機械設計基礎

“機械設計基礎”課程的開發要強調適當綜合化和適當實施化。本書按照課程內容本身的內在聯繫和模塊教學要求，建立“機械設計概論和機構結構”、“常用機構”、“機械傳動”、“軸系零部件”和“機械連接”等5個模塊。在教材內容上力求降低重心、拓寬面向、精選知識點，更新內容、突出應用，採用新頒布的國家標準規範。敘述簡明扼要，減少對公式的推演，講求實用，方便教學。書中打“”號的內容是為了拓寬和延伸與該課程密切相關的知識面，以求做好與現代科學技術成果的介面，供不同專業在教學中酌情取捨。

本書自2001年出版發行以來，被許多高職高專院校師生選用。為了適應高職高專人才培養模式的改革和科技發展進步，在第1版基礎上作了進一步的修改、補充和完善，在2005年出版了第2版，並在2006年被教育部審定為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。為了進一步實施高等職業技術教育對技術應用的高端技能人才的培養模式，突出課程教學的能力目標和知識目標，結合工學和精品課程建設的成果，第3版作為國家示範性高等職業院校成果教材，增添了許多能力訓練案例，便於教師講授和引導，也便於學生自學和應用。基於普通高等教育“十二五”國家級規劃教材和國家示範性高等職業院校成果教材而修編的《機械設計基礎》第4版，以高端技能的核心職業能力培養為目的，有明確的具有高職層次的技術應用能力及其相應內涵的理論知識體系，有大量以工作過程導向的能力訓練案例，教材內容和結構滿足高職教學中運用任務驅動法和項目教學法等的需求，充分體現了學生為主體、教師為主導的教學原則。該書作為高等職業技術教育製造大類專業的“機械設計基礎”課程教學內容和教學方法的知識載體，其體系結構和內容力求反映科學技術的發展和需求，符合高職高專相關專業的教學特點和學生的認知規律；在表現形式和陳述方式上，能夠引導學生利用已有的知識去學習和探索新知識、新技術，有助於教師、學生和教材之間的交流，有利於理論教學與實踐教學的結合，使教師在教材的平台上可以創造性地進行教學活動。

本書由佛山職業技術學院郭仁生（第1～3、5、9章）、蘇州工業園職業技術學院魏宣燕（第11～14章）、北京聯合大學機械工程學院張京輝（第7、8、10章）、廣東輕工職業技術學院王軍（第4、6章）和韶關學院黃晨華（第15章和第16章）等編著，郭仁生擔任主編並對全書統稿，魏宣燕擔任副主編。

