机械设计基础（第二版）

内容实用：由浅入深讲解机械设计基础知识，力求重点突出、繁简得当。

提升技能：以实际案例为驱动，突出机械创新能力和创新思维的培养。

资源丰富：配套微课视频、教学大纲、电子课件等，方便师生教与学。

第二版前言

党的二十大报告提出深入实施人才强国战略，强调“培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计”。教材建设是实施人才强国建设的基础。“机械设计基础”课程是高等工科院校非机械类专业一门重要的技术基础课程，本书在满足相关专业对本课程要求的基础上，注重更新教学内容，加强素质教育，突出机械创新能力和创新思维的培养。在内容编排上，以设计基础知识—方案设计—零件设计—设计实例为主线，由浅入深，力求重点突出、繁简得当；在文字叙述上，力求简明扼要、语言通达、通俗易懂，以适应各专业学生对本课程学习的需要。本书根据专业需求对内容进行了分层设计，标注“*”号的章节内容可作为近机械类专业学生的选修内容。

本书是在第一版的基础上，添加了重点知识点的讲解视频和动画，并结合教师在实际使用过程中提出的改进意见修订而成的，本次修订主要做了以下几项工作：

（1）增加了重要知识点的讲解视频，读者可通过扫描二维码，解决学习过程中可能产生的疑难问题。

（2）更新了部分参考文献，以准确反映科技领域新理论和新技术的状况。

（3）增加了一些课后习题，便于学生掌握各章的重点和难点内容。

（4）更正了第一版文字、插图与计算中的一些疏漏和错误。

（5）采用了新近颁布的国家标准。

本书由田亚平、李爱姣担任主编，参加本次修订工作的有张强（绪论）、石慧荣（第一章）、李爱姣（第二～五章），曹文翰（第六章）、柳彦虎（第七章）、田亚平（第八章、第九章、第十一～十五章），汪诤（第十章和第十六章）。

在本书的修订过程中，兰州交通大学机电工程学院机械设计系的赵军、刘艳妍、牛卫中、潘丽华等对本书提出了许多宝贵的意见和建议。

在本书出版过程中，中国水利水电出版社的领导和编辑给予了很大的支持与帮助，并付出了辛勤劳动，编者在此表示衷心的感谢！

本书由兰州交通大学机电工程学院机械设计系刘艳妍教授审阅，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，敬请各位专家和广大读者批评指正。

编 者

2023年4月

第一篇 机械设计总论

绪论 1
第一节 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
第二节 本课程的性质、任务和学习方法 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
第一章 机械设计的基础知识 6
第一节 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
第二节 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
第三节 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 16
三、机械零件材料的选择原则 18
第四节 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

第二章 平面机构的结构分析 21
第一节 运动副的分类及机构的组成 21
一、运动副及其分类 21
二、平面机构的组成 23
第二节 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
第三节 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
第三章 平面连杆机构 32
第一节 平面连杆机构及其传动特点 32
第二节 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
第三节 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
第四节 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 43
*第五节 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 45
习题 47
第四章 凸轮机构 50
第一节 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
第二节 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
第三节 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
*第四节 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
第五章 齿轮机构和轮系 63
第一节 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
*第二节 齿廓啮合的基本定律 64
第三节 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
第四节 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
第五节 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
第六节 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
第七节 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
第八节 直齿锥齿轮机构 81
一、直齿锥齿轮齿廓曲面的形成 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
第九节 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
第十节 轮系的分类 87
一、定轴轮系 88
二、周转轮系 88
三、复合轮系 89
第十一节 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
第十二节 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
第六章 间歇运动机构 98
第一节 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
第二节 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
第三节 不完全齿轮机构 102
第四节 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
第七章 机械的平衡与调速 104
第一节 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
第二节 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

第八章 带传动和链传动 111
第一节 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
第二节 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
第三节 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
第四节 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
第五节 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 125
第六节 链传动的特点及应用 126
第七节 传动链的结构特点 127
一、链的种类和结构 127
二、链轮 129
第八节 链传动的主要参数及其选择 130
一、链条速度v 130
二、传动比i 130
三、链轮的齿数z 130
四、链节距p 131
五、中心距a和链条长度L 131
第九节 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
第十节 链传动的布置、张紧、
润滑与维护 134
一、链传动的布置和张紧 134
二、链传动的润滑和维护 134
习题 135
第九章 齿轮传动设计 137
第一节 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
第二节 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
第三节 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
第四节 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 148
一、作用力分析 148
二、斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度
计算 148
三、轮齿弯曲疲劳强度计算 149
第五节 直齿锥齿轮传动的强度计算 152
一、直齿锥齿轮作用力的分析 152
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
第六节 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
第十章 蜗杆传动 159
第一节 普通蜗杆传动的承载能力计算 159
一、蜗杆传动类型概述 159
二、蜗杆传动的失效形式、设计准则
及常用材料 159
三、蜗杆传动的受力分析 160
四、蜗轮轮齿表面的强度计算 161
五、普通圆柱蜗杆传动的精度等级
及其选择 162
第二节 普通蜗杆传动的效率、润滑
及热平衡计算 163
一、蜗杆传动的效率 163
二、蜗杆传动的润滑 163
三、蜗杆传动的热平衡计算 164
第三节 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计 165
习题 168

