机械设计基础

本书从非机械类专业对现代机械设计中机构设计与选型及常用零部件设计与计算方面的知识要求入手，加强工程设计和实践内容，注重设计技能的基本训练，拓宽学生的知识面，全面提高学生的综合素质。

本书从机械系统设计的总体要求、材料特性、机构工作原理、传动零部件设计、连接零部件设计、轴系零部件设计及减速器课程设计等方面详细阐述了机械设计的一般规律和思路、设计的基本知识、基本理论和设计方法。

本书在内容编排上，遵从由浅入深的认识规律，注意共性与特性的分析，将涉及内容和设计方法有机地融合，加强了结构设计的训练，从而使学生在掌握课程核心内容的同时，提高设计能力。

前 言

“机械设计基础”是一门介绍机械设计的基本知识、基本理论和基本方法的重要专业基础课程。本书针对“十二五”科学技术的发展规划要求，现代机电产品设计中对具有创新精神人才的需要，为适应能源、动力、交通、材料、自动控制、生物化工、信息工程、光电、环境、石油、土建、轻纺、食品工业等非机械类专业对现代机械设计中机构设计与选型及常用零部件设计与计算方面的知识要求，从提高学生的创新设计能力入手，加强工程设计和实践内容，注重设计技能的基本训练，由专业教育转向通识教育，拓宽学生的知识面，全面提高学生的综合素质。

本书在教学体系与内容上进行系统改革，从整个机械系统下手，着重培养学生的创新设计能力，提高学生的独立工作和解决实际问题的能力。在内容编排上，遵从由浅入深的认识规律，采取突出重点、照顾知识面的原则，注意共性与特性的分析，将涉及内容和设计方法有机地融合，加强结构设计的训练，从而使学生既能掌握本课程的核心内容，又有利于培养学生的创新意识和工程设计能力。同时，本书在文字叙述上力求简明扼要、通俗易懂，以适应各专业学生对本课程学习的需要。

本书由田亚平、李爱姣担任主编。绪论和第1～7章由李爱姣编写，第10章和第16章由汪诤编写，其余部分由田亚平编写。在本书的编写过程中，兰州交通大学机电工程学院机械设计系的赵军、牛卫中、刘艳妍、洪涛、边红丽、潘丽华、张强、石慧荣老师给予了热情鼓励与大力支持，并对本书提出了许多宝贵的意见和建议。甘肃省经济学校的康军凤老师对书中的文字和公式进行了详细校正。在出版过程中，中国水利水电出版社的领导和编辑给予了很大支持与帮助，并付出了辛勤劳动，编者在此向他们表示诚挚的谢意！

本书由兰州交通大学机电工程学院院长石广田教授审阅，在此致以衷心的感谢。

限于编者水平，书中错误和不当之处在所难免，恳请各位专家和广大读者批评指正。

编 者

2014年12月

前言
第一篇 机械设计总论

绪论 1
§0-1 本课程研究的对象和内容 1
一、机器 1
二、机构 2
三、构件、零件和部件 3
四、机器的组成 3
§0-2 本课程的性质和任务 5
一、本课程的性质和任务 5
二、本课程的学习方法 5
习题 5
第1章 机械设计的基础知识 6
§1-1 机械设计的基本要求和一般程序 6
一、机械设计的基本要求 6
二、机械设计的一般程序 6
§1-2 机械零件的设计准则及设计步骤 7
一、机械零件的主要失效形式 8
二、机械零件的设计准则 8
三、机械零件的设计步骤 12
§1-3 机械零件的常用材料及其选择 12
一、机械零件的常用材料 12
二、钢的热处理 17
三、机械零件材料的选择原则 18
§1-4 机械零件的工艺性和标准化 19
一、机械零件的工艺性 19
二、机械零件设计中的标准化 20
习题 20

