机械工程导论第一讲

AnIntroductionto

MechanicalEngineering

(U.S.A.)JonathanWickert

授课教师：贾敏华

Departmentofengineeringmechanics，

Mechanicalscienceandengineeringcollege

NortheastPetroleumUniversity

StudentPreface

PURPOSE

Thistextbookwillintroduceyoutothefieldofmechanicalengineeringandhelpyouappreciatehowengineersdesignthehardwarethatbuildsandimproveoursociety.Asthetitleimplies,thistextbookisneitheranencyclopedia[en,saikləu‘pi:djə]n.百科全书noracomprehensive[,kɔmpri'hensiv]adj.综合的treatmentofthediscipline['disiplin]n.vt.训练|纪律|学科。Suchataskisimpossibleforasingletextbook,and,regardless,myperspective[pə'spektiv]n.观点；远景；透视图adj.透视的isthatthetraditionalfour-yearengineeringcurriculum[kə'rikjuləm]n.课程isjustoneofmanystepstakenduringalifelongeducation.Byreadingthistextbook,youwilldiscoverthe“forest”ofmechanicalengineeringbyexaminingafewofitsbig“trees”,andalongthewayyouwillbeexposedtointerestingandpracticalelementsoftheprofessioncalledmechanicalengineering.

学生序

目的这本教材将向你介绍机械工程领域，帮助你了解工程师们是如何设计那些能够建造和促进我们社会进步的硬件。正如标题所述，这本教材既不是百科全书，也不是本学科的综合训练。无论如何，单一的一本教科书是无法完成这样的任务。我的观点是，传统的四年机械工程学科的学习仅仅是所接受的终生教育的一部分。学习这本书，你将通过了解几个机械工程的“大树”，进而发现机械工程这个“森林”，由此，你将去探索机械工程中有趣的和实用的各个元素。APPROACHANDCONTENT

Thistextbookisintendedforstudentswhoareinthefirstorsecondyearsofatypical['tipikəl]collegeoruniversityprograminmechanicalengineeringoracloselyrelatedfield.Throughoutthefollowingchapters,Ihaveattemptedtobalancethetreatmentsofproblem-solvingskills,design,engineeringanalysis,andpracticaltechnology.Thepresentation[,prezən'teiʃən,,pri:-]n.描述，陈述；介绍beginswithanarrativedescriptionofmechanicalengineersandwhattheydo(Chapter1),andanoutlineofgoodproblem-solvingskills,particularlywithrespecttonumericalvaluesandunitsystems(Chapter2).Sixelementsofmechanicalengineeringareemphasizedv强调，着重（emphasize['emfəsaiz]的过去式）subsequentlyinChapter3(MachineComponentsandTools),Chapter4(ForcesinStructureandFluids),Chapter5(MaterialsandStresses),Chapter6(ThermalandEnergySystems),Chapter7(MotionofMachinery),andChapter8(MechanicalDesign).Someoftheapplicationsthatyouwillencounter[in'kauntə]n.vi.vt.遭遇，遇到alongthewayincludeinternalcombustionengines,rapidprototyping,computer-aidedengineering,robotics,magneticresonanceimaging,jetengines,automatictransmissions,andsolarpower.方法和内容

这本书所针对的对象是那些正规学院或大学的大一或大二的机械工程专业或者与之密切相关专业的学生。贯穿全书这些章节，我努力平衡如下这四方面的关系，解决问题的技巧，设计，工程分析和实践技能。全书以叙事的方式介绍什么是机械工程师，他们做什么工作（第一章），以及一些好的解决问题技巧的概括。特别是注意数值，和单位制（第二章）。机械工程的六种元素在后面几章依次强调，第三章（机器零件和工具），第四章（结构和流体中的力），第五章（材料和应力），第六章（热量和能量系统），第七章（机构的运动），第八章（机械设计）。在学习过程中，你会遇到一些上述应用的实例,如内燃机，快速成型，计算机辅助工程，机器人学，电磁超声成像，喷射发动机，自动变速箱，太阳能等。---------------------------Whatshouldyoubeabletolearnfromthistextbook?Firstandforemost,youwilldiscoverwhomechanicalengineersare,whattheydo,andwhattechnologiestheycreate.Section1.3detailsa“topten”listoftheprofession’sachievements.Takealookatitnowforaglimpseofmechanicalengineeringtechnologies,andrecognizehowtheprofessionhasimprovedyourday-to-daylifeandsocietyingeneral.Second,youwilllearnsomeoftheorder-of-magnitudeapproximations[ə,prɔksi'meiʃən]n.[数]近似法；接近；[数]近似值andback-of-the-envelopecalculationsthatmechanicalengineerscombinemathematics,science,computer-aidedengineeringtools,experience,andhands-onskills.Third,youwillfindthatengineeringisapracticalendeavorwiththeobjectiveofdesigningthingsthatwork,thatarecost-effectivetomanufactureandsell,thataresafetouse,andthatareresponsibleintermsoftheirenvironmentalimpact.-----------------------------

