1、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。它的认识也在不断深化。一、来源来源:科学是对客观事物发展规律的正确认识和总结二、属性属性:科学是关于自然、社会和思维的知识体系三、用途用途:科学是征服自然、改造社会的武器第一章 机械工程概述1.1.2 工程的概念工程的概念 工程就是应用工程就是应用科学知识科学知识使使自然资源自然资源最佳地为人类最佳地为人类服务的一种专门技术。服务的一种专门技术。它是为了满足
2、特定的社会需要，由具有专门知识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和技能的人所从事的研究、开发、设计、创造和使用研究、开发、设计、创造和使用具备特定功能的产品具备特定功能的产品(包括人工过程包括人工过程)的活动过程，以及的活动过程，以及这种过程所使用和创造的各种这种过程所使用和创造的各种手段手段、知识知识和和规则规则的总的总和。和。第一章 机械工程概述1.1.3 工程的基本特点工程的基本特点 第一与科学研究相比，工程技术的显著特点是第一与科学研究相比，工程技术的显著特点是实用性实用性。科学研究的任务是科学研究的任务是探索真理探索真理，增加人类的，增加人类的知识财富知识财
3、富；工程技术的任务则是工程技术的任务则是控制、利用和改造控制、利用和改造客观世界，增加客观世界，增加人类的人类的物质财富物质财富；科学知识力求科学知识力求反映客观真理反映客观真理，并且，并且越精确越好越精确越好。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。息形式。第三，工程技术具有更大的第三，工程技术具有更大的经验性经验性。第四，工程技术具有高度的第四，工程技术具有高度的综合性综合性。它不仅与某一门科。它不仅与某一门科学有关，而且要运用多学科的综合知识，涉及到学有关，而且要运用多学科的综合知识，涉及到经济的、社经济的、社会的、法律的、
4、环境的、心理的和生理的会的、法律的、环境的、心理的和生理的因素。因素。第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.1 机械机械 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。所谓的所谓的机械机械就是就是机器和机构机器和机构的总称。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。图1-1 画像机器人第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.1 机械机械 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
5、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。凡具备上述三个特征的实体组合体称为机器。所谓机构，所谓机构，就是具有确定相对运动的各种实物的组合，即符合机器的前前两个特征两个特征。机构主要用来机构主要用来传递传递和和变换变换运动运动，而机器主要用来，而机器主要用来传递和变换传递和变换能量能量，从，从结构和运动学的角度分析，机器与机构之间并无区别。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 机械与机械工程机械与机械工程1.2.1 机械机械 机器机器是由若干不同是由若干不同零件零件组装而
6、成。组装而成。零件零件是组成机器的基本要素，即机器的是组成机器的基本要素，即机器的最小制造最小制造单元单元。各种机器经常用到的零件称为各种机器经常用到的零件称为通用零件通用零件，如螺钉、，如螺钉、螺母、轴、齿轮、弹簧等。螺母、轴、齿轮、弹簧等。在特定的机器中用到的零件称为在特定的机器中用到的零件称为专用零件专用零件，如汽，如汽轮机中的叶片、起重机的吊钩、内燃机中的曲轴、连轮机中的叶片、起重机的吊钩、内燃机中的曲轴、连杆、活塞等。杆、活塞等。构件构件是是机器的运动单元机器的运动单元，一般由若干个零件，一般由若干个零件刚性联刚性联接而成接而成，也可以是，也可以是单一的零件单一的零件。第一章 机械工
7、程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.1 机械机械 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。第一章 机械工程概述1.2
8、 机械与机械工程机械与机械工程1.2.2 机械工程机械工程 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，根据根据用途用途不同不同，可分为：l动力机械动力机械，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间位置。4信息机械信息机械，如复印机、传真机、摄像机，主要
9、用来获取或处理各种信息。风力水车热机n热机是利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器。是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。内燃机n内燃机是热机的一种，能将燃料的化学能转化机械能。n一般的实现方式为，燃料与空气混合燃烧，产生热能，气体受热膨胀，通过机械装置转化为机械能对外做功。n内燃机有非常广泛的应用，汽车、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机，其最常见的例子即为车用汽油机与柴油机。n内燃机的燃烧气体同时也是工作介质，比如汽油机中，汽油燃烧后的气体直接推动活塞做功。n与此相对，燃料不作为工作介质的热机则称为外燃机，比如蒸汽机的工作介质（蒸气）并不是燃料。蒸汽机n蒸汽机是将蒸汽
10、的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。1 汽轮机n汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。发电机n发电机，1831年9月23日由法拉第发明，是将机械能转变成电能的电机。通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。电能是现代社会最主要的能源之一。电动机n电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动
11、的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。液压机n液压机是一种以液体为工作介质，根据帕斯卡原理制成的用于传递能量以实现各种工艺的机器。n液压机一般由本机（主机）、动力系统及液压控制系统三部分组成。n液压机分类有阀门液压机，液体液压机，工程液压机。内燃机内燃机发电机发电机电动机电动机液压机液压机工作机工作机工作机工作机外燃机外燃机第一章 机械工程概述1.