第二篇 常用机构设计

第2章 平面机构的结构分析 21
§2-1 平面机构的组成 21
一、运动副及其分类 21
二、平面机构的组成 23
§2-2 平面机构的运动简图 23
一、平面机构运动简图的定义 23
二、机构运动简图中的常用符号 23
三、机构运动简图的绘制 24
§2-3 平面机构的自由度 26
一、平面机构的自由度计算公式 26
二、机构具有确定运动的条件 26
三、计算平面机构自由度时要注意的问题 27
习题 31
第3章 平面连杆机构 32
§3-1 平面连杆机构及其传动特点 32
§3-2 平面四杆机构的基本形式及其应用 32
一、曲柄摇杆机构 33
二、双曲柄机构 33
三、双摇杆机构 34
§3-3 平面四杆机构的演化 35
一、改变相对杆长、转动副演化为移动副 35
二、改变构件的形状和相对尺寸 36
三、选取不同构件为机架 37
§3-4 平面四杆机构有曲柄的条件及
运动特性 40
一、平面四杆机构有曲柄的条件 40
二、急回特性 41
三、死点 42
*§3-5 平面四杆机构设计简介 44
一、平面四杆机构设计的基本问题 44
二、图解法设计四杆机构 44
三、解析法设计四杆机构 46
四、实验法设计四杆机构 47
习题 48
第4章 凸轮机构 50
§4-1 凸轮机构的应用和分类 50
一、凸轮机构的应用 50
二、凸轮机构的分类 51
三、凸轮机构的特点 53
§4-2 从动件的常用运动规律 53
一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语 53
二、从动件常用的运动规律 54
§4-3 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 56
一、凸轮轮廓曲线的设计原理 56
二、直动从动件盘形凸轮轮廓线的绘制 57
三、摆动从动件盘形凸轮轮廓线的绘制 59
*§4-4 设计凸轮机构应注意的问题 60
一、合理选择滚子的半径 60
二、基圆对凸轮机构的影响 61
习题 61
第5章 齿轮机构和轮系 63
§5-1 齿轮机构的特点及类型 63
一、齿轮机构的特点 63
二、齿轮机构的类型 63
*§5-2 齿廓啮合的基本定律 64
§5-3 渐开线及渐开线齿轮 65
一、渐开线的形成及其特性 65
二、渐开线齿轮的啮合特点 66
§5-4 渐开线标准齿轮的基本参数及
几何尺寸 67
一、齿轮各部分的名称和符号 67
二、渐开线齿轮的基本参数 68
三、标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸 69
§5-5 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 70
一、渐开线齿轮的正确啮合条件 70
二、齿轮连续传动的条件及重合度 71
§5-6 渐开线齿廓的切制原理和根切现象 72
一、轮齿的切削加工方法 72
二、根切现象及避免根切的方法 75
§5-7 斜齿圆柱齿轮机构 76
一、斜齿圆柱齿轮齿廓的形成及啮合特点 76
二、斜齿圆柱齿轮的基本参数和几何
尺寸计算 77
三、斜齿圆柱齿轮的啮合传动 79
四、斜齿圆柱齿轮的当量齿轮和当量齿数 80
五、斜齿轮传动的优缺点 80
§5-8 直齿锥齿轮机构 81
一、直齿锥齿轮齿廓的形成 82
二、直齿锥齿轮的背锥和当量齿数 82
三、直齿锥齿轮的几何尺寸计算 83
§5-9 蜗杆蜗轮机构 84
一、蜗杆传动的特点及其类型 84
二、蜗杆蜗轮的正确啮合条件 85
三、蜗杆传动的主要参数及几何尺寸 85
四、蜗杆传动的几何尺寸计算 87
§5-10 轮系的分类 87
一、定轴轮系 88
二、周转轮系 88
三、复合轮系 89
§5-11 轮系传动比的计算 89
一、定轴轮系的传动比 89
*二、周转轮系的传动比 91
§5-12 轮系的功用 93
一、获得大的传动比 93
二、实现远距离传动 93
三、实现变速换向传动 93
四、实现运动的合成与分解 94
五、实现分路传动 95
习题 96
第6章 间歇运动机构 98
§6-1 槽轮机构 98
一、槽轮机构的结构和工作原理 98
二、槽轮机构的类型、特点及应用 99
§6-2 棘轮机构 99
一、棘轮机构的结构和工作原理 99
二、棘轮机构的类型、特点 100
三、棘轮机构的应用 101
§6-3 不完全齿轮机构 102
§6-4 凸轮间歇运动机构 102
一、圆柱凸轮式间歇运动机构 103
二、蜗杆凸轮式间歇运动机构 103
习题 103
第7章 机械的平衡与调速 104
§7-1 机械的平衡 104
一、机械平衡的目的 104
二、转子的静平衡 104
三、转子的动平衡 105
§7-2 机械的运转及速度波动 106
一、机械的运转过程 106
二、调节机械速度波动的目的与方法 107
三、飞轮设计的基本原理 108
习题 110

