第2章 机械工程基础,2.1 机械系统及其功能与组成 2.2 机器的结构 2.3 工程材料 2.4 零件的种类及表面组成 2.5 零件的互换性与公差,2.1 机械系统及其功能与组成,机械系统是由若干零部件根据一定的功能要求和结构形式组成的有机整体。,机械系统方案设计是根据客观需求，确定预定目标，经过规划、构思、设想、分析和决策，建立能满足预定目标的技术系统的活动。,机械系统的优劣最终体现在整体功能上。因此，设计时应考虑整个系统的布局和运行，确定各子系统的性能和它们之间的联系，使整个系统获得理想的功能效果。,2.1.1 机械系统,2.1.2 机器的功能与性能 机器的概念与功能 机器(Machine)是执行机械运动的装置，用来转换或传递能量(Energy)、物料(Materials)或信息(Information)。 机器的分类 力能机器 工作(或工艺)机器 信息机器,机器的基本功能结构 机构(Mechanism)实现运动的传递与转换的系统。 一台机器可能是由一种机构组成，也可能是由若干种机构组成，它们按一定的规律相互协调配合，通过有序的运动和动力的传递与转换来完成预期的功能。,机器的特征 人为的实物组合体。 各实体之间具有确定的相对运动。 能够完成能量、物料、信息的传递与转换。 机构的概念及功能 机构两个以上的构件通过可动联接形成的构件系统，各构件之间具有确定的相对运动。 可按预期的规律实现运动和力的传递与转换。 能将一个或几个构件的给定运动，转变成其他构件所需的确定运动。,机构的特征 人为的实物组合体。 各实体之间具有确定的相对运动。 从结构和运动的观点来看，机构和机器没有区别。,2.1.3 机器的组成,现代机械系统的组成：,一、动力系统 为机械系统正常工作提供动力源、实现能量转换的原动机（或动力机）及其配套装置。,大多数原动机采用电动机。,二、传动系统,传动系统 将原动机输出的动力和运动传递给执行系统的中间装置。,分 类（按工作原理）： 机械传动、液压传动、气压传动和电磁传动四类。,主要功能： 1.传递运动 2.变速 3.按工作要求改变运动规律 4.传递动力 5.实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的驱动装置等,三、执行系统,执行系统直接用来完成各种工艺动作或生产过程的装置，也称为工作机。,机械执行系统根据加工工艺要求进行设计，直接体现机械系统的功能要求。执行系统的运动设计是机械系统设计的关键之一。,执行系统一般置于机械系统末端，直接与作业对象接触，是整个机械系统的输出部分。,四、辅助控制系统,辅助控制系统 保证机械系统各组成部分协调运行，准确可靠地完成整机功能的装置。,辅助控制系统常由各种机械、液压、气动、电气、工业微机等 控制装置组成。,2.2 机器的结构,1.机器的表达 装配图是用来表达部件或机器的一种图样，是进行设计、装配、检验、安装、调试和维修时所必需的技术文件。,2.2.1 机器的功能与结构的关系,装配图以表达工作原理，装配关系为主，力求做到表达正确、完整、清晰和简练。 需很好地掌握国家标准所规定的各种表达方法和视图方案的选择问题。 画图时先选主视图，再考虑其它视图，然后再综合分析确定一组图形。,1）全转动副四杆机构的基本型 2）含有一个移动副四杆机构的基本型 3）含有两个移动副四杆机构的基本型 4）圆柱齿轮传动机构的基本型 5）锥齿轮传动机构的基本型 6）蜗杆传动机构的基本型 7）内啮合行星齿轮传动机构的基本型 8）直动从动件平面凸轮机构的基本型,2. 工程中常用机构的基本类型,9）摆动从动件平面凸轮机构的基本型 10）直动从动件圆柱凸轮机构的基本型 11）摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型 12）带传动机构的基本型 13）链传动机构的基本型 14）液压、气压传动机构的基本型 15）螺旋传动机构的基本型 16）电磁传动机构的基本型 17）间歇运动机构的基本型,3.机构的组合 机构的组合类别与分类的特征有关 1.以几何特征分类 2按以连接特征为主的分类 主要以两个或多个基本机构组合时的连接方式为特征。,图3-1 组合机构,机构的组合模式 1串联组合模式 2并联组合模式 3反馈组合模式 4运载机构 5时序组合机构,图2-2 串联组合机构,2.2.2 机械运动形态与变换,一、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构 1齿轮传动机构,2摩擦轮传动机构,3瞬心线机构,4连杆机构,5带传动机构,6链传动机构 7绳索传动机构,8液力传动 9. 钢丝软轴,10.万向联轴器,二、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构,三、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构,四、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构,五、直线移动转换为直线移动的运动变换与实现机构,六、直线移动转换为定轴转动或往复摆动的运动变换 与实现机构,一、机、液机构组合的运动形态 1机、液机构组合的基本型,2.2.3 机、电、液机构组合的运动及控制,2机、液机构组合的常见运动形式,固定液压缸式机构,摆动式液压缸机构,3机、液机构的控制系统 (1)手动控制 (2)机动控制 (3)微机控制 二、电磁机构,三、机电组合机构,一、机械运动的换向与控制 1.旋转运动的换向与控制,2.2.4 机械运动与控制,(1)改变电机转向,(2)限位开关换向,(3)介轮换向,倒挡,(4)棘轮换向,(5)摩擦轮换向,(6)自身换向机构,2直线移动的换向与控制 (1)改变电机转向来实现往复的直线移动,(2)液压换向,利用限位 开关换向,(3)自身换向机构,二、机械运动的调速与控制 (1)调速电机 改变电动机的工作速度，使电机能在低速大扭短的条 件下工作，是最理想的调运方式。也是电机工程师与学者 正在研究的问题。,(2)齿轮减速器,(3)其它减速装置 各类带传动、链传动、摩擦传动都可起到减速作用。 带传动、链传动多用在传动比不大、中心距较大的场合。 (4)变速器 变速器可分为有级变速器和无级变速器。,车床变速箱,变 速 器 操 纵 机 构 演 示,三挡,四挡,三、机械运动的离合与控制,四、机械运动的制动与控制,ABS概述 在汽车制动时，如果车轮抱死滑移，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失。