在高等职业教育的全局中，"机械设计基础"课程是机械类、机电类和近机类各专业的一门技术基础课，具有较强的综合性和实践性。通过本课程的学习，培养学生掌握机械设计的基本知识、基本理论和基本方法，使学生具有一般机械设备的维护、改进和设计的基本能力。本书主要有以下特点：1．突出实用性和针对性；2．明确目标；3．培养工程实践能力；4．采用最新的国家标准。

本书根据高职高专人才的培养目标、教育部关于高职高专教育机械设计基础课程教学的基本要求以及目前高等职业教育教学和改革的要求，并结合编者多年从事教学、生产实践的经验编写而成。在内容安排上，突出了高等职业教育的特点。  本书将理论力学、材料力学、机械原理以及机械零件四个部分的内容有机地整合在一起，适应了目前教学和改革的需要。全书内容共分14章，包括：绪论、工程力学基础、平面机构的自由度和运动分析、平面连杆机构、凸轮机构、齿轮传动、轮系、间歇运动机构、构件的强度、带传动、连接、轴、滚动轴承、实训项目等内容。书中配有一定数量的例题、思考题与习题，以帮助学生掌握相关的知识。  本书可作为高等职业院校机械类、机电类和近机类专业的教学用书，也可供从事机械设计、制造和维修等工作的有关工程技术人员参考。  ★本书配有电子教案，需要者可与出版社联系，免费提供。

