图1．4 带式输送机传动简图
4．零件和构件
零件是组成机器的最小单元，也是机器的制造单元。机器是由若干个不同的零件组装而成的。
图1．5 构件
各种机器经常用到的零件称为通用零件。特定的机器中用到的零件称为专用零件。
构件是机器的运动单元，一般由若干个零件刚性联接而成，也可以是单一的零件（见图1．5）。从运动的角度看，可认为机器是由若干个构件组装而成的（见图1．6）。如图1．7所示为带轮传动。
图1．6 构件与零件
组成 组成 组成
零件→构件→机构→机器
图1．7 带轮传动
活动二 了解机器的组成
按照各部分实体的不同功能，一台完整的机器通常由以下4个部分组成（见图1．8）：
1．原动机部分
原动机部分也称动力装置，其作用是把其他形式的能量转变成机械能，以驱动机器各部分运动。它是机器完成预定功能的动力源，常用的有电动机和内燃机等。
2．执行部分
执行部分也称工作部分（装置），是机器直接完成具体工作任务的部分，如汽车的车轮、冲床的冲头等。
3．传动部分
传动部分是原动机到工作机构之间的传动机构，用以完成运动和动力的传递和转换。利用它可以减速、增速，改变转矩以及运动形式等，满足工作机构的各种要求，如汽车的变速箱、自行车的链传动与飞轮等。
图1．8 机器的组成
4．操纵或控制部分
操纵或控制部分的作用是显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作。控制装置可以是机械装置、电子装置、电气装置等。
简单的机器一般由上述的前3部分组成，有的甚至只有原动机部分和执行部分，如水泵、排风扇等。而现代新型的自动化机器，如数控机床、加工中心等，控制部分（包括检测）的作用越来越重要。
活动三 了解机械的类型
根据用途不同，机械可分为以下4种类型：
1．动力机械
实现机械能与其他形式能量间的转换，如电动机、内燃机、发电机、液压机及压缩机等。
2．加工机械
改变物料的结构形状、性质及状态，如金属切割机、粉碎机、轧钢机、包装机及压力机等。
3．运输机械
改变人或物料的空间位置，如汽车、飞机、轮船、起重机、电梯、输送机及缆车等。
4．信息机械
获取或处理各种信息，如打印机、复印机、传真机、数码摄像机及数码照相机等。
三、巩固与提高
小结：
①机械：一般常将机构和机器统称为机械。
②机器：机器是由若干机构组成的。它可用来变换或传递能量。例如，电机变换能量，加工机械改变物料状态，起重机传递物料，计算机用来变换信息。
③机构：机构是由若干个构件组成的一个人为的构件组合体。它的功用在于传递运动或改变运动形式。例如，曲柄连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。组成机构的各构件间具有确定的相对运动。
④构件：一个构件通常是由若干个零件组成的，构成一个刚性系统，是最小的运动单元，也有构件是由一个零件组成。
⑤零件：任何机器都是由若干个零件组成的。若将机器拆卸，不能再拆的最小单元就是零件。从制造工艺角度看，零件是加工的最小单元。
问题：
1．机器有哪几个特征？
2．机器由哪几部分组成？
3．根据用途不同，机械可分为哪几种类型？
四、学习评价
分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。
学习活动评价表
任务二 机械零件的材料、结构和承载力
一、学习目标
1．知识目标
知道机械零件的材料、结构和承载能力。
2．能力目标
会选择机械零件的材料。
3．态度目标
培养严谨细致的工作作风。
二、学习活动
活动一 认识零件的常用材料
