机械工程导论第一章：机械工程及学科总论机械工程机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。

其基本构成是零件和机构，最终产品是机器。

机械就是机器和机构的总称。

2机械的组成（1）原动部分，是机械的动力源，机械依赖其驱动其他部分，如电动机、内燃机等。

（2）传动部分，是将原动部分的运动和动力传递给执行部分的中间装置，常由凸轮机构、齿轮机构等组成。

（3）控制部分，是控制机械的原动部分、执行部分和传动部分按一定的顺序和规律运动的装置，它包括各种控制机构、电气装置、计算机和液压系统等。

（4）执行部分，是直接完成机器预订功能的工作部分，如汽车的车轮、机床的主轴等。

机器是由若干不同零件组装而成：零件是组成机器的基本要素，即机器的最小制造单元。

各种机器经常用到的零件称为通用零件，如螺钉、螺母、轴、齿轮、弹簧等。

在特定的机器中用到的零件称为专用零件，如汽轮机中的叶片、起重机的吊钩、内燃机中的曲轴、连杆、活塞等。

构件是机器的运动单元，一般由若干个零件刚性联接而成，也可以是单一的零件。

机器的特征：1.都是由许多构件组合而成。

2.组成机器的各运动实体之间有确定的相对运动关系。

3.能实现能量的转换，代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功。

凡具备上述三个特征的实体组合体称为机器。

机器组成完整的机器由原动机、工作机和传动装置三部分组成：原动机：机器的动力来源。

电动机、内燃机及液压机等。

工作机：处于整个机械传动路线终端，是完成工作任务的部分。

传动装置：主要作用是把动力部分的运动和动力传递给工作部分的中间环节。

6什么是机构：具有确定相对运动的各种实物的组合，即符合机器的前两个特征。

机构的特征：1.都是由许多构件组合而成。

2.组成机器的各运动实体之间有确定的相对运动关系。

机器与机构的区别：机构主要用来传递和变换运动，而机器主要用来传递和变换能量，从结构和运动学的角度分析，机器与机构之间并无区别。

第二章机械工程中的力学2.1 机械中的理论力学理论力学：研究物体的机械运动一般规律的学科。

¾理论力学的研究对象通常是固态物体，称为固体。

¾力对固体的作用：当力作用在物体上时，物体将会发生变形，称为内效应；与此同时，物体还整体运动，称为外效应。

理论力学—研究刚体，研究力与运动的关系。

材料力学—研究变形体，研究力与变形的关系。

102.2 机械中的材料力学材料力学的任务在满足强度、刚度、稳定性的要求下，为构件的安全工作提供计算方法和理论依据。

¾强度：构件在载荷作用下抵抗破坏（断裂或严重的塑性屈服）的能力；¾刚度：在外力作用下构件抵抗变形的能力；¾稳定性：构件保持其原有平衡状态的能力。

112.2 机械中的材料力学什么是安全因数：机械结构适度的强度储备，以保证其安全运行达到预期的使用寿命，安全因数是一个大于1的数值。

许用应力：许用应力是实际工程设计中构件所允许达到的最大应力，材料的极限应力除以该安全因数后，得到许用应力。

¾塑性材料的安全因数1.5~2之间：由于其具有较高的韧度，在破坏之前有比较长的塑性流动阶段，同时，在屈服后的强化阶段，实际上也使得结构的强度有所提高，所以塑性材料的安全因数可以取得比较小一些，比如低碳钢。

¾脆性材料的安全因数2.5~3之间：对于脆性材料，由于其破坏通常是突然的、不可预料的，同时，其破坏形式是断裂，一旦发生，由于没有预警，将产生严重的后果，为了确保构件的安全工作，需要采用比较大一些的安全因数，比如铸铁。

122.2 机械中的材料力学材料的力学性质是材料的最重要的性质，也是保证该种材料加工制造的构件能够安全工作的基础。

典型金属材料：低碳钢、铸铁。

以低碳钢为代表的材料称为塑性材料，以屈服失效时的应力屈服极限（屈服强度）作为标志应力。

以铸铁为代表的材料称为脆性材料，以断裂破坏时的应力强度极限（抗拉强度）作为标志应力。

强度要求：构件工作的最大应力不允许超过许用应力。

2.3 机械中的断裂力学断裂力学：研究含裂纹物体的强度和裂纹的扩展规律的分支学科，称为断裂力学。

断裂问题：材料的强度和韧性是两个概念。

高强、低韧材料引起的断裂。

142.5 机械中的振动力学什么是振动？激励作用在物体上引起物体发生周期性的循环往复运动，这就是振动。

共振：系统在周期性外力作用下发生受迫振动，若外力频率跟系统的固有振动频率接近或相等时，受迫振动达极大值，这种现象叫做共振，共振振幅理论上无限大，对结构产生彻底破坏。

