲轴回转的机械能。

内燃机中主要包含了以下机构：

（1）曲柄滑块机构　由曲轴2（曲柄）、连杆3、活塞4（滑块）和气缸体1（机架）组成，活塞为主动件，曲轴为从动件，其功用为将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，用于实现移动与转动之间的运动变换，完成做功、吸气、压缩、排气等工作过程所需的运动。

（2）凸轮机构　由凸轮12、顶杆8和机架（气缸体）组成，两套凸轮机构相差一定的相位，分别控制进、排气阀的动作。

（3）齿轮机构　由小齿轮10、大齿轮9、11组成，其传动比为2。用于保证进气阀、排气阀和活塞之间形成一定的运动规律（曲轴每转两周进、排气阀各启闭一次）。

另外，内燃机的工作循环包括进气、压缩、做功、排气四个冲程。这四个冲程中，只有一个冲程做功，因此，单缸四冲程内燃机的运转不平稳，常在曲轴上安装一个具有很大转动惯量的圆盘，称之为“飞轮”，其目的是减少速度波动。

如上所介绍的各种类型机器中可以看出，尽管其用途和结构各不相同，机器的主体部分都是由各种运动构件组成的。根据工作类型或用途的不同，机器可分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器。

动力机器的用途是转换机械能。将机械能转换为其他形式能量的机器称为换能机，如空气压缩机（见图1.1）。将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机，如蒸汽机、内燃机（见图1.2）、电动机等。

加工机器用来改变被加工对象的尺寸、形状、性质或状态，如金属加工机床、纺织机、轧钢机、包装机等。

运输机器用来搬运物品和人，如汽车、飞机、起重机、运输机。加工机器和运输机器都要完成有用功。

信息机器的功能是处理信息，完成信息的传递与变换，例如复印机、打印机、照相机等。信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率较小。

2.机构

在工程力学中我们对一些机构的运动学、动力学问题进行过研究，而上面提到的曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构等组成了机器。那么什么是机构呢？

用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统称为机构。

机构所涉及的基本单元是构件，如曲轴、连杆、滑块等，它们具有各自的运动特征。如图1.4所示为内燃机的连杆，它由连杆体1、连杆盖2、轴瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、开口销8等零件构成。这些零件之间没有相对运动，它们是作为一个整体来运动的。构件和我们常用的另一个术语——“零件”有所不同。构件是运动的单元，而零件是制造的单元。构件可以是由一个零件组成的，也可以是由多个没有相对运动的零件组成的。

机构具有以下两个特征：

（1）机构是人为的实物组合；

（2）机构各部分之间具有确定的相对运动。

由此可见，机构具有机器的前两个特征。

机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功，而机构则仅仅起着传递运动和力的作用。也就是说，机构是实现预期机械运动的实物组合体，而机器是由各种机构组成的，能实现预期机械运动并完成有用机械功或转换机械能的机构系统。由于机构具有机器的前两个特征，所以从结构和运动的观点来看，两者之间并无区别，传统上认为，机械是机器和机构的总称，将机器和机构均用“机械”来表示。

3.现代机械的组成

随着科技的发展，机械的内涵不断变化。机电一体化已成为现代机械的最主要特征，机电一体化拓展到光、机、电、声、控制等多学科的有机融合。现代机械系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术，是将计算机技术融合于机械的信息处理和控制功能中，实现机械运动、动力传递和变换，完成设定的机械运动功能的机械系统。就功能而言，一台现代化的机械包含四个组成部分。

（1）动力部分　其作用是向机器提供动力，称为原动机，可采用人力、畜力、液力、电力、热力、磁力、压缩空气等作为动力源。其中以利用电力（电动机）和热力（内燃机）的原动机应用最为广泛。

（2）执行系统　执行系统是直接完成机器功能的部分，按照工艺要求完成确定的运动，其动力由原动机通过传动系统提供。因此，在机器中，执行系统处于整个传动路线的终端，执行系统的工作原理和结构随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。

（3）传动部分　传动部分介于驱动部分和执行部分之间。将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。例如，电动机都是作回转运动，而机器的执行部分则可能有各种运动形式，如回转、往复摆动、往复移动、间歇运动等，还有的执行部分要走出一定的轨迹，这就需要实现运动形式转换的各种机构，即传动部分。另外，一般原动机的转速都比较高，而机器的执行部分速度则各不相同，而且许多机器还需要执行装置可以有多种不同的速度，这就需要实现速度变换的机构，此亦为传动部分。从上一节的实例中可以清楚地看出，连杆机构、凸轮机构、棘轮机构可用来实现运动形式的转换，而齿轮机构和带传动则用来实现速度变换。

（4）控制部分　它的作用是控制机器各部分的运动，处理机器各组成部分之间的工作协调。以及与外部其他机器或原动机之间的关系协调。例如各种传感器收集信息，输入计算机进行处理，并向机器各个部分发指令等。随着现代机械设备自动化程度的提高，控制部分将变得越来越重要。

图1.5所示为工业机器人的构造，工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。执行机构由多个刚性的杆件所组成，各杆件间由运动副相连（在机器人学中，通常称这些运动副为关节），使得相邻杆件间能产生相对运动。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。