郭绍义 机械工程概论 第一章 机械工程概述
机械工程基本知识概述
《机械工程基本知识概述》一、机械工程的定义与范畴机械工程是一门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。
机械工程的范畴极为广泛，涵盖了机械设计、机械制造、机械自动化、流体传动与控制、机械电子工程、工业设计等多个领域。
从日常生活中使用的小型家电到大型工业生产中的重型机械，从精密的医疗器械到高速运行的交通工具，机械工程的成果无处不在。
二、机械工程的历史发展机械工程的历史可以追溯到古代。
早在新石器时代，人类就开始使用简单的工具，如石斧、石刀等。
随着时间的推移，人类不断发明和改进各种机械装置。
古埃及的金字塔建造中就使用了大量的简单机械，如滑轮、杠杆等。
在古代中国，也有许多杰出的机械发明。
例如，张衡发明的地动仪，是世界上最早的地震仪之一；指南车则展示了古代中国在机械传动方面的高超技艺。
到了近代，随着工业革命的兴起，机械工程得到了飞速发展。
蒸汽机的发明和应用，标志着人类进入了蒸汽时代。
随后，内燃机、电动机等动力装置的出现，进一步推动了机械工程的发展。
各种机床、起重机、输送机等机械装备的不断涌现，使得工业生产的效率大大提高。
现代机械工程则更加注重自动化、智能化和绿色化。
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、机器人技术、智能制造等先进技术的应用，使得机械产品的设计和制造更加高效、精确。
同时，随着环保意识的不断增强，机械工程也在积极探索节能减排、可再生能源利用等绿色发展路径。
三、机械设计机械设计是机械工程的核心环节之一。
它是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的设计图纸和技术文件的过程。
在机械设计过程中，需要考虑多方面的因素。
首先，要满足使用要求，确保机械能够在特定的工作环境下完成预定的任务。
其次，要考虑机械的可靠性和安全性，保证机械在使用过程中不会出现故障或事故。
机械工程概论复习提纲
第一章绪论（一）. 机械的基本概况1、机构：由两个以上的构件通过活动连接以实现规定运动的组合体，其各组成部分之间具有一定的相对运动用来传递、转换运动和动力，或实现某种特定的运动2、机器：由一个或一个以上的机构组成，具有确定机械运动并完成一定有用工作过程的装置3 、机械：机构和机器的总称4、机构和机器之间的区别与联系5、机构：传递、转换运动与动力实现某种特定的运动6、机器：具有确定机械运动、转换机械能、完成一定有用工作过程7、零件：组成机械不可拆的基本单元；专用零件8、构件：在机构中组成机构彼此间具有一定相对运动关系的基本单元9 、部件：机械的一部分，为可以完成同一功能而在结构上连接在一起、能协同工作的零件的组合体10 、机械、机器、机构、构件、零件之间的关系11 、机械的特征及种类12 、制造业和机械工业. 机械工程的涵义机械工程的工作内容（按工作性质划分）1、建立和发展能直接应用于机械工程的工程理论基础2、研究、设计和发展新的机械产品3、机械产品的生产4、机械制造企业的经营和管理5、机械产品的应用6、环境污染和自然资源过度耗费问题及其处理措施三.机械工程发展1、社会发展与机械工程第一次革命：大约200 万年前，学会了用木棍和石块等天然工具，并锻炼了大脑和手指第二次革命：大约50 万年前，学会了制造和使用简单的木制和石制工具，继而发现了火第三次革命：大约15000 年前，制作和使用简单机械，开始了农耕与畜牧第四次革命：1750 年到1850 年之间，瓦特第一台蒸汽机第五次革命：计算机的发明导致了一场现代工业革命。
智能机械开始应用，计算机正在改变人类的传统生活方式和工作方式2、机械工程发展史a. 古代机械史(ancient history of machinery ，〜1750年)机械始于工具b. 近代机械工程史(modern history of mechanical engineering)用生产能力大和产品质量高的大机器取代手工工具和简陋机械。
机械工程导论第一章
机械工程概论第1章
二． 本专业人才培养规格
本专业毕业生应具备以下几个方面的 知识和能力： 1.具有良好的思想品德、社会公德、职 业道德和团体意识，热爱祖国。 2.具有较扎实的自然科学基础、较好的 人文、艺术、社会科学基础和正确运 用本国语言、文字的表达能力。
3.较系统地掌握本专业领域宽广的技 术理论基础知识，主要包括力学、机 械学、电工与电子技术、机械工程材 料、机械设计工程学、机械制造基础、 自动化基础、市场经济及企业管理等 基础知识。
三维结构设计
运动学、动力学 仿真分析
有限元分析、尺 寸、结构优化
运动学问题 虚拟样机
动力学问题
CAD----Computer Aided Design （计算 机辅助设计），使用计算机系统进行 设计的全过程，包括资料检索、方案 构思、零件造型、工程分析、工程制 图、文档汇编
典型的CAD/CAE软件简介
政治思想：思想道德修养、形势与政策、 中国现近代史纲要 等 自然科学：高等数学、概率论与数理统计、 线性代数、大学物理 计算机技术基础：计算机应用基础、C程序设 计
外 语：大学英语、专业英语 经济管理：现代管理信息系统、设备管 理等
社会实践：学术讲座、军训、课外科技 活动、社会调查、公益劳动
