機械設計基礎

本書的主要內容包括機械運動與動力設計、機械精度設計、機械工作能力與結構設計三篇內容。其中第一篇主要包括典型機構的運動分析、設計與工作綜合應用、機器運動速度波動調節與迴轉件平衡；第二篇主要包括光滑圓柱表面的公差與配合、形狀和位置公差、表面粗糙度、圓柱齒輪傳動公差、典型零件的公差選用與標註實例；第三篇主要包括連接件的設計與應用、機械傳動及總體方案分析與工程應用、聯軸器與離合器的選用、彈簧的設計等內容。

目 錄

緒論1

課程的性質、地位、研究對象和任務1

課程研究的主要內容4

機械設計的基本要求和一般進程6

習題7

第一篇 機構運動與動力設計

第1章 平面機構運動簡圖及其自由度10

1.1 平面機構的運動副及其分類10

1.1.1 運動副的定義10

1.1.2 運動副的分類10

1.2 平面機構的組成及其運動簡圖的繪製11

1.2.1 機構的組成11

1.2.2 機構運動簡圖的繪製12

1.3 平面機構的自由度14

1.3.1 平面機構自由度計算公式14

1.3.2 機構具有確定運動的條件14

1.3.3 機構自由度計算注意事項15

1.4 速度瞬心及其應用16

1.4.1 速度瞬心及其求法17

1.4.2 速度瞬心的應用18

小結19

習題19

第2章 平面連桿機構23

2.1 鉸鏈四桿機構的基本形式23

2.1.1 曲柄搖桿機構24

2.1.2 雙曲柄機構24

2.1.3 雙搖桿機構26

2.2 鉸鏈四桿機構曲柄存在條件26

2.3 鉸鏈四桿機構的傳動特性27

2.3.1 急回特性及其應用27

2.3.2 壓力角與傳動角的概念29

2.3.3 死點30

2.4 鉸鏈四桿機構演化31

2.4.1 轉動副轉化成移動副31

2.4.2 擴大轉動副32

2.4.3 取不同的構件為機架32

2.5 四桿機構的設計與工程應用34

2.5.1 四桿機構的設計34

2.5.2 平面連桿機構的工程應用38

小結40

習題40

第3章 凸輪機構45

3.1 凸輪機構的類型和應用45

3.1.1 凸輪機構的組成和工程應用45

3.1.2 凸輪機構的類型47

3.2 從動件常用運動規律49

3.2.1 等速運動50

3.2.2 等加速等減速運動50

3.2.3 餘弦加速度運動51

3.2.4 正弦加速度運動52

3.3 凸輪機構壓力角52

3.3.1 凸輪機構壓力角與作用力52

3.3.2 凸輪機構壓力角與基圓半徑的關係53

3.4 凸輪輪廓設計與工程應用54

3.4.1 圖解法55

3.4.2 解析法58

3.4.3 工程應用實例60

小結62

習題62

第4章 齒輪機構66

4.1 齒輪機構的組成和分類66

4.1.1 齒輪機構的組成66

4.1.2 齒輪機構的分類67

4.2 齒廓嚙合基本定律及漸開線齒形69

4.2.1 齒廓嚙合基本定律69

4.2.2 漸開線齒廓70

4.3 漸開線直齒圓柱齒輪各部分名稱及

尺寸71

4.3.1 漸開線直齒圓柱齒輪各部分名稱和基本參數71

4.3.2 漸開線直齒圓柱齒輪的尺寸

計算74

4.4 漸開線標準齒輪的嚙合75

4.4.1 正確嚙合條件76

4.4.2 標準中心距和重合度76

4.5 漸開線齒輪的切齒原理79

4.5.1 仿形法79

4.5.2 范成法80

4.6 漸開線直齒圓柱齒輪的根切、最少齒數和變位81

4.6.1 根切和最少齒數81

4.6.2 齒輪的變位及其特點82

4.7 平行軸斜齒圓柱齒輪傳動83

4.7.1 齒面的形成和幾何尺寸計算83

4.7.2 平行軸斜齒圓柱齒輪的嚙合傳動86

4.7.3 當量齒數計算87

4.7.4 斜齒圓柱齒輪的優缺點88

4.8 直齒圓錐齒輪機構88

4.8.1 特點及應用88

4.8.2 齒廓曲線、背錐和當量齒數89

4.8.3 直齒圓錐齒輪的基本參數及幾何尺寸計算90

4.8.4 正確嚙合條件92

4.9 蝸桿機構92

4.9.1 蝸桿傳動的特點和類型92

4.9.2 主要參數和幾何尺寸計算93

4.9.3 蝸桿轉向與蝸輪轉向的判定96

4.10 齒輪機構綜合應用96

4.10.1 綜合應用實例一96

4.10.2 綜合應用實例二97

小結98

習題99

第5章 輪系102

5.1 概述102

5.1.1 工程問題索引102

5.1.2 輪系的分類103

5.2 定軸輪系103

5.2.1 平面定軸輪系傳動比的計算103

5.2.2 空間定軸輪系傳動比的計算104

5.3 周轉輪系105

5.3.1 周轉輪系的分類105

5.3.2 周轉輪系傳動比計算106

