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材料和热加工
机械学的基本概念
功是力乘以该力作
用在物体上使物体移动的距离。功用公斤·米来表示。
1
公斤·
米等于
1
公斤力作用于物体上使物体移动
1
米的距离。
例如，
一项工作需要提
升一台
300
公斤重的设
备到两米半高
的卡车上，那么就需要
750
公斤·米的功。由于没有一个人能
直接举升
300
公斤重，
因此必须使用
一种装置去调节所需要的可以控制的作用力。
常见的装置是一个斜面
——
在这个例子中，一个倾斜在地面和卡车之间的承载斜板，如果斜板有
10
米长，摩擦力
忽略，
那么就需要
75
公斤的力将机器滚上斜板。总功仍然是
750
公斤·
米（用
7
5
公斤乘以
10
米）
< br>，但作用力已经被改变，于是乎其所需的最大外力仅仅是
75
公斤。
使所需的作用力减少，
同
时这个较小的作用力使所通过的距离增加，
这样的装置被称为力放
大器。
机器装置也可放大速度和距离。
扫帚就是一个速度和距
离放大器的例子。
因为它把在
手柄上输入的力和距离在扫帚的尾
部转变成较小的力和较长的距离。
由于与输入距离的同样
时间里
扫帚的尾部走过较大的距离，
因此其速度也就增加了。
机器装置
除了放大力和距离之
外，也能改变运动的方向。
效率和机械效益是用来测定机械装置性能的。
效率定义为输出的相对有用的机
械功，
它以占
输入功的百分率来表示。效率总是要比
100
％小，因为运动零件之间有摩擦损失。像刚才所
举的那部机器的例子那样，如果某些人把该机器滚上斜板，他们可能发现那要花
84
公斤的
力。这
9
公斤的差额就是需去克服滚子和轴承阻力的力。在这种情况下该机器装置将具有
89<
/p>
％的效率。
如果他们在没有滚子情况下，
把冷冻机滑移上斜板，
所需的力可能是
215
< br>公斤
或更大，那么效率就小于
35
％。理想机械效益是忽略摩擦损失并等于输入力移动的距离除
以负载移动的有效距离。
作为力放大装置，
输入的距离要比负载的距离大，
而理想的机械效
益是比
1
要
大的。在承载斜板例子中，该理想机械效益是
4
，因为该输入距
离是
10
米，
（斜
板长度）而有效负载移距是
2.5
米（该负载移动的垂直距
离）
。斜面就是一个力放大装置。
作为速度放大装置，
输入距离是要比负载距离小的，
而理想的机械效益亦比
< br>1
要小。
简易改
变运动方向的机
器装置具有一个等于
1
的理想机械效益。
其实际机械效益包括了摩擦损失并
等于实际输出力除以实际输入力。
< br>在承载斜板例子中的实际机械效益在有滚子条件下，
大约
是
3.6
，无滚子条件下，大约是
1.
4
。
塑性理论的基本假设
在金属成形中应
用塑性理论的目的是要探索金属成形的塑性变形机理。
这样，
调
研可提供以
下的分析和判断：
（
a
）金属的流动性（速度、应变和应变率）
，
（
b
）温度和热传导，
（
c
）材
料强度的局部变化或流动应力和（
d
）应力，成形中的负载、压力和能量。这样变形机理就
< br>可提供决断：
金属如何流动，
借助塑性成形可如何去获得
所希望的几何形状以及用成形方法
生产出的零件具有什么样的机械性能。
为了建立金属变形的可控制的数字模型
（曲线图形）
，
作出以下几个简化的但是合理的假设：
1
）忽略弹性变形。然而当必要时，弹性复原（例如，弯曲
回弹情况）和加工中的弹性弯曲
（例如，成形加工精度非常接近公差）定要考虑；
2
）作为一种连续体来考虑材料变形（如结
晶，而晶间疏松和位错是不加考虑的）
；
3
）单向拉伸或压缩试验与多向变形条件下的流动应力相互有关；
< br>
4
）各向异性和
Bausch
inger
效应忽略不计；
5
）体积保持恒定；
6
）用简化法来表示摩擦，如用
Coulomb's<
/p>
定律法或用恒剪切应力法。这将在后面进行讨论。
在压缩应力状态下的金属特性更加复杂。
这可以从一金属圆柱体试样在两个模
板之间被压缩
时怎样发生变化的分析中可以看得出来。
当工件达
到金属的屈服应力的应力状态时，
塑性变
形就开始发生。
当试样高度降低时，
试样随着横截面的增加而向外扩展。
这种塑性变形在克
服工件和模板的两端之间的摩擦力中发生。该金属变形状态
是受到其复杂应力体系所支配。
这应力体系可从单一的、
单向的
到三维的即三向发生变化。
有一个由模板施加的应力和有两
个由
摩擦反力引起的应力。
如果模板与工件间无摩擦，
工件就在单向
压应力下发生屈服，
正
像其受到拉伸载荷作用时的情形一样。<
/p>
而且压缩的屈服应力跟拉伸屈服应力极端一致。
由于
摩擦力的存在而改变了这一状况，
故需要更高的应力才能引起屈服。
为了找到拉伸屈服应力
与三向应力状态下产生屈服时的应力值之间的数量
关系，
已经做了很多尝试。
对于所有的金
属在三向载荷作用下的各种情况下，包括各种塑性屈服试验情况中均未发现单一的（应力、
应变）
关系。
已经存在的若干个建议使用的塑性屈服理论，
