作者：李文正 王超
出版社：电子工业出版社
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机械设计基础试读：
前言
本书按照教育部制定高职教育机械设计基础课程教学基本要求，采用最新的国家标准，对机械工程力学原理、机械原理等机械工程基础课程进行了合理整合和优化。本书主要适用于高职高专机械类和近机类各专业教材使用，本书具有以下特点。
1.遵循“应用为目的”、“必需、够用为度”和“少而精、浅而广”的原则，突出了教学内容的实用性，降低学生学习难度。逐步体现出高等职业教育“重在实践应用”这一基本特色。
2.结构清晰。本教材每章都编写了本章知识导读，让读者在学习本章前清楚学习的目的，知识要点，做到有的放矢。
3.以机械传动装置和机械零件设计为主体，将工程力学、机械工程基础课程相关内容有机地融入其中，突出了机械设计与工程力学紧密联系。
4.语言叙述简明扼要。本教材在内容处理上减少了理论推导和冗长的叙述性描述，多以图表形式阐明设计的流程及知识点的对比与区分。
5.知识体系完整。本教材注重相关教学内容的整合，简明、实用、新颖。本教材中增加了三维造型表达机构和构件，使其更为生动好学，在每一章的后面均安排了知识梳理与总结。
6.实用性突出。本教材机械零件部分的有关章节，突出了技术的实用性，对典型传动，重要零件都增加了维护、维修和保养的有关知识。
本教材共11章，分为数控车床的组成与工作原理、平面机构及自由度计算、平面连杆机构、凸轮机构、带传动与链传动、齿轮传动、蜗杆传动、轮系、螺纹连接、轴毂连接与轴间连接、轴、滚动轴承。
本书由辽宁机电职业技术学院李文正、王超担任主编，李亮、黄宝田、姜冰冰担任副主编。
李文正编写1、6章，王超编写第5、8章，李亮编写第7、9章，黄宝田编写第10、11章，姜冰冰编写第2、3、4章。
尽管我们在教材建设的特色上做出了许多努力，但由于编者的水平有限和时间仓促，书中的缺点和错误在所难免，恳请使用本书的教学单位和读者给予关注，并多提一些宝贵的意见和建议。
编 者
2015年3月
第1章 数控车床的组成与工作原理
本章知识导读【知识目标】
➢ 了解本课程研究对象、内容及本课程在教学中的地位。
➢ 初步了解机械设计的基本要求和一般过程。
➢ 掌握机器的组成及机构、构件、零部件的准确概念。【能力目标】
➢ 对本课程的研究对象及主要内容有一基本了解。
➢ 能正确描述机械、机器、机构、构件、零件的概念。
➢ 分析机械零件的失效形式。【教学重点与难点】
➢ 机器与机构的特征。
➢ 机械零件的失效形式。
人类在长期的生产实践中创造了机器。随着人类社会的不断进步，机器经历了从杠杆、斜面、滑轮等简单机械到起重机、汽车、拖拉机、内燃机、洗衣机及机器人等复杂机器的不断发展过程。在现代生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。机器的发展程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
1.1 机械设计基础认知
1.1.1 本课程的研究对象机械设计基础课程是一门培养学生具有一定机械设计能力的技术基础课，是研究机械类产品的设计、开发、改造，以满足经济发展和社会需求的基础知识课程。其主要研究对象是机械。机械是机器和机构的统称。
机器可视为若干机构的组合体，是执行机械运动和信息转换的装置。人们在生产和生活中，广泛使用着各种各样的机器，以便减轻体力劳动和提高工作效率。
机构具有以下共同特征：（1）都是各个实物（构件）的组合体；（2）各个实物之间具有确定的相对运动。
机器具有以下共同特征：（1）都是各个实物（构件）的组合体；（2）各个实物之间具有确定的相对运动；（3）能够实现能量的转换，代替或减轻人类完成有用的机械功。现代机器的内涵还应包括信息处理、影像处理等功能。
提示：
机器与机构的主要区别是能否实现能量转换，做有用功！
从机器实现功能的角度来看，一台完整的机器主要由动力部分、传动部分、控制部分和执行部分等组成，如图1-1所示。其具体组成及作用如表1-1所示。图1-1 机器的组成表1-1 机器的组成及作用
动力部分是机器的动力源，如电动机、内燃机、液压马达等；传动部分是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置，如变速箱、离合器、传动轴等；控制部分是使动力部分、传动部分和执行部分彼此协调运行，并准确、可靠地完成整机功能的装置；执行部分是直接完成机器预期功能的装置。
从结构和运动的观点来看，机器和机构二者之间没有区别，习惯上用“机械”一词作为它们的总称。