12、2 机械与机械工程机械与机械工程 1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程 人类成为人类成为“现代人现代人”的标志是制造工具。的标志是制造工具。最早的人造材料是陶瓷。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(jigo和辘轳l lu，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。n15-16世纪以前，机械工程的发展非常缓慢。n18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、系统的较独立的工程技术。n机械工程是促成18
13、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 机械工程概述图1-2 中国第一台蒸汽机(1863年七月在安徽安庆诞生)第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程 1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程 一、动力机械的发展一、动力机械的发展 18世纪初出现了世纪初出现了T纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高，基本上只能用于煤矿。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高，基本上只能用于煤矿。1765年年J瓦特发明了有分开凝汽器的瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机蒸汽机，降低了燃料消耗率。，降低了
14、燃料消耗率。1781年瓦特又创造出提供年瓦特又创造出提供回转力的蒸汽机回转力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范，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。动力化。蒸汽机蒸汽机几乎是几乎是19世纪惟一的动力源。世纪惟一的动力源。19世纪末，电力供应系统和电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成世纪末，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。为驱动各种工作机械的基本动力。19世纪后期发明的世纪后期发明的内燃机内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于经过逐
15、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燃气轮机、喷气发喷气发动机动机的发展，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。的发展，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。燃气轮机n燃气涡轮发动机（Gas turbine engine或Combustion turbine engine）或称燃气轮机，是属于热机的一种发动机。n燃气轮机可以是一个广泛的称呼，基本原理大同小异，包括涡轮喷射引擎等等都包含在内。而一般所指的燃气涡轮引擎，通常是指用于船舶（以军用作战舰艇为主）、车辆（通常是体积庞大可以容纳
16、得下燃气涡轮机的车种，例如坦克、工程车辆等）、发电机组等的。n与推进用的涡轮发动机不同之处，在于其涡轮机除了要带动压缩机外，还会另外带动传动轴，传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等。热机n热机是利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器。是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。喷气发动机n喷气发动机（Jet engine）是一种通过加速和排出的高速流体做功的热机或电机，使燃料燃烧时产生的气体高速喷射而产生动力。大部分喷气发动机都是依靠牛顿第三定律工作的内燃机。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
17、与机械工程机械与机械工程 1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程 二、机械加工技术的发展二、机械加工技术的发展 1、加工对象加工对象 工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工手工制成。金属工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工手工制成。金属(主要主要是钢、铁是钢、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。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
18、多、越来越大，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。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。2、加工方法和加工设备加工方法和加工设备 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，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。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 机械与机械工程机械与机械工程 1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程 二、机械加工技术的发展二、机械加工技术的发展 20世纪
19、中、后期，机械加工的主要特点是：世纪中、后期，机械加工的主要特点是：不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；发展精密切削加工工艺；发展精密切削加工工艺；提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度。自动化从提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度。自动化从机械控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自机械控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化，直至无人车间和无人工厂；动化，直至无人车间和无人工厂；利用数字控制机床、加工中心、成组技术等，发展柔性加工系统，利用数字控制机床、加工中心
20、、成组技术等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；研究和改进难加工的新型金属和非金属的成形和切削加工技术。研究和改进难加工的新型金属和非金属的成形和切削加工技术。第一章 机械工程概述图1-图1-5 电动机装配生产线图1-第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程 1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程 三、机械工程基础理论的发展三、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186
21、2年创立的，1876年NA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，直到关系相齿形曲线的选择，直到17世纪之世纪之后方有理论阐述后方有理论阐述。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1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.3 机械工程的发展过程机械工程的发展过程三、机械工程基础理论的发展三、机械工程基础理论的发展 机械
22、工程的工作对象是动态的机械。与静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式；式；为保证安全，都偏于保守。结果，制成的机械笨重而庞大，成本高，生产串低，能量消耗很大。从18世纪起，设计计算从两个方面不断提高了精确度：(1)在材料强度方面在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳(19世纪后半期)；从一律按材料的无限疲劳寿命进行设计，改为按照实践要求的寿命进行有限寿命设计(2
23、0世纪前半期)；从认为材料原则上不能有裂纹，发展到以断裂力学理论为依据考虑裂纹材料的强度和寿命。(2)机械结构的力学分析方面机械结构的力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力学分析和数学计算方法。第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.4机械工程的展望机械工程的展望一、机械工程与人类的生存环境一、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世纪中期以来世纪中期以来暴露出来的严重问题有两个方面：资暴露出来的严重问题有两个方面：资源源(其中最严重的是能源其中最严重的是
24、能源)的大量消耗的大量消耗和环境的严重污染。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。图1-6 新能源汽车 第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.4机械工程的展望机械工程的展望二、机械工程与人工智能二、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
25、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。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。人工智能的发展在很大程度上消除了这个限制。第一章 机械工程概述1.2 机械与机械工程机械与机械工程1.2.4机械工程的展望机械工程的展望三、机械工程的专业化和综合化三、机械工程的专业化和综合化 19世纪时，世纪时，机械工程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的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还
26、与还与土木工程土木工程综合为一个学科，被称为综合为一个学科，被称为民用工程民用工程。19世纪下半叶才逐渐成为一个独立的学科。进入进入20世纪，随着机械工程技术的发展与知识总量的增长，机械工程开世纪，随着机械工程技术的发展与知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。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。综合综合 一一 专业分化专业分化 一一 再综合的反复循环。但是，综合的恢复，不能是现再综合的反复循环。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
27、是为了更好地发挥专业有专业的简单合并，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。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。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。化、机械电子工程和车辆工程。机械类专业在机械类专业在2019年颁布的年颁布
28、的普通高等学校本科专业目录普通高等学校本科专业目录中有机械设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。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。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1.3 机械工程学科简介机械工程学科简介 1.3.1 机械设计制造及自动化专业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材料成型及控制工程专业 1.3.3 工业设计专业工业设计专业 1.3.4 过程装备与控制工程专业过程装备与控制工程专业
