机械原理发展史

摘要：世界机械发展史 从古至今，从金字塔建造时的简单机械滑轮到目前世界 最高建筑迪拜塔，从工业革命时大家惊呼的蒸汽火车到现在 动辄突破 400 公里的高速铁路， 从莱特兄弟的第一次人类起 飞到现今外太空的探索。世界发生了翻天的变化，这一切都 与我们的机械发展密切相关。

关键词：机械发展 简单机械

机械原理概述

不同的机器往往由有限的几种常用机构组成，如内燃机、压缩机和冲床等的主体机构都是曲柄滑块机构。这些机构的运动不同于一般力学上的运动，它只与其几何约束有关，而与其受力、构件质量和时间无关。1875年 ，德国的 F.勒洛把上述共性问题从一般力学中独立出来，编著了《理论运动学》一书，创立了机构学的基础。书中提出的许多概念、观点和研究方法至今仍在沿用。1841年，英国的R.威利斯发表《机构学原理》。19世纪中叶以来，机械动力学也逐步形成。进入20世纪，出现了把机构学和机械动力学合在一起研究的机械原理。19xx年，中国的刘仙洲所著《机械原理》一书出版。19xx年，在波兰成立了国际机构和机器原理协会，简称IFTOMM。机构学的研究对象是机器中的各种常用机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和间歇运动机构（如棘轮机构、槽轮机构等）以及组合机构等。

它的研究内容是机构结构的组成原理和运动确定性，以及机构的运动分析和综合。机构学在研究机构的运动时仅从几何的观点出发，而不考虑力对运动的影响。机械动力学的研究对象是机器或机器的组合。研究内容是确定机器在已知力作用下的真实运动规律及其调节、摩擦力和机械效率、惯性力的平衡等问题。按机械原理的传统研究方式，一般不考虑构件接触面间的间隙、构件的弹性或温差变形以及制造和装配等所引起的误差。这对低速运转的机械一般是可行的。但随着机械向高速、高精度方向发展，还必须研究由上述因素引起的运动变化。因而从40年代开始，又提出了机构精确度问题。由于航天技术以及机械手和工业机器人的飞速发展，机构精确度问题已越来越引起人们的重视，并已成为机械原理的不可缺少的一个组成部分。

一、 基础技术发明的时代

大约公元前三千年左右， 埃及的凯奥普斯法老修建了巨 大的坟墓——金字塔。这座金字塔是用巨石堆积而成的，每 块巨石最轻的也有三吨， 最重的达三十吨， 金字塔十分庞大， 其高度为 140 米，面积为 50 公顷。看来这些巨石是从尼罗 河对岸开凿并搬运过来的，为搬运这些巨石修筑道路就花费 了十年的时间，十万名奴隶花费了三十年的时间才建成了这 座金字塔。往高处提起重物，滑轮是十分有效的。但是，其 提升的高度有限，不能往过高的地方提起重物。象金字塔那 样，将巨石提升到一百米以上的高度，还需要另外想一些办 法。 为搬运这些巨石，奴隶们利用了斜面原理。所说的斜面 原理，就是通过倾角的大小，可以调整沿着斜面移动物体时 的力的大

小，修建金字塔时，为了向上提升石块，可能也利 用了斜面。将这种斜面缠在圆筒上则是螺旋。至于螺旋何时 由谁发明，现在还不太清楚，据说是人们看到藤状植物缠住 树木，其后树木长大了，被缠绕的部分变细而想出来的。也 有人说是， 人们看到粘土层层卷起树木， 也可以成为螺旋状， 于是从这里得到启发，才发明了螺旋。 上述的杠杆、车轮、滑轮、斜面和螺旋，自古以来被称 为五种简单的机械。即使是今天，这些简单的机械作为机械 技术的基础仍占有极其重要的地位。

二、近代机械发展阶段

十七世纪初期英国的牛顿提出对流换热的牛顿冷却定律纽科门发明大气活塞式蒸汽机取代了萨弗里的蒸汽机功率可达六马力德国的华佗海特先后发明酒精温度计和水银温度计并创立以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的华氏温标 法国的卡米提出齿轮啮合基本定律瑞士的丹尼尔第一??贝努利建立无粘性流体的能量方程—贝努利方程欧拉建立粘性流体的运动方程——欧拉方程英国的哈格里夫斯发明竖式、多锭、手工操作的珍妮纺纱机。 珍妮纺纱机 1769年英国的瓦特取得带有独立的实用凝汽器专利从而完成蒸汽机的发明如图g人类进入了“蒸汽时代”。 1774年英国的威尔金森发明较精密的炮筒镗床见下图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。自此机械的原动力开始以煤炭为主强大的动力带来了一系列需要大推动力

