《机械基础》各单元-拓展知识

PAGEPAGE1《机械基础》各单元-拓展知识绪论【拓展知识——世界机械发展史】机械（machinery）是机器（machine）和机构（mechanism）的总称。各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置。至于机器则都是根据某种使用要求而设计的执行机械运动装置，可用来传递和变换能量，物料和信息，机械是人类生活和生产的基本要素之一，是人类物质文明最重要的组成部分。机械的发明是人类区别于其他动物的一项主要标志。人类自从用机械代替简单的工具，使手和足的“延长”在更大程度上得到发展。而经过三次工业革命的洗礼，机械的飞速发展，更是使人类达到了前所未有的境地，可以说，世界机械的发展史与人类文明的发展史紧密相连，是人类超越自我，探索未知领域的发展史。根据人类文明的发展历程，世界机械的发展史可以分为四个阶段：第一个阶段发生在大约200为原始阶段；第二个阶段发生在大约公元前7000年至18世纪初，这一阶段称为古代机械发展阶段；从18世纪中叶到20世纪初，这一阶段称为近代机械发展阶段；20世纪初到现代，这一阶段称为现代机械发展阶段。1．原始机械发展阶段在人类历史的长河中，发生了几次决定人类命运的大革命。第一次革命发生在大约200万年前至50万年前，人类学会使用最简单的机械劳动造就了人，在此阶段人类钻木取火，从此发现并学会使用火，食用熟食使人类2．古代机械发展史在远古时期，人类创造并使用了杠杆、滑轮、斜面、螺旋等原始的简单机械。根据考古学家发现，公元前7000年巴勒斯坦地区的犹太人建立杰里科城，城市文明首次出现在地球上，最早的车轮或许就是此时诞生的。埃及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。有着悠久历史的中华民族，在机械方面也有许多发明创造，在一些专用机械的设计和应用上都有自己的特色。例如，指南车、水排、地动仪等，均有独到之处。指南车是中国古代的文化瑰宝之一，是中国古代科技成果的杰出代表。指南车巧妙地利用了齿轮传动机构，不管指南车向何方向行驶，放置于指南车上的木制小人的手臂始终指向南方。这一发明充分体现了中国古人的伟大智慧，是中国人民的骄傲。总体来说，原始机械是仅用人力、畜力和水力来驱动的机械，其功能是减轻人的体力劳动，在此阶段，是动力制约了机械的发展。3．近代机械发展史18世纪，瓦特发明了蒸汽机，揭开了工业革命的序幕。它开创了以机器代替手工工具的时代。这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革。这场革命是以工作机的诞蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种动力驱动的机械如纺织机、车床等如雨后春笋般出现。在这一时期内英国的威尔金森发明了较精密的炮筒镗床，这是第一台真正的机床——加工机器的机器，它成功地用于加工汽缸体，使瓦特蒸汽机得以投入运行。德国的德赖斯发明木制、带有车把、依靠双脚蹬地行驶的两轮自行车。19世纪随着科学技术的飞速发展，各种新技术、新发明层次不穷，内燃机和电动机的发明是又一次技术革命。在绝大多数场合，电力代替了蒸汽，在机床和纺织机上都安装了独立的电动机。而内燃机的发明则为汽车、飞机的出现提供己的。4．现代机械发展史在20世纪后半叶计算机的发明是科学发展史上划时代的大事。20世纪初期，为了继续满足资本主义的疯狂扩张，人们更加注意生产效率的提高及大批量生产的实现。为了实现大批量生产，从19世纪开始人们就开始探索，首先的大批量生产主要用在军事领域，人们采取了互换式的生产方法，其后各种新式互换式机床也应运而生。在制造机床的同时，为了保证车床的精确度，千分尺等一大批测量器具和螺纹被设计制造出来。随着电子科技的发展，机械的自动化程度越来越高。1952年美国的帕森斯公司制成第一台数字控制机床。机器人作为现代机械的典型代表被越来越广泛地应用于工业生产中，承担着许多人们无法完成的工作。电子技术以及计算机技术与机械的结合使得机械变得越来越自动化和智能化，机器甚至可以在无人操作下正常地运行。现代机械正朝着主动控制、信息化和智能化的方向发展，将不断改善人类的生产和生活面貌。与传统机械相比，现代机械具有了自己的“大脑”——控制系统，其功能不仅仅是替代人得体力劳动，而且可以替代人得脑力劳动。单元二直杆的基本变形【拓展知识——金属疲劳断裂及其危害】从人类开始制造工程结构以来，疲劳断裂就是社会面对的一个问题。人们对金属构件的疲劳断裂问题的最初理解始于19世纪。在第一次工业革命期间，蒸汽机车、轮船、汽车等装备和设备相继发明出来，但随之而来的是这些机械设备的关键构件经常在循环载荷（或交变载荷）作用下断裂失效，如图2-46所示。起初人们很难理解，为什么在循环载荷（或交变载荷）作用下，服役的金属构件的寿命远远小于设计寿命？人们发现：在循环载荷（或交变载荷）作用下，构件的使用寿命远小于设计寿命，甚至不到设计寿命的一半。这时人们开始认识到了疲劳的破坏力，但由于技术检测落后，人们还不能查明疲劳破坏的原因，直到显微镜和电子显微镜等高科技器具的相继出现之后，人们开展了一些有针对性的研究，从此金属构件疲劳断裂的面纱渐渐地被揭开。图2-46疲劳断裂的内燃机曲轴许多机械零件和工程构件，是承受循环载荷（或交变载荷）工作的。金属材料在受到循环应力（或交变应力）时会产生微裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展到临界点，会导致金属材料在工作应力小于屈服强度的情况下突然发生断裂，这种现象称为金属疲劳断裂。