第三篇 机械传动

第8章 带传动和链传动 111
§8-1 带传动的特点及应用 111
一、带的工作原理和特点 111
二、带传动的主要形式 112
三、带的类型和结构 112
§8-2 带传动工作情况分析 114
一、带传动的受力分析 114
二、带的应力分析 115
三、带的弹性滑动 116
§8-3 普通Ｖ带传动的设计计算 117
一、设计准则和单根V带的基本额定
功率 117
二、V带传动的设计步骤及方法 119
§8-4 V带轮设计 122
一、V带轮设计的要求和材料 122
二、带轮结构与尺寸 122
§8-5 V带传动的张紧装置 123
一、张紧力 123
二、张紧装置 124
三、带传动的维护 124
§8-6 链传动的特点及应用 126
§8-7 传动链的结构特点 127
一、链的种类和结构 127
二、链轮 129
§8-8 链传动的主要参数及其选择 130
§8-9 滚子链传动的计算 131
一、链传动的失效形式 131
二、链传动的额定功率和润滑方式 131
三、链传动的设计过程 133
§8-10 链传动的布置、张紧和润滑 133
一、链传动的布置和张紧 133
二、链传动的润滑和维护 134
习题 135
第9章 齿轮传动设计 137
§9-1 齿轮传动的失效形式及设计准则 137
一、齿轮传动的概述 137
二、齿轮的主要失效形式 137
三、齿轮的设计准则 139
§9-2 齿轮的材料和精度及其选择 139
一、齿轮常用的材料 139
二、齿轮材料的选择原则 140
三、齿轮传动精度的选择 141
§9-3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 142
一、齿轮受力分析 142
二、计算载荷 142
三、齿根弯曲疲劳强度计算 143
四、齿面接触疲劳强度计算 145
五、齿轮传动强度计算说明 146
§9-4 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 148
一、作用力分析 148
二、齿面接触疲劳强度计算 148
三、轮齿的弯曲疲劳强度计算 149
§9-5 直齿锥齿轮传动的强度计算 151
一、直齿锥齿轮作用力的分析 151
二、直齿锥齿轮轮齿表面的接触疲劳强度
计算 152
三、直齿锥齿轮轮齿的弯曲疲劳强度
计算 153
§9-6 齿轮传动的润滑和结构设计 154
一、齿轮传动的润滑设计 154
二、齿轮的结构设计 155
习题 157
第10章 蜗杆传动 158
§10-1 普通蜗杆传动的承载能力计算 158
一、蜗杆传动类型概述 158
二、蜗杆传动的失效形式、设计准则及
常用材料 158
三、蜗杆传动的受力分析 159
四、蜗轮轮齿表面的强度计算 160
五、普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其
选择 161
§10-2 普通蜗杆传动的效率、润滑及热
平衡计算 162
一、蜗杆传动的效率 162
二、蜗杆传动的润滑 162
三、蜗杆传动的热平衡计算 163
§10-3 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计 164
习题 167

第四篇 机械连接

第11章 螺纹连接 168
§11-1 螺纹的基本参数 168
一、螺纹的形成及分类 168
二、螺纹的主要参数 169
§11-2 螺纹连接的类型和标准连接件 170
一、螺纹连接的类型 170
二、标准螺纹连接件 172
§11-3 螺旋副中力的关系、效率和自锁 173
§11-4 螺纹连接的预紧和防松 174
一、螺栓的预紧 174
二、螺纹连接的防松 175
§11-5 螺栓连接的强度计算 176
一、松螺栓连接的强度计算 177
二、紧螺栓连接的强度计算 177
§11-6 螺纹连接件的材料及许用应力 181
一、螺纹连接件的材料 181
二、螺纹连接件的许用应力 182
§11-7 螺纹连接件的尺寸参数 183
习题 188
第12章 轮毂连接 190
§12-1 键连接 190
一、键连接的功能、分类、结构形式及
应用 190
二、键的选择和键连接的强度计算 192
§12-2 花键连接 193
§12-3 无键连接和销连接 194
一、型面连接 194
二、胀紧连接 194
三、销连接 195
习题 195

