作者：王毅,程强
出版社：电子工业出版社
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机械设计基础试读：
前言
本书根据教育部《关于深化教学改革，培养适应21世纪需要的高质量人才的意见》的文件精神与普通高等学校机械设计基础课程教学的基本要求，针对普通高等院校应用型人才的培养目标，按照机械设计基础教学规范的核心知识体系编写。
本书根据编者长期的教学改革探索和教学实践经验，结合学生的认知规律，遵循机械设计科学的思维方法，着力于强化系统性，引导启发性，加强实践性，提升创新力。
在知识节点上，强化机械设计的系统性。在传统教学内容中引入系统设计的相关概念，从综合性角度增加机械系统分析与设计内容，培养读者的系统设计思想。将相对分散的传统内容加以集中，内容结构体系进一步优化，使读者建立起机械设计的整体知识架构。
在叙述方式上，创立新颖的叙述模式，章节结构采取示例启发式方法，引导读者带着问题主动学习和思考；用关键词的方式把课程内容的主要概念展现在读者面前，以达到宏观把握、微观清晰的目的；内容表述力求贴近读者的思维习惯，通俗易懂；增加相关研究内容的发展趋势介绍，开阔读者的思路与眼界。
在学科核心上，着力强调综合应用性知识，以提高读者的应用技能、实践能力和应用领域的创新能力。教材内容强化应用分析，加强例题和习题的应用思考，促使读者将理论与实践结合起来，在学习中获得综合能力的提高。
本书由齐鲁工业大学王毅和程强任主编，薛云娜和陈照强任副主编。参编人员及编写分工如下：
程强编写第1章、3章；薛云娜编写第5章、8章和12章；陈照强编写第6章；齐鲁工业大学沈学会编写第2章、宿艳彩编写第11章、高立营编写第10章、刘玉梅编写第4章、王宝林编写第7章；其余章节由王毅编写。本书由王毅统稿并做了大量的修改工作，王宝林负责全部稿件的格式统一。
青岛大学师忠秀教授和齐鲁工业大学许崇海教授详细审阅了本书，提出了许多宝贵意见，编者对此深表感谢。
本书配有电子课件和习题分析，选用本书的读者请登录www.hxedu.com.cn（华信教育资源网）下载本书教学资源；也可通过邮件索取，索取邮箱：guosj＠phei.com.cn（责编邮箱）。
最后，对参考文献中的各位作者表示最诚挚的感谢！电子工业出版社的编辑为本书的出版与提高质量投入了大量劳动，在此一并致以衷心的感谢。
尽管编者为本书付出了努力，但书中仍有不足和欠妥之处，衷心期待读者的批评指正。编者2015年1月第1章绪论主要概念机械设计、机械、机器、机构、构件、零件、通用零件、原动部分、传动部分、控制部分、执行部分、辅助部分，机械传动，功能、承载能力、工作能力设计准则、强度、极限应力、计算应力、疲劳极限、金属材料及热处理、零件的精度及粗糙度、润滑、密封。学习引导这一章的内容是机械设计基础中涉及的最基本的概念。内容特点是平铺直叙，但广泛性强。多数的概念以前都有接触，之所以把这些知识放在一起，意味着这些知识在该课程中是基本的知识点，进行机械设计时都会有应用，也体现出该课程综合性强的特点。因此，学习这门课，从绪论开始，读者要强化知识的综合性应用的观点，慢慢体会机械设计的真正内涵，提高设计能力。这也是该课程的学习要求。1.1 机械设计的有关概念
机械是人类在长期生活和生产实践中创造出的劳动工具，用于减轻人类的劳动强度、改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量。机械设计水平和其现代化程度已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。
机械是机器和机构的总称。机器是根据某种使用要求而设计的，用来变换或传递能量、物料和信息的执行机械运动的装置。如电动机和发电机用来变换能量，车床、滚齿机用来变换物料的状态，起重运输机械用来传递物料，计算机用来变换信息等。仅从功能的角度看，一部完整的机器一般包括四个基本组成部分：原动机部分、传动部分、控制部分和执行部分，也包括一些辅助部分如冷却系统、润滑系统等。
原动机部分是驱动整部机器完成预定功能的动力源，一般地说，它们都是把其他形式的能量转换为可以利用的机械能。例如：骑自行车是用人力作为原动机，而现代机器中使用的原动机大致是以各式各样的电动机和热力机为主。这些原动机大多输出的是旋转运动，同时输出一定的转矩。
执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分，由于机器的功能是各式各样的，所以，要求的运动形式也是各式各样的。同时，要克服的工作阻力也会随着工作情况而异。
从原动机到执行部分之间就是传动部分，它的作用就是为了解决从原动机到执行部分之间运动形式、运动及动力参数的转变。在完整的机器中，传动部分是必须存在的，因为原动机的运动形式、运动和动力参数是有限的，而且是确定的，但执行部分却是随工作情况而有各式各样的运动形式、运动和动力参数。机器的传动部分多数使用机械传动系统，有时也用液压和电力传动系统。
机械传动是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。
图1-1所示的轿车就是人们所熟悉的典型的机器，它完整表达出了机器的各组成部分。图1-1 轿车的组成
如图1-2所示的单缸内燃机，其主体部分是由曲轴4、连杆3、活塞8和汽缸体9所组成的连杆机构。燃气在汽缸内燃烧膨胀而推动活塞移动，通过连杆带动曲轴转动，从而把燃气燃烧所产生的热能转化为曲轴转动的机械能。图1-2 单缸内燃机1—驱动齿轮 2—大齿轮 3—连杆 4—曲轴 5—凸轮轴 6、7—气门顶杆 8—活塞 9—汽缸体
凸轮5、阀杆6、7和汽缸体组成凸轮机构，将凸轮轴的连续转动变为阀杆有规律的直线移动，使阀杆6、7定时开启和关闭进气阀门和排气阀门，从而送进燃气、排出废气。
曲轴上的齿轮2和凸轮轴上的齿轮1与汽缸体组成齿轮机构，用以保证曲轴每转两周，凸轮轴转一周，进气阀门和排气阀门各启闭一次。
三种机构协调配合，使进气、排气阀门的启闭与活塞的移动位置之间建立起一定的协同关系，从而把燃气的热能转化为曲轴连续转动的机械能。图1-3 飞机螺旋桨发动机
单杠内燃机只采用了一组曲柄滑块机构，其曲轴回转的速度不够均匀。多缸发动机采用了多组对称布置的曲柄滑块机构，可提高曲轴运转的动力和平稳性。如图1-3所示为飞机螺旋桨发动机，它由9组对称布置的滑块（活塞）共同驱动曲柄轴（螺旋桨轴），可使飞机螺旋桨获得高速稳定运转。
通过上述分析可以看出，尽管各种不同的机器具有不同的形式、构造和用途，但就其组成来说，却是由许多运动构件组合而成的，并且为了传递运动和动力，各个运动构件之间的相对运动是确定的。这样，由若干个构件以构件间能够产生相对运动的连接方式而组成的构件系统称为机构。从机构的特征来看，机构是具有确定相对运动的构件组合体，它是用来传递运动或改变运动形式的可动装置。机器中最常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等。