第1章绪论……………………………………………………………………1

 1．1概述……………………………………………………………………1

 1．1．1机器、机构和机械………………………………………………1

 1．1．2课程简介…………………………………………………………2

 1．2机械设计的基本要求…………………………………………………3

 1．2．1设计机器的基本要求……………………………………………3

 1．2．2设计机械零件的基本要求………………………………………4

 1．3机械设计的类型和一般方法…………………………………………4

 1．3．1机械设计的类型…………………………………………………4

 1．3．2机械设计的一般方法……………………………………………5

 1．4机械设计的一般过程…………………………………………………6

1．4．1机械设计的一般过程…………………………………………6

1．4．2机械零件设计的一般过程……………………………………7

 1．5机械零件的材料选用………………………………………………7

 1．5．1零件的使用要求…………………………………………………8

 1．5．2零件的工艺性要求………………………………………………8

 1．5．3经济性要求………………………………………………………8

 思考题和习题………………………………………………………………9

第2章工程力学基础………………………………………………………10

 2．1工程力学基本理论简介……………………………………………10

 2．2运动学基础…………………………………………………………11

 2．2．1运动学概述……………………………………………………11

 2．2．2点的运动………………………………………………………12

 2．2．3刚体的运动……………………………………………………18

 2．3静力学基础………………………………………………………30

2．3．1力的性质和基本计算………………………………………30

2．3．2力系的简化…………………………………………………34

2．3．3 F面力系的静力学分析…………………………………36

2．3．4力系的平衡…………………………………………………41

2．3．5考虑摩擦时平衡方程的应用………………………………46

2．3．6空间力系简介………………………………………………48

 2．4动力学基础………………………………………………………51

2．4．1质点动力学基本方程………………………………………51

2. 4．2刚体动力学…………………………………………………51

2．4．3动静法………………………………………………………54

思考题和习题………………………………………………………………56

第3章平面机构的自由度和

运动分析……………………………………………………………64

3．1机构的组成…………………………………………………………64

 3．1．1构件和零件……………………………………………………64

 3．1．2运动副及其分类………………………………………………65

 3．1．3运动链和机构-………………………………………………66

 3．2平面机构的运动简图……………………………………………67

3．2．1平面机构运动简图…………………………………………67

3．2．2运动剐和构件的表示方法…………………………………67

3．2．3平面机构运动简图的绘制…………………………………69

 3．3 平面机构的自由度………………………………………………71

3．3．1自由度………………………………………………………71

3．3．2机构具有确定运动的条件…………………………………72

3．3．3计算平面机构自由度应注意的特殊情况…………………74

 3．4 平面机构的运动分析……………………………………………78

3．4．1概述…………………………………………………………78

3．4．2瞬心法………………………………………………………79

3．4．3瞬心法的应用实例…………………………………………81

 思考题和习题……………………………………………………………84

第4章平面连杆机构………………………………………………………87

 4．1铰链四杆机构的基本形式………………………………………87

4．1．1铰链四杆机构的组成………………………………………87

4．1．2铰链四杆机构的基本形式…………………………………88

 4．2含有一个移动副的四杆机构……………………………………90

4．2．1曲柄滑块机构………………………………………………90

4．2．2偏心轮机构…………………………………………………92

 4．3平面四杆机构的运动特性………………………………………92

4．3．1曲柄存在的条件……………………………………………92

4．3．2急回运动……………………………………………………94

 4．4 a平面四杆机构的传力特性……………………………………96

4．4．1压力角和传动角…………………………………………96

4．4．2死点位置…………………………………………………98

 4．5平面四杆机构的运动设计………………………………………99

4．5．1概述………………………………………………………99

4．5．2按给定的行程速度变化系数设计………………………100

 4．5．3按给定的连杆位置设计……………………………………102

思考题和习题…………………………………………………………103

第5章凸轮机构…………………………………………………………106

5．1概述………………………………………………………………106

5．1．1 轮机构的应用和特点……………………………………106

5．1．2 轮机构的类型……………………………………………107

5．2 轮机构的运动特性………………………………………………108

5．2．1凸轮机构的运动分析………………………………………108

5．2．2从动件常用的运动规律……………………………………110

5．2．3从动件运动规律的选择……………………………………113

 5. 3 轮机构的传力特性………………………………………………113

5．3．1压力角………………………………………………………113

5．3．2自锁现象……………………………………………………114

5．3．3压力角的影响因素…………………………………………114

 5．4 轮轮廓曲线的设计………………………………………………116

5．4．1设计凸轮轮廓曲线的基本原理……………………………116

5．4．2对心直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计…………………117

