本书将机械原理与机械设计的内容有机地结合在一起，突出应用性，加强设计技能的培养，适应了目前教学改革的需要。《机械设计基础》除绪论外共分18章，包括机械设计概述，摩擦、磨损及润滑概述，平面机构的结构分析，平面连杆机构，凸轮机构，间歇运动机构，螺纹连接与螺旋传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动，齿轮系，机械传动设计，轴和轴毂连接，轴承，其他常用零部件，机械的平衡与调速，机械设计CAD简介等内容。各章内容基本上按照工作原理、结构、强度计算、使用及维护的顺序编写，并配有一定数量的思考题和复习题供学习时选用。

图书信息1(内容提要 图书目录)

图书信息2(内容简介 前言 目录 部分章节)

图书信息1

ISBN：9787040221305 [十位:7040221306]

作/译者：陈立德

出版社：高等教育出版社

出版日期：2007年01月

页数：350

约重：0.532Kg

定价：￥28.10

内容提要

《机械设计基础》可作为高等职业学校、高等专科学校、成人高校及本科院校举办的二级职业技术学院机械类及近机类专业的教学用书,也可供有关工程技术人员参考。

图书目录

绪论

0.1 机器的组成及特征

O.2 本课程的内容、性质和任务

0.3 学习方法

第1章 机械设计概述

1.1 机械设计的基本要求

1.2 机械设计的内容与步骤

1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则

1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化

复习题

第2章 摩擦、磨损及润滑概述

2.1 摩擦与磨损

2.2 润滑

2.3 密封方法及装置

复习题

第3章 平面机构的结构分析

3.1 机构的组成

3.2 平面机构的运动简图

3.3 平面机构的自由度

复习题

第4章 平面连杆机构

4.1 概述

4.2 平面机构的运动分析

4.3 平面机构的力分析

4.4 四杆机构的基本型式及演化

4.5 平面四杆机构的基本特性

4.6 平面四杆机构的设计

复习题

第5章 凸轮机构

5.1 概述

5.2 常用的从动件运动规律

5.3 盘形凸轮轮廓的设计与加工方法

5.4 凸轮机构基本尺寸的确定

5.5 凸轮机构的结构和精度

复习题

第6章 间歇运动机构

6.1 棘轮机构

6.2 槽轮机构

6.3 不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构

复习题

第7章 螺纹连接与螺旋传动

7.1 螺纹连接的基本知识

7.2 螺纹连接的预紧与防松

7.3 单个螺栓连接的强度计算

7.4 螺栓组连接的结构设计和受力分析

7.5 螺纹连接件的材料和许用应力

7.6 提高螺栓连接强度的措施

7.7 滑动螺旋传动简介

7.8 滚动螺旋传动简介

复习题

课堂讨论题

附表

第8章 带传动

8.1 概述

8.2 V带和带轮的结构

8.3 带传动的工作能力分析

8.4 V带传动的设计

8.5 带传动的张紧、安装与维护

8.6 同步带传动

复习题

第9章 链传动

9.1 概述

9.2 滚子链和链轮

9.3 链传动的运动特性

9.4 滚子链传动的设计计算

9.5 链传动的布置、张紧及润滑

复习题

第10章 齿轮传动

10.1 齿轮传动的特点和基本类型

10.2 渐开线齿轮的齿廓及传动比

10.3 渐开线标准直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸计算

10.4 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动

10.5 渐开线齿轮的加工方法

10.6 渐开线齿廓的根切现象与标准外啮合直齿轮的最少齿数

10.7 变位齿轮传动

10.8 齿轮常见的失效形式与设计准则

10.9 齿轮的常用材料及许用应力

10.10 渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算

10.11 平行轴斜齿圆柱齿轮传动

10.12 直齿锥齿轮传动

10.13 齿轮的结构设计及齿轮传动的润滑和效率

10.14 标准齿轮传动的设计计算

复习题

课堂讨论题

第11章 蜗杆传动

11.1 蜗杆传动的类型和特点

11.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算

11.3 蜗杆传动的失效形式和计算准则

11.4 蜗杆传动的材料和结构

11.5 蜗杆传动的强度计算

11.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算

11.7 普通圆柱蜗杆传动的精度等级选择及安装和维护

11.8 常用各类齿轮传动的选择

复习题

第12章 齿轮系

12.1 定轴齿轮系传动比的计算

12.2 行星齿轮系传动比的计算

12.3 齿轮系的应用

12.4 其他新型齿轮传动装置简介

12.5 减速器

复习题

第13章 机械传动设计

13.1 概述

13.2 常用机械传动机构的选择

13.3 机械传动的特性和参数

13.4 机械传动的方案设计

13.5 机械传动的设计顺序

复习题

第14章 轴和轴毂连接

14.1 概述

14.2 轴的结构设计

14.3 轴的强度计算

14.4 轴的材料及选择

14.5 轴的设计

14.6 轴毂连接

复习题

第15章 轴承

15.1 轴承的功用和类型

15.2 滚动轴承的组成、类型及特点

15.3 滚动轴承的代号

15.4 滚动轴承类型的选择

15.5 滚动轴承的工作情况分析及计算

15.6 滚动轴承的选择

15.7 滚动轴承的组合设计

15.8 滑动轴承概述

15.9 滚动轴承与滑动轴承的性能比较

复习题

课堂讨论题

附表

第16章 其他常用零部件

16.1 联轴器