综上所述，机器是由若干机构组成的，用来变换或传递能量、物料和信息的机械装置。内燃机、装载机、挖掘机、焊接机器人、牛头刨床等就是常见的机器。机构与机器的区别在于：机构只是一个构件系统，而机器除构件系统之外还包含电气、液压等其他装置；机构只用于传递运动（或改变运动形式）和力，而机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。
机器中具有各自特定运动的单元体称为构件，不可拆卸的基本单元称为零件。构件是机构运动的最小单元体，是组成机构的基本要素。构件可能是一个零件，也可能是由若干零件固联在一起的一个独立运动的整体。零件是机器加工制造的最小单元体。若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。
构件可以是单独的零件，如图1-4（a）所示的曲轴，也可以由许多零件刚性地连接在一起组成。如图1-4（b）所示的连杆，连杆大头轴孔应与曲轴连接。由于安装的需要，必须把连杆做成分体式，即连杆由连杆体1、螺栓2、连杆头3、螺母4等零件组成，图1-4（c）是连杆实物。图1-4 零件与构件1—连杆体 2—螺栓 3—连杆头 4—螺母
由一组协同工作的零件组成的独立制造或独立装配的组合体称为部件。零件和部件统称为零部件。可概括地分为两类：一类是各种机器中经常都能用到的零部件称为通用零件，如螺栓、螺母、齿轮、轴等零件，滚动轴承、联轴器等部件；另一类是只在某些机械中用到的零件称为专用零件，如内燃机活塞、汽轮机叶轮等。1.2 本课程研究的内容、性质和任务
1.2.1 本课程研究的内容
机械设计基础主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。具体内容如下。（1）研究机械中常用机构的结构、工作特点、运动和动力特性及其设计计算方法，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构轮系和间歇运动机构，及机器动力学的基本知识（机械的调速和平衡）。（2）研究机械零部件的工作能力和计算准则。阐述常用连接（螺纹连接、键连接等）、机械传动（带传动、链传动、齿轮传动）、轴系零部件（轴、轴承、联轴器）等，从强度、刚度、寿命、结构工艺性和材料选择等方面，研究通用零部件的设计计算方法。
1.2.2 课程的性质
机械设计基础是工科类有关专业的一门重要的技术基础课，是多学科理论和实际知识的综合运用。本课程的主要先修课程有机械制图、工程力学、工程材料等课程，且更加结合工程实际，为学生学习专业机械设备课程和掌握新的机械科学技术提供必要的理论基础，为工程技术人员在了解各种机械的传动原理、设备的正确使用和维护、故障分析等方面提供必要的基础知识。
1.2.3 课程的任务
通过本课程的学习和课程设计实践，使学生掌握常用机构和通用零部件的基本理论和基本知识，了解常用机构的工作原理及其特点，掌握机构分析和设计的基本方法，了解通用机械零部件的工作原理、结构及其特点，掌握通用零部件选用和设计计算的基本原理和方法，并具有运用机械设计手册设计简单机械传动装置的能力，重要的是学会从机械系统整体的角度进行设计，提高其设计能力，同时，培养学生的创新能力。1.3 机械设计的基本要求和一般过程
1.3.1 机械设计的基本要求
机械设计应满足的基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修简单、造型美观。设计机械零件时，也必须考虑上述要求。即所设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低廉。（1）满足预期功能及使用要求。设计者必须正确选择机器的工作原理、机构的类型和机械传动方案，以满足机器的运动性能、动力性能、基本技术指标等方面的预定功能要求。
如榨汁机的设计，就采用了螺杆根径带有锥度的螺旋机构，且螺杆螺距逐渐减小，以逐渐增加挤压程度，实现榨汁的功能。（2）安全可靠与强度及寿命要求。安全可靠是机械正常工作的必要条件，设计的机械必须保证在预定的工作期限内安全可靠地工作。应使所设计的机械零件具有合理的结构并满足强度、刚度、耐磨性、振动稳定性及寿命等方面的要求。特别是对关系到人身安全或重大设备事故的零部件都必须进行认真严格的设计计算和校核计算，不能仅凭经验或以“类比”代替。计算说明书应妥善保留，以备核查。（3）经济性要求。设计中应尽可能多选用标准件或成套组件，不仅可靠、价廉，还能大大节省设计工作量。零件设计必须关注加工工艺，力求减少加工费用且注意节约贵重材料，降低成本。（4）工艺性及标准化要求。机械及其零部件应具有良好的工艺性，零件要制造方便，加工精度和表面粗糙度适当，且要易于装拆。设计时，零部件和机器参数应尽可能标准化，以提高设计质量，降低设计制造成本，并可使设计者把主要精力放在关键零件的设计上。（5）环保及其他特殊要求。某些机械由于工作环境和要求的不同，而对设计提出某些特殊要求。如食品、纺织机械有不得污染产品的要求；高级轿车的变速箱齿轮要求低噪声；机床要长期保持精度的要求等。
总之，设计机械时要根据实际情况，分清应满足的主、次要求，尽量做到结构上可靠，工艺上可能，经济上合理。
1.3.2 机械零件的工作能力准则
机械零件由于某种原因而不能正常工作称为失效。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。通常此限度是对载荷而言，即零件的工作能力习惯上称为承载能力。零件的主要失效形式有断裂、塑性变形、过大的弹性变形、工作表面的过度磨损、发生强烈的振动、连接的松弛、摩擦传动的打滑等。
机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等几个方面的问题。对于不同的失效形式，相应地有其工作能力判定条件。这种为防止失效而制定的判定条件，称为工作能力计算准则或设计准则。