本書第1版由華南理工大學謝存禧教授精心審閱，第3版由吉林工業職業技術學院欒學鋼教授精心審閱，提出了許多寶貴意見，編者在此表示衷心的感謝。

懇請讀者對書中的缺點和不妥之處進行指正。

編者

2014年1月

第1篇機械設計概論和機構結構

第1章機械設計概論1

1.1課程概論1

1.1.1機械的概念和組成1

1.1.2機械設計發展概述4

1.1.3本課程的內容、基本要求和學習特點5

1.2機械設計過程6

1.3功能原理設計8

1.3.1功能原理設計的特點8

1.3.2功能分析8

1.3.3功能類型和求解思路9

1.4機械設計約束12

1.4.1承載能力約束12

1.4.2技術性能約束15

1.4.3標準化約束16

1.4.4產品成本約束16

1.4.5可持續發展約束16

1.5機械結構設計17

1.5.1零件的相關與結構要素17

1.5.2結構設計的基本要求18

1.5.3結構設計的構型變換20

1.5.4結構設計準則21

思考和實訓習題30

第2章機構結構分析32

2.1平面機構的組成32

2.2平面機構運動簡圖36

2.3平面機構自由度和運動確定性39

2.3.1平面機構的自由度39

2.3.2機構自由度計算中的特殊情況處理39

2.3.3平面機構具有確定運動的條件40

思考和實訓習題43

第2篇常 用 機 構

第3章平面連桿機構47

3.1平面連桿機構的類型和應用48

3.1.1鉸鏈四桿機構48

3.1.2滑塊四桿機構52

3.1.3運動副變換55

3.2平面連桿機構的基本特性57

3.2.1急回特性57

3.2.2傳力分析58

3.3平面連桿機構的運動設計62

3.3.1按照給定連桿位置設計鉸鏈四桿機構62

3.3.2按照給定行程速度變化係數設計四桿機構63

3.3.3鉸鏈四桿機構的運動幾何方程64

3.3.4按照給定的兩連架桿對應位置設計鉸鏈四桿機構65

3.4多桿機構的應用66

思考和實訓習題68

第4章凸輪機構71

4.1凸輪機構的類型和應用71

4.1.1凸輪機構的組成和類型71

4.1.2凸輪機構的特點與應用74

4.2從動件基本運動規律74

4.2.1從動件基本運動規律的運動方程和線圖75

4.2.2從動件運動規律的選擇78

4.3凸輪輪廓設計80

4.3.1用圖解法設計凸輪輪廓80

4.3.2用解析法設計凸輪輪廓83

4.3.3凸輪機構的計算機輔助設計86

4.4凸輪機構基本參數和尺寸的確定89

4.4.1凸輪機構的壓力角及許用值89

4.4.2凸輪基圓半徑的確定90

4.4.3滾子半徑的確定90

4.5凸輪機構的結構、材料和工作圖93

4.5.1凸輪和從動件的結構93

4.5.2凸輪和從動件的材料及選擇95

4.5.3凸輪工作圖96

思考和實訓習題96

第5章輪系99

5.1定軸輪系99

5.1.1定軸輪系傳動比100

5.1.2定軸輪系傳動比符號的確定方法101

5.1.3定軸輪系各級傳動比的分配101

5.2行星輪系101

5.2.1行星輪系的分類102

5.2.2行星輪系的傳動比102

5.2.3行星輪系傳動比符號的確定方法104

5.3組合輪系104

5.4輪系的功用105

5.5其他行星傳動簡介109

5.5.1漸開線少齒差行星傳動109

5.5.2擺線針輪行星傳動110

5.5.3諧波齒輪傳動110

思考和實訓習題111

第6章其他常用機構113

6.1棘輪機構113

6.1.1棘輪機構的組成和工作原理113

6.1.2棘輪機構的類型、特點和應用114

6.1.3棘輪機構的應用實例115

6.1.4棘輪機構的基本參數和幾何尺寸117

6.2槽輪機構120

6.2.1槽輪機構的組成和工作原理120

6.2.2槽輪機構的類型、特點和應用120

6.2.3槽輪機構的基本參數和幾何尺寸121

6.2.4槽輪機構的運動特性123

6.3螺旋機構126

6.3.1螺旋機構的工作原理和類型126

6.3.2螺紋的形成和分類127

6.3.3螺紋的基本參數和幾何尺寸130

6.3.4螺旋機構的運動分析131

6.3.5螺旋副的效率和自鎖132

6.3.6滑動螺旋副的材料和結構特點133

6.4機構的組合與應用135

6.4.1機構的串聯式組合135

6.4.2機構的並聯式組合136

6.4.3機構的反饋式組合137

6.4.4機構的複合式組合137

6.5機構的選型與應用138

思考和實訓習題142