5．4．3偏置直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计…………………120

 思考题和习题………………………………………………………………12l

第6章齿轮传动………………………………………………………………123

 6．1概述……………………………………………………………………123

6．1．1齿轮传动的特点和应用………………………………………124

6．1．2齿轮传动的类型………………………………………………124

 6．2齿廓啮合基本定律……………………………………………………125

6．2．1传动比…………………………………………………………125

6．2．2齿廓啮合基本定律……………………………………………126

 6．3渐开线及渐开线齿廓………………………………………………127

6．3．1渐开线的形成及其性质………………………………………127

6．3．2渐开线方程……………………………………………………128

6．3．3渐开线齿廓的啮合特点………………………………………130

 6．4标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸…………………………131

6．4．1齿轮各部分的名称及符号……………………………………131

6．4．2直齿圆柱齿轮的基本参数……………………………………132

6．4．3标准齿轮………………………………………………………133

6．4．4齿条……………………………………………………………134

 6．5标准直齿圆柱齿轮的啮合传动……………………………………135

6．5．1正确啮合条件…………………………………………………135

6．5．2连续传动条件…………………………………………………135

6．5．3正确安装条件…………………………………………………136

6．6渐开线直齿圆柱齿轮的加工方法…………………………………138

 6．6．1成形法……………………………………………………………138

 6．6．2范成法……………………………………………………………138

 6．6．3根切现象…………………………………………………………140

6．7齿轮传动的设计准则…………………………………………………141

 6．7．1 工作能力及失效的概念…………………………………………141

 6．7．2齿轮传动的失效形式……………………………………………141

 6．7．3齿轮传动的设计计算准则………………………………………143

6．8齿轮的常用材料…………………………………………………………144

 6．8．1齿轮材料的基本要求……………………………………………144

 6．8．2常用材料及其热处理……………………………………………144

 6．8．3齿轮的许用应力…………………………………………………146

6．9直齿圆柱齿轮传动………………………………………………………148

 6．9．1轮齿的受力分析…………………………………………………148

 6．9．2轮齿的计算载荷…………………………………………………150

 6．9．3齿轮传动的强度计算……………………………………………150

6．10斜齿圆柱齿轮传动……………………………………………………152

 6．10．1齿廓曲面的形成及啮合特点…………………………………153

 6．10．2斜齿圆柱齿轮传动的基本参数…………………………………154

 6．10．3斜齿轮的几何尺寸计算…………………………………………155

 6．10．4斜齿轮的啮合传动………………………………………………155

 6．10．5斜齿圆柱齿轮的当量齿数和不发生根切的最少齿数…………157

 6．10．6斜齿圆柱齿轮的受力分析………………………………………157

 6．10．7斜齿圆柱齿轮传动的强度计算…………………………………158

6．11圆锥齿轮传动…………………………………………………………159

 6．11．1概述………………………………………………………………159

 6．11．2圆锥齿轮基本参数和尺寸计算…………………………………160

 6．11．3背锥和当量齿轮…………………………………………………161

 6．11．4直齿圆锥齿轮的啮合传动………………………………………163

 6．11．5直齿圆锥齿轮的受力分析………………………………………163

6．12齿轮的结构和齿轮传动的润滑………………………………………164

 6．12．1齿轮结构…………………………………………………………164

 6．12．2齿轮传动的润滑…………………………………………………166

6．13蜗杆蜗轮传动…………………………………………………………168

 6．13．1蜗杆蜗轮传动的特点和应用……………………………………168

 6．13．2蜗杆蜗轮传动的类型……………………………………………168

6．13．3蜗杆蜗轮传动的基本参数……………………………………169

6．13．4蜗杆蜗轮传动的几何尺寸计算………………………………171

6．13．5蜗杆蜗轮的啮合传动…………………………………………172

6．13．6蜗杆蜗轮的材料和结构………………………………………174

6．13．7蜗杆蜗轮传动的效率、润滑和散热…………………………176

6．13,8蜗杆蜗轮传动的受力分析……………………………………177

 思考题和习题………………………………………………………………178

第7章轮系……………………………………………………………………182

 7．1概述……………………………………………………………………182

 7．1．1轮系及其应用……-………………………………………………182

 7．1．2轮系的类型………………………………………………………182

 7．2定轴轮系及其传动比…………………………………………………183

7．2．1平面定轴轮系…………………………………………………183

7．2．2空间定轴轮系…………………………………………………185

 7．3周转轮系及其传动比………………………………………………186

7．3．1周转轮系的组成及分类………………………………………186

7．3,2平面周转轮系…………………………………………………187

7．3．3空间周转轮系………………………………………………189

 7．4混合轮系及其传动比………………………………………………190

 思考题和习题……………………………………………………………191

第8章 间歇运动机构……………………………………………………194

 8．1棘轮机构……………………………………………………………194