设计机械零件时，常根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。零件常用的设计准则如下。（1）强度准则。强度是指零件受载后，抵抗断裂、塑性变形及表面破坏的能力。它是设计机械零件时首先应满足的基本要求。强度条件是作用在零件上的实际应力小于或等于零件材料的许用应力，其表达式为（2）刚度准则。刚度是机械零件受载后抵抗弹性变形的能力。刚度条件：零件在载荷作用下所产生的弹性变形量小于或等于机器工作的许用变形量，如变形量y≤[y]。（3）寿命准则。磨损、腐蚀和疲劳是影响零件寿命的主要因素。但磨损和腐蚀目前尚无实用的计算方法和数据，只是进行条件性计算，即限制运动副的压强，即p≤[p]。相对运动速度较高时，还应考虑运动副单位时间接触面积的发热量，即pv≤[pv]。（4）振动稳定性准则。当机械零件的自振（固有）频率与周期性干扰力的频率相等时就会发生共振，不仅会影响机器的工作质量和精度，甚至会造成严重事故。设计时，必须使零件的自振频率远离干扰力频率，以避免产生共振。可通过增加或减少零件的刚度、增添弹性零件等办法解决。
1.3.3 机械零件的强度
强度是保证机械零件工作能力的最基本要求，在进行强度计算时，必须判明机械零件所承受的载荷和作用在零件上应力的性质，并合理确定许用应力。
1.载荷和应力的类型
零件所受的载荷可分为静载荷和变载荷两类。不随时间变化或变化很小的载荷称为静载荷，随时间而变化的载荷称为变载荷，其变化可以是周期性的或非周期性的。
按照应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应力。不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力[见图1-5（a）]。随时间变化的应力称为变应力[见图1-5（b）、（c）、（d）分别为对称循环变应力、脉动循环变应力和非对称循环变应力]，绝大多数机械零件都是处于变应力状态下工作的。循环变应力的平均应力σ和应力幅 σ分ma别为
平均应力σ表征循环应力中的不变部分，应力幅 σ则表征循环ma应力中的变动部分。
应力循环中的σ和σ之比称为变应力的循环特性r，即maxmin图1-5 应力的类型
循环特性 r 表示循环变应力的变化情况和不对称度，对于对称循环变应力 r=-1，脉动循环变应力r=0，静应力可以看作变应力的特例，r=+1，而非对称循环变应力的r值随具体应力情况不同在+1～-1。即r的变化范围是-1≤r≤+1。
上述分析中，如果是切应力情况相同，只要改变应力符号为τ即可。
2.许用应力和安全系数
在零件的强度计算中，要合理确定许用应力，使所设计的零件既有足够的强度和寿命，又不至于结构尺寸过大。从强度条件可知，许用应力取决于零件材料的极限应力和安全系数，表达公式是
1）极限应力
在静应力下工作的零件，其损坏形式为断裂或塑性变形。对于脆性材料制造的零件，为防止发生断裂，应取材料的强度极限σ作为B极限应力；对于塑性材料制造的零件，则取材料的屈服极限σ作为S极限应力。
据不完全统计，工程中约有80%～90%的零件是属于疲劳破坏，这些零件都是在变应力作用情况下产生的失效。疲劳破坏是一种损伤累积的效果，零件随着作用的应力循环次数增多时，表面产生细微裂纹，然后裂纹逐渐扩展，应力循环到一定程度时零件会发生突然的断裂。所以，疲劳断裂与一般静应力的破坏不同，它和应力循环次数密切相关。
当零件所受应力的循环特性一定时，经过 N 次应力循环材料不发生破坏时的应力最大值称为疲劳极限，用σ表示。应力循环特性rrN不同，疲劳极限数值也不同，在对称循环变应力下，材料的疲劳极限最低。图1-6 疲劳曲线
材料的疲劳极限由疲劳试验测定，表示疲劳极限与应力循环次数之间的关系曲线如图1-6所示，这条曲线被称作疲劳曲线，有时也称作σ-N曲线。
由图可见，应力越小，试件能经受的应力循环次数就越多。对于一般钢材，当应力循环次数 N 超过某一数值N以后，曲线趋向于水0平，，即可认为试件经受“无限次”循环也不会断裂。N称为循环基0数，对应于N的应力称为材料的疲劳极限σ ，也称为材料的持久疲0r劳极限，如σ表示对称循环应力下材料的疲劳极限，σ则是脉动循-10环应力下材料的疲劳极限。
因此，为防止零件的疲劳破坏，应取材料的疲劳极限作为极限应力。当不具体考虑应力的循环次数影响时，就取相应于循环基数N0时的疲劳极限σ（如σ、σ ）作为极限应力。r-10
需要指出的是，零件的疲劳强度还受到零件的应力集中、尺寸大小、表面质量等因素的影响，其数值比材料的疲劳极限值低，这在强度计算时需要考虑，可参考相关资料。
2）安全系数
安全系数是考虑材料力学性能的离散性、计算方法的准确性、零件的重要性等多种不确定因素的影响而确定的。取值过大，零件的结构笨重，浪费材料，取值过小，零件容易损坏安全性降低。选取原则是在保证安全可靠的前提下，尽量选用较小的安全系数。在实际工作中，通常采用查表法确定安全系数。在不同的工业部门，根据长期生产实践经验和试验研究，制定有适合本部门的安全系数（或许用应力）规范（图表），数据具体，使用方便，但这种规范都各有其适用范围，使用时加以注意。
3.机械零件的强度（1）机械零件的静强度。在静应力作用下，机械零件的失效形式主要是断裂和塑性变形，相应的强度条件需按材料力学强度内容进行计算。（2）机械零件的疲劳强度。机械零件的疲劳破坏主要是由零件受变应力所引起。疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂，因此，在断裂截面上明显地有两个区域：一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑区；另一个是最终发生脆性断裂的粗粒状区。（3）机械零件的接触强度。一些依靠表面接触工作的零件，如齿轮传动、滚动轴承等，它们的工作能力决定于接触表面的强度。
若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。
机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层处产生初始疲劳裂纹，在两接触表面的相互运动中，润滑油被挤入裂纹内，运动表面将裂纹口封死，形成高压油，促使裂纹扩展。当裂纹扩展到一定深度以后，就导致表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑。这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀后，减少了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。
1.3.4 机械零件的结构工艺性