机械的诞生汽车、割穗机、铁船???? 炮筒镗床图 1799年法国的蒙日发表《画法几何》一书使画法几何成为机械制图的投影理论基础。在接下来的一个世纪左右随着材料力学弹性力学流体力学机械力学疲劳力学疲劳强度理论验应力分析方法等理论与方法的提出与完善各种制造机械的机械如龙门刨床见下图卧式铣床见下图木工圆锯机榫槽机和开榫机等的发明给机械的发展注入了催化剂1834年第一台实用电动机诞生电动机进入了实用化阶段人类进入“电力时代”。 龙头刨床 卧式铣床 1838年俄国的雅可比用蓄电池给直流电动机供电以驱动快艇这是首次使用电力传动装置。1847年世界上最早的机械工程学术团体—英国工程师学会成立。1860年法国的勒努瓦制成第一台实用的煤气机也是第一台内燃机。1862年和1865年先后造出中国第一台蒸汽机和第一艘木质蒸汽机船“黄鹊”号。1889年第一届国际计量大会首次正式定义“米”为“在零撮氏度保存在国际计量局的铂铱米尺的两中间刻线间的距离”。世界从此有了更加统一的尺寸。 在这短暂的两个世纪间世界机械的发展聚焦于欧洲在这充满理性的世界里发生了两次工业革命世界机械发生了脱胎换骨的改变

三、现代机械发展阶段

19xx年11月7日当俄国“十月革命”的大旗插在资本主义政府上面时人类历史发生了转折现代史开幕了。 二十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。 泰勒一个原先为美国费拉德尔菲尔机械工厂的工人经过对工

作时间的研究改进了塞兹发明的车床发明了高速钢极大地提高了金属的切削速度随后又发明了一种计算尺使得一个技术熟练的一流机械技师凭十几年的长期经验方能完成的生产量一下子提高了二倍。 为了实现大批量生产从十九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。 千分尺 螺纹 在对管理模式的研究下机械的制造开始走向自动化例如辛辛那提公司制造的液压式平面磨床就是具有自动循环系统而在米尔沃尔基的工厂钻床实现了自动化部件的安装或移动、钻头的转动及进给、工作台的移动等动作均是自动进行的。 随着电子科技的发展机械的自动化程度越来越高。19xx年美国帕森斯公司制成第一台数字控制机床。19xx年美国本迪克斯公司首次在数控铣床上实现最佳适应控制ACO。 数控机床 19xx年美国的福克斯首次提出机构最优化概念。英国莫林斯公司根据威廉森提出的柔性制造系统的基本概念研制出“系统24”。 19xx年日本发那科公司首次展出由4台加工中心和1台工业机器人组成的柔性制造单元。 而这一时期最重要的发明无疑是电脑电脑的出现并运用到生产中使机械的生产效率、精确度提高到了一个前所未有的高度。 计算机 2 世界机械发展的未来趋势 人类自从用机械代替简单工具使手和足的“延长”在更大程度上得到了发展。但是人还以头脑为其独有的特征为了使头脑的功能得以延伸因而产生了控制理论、计算机科学、人工技能科学和信息科学。 现代的机器已经远

远不再是马克思时代定义的“原动机传动机工作机”。而是已经会“自行思考”。随着各种技术的发展未来的机械将会更加智能化。机械的发展将是计算机控制下的机械。计算机不是仅仅用来做计算的机械而且它起着头脑作用不论是什么机械都将发展成为一个机器人。

参 考 文 献 1 孙桓， 陈作模， 葛文杰. 机械原理[M] . 高等教育出版社， 2006， 5（7） ： 1. 2 刘仙洲. 中国机械工程发明史（第一编） [M] . 科学出版社， 1962， 5. 3 温诗铸， 黎明. 机械学发展战略研究[M] . 清华大学出版社， 2003， 1（1） ： 3～4. 4 谢友柏. 现代设计与知识获取[M] . 中国机械工程出版社， 1996， 7（6） ： 36～41. 5 中山 秀太郎著， 石玉良译. 世界机械发展史[M] . 机械工业出版社， 1986，

第二篇：柴油发动原理及发展史机

柴油发动机相关知识

柴油发动机概述

柴油发动机是燃烧柴油来获取能量开释的发动机.它是由德国发明家鲁道夫.狄塞尔(RudolfDiesel)于1892年发明的,为了纪念这位发明家,柴油就是用他的姓Diesel来表示,而柴油发动机也称为狄塞尔发动机.