  8．1．1棘轮机构的类型………………………………………………194

  8．1．2组成和工作原理………………………………………………195

  8．1．3 应用实例………………………………………………………196

  8．1．4棘轮与棘爪的位置关系………………………………………197

  8．1．5主要参数………………………………………………………197

 8．2槽轮机构……………………………………………………………198  8．2．1组成和工作原理…………………………………………………198

  8．2．2槽轮机构的类型…………………………………………………198

 8．2．3特点与应用………………………………………………………199

 8．2．4槽轮机构的运动特性系数………………………………………199

 8．2．5槽轮机构的主要参数和几何尺寸………………………………200

8．3不完全齿轮机构………………………………………………………201

 8．3．1组成和类型………………………………………………………201

 8．3．2 工作原理…………………………………………………………202

 8,3．3特点和应用…………………………………………………………202

思考题和习题…………………………………………………………………202

第9章构件的强度……………………………………………………………203

 9．1基本变形构件的内力、应力和强度…………………………………203

9. 1．1 内力与内力图………………………………………………204

9. 1．2 应力和许用应力……………………………………………210

9. 1．3构件的应力和强度……………………………………………214

 9．2 应力状态和强度理论………………………………………………221

9．2．1点的应力状态的概念及表示方法……………………………221

9．2．2强度理论………………………………………………………223

 9．3组合变形构件的强度………………………………………………225

 9．4动载荷和交变应力…………………………………………………228

9．4．1动载荷的概念…………………………………………………228

9．4．2交变应力与疲劳失效…………………………………………228

 思考题和习题………………………………………………………………231

第10章带传动………………………………………………………………236

 10．1概述…………………………………………………………………236

10．I．1带传动的类型…………………………………………………236

10．1．2带传动的特点…………………………………………………237

 10．2 V带传动的基本参数和几何尺寸…………………………………238

10．2．1 V带传动的基本参数………………………………………238

10．2．2 几何尺寸……………………………………………………239

 10．3 V带和V带轮………………………………………………………239

10．3．1 V带的结构和尺寸……………………………………………239

10．3．2 V带轮的结构…………………………………………………241

10．3. 3带传动的张紧…………………………………………………243

 10．4带传动的工作能力分析……………………………………………244

10．4．1带传动的受力分析……………………………………………244

10．4．2带传动的应力分析……………………………………………246

10．4．3运动分析………………………………………………………248

10．4．4设计准则………………………………………………………249

10．4．5单根V带的功率………………………………………………249

 10．5普通V带的设计计算………………………………………………252

 10．5．1设计计算的内容…………………………………………………252

 10．5．2设计步骤及参数选择……………………………………………253

 10．5．3计算实例………………………………………………………256

思考题和习题…………………………………………………………………258

第11章连接…………………………………………………………………260

11．1螺纹…………………………………………………………………261

  11．1．1螺纹的形成……………………………………………………261

  11．1．2螺纹的加工……………………………………………………261

  11．1．3螺纹的基本要素………………………………………………263

  11．1．4螺纹副…………………………………………………………265

  11．1．5螺纹的类型……………………………………………………265

11．2螺纹连接………………………………………………………………266

 11．2．1螺纹连接的基本类型…………………………………………266

 11．2．2螺纹连接件……………………………………………………268

 11．2．3螺纹联接的预紧和防松…………………………………………271

11．3键联结………………………………………………………………273

 1。1．3．1概述…………………………………………………………273

 11．3．2键联结的类型…………………………………………………274

 11．3．3 "键联结的选择和计算………………………………………277

11．4销联结………………………………………………………………278

 11．4．1销联结的类型…………………………………………………278

 11．4．2销联结的选择和计算…………………………………………279

11．5联轴器和离合器……………………………………………………280

11．5．1联轴器………………………………………………………280

11．5．2离合器………………………………………………………285

思考题和习题………………………………………………………………287

第12章轴……………………………………………………………………288

 12．1概述…………………………………………………………………288

12．1．1轴的类型……………………………………………………288

12．1．2轴的材料……………………………………………………290

12．1．3轴的结构组成……………………………………………291

 12．2轴的结构设计……………………………………………………291

12．2．1轴的强度和刚度……………………………………………292

12．2．2拟定轴上零件的装配方案…………………………………293

12．2．3零件在轴上的固定方法……………………………………293

12．2．4轴上各个轴段的尺寸确定…………………………………295