16.2 离合器

16.3 弹簧

复习题

第17章 机械的平衡与调速

17.1 概述

17.2 回转件的静平衡

17.3 回转件的动平衡

17.4 机器速度波动的调节

复习题

第18章 机械设计CAD简介

18.1 概述

18.2 典型CAD/CAM软件简介

18.3 系统间的数据转换接口技术

复习题

参考文献

图书信息2

书名：机械设计基础（第3版）

书号：9787302239536

作者：45元

定价：郭仁生

出版日期：2011-1-1

出版社：清华大学出版社

内容简介

机械设计基础”是高等职业技术教育和高等专科教育机械设计与制造类和机电工程类专业的主干课程。

全书内容分为5篇： 第1篇“机械设计概论和机构结构”主要介绍机械设计概论、现代设计方法应用概述及平面机构的结构分析，是机构和机械设计的共性基础知识；第2篇“常用机构”主要从传递运动的角度介绍一些常用机构（如平面连杆机构、凸轮机构、轮系及其他常用机构）的工作原理、应用和运动设计方法；第3篇“机械传动”主要从传递动力的角度讲述一些常见的机械传动（如带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等）的工作原理、标准规范和设计计算方法；第4篇 “轴系零部件”主要介绍轴系（包括滑动轴承、滚动轴承、轴及轴系、联轴器、离合器和制动器等主要零部件）的工作原理、组合设计和选用计算方法；第5篇“机械连接”介绍常用机械连接（包括键、销和螺纹连接）和弹性连接（弹簧）的工作原理、标准规范和计算方法。

本书在各个章节中都有许多机械设计计算、分析和作图等的能力训练案例，以及典型零件工作图，并且摘录了部分机械设计常用的标准和规范。书后还附有凸轮机构设计和运动分析、圆柱齿轮传动设计计算和转轴强度计算等的Matlab程序及应用实例。

本书可以作为高等职业技术教育和高等专科教育机械设计与制造类和机电工程类专业“机械设计基础”课程的教材，也可供有关专业的读者和工程技术人员参考。

与本书配套的教学课件可从清华大学出版社网站下载。

前言

高等职业技术教育和高等专科教育是高等教育的重要组成部分，其目标是培养生产、服务、技术和管理第一线的高级应用型人才，这是一种以横向扩展能力为主、纵向延伸能力为辅的实用人才。随着科学技术的不断发展，新的产业不断产生，新技术、新工艺、新设备、新材料、新系统和新软件等不断涌现，要把最新的技术成果转换成为生产力，相应的高级应用型人才是非常关键的。高等职业技术教育和高等专科教育是职业教育的高等层次，是教育为经济发展服务的一个重要结合点，是把我国的人力优势转化为智力优势、把智力优势转换为生产力的重要桥梁。

高等职业技术教育注重以职业道德为重点的思想品德教育，它以技术应用为本位，建立以职业能力为中心的教学体系。遵照高等职业技术教育的教学特色和教学开发精神，在构建学生专业知识结构和培养专业技能方面，学生应当具有“必需”、“够用”和相对宽而浅的知识结构，能够依托专业基本理论和实践技能，具备向相关专业渗透和连接的实践能力，表现在掌握丰富的与相关专业的“接口”能力上。在教学内容上，将课程中以理论教学为主的内容，转变为以实践教学为主的内容；在教学安排上，将课程中以理论体系传授为主的教学，转变为以专业运作能力训练为主的教学。从与21世纪我国社会主义现代化建设要求相适应的生产、服务、技术和管理第一线需要大量高级应用型人才的角度出发，加强对学生素质和综合职业能力的培养，特别是注重对学生运用知识、创新意识、合作精神和适应能力的培养。

“机械设计基础”是高等职业技术教育和高等专科教育机械设计制造类专业的主干课程。为了推动高职和高专相关专业的教学改革，适应“机械设计基础”教学和实训的需要，按照课程在专业知识能力结构中的地位和课程教学目标，编写出有高等职业技术教育和高等专科教育特色、面向21世纪的教材，中国高等职业教育研究会和清华大学出版社于2000年4月在深圳职业技术学院召开了高职和高专机电类教学改革与教材建设研讨会，参加《机械设计基础》教材编写组的10多所高等学校教师在专业建设和课程教学改革实践的基础上，通过认真讨论拟定的编写大纲和达成的共识，进行了通力合作，精心编写了本书。

“机械设计基础”课程的开发要强调适当综合化和适当实施化。本书按照课程内容本身的内在联系和模块教学要求，建立“机械设计概论和机构结构”、“常用机构”、“机械传动”、“轴系零部件”和“机械连接”等5个模块。在教材内容上力求降低重心、拓宽面向、精选知识点，更新内容、突出应用，采用新颁布的国家标准规范。叙述简明扼要，减少对公式的推演，讲求实用，方便教学。书中打“?”号的内容是为了拓宽和延伸与该课程密切相关的知识面，以求做好与现代科学技术成果的接口，供不同专业在教学中酌情取舍。

在知识经济时代，机械的常规设计方法必须有现代设计方法的理念，才有生命力。现代设计方法涉及的内容十分广泛，本书力图从高等职业技术教育的特色和层次出发，叙述和讨论有关的问题，主要包括计算机辅助设计、优化设计和创新设计等基本知识和概念，使学生在已有基础上对此有一个新的概念和思维方法，从而达到整体优化学生的知识、能力和素质，特别是培养设计思想、设计方法和创新思维能力的目的。

本书自2001年出版发行以来，被许多高职高专院校师生选用。为了适应高职高专人才培养模式的改革和科技发展进步，在第1版基础上作了进一步的修改、补充和完善，在2005年出版了第2版，并在2006年被教育部审定为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。为了进一步实施高等职业技术教育对技术应用和高技能人才的培养模式，突出课程教学的能力目标和知识目标，结合工学和精品课程建设的成果，第3版增添了许多能力训练案例，便于教师讲授和引导，也便于学生自学和应用。该书作为“机械设计基础”课程教学内容和教学方法的知识载体，其体系结构和内容力求反映科学技术的发展和需求，符合高职高专相关专业的教学特点和学生的认知规律；在表现形式和陈述方式上，能够引导学生利用已有的知识去学习和探索新知识、新技术，有助于教师、学生和教材之间的交流，有利于理论教学与实践教学的结合，使教师在教材的平台上可以创造性地进行教学活动。