5.3.3 複合輪系傳動比的計算107

5.4 輪系的應用109

5.4.1 實現分路傳動109

5.4.2 實現換向傳動109

5.4.3 實現變速傳動110

5.4.4 實現大傳動比110

5.4.5 實現運動分解與合成110

小結112

習題112

第6章 其他常用機構及其應用114

6.1 萬向聯軸節114

6.1.1 單萬向聯軸節114

6.1.2 雙萬向聯軸節115

6.2 螺旋機構及其應用115

6.2.1 螺旋機構工作原理及類型115

6.2.2 螺旋機構的功能及應用116

6.3 間歇運動機構117

6.3.1 棘輪機構及其應用117

6.3.2 槽輪機構及其應用119

6.3.3 不完全齒機構及其應用120

小結121

習題121

第7章 機械的運轉及其速度波動的調節122

7.1 概述122

7.1.1 機器運轉及其速度波動調節的

目的122

7.1.2 機械運轉的三個階段122

7.2 機器速度波動的調節方法123

7.2.1 周期性速度波動的調節方法124

7.2.2 非周期性速度波動的調節方法124

7.3 飛輪設計125

7.3.1 飛輪的設計原理125

7.3.2 飛輪尺寸的確定128

小結130

習題130

第8章 迴轉件的平衡132

8.1 迴轉件平衡的目的132

8.2 迴轉件的平衡計算132

8.2.1 質量分佈在同一迴轉面內133

8.2.2 質量分佈不在同一迴轉面內135

8.3 迴轉件的平衡實驗法136

8.3.1 靜平衡及其應用137

8.3.2 動平衡及其應用137

小結138

習題138

第二篇 機械精度設計

第9章 光滑圓柱表面的公差與配合142

9.1 公差與配合的基本術語142

9.1.1 公差術語及其定義142

9.1.2 配合的術語及其定義145

9.2 公差與配合的基本規定147

9.2.1 標準公差147

9.2.2 基本偏差149

9.2.3 基準制150

9.2.4 公差帶151

9.2.5 配合153

9.2.6 未注公差尺寸的極限偏差153

9.3 公差與配合標準的選用153

9.3.1 公差等級的選擇153

9.3.2 基準制的選擇154

9.3.3 配合的選擇155

小結156

第10章 幾何公差157

10.1 基本概念157

10.1.1 幾何公差的符號及代號157

10.1.2 零件的幾何要素158

10.2 幾何誤差和幾何公差159

10.2.1 基本術語及其定義159

10.2.2 形狀公差160

10.2.3 位置公差162

10.3 幾何公差的標註166

小結168

第11章 表面粗糙度169

11.1 表面粗糙度的評定標準169

11.1.1 評定表面粗糙度的基本規定169

11.1.2 表面粗糙度的評定參數170

11.1.3 評定參數和有關長度的數值172

11.2 表面粗糙度的標註及選用173

11.2.1 表面粗糙度的基本符號及標註173

11.2.2 表面粗糙度的選用174

小結174

第12章 圓柱齒輪傳動公差175

12.1 對齒輪傳動公差的基本要求175

12.2 齒輪、齒輪副誤差及側隙的評定指標176

12.2.1 齒距精度176

12.2.2 齒廓精度177

12.2.3 齒向精度178

12.2.4 綜合精度178

12.2.5 齒輪副的安裝精度180

12.2.6 齒輪副的配合180

12.2.7 其他檢驗項目182

12.3 齒輪精度及公差標準184

小結185

第13章 典型零件的公差選用與標註

實例186

小結188

第三篇 機械工作能力與結構設計

第14章 機械創新設計方法190

14.1 機器的功能結構與系統組成190

14.1.1 機器的功能結構分析190

14.1.2 機器的系統組成191

14.2 機械設計的一般方法和約束分析193

14.2.1 機械設計的一般方法193

14.2.2 機械設計的約束分析195

14.3 機械設計的經濟分析與社會環境196

14.3.1 機械設計的經濟分析196

14.3.2 機械設計的社會環境198

14.4 機械系統創新設計及總體方案設計198

14.4.1 機械系統創新思維和技法198

14.4.2 機械系統總體方案設計原則與實例201

小結207

習題207

第15章 機械零件結構工藝性設計208

15.1 概述208

15.1.1 零件結構工藝性的概念208

15.1.2 零件的結構工藝性的基本問題209

15.1.3 零件結構工藝性的基本要求209