柴油发动机的优点是功率大、经济功能好.柴油发动机的工作过程与汽油发动机有众多相同的地方,每个工作循环也经历进气、削减、做功、排气四个行程.但由于柴油机用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸发,而其自燃温度却较汽油低,因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同.不同之处重要是,柴油发动机气缸中的混合气是压燃的,而不是点燃的.柴油发动机工作时进入气缸的是空气,气缸中的空气削减到尽头时,温度在500-700℃,压力40m50个大气压.活塞接近上止点时,发动机上的高压泵以高压向气缸中喷射柴油,柴油形成细微的油粒,与高压高温的空气混合,柴油混合气自行燃烧,猛烈膨胀,产生爆发力,推动活塞下行做功.此时的温度可1900-2000oC,压力可达60-100个大气压,功率很大,所以,柴油发动机广泛的应用于大型柴油汽车上. 而柴油机在节能与二氧化碳排放方面的优势,则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的,因此,优秀的小型高速柴油发动机,其排放曾经达到欧洲III号的标准,成为"绿

色发动机",目前曾经成为欧美众多新轿车的动力装置. 柴油发动机历史

19xx年,德国的狄塞尔发明柴油机;

19xx年,德国大众首先在高尔夫轿车上采用柴油发动机; 19xx年,德国大众高尔夫柴油车获得"低排放车"的称号;

19xx年,德国大众首次推出增压、直喷柴油机,德国大众在柴油动力技术的开发和应用上一直走在世界的前沿;

19xx年,开发出四缸涡轮增压直喷柴油发动机(TDI);

19xx年,开发出自然吸气式直喷(SDI)柴油发动机;

19xx年,开发出变截面涡轮增压器;

19xx年,开发出泵喷嘴技术;

19xx年,开发出3升路波轿车柴油动力是未来的主流技术.未来的柴油动力将创造一个光辉灿烂的新经济时代,德国大众一升轿车的出生令全部世界震惊,这种柴油概念轿车的百公里油耗落实了创记录的0.99升----世界上最省油的轿车.发动机采用铝制自然吸气式单缸柴油机,采用了优秀的高压直接喷射技术,排量为0.3升;

20xx年,一汽-大众率先将捷达SDI轿车投放中国市场;

20xx年,一汽-大众引入TDI技术,领路中国汽车新动力时代. 柴油发动机的发明者

柴油用英文表示为Diesel,这是为了纪念柴油发动机的发明者――鲁道夫.狄塞尔(RudolfDiesel).

狄塞尔生于1858年,德国人,毕业于墨尼黑工业大学.1879年,狄塞尔大学毕业,当上了一名冷藏专业工程师.在工作中狄塞尔深感当时的蒸气机效率极低,萌发了设计新款发动机的念头.在积蓄了一些资金后,狄塞尔辞去了制冷工程师的职务,自己开办了一家发动机实验室.

针对蒸汽机效率低的弱点,狄塞尔专注于开发高效率的内燃机.19世纪末,石油产品在欧洲极为罕见,于是狄塞尔决定录取植物油来解决机器的燃料问题(他用于实验的是花生油).因为植物油点火功能不佳,无法套用奥托内燃机的结构.狄塞尔决定另起炉灶,提高内燃机的削减比,利用削减产生的高温高压点燃油料.后来,这种压燃式发动机循环便被称为狄塞尔循环.

像所有奇伟的发明家一样,狄塞尔的前进道路上困难重重.实验证明,植物油燃烧不稳定,成本也太高,难以承担狄塞尔的"重任".好在当时石油制品在欧洲逐渐普及,狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分燃油mmm柴油作为机器的燃料.压燃式发动机的结构强度始终是个难题.一次实验中,汽缸上的零件象炮弹碎片一样四处飞散,差点儿造成人员伤亡.实验不顺利,狄塞尔的资金也渐渐耗尽.他不得不回到制冷机工厂谋生.但狄塞尔没有向困难屈服,他利用业余光阴延续实验,一步步完善自己的机器.