第五篇 轴承及轴系零部件

第13章 轴承 196
§13-1 概述 196
§13-2 滑动轴承的主要结构形式 197
一、向心滑动轴承的结构 197
二、推力滑动轴承的结构 198
§13-3 滑动轴承的失效形式、常用材料 198
一、滑动轴承的主要失效形式 198
二、滑动轴承材料 199
§13-4 滑动轴承润滑剂和润滑装置 200
一、常用的润滑剂 200
二、常用的润滑装置 201
§13-5 非全液体摩擦滑动轴承的计算 203
一、向心轴承 203
二、推力滑动轴承 204
§13-6 滚动轴承的结构 204
§13-7 滚动轴承的主要类型及其代号 206
一、基本代号 206
二、前置代号 207
三、后置代号 207
§13-8 滚动轴承的类型选择 208
一、滚动轴承的主要类型及特点 208
二、滚动轴承的类型选择 209
§13-9 滚动轴承尺寸的选择 209
一、滚动轴承的失效形式 209
二、滚动轴承的基本额定寿命和基本额定
动载荷 210
三、滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式 210
四、滚动轴承的当量动载荷 211
五、角接触轴承轴向载荷的计算 212
六、滚动轴承的静载荷计算 213
§13-10 滚动轴承的组合设计 214
一、轴承的配置和固定 214
二、滚动轴承组合的调整 216
三、滚动轴承的配合与拆装 216
四、滚动轴承的润滑与密封 218
§13-11 滚动轴承的标准 219
习题 223
第14章 联轴器、离合器、制动器 225
§14-1 联轴器及其选择 225
一、联轴器的功用 225
二、联轴器的分类 225
三、常用联轴器的结构和特点 226
四、联轴器类型的选择原则 228
五、联轴器型号、尺寸的确定 228
§14-2 离合器 229
一、离合器的分类 229
二、常见的离合器 229
§14-3 制动器 231
一、制动器的功用 231
二、常用制动器的结构和特点 231
习题 232
第15章 轴 233
§15-1 概述 233
§15-2 轴的材料和结构 234
一、轴的材料 234
二、轴的结构 235
三、各轴段直径和长度的确定 237
§15-3 轴的计算 237
一、轴的强度校核计算 237
二、轴的刚度计算 243
习题 243


第六篇 机械设计实例

第16章 减速器设计 245
§16-1 减速器的类型及结构 245
一、减速器的类型 245
二、减速器的结构 246
§16-2 减速器的常用附件 248
§16-3 减速器课程设计的内容和要求 248
一、减速器课程设计的目的 248
二、减速器设计的内容和任务 249
三、设计数据 250
§16-4 单级圆柱齿轮减速器样图 250
一、圆柱齿轮样图 250
二、转轴样图 251
三、装配图样图 252
参考文献 254

1. 嵌入式人工智能技术应用（数字教材） [主编 胡娜 杨国勇 晏廷荣]
2. Java Web项目化设计实践教程 [邱云 曾陈萍]
3. 人工智能开发框架应用 [主编 王明超 芦娅云]
4. 民航客舱服务实用英语教程 [主编 田静 徐亚玲]
5. Python数据分析 [主编　冯志辉　赵磊　李放]
6. 大学信息技术 [曾翰颖 编著]
7. 多维视域下的高校篮球教学创新研究 [张利超 李宁 著]
8. 创新创业训练实践教程 [主编 王日华 陈武 黄喆诚]
9. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
10. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
11. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
12. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
13. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
14. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
15. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
16. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
17. 电工电子技术基础 [主编 刘 军 杨国龙 刘天成]
18. MySQL数据库项目式教程 [陈亚峰]
19. 机械设计基础（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
20. 画法几何与机械制图 [主编 赵军]
21. C语言程序设计习题与实验指导（第二版） [主编 甄增荣 张宾]
22. C语言程序设计（第二版） [主编 甄增荣 田云霞]
23. Unity3D虚拟现实应用开发实践 [主 编 刘龙]
24. 智能化技术基础（第三版） [邓文达　李礼]
25. 面向对象程序设计 [主编 张勇 张平华 赵小龙]
26. 网络营销 [主编 夏薇薇 刘婷 尚洁]
27. 电视节目策划与制作（微课版） [主　编　黄滴滴]
28. 数据库技术与应用实践教程（SQL Server 2019） [主 编 严晖 周肆清]
29. 大学应用数学 [主编 郭立娟]
30. 工业机器人拆装与调试 [主编 胡月霞 向艳芳 朱奇]