机械构件的组成及常用结构

机械是人类在长期的劳动实践中创造出来的生产工具。人类利用机械可以减轻劳动强度、改善劳动条件、提高产品质量和劳动生产效率，机械在人类文明的发展过程中起到了重要的作用。国民经济的各行各业都在使用着形式、结构和用途不同的机械，现代化的大规模生产更是离不开机械，机械工业为国民经济建设提供重要的技术装备。因此，机械工业的技术水平是一个国家（地区）社会生产力水平的重要标志。

机械是机器与机构的总称。

对于各种机器（如常见的电动机、内燃机、起重机、机床、汽车及洗衣机等）而言，虽然它们的构造、用途和性能各异，但它们都可以用来代替人的劳动。它们有的可以传递或转换能量，有的可以改变物料的形态，有的可以进行信息处理，具有这些功能的技术系统就是机器。所有机器都具有以下3 个共同特征：

（1）机器是人为实体的组合；

（2）机器各部分之间具有确定的相对运动；

（3）机器能用来代替人的劳动以完成有用的机械功或进行能量转换与信息处理。

随着生产技术和现代化建设的发展，机器的种类、形式和功能越来越多。

机构包括在有关课程中已经了解的齿轮机构、连杆机构等，以及以后还要学习的凸轮机构、间歇运动机构、带传动、链传动和蜗杆传动等。机构只具备机器的前两个特征，即机构是人为实体的组合，且各部分之间具有确定的相对运动，但它不能独立做功，只能用来传递运动和动力、改变运动的形式和速度等。

从运动学的观点来看，机构和机器并无区别，故将其统称为机械，只是从做功和能量转换的角度将机器和机构加以区分。一般来说，机构比较简单，且功能单一；机器除了功能的实现比较复杂外，一般还对操作、控制、润滑等方面有要求，其构成比机构要复杂得多。通常，机器由一个或多个机构组成。

图0-1 所示的单缸内燃机由3 个机构构成，即由气缸1、活塞2、连杆3 和曲轴4 组成的曲柄滑块机构（属于平面连杆机构），由齿轮5、6 组成的齿轮机构，由凸轮7 和顶杆8 组成的凸轮机构。燃油的爆发性燃烧推动活塞（滑块）做直线运动，由曲柄滑块机构将滑块的直线运动变为曲轴的转动并输出机械能，同时实现滑块的往复移动，完成排气、吸气和压缩的做功准备。由齿轮机构和凸轮机构共同构成的配气系统，用来完成气缸的进气和排气。2 个凸轮机构定时开启和关闭进、排气门。除此之外，内燃机还具备必不可少的燃油供应系统和运转调速系统，前者的功能为净化燃油、加压、定时喷射，后者的功能为减小输出轴转速的周期性波动，并防止发生飞车事故，这些功能都由不同的机构或装置完成。

图0-1　单缸内燃机(www.xing528.com)

（a）外形；（b）机构运动简图

从机械制造的角度来看，无论多复杂的机械最终都是由零件组成的，零件是机械中能够单独加工的单元体，即制造加工单元。机构是由构件组成的，构件是机构的运动单元体。构件既可以是一个零件，也可以是多个零件连接在一起组成的刚性结构。图0-2 所示为内燃机活塞连杆组及其组成结构，活塞由活塞环、活塞体、活塞销和活塞销卡环组成，是曲柄滑块机构中的滑块。连杆由连杆体、连杆盖、定位套筒、连杆轴瓦、连接螺栓及螺母、连杆衬套组成，它作为一个整体参与机构运动，是曲柄滑块机构的一个构件，也是曲柄滑块机构的一个运动单元。

图0-2　内燃机活塞连杆组及其组成结构

（a）活塞连杆组；（b）活塞和连杆的组成结构；（c）连杆的组成结构

图0-3（a）所示为带式输送机的基本组成部分，图中电动机1 为原动机，带传动2 和齿轮减速器3、联轴器4 组成传动系统，作用是将电动机的转速和转矩变换为带式输送机上滚筒所需要的转速和转矩，滚筒5 和输送带6 组成执行系统，控制柜7 是控制系统。虽然机械的结构和功能千差万别，但它们一般都是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统4 个基本部分以及其他辅助系统构成的，如图0-3（b）所示。原动机是动力的来源，常用的有电动机、内燃机等。传动系统将原动机的运动和动力传递给执行系统，并使其实现在运动形式、转速、力和转矩方面的匹配，一般情况下常用机械传动，有些场合采用液压传动、气压传动或电传动。执行系统（即工作机）是完成机械功能的执行装置。控制系统是根据工况的变化对原动机、传动系统和执行系统进行操控的装置。机械传动是本课程的重点学习内容。

图0-3　机械组成

（a）带式输送机的基本组成部分；（b）机械的一般组成结构

在各种机械中普遍使用的机构称为常用机构，如平面连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等。在各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如螺栓、齿轮、轴、轴承和弹簧等。只在特定机械上使用的零件称为专用零件，如内燃机的曲轴、活塞和汽轮机叶片等。有一些零（部）件在材料、尺寸、结构和性能上都已经标准化和系列化，称为标准件，如螺栓、键和滚动轴承等。

本课程作为机械设计的基础课程，主要介绍机械中的常用机构和通用零件的工作原理、性能特点、适用场合、使用维护方法、标准规范，以及设计计算等基本理论和方法。这是各类机械设计中普遍适用的基本知识。