机械学科基础：理论力学、材料力学、 工程热力学、画法几何及工程制图、 机械原理、互换性与技术测量
4.具有本专业必须的制图、计算、实验、 测试、文献检索和基本工艺操作等基 本技能。
5.具有本专业领域内某个专业方向所必需 的专业知识，了解其科学前沿及发展趋 势，具有文献资料查询及科技写作方面 的能力。 6.具有初步的科学研究、科技开发、分析 问题和解决问题以及组织管理能力。 7.具有较强的自学能力和创新意识。
让我们一起努力！
机械工程概论
整机可用性 元件和整机故障多属随即性
元件故障基本独立无关 使用环境一般良好，有密闭和 保护，应力因素可预测
维9修．方式系统可一般靠以性预分防性析维和修预为主计
预防性维修意义不大
可1靠0性．预维计 修困性难设计
可能
数1据1准．备可靠公性用试数据验收集不易，积累尚未正规化
数据已广泛发布，已形成数据
积累制度
第四章 机械设计及现代设计方法
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。
通过图形、文字、数据、符号表达出来。
§4-1 机械设计基本方法
明朝，设计制造同一人 基本结构的组合装置
直觉设计（远古~1500年） 经验设计（1501~1849年）
专门进行另部件研 究实验，有标准
设计发展阶段 半经验设计（1850~1949年）
早期二维机械CAD 仅仅是计算机辅助绘图 （Computer Aided Drafting）
三维CAD技术才是真正意义上的计算机辅助设计技术 （Computer Aided Design）。
三维CAD的四次技术革命
第一次：由线框造型设计/加工发展到曲（表）面造型设计
第二次：由曲（表）面造型设计发展到实体造型设计
采用最优化设计方法。
优化设计工作包含三个内容:
–建立优化数学模型；
–选取优化方法；
–用计算机进行求解。
（2）优化方法 其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初
始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每 一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一 步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点， 逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。
现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于 设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案 设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进 行设计。
机械工程导论-绪论
1.2指南车与中国古代机械
纺车复原模
1.2指南车与中国古代机械
北宋木构水运仪象台
1.2指南车与中国古代机械
郑和下西洋船队
1.2指南车与中国古代机械
1.2指南车与中国古代机械
活塞式风箱
1.2指南车与中国古代机械
清朝大更钟
（紫檀嵌珐琅重檐楼阁更钟）
1.2指南车与中国古代机械
机械技术刊物
1.4“勇气”号火星车与现代机械工程
在一座座沙丘的顶部，现出玄幻的蓝色 光彩，这种颜色是由于沙丘中含有丰富的赤 铁矿而造成的。
火星蓝莓
1.4“勇气”号火星车与现代机械工程
科学家发现，火 星上有一些奇怪的 含赤铁矿的圆球， 看起来就像是按在 松饼上的“兰莓” 果实，因此就有了 现在这个名字。
1.4“勇气”号火星车与现代机械工程
1.4“勇气”号火星车与现代机械工程
5.“勇气”号火星车与现代机械工程
现代航空航天制造技术是集现代科学技 术成果之大成的机械制造技术，远远高于一 般制造技术，不断由一般机械制造向高技术 和提供技术密集型产品的高精尖先进制造技 术的方向发展。航空航天制造工程的技术状 况是衡量一个国家科技发展综合水平的重要 标志。
《考工记》 《远西奇器图说录最 》 《梓人遗制》 《天工开物》
1.2指南车与中国古代机械
2、指南车 春秋时期----巢车
1.2指南车与中国古代机械
汉魏时期----独轮车
1.2指南车与中国古代机械
指南车
1.2指南车与中国古代机械
1.2指南车与中国古代机械
1.3蒸汽机与近代工业革命
3、蒸汽机的出现 蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械能的往
复式动力机械。 1698年，萨弗里制造了世界上第一个实
机械工程概论
教材： 《机械工程概论》 主编： 宗培言 丛东华 出版社：机械工业出版社出版
主要内容
机 械 与 机 械 工 程 机 械 工 程 的 应 用 领 域 机 械 工 业 与 制 造 业 机 械 设 计 与 现 代 设 计 方 法 工 程 材 料 材 料 成 型 技 术 机 械 加 工 技 术 先 进 加 工 技 术 制 造 业 先 进 生 产 方 式 与 管 理 模 式 现 代 机 械 工 程 教 育
机械产品的生产： 生产设施；生产计划；制造工艺；工模具；劳动定额和材 料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行 有效的控制。