第四篇 机 械 连 接

第十一章 螺纹连接 170
第一节 螺纹的基本参数 170
一、螺纹的形成及分类 170
二、螺纹的主要参数 171
第二节 螺纹连接的类型和标准连接件 172
一、螺纹连接的类型 172
二、标准螺纹连接件 174
第三节 螺旋副中力的关系、效率和自锁 175
第四节 螺纹连接的预紧和防松 176
一、螺栓的预紧 176
二、螺纹连接的防松 177
第五节 螺栓连接的强度计算 179
一、松螺栓连接的强度计算 179
二、紧螺栓连接的强度计算 179
第六节 螺纹连接件的材料及许用应力 183
一、螺纹连接件的材料 183
二、螺纹连接件的许用应力 184
第七节 螺纹连接件的尺寸参数 185
习题 190
第十二章 轴毂连接 192
第一节 键连接 192
一、键连接的功能、分类、结构形式
及应用 192
二、键的选择和键连接的强度计算 194
第二节 花键连接 195
第三节 无键连接和销连接 196
一、型面连接 196
二、胀紧连接 196
三、销连接 197
习题 197

第五篇 轴系零部件

第十三章 轴承 198
第一节 概述 198
第二节 滑动轴承的主要结构形式 199
一、向心滑动轴承的结构 199
二、推力滑动轴承的结构 200
第三节 滑动轴承的失效形式
和常用材料 200
一、滑动轴承的主要失效形式 200
二、滑动轴承材料 201
第四节 滑动轴承润滑剂和润滑装置 202
一、常用的润滑剂 202
二、常用的润滑装置 203
第五节 非全液体摩擦滑动轴承的计算 205
一、向心轴承 205
二、推力滑动轴承 206
第六节 滚动轴承的结构 206
第七节 滚动轴承的主要类型及其代号 208
一、前置代号 208
二、基本代号 208
三、后置代号 209
第八节 滚动轴承的类型、特点及选择 210
一、滚动轴承的主要类型及特点 210
二、滚动轴承的类型选择 211
第九节 滚动轴承尺寸的选择 211
一、滚动轴承的失效形式 211
二、滚动轴承的基本额定寿命和基本
额定动载荷 212
三、滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式 212
四、滚动轴承的当量动载荷 213
五、角接触轴承轴向载荷的计算 214
六、滚动轴承的静载荷计算 216
第十节 滚动轴承的组合设计 216
一、轴承的配置和固定 217
二、滚动轴承组合的调整 218
三、滚动轴承的配合与拆装 219
四、滚动轴承的润滑与密封 220
第十一节 滚动轴承的标准 221
习题 226
第十四章 联轴器、离合器和制动器 227
第一节 联轴器及其选择 227
一、联轴器的功用 227
二、联轴器的分类 227
三、常用联轴器的结构和特点 228
四、联轴器类型的选择原则 230
五、联轴器型号、尺寸的确定 230
第二节 离合器 231
一、离合器的分类 231
二、常见的离合器 231
第三节 制动器 233
一、制动器的功用 233
二、常用制动器的结构和特点 233
习题 234
第十五章 轴 235
第一节 概述 235
第二节 轴的材料和结构 236
一、轴的材料 236
二、轴的结构 237
三、各轴段直径和长度的确定 239
第三节 轴的计算 239
一、轴的强度校核计算 239
二、轴的刚度计算 244
习题 245

第六篇 机械设计实例

第十六章 减速器设计 247
第一节 减速器的类型及结构 247
一、减速器的类型 247
二、减速器的结构 248
第二节 减速器的常用附件 250
第三节 减速器课程设计 250
一、减速器课程设计的目的 250
二、减速器设计的内容和任务 251
三、设计数据 252
第四节 单级圆柱齿轮减速器样图 252
一、圆柱齿轮样图 252
二、转轴样图 253
三、装配图样图 254
参考文献 256

1. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
2. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
3. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
4. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
5. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
6. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
7. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
8. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
9. 电工电子技术基础 [主编 刘 军 杨国龙 刘天成]
10. MySQL数据库项目式教程 [陈亚峰]
11. 画法几何与机械制图 [主编 赵军]
12. C语言程序设计习题与实验指导（第二版） [主编 甄增荣 张宾]
13. C语言程序设计（第二版） [主编 甄增荣 田云霞]
14. Unity3D虚拟现实应用开发实践 [主 编 刘龙]
15. 智能化技术基础（第三版） [邓文达　李礼]
16. 面向对象程序设计 [主编 张勇 张平华 赵小龙]
17. 网络营销 [主编 夏薇薇 刘婷 尚洁]
18. 电视节目策划与制作（微课版） [主　编　黄滴滴]
19. 数据库技术与应用实践教程（SQL Server 2019） [主 编 严晖 周肆清]
20. 大学应用数学 [主编 郭立娟]
21. 工业机器人拆装与调试 [主编 胡月霞 向艳芳 朱奇]
22. 功能材料制备与表征实验指导书 [龚伟平 赵军峰 梅海娟 等编著]
23. 信号与系统（第二版） [主编 张宇]
24. 信息技术基础 [主编 唐倩 邵锐]
25. Python 语言程序设计实践指导 [主编　张双狮]
26. Photoshop 图形图像项目化教程 [主编 胡斌斌 黎娅 苏大椿]
27. 体育舞蹈教程 [主编 刘伟 陈志明 曾明]
28. 线性代数导学篇 [主编 史昱]
29. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
30. 大学生创新创业基础 [主编 姜国权 姜福佳]