绪论
1 课程研究的对象和内容
人类为了满足生活和生产上的需要，创造了各种各样的机器，其主要目的是降低劳动力和提高生产率。随着生产的发展，在各类机械制造、土建、电力、石油化工、采矿冶金、轻纺、包装、食品加工等部门已广泛使用着各种类型的机器。
机器的种类很多，用途各不相同，但它们却有着共同的特征。
图1所示的单杠内燃机是由气缸体1、活塞2、连杆3、曲柄4、齿轮5和6、凸轮7、顶杆8等组成。燃气推动活塞作往复运动，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。为了保证曲柄每转两周进、排气阀各启闭1次，利用固定在曲柄上的齿轮5带动固定在凸轮轴上的齿轮6转动。这样，当燃气推动活塞运动时，进、排气阀有规律地启闭就把燃气的热能转变为曲柄转动的机械能。
图1 内燃机
图2所示的牛头刨床是由曲柄5（与大齿轮固定在一起）、滑块2和6、导杆7、刨头8、床身1、小齿轮4、电动机3以及其他一些辅助部分（图中未画出）所组成。当电动机3经带传动、变速箱（图中未画出）并通过小齿轮4使曲柄5作连续转动时，齿轮5上装有用销轴连接的滑块6，一方面绕轴销转动，同时又可在导杆7的导槽中滑动。导杆7的下部分导槽又与另一滑块2连接，而滑块2可绕固定在床身1上的销轴转动。故当齿轮5转动时，便可通过滑块6带动导杆7作平面复杂运动。导杆7上端用销轴与刨头8相连，刨刀固定在刨头8的前端，随同刨头一起运动，完成有效的机械功。
图2 牛头刨床
又如电动机是由转子（电枢）和定子所组成。当定子输入电流后，转子作回转运动，使电能转换为机械能。
从以上3个例子可以看出，机器具有下列特征：（1）是人为的实物组合；（2）是执行机械运动的装置；（3）能代替人进行劳动或减轻人的劳动强度，以完成有效的机械功（如机床、起重机、洗衣机等），传递能量、物料与信息，或者进行能量的变换（如内燃机、发电机等）。
机构也是人为的实物组合，用来传递运动和力。如图1所示的内燃机中，活塞、连杆、曲轴和气缸体组成曲柄滑块机构，可将活塞的往复移动变为曲柄的连续转动。凸轮、顶杆和气缸体组成的凸轮机构，将凸轮的连续转动变为顶杆的往复移动。曲柄、凸轮轴上的齿轮和气缸体组成齿轮机构。由此可见，机器是由机构组成的。在一般情况下，一部机器可以包含几个机构，而电动机则只有一简单的二杆机构。
从结构和运动的观点来看，机器与机构之间并无区别。因此，习惯上用机械作为机构与机器的总称。
组成机构的各个相对运动部分称为构件。构件可以是单一的整体，也可以是几个元件的刚性组合。如上述的齿轮一般用平键与轴刚性地连接在一起（图3）。这样平键、轴和齿轮之间便无相对运动，成为一个运动的整体，也就是一个构件；组成这个构件的3个元件称为零件。由此可知，构件是运动的单元，零件是制造的单元。
图3 齿轮
机器中普遍使用的机构称为常用机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。
机械中的零件分为两类：一类是通用零件，在各类机械中经常可以遇到，具有同一功用及性能的零件，如螺纹连接件、键、带、齿轮、蜗杆、涡轮、链、轴、轴承、联轴器、弹簧等；另一类为专用零件，仅在特定形式的机械上出现，如内燃机的活塞，汽轮机的叶片，农业机械中的犁铧等。
本课程将分别研究几种常用的机构（平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构）的组成形式和运动特性、选用原则以及机器动力学的基本知识；同时研究各通用机械零件的特点、结构及工作原理、选用原则、使用及维护、设计和计算方法，介绍有关的国家标准和规范。
2 课程的目标
随着机械化生产规模的日益扩大，除机械制造部门外，在动力、采矿、冶金、石油、化工、轻纺、食品等许多生产部门工作的工程技术人员，都会经常接触各种类型的通用机械和专用机械。他们必须对机械具备一定的基础知识。因此，机械设计基础如同机械制图、电工学、计算机应用技术一样，是高等学校工科有关专业的一门重要的技术基础课。