企业的经营和管理: 研究产生的环境污染和自然资源过度耗费方面的问题，及 其处理措施。
机械工程分类
按功能：可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等； 按服务的产业：可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运 输机械和化工机械等； 按工作原理：可分为热力机械、流体机械、往复机械、仿生 机械等。
3、机械工程基础理论的发展 任何机械的诞生及发明都是以一定的自然科学为基础, 物理、化学、数学即使机械工程的理论基础。 蒸汽机 内燃机 齿 轮 英国人J.布莱克比热容和潜热理论 法国人罗沙提出四冲程循环的基本原理 1733年法国数学家卡米的齿廓啮合基本定律
设计计算精度 力学:材料力学、断裂力学、寿命计算等 材料强度 材料科学 机械结构 实验应力分析、有限元、计算机技术
5、研制和提供各种机械武器。
机械闲: 医疗
纺织工业 鞋业制造 成衣工业
食品工业 包裝工业 施工机械 搬运机械
飞机 轮船 汽车 火车 自行车 电脑,光电设备 运动器材 生物晶片 模拟器 生活辅助设备 医疗手术设备
机械工程的技术：
光学/电磁 技术
机械工程概论
机械工程概论机械专业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。
从分类来看，传统机械有三类：一个是以人力和畜力为主要动力的简单工具；石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单工具。
几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用于提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。
所用的动力由人力发展到畜力、风力和水力。
二是以蒸汽机为动力的蒸汽机械；7世纪以后，资本主义商品经济在英、法等国迅速发展，许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。
1765年，J.瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。
1781年，瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。
18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。
制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。
机械制造工业开始形成，并逐渐成为重要产业。
蒸汽机的发明和发展，促进矿业和工业生产、铁路和搬运机械动力化。
几乎成为19世纪唯一的动力源。
三是以一般电动机为主要动力来源的电子机械；20世纪初，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机。
19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。
蒸汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重，应用不便，慢慢被内燃机所淘汰。
19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。
20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。
发电站初期应用蒸汽机为原动机；内燃机最初用于驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械（如拖拉机、挖掘机械等）和轮船，20世纪中期开始用于铁路机车。
内燃机和以后发明的燃气轮机和喷气发动机，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。
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1781年瓦特又创造出提供回转力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范 围。蒸汽机的发明和发展，使矿业的工业生产、铁路和航运都得以机械 动力化。
蒸汽机几乎是19世纪惟一的动力源。
19世纪未，电力供应系统和电动机已在工业生产中取代了蒸汽机， 成为驱动各种工作机械的基本动力。
19 世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易 于操纵、并可随时启动的原动机。内燃机和以后发明的燃气轮机、喷气 发动机的发展，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。
第一章 机械工程概述
第一章 机械工程概述
1.1 科学和工程
1.1.1 科学的基本概念 科学在不同时期、不同场合有不同意义，科学本身在发展，人们对 它的认识也在不断深化。 一、 科学是对客观事物发展规律的正确认识和总结 二、科学是关于自然、社会和思维的知识体系
三、科学是征服自然、改造社会的武器