1892年,狄塞尔终于研发出一台实用的柴油动力压燃式发动

机.这种发动机功率大,油耗低,可使用劣质燃油,显现出灿烂的发展前景.狄塞尔随即投入到柴油机出产的商业冒险中.不幸的是,作为优秀的工程师,狄塞尔缺乏商业头脑.他在经济上渐渐陷入困境.19xx年狄塞尔已处于破产的边缘.这一年夏天,狄塞尔在乘坐英吉利海峡的渡轮时,突然失踪,据认为是投海自杀.但狄塞尔发明的柴油机,在汽车、船舶和全部工业领域得到越来越广泛的发展

柴油机特点

传统柴油发动机的特点:热效率和经济性较好,柴油机采用削减空气的办法提高空气温度,使空气温度超过柴油的自燃燃点,这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的一起自己点火燃烧.因此,柴油发动机无需点火系.一起,柴油机的供油系统也相对简单,因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好.由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要,柴油机削减比很高.热效率和经济性都要好于汽油机,一起在相同功率的情况下,柴油机的扭矩大,最大功率时的转速低,适合于载货汽车的使用.

但柴油机由于工作压力大,要求各有关零件拥有较高的结构强度和刚度,所以柴油机比较笨重,体积较大;柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高,所以成本较高;另外,柴油机工作粗暴,振动噪声大;柴油不易蒸发,冬季冷车时起动困难.

由于上述特点,从前柴油发动机一般用于大、中型载重货车

上.小型高速柴油发动机的新发展:排放曾经达到欧洲III号的标准.传统上,柴油发动机由于比较笨重,升功率指标不如汽油机(转速较低),噪声、振动较高,炭烟与颗粒(PM)排放比较严重,所以一直以来很少受到轿车的青睐.但随着近年来柴油机技术的进步,特别是小型高速柴油发动机的新发展,一批优秀的技术,例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用,使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决,而柴油机在节能与CO2排放方面的优势,则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的,因此,优秀的小型高速柴油发动机,其排放曾经达到欧洲III号的标准,成为"绿色发动机",目前曾经成为欧美众多新轿车的动力装置,可以预见,我国将出现越来越多的柴油轿车. 柴油机与汽油机的区别

汽油发动机一般将汽油喷入进气管同空气混合成为可燃混合气再进入汽缸,经火花塞点火燃烧膨胀作功.人们通常称它为点燃式发动机.

而柴油机一般是通过喷油泵和喷油咀将柴油直接喷入发动机气缸,和在气缸内经削减后的空气匀称混合,在高温、高压下自燃,推动活塞作功.人们把这种发动机通常称之为压燃式发动机.

汽油机汽车拥有转速高(轿车用汽油机转速可高达5000m6000转/分,货车用汽油机达4000转/分左右)质量轻、

工作时噪声小、起动简便、制造和维修开销低等特点,故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用.其不足之处是燃油消耗较高,所以燃油经济性较差.

柴油机汽车因削减比高,燃油消耗平均比汽油机汽车低30%左右,所以燃油经济性较好.如最近上市的一汽大众出产的TDI1.7升柴油轿车比1.6升汽油轿车每百公里可节约2升油.一般货车大都采用柴油机.

柴油机的弱点是转速较汽油机低(一般最高转速在2500m3000转/分左右)、质量大、制造和维修开销高(因为喷油泵和喷油器加工精度要求高).但目前柴油机的这些弱点正在逐渐得到克服,它的应用范围正在向中、轻型货车扩展.国外柴油轿车也有很快的发展,其最高转速可达5000转/分. 通常,柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%,所以从节约能源、降低燃料成本角度上讲,柴油发动机轿车的推广使用拥有重大意义.柴油发动机与汽油发动机相比拥有功率大,寿命长,动力功能好的特点,它排放产生的温室效应比汽油低45%,一氧化碳与碳氢排放也低,在整车的使用寿命期氮氧化合物排放略大于汽油机.柴油机的不足之处是有害颗粒物排放大.近年来,柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等优秀技术,柴油发动机汽车的排放已达到欧III、欧IV排放标准.在欧洲,柴油轿车比较普及,随着环保与节能可持续发展的严格要求,今后汽车,特别是

柴油小轿车将是一个发展趋势.目前我国一汽大众曾经开发出捷达、宝来柴油轿车,并已在国内部分城市上市.

汽车在定然的使用条件下,以最小的燃料消耗量完成单位运输工作的能力称为汽车的燃料经济性.汽车燃料经济性是汽车的重要使用功能之一.通常,燃料的消耗开销占到汽车运行开销的37%左右.影响汽车燃料经济性的重要因素有:从汽车本身讲,首先要提高发动机的热效率、进气效率和降低摩擦损失.其次要减少车身重量,减少空气阻力,减少车轮的滚动阻力.第三,提高传动效率,合理匹配变速比.从使用方面讲,不同等级的路面跑起来耗油不同.交通拥挤、堵塞严重的状况与畅达行驶的耗油完全不同.风、雨、气候变化对汽车的耗油量都有影响.操纵者的技术对耗油水平也有很重要的作用.影响汽车燃料油经济性的因素十分多,其中最重要的还是汽车发动机本身.