设计机械零件时，不仅应使它满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应满足生产要求。机械零件具有良好的工艺性，是指在现有的生产条件下能方便而经济地生产出来并便于装配。有关工艺性的基本要求如下。（1）合理选择零件的毛坯种类。机械制造中毛坯的制备方法有直接利用型材、铸造、锻造、轧制件、冲压件和焊接件。毛坯的选择与机械对零件的具体要求及生产条件有关，可根据生产批量、零件的尺寸和形状、材料性能和加工可能性等选择。（2）结构简单合理。设计零件的结构形状时，最好采用最简单的表面，如平面、圆柱面、螺旋面及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小，以减少切削加工量及费用。零件的结构还应便于装拆和调整。（3）规定适当的制造精度及表面粗糙度。零件的加工费用随着精度的提高而增加。因此，在没有充分理由时，不应盲目规定高的精度。同样，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。
机械制造基础课程和有关手册中也提供了一些有关工艺性的基本知识，可供设计时参考。1.4 机械设计的一般程序
设计新机械是一项复杂细致的工作。要使设计的机械性能好、效率高、成本低，必须严格按照科学的工作程序来进行设计工作。一般设计过程如下：（1）计划——制订设计任务书。首先根据实际需要与需求，确定机械的功能和有关指标，确定设计课题，制订产品设计任务书。（2）方案设计——提出原理性设计方案。根据设计任务书，拟定总体设计方案，绘制传动系统的机构简图，进行运动和动力分析，论证方案的可行性，必要时要对某些技术指标作适当修改。（3）技术设计——装配图、部件图和零件图。确定机械各部分的结构和尺寸，对主要零件进行结构设计和工作能力的计算，合理选择标准零部件，绘制总装配图、零部件装配图和零件图。
机械零件的设计步骤如下：
① 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构并适当选择零件的材料和热处理方法。
② 拟定零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。
③ 根据零件可能的失效形式确定零件的计算准则，对零件进行工作能力的计算，从而确定出零件的主要尺寸。
④ 根据工艺性及标准化原则，进行零件的结构设计。
⑤ 绘制零件工作图，写出设计计算说明书。（4）技术文件的编制——设计计算说明书、使用说明书、标准明细表和其他技术文件。技术文件的类型比较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准明细表等。在设计计算说明书中，应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。编制供用户使用的机器使用说明书时，应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用的目录等。其他技术文件，如检验合格单、外购件明细表、验收条件等，视需要与否另行编制。1.5 机械零件常用材料及热处理
机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。另外，塑料、橡胶等非金属材料也有其独特的使用价值。
1.5.1 金属材料
钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。
1.钢
钢是一种非常重要的工程材料，按照化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。（1）碳素钢。以铁、碳为主要成分，还含有少量的硅、锰、硫、磷等常存元素。碳素钢容易冶炼，价格低廉，性能可以满足一般工程机械、普通机械零件、工具及日常轻工业产品的使用要求，因此应用广泛。
碳素钢的性质主要取决于其含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。在碳素结构钢中，含碳量低于0.25%的是低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，但塑性好，且具有良好的焊接性能，适用于冲压、焊接，常用来制作螺钉螺母、轴和焊接件等。含碳量在0.25%～0.6%的是中碳钢，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，用于制造受力较大的螺栓、螺母、齿轮、轴、键等零件。含碳量在0.6%以上的是高碳钢，具有较高的强度和弹性，用于制作弹簧、钢丝绳等。
碳素结构钢牌号表示方法是由代表屈服强度的字母 Q、屈服强度数值按顺序组成。如Q235，其屈服极限为σ=235 MPa。S（2）合金钢。在碳钢基础上有目的地加入某些元素以改善钢的性能。例如：加入镍能提高钢的强度但不会降低其韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；硅能提高弹性极限和耐磨性但会降低韧性。应注意的是，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，还取决于适当的热处理。
按照用途，钢又可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造机械零件；工具钢用于制造刃具、模具和量具；特殊钢（不锈钢、耐热钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件。
总之，与铸铁相比，钢具有较高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯可用锻造、冲压、焊接、铸造等方法取得。
2.铸铁
铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。它的减振性、耐磨性、切削性均较好且成本低廉，因此应用广泛。铸铁分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰口铸铁和球墨铸铁属脆性材料，不可锻造。
常用钢铁材料的力学性能见表1-1。表1-1 常用钢铁材料的力学性能注：钢铁材料的硬度与热处理方法、试件尺寸等因素有关，其数值详见机械设计手册。
3.铜合金
铜合金可分为黄铜、青铜及白铜（铜镍合金）三大类。机器制造业中应用较广的是黄铜和青铜。
黄铜是铜和锌的合金，具有很好的塑性及流动性，可进行碾压和铸造。
青铜是以除锌和镍以外的其他元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含的主要合金元素可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜等。青铜的减摩性和抗腐蚀性较好，也可碾压和铸造，常用于制造滑动轴承的轴瓦和蜗轮的齿圈。
1.5.2 非金属材料
橡胶富于弹性，常用作联轴器的弹性元件及带传动的胶带等。还可用于制造用于水润滑的轴承衬，如轮船的螺旋桨轴承。
塑料重量轻，且易于形成形状复杂的零件，在机械制造中的应用越来越广。