第一章 机械工程概述
第一章 机械工程概述
1.3 机械工程学科简介
机械工程学科下设四个二级学科：机械设计及理论、机械制造及其自动 化、机械电子工程和车辆工程。 机械类专业在1998年颁布的《普通高等学校本科专业目录》中有机械设 计制造及其自动化、材料成型及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程 四个专业。 由于部分高校有自主设置专业的权利，所以在有些高校招生目录上依然 可以看到诸如车辆工程、机械电子工程、机械工程及自动化等专业。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.4机械工程的展望 一、机械工程与人类的生存环境 工程技术的发展在提高人类的物 质文明和生活水平的同时，也对自然 环境起了破坏作用。20世纪中期以来 暴露出来的严重问题有两个方面：资 源 (其中最严重的是能源 )的大量消耗 和环境的严重污染。 机械工程一向以增加生产、提高 劳动生产率、提高生产的经济性，即 以提高人类的近期利益为目标来研究 和发展新的机械产品。新产品的研制 将以降低资源消耗，发展洁净的再生 能源，治理、减轻以至消除环境污染 作为超经济的目标任务。
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。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.1 机械 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。
图1-6 新能源汽车
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.4机械工程的展望 二、机械工程与人工智能 机械工程是传统的工程技术、机械可以完成人用双手和双目以及双足双 耳直接完成或不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。 现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械相机械装置，使过 去的许多幻想成为现实。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系。其区别仅在 于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。 过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进 化很馒的人脑和神经系统的限制。人工智能的发 机械工程概述
1.3 机械工程学科简介
1.3.1 机械设计制造及自动化专业 1.3.2 材料成型及控制工程专业 1.3.3 工业设计专业
第一章 机械工程概述
图1-
图1-5 电动机装配生产线
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.3 机械工程的发展过程 三、机械工程基础理论的发展 18 世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科 学几乎不发生联系。 内燃机最重要的理论基础是法国的罗沙在 1862 年创立的， 1876 年 N．A．奥托应用罗沙的理论，彻底改进了它原来的粗陋笨重、噪声大、 热效率低的内燃机，从而奠定了内燃机的地位。 早在公元前，中国已在指南针上应用复杂的齿轮系统。古希腊已有圆 柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与 齿轮的关系相齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。机构学 作为一个专门学科迟至19世纪初才第一次被列入高等工程学院 (巴黎的工 艺学院)的课程。
第一章 机械工程概述
图1-3 瓦特旋转式蒸汽机
图1-4 空气喷气发动机和火箭
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.3 机械工程的发展过程 二、机械加工技术的发展 工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工手工制成。金属(主要 是钢、铁)仅是木结构机械上的小零件。金属加工主要依靠机匠的精工细 作，以达到需要的精度。 随着蒸汽机动力装置的推广，以及随之出现的矿山、冶金、轮船、 机车等大型机械的发展，需要成形加工的金属零件越来越多、越来越大， 要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。 机械加工包括：铸造、缎压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备， 以及切削加工技术和机床、刀具、量具等。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.2 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，结合在生产实 践中积累的技术经验，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一门应用学科。 机械的种类繁多，根据用途不同，可分为： l．动力机械，如电动机、内燃机、发电机、液压机等，主要用来实 现机械能与其他形式能量间的转换。 2．加工机械，如轧钢机、包装机及各类机床，主要用来改变物料的 结构形状、性质及状态。 3．运输机械，如汽车、飞机、轮船、输送机等，主要用来改变人或 物料的空司位置。 4．信息机械，如复印机、传真机、摄像机，主要用来获取或处理各 种信息。