其中每一种理论只能在一定的范
围内有效。
在考虑使用这些理论之前，
研究三向应力体系并创立既利用数量关系又利用图解
技术的解题方法，那是必要的。对于三维应力状态，最方便而有效的方法就是利用莫尔圆，<
/p>
当研究塑性屈服的各种复杂情况时，你可以很容易地运算和进行处理。
有限元优化的应用
在结构日益复杂的情况下，当工程师们工作时，他们需要合理的、
可靠的
、
快速而经济的设
计工具。
过去二十多
年里，
有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最
< br>常用方法。
因为工程中的大多数设计任务都是可定量的
，
所以实践上，
为了快速找到一些可供选择的设
计方案。计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。但是，
即使是现在，
许多工程师
仍然使用人工的试凑法。
这样一种方法使得即使是很
简单的设计任务也变得困难，
因为通常
它要花更长的时间，
需要广泛的人
—
机交互配合，
且偏于用设计组的经验来设计。
优化设计
是以理论数
学的方法为基础，
改进那些对于工程师来说过于复杂的设计，
使
其设计过程自动
化。如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计，那就可以节省大
量的时间和金钱。
优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化，
例如，
重量或基频，
主要受到频响和设计参
< br>数方向的约束。
尺寸和（或）结构形状决定着优化设计的方法。观察一下作为零件
优化设计
过程，
使它变得更容易理解。第一步，包括预处理分析
和后处理分析，
正像惯常使用的有限
元分析（
< br>FEA
）和计算机辅助设计（
CAD
）程序应用。
（
CAD
的特点在于
根据设计参数建立
了课题的几何图形）
。
第二步，定义优化目标和响应约束。
而最后一步，
反复自动调节设计作业。
优化设计程序将
允许工
程师们监督该设计步骤和进度，
必要时停止设计，
改变设计条件
和重新开始。
一项优
化设计程序的功力取决于有效的预处理和分
析能力。
二维和三维设计的应用既需要自动进行
也需要设计参数
的结网性能。
因为在优化循环过程中，
课题的几何条件和网格会
改变，
所以
优化程序必须包含误差估计和自适应控制。
修改、重配网格和重新估算模式以期获取特定设计目标的实现是以输入
初始设计数据开始
的。
接着，
是规定合
适的公差并形成约束条件以获得最优结果，
或最后改进设计，
解
决问题。
为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、
系
列化，
设计者必须广泛接触设计目标
和特性约束条件。
为了易于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件，
也将
是需要的：重量、体积、位移、应力，应变，频率，翘曲安全系数、温度、温度梯度和热
通
量。
此外，
工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。
例如<
/p>
设计者为了应力分析，
可以进行热力分析和加热以变更温度，
也可将多种约束条件，
诸如最
高温度、
最大应力和变形联系在一起进行研究，
然后规定一个所希望的基本频
率范围。
目标
函数代表着整体模式或部分模式。
甚至更重要的是通过说明重量或者成本因素，
就应该能反
类合金。铸造温度低于
538
℃的
那些合金，就像锌、锡和铅，是属于低温类合金。
低温类合金
具有低生产成本和低的模具维修费用等优点。
当铸造温度上升时，
需要最佳条件
下处理过的合金钢和其他特种钢来抵抗腐蚀及防止模具表面的热裂纹。<
/p>
高温在模具上的损坏作用已经成为阻碍、延缓高温模铸发展的主
要因素。
控制选择合金的另外一个因素就是熔融的金属在相关
的机器零件上和模具上的腐蚀或溶解
作用。
< br>这种作用随着温度的升高而增加，
甚至某些合金比另一些合金更为明显。
特别是，
铝对黑色
金属有一种破坏作用，
为此，
铝几乎不熔混于机器零件中，
而铜基合
金是决不能熔混于机器
构件中的。
制造中的金属成形工艺
金属成形是基
础制造工艺之一。
它在冶金、
机器制造、
电力、
汽车、
铁路、
航空、
船舶制造、
武器工业、化工、电子、仪器仪表制造和轻工业中起着重要作
用。
金属成形加工包括：
（
a
）笨重型成形工艺，例如锻造，挤压，辊轧、拉拔。
< br>（
b
）轻薄型成形
加工，例如，
压弯成形，深冲（压）和张拉成形加工等。
早先讨论过的一组
制造工艺中，
对金属成形加工生产制造工业、
军工零部件加工工
业和消费
品加工工业而言是具有重大意义的一套工艺加工方法。
成形加工工艺分类的一般方法是考虑冷成形加工
（室温）
和热成形加工
（再结晶温度以上）
。
大多数材料在不同的温度条件下其性能是有区别的。
< br>在冷成形加工中，
