机器特征优化探讨

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：卷扬机的动力来自电动机1，由于电动机转速较高，因此，在电动机1与卷筒5之间需要配置一减速传动装置，即图1.2中的齿轮减速器3。如图1.2所示，卷扬机的齿轮减速器不是机器而是机构，因为减速器输入输出的都是机械能，只是传递了能量，但能量形式没有改变。

活动情境

进入实习车间，观察各种机床的工作过程。

任务要求

1.结合日常生活中常见的机器（如摩托车、缝纫机和汽车等），总结机器的特征。

2.观察车床或铣床各运动部位的运动特点。

任务引领

通过观察与讨论回答以下问题：

1.缝纫机、铣床和车床等机器，哪些部位之间有相对运动？它们是怎样运动（摆动、转动、直动）的？

2.相对运动的各部位之间是以什么方式（点、线、面）接触的？

归纳总结

1.1.1　机器的特征

让我们先来认识一台具体的建筑行业广泛使用的机器——卷扬机。如图1.2所示，卷筒5的缓慢转动使绕在钢索上的悬吊装置执行升降工作任务。卷扬机的动力来自电动机1，由于电动机转速较高，因此，在电动机1与卷筒5之间需要配置一减速传动装置，即图1.2中的齿轮减速器3。通过齿轮减速器获得卷筒的缓慢转动，在电动机1和齿轮减速器3之间，齿轮减速器3和卷筒5之间的联接采用联轴器2，4。

卷扬机的操作主要是通过电气开关控制电动机的正反转以及制动器来进行安全保护的。

通过观察发现，摩托车、汽车、缝纫机以及各种切削机床都是人们根据使用要求，有目的地设计、制造出各种零件后组装成一个整体，而不是任意拼装的。同时，各个组成部分之间的运动是有规律的、确定的。

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图1.2　卷扬机

1—电动机；2，4—联轴器；3—齿轮减速器；5—卷筒

通过观察还发现，摩托车、汽车等是将汽油燃烧的化学能转化为车轮的机械能，各种切削机床是将电动机的电能转化为车刀运动的机械能，并且大大减轻了人们的劳动强度。

通过分析可知，所有的机器都具有以下3个特征：

①人为的实物组合体。

②每个运动单元（构件）之间具有确定的相对运动。

③能实现能量、信息等传递或转换，代替或减轻人们的劳动强度。

1.1.2　机器的组成

机器种类繁多，虽然它们的用途、构造及性能不相同，但是从机器的组成来分析，确有共同之处。

1）按机器的各部分功能

按机器的各部分功能不同，机器一般由以下四大部分组成：

（1）动力部分（动力装置）

机器中最常见的动力部分为电动机、内燃机等。它是机器动力的来源。它将其他形式的能转变成机械能。

（2）执行部分（执行装置）

执行部分直接实现机器的特定功能。它是完成工作任务的部分，如汽车的车轮、起重机的吊钩、卷扬机的卷筒（见图1.2）、车床的卡盘与车刀等。

（3）传动部分（传动装置）

传动部分是将动力部分的运动和动力传递、转换或分配给执行部分的中间联接装置，如卷扬机中的齿轮减速器（见图1.2）、机床变速箱的齿轮传动、自行车和摩托车的链传动、内燃机中的进排气控制机构等。

（4）控制部分（控制装置）

控制部分是控制机器启动、停车和变更运动参数的部分，如开关、变速手柄、离合踏板及相应的电器等。

2）按机器的构成

当对机器进行拆解时，发现机器是由一个或几个机构和动力源组成。

（1）机构

机构是具有确定的相对运动，能实现一定运动形式转换或动力传递的实物组合体。它是机器的重要组成部分。如图1.3所示的单缸内燃机，就有一个曲柄滑块机构。该机构用来将汽缸1内的活塞2的往复运动转变为曲轴4的连续转动。

机器和机构的根本区别是机构只能传递运动和动力，一般不直接做有用的机械功或进行能量转换。如图1.2所示，卷扬机的齿轮减速器不是机器而是机构，因为减速器输入输出的都是机械能，只是传递了能量，但能量形式没有改变。

从构成和运动角度看，两者无本质的区别。因此，人们常把机器与机构统称为机械。

（2）构件

在机器中，作为一个整体而运动的最小单位，称为构件，如摩托车的链条、车轮等。在机械中，应用最多的是刚性构件。一个构件可以是不能拆开的单一整体，如图1.3所示的曲轴4；也可以是几个相互之间没有相对运动的物体组合而成的刚性体，如图1.4所示的连杆是一个构件，但是它是由连杆体1、轴套2、连杆盖3、螺栓4、螺母5及轴瓦6组成的。