12．2．5轴的结构工艺性……………………………………………296

 12．3轴的结构分析……………………………………………………297

12．3．1分析的内容及步骤…………………………………………297

12．3．2实例分析…………………………………………………297

 12．4轴的强度计算……………………………………………………298

12．4．1按扭转强度条件计算………………………………………299

12．4．2按弯扭合成强度条件计算…………………………………300

 12．5轴的设计方法………………………………………………………301

12．5．1类比法………………………………………………………301

12．5．2设计计算法…………………………………………………301

 思考题和习题……………………………………………………………302

第13章滚动轴承……………………………………………………………304

 13．1滚动轴承的结构和类型…………………………………………304

13．1．1滚动轴承的结构……………………………………………304

13．1．2滚动轴承的参数……………………………………………305

13．1．3滚动轴承的分类…………………………………………306

13．1. 4滚动轴承的主要类型及特性……………………………307

 13．2滚动轴承的代号………………………………………………309

13．2．1基本代号…………………………………………………309

13．2. 2前置代号和后置代号……………………………………310

 13．3滚动轴承的计算………………………………………………311

13．3．1滚动轴承的受力分析…………………………………311

13. 3．2滚动轴承的失效形式……………………………………312

13,3．3滚动轴承的计算准则……………………………………312

13．3．4滚动轴承的寿命计算……………………………………313

13．3．5角接触轴承的轴向载荷计算……………………………316

13．3．6滚动轴承的静强度计算…………………………………318

 13．4滚动轴承的选择………………………………………………320

13．4．1类型的选择………………………………………………320

13．4．2公差等级的选择…………………………………………321

13．4．3尺寸选择…………………………………………………321

 13．5滚动轴承的组合设计…………………………………………321

13．5．1轴承的固定………………………………………………321

13．5．2轴系的轴向固定…………………………………………322

13．5．3轴承组合的调整…………………………………………324

13．5．4配合与装拆………………………………………………326

13．5．5滚动轴承的润滑…………………………………………327

13．5．6滚动轴承的密封…………………………………………328

 思考题和习题…………………………………………………………332

第14章实训项目…………………………………………………………334

 14．1有限元软件应用实训……………………………………………334

14 1．1有限元分析方法简介………………………………………334

14．1．2有限元软件应用实训……………………………………338

 14．2机械设计基础综合实训…………………………………………342

14．2．1实训目的…………………………………………………342

1 zt．2．2实训内容与方式…………………………………………342

14．2．3实训设备及工具……………………………………………342

14．2．4实训要求…………………………………………………343

14．2．5传动方案设计………………………………………………343

14．2．6传动零件的测绘…………………………………………346

14．2．7传动系统的装配与调试……………………………………347

 思考题和习题………………………………………………………………349

参考文献……………………………………………………………………350

绪

论

【内容简介】

本章主要介绍一些基本概念，机械设计的基本要求、类型、方法、过程及机械零件的材料选用等内容，还对课程的地位、研究对象和内容、学习任务以及学习方法进行了简要的论述。

【学习目标】

(1)掌握机器、机构和机械的概念。

(2)了解本课程的研究对象、学习内容和学习任务。

(3)了解机械设计的基本要求及一般步骤和方法。

1．1概 述1．1. 1机器、机构和机械

1．机器

人们在日常生活以及工业、农业和国防等各项生产活动中，都会接触到各种各样的机器，如汽车、缝纫机、内燃机、各种机床、拖拉机、收割机等。所谓机器，就是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来代替或减轻人类的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。

机器的种类有很多，它们的结构、性能及用途等也各不相同。但是，总的来说，机器具有三个共同的特征：首先，机器是由人为制造的实物所组成的；其次，机器的各个部分之间具有确定的相对运动；第三，在工作时能够完成有用的机械功或实现能量的转换。

从机器的组成来看，机器是由各种机构组合而成的。

2．机构

机构也是人为的实物组合，其各个部分之间具有确定的相对运动。因此，机构具有机器的前两个特征。机构也有很多类型，常用的有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构以及各种间歇运动机构等。

从运动的角度来看，机构也是一种执行机械运动的装置。在机器中普遍使用的机构称为常用机构。组成机构的各个相对运动部分称为构件。机构和机器一般都是由许多构件组合而成的。

3．机械

如前所述，从运动的观点来看，机器与机构之间并无差别。因此，机械是机器和机构的总称。

4．现代机械

随着科学技术的飞速发展，伺服驱动技术、检泓传感技术、自动控制技术、信息处理技术以及精密机械技术、系统总体技术在机械中的使用，形成了一个崭新的现代制造业。

与传统的机械相比，现代机械已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统，在产品的工作原理、结构和设计方法等方面都发生了深刻的变化。

现代机械是"由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统"。这是1984年美国机械工程师协会对现代机械的描述。这个定义突出了计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能仍然是执行机械运动，完成有用功和能量的转换。

