机械原理与机械设计
Theory and Design of
Mechanisms and Machines
国家级十五规划教材机械原理与机械设计机械工业出版社出版 第一版 2004年天津大学机械原理与机械设计教研室集体编写主 编：张 策副主编：陈树昌 孟彩芳课程内容导论
（第 1篇 ）
机械原理部分
（第 2篇～第 4篇 ）
机械设计部分
（第 5篇～第 6篇 ）
课程设计部分
（第 7篇 ）
第一篇 导 论
第一章 机械的组成、分类与发展
第二章 机械的设计与相关课程简介整个课程的总绪论第一章机械的组成、分类与发展内容提要
认识机器
机器的分类和组成
机械发展历程概述第一节 认识机器通过上周的实践，我们已经认识了几种典型的机器：
内燃机 牛头刨床 汽 车电池自动分拣机 通用工业机器人第二节 机器的分类和组成机器和它的分类机器的组成机器中的几个基本概念返回什么是 机器 呢？
机器和它的分类机器：
是人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来转换能量、
完成有用功或处理信息，
以代替或减轻人的劳动。
根据用途的不同，
机器可分为动力机器加工机器运输机器信息机器动力机器其用途是转换机械能。
其他形式的能量 机械能原动机 如蒸汽机、内燃机、电动机换能机机械能 其他形式的能量返回如空气压缩机加工机器尺寸形状性质状态用来改变被加工对象的如,
加工机床轧钢机纺织机包装机等。
返回运输机器用来搬运物品和人 。
如汽车,飞机,起重机,运输机 。
返回信息机器其功能是处理信息。
例如复印机、打印机、绘图机等。
信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息
，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。
动力机器加工机器运输机器信息机器转换机械能完成机械功作功很小现代机器的出现使机器按功能的分类变得模糊：
机器人：
进行焊接和装配，是加工机器；
用来搬运物品，也是运输机械；
而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。
电池分拣机：
实现了电池的搬运，但它是根据电池的质量信息来进行分拣后的搬运。
返回机构在认知机器的实践中,我们已经初步认识了几种机构：
机器中的几个基本概念什么是机构呢
？
连杆机构、凸轮机构、
棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构内燃机连杆机构活塞的往复移动 曲轴的转动牛头刨床圆盘的转动 滑枕的往复移动连杆机构内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共同点：
构件间都形成可相对转动或相对移动的活动连接。
都是实现运动形式的变换。
它们都属于连杆机构。
凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构实现的运动转换与连杆机构不同，构件之间的连接形式也不同，构件的形状也不同。
因此，可给出机构的如下定义：
机构：
人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来传递和转换运动。
机器,
人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来转换能量、
完成有用功或处理信息，
以代替或减轻人的劳动。
机器是由机构组成的。
简单的机器，可能只含有一个机构,但一般都含有多个机构。
机械,
机器和机构的总称 。
机器 机构机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。
在各种机械中广泛使用的一些机构称为常用机构。
如：
连杆机构、
凸轮机构、
齿轮机构、
间歇运动机构。
常用机构我们已经多次使用了,构件,这个术语 。
活塞,连杆,曲轴,滑枕等都是构件 。
构件是组成机构的有确定运动的单元 。
构件构件是运动的单元，而零件是制造的单元 。
构件 零件各种机械中广泛使用的零件称为 通用零件 。
如螺栓,轴,齿轮,弹簧等 。
只在某一类机械中使用的零件称为 专用零件 。
如内燃机中的活塞,曲轴等 。
通用零件中主要包括三大类零件：
传动零件 （ 齿轮,带,链等 ）
联接零件 （ 螺栓,键等 ）
轴系零件 （ 轴,轴承等 ）
此外,弹簧 等零件 。
通用零件与专用零件返回机器的组成传统机器 都包含如下三个部分：
驱动装置 传动装置 执行装置常称为原动机，是机器的动力来源。
常用：电动机、内燃机
、液压缸和气动缸，
以各种电动机的应用最为普遍。
处于整个传动路线的终端，
按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的部分。
执行装置随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。
恩格斯如牛头刨床、空气压缩机驱动装置 传动装置 执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，
并实现运动速度和运动形式的转换。
运动速度的转换 运动形式的转换运动速度的转换传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。
一般的普通交流电动机速度是固定的。
一般机器执行部分速度低于原动机的转速,
需要减速。
（也有相反的情况，需要增速）。
许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。
鼠笼式交流电动机的同步转速
（ r/min）
500 600
750 1000
1500 3000
带、链传动各种齿轮传动减速器例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器运动形式的转换机器执行部分可能有各种运动形式：
一般的原动机作回转运动变速回转往复摆动往复移动间歇运动特定轨迹转换运动形式的各种机构间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构连杆机构随着 20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。
驱动装置 传动装置 执行装置控制装置检测伺服电机的输出转角检测执行装置的运动输出由程序给定运动规律前馈控制 反馈控制传感器 传感器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。
测量运动构件真实运动情况，并将测量结果随时反馈给控制系统发出指令调节伺服电机的运动驱动装置 传动装置 执行装置控制装置驱动装置 传动装置 执行装置传统机器现代机器普通车床牛头刨床空气压缩机起重机掘土机皮带运输机
……
机器人数控机床
……
心脏 躯干，臂 手脑眼返回第三节 机械的发展历程概述机械的发展历程机械设计及理论的发展历程古 代 近 代 现 代简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。