柴油发动机的工作原理

柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的,每个工作循环也经历进气、削减、作功、排气四个行程.但由于柴油机用的燃料是柴油,其粘度比汽油大,不易蒸发,而其自燃温度却较汽油低,因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同.

柴油机在进气行程中吸入的是纯空气.在削减行程接近终了时,柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上,通过喷油器喷入

气缸,在很短光阴内与削减后的高温空气混合,形成可燃混合气.由于柴油机削减比高(一般为16-22),所以削减终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa,一起温度高达750-1000K(而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa,温度达600-700K),大大超过柴油的自燃温度.因此柴油在喷入气缸后,在很短光阴内与空气混合后便立即自行发火燃烧.气缸内的气压急速上升到6-9MPa,温度也升到2000-2500K.在高压气体推动下,活塞向下运动并带领曲轴回旋而作功,废气同样经排气管排入大气中.

普通柴油机的是由发动机凸轮轴驱动,借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室.这种供油方式要随发动机转速的变化而变化,做不到各种转速下的最佳供油量.而现在曾经愈来愈普遍采用的电控柴油机的共轨喷射式系统可以较好解决了这个问题.

共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元(ECU)和一些管道压力传感器组成,系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连,公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用.工作时,高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管,高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作,对公共供油管内的油压落实精确控制,彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象.其重要特点有以下三个方面:

1、喷油正时与燃油计量完全分开,喷油压力和喷油过程由ECU适时控制.

2、可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力,喷油始点、持续光阴,从而追求喷油的最佳控制点.

3、能落实很高的喷油压力,并能落实柴油的预喷射.

相比起汽油机,柴油机拥有燃油消耗率低(平均比汽油机低30%),而且柴油价格较低,所以燃油经济性较好;一起柴油机的转速一般比汽油机来得低,扭距要比汽油机大,但其质量大、工作时噪音大,制造和维护开销高,一起排放也比汽油机差.但随着现代技术的发展,柴油机的这些缺点正逐渐的被克服,现在的不是高级轿车都曾经开始使用柴油发动机了. 柴油发动机的分类

按用途

工程机械配套柴油发动机

农用机械配套柴油发动机

井下设施配套柴油发动机

车辆配套柴油发动机

叉车配套柴油发动机

削减机配套柴油发动机

发电机组,焊机,泵配套柴油发动机

船机配套柴油发动机

按排量缸数

2 、 3 、 4 、5 、 6 、 8 、 10 、 12 缸

柴油发动机燃料使用指南---柴油

根据国标(GB252m87),轻柴油规格按凝点分为10、0、-10、-20、-35和-50六个牌号,分别表示凝点不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃;牌号越高,凝点越低.

柴油是应用于压燃式发动机(即柴油发动机)的专用燃料.柴油的外观为水白色、浅黄色或棕褐色的液体.柴油又分为轻柴油与重柴油二种.轻柴油是用于1000r/min以上的高速柴油机中的燃料,重柴油是用于1000r/min以下的中低速柴油机中的燃料. 一般加油站所销售的柴油均为轻柴油.轻柴油产品目前执行的标准为GB 252-2000 《轻柴油》标准,该标准中柴油的牌号分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号,柴油的牌号划分依据是柴油的凝固点.

冷滤点是权衡轻柴油低温功能的重要指标,能够反映柴油低温实际使用功能,最接近柴油的实际起码使用温度.用户在录取柴油牌号时,应一起兼顾本地气温和柴油牌号对应的冷滤点.5号轻柴油的冷滤点为8℃,0号轻柴油的冷滤点为4℃,-10号轻柴油的冷滤点为-5℃,-20号轻柴油的冷滤点为-14℃.

如何录取轻柴油的牌号

根据GB 252-2000标准要求,录取轻柴油牌号应遵照以下原则:

1、10号轻柴油适用于有预热设施的柴油机;

2、5号轻柴油适用于风险率为10%的起码气温在8℃以上的地区使用;

3、0号轻柴油适用于风险率为10%的起码气温在4℃以上的地区使用;

4、-10号轻柴油适用于风险率为10%的起码气温在-5℃以上的地区使用;

5、-20号轻柴油适用于风险率为10%的起码气温在-14℃以上的地区使用;

6、-35号轻柴油适用于风险率为10%的起码气温在-29℃以上的地区使用;