15.2 零件結構的切削加工工藝性舉例210

15.2.1 零件應便於在機床或夾具上安裝210

15.2.2 零件應盡量採用標準化參數212

15.2.3 零件應便於加工，提高切削效率212

15.2.4 便於度量216

15.3 零件結構的裝配工藝性舉例216

15.3.1 零件的結構要便於裝配216

15.3.2 零件的結構要便於維修218

15.3.3 應有正確的裝配基面219

15.3.4 機器部件應儘可能分解成獨立裝配單元219

小結220

習題220

第16章 連接222

16.1 螺紋222

16.1.1 螺紋類型與應用222

16.1.2 螺紋的主要參數224

16.2 螺紋副受力分析、效率及自鎖225

16.2.1 矩形螺紋225

16.2.2 非矩形螺紋226

16.2.3 螺紋副的效率227

16.3 螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件227

16.3.1 螺紋連接的基本類型227

16.3.2 螺紋緊固件229

16.4 螺紋連接的預緊與防松231

16.4.1 擰緊力矩231

16.4.2 螺紋連接的防松232

16.5 螺紋連接強度的計算234

16.5.1 螺栓連接的失效形式和計算準則234

16.5.2 松螺栓連接強度的計算234

16.5.3 緊螺栓連接強度的計算234

16.5.4 鉸制孔螺栓連接強度計算237

16.5.5 螺栓材料和許用應力238

16.5.6 提高螺栓連接強度的措施239

16.6 螺栓組連接結構設計與工程應用241

16.6.1 螺栓組連接的受力分析241

16.6.2 螺栓組連接的結構設計與工程實例245

16.7 螺旋傳動與工程應用247

16.7.1 螺旋傳動簡介247

16.7.2 螺旋傳動設計計算248

16.7.3 螺旋傳動工程應用251

16.8 鍵及花鍵連接252

16.8.1 鍵連接252

16.8.2 花鍵連接256

16.8.3 鍵的公差與配合258

16.9 銷連接259

小結260

習題260

第17章 帶傳動263

17.1 帶傳動的類型、特點及應用263

17.1.1 帶傳動的組成和工作原理263

17.1.2 帶傳動的類型263

17.1.3 帶傳動的張緊方式264

17.1.4 帶傳動的特點265

17.2 帶傳動的工作情況分析265

17.2.1 帶傳動的受力分析265

17.2.2 帶傳動的應力分析266

17.2.3 彈性滑動和打滑267

17.3 V帶傳動的設計計算268

17.3.1 V帶的結構和標準268

17.3.2 V帶輪設計270

17.3.3 帶傳動的設計準則和單根V帶的許用功率271

17.3.4 普通V帶傳動的設計計算274

小結277

習題278

第18章 鏈傳動279

18.1 鏈傳動的類型、特點及應用279

18.1.1 滾子鏈的結構和規格280

18.1.2 滾子鏈鏈輪的結構281

18.2 鏈傳動的工作情況分析283

18.2.1 鏈傳動的運動分析283

18.2.2 鏈傳動的受力分析284

18.3 滾子鏈的設計計算285

18.3.1 鏈傳動的失效形式及功率曲線285

18.3.2 滾子鏈的設計步驟及參數選擇287

18.4 鏈傳動的布置與潤滑289

18.4.1 鏈傳動的布置289

18.4.2 鏈傳動的潤滑290

小結291

習題291

第19章 齒輪傳動293

19.1 齒輪傳動的失效形式及計算準則293

19.1.1 齒輪的失效形式293

19.1.2 齒輪傳動計算準則295

19.2 齒輪材料及精度295

19.2.1 齒輪材料和熱處理295

19.2.2 齒輪傳動的精度297

19.3 直齒圓柱齒輪傳動受力分析和計算載荷297

19.3.1 受力分析297

19.3.2 計算載荷298

19.4 直齒圓柱齒輪傳動強度計算298

19.4.1 齒面接觸強度計算299

19.4.2 輪齒彎曲強度計算300

19.4.3 齒輪傳動設計參數的選擇和設計步驟301

19.5 斜齒圓柱齒輪傳動受力分析和強度計算305

19.5.1 受力分析305

19.5.2 強度計算306

19.6 直齒圓錐齒輪傳動受力分析和強度計算308

19.6.1 受力分析308

19.6.2 強度計算309

19.7 齒輪的結構設計310

19.8 齒輪傳動的潤滑和效率312

19.8.1 齒輪傳動的潤滑312

19.8.2 齒輪傳動的效率312