机械设计基础将为有关专业的学生学习专业机械设备课程提供必要的理论基础。机械设计基础将使从事工艺、运行、管理的技术人员，在了解机械的传动原理后，在设备的选购、正确使用和维护、故障分析等方面获得必要的基本知识。
通过本课程的学习和课程设计实践，学生初步具备选用、分析以及维护保养简单机械传动装置的能力，运用手册可以设计简单机械传动装置，为学习专业设备中的机械部分奠定基础。
机械设计是多学科理论和实际知识的综合运用。机械设计基础的主要选修课程有机械制图、工程材料及机械制造基础、金工实习、理论力学、材料力学等。除此之外，考虑到许多近代机械设备中包含复杂的动力系统和控制系统，因此，各专业的工程技术人员还应当了解液压传动、气压传动、电子技术、计算机应用等有关知识。
3 机械设计的基本要求和过程
机械设计是指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。设计机械应满足的基本要求为以下几点。
（1）良好的使用性能。实现预期功能，满足使用要求。操作容易，保养简单，维修方便。不必追求“多功能”，因为“多功能”会增加成本，降低可靠性。
（2）安全。许多重大事故源于机械故障。起落架故障引发空难，刹车失灵酿成车祸，密封件泄漏导致“挑战者号”航天飞机失事，频繁出现的汽车“召回”事件更暴露了机械设计不良造成的安全隐患。机械设计必须以人文本，凡关系到人身安全或重大设备事故的零部件都必须进行认真、严格的设计计算或校核计算，不能凭经验或以“类比”代替。计算说明书应妥善保管，以备核查。暴露的运动构件要配置防护网。易造成人身伤害的部位必须有安全连锁装置或能实施远距离操纵。电气元件、导线的规格和安装必须符合安全标准。除此之外，为了保护设备，还应设置保险销、安全阀等过载保护装置以及红灯、警铃等警示装置。
（3）可靠、耐用。在预定的使用期限内不发生或极少发生故障。大修或更换易损件的周期不宜太短，以免经常停机影响生产。但是，也不宜过分强调“耐用”。现代化生产推行定期更新和逾期强制报废，个别零部件的“长寿”对整机并无实际意义。因追求“耐用”而滥用贵重材料只会增加成本。
（4）经济。设计中应尽可能多选用标准件和成套组件，它们不仅可靠、价廉，而且能大幅减少设计工作量。可以说，设计中使用标准件的多少是评价设计水平的重要标志。要节约贵重原材料，降低成本。零件设计必须关注加工工艺性，力求减少加工费用。良好的经济性不仅体现制造成本低，更应该体现机器使用中的高效率、低能耗。
（5）符合环保要求。机器噪声不超标，不采用石棉等禁用的原材料，确保机械在使用过程中不泄露水、油、粉尘和烟雾，生产中的废水、废气必须经过治理，达标排放。
除此之外，欲使产品具有市场竞争力，机械设计人员还应与工艺美术人员密切配合，力求产品造型美观。
在明确设计要求之后，机械设计包括以下主要内容：确定机械的工作原理，选择合适的机构；拟定设计方案；进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷；进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。
一部机器的诞生，从萌生设计念头、明确设计要求开始，经过设计、制造，直到最后产品定型，是复杂、细致的过程。机械设计的一般过程如图4所示。
图4 机械设计的一般过程
设计人员要善于把设计构思、设计方案用语言、文字、图形方式传递给主管人和协作者，以获得支持。除技术问题之外，设计人员还要论证下列问题：①此设计是否确实为人们所需要？②有哪些特色？能否与同类产品竞争？③制造成本上是否经济？④保养、维修是否方便？⑤是否有市场？⑥社会效益与经济效益如何？
设计人员既要富有创造精神，又要从实际出发，善于调查研究，广泛听取用户和工艺人员的意见，在设计、加工、安装、调试过程中及时发现问题，反复修改，以期取得最佳的成果，并从中积累设计经验。
习题
1．试说明机械、机构的概念及其特征，并各举一例。
2．试说明构件与零件的区别。
3．试说明专用零件和通用零件的区别，并各举一例。