本书由佛山职业技术学院郭仁生（第1～4, 6, 10章和附录）、苏州工业园职业技术学院魏宣燕（第12～15章）、北京联合大学机械工程学院张京辉（第8, 9和11章）、广东轻工职业技术学院王军（第5和7章）和韶关学院黄晨华（第16和17章）等编著，郭仁生担任主编并对全书统稿，魏宣燕担任副主编。

本书第1版由华南理工大学谢存禧教授精心审阅，第3版由吉林工业职业技术学院栾学钢教授精心审阅，提出了许多宝贵意见，编者在此表示衷心的感谢。

恳请读者对书中的缺点和不妥之处进行指正。

编 者2010年10月

目录

目 录

第1篇 机械设计概论和机构结构

第1章 机械设计概论1

1.1 课程概论1

1.1.1 机械的概念和组成1

1.1.2 机械设计发展概述4

1.1.3 本课程的内容、基本要求和学习特点5

1.2 机械设计过程6

1.3 功能原理设计8

1.3.1 功能原理设计的特点8

1.3.2 功能分析8

1.3.3 功能类型和求解思路9

1.4 机械设计约束12

1.4.1 承载能力约束12

1.4.2 技术性能约束15

1.4.3 标准化约束16

1.4.4 产品成本约束16

1.4.5 可持续发展约束16

1.5 机械结构设计17

1.5.1 零件的相关与结构要素17

1.5.2 结构设计的基本要求18

1.5.3 结构设计的构型变换20

1.5.4 结构设计准则21

思考和实训习题30

第2章 现代设计方法应用概述32

2.1 计算机辅助设计32

2.1.1 概述32

2.1.2 编制CAD程序的方法34

??2.2 优化设计39

2.2.1 概述39

2.2.2 优化设计的数学模型40

2.2.3 优化问题的数值解法42

2.2.4 运用Matlab优化工具箱函数求解优化设计问题概述43

??2.3 创新设计45

2.3.1 创新设计的实质46

2.3.2 创造性思维的特点和类型46

2.3.3 创新设计的概念和解决原理48

2.3.4 机械创新设计应用实例49

思考和实训习题51

第3章 机构结构分析54

3.1 平面机构的组成54

3.2 平面机构运动简图58

3.3 平面机构自由度和运动确定性61

3.3.1 平面机构的自由度61

3.3.2 机构自由度计算中的特殊情况处理61

3.3.3 平面机构具有确定运动的条件62

思考和实训习题65

第2篇 常 用 机 构

第4章 平面连杆机构69

4.1 平面连杆机构的类型和应用70

4.1.1 铰链四杆机构70

4.1.2 滑块四杆机构74

4.1.3 运动副变换77

4.2 平面连杆机构的基本特性79

4.2.1 急回特性79

4.2.2 传力分析80

??4.3 平面连杆机构的运动分析84

4.4 平面连杆机构的运动设计85

4.4.1 按照给定连杆位置设计铰链四杆机构85

4.4.2 按照给定行程速度变化系数设计四杆机构85

4.4.3 铰链四杆机构的运动几何方程87

4.4.4 按照给定的两连架杆对应位置设计铰链四杆机构88

4.5 多杆机构的应用90

思考和实训习题92第5章 凸轮机构94

5.1 凸轮机构的类型和应用94

5.1.1 凸轮机构的组成和类型94

5.1.2 凸轮机构的特点与应用97

5.2 从动件基本运动规律97

5.2.1 从动件基本运动规律的运动方程和线图98

5.2.2 从动件运动规律的选择101

5.3 凸轮轮廓设计103

5.3.1 用图解法设计凸轮轮廓103

5.3.2 用解析法设计凸轮轮廓106

5.3.3 凸轮机构的计算机辅助设计109

5.4 凸轮机构基本参数和尺寸的确定112

5.4.1 凸轮机构的压力角及许用值112

5.4.2 凸轮基圆半径的确定113

5.4.3 滚子半径的确定114

5.5 凸轮机构的结构、材料和工作图117

5.5.1 凸轮和从动件的结构117

5.5.2 凸轮和从动件的材料及选择119

5.5.3 凸轮工作图120

思考和实训习题120

第6章 轮系123

6.1 定轴轮系123

6.1.1 定轴轮系传动比124

6.1.2 定轴轮系传动比符号的确定方法125

6.1.3 定轴轮系各级传动比的分配125

6.2 行星轮系125

6.2.1 行星轮系的分类126

6.2.2 行星轮系的传动比126

6.2.3 行星轮系传动比符号的确定方法128

6.3 组合轮系128

6.4 轮系的功用129

??6.5 其他行星传动简介133

6.5.1 渐开线少齿差行星传动133

6.5.2 摆线针轮行星传动134

6.5.3 谐波齿轮传动134

思考和实训习题135

第7章 其他常用机构137

7.1 棘轮机构137

7.1.1 棘轮机构的组成和工作原理137

7.1.2 棘轮机构的类型、特点和应用138

7.1.3 棘轮机构的应用实例139

7.1.4 棘轮机构的基本参数和几何尺寸141

7.2 槽轮机构144

7.2.1 槽轮机构的组成和工作原理144

7.2.2 槽轮机构的类型、特点和应用144

7.2.3 槽轮机构的基本参数和尺寸145

7.2.4 槽轮机构的运动特性147

7.3 螺旋机构150

7.3.1 螺旋机构的工作原理和类型150

7.3.2 螺纹的形成和分类151

7.3.3 螺纹的基本参数和尺寸154

7.3.4 螺旋机构的运动分析155