材料是制作机械零件的原料，零件有强度和使用寿命的要求，不同的零件需要选用不同的材料。例如，汽车轮胎需要具有一定的弹性和耐磨性，选用橡胶作为原料；汽车大梁需要承受较大的载荷和冲击，选用具有一定强度和韧性的低碳合金钢；机床的主轴不仅要有强度，而且还要有抗弯曲变形的刚度要求，选择45或40Cr钢材，并制作成中空形状；机床的床身要求不变形且耐磨损，选用不变形的铸铁材料，导轨表面作淬火处理。
1．钢
钢常用作机械零件的材料，它是铁和碳的合金。常用的是结构钢和合金钢。钢中含碳质量分数的多少，影响到钢的韧性和硬度，含碳质量分数越低，韧性越好，但硬度越低；反之，含碳质量分数越高，硬度越大，但韧性越差。因此，常用中碳钢作为零件的材料，具有一定的韧性和硬度，也方便进行热处理。中碳钢的含碳质量分数为0．35%～0．55%。对于需要进行塑性变形加工的零件，常选用低碳钢作材料，如螺钉、螺母等。
钢一般由铸造和轧制得到。前者称为铸钢，适用于制造形状复杂的重要机械零件；轧制所得的钢材通常具有一定的形状，称为型材，如圆形、工字形、方形、管形等。圆形材是制造机械零件的材料，通过锻造、切削加工成所需要的各种形状。
2．铸铁
将含碳质量分数在2．11%以上的铁碳合金，称为铸铁。相比钢材料，其优点是铸造性好，成本低。对于不重要的零件，如其形状较为复杂，常选用铸铁，如暖气片、轴承座、机床床身、皮带轮。铸铁材料作机床床身具有稳定性好、不变形的优点。铸铁材料的性能较稳定，且价格便宜，因此，污水井盖一般都选用铸铁材料。
3．铜及其合金
铜材料具有很好的耐腐蚀性和减磨性，但成本较高，一般用作滑动轴承的轴瓦或蜗轮的齿圈，一般选用铸造的方法获得。紫铜管容易变形又耐压，一般应用于空调、液压传动系统的管路连接。
4．工程塑料
工程塑料一般作结构零件，具有质量轻、强度高、耐磨损的特点。在汽车、飞机、家用电器中（如台灯、低压开关、电视机及空调机等）都有很广泛的应用。
5．橡胶
橡胶分普通橡胶和特种橡胶两种，用于制作密封件、减振件、传动带及轮胎等。
活动二 材料的选用
材料的品种很多，各有特点，应做到物尽其用，用其所长。材料的选用要考虑以下3个方面的因素：
1．零件工作中的使用要求
使用要求主要是指零件的工作和受载情况，对零件尺寸和质量的限制，以及零件的重要程度，等等。
2．工艺要求
工艺要求是指所选择的材料容易生产制造，如铸造材料要求其最小厚度要大于8mm，否则会因为铸不满而产生废品；留出足够的加工余量。锻件的内孔太小时，不能冲孔成形；轴上的螺纹要留退刀槽；磨削表面提前制作出中心孔等。这些都是满足加工工艺要求所必须做好的准备。
3．经济性
所谓经济性，就是在满足使用要求和寿命的前提下，所选用的材料制成的零件应当是成本最低的，保证机器在市场上有价格竞争的优势。
活动三 了解标准化、系列化和通用化
国家对机械零件作出了统一的标准规定，有利于简化零部件的品种和规格，便于组织大规模的生产，降低成本。如需要一个螺钉、螺母，可在市场上很方便地买到。它是由标准件厂统一生产的，价格低，通用性好，方便使用，但螺钉有统一的标准，如M6，M8，M10，M12，M16mm，没有7，9，11，13等规格的螺钉。滚动轴承也是一样，其标准内径仅有10，12，15，17，20，25，30，35，…，不可能有其他数值。
标准化、系列化和通用化是机械零件生产所应当共同遵守的技术规范，必须严格执行，不得别出心裁，标新立异。技术标准由国家标准化局统一制订，使用时应当按照最近出台的最新标准执行，一般应按照2000年以后制订的标准，如果没有2000年以后的标准，方可使用2000年以前的标准。借助于电脑搜索寻找最新国家标准。
活动四 了解载荷、应力和强度
失效是指机械零件不能达到设计要求的工作性能。例如，彩色电视机的显像管，由于老化而出现的图像模糊不清，达不到设计时的要求，称为失效。