通常金属的屈服应力是随着应变值增加而增大，
而热成形加工中，
则随着
应变率
（即变形率）
的增加而增大。
然而在各种温度条件下，
控制成形加工的一般原则基本
上是相同的。
因
此，
以材料的初始温度为依据的成形加工工艺，
对于了解和改进
这些工艺并
没有多大的促进作用。
事实上，
以成形前后的特殊几何形状而言，
以所用材料和生产率为依
据而不是以温度为依据的分类方法，
可以更好地考虑工具设计，设备使用，
自动化程度，制
品输送及润滑等问题。
设计、分析和成形加工工艺的优化要求需要：
（
a
）关于金属流动、应力和热传导的分析知识
以及（
b
）关于润滑、加热和冷却技术，材料处理、模具设计和制造、成形加工设备
的技术
资料。关于成形加工的总体情况的了解，文献著作中的大量资料都是有用的。
锻造
锻造是借
助于人工或动力锤，压力机或
Spiel
锻压机所施加的确定压
力来进行的金属塑性加
工过程，它既可是热锻也可以是冷锻。然而，
当其是冷锻的时候，
通常就给予该工艺以专门
的名称。因此
，一般讲的术语“锻造”指的是再结晶温度以上进行的热锻。
现代的锻造是由盔甲制造者和不朽的乡村锻工所实践的古代工艺发展而来的。
高动力锻锤
和
机械压力机代替了强有力的手臂、
锤头和砧座。
而现代冶炼知识在控制加热和金属运送方面
充实了技工的工艺技术。
已经研制出各种类型锻造工艺，
这给生产提供
了巨大的灵活性。
它使得单件的或数以千计的
相同零件的批量锻
造生产变得经济成为可能。
金属可能是（
1
）被拉拔，增加其长度而减小其横截面，
（
2
）镦粗，增加其横断面，而减小
其长度，
（
3
）在闭式锻模中挤压迫使金属各向流动。与
锤锻的快速冲击不同，压力机锻造是
用缓慢的挤压作用使塑性金属变形。这挤压作用完全
被施加到正在被压锻的零件中心位置
上，
直至彻底使整个工件得
到加工。
这些压力机都是立式的，
可能是机械操作也可能是液压
操作的。机械操作压力机，操作速度比较快，使用最普遍，锻造能力从
< br>5000
吨到
10000
吨
范围。
对于小型压力锻使用闭式锻模。<
/p>
通常要求锻锤仅一个冲程就完成锻造工艺。
在冲程终端产生
最大压力，该冲击压力迫使金属成形。
模具
可由各自独立的单元装配而成，
即把所有个别模腔都放到一起，
组成整体。
对于小型锻
件使用分模装置更为方便。
对于不同的金属在模具设计上有些区别，
铜合金锻件比钢件用较
小的拔模斜度，
因此可生产更加复杂形状的锻件。
这
些合金在该种模具中流动性好，
而且能
快速挤压成形。
锻压机比落锤锻，
输入到机器里的总能量中有
更大部分的能量被传输到金属坯料上。
落锤锻
的冲击能量被机器
和基础吸收得较多（比起压力机来）
。金属上的压力衰减较快，因此生产
成本比较低。大多数压力锻锻件形状、产生的表面都是对称的，而且表面非常光滑，并比落
锤锻件的公差尺寸更加精确。
然而落锤锻造可以锻制形状复杂而不规则的锻件
，
因而较为经
济。
< br>锻压机常常用来为其他锻造工艺所生产的锻件进行整形和校正加工用。
在落锤锻中，
一块金属坯料，
粗糙的即大体像所
要求零件形状那样，
被放入到具有成品件那
样精确形状的模面之
间，
然后施加压力使模具紧紧结合在一起以锻取模腔形状。
这一
方法广
泛用来制造钢件和黄钢件。
大型金属锭现在几乎都是用液
压压力机来锻造的，
而不用蒸汽锤。
因为用压力机锻造，
变形更加深透。
将来压力机可对付冷金属锭并能加工得到更加精确的尺
寸。
锻造将在大约与辊轧同样的温度下进行，
< br>这种工艺正像轧制那样可改善金属的物理性能。
最后火锻时，不使钢太热很重要，
因为过热钢冷却后，其机械性能较差。
为锻件加热，
温度通常是以肉眼来判断的，
但在生产大量相同锻件的场合，
要锻造的坯件是
在有高温计指示温度的炉子中来加热，并且常常是自动控制
的。
锻造的优点和工作原理
锻造
——
用锻锤或压力机成形制品的技术
——
无疑是压力加工工艺中最古老的加工方法。
它
利用了金属最有价值的性能之一的优点
——
在高温下的塑性，
即靠机械加工可使之变形的能
力。
热锻是对塑性状态金属的加工。
作为
靠压力加工成形的金属件，它能获得致密、均匀、
流线
特性好、
强度高，为铸造和焊接成形所无法达到的质量。自由锻质量高，生产各种形状、尺
寸锻件
的通用性强，
它已成为一种最基本的现代加工技术。
对金属每施
加一次载荷，
该金属
就承受一次变形。
随着施加的外力增加，
这种改变就由小变大。
如果所施外力消失
后金属回
复到原有的形状就说明其是弹性的，
并且一旦外力作用
消失就没有永久性效应。
然而如果所
施加外力消失，金属保持着
形状的改变，则结果已发生了某些塑性变形或称非弹性变形。
热加工的主要方法是锤击、
施压、
辊轧和挤压，
自由锻有别于其他锻造工艺在于金属始终没
有被完全约束或限制。槽（印）模，
闭合模或落锤锻都将金属完全限制在模腔中。所陈述的
各种类型的锤击锻机和压力机也都
是用于模锻的。
当热锻把坯料转变成所需尺寸和形状时，
这是从锻造中仅仅获得一次调质处理。
通过热锻铸