1.5.3 钢的热处理
1.钢的退火与正火
退火是将钢件加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。正火是将钢加热到适当温度（比退火高），再在空气中冷却的热处理工艺。退火或正火的主要目的可归纳如下。（1）调整钢件硬度，以利于随后的切削加工（如车、铣、刨等）。经退火或正火处理后钢件的硬度最适合于切削加工。（2）消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形及开裂。（3）细化晶粒，改善内部组织结构，提高钢的力学性能和工艺性能，为最终热处理做好准备。
2.钢的淬火和回火
将钢加热到某一较高温度，保温一段时间后，以适当方式（如在油或水中）快速冷却，从而使钢材获得所需要的组织结构（马氏体或贝氏体）的热处理工艺，称为淬火。淬火是强化钢材最重要的热处理方法。
淬火后的零件一般都必须再进行回火，不同的回火温度可使钢材具有不同的力学性能。回火是将淬火钢重新加热到某一适当温度（比淬火时的温度要低），保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的有以下三点。（1）获得零件所需的组织和性能。通常淬火钢组织具有较高的强度和硬度，但塑性与韧性较低。为了满足零件不同性能的要求，就必须配以适当的回火来改变淬火组织，来调整和改善钢的性能。（2）稳定工件尺寸。淬火后得到的组织（淬火马氏体和残留奥氏体）是不稳定的组织，它们具有自发的向稳定组织转变的趋势，因而会引起工件的形状和尺寸的改变。通过回火可使淬火组织转变为稳定组织，从而保证零件在使用过程中不再发生形状和尺寸的改变。（3）消除或减小淬火内应力。工件在淬火后存在很大内应力，如不及时通过回火消除，会引起工件发生变形甚至开裂。
3.钢的表面淬火
实际生产中，有许多零件是在弯曲、扭转变载荷、冲击载荷及摩擦条件下工作的，如齿轮、轴及曲轴、活塞销等。零件表层承受比芯部高的应力，且表面受磨损。因此，这类零件的表层必须进行强化，使其表面具有高的强度、硬度、疲劳强度和耐磨性，而芯部为了能承受冲击载荷，仍要保持足够的韧性。解决办法就是对零件再进行表面热处理，即表面淬火或化学热处理。
表面淬火是通过快速加热，改变钢件表层组织（表层形成奥氏体）的局部热处理方法。在热量尚未充分传至中心时立即进行淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而芯部仍保持着原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。
根据加热方法，表面淬火分为感应淬火、火焰淬火等。
4.钢的化学热处理
将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入表层，以改变其化学成分及组织和性能的热处理工艺。与其他热处理相比，其表层不仅有组织变化，而且有化学成分的改变。其主要作用：强化工作表面，提高工件表层的某些力学性能，如表面硬度、耐磨性及疲劳极限等；保护工件表面，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温及耐腐蚀等。（1）渗碳。渗碳是把钢件置于渗碳介质中，加热到一定温度，保温一定时间，使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。
在机械制造工业中，有许多重要零件是在动载荷、冲击载荷、很大的接触应力和磨损条件下工作的，要求零件表面具有较高的硬度、耐磨性及疲劳极限，而芯部具有较高的强度和韧性，如汽车的变速箱齿轮、摩擦片、轴等。
因此，可用低碳钢或低碳合金钢经渗碳、淬火、低温回火后，使零件表层具有较高的强度和耐磨性，而芯部仍保持较高的韧性。（2）渗氮。在一定温度下使活性氮原子深入工件表面，以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限及耐蚀性等。（3）碳氮共渗。向钢的表面同时渗入碳和氮原子，以提高零件的表面硬度、耐磨性和疲劳极限。
5.钢的表面强化处理
钢的表面强化处理是指在常温下通过冷加工方法使表层金属发生冷态塑性变形，以减小表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表层产生残余压应力。应用较多的是喷丸强化和滚压加工。
喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量的钢珠丸（直径0.4～4mm）以高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、曲轴等。零件经喷丸强化后，使用寿命可提高几倍甚至几十倍。
滚压加工是利用淬硬的滚压工具（滚轮）在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残余压应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度。可以加工外圆、孔、平面及成形表面。表面层硬度可提高20%～40%，疲劳强度可提高30%～50%。1.6 金属材料加工方法及其精度和表面粗糙度
金属材料通常是用金属切削机床进行加工的，所用机床有车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、铣床、刨床、插床、拉床及螺纹加工机床等，不同的加工方法可也获得不同的精度和粗糙度。在实际应用中，要根据零件的要求选择合理的精度与粗糙度，以便降低成本。
1.6.1 各种机床及其使用（1）车床。是一般机器制造厂中应用最广泛的一类机床，主要用于加工零件的各种回转表面，如内、外圆柱表面及圆锥表面和端面等，有些车床还能车削螺纹表面。除使用车刀进行加工外，还可使用各种孔加工刀具（如钻头、铰刀、镗刀等）进行孔加工，或使用螺纹刀具（丝锥、板牙）进行内、外螺纹的加工。（2）磨床。以砂轮为工具进行切削加工。主要用于各种零件特别是淬硬零件的精加工。磨床可加工内外圆柱面和圆锥面、平面、齿轮的齿面、螺旋面及各种成形面，还可进行切断加工。（3）齿轮加工机床。有滚齿机、插齿机和磨齿机。在齿轮齿形加工中，滚齿机应用最广泛。可加工直齿轮、斜齿轮、蜗轮等，但一般不能加工内齿轮和相距很近的双联齿轮。滚齿机加工精度高、生产率高。插齿机是用插齿刀插削内、外圆柱齿轮，特别适宜加工在滚齿机上不能加工的内齿轮和多联齿轮，但不能加工蜗轮。磨齿机是用磨削方法对圆柱齿轮齿面进行精加工的精密机床，主要用于淬硬齿轮的精加工。一般先经过滚齿机或插齿机切出轮齿，然后用磨齿机磨齿以提高齿轮的精度和表面粗糙度。（4）钻床。属于孔加工机床，主要用钻头钻削精度要求不太高的孔。钻孔最常用的刀具是麻花钻，属于粗加工。主要用于质量要求不高的孔的终加工（如螺栓孔、油孔等），也可作为质量要求较高的孔的预加工。（5）镗床。主要完成高精度、大孔径孔的加工。还可铣平面、沟槽、钻孔、车端面、外圆等。（6）刨床。主要用于加工水平面、垂直面、倾斜面等平面和T形槽、燕尾槽等。有牛头刨床和龙门刨床两类。（7）拉床。是使用拉刀加工各种内、外表面的机床。采用不同的拉刀，可加工各种形状的通孔、通槽及平面。