公元前 3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。
阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。
远古时代公元一世纪 东汉
“水排”
用水力鼓风炼铁，其中应用了齿轮和连杆机构古代中国晋 代
“连 磨”
用一头牛驱动八台磨盘，
其中应用了齿轮系。
中世纪 欧洲用脚踏板驱动的加工木棒的车床中世纪 欧洲利用曲轴的研磨机
13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。
连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达?芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。
近 代,18世纪中叶 － 20世纪中叶动力的变革材料的变革加工手段的变革生产模式的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立近代 — 动力的变革
1765年，瓦特（ Watt）发明了蒸汽机。
揭开了第一次工业革命的序幕。
蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械 — 纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。
古代机械的动力：人力、畜力和水力。
动力制约了机械的发展。
首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。
蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱动的方式。
蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机 皮带 天轴 皮带 生产机械 2
皮带 生产机械 1
皮带 生产机械 3
……
19世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明为汽车、飞机的出现提供了可能性。
电力代替了蒸汽。
集中驱动被抛弃了，
每台机器都安装了独立的电动机。
与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。
1886年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。
莱特兄弟 1903
19世纪中叶，发明了 炼钢法,从那时一直到现在，
钢铁始终是制造机械最主要的材料。
18世纪末，现代 车床 的雏形在英国问世 ;
19世纪中叶,通用机床 的各种类型已大体齐备；
19世纪末,自动机床、大型机床 出现。
近代 — 材料 的变革近代 — 加工手段 的变革近代 — 生产模式的变化社会需求日益增长。 20世纪初叶，机械制造进入了大批量生产模式 的时代。标志：美国福特汽车的生产进行大批量生产的要求。
近代 — 机构与传动的变革提高生产率的需要。
基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。
机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。
高速化自动化精密化提高产品质量的需要。
基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。
近代机械的发展趋向要求不断完善已有的机构，
并发明出新的机构例如：
18世纪，欧拉（ Euler）
首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，
从而使高速、大功率的机械传动成为可能。
20世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，
高速的步进机构，
精密的滚动螺旋传动，
… … …
机构的创新一直到今天也没有停止。
机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。
牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。
近代 — 机械理论和设计方法的建立材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器要运动、要传递力，因此，最先发展起来的是：
材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器动力学随着机器运转速度的不断提高，
机器的振动、速度波动等问题引起了人们的重视，
机械动力学发展起来。
材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器动力学机械零件设计到 20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。
但是，这些方法都基于图解和手工计算。
现 代,20世纪中叶 －
计算机的发明 －
科学技术发展史上划时代的大事。
现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新现 代,机器人的出现随着 计算机 和 伺服电机 的出现,机器人 作为现代机器的代表走上了历史舞台。
工业机器人 特种机器人工业机器人,在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。
清洗飞机的机器人隧道凿岩的机器人第一汽车制造厂的汽车装配生产线几 种工业机器人特种机器人,在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。
水下扫雷机器人爬壁机器人几种特种机器人军用昆虫机器人爬缆索机器人数控车床 数控加工中心计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，
使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。
现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，
从这个意义上讲，正如有的学者所说：
“今后的机器都将是机器人”。
现 代,机械理论和设计方法面目一新
20世纪最后 30年，计算机应用的普及极大地推动了机械分析与设计方法的革新。
计算机计算代替了手工计算法和图解方法。
计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计等现代设计方法迅速发展。
计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为机械分析与设计的前所未有的强大手段。
整个机械设计的理论和方法焕然一新。
现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。