< br>件的内部构造被打乱并为更精细的晶粒所代替。
低密度区，
显微缩孔和气隙疏松被固结起来。
这样通过消除铸件结构缺陷，
提高密度，
改善均匀性而使机械性能提高。
锻造方法的选择提
供了调整晶粒流向以获得最佳的所希望的定向性能的手段。
焊接
焊接技术已经变得如此通用以致
今天定义
“焊接”
都感到困难。以前说焊接是“用熔焊把金
属连接起来”
，就是靠熔合，但这一定义将不再使用。尽管熔合方法
仍然是最普遍的，但它
们并不是总在使用。后来又曾定义焊接为“用热把金属连接起来”
，但这也不再是正确的定
义。不仅金属能焊接，许多塑料也能焊
接。而且，几种焊接方法不需要热。每个机械工作者
都熟悉无热焊接。
< br>冷压焊在某些情况下是一个合适的焊接方法。
除压力焊接之外，
< br>我们还可
用声焊和用著名的激光焊。
面对年复一年地发展
的焊接方法多样性，
这里我们必须采用以下
焊接定义：焊接是一
种无须用固紧装置而使金属和塑料连接在一起的方法。
不存在
焊接工艺统一命名的方法。
许多焊接工艺是根据热源或防护方法来命名。
但某种特殊
工艺品则是在生产出焊缝的形式后才命名的。
点焊和对接焊就是例子。
总体分类不能考虑这
个方法。因为同
样的焊缝类型可能由各种工艺方法来产生。点焊可以用电阻、电弧、电子束
等工艺来实现
，对接焊可用电阻焊、烧焊或若干其他方法中的一种方法来实现。
把金属件连接在一起的方法有若干个，
用哪一种方法，
要根
据金属种类和所要求的焊缝强度
来决定。
软焊是要用熔融状态的第三种金属来使两件金属连接在一起的工艺。
焊料由锡和铅组
成。
而
常常含有铋和镉，
目的是要降低
熔点。
软钎焊中最重要的工序之一就是清理焊缝表面。
这可
以用某种酸性清除剂来进行。
软钎焊能为轻型钢件、
铜件和黄铜件生产满意的焊缝，
但软钎
焊的焊缝强度比
起硬钎焊、
铆接和焊接来要弱些。
连接金属的这些方法，
通常用来产生强固
的永久性的焊缝。
把两件金属焊在一起的最简单的方法称做压力焊。
用火焰把金属两端加
热到白炽状态
——
铁
的焊接温度为
1300
℃左右
——
在这一温度下，金属变成塑性，然后对两端施压或锤击使之
结合在一起。
最后再将焊缝清理干净。
必须注意首先保证表面完全清洁，
< br>因脏物将会使焊缝
强度削弱。
此外，
加热铸铁或钢到高温会引起氧化并在焊接表面形成氧化皮。
因此用助焊剂
施于加热的金属上。
达到焊接温度时刻，
助焊剂熔
化，
将氧化物粒子跟任何其他可能存在的
杂质一起都熔解于助焊
剂中。
金属表面被压合在一起，
而助焊剂就从焊缝中间被挤出。
可能
使用若干不同类型的焊缝，但对于颇为粗厚的金属件，通常
使用
V
型焊缝。该焊缝比起普
通的对接
焊缝来要强固些。
热处理
热处理是锻后进行一次或多次重新加热和冷却操作的热循环过程，
以便使
锻件获得所需的显
微组织和机械性能。
生产出的绝大多数锻件都需要进行某种形式的热处理。
不热处理的锻件，
相对来说是为了非
临界应用的低碳钢零件或者是打算进一步热机械加工而后再
热处理的锻件。钢的化学成分、
产品的规格和形状以及所希望的性质是后面要用到的决定
生产循环的重要因素。
普遍使用
的工业热处理有球化处理、正火、退火、淬火、和回火。它们包括加热材料到某一
预定的
温度，
在此温度下进行均热即进行保温，
并在规定速度下于空气
中、
液体中或于保温
介质中冷却。以下各项处理可简要地定义如
下：
球化处理
——
< br>在略低于临界温度范围下，
对铁基合金持续较长时间加热，
紧接着以相对慢的
速度在空气中冷却。
在临界温度以上和略低
于此温度相互交替长时间加热，
高碳钢小件更迅
速地球化。这一
热处理的目的是使碳化物生成球状。
正火
——
加热铁基合金到临界温度以上
50
℃，紧接着在低于临界温度下空冷。其目的是使
金属的组织结构，通过消除因某种加
工操作产生的全部内应力、内应变而处于正常状态。
退火
——
是用于热处理的综合性术语，退火可用于消除应力，
使金属变软，
改变可锻性，消
除气隙以构成某一显
微组织。
处理的温度和冷却的速率取决于处理的工件和要进行处理的材
< br>料的组分。
淬火
——
加热或者到临界温度内或者到临界温度以上而后冷却某件铁基合金。
热处
理的温度
及其持续时间长度，即“保温周期”
，那是取决于材料
组分。所用的冷却介质可根据组分、
所希望的硬度和零件结构的复杂性来决定。
回火
——
是铁基合金
淬火后再加热到低于临界温度以下的某一温度，
紧跟着以所要求的任一
< br>速率冷却。
回火的目的是消除应力、应变及降低硬度和减少脆性。
机构和机器原理
MECHANISMS AND MACHINE THEORY
[align=center][b]
机构和机器原理
[/b][/align][b]
机构介绍<
/p>
[/b]
机构的功用是作为机械作用的一个部分从一个刚体到另
一个刚体传送即传递运动。
一般能用作机构基本零件的机械装置有三种类型：
1
．齿轮装置。那是在回转轴之间进行接触传动的啮合构件。
2
．凸轮装置。把输入构件的均匀运动转换成输出