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图1.3　单缸内燃机

1—汽缸；2—活塞；3—连杆；4—曲轴；5—轴承

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图1.4　内燃机的连杆构件

1—连杆体；2—轴套；3—连杆盖；4—螺栓；5—螺母；6—轴瓦

（3）零件

任何机器都是由一个个零件组成的。零件是组成构件的基本部分，是组成机器的最小单元，是加工制造的起点，是组装、拆装的基础。零件分为两类：一类是通用零件，即各种机器中普通使用的零件，如螺栓、齿轮和轴等；另一类是专用零件，即只在某一种类型的机器中使用，如曲轴、叶片和吊钩等。

另外，将由一组协调工作的零件所组成的独立装配的组合件，称为部件，如减速器、联轴器和滚动轴承等。

拓展延伸

1）本课程的内容和任务

本课程的基本内容有机械原理、机械零件和液压传动三大部分。本课程综合运用各先修课程的基础理论知识和生产知识，是一门重要的技术基础课。通过本课程的学习，可使学生获得机械的基本知识、基本理论和基本技能，初步具备正确分析、使用及维护机械的能力，初步具备设计机械传动和运用手册设计简单机械的能力，为今后学习有关机械设备和参与应用型技术工作奠定必要的基础。

2）机械设计概述

机械设计包括以下两种设计：应用新技术、新方法开发创造新机械；在原有机械的基础上，重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有的机械性能。机械设计是一门综合的技术，是一项复杂、细致和科学性很强的工作，涉及许多方面。要设计出合格的产品，必须考虑多方面因素。

下面简述与机械设计有关的几个基本问题。

（1）机械设计应满足的基本要求

①实现预定功能。在规定的工作条件、工作期限内能正常运行，达到设计要求。

②满足可靠性要求。机器由许多零部件组成，其可靠度取决于零部件的可靠性。

③满足经济要求。设计及制造成本低，机器生产率高，能源和材料耗费少，以及维护及管理费用低等。

④满足安全要求。操作方便，保证人身安全。

⑤满足外观要求。外形美观、和谐，具有时代特点。

此外，噪声、起重、运输、卫生及防腐蚀等问题不容忽视。

（2）机械零件的失效形式和设计准则

①零件的失效形式。

零件丧失预定功能或预定指标降低到许用值以下的现象，称为失效。

常见的零件失效形式如下：

a.断裂。

b.过量变形。

c.表面失效：疲劳点蚀、磨损、压溃及腐蚀等。

d.其他：打滑、不自锁、过热及噪声过大等。

②机械零件的计算准则。

根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为设计计算准则。

a.强度准则：强度是零件抵抗破坏的能力。强度可分为整体强度和表面强度（接触与挤压强度）两种。强度准则为

b.刚度准则：刚度是零件抵抗变形的能力。刚度准则为

y≤[y]

c.耐磨性准则：耐磨性是零件抵抗磨损的能力。因磨损机理较复杂，故通常采用条件性的计算准则。耐磨性准则为

p≤[p]

d.耐热性准则：耐热性是零件承受热量的能力。耐热性准则为

t≤[t]

e.可靠性准则：可靠性用可靠度表示，零件的可靠度用在规定的寿命时间内能连续工作的件数占总件数的百分比来表示。

（3）设计步骤

机械设计方法很多，既有传统的设计方法，也有现代的设计方法。这里只简单介绍常见机械零件的设计方法。

a.根据机器的工作情况和简化的计算方案，确定零件的载荷。

b.根据零件的工作情况分析，判定零件失效形式，从而确定计算准则。

c.选择材料，选择主要参数。

d.根据计算准则，计算出零件的基本尺寸。

e.选择零件的类型和结构。

f.结构设计。

g.绘制零件工作图，编写说明书及有关技术文件。

在机械设计和制造的过程中，有些零件（如螺纹联接件、滚动轴承等）因应用范围广、用量大，现已标准化而成为标准件，并由专门生产厂生产。对同一产品，为了符合不同的使用要求，生产若干同类型不同尺寸或不同规格的产品，作为系列产品以满足不同用户的需求。不同规格的产品使用相同类型的零件，以使零件的互换更为方便。因此，在机械零件设计中，还应注重标准化、系列化和通用化。

自测题

一、单项选择题

1.汽车的变速箱是机器的（　）。

A.动力部分　B.传动部分　C.工作部分

2.在机械中属于运动单元的是（　）。

A.构件　B.零件　C.机构

3.下列各机械中属于机构的是（　）。

A.摩托车　B.电动机　C.台虎钳

4.在机械中属于制造单元的是（　）。

A.部件　B.零件　C.机构

二、简答题

1.举例说明机器通常由哪几部分组成？各部分起什么作用？