Theory and Design of
Mechanisms and Machines
国家级十五规划教材机械原理与机械设计机械工业出版社出版 第一版 2004年天津大学机械原理与机械设计教研室集体编写主 编：张 策副主编：陈树昌 孟彩芳课程内容导论
（第 1篇 ）
机械原理部分
（第 2篇～第 4篇 ）
机械设计部分
（第 5篇～第 6篇 ）
课程设计部分
（第 7篇 ）
第一篇 导 论
第一章 机械的组成、分类与发展
第二章 机械的设计与相关课程简介整个课程的总绪论第一章机械的组成、分类与发展内容提要
认识机器
机器的分类和组成
机械发展历程概述第一节 认识机器通过上周的实践，我们已经认识了几种典型的机器：
内燃机 牛头刨床 汽 车电池自动分拣机 通用工业机器人第二节 机器的分类和组成机器和它的分类机器的组成机器中的几个基本概念返回什么是 机器 呢？
机器和它的分类机器：
是人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来转换能量、
完成有用功或处理信息，
以代替或减轻人的劳动。
根据用途的不同，
机器可分为动力机器加工机器运输机器信息机器动力机器其用途是转换机械能。
其他形式的能量 机械能原动机 如蒸汽机、内燃机、电动机换能机机械能 其他形式的能量返回如空气压缩机加工机器尺寸形状性质状态用来改变被加工对象的如,
加工机床轧钢机纺织机包装机等。
返回运输机器用来搬运物品和人 。
如汽车,飞机,起重机,运输机 。
返回信息机器其功能是处理信息。
例如复印机、打印机、绘图机等。
信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息
，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。
动力机器加工机器运输机器信息机器转换机械能完成机械功作功很小现代机器的出现使机器按功能的分类变得模糊：
机器人：
进行焊接和装配，是加工机器；
用来搬运物品，也是运输机械；
而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。
电池分拣机：
实现了电池的搬运，但它是根据电池的质量信息来进行分拣后的搬运。
返回机构在认知机器的实践中,我们已经初步认识了几种机构：
机器中的几个基本概念什么是机构呢
？
连杆机构、凸轮机构、
棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构内燃机连杆机构活塞的往复移动 曲轴的转动牛头刨床圆盘的转动 滑枕的往复移动连杆机构内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共同点：
构件间都形成可相对转动或相对移动的活动连接。
都是实现运动形式的变换。
它们都属于连杆机构。
凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构实现的运动转换与连杆机构不同，构件之间的连接形式也不同，构件的形状也不同。
因此，可给出机构的如下定义：
机构：
人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来传递和转换运动。
机器,
人为实物的组合体，
具有确定的机械运动，
可以用来转换能量、
完成有用功或处理信息，
以代替或减轻人的劳动。
机器是由机构组成的。
简单的机器，可能只含有一个机构,但一般都含有多个机构。
机械,
机器和机构的总称 。
机器 机构机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。
在各种机械中广泛使用的一些机构称为常用机构。
如：
连杆机构、
凸轮机构、
齿轮机构、
间歇运动机构。
常用机构我们已经多次使用了,构件,这个术语 。
活塞,连杆,曲轴,滑枕等都是构件 。
构件是组成机构的有确定运动的单元 。
构件构件是运动的单元，而零件是制造的单元 。
构件 零件各种机械中广泛使用的零件称为 通用零件 。
如螺栓,轴,齿轮,弹簧等 。
只在某一类机械中使用的零件称为 专用零件 。
如内燃机中的活塞,曲轴等 。
通用零件中主要包括三大类零件：
传动零件 （ 齿轮,带,链等 ）
联接零件 （ 螺栓,键等 ）
轴系零件 （ 轴,轴承等 ）
此外,弹簧 等零件 。
通用零件与专用零件返回机器的组成传统机器 都包含如下三个部分：
驱动装置 传动装置 执行装置常称为原动机，是机器的动力来源。
常用：电动机、内燃机
、液压缸和气动缸，
以各种电动机的应用最为普遍。
处于整个传动路线的终端，
按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的部分。
执行装置随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。
恩格斯如牛头刨床、空气压缩机驱动装置 传动装置 执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，
并实现运动速度和运动形式的转换。
运动速度的转换 运动形式的转换运动速度的转换传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。
一般的普通交流电动机速度是固定的。
一般机器执行部分速度低于原动机的转速,
需要减速。
（也有相反的情况，需要增速）。
许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。
鼠笼式交流电动机的同步转速
（ r/min）
500 600
750 1000
1500 3000
带、链传动各种齿轮传动减速器例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器运动形式的转换机器执行部分可能有各种运动形式：
一般的原动机作回转运动变速回转往复摆动往复移动间歇运动特定轨迹转换运动形式的各种机构间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构连杆机构随着 20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。
驱动装置 传动装置 执行装置控制装置检测伺服电机的输出转角检测执行装置的运动输出由程序给定运动规律前馈控制 反馈控制传感器 传感器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。
测量运动构件真实运动情况，并将测量结果随时反馈给控制系统发出指令调节伺服电机的运动驱动装置 传动装置 执行装置控制装置驱动装置 传动装置 执行装置传统机器现代机器普通车床牛头刨床空气压缩机起重机掘土机皮带运输机
……
机器人数控机床
……
心脏 躯干，臂 手脑眼返回第三节 机械的发展历程概述机械的发展历程机械设计及理论的发展历程古 代 近 代 现 代简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。