构件的非均匀运动的装置。
3
．平面
机构和空间机构也是能使一个点或一个刚体产生机械运动的有用装置。
运动链是一个构件系统装置即若干个刚体，
它们或者彼此铰接或者互相接触，<
/p>
方式上是允许
它们彼此间产生相对运动。
如果构件中的某一构件被固定而使任何其他一个构件运动到新的
位置将会引起其他各个构
件也运动到确定的预期的位置上的话，
该系统装置就是一个可约束
的运动链。
如果构件中的某一构件仍保持固定而使任一运动到达一新的位置而不会使其
他各
个构件运动到一个确定的预期的位置上的话，则该系统装置是一个非约束运动链。<
/p>
机构或连杆构件是一个可约束的传动链而且是一个从输入到输出
以传递运动和
（或）
力为目
的的机械装
置。
连杆机构是由通常被认为是刚体构件或杆组成的，
它们是以
销轴铰接的，
例
如用柱销（圆形的）或棱柱体销轴铰接，以便成
形开式或闭式（回环式）的运动链。这样的
运动链在至少有一个构件被固定的条件下：<
/p>
（
1
）
如果至少
有两个构件能保持运动，
就变为机
构，
（
2
）如果没有一个构件能够运动，则就成为结构。换句话说，
机构是允许其
“
刚性构件
”
之间相对运动，而结构则不能。由于连杆机构做成一简单机构而且能设定实现复杂的任务，
例如非线性运动和力的传递运动。它们在机构学研究中将受到更多的关注。
机构被用于许多许多的机器和装置中。
最简单的封闭式的连
杆机构就是四杆机构，
四杆机构
有三个运动构件
（加上一个固定构件）并且有四个销轴。
连接动力源的构件即原动件，
而具
有一个移动铰和一个固定铰者叫做输入构件。
输出构件将一个移动铰和另一个固定铰连系起
来。连接构件即浮动构件将两个移动的铰
（回转副）连系起来，因而连接构件就将输入传送
到输出。
四杆机构若使一个或几个构件无限长而产生某些特殊的构造。
曲柄滑块
（即曲柄和滑块）
机
构就是一个四杆机构特例。
其以一个滑块替换一个无限长的输出件。
内燃机就是建立在这一
机构基础上。
有着另一种
形式的四杆机构，
其中滑块是在一运动的构件上导移运动而不是在
一固定构件上。
这些就被称为曲柄滑块机构的变换，
它是其中
一个构件
（曲柄、
连杆或滑块）
被固定
时形成的。
虽然四杆机构和曲柄滑块机构是非常有用而且在成
千上万的应用中都可找到。
但是我们还看
到，
< br>这些连杆机构其性能水平的发挥已经受到限制。
具有更多构件的连杆机构常常用于
更多
要求的情况中。
然而可以设想多回环的连杆机构的运动常常
是更为困难的，
特别是当其他零
件出现在同一图中的时候，
要进行更复杂机构的运动分析：
第一步是绘制一等效运动图即示
意图。
这示意图用于电路图解类似的目的，
即仅仅表示机构的主要本质的意图，
然而它要体
现影响其运动的
关键的尺寸。运动图可用两种形式中的一种：
一是草图
（按比例
画出，
但放
大比例不精确）
，二是比例
准确的运动图（通常用于进一步分析其位置、位移、速度，加速
度，力和扭矩传递等等）
。
为了便于参考，
对构件进行顺序编号
，
（以静止构件编号为
1
开始
编写）
，而回转副则以字母表示。
机构运动分析的第二步：
画一个图解图，
是要确定
机构的自由度数。依据自由度，
可意指需
要若干个独立输入的运
动的数目，
以确定机构所有的构件相对于地面的位置。
人们可以
想象
存在数以千计的不同类型的连杆机构。
你可想象一个袋子包
容大量的连杆机构的组元：
二杆
组，三杆组，四杆组等等，以及
构件，回转副，移动副，凸轮随动件，齿轮，齿链，链轮，
皮带，
皮带轮等等。
（球形运动副，
螺旋副以及允许三维相对运动的
其他连接尚未包括进去，
这里，仅仅讨论平行平面内的平面运动）
。而且你可以想象一下把这些组元放在一起而形成
的各种类连杆机构的可能性。
存在如何帮助人们控制所形成这些机构的规律吗？实际上，
大
多数机构的任务是要求一个单一的输入被传递到一个单一的输出。
因此单
一自由度的机构是
使用最多的一种机构类型。
例如，
由直觉即可以看出：
四杆机构就是一个单一自由度的连杆
< br>机构。
画运动图和确定机构自由度的过程，
就是运动分析和综合过程的第一个阶段。
在运动分析中，
< br>根据机构的几何形状加上可能知道的其特性（如输入角、
速度，角加速度等）
来研究确定具
体的机构。另一方面，运动综合则是设计一个机构以完
成一个所要求的任务的过程。于此，
选择新机构的类型和尺寸是运动综合的一个部分。<
/p>
设想相对运动的能力，
能推想出之所以这
样设计一个机构的原因和对一个具体设计进行改进的能力是一个成功的机构学家的标志。
虽
然这些能力来自先天的创造性，然而更多的是因为掌握了从实践中提高的技术。
[b]
运动分析
[/b]
最简单最有用的机构之一是四杆机构。
以下论述中的大部分内容集中讨论连
杆机构上，
而该
程序也适用于更复杂的连杆机构。
我们已经知道四杆机构具有一个自由度。关于四杆机构，有没有要知道的有
用的更多内容
呢？的确是有的！这些包括格拉肖夫准则，变换的概念，死点的位置（分歧
点）