7.3.5 螺旋副的效率和自锁156

7.3.6 滑动螺旋副的材料和结构特点157

??7.4 机构的组合与应用159

7.4.1 机构的串联式组合159

7.4.2 机构的并联式组合160

7.4.3 机构的反馈式组合161

7.4.4 机构的复合式组合161

7.5 机构的选型与应用162

思考和实训习题166

第3篇 机 械 传 动

第8章 带传动169

8.1 带传动的工作原理和应用170

8.1.1 带传动的工作原理170

8.1.2 带传动的类型、特点和应用170

8.2 带传动的受力分析和应力分析171

8.2.1 受力分析171

8.2.2 应力分析172

8.3 带传动的弹性滑动与失效形式173

8.4 V带和V带轮175

8.4.1 V带结构和基本尺寸175

8.4.2 V带轮的材料、结构与工作图177

8.5 带传动的安装和张紧180 8.6 V带传动选用计算182

8.6.1 设计准则和V带的许用功率182

8.6.2 V带传动选用计算的主要步骤186

思考和实训习题192

第9章 链传动194

9.1 链传动的特点、类型和传动件结构参数194

9.1.1 链传动的组成、特点和类型194

9.1.2 链传动的传动件结构参数196

9.2 链传动的运动分析和受力分析200

9.2.1 链传动的运动分析200

9.2.2 链传动的受力分析202

9.3 链传动的选用计算203

9.3.1 链传动的失效形式203

9.3.2 滚子链的功率曲线204

9.3.3 链传动基本参数的选择207

9.3.4 链传动选用计算内容208

9.4 链传动的布置、张紧和润滑210

9.4.1 链传动的布置210

9.4.2 链传动的张紧211

9.4.3 链传动的润滑211

思考和实训习题212

第10章 齿轮传动213

10.1 齿轮传动的特点和类型214

10.1.1 齿轮传动的特点214

10.1.2 齿轮传动的类型214

10.2 齿轮啮合基本定律与渐开线齿廓215

10.2.1 齿廓啮合基本定律215

10.2.2 齿廓间的相对滑动216

10.2.3 渐开线齿廓217

10.3 渐开线标准齿轮的基本参数和尺寸218

10.3.1 齿轮的基本尺寸218

10.3.2 渐开线标准齿轮的基本参数219

10.3.3 标准齿轮的基本尺寸计算219

10.4 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动221

10.4.1 渐开线齿廓传动特性221

10.4.2 渐开线齿轮的正确啮合条件222

10.4.3 渐开线齿轮的连续传动条件223

10.4.4 内齿轮和齿条224

10.5 渐开线齿形的加工和尺寸检验225

10.5.1 渐开线齿形的加工原理225

10.5.2 渐开线齿廓的根切问题227

10.5.3 渐开线齿轮的尺寸检验228

10.6 变位齿轮传动229

10.6.1 变位齿轮的概念229

10.6.2 变位齿轮的齿形特点和尺寸变动230

10.6.3 变位齿轮的传动类型和应用231

10.7 斜齿圆柱齿轮传动234

10.7.1 斜齿圆柱齿轮齿面的形成和特点234

10.7.2 斜齿圆柱齿轮的基本参数和尺寸235

10.7.3 斜齿轮的当量齿数237

10.7.4 交错轴斜齿轮传动238

10.8 圆锥齿轮传动239

10.8.1 直齿圆锥齿轮齿廓曲面的形成239

10.8.2 圆锥齿轮的背锥和当量齿数239

10.8.3 直齿圆锥齿轮的基本参数和尺寸240

??10.8.4 圆柱圆锥齿轮传动简介241

10.9 齿轮传动设计243

10.9.1 齿轮轮齿的失效形式、常用材料和设计约束243

10.9.2 圆柱齿轮传动的受力分析246

10.9.3 圆柱齿轮承载能力计算248

10.9.4 圆柱齿轮传动的精度等级及选用252

10.9.5 齿轮传动设计准则253

10.9.6 圆柱齿轮传动的计算机辅助设计256

10.9.7 直齿圆锥齿轮的强度计算257

10.10 齿轮结构、工作图和传动润滑259

10.10.1 齿轮结构259

10.10.2 齿轮工作图260

10.10.3 齿轮传动的润滑260

??10.11 圆弧齿轮传动简介262

思考和实训习题263

第11章 蜗杆传动266

11.1 蜗杆传动概述266

11.1.1 蜗杆传动的类型266

11.1.2 蜗杆传动的特点和应用267

11.2 蜗杆传动的基本参数和尺寸268

11.2.1 蜗杆传动的基本参数268

11.2.2 蜗杆传动的基本尺寸270

11.2.3 蜗杆传动的变位271

11.3 蜗杆传动的承载能力计算272

11.3.1 蜗杆传动的失效形式272

11.3.2 蜗杆传动的材料和许用应力272

11.3.3 蜗杆传动的受力分析273

11.3.4 蜗杆传动的强度条件274

11.4 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡275

11.4.1 蜗杆传动的滑动速度275

11.4.2 蜗杆传动的效率275

11.4.3 蜗杆传动的润滑277

11.4.4 蜗杆传动的热平衡计算277

11.5 蜗杆与蜗轮的结构和工作图279

11.5.1 蜗杆结构279