机械零件的失效形式主要如下：因强度不够而断裂，过大的弹性形变或塑性形变，摩擦表面的过度磨损、打滑或过热，联接松动，压力容器、管道等的泄漏，运动精度达不到要求，等等。
失效不等于不能用，只是精度没达不到要求。
1．载荷
载荷是指机械零件受到外力或外力矩的作用，可分为静载荷和动载荷。载荷大小或方向不随时间变化而变化或变化缓慢的，称为静载荷；载荷大小或方向随时间变化的，称为动载荷。
根据动力机的额定功率P（kW）和额定转速n（r／min）计算出的载荷，称为名义载荷。
2．应力
应力是机械受到外载荷作用后，单位截面上的内力。载荷是指零件外部的作用力；应力是指受到外部作用后，零件内部产生的内力。应力的大小与外部载荷的变化、大小有关。
图1．9 应力类型
静载荷产生静应力，动载荷产生变应力。按应力变化特点，可分为脉冲循环应力、对称循环应力和非对称循环应力3种（见图1．9）。其中，对称循环应力对零件的寿命影响最大。
3．强度
强度是指零件抵抗破坏的能力。强度可分为表面强度和体积强度，一般强度是指体积强度。
（1）体积强度
体积强度可分为静应力和变应力。
静应力使零件产生塑性变形或断裂。如自行车前后轴固定不动，受到人的不变载荷静止作用，前轴太细可能产生弯曲塑性变形，严重时会断裂。
变应力使零件产生疲劳断裂。如火车车轮与轴组成一体，轴受载荷是不变的，但轴随车轮的转动不断变化位置，它受到对称循环变化的变应力作用，经过无数次转动后，可能出疲劳断裂。
（2）表面强度
点、线接触的高副联接表面产生弹性变形，出现很大的局部应力，称为接触应力。
（3）表面挤压强度
以面接触而无相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面产生挤压应力。
（4）表面磨损强度
以面接触而作相对运动的零件，在载荷作用下，接触表面因摩擦产生磨损，当磨损量超过许用值，零件即告失效。
4．安全系数和许用应力
每一种材料经过试验后，都可以找到最大极限应力值。如果直接以极限应力作为计算材料的强度，当达到极限应力值时，零件就会出现破坏。此外，实验室的测试是静态的外载荷作用，与零件实际工作环境存在差别，为防止出现意外事故，取一个比1大的值作为安全系数。如取安全系数为2，假设其极限应力为200MPa，被2除后，得到100MPa，称100MPa为许用的应力，即当应力达到100MPa时为最大的极限，超过100MPa认为零件超载，会出现破坏。实际应用中，有安全系数的作用，超过许用应力并不一定立即出现问题。因此，许用应力为极限应力与安全系数的比值。安全系数越大，零件越安全，但零件尺寸断面越大，造价越高。对于运输机械，如摩托车、汽车、飞机，如果安全系数过大，则自身质量过大，消耗的燃料过多，故应当取较小的安全系数。
三、巩固与提高
①常用材料有哪些？
②材料的选用原则是什么？
③实行机械零部件的标准化、系列化和通用化有何意义？
四、学习评价
分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。
学习活动评价表
任务三 机器零件的摩擦、磨损与润滑
摩擦是自然界普遍存在的正常现象，只要有相对运动或相对运动趋势的两物体接触表面之间就会有摩擦存在，摩擦将使接触表面产生磨损。只能减少接触表面的磨损，不可能消除摩擦的存在。如果不存在摩擦，两接触表面就不会产生运动。假如柏油路都成了冰场，几乎不存在摩擦，可想而知会产生什么样的后果。
一、学习目标
1．知识目标
①了解摩擦和磨损的危害及摩擦的种类。
②了解磨损的过程与类型。
③了解润滑及其类型。
2．能力目标
通过了解摩擦副的摩擦状态和磨损形成机理，能够分析零件磨损的原因，提出减少磨损的具体措施。