你将能够从这本教材中学到什么呢？首先也是最重要的，你将发现机械工程师是什么样的人，他们做了什么，他们创造了什么技术。1.3节详细列举了机械工程专业前十大成就。对机械工程技术有一个大概的理解，并且认识到这个专业在提升我们日常的生活品质和促进社会发展进步方面起到很大作用。第二，你将学会机械工程师经常应用的有关数量级估算法和粗略计算(信封背面的计算)法；为了更快更好的完成他们的工作，机械工程师在设计中结合了数学，科学，计算机辅助工程，经验和手工操作技巧等。第三，你将发现工程是以开发研制产品为目的的实际的努力过程,所开发的产品能够完成应承担的任务,制造和销售成本合理,使用安全,不破坏环境。1TheMechanicalEngineeringProfession

1.1

overview

Engineeringisthepracticalendeavorinwhichthetoolsofmathematicsandscienceareappliedtodevelopworkingandcost-effectivesolutionstothetechnicalproblemsfacingoursociety.Engineersdesignmanyoftheconsumerproductsthatyouuseeverydayandalargenumberofotherproductsthatyoudonotnecessarilyseebutwhichareusedinbusinessandindustrialsetting.Engineersalsodesignthemachinerythatisneededtomanufacturethoseproducts,thefactoriesthatproducethem,andthequalitycontrolsystemsthatguaranteetheproduct”ssafetyandperformance.Engineeringisallaboutmakingusefulthingsthatwork.

工程是应用数学和科学的工具，去开发可行的经济合理的能解决我们社会所面临的技术问题的实践努力过程。工程师设计许多你每天常用的消费品和其它大量的你不必要看到却应用到各种商业和工业领域中的产品。工程师也设计一些需要制造这些产品的机器、生产它们的工厂和保证产品安全和性能的质量控制系统。工程是制作能工作的有用的产品的过程。1TheMechanicalEngineeringProfession

1.1

overview

------------------------------------------------------------

Thedisciplineofmechanicalengineeringisconcernedinpartwiththefollowing‘element’:machinecomponents,force,materials,energy,motion,anddesign.Mechanicalengineersdevelophardwarethatexploitsthoseelementsinordertoserveausefulpurpose.Originaldesignisalwaystheunderlyingfactor:Anengineercreatesamachine,product,orsystemthathelpssomeonetosolveatechnicalproblem.Theengineermightstartfromablanksheetofpaper,conceivesomethingnew,developandrefineitsothatitworksreliably,andallthewhilesatisfyconstraintsofmanufacturability,safety,andcost.1机械工程专业介绍

1.1

概述机械工程这门学科包括以下的元素：机器零件、力、材料、能量、运动和设计。机械工程师研制出利用这些元素去服务于有用的目的的硬件。最初的设计常常包括下面的因素：工程师制造一个机器、产品或一个帮助某些人解决一个技术问题的系统。工程师或许从一张白纸开始，构思某种新东西，研制并更新它，以至于它能更可靠的工作，同时满足生产能力、安全和经济合理的约束条件限制。

1TheMechanicalEngineeringProfession

-----------------------------------------------------------

Internalcombustionengines,roboticweldingequipment,computerharddiskdrivers,prostheticlimbs,automobiles,aircraft,jetengines,andelectricpowergenerationplantsaresomeofthethousandsoftechnologieswithwhichmechanicalengineersworkeveryday.Itwouldnotbemuchofanexaggerationtoclaimthatforeveryproductyoucanthinkof,amechanicalengineerwasinvolvedatsomepointinitsdesign,materialsselection,temperaturecontrol,qualityassurance,orproduction.Evenifamechanicalengineerdidn’tconceiveordesigntheproductperse,it’sstillagoodbetthatamechanicalengineerdesignedthemachinesthatwereneededtobuild,test,ordelivertheproduct.1机械工程专业介绍