1.6.2 机械加工方法能够达到的尺寸精度和表面粗糙度
机械加工方法能够达到的尺寸精度和表面粗糙度见表1-2。表1-2 机械加工方法能够达到的尺寸精度和表面粗糙度1.7 机械零件设计中的标准化
零件的标准化是指通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。标准化带来的优越性主要体现在以下几点。（1）能以最先进的方法在专门化工厂中对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量、降低成本。如：螺栓、滚动轴承、键、销等零件都是这样生产出来的标准件。（2）统一了材料和零件的性能指标，提高了零件性能的可靠性。（3）采用了标准结构及零部件，可以简化设计工作，缩短设计周期，提高设计质量。另外，也同时简化了机器的维修工作。
机械制图的标准化保证了工程语言的统一。因此，对设计图样的标准化检验是设计工作中的一个重要环节。
现已发布的与机械零件有关的标准，从运用范围上来讲，可以分为国家标准（GB）、行业标准和企业标准三个等级，从使用的强制性来说，可分为必须执行的（有关度、量、衡及涉及人身安全等标准）和推荐使用的（如标准直径等）。
为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标准和国外先进标准。近年发布的我国国家标准，许多都采用了国际标准（ISO）。设计人员必须熟悉现行的有关标准。一般机械设计手册或机械工程手册中都收录摘编了常用的标准和资料，以供查阅。1.8 机械设备中的润滑油及润滑简介
润滑油是用在各种类型汽车、机械设备上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体或半固体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用，是机械设备运行不可缺少的内容。
按其来源分动物油、植物油，石油润滑油和合成润滑油四大类。
石油润滑油的用量占总用量90%以上，因此润滑油常指石油润滑油。
润滑油一般由基础油和添加剂两部分组成。基础油是润滑油的主要成分，决定着润滑油的基本性质，添加剂则可弥补和改善基础油性能方面的不足，赋予某些新的性能，是润滑油的重要组成部分。
添加剂是近代高级润滑油的精髓，正确选用合理加入，可改善其物理化学性质，对润滑油赋予新的特殊性能，或加强其原来具有的某种性能，满足更高的要求。根据润滑油要求的质量和性能，对添加剂精心选择，仔细平衡，进行合理调配，是保证润滑油质量的关键。
1.8.1 润滑油的命名方法
润滑油的整体名称（用一组符号表示）组成如下：
类别——石油产品的类别用一个字母表示（对润滑剂或油而言，该字母为“L”）该字母应和其他符号用短横线“-”相隔。
品种——由一组英文字母所组成，其首字（GB 7631.1—1987中的19个字母）总是表示组别，后面所跟的任何字母单独存在时有无含义，在有关组或品种的详细分类中将给予明确规定。
数字——位于产品名称的最后，一般说来，其含义是黏度等级，也应在有关标准中给予规定。
润滑油产品名称的一般形式举例如下：【例1-1】L—AN 46
这一组符号表示润滑剂全损耗系统用油精制的矿物油，按GB 3141规定的黏度等级（40℃运动黏度中心值）。【例1-2】 L—HM 32。
这一组符号表示润滑剂抗磨型液压油，按GB 3141规定的黏度等级（40℃运动黏度中心值）。
从这些例子可以看出，任何一个润滑油具体的产品必须包括性能水平和黏度等级两方面内容才能正确表达。
1.8.2 润滑油的主要规格指标（1）黏度。润滑油的黏度是指液体的润滑油流动时内摩擦力的量度叫黏度，黏度值随温度的升高而降低。大多数润滑油是根据黏度来分牌号的。黏度一般有5种表示方式，即动力黏度、运动黏度、恩氏黏度、雷氏黏度和赛氏黏度。
润滑油主要根据黏度来分牌号，黏度一般又按运动黏度来测定。其值为相同温度下液体的动力黏度与其密度之比，在我国法定计量单2位中以m/s为单位但习惯上用厘斯为单位。
黏度的选择非常重要，一般建议在高速、低负荷的情况下选用低黏度的润滑油；在低速、重负荷的情况下选用高黏度的润滑油；在中速、重负荷的情况下选用中黏度的润滑油。实际应用应以具体情况而定。
黏度高，有利于在流体润滑状态提高油膜强度，起到支撑负荷与减震和密封作用，但由于黏度大产生了更大的摩擦阻力，消耗较多的动力能源。现代的工业齿轮油都含有高效添加剂，在齿轮经常所处的混合润滑及边界润滑状态可以形成润滑膜，因而在保证薄油膜润滑的情况下，尽量采用低黏度润滑油更有利于节能。润滑油低黏度化是当前国际上润滑油发展的一个重要趋势，但究竟降低到何种程度最为合理，应该通过实验获得重要的数据。（2）闪点。在规定件下，加热油品所产生的蒸汽和空气混合物与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度称为闪点，闪点是表示油品蒸发倾向和安全性的项目。（3）倾点。倾点是指在规定条件下，被冷却的油能流动时的最低温度，国际上一般用倾点来表示油品的低温流动性。（4）凝点。在规定条件下冷却至停止移动时的最高温度称为凝点，是评价油品流动性能的项目。
其他的特性还有：剪切安定性、水分、机械杂质、酸值、破乳化值、氧化值、氧化安定性等。
1.8.3 润滑脂的构成及指标
润滑脂是由一种或多种稠化剂分散在一种或多种液体润滑剂中得到的介于半流体与固体之间的具有非牛顿流体特征的一类润滑剂。润滑脂具有一定的形态，易于附着，流动性低于相应的基础油。
润滑脂的基本组成包括稠化剂、基础油。
稠化剂在润滑脂中占2%～35%左右，一般是以胶体状态分散在液体润滑剂中形成空间网状结构，或仅以分散相的形式分散在基础油中，起到吸附和限制基础油流动的作用。稠化剂的选择直接影响润滑脂的机械安定性、耐高温性、胶体安定性、抗水性等性能。