1.1.2 工程的概念 工程就是应用科学知识使自然资源最佳地为人类 服务的一种专门技术。它是为了满足特定的社会需要， 由具有专门知识和技能的人所从事的研究、开发、设 计、创造和使用具备特定功能的产品(包括人工过程)的 活动过程，以及这种过程所使用和创造的各种手段、 知识和规则的总和。
第一章 机械工程概述
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.4机械工程的展望 三、机械工程的专业化和综合化 19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般 还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程。 19世纪下半叶才逐渐成为一个独立的学科。 进入20世纪，随着机械工程技术的发展祁知识总量的增长，机械工程开 始分解，陆续出现了专业化的分支学科。 20世纪中、后期开始．又出现了综合的趋势。人们更多地注意了在基础 理论、拓宽专业领域、合并分化过细的专业方面。 综合 一 专业分化 一 再综合的反复循环。但是，综合的恢复，不能是现 有专业的简单合并，而是在更高一级上综合，其目的是为了更好地发挥专业 知识的作用。 列为20世纪机械工程方向前十位的杰出成就分别为：汽车、阿波罗登月、 发电、农业机械化、飞机、集成电路、空调和冷藏、CAD/CAM/CAE技术、 生物工程、编码与标准化。无一不是机械工程专业化和综合化的体现。
图1-1 画像机器人
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.1 机械 尽管机器品种繁多，形式多样，用途各异，但都具有如下特征： 1．都是有许多构件组合而成。 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。 所谓机构，就是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。
第四，工程技术具有高度的综合性。它不仅与某一门科学有关，而 且要运用多学科的综合知识，涉及到经济的、社会的、法律的、环境的、 心理的和生理的因素。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.1 机械 机械是现代社会进行生产和服务 的六大要素 ( 即人、资金、信息、 能量、材料和机械 ) 之一，并且能 量和材料的生产还必须有机械的参 与。所谓的机械就是机器和机构的 总称。机器在我们生活中有很多， 如内燃机、发电机、电梯、机器人 及各种机床等。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.1 机械 一部完整的机器基本上有原动机、工作机和传动装置三部分组成： 1．原动机 是机器的动力来源。常用的原动机(发动机)有电动机、内 燃机及液压机等。 2．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。 3．传动装置 介于动力部分与工作部分之间，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。但也有一些机器动力部分 和工作部分直接相连。 较复杂的机器还包括控制部分，如控制离合器、制动器、变速器等， 能够使机器的原动部分、传动装置和工作部分按一定的顺序和规律运动， 完成给定的工作循环。
1.1.3 工程的基本特点 第一．与科学研究相比，工程技术的显著特点是实用性。科学研究 的任务是探索真理，增加人类的知识财富；工程技术的任务则是控制、 利用和改造容观世界，增加人类的物质财富；科学知识力求反映客观真 理，并且越精确越好。 第二，与生产活动相比，工程技术的特点是其成果的信息形式。 第三，工程技术具有更大的经验性。
第一章 机械工程概述
1.2 机械与机械工程
1.2.3 机械工程的发展过程 人类成为“现代人”的标志是制造工具。 最早的人造材料是陶瓷。 几千年前，人类已创造了例如用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用来提 水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及其桨、槽、舵等。 所用的动力，从人自身的体力，发展到利用畜水、水力和风力。 15-16世纪以前，机械工程的发展非常缓慢。 18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、食品、冶金等行业， 促进了机械工程的大发展，并逐渐发展成为一门有理论指导的、系统的 韧独立的工程技术。 机械工程是促成18—19世纪的工业革命以及资本主义机械大生产的主 要技术因素。
第一章 机械工程概述