第3篇機 械 傳 動

第7章帶傳動145

7.1帶傳動的工作原理和應用146

7.1.1帶傳動的工作原理146

7.1.2帶傳動的類型、特點和應用146

7.2帶傳動的受力分析和應力分析147

7.2.1受力分析147

7.2.2應力分析148

7.3帶傳動的彈性滑動與失效形式149

7.4V帶和V帶輪151

7.4.1V帶結構和基本尺寸151

7.4.2V帶輪的材料、結構與工作圖153

7.5帶傳動的安裝和張緊156

7.6V帶傳動選用計算158

7.6.1設計準則和V帶的許用功率158

7.6.2V帶傳動選用計算的主要步驟162

思考和實訓習題168

第8章鏈傳動170

8.1鏈傳動的特點、類型和傳動件結構參數170

8.1.1鏈傳動的組成、特點和類型170

8.1.2鏈傳動的傳動件結構參數172

8.2鏈傳動的運動分析和受力分析176

8.2.1鏈傳動的運動分析176

8.2.2鏈傳動的受力分析179

8.3鏈傳動的選用計算180

8.3.1鏈傳動的失效形式180

8.3.2滾子鏈的功率曲線180

8.3.3鏈傳動基本參數的選擇183

8.3.4鏈傳動選用計算實例185

8.4鏈傳動的布置、張緊和潤滑187

8.4.1鏈傳動的布置187

8.4.2鏈傳動的張緊187

8.4.3鏈傳動的潤滑188

思考和實訓習題188

第9章齒輪傳動190

9.1齒輪傳動的特點和類型191

9.1.1齒輪傳動的特點191

9.1.2齒輪傳動的類型191

9.2齒輪嚙合基本定律與漸開線齒廓192

9.2.1齒廓嚙合基本定律192

9.2.2齒廓間的相對滑動193

9.2.3漸開線齒廓194

9.3漸開線標準齒輪的基本參數和尺寸195

9.3.1齒輪的基本尺寸195

9.3.2漸開線標準齒輪的基本參數196

9.3.3標準齒輪的基本尺寸計算196

9.4漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動198

9.4.1漸開線齒廓傳動特性198

9.4.2漸開線齒輪的正確嚙合條件199

9.4.3漸開線齒輪的連續傳動條件200

9.4.4內齒輪和齒條201

9.5漸開線齒形的加工和尺寸檢驗202

9.5.1漸開線齒形的加工原理202

9.5.2漸開線齒廓的根切問題204

9.5.3漸開線齒輪的尺寸檢驗205

9.6變位齒輪傳動206

9.6.1變位齒輪的概念206

9.6.2變位齒輪的齒形特點和尺寸變動207

9.6.3變位齒輪的傳動類型和應用208

9.7斜齒圓柱齒輪傳動211

9.7.1斜齒圓柱齒輪齒面的形成和特點211

9.7.2斜齒圓柱齒輪的基本參數和尺寸212

9.7.3斜齒輪的當量齒數214

9.7.4交錯軸斜齒輪傳動215

9.8圓錐齒輪傳動216

9.8.1直齒圓錐齒輪齒廓曲面的形成216

9.8.2圓錐齒輪的背錐和當量齒數217

9.8.3直齒圓錐齒輪的基本參數和尺寸217

9.9齒輪傳動設計218

9.9.1齒輪輪齒的失效形式、常用材料和設計約束219

9.9.2圓柱齒輪傳動的受力分析222

9.9.3圓柱齒輪承載能力計算224

9.9.4圓柱齒輪傳動的精度等級及選用227

9.9.5齒輪傳動設計準則228

9.9.6圓柱齒輪傳動的計算機輔助設計231

9.9.7直齒圓錐齒輪的強度條件232

9.10齒輪結構、工作圖和傳動潤滑234

9.10.1齒輪結構234

9.10.2齒輪工作圖235

9.10.3齒輪傳動的潤滑236

9.11圓弧齒輪傳動簡介237

思考和實訓習題238

第10章蝸桿傳動243

10.1蝸桿傳動概述243

10.1.1蝸桿傳動的類型243

10.1.2蝸桿傳動的特點和應用244

10.2蝸桿傳動的基本參數和尺寸245

10.2.1蝸桿傳動的基本參數245

10.2.2蝸桿傳動的基本尺寸247

10.2.3蝸桿傳動的變位248

10.3蝸桿傳動的承載能力計算249

10.3.1蝸桿傳動的失效形式249

10.3.2蝸桿傳動的材料和許用應力249

10.3.3蝸桿傳動的受力分析250

10.3.4蝸桿傳動的強度條件251

10.4蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡252

10.4.1蝸桿傳動的滑動速度252

10.4.2蝸桿傳動的效率252

10.4.3蝸桿傳動的潤滑254