3．态度目标
培养认真细致的工作作风。
二、学习活动
活动一 认识摩擦
1．固体摩擦
固体摩擦可分为干摩擦和边界摩擦。
（1）干摩擦
摩擦副在直接接触时产生的摩擦，称为干摩擦，如图1．10（a）所示。摩擦因数大，磨损严重，除利用摩擦力工作的场合外，应尽量避免。
（2）边界摩擦
在摩擦副间施加润滑剂后，摩擦副的表面吸附一层极薄的润滑膜，这种摩擦状态称为边界摩擦，如图1．10（b）所示。边界摩擦的润滑膜强度低，容易破裂，致使摩擦副部分表面直接接触产生磨损，但摩擦和磨损状况优于干摩擦。
2．液（气）体摩擦
在摩擦副间施加润滑剂后，摩擦副的表面被一层具有一定压力和厚度的流体润滑膜完全隔开时的摩擦，称为液（气）体摩擦，如图1．10（c）所示。液（气）体摩擦中摩擦副的表面不直接接触，摩擦因数很小，理论上不产生磨损，是一种理想的摩擦状态。
3．混合摩擦
兼有固体摩擦和液（气）体摩擦中两种摩擦状态以上的一种摩擦状态，称为混合摩擦，如图1．10（d）所示。混合摩擦中摩擦表面仍有少量直接接触，大部分处于液（气）体摩擦，故摩擦和磨损状况优于固体摩擦，但比液（气）体摩擦差。
图1．10 摩擦状态
活动二 认识机械零件的磨损
1．磨损类型
（1）黏着磨损
黏着磨损发生在重载状态，表面没有润滑的干磨损状态。当摩擦发热的温度超过金属的熔点时，两运动表面产生熔化、黏着。材料之间出现转移，表面形成胶黏划伤。提高油性和润滑油的黏度是减少黏着磨损的有效措施。
（2）磨粒磨损
磨粒磨损是摩擦表面渗入硬颗粒将表面划伤，如眼睛中进入微小的粉尘，将眼球划伤一样。为了防止出现磨粒磨损，机器尽可能选择闭式传动，且定期更换润滑油，保证润滑剂的洁净。
（3）表面疲劳磨损
表面疲劳磨损发生在有充足润滑油的运动表面。当周期性工作达到一定期限之后（如106次），接触表面会产生疲劳裂纹，由于充足的润滑油渗入裂纹中，接触表面短时间形成封闭裂纹，使裂纹内的油液压力急剧升高，超过材料的极限强度之后，金属表面材料出现脱落，形成麻坑，称为点蚀。如果没有足够的润滑油，不可能形成麻坑，称为表面磨损。
（4）腐蚀磨损
腐蚀磨损是接触表面受到腐蚀性的气体、液体的侵蚀而产生的表面破坏，如化工行业制酸、碱设备的零件损坏是由于酸碱腐蚀反应而造成的。因此，一般化工企业采用不锈钢材料作为机器的零件。
2．磨损的过程
任何相对运动，即使润滑条件超好，也不可避免地会出现正常的磨损。磨损分为3个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。经过机械加工后的表面，无论其表面粗糙度值多小，也达不到磨合后的标准，因此，相对运动的表面必然要经过正常的磨合阶段。例如，新出厂汽车的磨合期为2000km，表明2000km之后，各运动表面进入正常磨损阶段，该阶段的长短标志着机器的使用寿命。机器的质量越高，其稳定磨损阶段越长，使用的寿命越长。如图1．11所示为磨损曲线与微观表面。
图1．11 磨损曲线与微观表面
当机器的运动表面磨损超过设计的数值后，间隙过大，使运动表面产生过大的冲击振动，机器进入剧烈磨损阶段。处于剧烈磨损阶段的机器需要进行大修，重新更换或修复零件的运动表面，如汽车的内燃机活塞缸，滑动轴承的轴瓦，更换或调整滚动轴承的间隙，以及修磨机床的导轨等，才能保证机器具有原有的工作精度。
三、巩固与提高
①摩擦和磨损有什么危害？摩擦的种类有哪些？
②磨损的类型有哪些？
③磨损有哪几个过程？
四、学习评价
分组进行自评、组评、师评，在学习活动评价表相应等级的方格内画“√”。
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