11.5.2 蜗轮结构279

11.5.3 蜗杆和蜗轮工作图280

思考和实训习题283

第4篇 轴系零部件

第12章 滑动轴承285

12.1 滑动轴承的工作原理286

12.1.1 滑动轴承简介286

12.1.2 滑动摩擦的类型286

12.1.3 滑动轴承设计中的基本问题287

12.2 滑动轴承的分类和结构特点287

12.2.1 滑动轴承的分类287

12.2.2 推力滑动轴承288

12.2.3 特殊结构轴承简介289

12.3 滑动轴承的材料和轴瓦结构289

12.3.1 滑动轴承的材料289

12.3.2 轴瓦的结构290

12.4 滑动轴承的润滑和配合292

12.4.1 润滑剂及其选用原则292

12.4.2 润滑装置293

12.4.3 滑动轴承润滑方式的选择293

12.4.4 滑动轴承的配合294 12.5 非液体润滑滑动轴承的计算294

12.5.1 径向滑动轴承295

12.5.2 推力滑动轴承295

??12.6 液体动压滑动轴承和静压滑动轴承简介297

12.6.1 液体动压滑动轴承297

12.6.2 液体静压滑动轴承297

思考和实训习题298

第13章 滚动轴承299

13.1 滚动轴承的组成、类型和特点299

13.1.1 滚动轴承的组成300

13.1.2 滚动轴承的类型、特点及应用300

13.2 滚动轴承的代号及类型选择304

13.2.1 滚动轴承的代号304

13.2.2 滚动轴承类型的选择307

13.3 滚动轴承寿命计算308

13.3.1 滚动轴承的失效形式及计算准则308

13.3.2 滚动轴承的基本额定寿命和基本额定动载荷309

13.3.3 滚动轴承的寿命计算公式310

13.3.4 滚动轴承的当量动载荷计算311

13.3.5 角接触轴承的轴向载荷313

13.3.6 滚动轴承的静强度计算314

??13.4 陶瓷滚动轴承与滚动导轨简介321

13.4.1 陶瓷滚动轴承321

13.4.2 滚动导轨322

思考和实训习题323

第14章 轴及轴系324

14.1 轴的概述324

14.1.1 轴的功用与分类324

14.1.2 轴的设计中应考虑的问题325

14.2 轴的材料与强度计算326

14.2.1 轴的材料与机械性能326

14.2.2 轴径的估算和强度计算327

14.3 轴及轴系的结构设计331

14.3.1 轴的结构设计331

14.3.2 轴的工作图335

14.3.3 轴系的结构设计336

思考和实训习题341第15章 联轴器、离合器与制动器343

15.1 联轴器343

15.1.1 固定式刚性联轴器344

15.1.2 移动式刚性联轴器346

15.1.3 弹性联轴器347

15.2 离合器348

15.2.1 嵌合式离合器348

15.2.2 摩擦式离合器349

15.3 制动器351

15.3.1 抱块式制动器351

15.3.2 内涨式制动器351

15.3.3 带式制动器352

思考和实训习题352

第5篇 机 械 连 接

第16章 连接355

16.1 键连接356

16.1.1 键连接的功用和分类356

16.1.2 平键连接的选择和计算358

16.1.3 花键连接的类型、标准和选用359

16.2 销连接360

16.3 螺纹连接361

16.3.1 螺纹连接的基本类型和螺纹连接件361

16.3.2 螺纹连接的预紧和防松365

16.3.3 螺栓组的布置和受力分析366

16.3.4 螺栓连接的强度计算372

16.3.5 螺栓连接件的材料和许用应力374

16.3.6 提高螺栓连接强度的结构设计374

思考和实训习题378

第17章 弹簧380

17.1 概述380

17.1.1 弹簧的类型、特点和应用380

17.1.2 弹簧的材料和制造380

17.2 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的几何参数和特性曲线383

17.2.1 圆柱螺旋弹簧的结构383

17.2.2 基本参数和几何尺寸384

17.2.3 圆柱螺旋弹簧的特性曲线385

17.3 圆柱螺旋弹簧的设计计算386

17.3.1 强度计算386

17.3.2 刚度计算387

17.3.3 稳定性校核388

?*17.4 非金属弹簧简介389

17.4.1 橡胶弹簧389

17.4.2 空气弹簧389

思考和实训习题392

附录A Matlab设计计算程序和应用实例393

A1 凸轮机构设计和运动分析393

A2 圆柱齿轮传动设计计算399

A3 转轴强度计算406

参考文献409

部分章节