，分支机构，
传动角，和他们的运动特征，包括位置，速度
和加速度。
四杆机构可具有一种称作曲柄摇杆机构的形式，<
/p>
一种双摇杆机构，
一种双曲柄
（拉杆）<
/p>
机构，
致于称作哪一种形式的机构，取决于跟机架（固定构件）<
/p>
相连接的两杆的运动范围。曲柄摇
杆机构的输入构件，曲柄可旋转
通过
360°
并连续转动，而输出构件仅仅作摇动（即摇摆的<
/p>
杆件）
。作为一个特例，在平行四杆机构中，输入杆的长度等于输
出杆的长度，连接杆的长
度和固定杆
（机架）
< br>的长度，也是相等的。其输入和输出都可以作整周转动或者转换成称作
反平行四边
形机构的交叉结构。格拉肖夫准则（定理）表明：如果四杆机构中，任意两杆之
间能作连
续相对转动，
那么，
其最长杆长度与最短杆长度之和就小于或等
于其余两杆长度之
和。
应该注意：<
/p>
相同的四杆机构，可有不同的形式，这取决于哪一根杆被规定作为机架
（即作固
定杆）
。运动变换的过程就是固定机构传动链中的
不同的杆件以产生不同的机构运动过程。
除了具备关于构件回转范围的知识之外，
还要具备如何使机构在制造之前就能
“
运转<
/p>
”
的良好
措施，那将是很有用的。哈登伯
格（
Hartenberg
）说到：
“
运转
”
是一个术语，其意义是传给
输出构件的运动的有效性。
它意味着运转平稳，
其中能在输出构件中产生一个力或扭矩的最
大分力是有效的。
虽然最终的输出力或扭矩不仅是连杆几何图形的函数，
而且一般也是动力
或惯性力的结果，
那常常是大到如静态力的几倍。
为
了分析低速运转或为了易于获得如何能
使任一机构
“
运转
”
的指数，传动角的概念是非常有用的。
在机构运动期间，
传动角的值在改
变。传动
角
0°
可发生在特殊位置上。在此特殊位置上输出杆将不运动而
与施加到输入杆上
的力多大无关。
事实上，
由于运动副摩擦的影响，
一般根据实际经验，
用比规定值大
的传动
角去设计机构。
衡量连杆机构传递运动能力的矩阵基础的
定义已经研究出来。
一个决定性因
素的值
（它含有对于某个给定机构图形，
位置的输出运动变量对输入变量的导数）
是该连杆
机构在具体位置中的可动性的一个尺度。
如果机构具有一个自由度（例如四杆机构）
，则规定的一个位置
参数，如输入角，就将完全
确定该机构休止的位置（忽视分支机构的可能性）
。我们可研究一个关于四杆机构构件绝对
角位置的分析表达式。当分析若干
位置和
（或）若干不同机构时候，这将是比几何图形分析
程序要
有用得多，
因为该表达式将使自动化计算易于编程。
实现机构速
度分析的相对速度法
即速度多边形是几种有效的方法之一。这端（顶）点代表着机构上所
有的点，具有零速度。
从该点到速度多边形上的各点画的线代表着该机构上相应各点的绝
对速度。
一根线连接速度
多边形上的任意两点就代表着作为该机
构上两个对应的点的相对速度。
另外的方法就是瞬时中心法，
即瞬心法，
该方法是非常有用的而且常常是在复杂连杆机构分<
/p>
析时较快的方法。瞬心是一个点，该点在那一瞬间，机构上的两构件之间不存在相对运动。
为了找出已知机构某些瞬心的位置，肯尼迪（
Kennedy<
/p>
）三中心理论就非常有用。它是说：
彼此相对运动的三个物体的三
个瞬心必定是在一直线上。
机构各构件的加速度是令人感兴趣
的，
因为它影响惯性力，
继而影响机器零件的应力、
轴承
载荷、
振动和噪音。
由于最终的目的是机器和机构惯性力的分析，
所有加速度的各分量都应
< br>一次性地画在同一坐标系中
——
机构的固定构件的惯性坐
标系中表示出来。
应注意的是：
相对
于固定回转副的回转刚体上的一点加速度分量通常有两个。
一个分力方向
切于该点的轨迹，
其指向与该物体的角加速度方向相同，
并被称为切向加速度。
它的存在完
全是由于角速度的变化率引
起的。
另一个分量，
总是指向物体的
回转中心，
被称为标准的向心加速度，
这个分量由于速度矢量<
/p>
的方向发生改变而存在。
[b]
运动的综合
[/b]
机构是形成许多机械装置的基本几何结构单元，
这些机械装置包括自动包
装机、
打印机、
机
械玩具、
纺织机械和其他机械等。
典型的机构要设计成使刚性构件相对基准构件产生
所希望
的运动。机构的运动设计即运动的综合，
第一步常常是先
设计整部机器。当考虑受力时，要
提出动力学方面的问题，
轴承
的荷载、应力、
润滑等类似的问题，
而较大的问题是机器结构<
/p>
问题。
运动学家把运动学定义为
“
研究机构的运动和创建机构的方法
”
。
这个定义的第一部分就涉及
运动学分析。<
/p>
已知一个机构，
其构成的运动特性将由运动学分析来确定。
叙述运动分析的任
务包含机构的主要尺寸、
构
件间的相互连结和输入运动的技术特性或驱动方法。
目的是要找
出位移、速度、加速度、冲击或跳动（二阶加速度）
，和可能发生的各构件的高阶加速度
以
及所描述径迹和由某些构件来实现的运动。定义的第二部分可用以下两方面来解释：<
/p>
1
．研究借助机构来产生给定运动的方
法
2