公元前 3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。
阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。
远古时代公元一世纪 东汉
“水排”
用水力鼓风炼铁，其中应用了齿轮和连杆机构古代中国晋 代
“连 磨”
用一头牛驱动八台磨盘，
其中应用了齿轮系。
中世纪 欧洲用脚踏板驱动的加工木棒的车床中世纪 欧洲利用曲轴的研磨机
13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。
连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达?芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。
近 代,18世纪中叶 － 20世纪中叶动力的变革材料的变革加工手段的变革生产模式的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立近代 — 动力的变革
1765年，瓦特（ Watt）发明了蒸汽机。
揭开了第一次工业革命的序幕。
蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械 — 纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。
古代机械的动力：人力、畜力和水力。
动力制约了机械的发展。
首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。
蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱动的方式。
蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机 皮带 天轴 皮带 生产机械 2
皮带 生产机械 1
皮带 生产机械 3
……
19世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明为汽车、飞机的出现提供了可能性。
电力代替了蒸汽。
集中驱动被抛弃了，
每台机器都安装了独立的电动机。
与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。
1886年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。
莱特兄弟 1903
19世纪中叶，发明了 炼钢法,从那时一直到现在，
钢铁始终是制造机械最主要的材料。
18世纪末，现代 车床 的雏形在英国问世 ;
19世纪中叶,通用机床 的各种类型已大体齐备；
19世纪末,自动机床、大型机床 出现。
近代 — 材料 的变革近代 — 加工手段 的变革近代 — 生产模式的变化社会需求日益增长。 20世纪初叶，机械制造进入了大批量生产模式 的时代。标志：美国福特汽车的生产进行大批量生产的要求。
近代 — 机构与传动的变革提高生产率的需要。
基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。
机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。
高速化自动化精密化提高产品质量的需要。
基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。
近代机械的发展趋向要求不断完善已有的机构，
并发明出新的机构例如：
18世纪，欧拉（ Euler）
首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，
从而使高速、大功率的机械传动成为可能。
20世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，
高速的步进机构，
精密的滚动螺旋传动，
… … …
机构的创新一直到今天也没有停止。
机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。
牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。
近代 — 机械理论和设计方法的建立材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器要运动、要传递力，因此，最先发展起来的是：
材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器动力学随着机器运转速度的不断提高，
机器的振动、速度波动等问题引起了人们的重视，
机械动力学发展起来。
材料学强度理论运动学 静力学 动力学牛顿经典力学机构结构学机构运动学机器静力学机器动力学机械零件设计到 20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。
但是，这些方法都基于图解和手工计算。
现 代,20世纪中叶 －
计算机的发明 －
科学技术发展史上划时代的大事。
现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新现 代,机器人的出现随着 计算机 和 伺服电机 的出现,机器人 作为现代机器的代表走上了历史舞台。
工业机器人 特种机器人工业机器人,在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。
清洗飞机的机器人隧道凿岩的机器人第一汽车制造厂的汽车装配生产线几 种工业机器人特种机器人,在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。
水下扫雷机器人爬壁机器人几种特种机器人军用昆虫机器人爬缆索机器人数控车床 数控加工中心计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，
使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。
现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，
从这个意义上讲，正如有的学者所说：
“今后的机器都将是机器人”。
现 代,机械理论和设计方法面目一新
20世纪最后 30年，计算机应用的普及极大地推动了机械分析与设计方法的革新。
计算机计算代替了手工计算法和图解方法。
计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计等现代设计方法迅速发展。
计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为机械分析与设计的前所未有的强大手段。
整个机械设计的理论和方法焕然一新。
现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。