但这种现象并不仅仅局限于固体金属，许多固体材料也都有这种现象发生，如塑胶、碳纤维、陶瓷、玻璃等。如今，汽车、轮船和飞机等大型装备，其上的齿轮、弹簧、滚动轴承、叶片、发动机曲轴等构件在进行生产之前都进行了抗疲劳设计，这种设计在较大程度上保证了这些设备在设计寿命范围内的安全。为增强金属抗疲劳的性能，人们会通过往金属里加入稀土元素或是进一步改进金属的微观结构。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。对产生振动的机械设备采取防振措施，以减少金属发生疲劳断裂的可能性。在必要时，对金属内部结构进行检测，以防金属发生疲劳断裂。20世纪80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡的重大事故，平均每年100次。例如，1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DG-10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲惨的事件之一。事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。再如，1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起，从而导致了这场近70年来德国最惨重铁路事故的发生。单元三工程材料【拓展知识——热处理发展历史】为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，合理选择热处理工艺是不可少的环节。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。钢铁材料是机械工业中应用最广的金属材料，虽然钢铁材料的显微组织比较复杂，但可以通过热处理予以控制。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学性能、物理性能和化学性能，以获得不同的使用性能。在从石器时代进入到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至公元前222年之间，中国人在生产实践中就已发现，钢铁材料的性能会因温度和加压变形的影响而产生变化。例如，白口铸铁的软化处理就是制造农具的重要工艺。公元前6世纪，钢铁兵器逐渐被军队采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺逐渐得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明它们是经过淬火处理的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬火冷却介质对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑，其心部的碳的质量分数为0.15～0.4%，而其表面的碳的质量分数却达0.6%以上，说明当时已经应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的6种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，其内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时会转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免金属在加热过程中金属表面发生氧化和脱碳等。1850～1880年，对于采用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾获得一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得了多种金属光亮热处理专利。自20世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；20世纪30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；20世纪60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。21世纪，随着机械装备制造技术的提高，以及计算机技术的广泛应用，目前钢铁材料热处理技术已经开始向自动控制、精细化控制和绿色清洁热处理方向发展。单元四连接【拓展知识——弹簧发展史】弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，其应用在很九之前就有了，其应用的历史可以追溯到青铜时代。古代的弓和弩实际上就是弹簧。从严格意义上来说，弹簧的发明家应该是英国科学家虎克（RobertHooke），虽然那时螺旋压缩弹簧已经出现并广泛使用，但虎克提出了胡克定律——弹簧的伸长量与所受的力的大小成正比，正是根据这一原理，1776年，使用螺旋压缩弹簧的弹簧秤问世。不久，根据这一原理制作的专供钟表使用的弹簧也被虎克本人发明出来。而符合“胡克定律”的弹簧才是真正意义上的弹簧。碟形弹簧是法国人贝勒维尔发明的，是用金属板料或锻压坯料制成的锥形截面的垫圈式弹簧。单元五常用机构【拓展知识——中国古代在凸轮机构方面的应用】中国人很早就发明了水碓机械，并用来舂米。在中国古代的魏末晋初（公元260年—270年）时期，杜预在总结了我国劳动人民利用水碓机械加工粮食的经验基础上，发明了连机水碓机械。