小結313

習題313

第20章 蝸桿傳動315

20.1 蝸桿傳動的材料和失效形式315

20.1.1 蝸桿傳動的材料315

20.1.2 蝸桿傳動的失效形式315

20.1.3 蝸桿傳動的結構設計316

20.2 蝸桿傳動的受力分析和強度計算317

20.2.1 蝸桿傳動的受力分析317

20.2.2 蝸桿傳動的強度計算318

20.3 蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算320

20.3.1 蝸桿傳動的效率和潤滑320

20.3.2 蝸桿傳動的熱平衡計算321

小結323

習題323

第21章 機械傳動方案綜合分析與工程應用325

21.1 機械傳動系統設計325

21.1.1 各種機械傳動主要性能的比較分析325

21.1.2 摩擦傳動與嚙合傳動的比較327

21.1.3 選擇機械傳動的一般原則328

21.1.4 機械傳動系統的設計過程329

21.2 機械傳動工程應用實例336

21.2.1 機械傳動系統設計實例分析336

21.2.2 機械設計基礎課程設計題目綜合342

小結346

習題347

第22章 滾動軸承349

22.1 滾動軸承的主要類型349

22.1.1 滾動軸承的基本組成349

22.1.2 滾動軸承的主要類型349

22.2 滾動軸承的代號351

22.2.1 基本代號352

22.2.2 前置代號與後置代號353

22.3 滾動軸承類型的選擇353

22.4 滾動軸承的尺寸選擇354

22.4.1 失效形式和計算準則354

22.4.2 滾動軸承的壽命計算355

22.4.3 滾動軸承的靜強度計算358

22.5 滾動軸承的潤滑和密封360

22.5.1 滾動軸承的潤滑360

22.5.2 滾動軸承的密封360

22.6 滾動軸承的使用361

22.6.1 軸承的配置361

22.6.2 軸承的軸向緊固362

22.6.3 軸承的預緊363

22.6.4 軸承間隙的調整363

22.6.5 軸承的配合363

22.6.6 軸承的裝拆364

22.6.7 軸承組合位置的調整364

小結365

習題365

第23章 滑動軸承366

23.1 摩擦狀態366

23.2 滑動軸承的結構形式367

23.2.1 向心滑動軸承367

23.2.2 推力滑動軸承369

23.3 軸承材料370

23.3.1 金屬材料370

23.3.2 非金屬材料371

23.4 潤滑劑和潤滑裝置371

23.4.1 潤滑劑371

23.4.2 潤滑裝置373

23.5 非液體摩擦滑動軸承的計算374

23.5.1 失效形式與設計準則374

23.5.2 向心滑動軸承374

23.5.3 推力滑動軸承374

23.6 動壓潤滑375

23.6.1 動壓潤滑的形成原理375

23.6.2 一維雷諾方程376

23.6.3 向心動壓軸承的承載量計算377

23.7 其他軸承簡介379

23.7.1 多油楔軸承379

23.7.2 靜壓軸承與空氣軸承380

小結380

習題381

第24章 軸382

24.1 軸的類型、材料和設計準則382

24.1.1 軸的類型與功用382

24.1.2 軸的材料及其選擇383

24.1.3 軸的設計準則與步驟384

24.2 軸繫結構組合設計與工程應用384

24.2.1 軸的結構設計要求384

24.2.2 軸繫結構組合設計實例389

24.3 軸的強度計算391

24.3.1 按扭轉強度計算391

24.3.2 按彎扭合成強度計算392

小結395

習題396

第25章 聯軸器與離合器397

25.1 概述397

25.2 聯軸器的分類及應用398

25.2.1 聯軸器的分類398

25.2.2 常用聯軸器398

25.3 離合器的分類及應用401

25.3.1 離合器的分類401

25.3.2 常用離合器401

小結404

習題404

第26章 彈簧405

26.1 彈簧的功用和類型405

26.1.1 彈簧的功用405

26.1.2 彈簧的類型405

26.2 彈簧的材料與製造406

26.2.1 彈簧的材料406

26.2.2 彈簧的製造407

26.3 圓柱形螺旋壓縮、拉伸彈簧的應力分析407

26.3.1 彈簧的應力407

26.3.2 彈簧的變形408

26.4 圓柱形螺旋壓縮、拉伸彈簧的設計409

26.4.1 彈簧的結構和特性曲線409

26.4.2 彈簧的設計步驟411

小結412

習題412

參考文獻413