目前，以机电一体化产品为代表，现代机械已经有了广泛的应用。如计算机控制的数控机床、机器人等机电一体化产品均属于现代机械。l. 1．2课程简介

1．课程的地位和作用

机械设计基础课程是机械类、机电类以及近机类专业一门必修的技术基础课程，在教学计划中起着承前启后的桥梁作用，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。本课程的作用在于培养学生掌握机械设计的基本知识、基本理论和基本方法，使学生具备一般机械设备的维护、改进和设计能力。

2. 课程研究的对象

机械设计研究的对象就是机器和机构。本课程一方面涉及到许多生产实际知识，另一方面又综合运用了许多先修课程所提供的基础理论。因此，本课程主要介绍机械设计中的基本共性问题，并重点研究常用机构和一般参数的通用零件的工作原理，结构特点以及基本的受力分析、计算方法和设计理论。

3．课程研究的内容

本课程研究的内容概括地讲包括两个方面：一个是分析问题，包括机械的组成、常用机构运动的可能性和确定性、机构的运动分析以及动力分析等；另一个是设计问题，根据运动要求和功能要求设计通用零件，包括强度、刚度、寿命和结构的设计计算等。

4．课程的学习任务  本课程的主要任务是通过课堂学习、习题、课程设计和课程实验、实训等教学环节，使学生掌握如下的学习目标：

(1)掌握物体机械运动的一般规律及常用机构的工作原理、运动特性和运动设计的方法。

(2)掌握构件承载能力的计算方法及通用零部件的原理分析、设计计算方法和选用的基本知识。

(3)树立正确的设计思想，了解机械设计的一般规律。

1999年以来，随着高等教育大众化步伐的加快，高等职业教育呈现出快速发展的形势。党和国家高度重视高等职业教育的改革和发展，出台了一系列相关的法律、法规、文件等，规范、推动了高等职业教育健康有序的发展。同时，社会对高等职业技术教育的认识在不断加强，高等技术应用型人才及其培养的重要性也正在被越来越多的人所认同。目前，高等职业技术教育在学校数、招生数和毕业生数等方面均占据了高等教育的半壁江山，成为高等教育的重要组成部分，在我国社会主义现代化建设事业中发挥着极其重要的作用。

在高等职业教育大发展的同时，也有着许多亟待解决的问题。其中最主要的是按照高等职业教育培养目标的要求，培养一批具有"双师素质"的中青年骨干教师；编写出一批有特色的基础课和专业主干课教材；创建一批教学工作优秀学校、特色专业和实训基地。

为解决当前信息及机电类精品高职教材不足的问题，西安电子科技大学出版社与中国高等职业技术教育研究会分两轮联合策划、组织编写了"计算机、通信电子及机电类专业"系列高职高专教材共100余种。这些教材的选题是在全国范围内近30所高职高专院校中，对教学计划和课程设置进行充分调研的基础上策划产生的。教材的编写采取公开招标的形式，以吸收尽可能多的优秀作者参与投标和编写。在此基础上，召开系列教材专家编委会，评审教材编写大纲，并对中标大纲提出修改、完善意见，确定主编、主审人选。该系列教材着力把握高职高专"重在技术能力培养"的原则，结合目标定位，注重在新颖性、实用性、可读性三个方面能有所突破，体现高职教材的特点。第一轮教材共36种，已于2001年全部出齐，从使用情况看，比较适合高等职业院校的需要，普遍受到各学校的欢迎，一再重印，其中《互联网实用技术与网页制作》在短短两年多的时间里先后重印6次，并获教育部2002年普通高校优秀教材二等奖。第二轮教材预计在2004年全部出齐。

教材建设是高等职业院校基本建设的主要工作之一，是教学内容改革的重要基础。为此，有关高职院校都十分重视教材建设，组织教师积极参加教材编写，为高职教材从无到有，从有到优、到特而辛勤工作。但高职教材的建设起步时间不长，还需要做艰苦的工作，我们殷切地希望广大从事高等职业教育的教师，在教书育人的同时，组织起来，共同努力，编写出一批高职教材的精品，为推出一批有特色的、高质量的高职教材作出积极的贡献。

中国高等职业技术教育研究会会长／李宗尧