水碓机械是应用凸轮机构的典型代表。在明朝宋应星所著的《天工开物》中，也有连机水碓机械（图5-65）记载。连机水碓机械装有一个长转轴，转轴上安装了立式水轮和彼此错开的若干组拨板，拨板用来推动碓杆。连机水碓的动力是水力，是依靠立式水轮上的若干板叶传递动力的。当一个拨板转下时，下压碓杆的一端，使碓杆的另一端升起，碓杆的另一端装一块圆锥形石头，下面的石臼里放上准备加工的稻谷。当拨板转过后，由于碓杆的自重，随即下降，舂米一次。由于一个立式水轮可以同时带动多个碓杆进行舂米作业，因此，极大地提高了舂米效率。连机水碓机械传承至今，历久没废，直到20世纪20年代才逐渐被柴油机碾米机所替代。图5-65连机水碓据《后汉书·杜诗传》记载，南阳太守杜诗注重冶铁生产，兴修水利，发明了水排。水排是用水作为动力的机械，它是根据水碓机械中的凸轮传动原理，通过曲柄摇杆、绳、绳轮和鼓风器等的联结而发明的，也是中国古代最早的具有动力机、传动机构和工作机的机器，它对鼓风机的推广应用起到了促进作用。另外，在中国古代的记里鼓车、水运浑象、水力天文仪器等机械中，也应用了复杂的凸轮机构。单元六机械传动【拓展知识——齿轮发展史】在中国，据大量的出土文物和史书记载，证明中国是应用齿轮最早的国家之一。1956年在河北武安午汲古城遗址中，发现了直径约80mm的铁质齿轮（图6-62），经研究确为战国末期到西汉时期（公元前3世纪至公元24年）间的制品，它也是中国发现的最古老的齿轮。1954年在山西永济县蘖家崖出土的器物中，有直径为25mm、40齿的青铜棘齿轮，经研究确定为秦代至西汉初年（公元前221年～公元24年）遗物。1957年陕西长安县红庆村出土了一对直径为24mm、齿数都为24的青铜人字齿轮，据分析是东汉时期初年（公元1世纪）遗物。东汉时期张衡（公元78～139年）制作的水运浑象，以漏水为动力，通过齿轮系统，使浑象每日等速地绕轴旋转一周。三国时期，出现的记里鼓车，已有—套减速齿轮系统。马钧所制成的指南车（公元235年），除有齿轮传动外，还有离合装置，说明齿轮系已发展到相当程度。中国史书中关于齿轮传动的最早记载是《新唐书·天文志》，描述了僧一行、梁令瓒在唐开元时期13年（公元725年）制造水运浑仪事件。另外，《新仪象法要》详细记载了苏颂、韩公廉等人于北宋元祐3年（公元1088年）制造的水运仪象台，该台规模巨大，已有了一套比较复杂的齿轮传动系统。明代时期茅元仪著《武备志》（公元1621年）已记载了齿轮齿条的传动装置。在西方，据历史记载和流传至今的实物证实，古希腊、古埃及、古代巴比伦，早在公元前400～200年代，就开始使用齿轮。希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前384～322年）在他所著《机械问题》中，就阐述了使用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题，这是国外关于齿轮的最早文献记载。希腊学者阿基米德（Archimedes，公元前287～212年），特别记载了蜗杆传动卷扬机。公元前1世纪，罗马建筑师维特鲁维亚斯（Vitruvius）叙述了装有齿轮传动的水力磨粉机，这是具体记载了最早的动力传递用齿轮。公元前150年左右，亚历山大港的克特西比乌斯（Ctesibius），将齿轮机构用于水力计时器，埃龙（Heron）用齿轮制成计程车和瞄准器，这是关于将齿轮机构用于传递运动的最早记载。当然，所有上述齿轮，都是木工用手工制造的，齿廓为直线，不能保证传动的平稳性，而且齿轮的承载能力也较小。到了中世纪，齿轮与机械式钟表相结合，1484年德国的沃索鲁斯（Waltherns）将机械式钟表用于天文观测。在此期间，随着水力、风力、畜力的利用，出现了传递动力的相当大的齿轮。15世纪后叶，达·芬奇（da．Vinci）在手稿中，记载了各种齿轮装置。到了17世纪后叶，人们就已开始进行齿形理论研究，其目的是为了保证齿轮正确传递运动。到18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛，促进了齿轮技术的快速发展。先是发展摆线齿轮，而后是发展渐开线齿轮。20图6-62中国古代铁质齿轮单元七支承零部件【拓展知识——滚动轴承发展史】滚动轴承是应用广泛的重要机械基础件，广泛应用于国民经济和国防事业各个领域。滚动轴承的发明历史非常久远，据在中国山西省永济县的考古文物发现，早在公元前221～207年（秦代），就有了青铜滚动轴承；在国外，据在意大利的尼米湖的考古文物发现，公元12～41年，也已有了青铜滚动轴承。如图7-20所示，车軎[wèi]是最原始的推力轴承，最早出现于春秋时期。秦始皇陵出土的秦代战车，车轴头就是原始的推力轴承（车軎）。《说文解字》对軎的解释是“车轴头也”。车軎呈筒形，套在轴端，由车辖将其固定在轴上，车軎内侧应有较大的圆环面，顶住车毂，借以改善车轮承受轴向推力时的工作情况，当时战车车軎上安装有武器，在冲锋作战时可以杀伤敌人。图7-20车軎——最原始的推力轴承元朝时期的著名天文学家、数学家、水利工程专家郭守敬（1231年-1316年）在制造简仪（图7-21）时，也使用了圆柱滚动支承技术。简仪是由浑仪简化而来的，是用于天象观测的伩器。郭守敬制作的简仪突破了浑仪环圈交错不便观察的缺点，装置虽简便但效用却更广。简仪的零部件可以分成支撑零件和运动零件两部分。支撑零件包括水趺、龙柱、天经双环、赤道单环，还有水趺中心的天柱等。郭守敬在简仪两环之间安装了四个小圆柱体，构成滚子支承，这种结构与近代“滚柱轴承”减少摩擦阻力的原理相同，可以说它是原始的圆柱滚动轴承。图7-21郭守敬发明的简仪现代滚动轴承工业的诞生，是以1883年德国发明了世界上第一台