．研究建造能产生给定运动机构
的方法，在两个方案中，运动是给定的而机构是创建的。
这就是运动综合的本质。
这样运动综合涉及到为给定性能的机构的系统设计。
运动综合方面
又可归结为以下两类：
1
．
类型综合。
规定所要求的性能，
怎样一种类型的机构才是合适的？
（齿轮系，
连杆机构？<
/p>
还是凸轮机构？）
而机构应具有多少构件？需要多少个自由度？怎
样的轮廓结构才是所希望
的？等等。
关于杆件数目和自由度的考
虑通常被认为是类型综合中被称作为数量综合的一个
分支领域。
2
．尺寸综合。运动综合的第二个主要类型是通过目标法来确定
的最佳方法。尺寸综合试图
确定机构的重要尺寸和起动位置，该机构是为着实现规定的任
务和预期的性能而事先设想
的。
所谓
重要的尺寸意思是指关于两杆、
三杆等的长度或杆间距离，
构件
数和轴线间的角度，
凸
轮轮廓尺寸，凸轮随动件的直径，偏心距
，齿轮配额等等。预想机构类型可能是曲柄滑块机
构、
四杆机构
，
带盘型从动件的凸轮机构，
或者是以拓扑学方法而非因次分析
法所确定的具
有某种结构形状更为复杂的连杆机构。对于运动综合，惯例上有三个任务：
函数生成，
轨迹
生成和运动生成。
在函数生成机构中输入和输出构件的转动或移动必须是相互关联的
。
对于一个任意函数
y
＝
f
（
x
）
< br>，一个运动综合的任务可能是设计一个连杆机构使输入和输出建立起关系以便使得在
xo
＜
x
＜
xn-1
的范围内输入按
x
运动，而输
出按
y
＝
f
（
x
）运动。在输入和输出件回转运动
情
况下，
转角
φ
和
φ
分别是
x
和
y
的线性模拟。
当输入件回转到一个独立
x
值时，
在一个
“
黑
箱
”
的机构中，使输出构件
转到相对应的由函数
y
＝
f
（
x
）决定的数值上。这可被认为是机械
模拟计算机的最简单的情形。
各种不同的机构都可以包含在这个
“
黑箱
”
内，
然而对于任意函
数的无误差生成，
四杆机构是无
能为力的，
仅仅可能在有限精确度内与之相匹配。
它广泛用
于工业上，因为四杆机构在构建和维修上都是简单的。
在轨迹生成机构中，
在
“
浮动杆
”
上一个点要描画一条相对于一个固定坐标系确定的轨迹
。
如
果该轨迹点是既要与时间相关又要与位置相关，
该任务被称之为预定周期的轨迹生成。
轨迹
生成机
构的一个例子就是设计来投掷棒球或网球的四杆机构。在这种情况下，点
P
的轨迹
将是这样：
在预定的位置捡起一个球，
并在预定的时间周期内沿着预定的径迹把球传送出去，
能达到合适的速
度和方向。
机械装置设计中有着许多情形，
< br>在这些情形中既要导引刚体通过一系列规定的、
受限制的独
立位置，又要在减少受限制而且独立的位置的数目时，对运动体的速度和（或）加速度加以
约束，
那是必要的。
运动生成或刚体导引机构要求：
一个完整的物体要被导引通过一预定的
运动序列。
作为被导引的物体通常是
“
浮动构件
”
的一部分，
那不仅是预定点
P
的轨迹，
也是
通过该点并嵌入该物体内的线
的转动。
例如，
该线可能代表自动化机械中的一个载体件，
那
是在载体件上的一个点具有一个预定的轨迹而该载体件又具有一个
预定的角度方位。
预定方
式装料机的吊斗的运动是运动生成机构
的另一个例子。
吊斗端的轨迹是有极限的。
因为其端
口必须实现挖掘的运动轨迹，
紧跟着要实现提升和倾泻的轨迹。
吊斗的角度方位对保证斗中
物料从正确的位置倾泻（倒）同样是重要的。<
/p>
[b]
凸轮和齿轮
[/b]
凸轮装置是把一种运动改变成另一种运动的方便装置。
这种机器零件具有
曲面或槽面，
该曲
面或槽面与从动件相配合并将运动传给从动件
。
凸轮的运动
（通常是转动）
被传递给
从动件
作摇动或移动，
或两者均有。
由
于各种各样的几何体和大量的凸轮与从动件相结合，
因此凸
轮是
一种极多功能的万用的机械零件。
虽然凸轮和从动件可以为运动、
轨迹和功能生成而设
计，但其主要是用于利用凸轮和从动件作为功能生成构件。
根据凸轮形状，
最普遍的凸轮种类是：
盘形传动凸轮
（两维的，
即平面的）
和圆柱形凸轮
（三
维的，即空间的）机构。从
动件可以用几个方法分类：根据从动件的运动，例如移动或摇动
来分类，
根据平移式
（直线）
从动件运动是沿径向的还是从凸轮
轴中心偏心的和根据从动件
接触面的形状（比如平面、辊子、点
——
刀尖式，球面，平面曲线或空间曲面）
。
< br>
对于一个对心直动滚子从动件盘形凸轮，
可画出的与凸
轮表面相切且与轮轴同心的最小圆是
基圆。
随动件的点就是产生
节线的辊子中心的点。
压力角就是辊中心轨迹方向线和通过辊子
中心的节线的法线之间的夹角而且是传动角的余角。
忽略摩擦影响，
这法线方向跟凸轮与从
动件之间接触力方向是重合一致的。
像在一连杆机构中，
压力角在循环运转过程中变化且是
凸轮把运
动作用力传递到从动件去的一种量度。大压力角将产生施加到从动件杆上的侧向
力，
因摩擦力存在，
那将势必把从动件限制在导槽中。
< br>在自动化机械中的许多应用需要间歇
运动。