转子运转时，不平衡离心力导致的动挠曲量很小，这样的转子是刚性转子。

随着运转速度的提高，在接近或超过固有频率转速时运转，转子的变形不容忽视，转变为柔性转子。

在振动的抑制转子在旋转时，主失和主矩的方向都在变化，成为引起轴承振动的激励源。

所以理论上认为，刚性转子的平衡条件是惯性力系任一简化的主失和主矩都为零振动的利用--振动机械：振动筛分机械超声波清洗机核磁共振-成像共振武器-次声波第三章机械设计1、机械设计的定义设计：人们根据预定目标来生产满足要求的信息的一种活动。

设计技术：从事设计活动所形成的作业程序、方法和技能、以及所用的工具和设备。

机械设计：以机械为对象所开展的设计活动。

规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的功能。

2.4 结构设计要求: 强度、刚度、寿命强度是衡量零件抵抗破坏的能力。

强度不足将导致：过大的塑性变形和断裂破坏。

刚度刚度是衡量零件抵抗弹性变形的能力。

寿命指零件正常工作的期限。

3、机械设计过程产品规划:调研、分析，预测投产后的市场竞争力并做出决策，写出技术建议。

方案设计：把设计对象作为完整的系统，并将它分成具有各种分功能的机构及零件，为子系统和元素、进行系统分析，最后选择最优方案。

技术设计：拟定设计对象的总体和部件，具体确定零件的结构。

施工设计:根据技术设计总体装配图进行零部件设计。

部分现代设计方法简介1.有限元法（finite element method，FEM）2.优化设计（optimization design）3.可靠性设计（reliability design）4.计算机辅助设计（computer aided design，CAD）5.模块化设计（modular design）6.价值工程（value engineering）7.绿色设计（green design）8.虚拟设计（virtual reality VR）9.反求工程（reverse engineering）10.工业造型设计（industrial modeling design）11.三次设计法（three stage design method）一、有限元法(Finite Element Mothod，FEM)有限元法：Finite Element Method, FEM以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力、位移、应变等参数的数值计算方法。

把要分析的连续体假设地分割成由许多被称为有限元的小单元组成的组合体，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

由于设计问题被较简单的问题所代替，因此这个解并不是准确解，而是近似解。

三、可靠性设计（Reliability design）可靠性设计的理论基础是概率统计学。

从统计学角度观察，偶然事件存在必然规律。

概率论是研究偶然事件中必然规律的学科。

这种规律反映在随机变量发生可能性。

数学模型通常为：正态模型、指数模型和威布尔模型等。

工程设计中的设计变量大多符合上述三种分布形式。

第四章机械制造基础黑色金属:铸铁和碳钢铸铁–碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。

碳钢–碳的质量分数小于2.11%和含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素所组成的铁碳合金。

有色金属及其合金铁及其合金称为黑色金属。

铝、镁、铜、锌及其合金等称为有色金属。

铝是地壳中含量最丰富的金属。

铜及其合金¾纯铜是紫红色的金属，富有延展性。

导电性和导热性很高，用于电气工业。

¾黄铜是铜与锌的合金。

机械性能和耐磨性能都很好，可用于制造精密仪器、子弹等。

¾青铜是铜锡合金，因色青而得名。

青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。

青铜还有一特性——“热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。

¾白铜是铜与镍的合金，其色泽和银一样，银光闪闪，不易生锈，常用于制造电器、仪表和装饰品。

4.1.2 无机非金属材料陶瓷材料陶瓷是比金属还要古老的材料，是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。

玻璃玻璃与陶瓷并无不可逾越的界限，玻璃是一种特殊的陶瓷材料。

水泥水泥是一种水硬性材料，石灰石等建筑材料遇水就会松懈，而水泥着水后能逐渐硬结。

4.1.3 有机高分子材料高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物，它的分子量可高达数百万。

这种高分子化合物一般具有长链结构。

高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中塑料、合成纤维和合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。

4.2 金属材料的成形加工根据加热温度与材料再结晶温度之间的关系，可以把成形加工分为热加工和冷加工两类。

热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。

热加工是在高于再结晶温度的条件下，使金属材料同时产生塑性变形和再结晶的加工方法。

热加工通常包括铸造、锻造、焊接、热处理等工艺。

热加工能使金属零件在成形的同时改善它的组织或者使已成形的零件改变既定状态以改善零件的机械性能。

冷加工是指在低于再结晶温度下使材料产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等。

冷加工在材料成形的同时提高了金属的强度和硬度。

4.2 金属材料的成形加工4.2.1 金属冶炼冶炼的目的在于获得合格的成分以及气体、夹杂物尽量少的液态金属或合金。

金属冶炼方法分为：火法冶金、湿法冶金和电冶金。

¾火法冶金：利用高温从矿石中提取金属及其化合物。

¾湿法冶金：在常温或稍高于常温下，利用溶剂从矿石中提取和分离金属。

¾电冶金：利用电能提取和精炼金属。

钢铁冶炼属于火法冶金。

有色金属冶炼可以采用火法或湿法冶炼，还可以采用电解法。

11:54374.2.2 铸造铸造是机械制造中毛坯成形的主要工艺之一。

是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能的成形方法。

常用于铸造的熔融金属有铸铁、铸钢和铸造有色金属。

合金的铸造性能主要指充型能力、收缩性、偏析、吸气等。