第3章 机构结构分析机器是由各种各样的机构所组成的机械系统，机构在机械系统中起着运动传递和运动形式转换的作用。无论是分析一个现有的机构还是创新设计一个新的机构，都需要判断一个机构的运动与哪些因素有关，以及它是否具有确定的相对运动，这是对机构进行结构分析的基本任务。 教学目标： 1. 知识目标(1) 掌握机器的主要组成和各部分的功能。(2) 掌握机构、零件、构件、运动副、约束与自由度等概念。(3) 掌握平面机构运动简图的结构要素。(4) 掌握平面机构的结构公式，识别和处理机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束。2. 能力目标(1) 具有绘制和读懂平面机构运动简图，运用机构示意图表达机构设计构思的能力。(2) 具有分析机构的组成，计算机构自由度，实现机构运动的确定性的能力。3.1 平面机构的组成若组成机构的所有构件都在同一平面或是相互平行的平面内运动，则称该机构为平面机构，否则称为空间机构(例如蜗杆传动、圆锥齿轮传动、万向铰链机构等). 机构是具有确定运动的构件系统，其组成要素有构件和运动副。1. 构件和零件机构是由构件组成的，构件在机构中具有独立运动的特性，它是机构的运动单元。若干构件通过彼此之间既具有一定约束又具有一定相对运动的连接，组成了机构。为了结构和工艺的需要，通常构件是由若干个零件刚性连接成一个整体。零件是机器中不可拆卸的基本单元，称为制造单元。例如，图3-1所示的内燃机曲柄滑块机构中包含有活塞(滑块)、连杆、曲轴(曲柄)和汽缸等构件，原动件活塞的直线往复移动，通过连杆带动曲轴作连续转动。其中，连杆构件是由连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等零件刚性联结所组成的。曲轴是一个构件，也是一个零件。在组成机构的所有构件之中，必须以一个相对固定的构件作为支持和安装其他活动构件的机架(如图3-1中的汽缸)。一般取机架作为研究机构运动的静参考系。在活动构件中，输入已知运动规律的构件称为原动件，其他的活动构件组成从动件系统。需要指出，随着现代科技的发展，构件的概念不再局限于刚体，在某些情况下弹性件、电磁、气体和液体等广义构件也参与实现预期的机械运动。图3-1 内燃机中的曲柄滑块机构和连杆 2. 运动副在机构中，两个构件之间既具有一定约束又具有一定相对运动的连接称为运动副。机构各个构件之间的运动和力的传递，都是通过运动副来进行的。两个构件构成运动副的接触元素有点、线或面，称为运动副元素。凡是通过面接触而构成的运动副称为低副。根据组成平面低副的两个构件之间相对运动的性质，又可分为转动副(图3-2(a)，两个构件只能绕铰链轴线z在一个平面内作相对转动)和移动副(图3-2(b)，两个构件只能沿着轴线x方向的导路作相对移动)。凡是通过点或线接触而构成的运动副称为高副(如图3-2(c)所示的凸轮副，以及如图3-2(d)所示的齿轮副). 图3-2 平面运动副示例及其符号转动副的常见结构如图3-3所示。其中，图(a)是轴与滑动轴承支座之间的可动连接(构件1与销轴3通过过盈配合固连，构件2绕销轴转动)；图(b)是轴与支座之间的滚动轴承转动副。图3-3 转动副的常见结构移动副的接触面有平面、棱柱面和圆柱面等，常见结构如图3-4所示。其中，图(a)是常见的平面移动副；图(b)是轮毂与轴之间的滑键连接；图(c)是机床滑动导轨；图(d)是滚动导轨。图3-4 移动副的常见结构及其符号3. 自由度与约束一个构件在三维坐标系的空间运动可以分解为分别沿x轴、y轴和z轴的移动和绕x轴、y轴和z轴的转动，共有6个独立运动。一个构件的平面运动可以分解为分别沿x轴、y轴的移动和绕一根垂直于平面的轴的转动，共有3个独立运动。构件在任一时刻的位置，可以由构件上任意一点的坐标(x,y)以及过该点的直线与x轴的夹角φ等3个独立参数来描述。例如，图3-7(b)所示的构件2的图示位置可以用其上A点的坐标A(x,y)和它与x轴的夹角φ?2来确定，构件这种独立运动的数目称为自由度。因此一个作平面运动的自由构件有3个自由度。当一个构件与其他构件组成运动副后,构件的某些独立运动就要受到限制,自由度减少，这种对构件独立运动的限制称为约束。两个构件之间相对约束的数目和性质取决于运动副的形式。如图3-2所示平面运动副，若以构件1为参照，则构件2的自由度与约束情况归纳于表3-1. 顺便指出，对于图3-5所示的几种常见空间运动副，图(a)球面副中的构件2沿着x轴、y轴和z轴3个方向的移动受到限制，但是可以绕x轴、y轴和z轴转动，它的约束数为3，相对自由度为3。图(b)所示球销副与球面副相比，增加了构件2绕某轴转动的限制，它的约束数为4，相对自由度为2。图(c)所示螺旋副中的构件2虽然可以沿轴线方向移动和绕该轴转动，但是这两种运动是相互关联而不能相互独立的，它的约束数为5，相对自由度为1. 表3-1 平面运动副的自由度与约束运 动 副自 由 度约 束低副转动副(图3-2(a))构件2可以绕与?xOy?平面垂直的?z?轴转动，自由度为1构件2沿着?x?轴和?y?轴两个方向的移动受到限制，约束数为2移动副(图3-2(b))构件2可以沿着?x?轴方向移动，自由度为1构件2沿着?y?轴方向的移动和绕与?xOy?平面垂直的?z?轴转动受到限制，约束数为2高副(图3-2(c)和(d))构件2可以沿着接触点公切线?t?-?t?方向移动和绕接触点转动，自由度为2构件2沿着接触点公法线?n?-?n?方向的移动受到限制，约束数为1图3-5 空间运动副及其符号 4. 运动链和机构两个以上的构件通过运动副连接组成的系统称为运动链，分为闭链和开链两种。在一个闭式的运动链中，每个构件至少包含两个运动副元素。如果其中每个构件都只有两个运动副元素的为单闭环链(图3-6(a))，而其中1个或1个以上的构件有3个或3个以上运动副元素的为多闭环链(图3-6(b))。同一运动链，在指定不同的构件作为机架时，可以得到不同的机构。机械中绝大部分机构都由闭链组成，所以闭链是构成机构的基础。只要有1个构件仅含1个运动副元素的都是开链(图3-6(c))，机械手和工业机器人则是开链的具体应用(如图3-6(d)，构件1前臂仅在A处有1个转动副元素). 