基础油。基础油在润滑脂中占65%～98%左右，是稠化剂的分散介质。基础油的选择直接影响润滑脂的润滑性、蒸发性、低温性以及与密封材料的相容性等。（1）锥入度。锥入度是表示润滑脂软硬程度的指标。锥入度越大，稠度越小，润滑脂就越软。反之，则润滑脂越硬，稠度越大，锥入度越小。绝大多数润滑脂是根据锥入度大小来分号的。（2）滴点。滴点是指在规定条件下的固体或半固体石油产品达到一定流动性时的最低温度称为滴点，滴点是指润滑脂从固态变成液态时的最低温度点，单位℃；是用于反映润滑脂高温使用性能的指标之一，但是滴点并不能单独决定润滑脂的使用温度，因不同种类基础油的抗氧化能力的差异、稠化剂类型对基础油的氧化催化作用和抗氧化添加剂的选择也是润滑脂使用温度的决定因素。
1.8.4 添加剂
润滑油添加剂是加入润滑剂中的一种或几种化合物，以使润滑剂得到某种新的特性或改善润滑剂中已有的一些特性。添加剂按功能分主要有抗氧化剂、抗磨剂、摩擦改善剂（又名油性剂）、极压添加剂、清净分散剂、泡沫抑制剂、防腐防锈剂、流点改善剂（降凝剂）、黏度指数增进剂等类型。市场中所销售的添加剂一般都是以上各单一添加剂的复合品，所不同的就是单一添加剂的成分不同以及复合添加剂内部几种单一添加剂的比例不同而已。（1）抗氧化剂。润滑油在使用中由于催化剂、高温和热的作用会发生氧化，抗氧剂的目的就是要抑制和减缓这种氧化的倾向。主要的抗氧化剂有胺型、酚型和金属型等。根据油品使用温度的不同和应用场合的不同，应选择不同类型的抗氧化剂。（2）清净分散剂。金属表面的沉积物对于润滑和散热都不利，清净分散剂的目的就是为了减少老化产物在金属表面的沉积，将沉积物从金属表面清洗下来使之悬浮在油中，并在通过过滤器时将其滤掉。此外它还具有中和作用，以降低氧化产生的酸对金属的腐蚀作用。（3）油性剂。用以降低摩擦系数，改进节能效果。一般地油性剂的使用温度较低。（4）极压添加剂。用以提高润滑剂的承载能力，抵抗重载荷以及冲击载荷的作用。它的活性较高，在高温高压下可以与金属表面发生化学反应。（5）防腐防锈剂。极性较强的物质，容易吸附在金属表面上。（6）泡沫抑制剂。大量的泡沫容易引起油箱的溢出，同时在金属表面产生大量的气蚀现象，严重影响正常工作。抗泡剂用以抑制泡沫的形成，以及降低泡沫的稳定性。（7）降凝剂。用以改变润滑剂中蜡晶体的形状，从而提高油品在低温下的流动性。（8）黏度指数改进剂。是一些高分子物质，用以提高油品的黏度，同时改进油品的黏度随着温度变化而变化的倾向。要求它有较好的抗剪切性能和热氧化安定性能。不同的场合需要不同的黏度指数改进剂。（9）抗乳化剂。润滑剂遇水后容易被乳化，这将严重地影响其使用性能的发挥。加入抗乳化剂的目的是为了使混入的水分能够迅速分离。在工业润滑油中抗乳化性能是重要的指标。
1.8.5 润滑在齿轮传动中的应用
齿轮及其装置润滑系统可分为润滑脂润滑、润滑油润滑及固体润滑三种形式。（1）润滑脂润滑。润滑脂润滑是将润滑脂填充在机壳中，仅适用于切向速度在4.5m/s以下的齿轮副。（2）润滑油润滑。润滑油润滑是使用最为广泛的齿轮润滑形式，可分为浸油润滑与强制润滑两种形式。
① 浸油润滑只适用于低速齿轮箱。润滑油的加注量直接影响着齿轮的工作结果。
② 强制润滑是将润滑剂以0.05～0.2MPa的压力喷入需要润滑的部位，提供充足的供油量，及时地将啮合产生的热量带走的润滑方式。适用于各种润滑油润滑的齿轮机构。
强制润滑能控制啮合齿轮的本体温度，当适合的润滑油被喷入后，可实现弹性流体润滑，有效地降低振动和噪声。但是如果油品选择不合适，喷油量不够就会立即产生噪声和振动，一旦断油，高速齿轮立即失效。（3）固体润滑。固体润滑是将石墨、二硫化钼等带有润滑特性的固体材料细粉末涂敷、喷射或搅动撒在齿轮啮合处，或是将这些材料与润滑脂、润滑油混合搅匀使用。因为固体润滑的缺陷很多，所以一般仅用于低速、啮合摩擦发热不超过90℃的齿面材料相适应的齿轮机构。思考题
1-1 机器与机构、构件与零件有何区别?
1-2 机械设计的基本要求是什么?
1-3 常用的机械零件设计准则有哪几种?
1-4 机械零件的一般设计步骤是什么?
1-5 制造机械零件的常用材料有哪些?各有何种用途?
1-6 金属材料常用的热处理方法有哪些?用于哪些场合?
1-7 常用的金属切削机床有哪些?用于哪些加工厂?
1-8 分析火车车轮轴所受应力的变化情况，并指出应力循环特性。
1-9 分析自行车前、后轮轴所受应力变化情况，并分别指出应力循环特性。
1-10 自行车一般用什么类型的润滑剂?第2章平面机构的结构分析主要概念运动副、平面机构运动简图、平面机构的自由度、复合铰链、局部自由度、虚约束、机构具有确定运动的条件。学习引导这一章的内容是学会对要进行的机械设计或对现有的设计进行分析，机械是可动的，有序的，并且运动是确定的。要进行机械设计，首先要解决两方面的问题：一是机构在什么情况下能动?二是机构满足什么条件才会有确定的运动?这是设计机械最基本的要求，也是这一章要学习的主要内容。从延伸的意义上说，这些内容为实际设计中进行机械的运动和动力分析奠定了很好的基础。引例从引例图2-1外观上看，你知道这个机械装置是什么?——机械式手表。你看到主要的组成零件了吗?——齿轮。齿轮的作用是什么?怎么保证秒针、分针和时针的相对应关系?从结构图中无法清楚地分析它们之间的关系。引例图2-2是一种简化了的机械钟表机构运动简图，排除了与运动无关的因素，清楚地表示出各个齿轮间的相对运动关系。图中S、M、H分别表示秒针、分针和时针，数字表示的是齿轮，根据这个图你就可以清楚地分析它们之间的相对运动关系了。你顺着图上的S—M—H找一下运动传递路线试试看，就能够建立它们之间的关系。引例图2-1 机械式手表引例图2-2 机械钟表机构运动简图在手表结构中，什么因素与运动无关?齿轮怎么表示?怎么获得和表达这个机构运动简图?怎样说明这个机构的运动是确定的?学习完这一章你就明白了。如绪论中所述，机构是由构件组成的，机构中各个构件之间必须具有确定的相对运动才能实现运动和动力的传递。但是，任意连接的构件系统不一定具有确定的相对运动。因此判断机构是否能够运动和运动是否确定具有重要的意义，讨论机构具有确定运动的条件，这是进行机械结构设计和新型机构设计的基础。机构的类型很多，构件的外形和构造也是多种多样。为了便于分析研究，撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各个运动副的位置。这种表明机构各构件间相对运动关系的简化图形称为机构运动简图，它是进行机构运动分析最重要的基础。机构分为平面机构和空间机构两大类。所有构件都在同一平面或者相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。在实际工程中见到的机构大多数为平面机构，因此，本章仅讨论平面机构。2.1 平面机构的组成
机构是机械中需要实现某种确定运动的部分，它由许多构件组成，各构件之间都以一定的方式相互连接，这种连接不是固定连接，而是能产生一定相对运动的连接。两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。如活塞与汽缸的连接、轴与轴承的连接都构成运动副。图2-1 单个构件的自由度