一个典型的例
子将要求一个含有上升一停歇一返回和可能另一个停歇的周期，
每阶段
< br>经过一个指定的角度，
伴随着一个所要求的从动件的位移，
这个位移以厘米或度来度量。
设
计者的工作就是相应地设计出
该凸轮。
首先要做的决策就是要选择凸轮从动件的类型。
规定<
/p>
的应用可能要求凸轮和从动件相结合。
转化为决策的某些因素有：
几何形状条件，
动力条件，
环境条件和
经济因素。
一旦凸轮与从动件运动副类型被选定，
则从动件运动
就必定选定。
因
此，速度、加速度和在某些情况下，从动件位移
的进一步的方案实属极端重要。
齿轮是借助于轮齿成功啮合来
传递运动的机器零件。
齿轮从一根回转轴到另一回转轴传递运
动
或传递运动到一传动齿条。多数应用中都以恒定角速比
（或常定扭矩比）
而存在。恒定角
速比应用中必定是轴向传动。
在各种各
样有用的齿轮类型基础上，
输入轴和输出轴需要在一
直线上或需
要互相平行都不受什么限制。由于使用非圆齿轮，非线性角速比也是很有用的。
为了保持
恒定的角速度，
各个齿轮齿廓必须服从齿轮啮合的基本规律：
为
了一对齿能传递恒
定角速比，他们接触齿廓的形状必须是要这样：公法线通过两齿轮中心
连线上的固定点。
满足啮合基本规律的两啮合齿廓被称为共轭
齿廓。
尽管有着许多满足相啮合齿的可能齿形能
被设计出来，以
满足基本啮合规律，
但一般仅有两种在使用：
摆线齿廓和渐开线
齿廓。
渐开
线具有若干重要的优点：
它
易于加工制造和一对渐开线齿轮之间的中心距可以变化而不改变
速比，当使用渐开线齿廓
时，可不要求精密的轴间公差。
有几种标准齿轮可供选用。<
/p>
为了在平行轴条件下应用，
通常使用直齿圆柱齿轮，
平行轴斜齿
轮或人字齿齿轮。
在相交轴的情况下使用
直齿锥齿轮或螺旋齿轮。
对于非相交轴和非平行轴
齿轮传动，<
/p>
交错轴螺旋齿轮，
蜗杆蜗轮，
端面齿轮、
斜齿圆锥齿轮或准双曲面齿轮将被选用。
对于直齿圆柱齿轮，<
/p>
相啮合齿轮的节圆是彼此相切的。
他们互相滚动而无滑动。
齿顶高是轮
齿伸出超过节圆的高度（也是节圆和齿顶圆之间在径向的距
离）
。顶隙是一个给定齿的齿根
高（在节圆以下的齿高）大于与
它相啮合的齿轮的齿顶高的量（差值）
。齿厚是沿着节圆圆
弧上
跨齿的距离，而齿间距（齿槽
S
）是沿着节圆圆弧上相邻两齿间
的空间距离。而齿侧间
隙是在节圆上的齿槽宽度大于其相啮合齿轮在节圆上的齿厚的差值
。
[b]
螺纹件、紧固件和联接件<
/p>
[/b]
固紧和联接零件的典型方法包括利用诸如螺栓、螺帽、
有头螺钉、定位螺钉、铆钉、锁紧装
置和键。
零件也可以用熔焊
、
铜焊和夹紧连接。
在工程图学和金属加工工艺研究中常常包括
关于各种连接方法的说明，
在工程上对此很感兴趣的，
求知欲强的任何人自然会获得关于固
紧方法上良好的基础知识。
如果让一个穿制服的人去选择他能想象的机械设计方面最枯燥最不感兴
趣的学科的话，
那么
他就会选择紧固件学科，即螺栓和螺帽。事
实上，术语
“
螺栓和螺帽
”
是与艰苦、单调的工作
同义。
但是乏味的工作总是
需要的。
人们严肃设想能有一群螺栓螺帽制造者组成一个协会并
在一起召开年会吗？那样的话，还有什么学科不能让人感兴趣呢？
大型喷气发动机客机像波音
747
和洛希德
1011
，需要
250
万个紧
固件，其中一些每个要花
数美元。例如波音
747
，大约需要装
70000
个钛合金紧固件，全部大约
要花
150000
美元；
400000
个具有精密公差的其他紧固件，大约要花
250000
美元；和
30000
个挤压用铆钉，价
值每个
50
美分。为了保持低成本，波音和洛希
德和他们的工程承包人常常重新审查紧固件
的设计、
安装技术和
加工工具。
节省设计和加工工具费用将找到一个预备市场，
那将
像
Jumbo
喷气发动机增值那样而增长价值。
紧固件是根据计划并以如何使用他们来命名的，
而不
是根据其在具体例子中实际的应用。
如
果记住了这个基本事实，
就将不难区别螺钉和螺栓。
如果所设计的产品其主要目的是把它
装
入到已攻丝的螺纹孔中，
那就是螺钉。
这样螺钉是要在螺钉头上施加扭矩来旋紧的。
如果所
设计的产
品打算跟螺母配合使用，
那就是螺栓。
螺栓是靠在螺母上施加扭
矩来旋紧的。
双头
螺栓就像刻了螺纹的杆，
一端旋入螺纹孔中，
另一端再装上螺帽，
那就是确定产品名
称的意
义，并不是其实际使用。
这样，
在各种场合用钻头去钻孔穿过两块钢板，人们就会用螺栓和
螺帽来连接它们，
这可能是人们所希望的。
有四种形式的螺钉头，
最
普遍使用四种带帽螺钉
是：六角头螺钉，槽头螺钉，平头螺钉和内六角沉头螺钉。
当想要一个可以被拆开又不破坏被联接零件的联接时，
而且这个联接又要有足够的强度以承
受外拉力和剪力或这两种力的结合，
使用淬火垫圈的简单螺栓联结是一个很好的方法。
在这
种连接中，
首先把螺栓上紧以产生一预紧载荷初拉力，
而后施加外拉力载荷和剪切载荷。
预
载荷的作用是使被联接零
件处于压应力状态以便更好地抵抗剪切载荷。
螺栓预加载荷的重要