图3-6 运动链(a) 单闭环运动链； (b) 多闭环运动链； (c) 开环运动链； (d) 开链机械手当运动链中有 1个构件被指定为机架，若干个构件为主动件，从而使整个组合体具有相对于机架的确定运动规律时，运动链即成为机构。3.2 平面机构运动简图机构中各从动件的运动是由原动件的运动规律，及其各运动副的类型、数目和机构的运动学尺寸(如转动副的中心位置、转动副的中心到移动副导路的中心线的距离、移动副导路中心线之间的夹角、高副接触点的位置等)决定的，与构件的外形、断面形状和尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体结构等因素无关。对机构进行运动和动力分析，或者对机构的结构进行分析时，不需考虑与机构运动无关的因素，采用规定的运动副符号和代表构件的线条，并且按照运动学尺寸的比例，画出表示机构运动特性的机构运动简图，它是对机构进行分析和设计的几何模型。有时，只是为了表明机构的运动状态和各个构件的连接关系，不严格按照比例绘制的机构运动简图称为机构示意图。常用构件和运动副的简图符号见表3-2. 能力训练案例3-1 画出冲床(图3-7(a))的机构运动简图。解: (1) 冲床机构的组成和运动分析。冲床机构的偏心轮2(其几何中心A与转动中心O?1不重合)在驱动电机的带动下按顺时针方向等速转动，通过构件3, 4和5带动冲头6作上下往复移动，完成冲压工艺动作。其中，运动规律已知的偏心轮2是原动件，构件1是相对地面静止不动的机架，其余构件3, 4, 5和冲头6组成从动件系统。(2) 根据各个构件之间的相对运动性质，确定机构的运动副类型和数目： ?机架1转动副?O??1偏心轮2转动副?A?连杆3转动副?B?连架杆4转动副?O??2机架1转动副?C?连杆5转动副?D?滑块6移动副机架1?可见，连杆3分别与偏心轮2、连架杆4和连杆5构成转动副(中心分别是A、B和C)；滑块6与连杆5构成转动副(中心是D)，与机架1构成移动副(导路在过O?2点的垂直线上)。冲床机构共含有6个转动副和1个移动副。(3) 选择与机构运动平面相平行的平面作为绘制机构运动简图的视图平面，并且选择适当的长度比例尺μ?l=构件实际长度/构件图样长度(单位： m/mm或mm/mm)，确定机构的有关运动学尺寸，按照规定的运动副和构件符号，绘制出机构的运动简图(图3-7(b)). (4) 从原动件开始，按机构传动顺序标出各构件的编号(数字)和运动副的代号(大写英文字母)，并且在原动件上标出箭头以表示其运动方向。说明： ①本例中的连杆3与偏心轮2用转动副连接，其转动中心就是偏心轮的几何中心A。因此，两个构件组成转动副时，在画机构的运动简图时不用考虑转动副圆柱实际直径的大小，只需要在它的转动中心处用小圆圈表示即可。②由于其中构件3上有A、B和C 3个转动副元素，所以这是一个多闭环运动链组成的机构。表3-2 部分常用机构运动简图符号（摘自GB 4460-1984) 名称代表符号名称代表符号杆定的连固接轴的固定零件与轴承向心轴承推力轴承向心推力轴承联轴器离合器制动器的电动机在支架上带 传 动链 传 动齿轮机构外啮合圆柱齿轮机构内啮合圆柱条 传 动齿 轮 齿轮机构圆锥齿轮传动蜗杆蜗棘轮机构槽轮机构图3-7 冲床机构及其运动简图1-机架(床身); 2-偏心轮； 3, 5-连杆； 4-连架杆； 6-滑块 能力训练案例3-2 画出压力机(图3-8(a))的机构示意图。解: (1) 压力机的工作原理分析。机械压力机动作平稳，工作可靠，广泛用于冲压、挤压、模锻和粉末冶金等工艺。如图3-8(a)所示，电动机通过?V?带传动、齿轮传动和曲柄滑块机构，带动工作头凹模作上下往复运动，与机架上的凹模配合完成对工件的成形锻压加工。机械压力机的载荷是冲击性的，在传动系统中设置有飞轮(?V?带传动中的大带轮兼作飞轮)，当它运转至额定转速时便积蓄动能。凸模接触工件开始锻压工作后，电动机的驱动功率小于载荷，转速降低，飞轮释放出积蓄的动能进行补偿；锻压工作完成后，飞轮再次加速积蓄动能，以备下次使用。图3-8 压力机工作原理图和机构示意图(a) 工作原理图； (b) 机构示意图机械压力机进行锻压工作时，滑块和凸模直线下行；锻压工作完成后滑块回程上行，离合器自动脱开，同时曲柄轴上的制动器接通，使滑块停止在上止点附近。离合器与制动器之间设有机械或电气连锁，以保证离合器接合前制动器一定松开，制动器制动前离合器一定脱开。(2) 绘制压力机的机构示意图。如图3-8(?b?)所示，电动机1固连在机架上，小带轮2固连在电动机外伸轴上；传动轴5的左端固连大带轮4，右端固连小齿轮6，并且与机架13组成同轴的两个转动副(轴承)；曲轴9左端固连制动器10，中间以转动副与连杆11上端连接，其右端安装的大齿轮7与小齿轮6组成高副，最右端安装离合器8，同时与机架13组成同轴的两个转动副(轴承)；滑块12与连杆11下端以转动副连接，同时与机架13组成移动副；凹模与机架13固连。3.3 平面机构自由度和运动确定性3.3.1 平面机构的自由度 机构的自由度是指机构中各个构件相对于机架所具有的独立运动参数，它取决于组成机构的活动构件数目、运动副的类型和数目。假使某平面机构由n个活动构件、P?L个低副和P?H个高副组成，由于一个作平面运动的构件有3个自由度，每引入一个低副带来2个约束，每引入一个高副带来1个约束，因此，平面机构自由度的计算公式是??F=3n-2P??L?-P??H?(3-1)??该式称为平面机构的结构公式。它表明平面机构的自由度F与机构所包含的活动构件数n以及运动副的类型和数目之间的关系。