如果只是前轮(转向轮)制动到抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力。如果只是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动，即使受到不大的侧向干扰力，汽车也将产生侧滑(甩尾)现象。这些都极易造成严重的交通事故。 因此，汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移，而是希望车轮制动到边滚边滑的状态。由试验得知，汽车车轮的滑动率在1520时，轮胎与路面间有最大的附着系数。所以为了充分发挥轮胎与路面间的这种潜在的附着能力，目前在某些高级轿车、大客车和重型货车上装备了防抱死制动系统(Antilock Brake System)，简称ABS。,什么是材料(materials)?,Materials is the stuff from which a thing is made for using.,材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。,天然材料,人工材料,人工材料,2.3 工程材料,1. 材料与人类文明,材料的发展史，就是人类社会的发展史。,人类历史的划分,石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。,现代社会,三 大 支 柱,能源、信息和材料（1998）,生物工程，信息技术和新材料,Aluminum in 19th century.,Computer,* 航空航天的物质基础,三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度),鍛铝2014（LD10）的力学性能,卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。,铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。,材料的发展史，就是科学技术的发展史。,中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷,1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）,古代中国： “日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （易经）,人类对材料微观结构认识的发展过程,2、材料的种类,复合材料,Why?,工程材料分类,2.3.2 金属材料 1.碳素钢,（1）碳素结构钢,Q屈拼音首位字母+屈服强度值质量等级*脱氧方法,（2）优质碳素结构钢,两位阿拉伯数字表示平均含碳量的万分之几,低碳钢 20平均含碳量20/10000=0.20% 中碳钢 45平均含碳量45/10000=0.45% 高碳钢 60平均含碳量60/10000=0.60%,（3）碳素工具钢(含C0.70%),T+平均含碳量的千分之几+质量表示,2.合金钢,合金结构钢 ：两位数字+合金元素+合金含量百分数,合金工具钢 ：含碳量的千分之几(碳1.0%时不标出) +合金元素+含合金百分数,低合金刃具钢 9SiCr平均含碳量 9/1000=0.90%,3、铸铁,（1）白口铸铁碳全部以Fe3C形式存在(铁锅、犁头等。主要作炼钢原料),（3）可锻铸铁由白口铸铁经过石墨化退火而获得的一种铸铁；H-表示黑心，B-表示白心，Z-表示珠光体。抗拉强度、塑性和韧性比灰口铸铁高,（2）灰口铸铁 碳大部分以片状石墨形式存在,易铸造、切削,HT150抗拉强度b150 N/mm2(Mpa),铸铁（续）,（4）球墨铸铁铸铁组织中石墨呈圆球状，具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧 性，可代替钢材制造一些重要的零件：曲轴、连杆等,（5）蠕墨铸铁-RuT蠕虫状石墨,高耐磨,4、非铁金属及其合金,1、铝及铝合金,形变铝 ： 防锈铝合金LF11焊接油箱、油管等 硬铝合金LY11中、高强度结构件。 超硬铝合金LC4结构中主要受力件。 锻铝合金LD7内燃机活塞和在高温下工作的复杂件,铸造铝合金： 分Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn四类,有色金属材料（续）,3、粉末冶金以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料，经过成型和烧结而制成的金属制品,含油滑动轴承材料粉末压型时轴瓦中存在大量孔隙，烧结后将轴瓦浸入油中让孔隙吸入润滑油；工作时轴转动摩擦生热及轴与轴瓦之间形成局部真空，轴瓦孔隙中的油流到表面形成油膜而起润滑作用；运转停止后，润滑油在毛细管作用下又吸回到孔隙中，实现自动润滑.,2.3.3 高分子材料,主要成分 高分子化合物（分子量大，一般在103107） 天然高分子材料 松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。 人工合成高分子材料 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。 高聚物结构特点 由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。 分类 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂。,低强度b100MPa 高弹性 如橡胶的弹性变形率为1001000%，金属一般为1% ； 低弹性模量 塑料和橡胶分别为金属的 1/10 和 1/1000 。 高耐磨性 比金属好，如汽车外轮胎。 高绝缘性 低耐热性 低导热性 是金属的1/100 1/1000 高热膨胀性 约为金属的 310 倍 高耐腐蚀性 耐酸、碱等。 老化 受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化。,1.塑料,组成 合成树脂 高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。 添加剂 填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。 分类 热塑性塑料 加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。加工成型简便，机械性