10.4.4蝸桿傳動的熱平衡計算254

10.5蝸桿與蝸輪的結構和工作圖256

10.5.1蝸桿結構256

10.5.2蝸輪結構256

10.5.3蝸桿和蝸輪工作圖257

思考和實訓習題260

第4篇軸系零部件

第11章滑動軸承263

11.1滑動軸承的工作原理264

11.1.1滑動軸承簡介264

11.1.2滑動摩擦的類型264

11.1.3滑動軸承設計中的基本問題265

11.2滑動軸承的分類和結構特點265

11.2.1徑向滑動軸承265

11.2.2推力滑動軸承266

11.2.3特殊結構軸承簡介267

11.3滑動軸承的材料和軸瓦結構267

11.3.1滑動軸承的材料267

11.3.2軸瓦的結構268

11.4滑動軸承的潤滑和配合270

11.4.1潤滑劑及其選用原則270

11.4.2潤滑裝置271

11.4.3滑動軸承潤滑方式的選擇271

11.4.4滑動軸承的配合272

11.5非液體潤滑滑動軸承的計算272

11.5.1徑向滑動軸承設計計算273

11.5.2推力滑動軸承工作能力驗算273

11.6液體動壓滑動軸承和靜壓滑動軸承簡介275

11.6.1液體動壓滑動軸承275

11.6.2液體靜壓滑動軸承275

思考和實訓習題276

第12章滾動軸承278

12.1滾動軸承的組成、類型和特點278

12.1.1滾動軸承的組成279

12.1.2滾動軸承的類型、特點及應用279

12.2滾動軸承的代號及類型選擇283

12.2.1滾動軸承的代號283

12.2.2滾動軸承類型的選擇286

12.3滾動軸承壽命計算287

12.3.1滾動軸承的失效形式及計算準則287

12.3.2滾動軸承的基本額定壽命和基本額定動載荷288

12.3.3滾動軸承的壽命計算基本公式289

12.3.4滾動軸承的當量動載荷計算290

12.3.5角接觸軸承的軸向載荷292

12.3.6滾動軸承的靜強度計算293

12.4陶瓷滾動軸承與滾動導軌簡介300

12.4.1陶瓷滾動軸承301

12.4.2滾動導軌301

思考和實訓習題302

第13章軸及軸系303

13.1軸的概述303

13.1.1軸的功用與分類303

13.1.2軸的設計中應考慮的問題304

13.2軸的材料與強度計算305

13.2.1軸的材料與機械性能305

13.2.2軸徑的估算和強度計算306

13.3軸及軸系的結構設計310

13.3.1軸的結構設計310

13.3.2軸的工作圖314

13.3.3軸繫結構的組合設計315

思考和實訓習題320

第14章聯軸器、離合器與制動器322

14.1聯軸器322

14.1.1固定式剛性聯軸器323

14.1.2移動式剛性聯軸器325

14.1.3彈性聯軸器326

14.2離合器328

14.2.1嵌合式離合器328

14.2.2摩擦式離合器328

14.3制動器330

14.3.1抱塊式制動器331

14.3.2內漲式制動器331

14.3.3帶式制動器331

思考和實訓習題332

第5篇機 械 連 接

第15章連接333

15.1鍵連接334

15.1.1鍵連接的功用和分類334

15.1.2平鍵連接的選擇和計算337

15.1.3花鍵連接的類型、標準和選用338

15.2銷連接339

15.3螺紋連接340

15.3.1螺紋連接的基本類型和螺紋連接件340

15.3.2螺紋連接的預緊和防松344

15.3.3螺栓組的布置和受力分析345

15.3.4螺栓連接的強度計算351

15.3.5螺栓連接件的材料和許用應力353

15.3.6提高螺栓連接強度的結構設計353

思考和實訓習題357

第16章彈簧359

16.1概述359

16.1.1彈簧的類型、特點和應用359

16.1.2彈簧的材料和製造359

16.2圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的幾何參數和特性曲線363

16.2.1圓柱螺旋彈簧的結構363

16.2.2基本參數和幾何尺寸364

16.2.3圓柱螺旋彈簧的特性曲線365

16.3圓柱螺旋彈簧的設計計算366

16.3.1強度計算366

16.3.2剛度計算367

16.3.3穩定性校核368

16.4非金屬彈簧簡介370

16.4.1橡膠彈簧370

16.4.2空氣彈簧371

思考和實訓習題372

參考文獻374