能力训练案例3-3 试计算图3-7(b)所示冲床机构的自由度。解: 由于冲床机构中偏心轮2以及构件3, 4, 5和冲头6是活动构件，所以活动构件数?n?=5；转动副有?O?1, O?2, A, B, C和D? 6个，滑块6与机架1构成移动副，所以低副数?P??L=7；没有高副，所以P?H=0。代入式(3-1)有??F=3n-2P??L?-P??H?=3×5-2×7-0=1??可见，该冲床机构的自由度为1. 3.3.2 机构自由度计算中的特殊情况处理在计算平面机构自由度的时候，有几种特殊情况需要进行处理。1. 复合铰链复合铰链是指有m(m≥2)个构件在同一处构成共轴线的转动副。复合铰链处的转动副数目应为m-1. 如图3-9所示，3个构件在A处构成复合铰链，其转动副的数目为2. 2. 局部自由度局部自由度是指机构中的某些构件的局部独立运动，它并不影响其他构件的运动。因此计算机构自由度时不考虑其局部自由度。例如，图3-10(a)所示的滚子从动件的凸轮机构中，滚子相对于从动件的转动，从机构运动学的角度来看是局部自由度，处理的方法是将滚子2与从动杆3固连(图3-10(b))。但是，从实用的角度来看，它将从动件与凸轮轮廓之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，起到了减少凸轮轮廓与从动件之间高副元素摩擦的作用。图3-9 复合铰链图3-10 局部自由度3. 虚约束虚约束是指在机构运动分析中不产生实际约束效果的重复约束，或称为消极约束。常见虚约束的识别和处理如表3-3所示。表3-3 对虚约束的识别和处理序号识 别处 理图 例(a)重复移动副(两个构件构成导路平行的多个移动副)只有一个移动副起约束作用，其余的移动副是虚约束(b)重复转动副(两个构件构成轴线重合的多个转动副)只有一个转动副起约束作用，其余的转动副是虚约束(c)重复结构(机构中不起独立传递运动的结构相同的对称部分)只有一个构件参与运动的传递，其余的对称结构不计(如右图滚子2′与2" )(d)重复轨迹(机构中某构件连接点的轨迹与另一构件被连接点的轨迹重合)除去重复的构件及其引入的运动副(如右图构件5及其转动副?E与F?) 应当指出，虚约束是在特定的几何条件下形成的，它的存在虽然对机构的运动没有影响，但是它可以改善机构的受力状况，增强机构工作的稳定性。如果这些特定的几何条件不能满足(如移动副的导路平行、转动副的轴线重合、结构相同且对称的运动传递、构件连接点轨迹重合等情形)，则虚约束将变成实际约束，使机构不能运动。因此，在采用虚约束的机构中，对它的制造和装配精度都有严格的要求。3.3.3 平面机构具有确定运动的条件根据平面机构的结构公式，机构自由度大于零是机构能够相对于机架运动的前提。如图3-11(a)所示铰链四杆机构，自由度F=3n-2P?L-P?H=3×3-2×4-0=1，机构相对于机架的独立运动数目为1。构件1与机架用转动副连接，相对于机架的独立运动数目为1，可以用参数φ?1表示。若给它输入一个独立的运动参数φ?1值，则从动件2和3都有确定的对应位置φ?2和φ?3. 图3-11 铰链四杆机构和铰链五杆机构如图3-11(b)所示铰链五杆机构，自由度F=3n-2P?L-P?H=3×4-2×5-0=2，机构相对于机架的独立运动数目为2。若给构件1输入一个独立的运动参数φ?1值，则从动件2, 3和4没有确定的对应位置(可能是图(?b?)中的实线位置、虚线位置或其他位置)；若分别给构件1和4输入一组独立的运动参数φ?1和φ?4值，则从动件2和3就有确定的对应位置φ?2和φ?3. 平面机构的原动件通常都是用低副与机架连接，它们相对于机架的独立运动数目为1，每个原动件只能有一个独立运动(例如，电动机的转子有一个独立转动，内燃机的活塞有一个独立移动等，将它们作为原动机给机构的原动件输入运动)。因此，机构自由度数目标志着所需要的原动件数目，即输入独立运动的数目。实质上自由度为原动件所独有，从动件系统无独立自由度。当输入机构的独立运动数目小于机构的自由度时，机构的运动状态是不确定的；当输入机构的独立运动数目等于机构的自由度时，机构有确定的运动状态；当输入机构的独立运动数目大于机构的自由度时，机构将会卡死或损坏。因此，平面机构具有确定运动的条件可以表述为： 机构的自由度大于零，且原动件数目等于机构的自由度。运用平面机构的结构公式(1-1)计算机构的自由度，再根据机构的原动件数目是否与机构自由度相符，可以判定机构运动的确定性，以及所绘制机构运动简图的正确性；还可以判定机构设计方案是否合理，进而对运动不确定的设计方案进行改进，使其具有确定的相对运动。能力训练案例3-4 试计算图3-12(a)所示筛料机构的自由度，并判断从动件是否具有确定的运动。构件1和6为原动件。解: (1) 机构结构分析。机构在C处由构件2, 3和4组成复合铰链，该处有2个转动副；构件5与机架8构成导路平行的2个移动副G和H，其中1个为虚约束(重复移动副)；构件5的右端K处安装了滚子，滚子与构件5之间的独立运动是局部自由度，因此计算机构自由度时不计滚子及其转动副K，即将滚子与构件5视为固定连接。处理复合铰链，去除虚约束和局部自由度后，得到简化的机构运动简图如图3-12(b)所示。该机构的构件3上有3个运动副元素(构件3与2和4在C处构成2个转动副，与构件5在D处构成1个转动副)，所以这是一个多闭环运动链组成的机构。图3-12 筛料机构运动简图(2) 计算机构自由度。该机构有7个活动构件、7个转动副、2个移动副、1个高副，则