内燃机、机器人焊接装置、电脑硬盘驱动装置、义肢、汽车、飞机、喷气式发动机和发电厂，这些只是数以千计的技术中的某几种，机械工程师每天都在接触这些技术和领域。可以毫不夸张的说，你能想到的任何一件产品，一个机械工程师总在某些方面参与其中，如设计工作、材料的选择、温度的控制、质量的保证或者生产过程。即使一个机械工程师并没有孕育或设计这个产品本身，我敢打赌，机械工程师也会设计了需要制造、检测或传送产品的机器。1TheMechanicalEngineeringProfession

-----------------------------------------------------------MechanicalengineersdevisemachinesthatproduceorconsumepowerovertheremarkablywiderangeindicatedinFigure1.2-frommilliwattstogigawatts.Fewprofessionsrequireapersontodealwithphysicalquantitiesacrosssomanyordersofmagnitude,butmechanicalengineeringdose.Asanexampleatthelowerendofthepowerrange,smallprecisionultrasonicmotors,suchasthoseusedinacamera’sautofocuslend,produceapproximately0.02wattsofmechanicalpower.Movingupwardinpowerlevel,anathleteusingexerciseequipmentsuchasarowingmachineorstairclimbercanproduceseveralhundredwattsoveranextendedperiodoftime.Thatoutputwouldbeenoughtopowerahouseholdlightbulb.

1TheMechanicalEngineeringProfession

-----------------------------------------------------------Theelectricmotorinanindustrialdrillpressmightdevelop1000W(1kW),andtheengineonasportutitityyehicleproducesabout100timesthatamount.Nearingtheupperendofthepowerscale,thehigh-pressurefuelturbopumpfortheSpaceShuttle’smainengines(nottheenginesthemselves,mindyou,justthefuelpump)developsanoutputof5.4×10W,whichisabout73,000horsepower(Figure1.3).Finally,alargecommercialelectricalpowerplantcangenerate1billionwattsofpower,anamountsufficienttosupplyacommunityof800,000householdswithelectricity.Mechanicalengineersdesignthefuelsystems,steamgenerators,turbines,condensers,pumps,andpollutioncontrolsystemsthatareexpectedtooperatesafelyandaroundtheclockinpowerplants.1机械工程专业介绍

---------------------------机械工程师发明各种各样的机器，这些机器能够生产或消耗的能量可能是在很大范围内变化的，如图1.2所示的那样从毫瓦到兆瓦。很少专业需要一个技术人员涉及横跨很多数量级的物理量，但是机械工程师如此。从能量线上往上看，一个利用运动设备（比如划船机器或跑步机）的运动员，在一个特定时间内能产生几百瓦特的能量。以能量范围低端为例，像那些用于照相机自动对焦，小而精密的超声波发动机，大约产生0.02瓦的机械能量。这个输出足以给一个家用电灯泡提供能量。

1机械工程专业介绍

---------------------------一个工业钻床的电动马达或许能需要1000瓦的能量，而一个运动着的公共汽车的引擎，能达到100千瓦的能量。接近这个能量坐标的顶端，用于太空舱主引擎的高压燃料涡轮泵能产生5.7×107瓦的输出，这相当也大约73000马力。最后，一个大型商业的发电厂能生产一百万瓦特的能量，这个总量能提供一个有800，000户居民的商业区的用电。机械工程师设计出，被期望能全天候（二十四小时）在发电厂里安全运行的能量系统、蒸汽锅炉、涡轮机、冷凝器、泵和污染控制系统。Figure1.2Mechanicalengineersworkwithmachinesthatproduceorconsumepoweroveraremarkablywiderange.图1.2机械工程师研制一些能够生产和消耗能量在很大范围内波动的机器。Figure1.1Robotsareusedextensivelyinautomatedindustrialassemblylinesthatrequireprecisionwhenrepetitivetaskssuchasarcwelding,arebeingperformed.Figure1.3Close-upviewofaSpaceShuttlemainengineduringatestinwhichitisswiveledtoevaluatesreeringperformanceduringsimulatedflightconditions.图1.3特写SpaceShuttle主发动机在接受模仿飞行条件中的旋转测试操作性能的检测。Figure1.4Onada