一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动。如图2-1所示，构件在坐标系Oxy中可随其上 A 点沿x轴和y轴方向移动和绕A点转动。所以一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。当构件组成运动副后，其独立运动受到限制，自由度随之减少。
两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面的接触而实现的。按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两大类。
1.低副
构件通过面接触组成的运动副称为低副。低副在受载时，单位面积上的压力较小。根据构件之间相对运动形式的不同，低副又分为转动副和移动副。（1）转动副——若组成运动副的两构件只能在同一平面内作相对转动，这种运动副称为转动副，也称为铰链，如图2-2所示。（2）移动副——若组成运动副的两构件只能沿某一轴线作相对移动，这种运动副称为移动副，如图2-3所示。图2-2 转动副图2-3 移动副
2.高副
两构件通过点或线接触而组成的运动副称为高副，如图2-4所示。高副在受载时，单位面积上的压力较大。图2-4 平面高副2.2 平面机构的运动简图
实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为使问题简化，通常不考虑那些与运动无关的构件的复杂外形、截面尺寸和运动副的实际构造，只用简单线条和符号表示构件和运动副，并按一定的比例画出各运动副的相对位置。这种表示机构各构件之间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图，如图2-5所示的曲柄滑块机构及其运动简图。
机构运动简图准确表达了机构的组成及构件间的相对运动关系，它与原机械具有完全相同的运动特性，因而可以用机构运动简图对机械进行运动和动力分析。图2-5 曲柄滑块机构及其运动简图
若只是为了表达机构的组成和结构状况可不必严格按比例画图，这样画出的图称为机构示意图。
2.2.1 构件的分类
机构中的构件有三类，固定不动的构件称为固定构件（或机架）；按给定的运动规律独立运动的构件称为原动件（或主动件）；机构中其他的活动构件称为从动件。（1）固定构件（机架）——用来支撑活动构件的构件。研究机构中活动构件的运动时，常以机架作为参考坐标系。（2）原动件（主动件）——运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，又称为输入构件。（3）从动件——机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。其中输出机构预期运动的从动件称为输出构件，其他从动件则起传递运动的作用。
机构中必须有一个构件被相对地看作固定构件。例如内燃机会跟随汽车运动，但在研究内燃机的运动时，应把汽缸体看作固定件。在活动构件中必须有一个或几个原动件，其余的都是从动件。
2.2.2 运动副及构件的表示方法
机构运动简图中运动副的表示方法如下。（1）转动副的表示方法：用圆圈表示转动副，圆心代表相对转动的轴线。如图2-6所示为两个构件组成转动副的表示方法。若组成转动副的两构件都是活动构件，则用图2-6（b）表示；若两构件中有一个为机架，则在代表机架的构件上加阴影线如图2-6（c）、图2-6（d）所示。（2）移动副的表示方法。移动副的导路方向必须与相对移动的方向一致，如图2-7所示为两构件组成移动副的表示方法。图2-6 转动副的表示方法图2-7 移动副的表示方法（3）高副的表示方法。两构件组成高副时，在简图中要画出两构件接触处的曲线轮廓，如图2-8所示。图2-8 高副的表示方法
4.构件的表示方法
构件的表示方法如图2-9和图2-10所示。对于机械中的一些常用构件和零件，也可采用习惯画法，如用粗实线或点画线画出一对节圆来表示互相啮合的齿轮；用完整的轮廓曲线来表示凸轮。其他常用构件及运动副的表示方法可参见GB/T 4460—1984《机械制图 机构运动简图符号》。图2-9 参与组成两个运动副构件的表示方法图2-10 参与组成多个运动副构件的表示方法
2.2.3 平面机构运动简图的绘制
绘制平面机构运动简图的步骤如下：（1）分析机构的结构和运动情况，找出原动件、从动件和机架，确定各构件之间的相对运动关系。（2）确定机构中构件的数目，根据构件之间的接触情况和相对运动的性质确定运动副的类型及数目。（3）选择与多数构件的运动平面相平行的平面作为视图平面，作为绘制机构运动简图的投影面。选定适当的长度比例尺，按规定的符号画出构件及运动副。用数字标注出各个构件，用大写字母标注出运动副，将机架画上阴影线，在原动件上标注表示运动方向的箭头。
下面举例说明机构运动简图的绘制方法。【例2-1】 绘制颚式破碎机机构运动简图，如图2-11（a）所示。
解：（1）要点分析。
颚式破碎机的主体机构由机架1、曲轴2、动鄂3和肘板4四个构件组成。带轮5和曲轴2固连成一个整体，是运动和动力的输入构件，也就是原动件。动鄂和肘板是从动件。当带轮5带动曲轴2绕轴线A转动时，驱动动鄂3作平面复杂运动，从而将矿石粉碎。
根据上述分析，颚式破碎机的主体机构由四个构件组成，各构件之间均为相对转动。其中机架1与曲轴2组成以A点为中心的转动副、曲轴2与动鄂3组成以B点为中心的转动副、动鄂3与肘板4组成以C点为中心的转动副、肘板4与机架1组成以D点为中心的转动副。（2）作图步骤。
选定适当的比例尺，定出转动副中心A、B、C、D四点的位置，用线条表示构件，用圆圈表示转动副，绘制出机构运动简图，如图2-11（b）所示。【例2-2】 绘制图2-12（a）所示牛头刨床机构的机构运动简图。
解：（1）要点分析。
牛头刨床是用来加工平面的机械，滑枕6带着刨刀沿机床导轨作往复直线运动，工作台用来安装工件且作横向自动进给，从而加工出平面。
牛头刨床的主体机构是刨头运动机构，如图（a）所示。电动机通过带传动把运动和动力传递给齿轮1，再通过齿轮1、2的啮合传递给齿轮2。转块3用回转副连接在齿轮2上，转块3与摆块5都分别与导杆4组成移动副，导杆4与滑枕6用回转副连接，滑枕6与机架7组成移动副，从而实现刨刀（固连在滑枕6上）的往复直线运动。可见，刨头运动机构由七个构件组成，共有5个转动副，3个移动副，1个高副。（2）作图步骤。
选择与各构件的运动平面相平行的平面作为投影面，选择适当的
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