组成机构的具有相对运动的实物称为构件，构件是机构运动的最小单元。机械制造中不可拆的最小单元称为零件，零件是组成构件的基本部分。一个构件可以只由一个零件组成，也可由多个零件组成。如图1-2所示，连杆由连杆体1、连杆盖3、螺栓2及螺母4共4个零件组成。为实现一定的运动转换或完成某一工作要求，把若干构件组装到一起的组合体称为部件。图1-2 连杆1—连杆体；2—螺栓；3—连杆盖；4—螺母
零件按作用分为两类：一类是通用零件，即各种机器中经常使用的零件，如螺栓、齿轮、轴承、弹簧、皮带等；另一类是专用零件，即只在一些特定的机器中使用的零件，如曲轴、阀、活塞、叶片、飞轮等。1.1.2 本课程研究的主要内容
本课程研究的主要内容大体上可分为以下几部分。（1）机构的运动简图和自由度计算。（2）平面连杆机构、凸轮机构的组成原理、运动分析及轮廓设计。（3）各种连接零件（如螺纹连接、键销连接等）的设计计算方法和标准选择。（4）各种传动零件（如带传动、齿轮传动等）的设计计算和参数选择。（5）轴系零件（如轴、轴承等）的设计计算及参数类型选择。1.1.3 本课程的主要任务（1）了解常用机构的工作原理、运动特性、结构特点。（2）掌握零部件的受力分析和强度计算方法。（3）具备正确分析、使用及维护机械的能力，掌握通用零件的设计原理和方法，具有运用机械设计手册、标准、规范等设计资料设计简单机械的能力。1.1.4 本课程在教学中的地位和作用
现代生活已离不开机械，不仅是在机械部门工作的各类人员，其他从事石油、冶金、农林业、焊接、铸造、金属材料、环境、工业设计等领域工作的人员，同样也离不开各种机械，即使在日常生活中也是如此。因此，本课程是一门重要的技术基础课。其作用可归纳为以下几点。（1）机械设计基础将为相关专业的学生学习专业机械设备课程提供必要的理论基础（2）机械设计基础将使从事工艺、运行、管理的技术人员，在了解各种机械的传动原理、设备的正确使用、维护及设备的故障分析等方面获得必要的基本知识。（3）通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养学生初步具备运用手册设计简单机械传动装置的能力，为日后从事设计、技术改造工作创造条件。
机械设计基础的先修课程主要有机械制图、金工实习和工程力学等。除此之外，考虑到许多近代机械设备并非单纯地采用机械传动，各专业的工程技术人员还应当了解液压和气压传动、电力传动和电子技术等相关知识。
1.2 机械零件设计的基本准则及设计步骤
1.2.1 机械零件的失效及主要失效形式机械零件由于某种原因而丧失正常工作能力称为失效。对于通用的机械零件，其强度、刚度、磨损失效是主要失效形式，对于高速传动的零件还应考虑振动问题。
所谓强度，是指构件在载荷作用下，抵抗破坏或塑性变形的能力。例如，齿轮的轮齿不能破损或折断，应使之有足够的强度以保证它们能正常工作。构件因强度不足而丧失正常功能的称为强度失效。
所谓刚度，是指构件在载荷作用下，抵抗变形或保持弹性变形不超过允许数值的能力。如图1-3所示，电动机的转子和定子之间的空隙很小，其转轴除应满足强度要求外，还要限制其最大变形不能超过转子和定子间的间隙，以防止运转时转子与定子相碰；另外，转轴变形过大，还会导致轴承的不均匀磨损，使其传动精度降低。构件因刚度不足而丧失正常的工作能力，称为刚度失效。图1-3 电动机轴1—轴承；2—空隙；3—定子；4—转子；5—轴
在实际工作中，机械零件可能会同时发生几种失效形式，如图1-4所示。设计时应根据具体情况，确定避免同时发生失效的设计方案。图1-4 零件的主要失效形式1.2.2 机械零件设计的一般步骤
机械零件的设计计算流程如图1-5所示。图1-5 机械零件的设计计算流程
实训1 分析单缸内燃机的机器与机构特征
图1-6所示为一台单缸四冲程内燃机，它由气缸体（1）、活塞（2）、进气阀（3）、排气阀（4）、连杆（5）、曲轴（6）、推杆（7）、凸轮（8）、齿轮（9和10）等组成。图1-6 内燃机1—气缸体；2—活塞；3—进气阀；4—排气阀；5—连杆；6—曲轴；7—推杆；8—凸轮；9、10—齿轮
单缸内燃机主要包括四个工作过程：
① 活塞下行，进气阀打开，可燃气被吸入气缸；
② 活塞上行，进气阀关闭，压缩可燃气；
③ 点火后气体燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动；
④ 活塞上行，排气阀打开，排出废气。
凸轮和推杆是用来启闭进气阀和排气阀的。为了保证曲轴每转两周进、排气阀各启闭一次，在曲轴和凸轮轴之间安装了齿数比为1﹕2的齿轮。这样当燃气推动活塞运动时，进、排气阀有规律地启闭，就把燃气燃烧的热能转换为曲轴转动的机械能，从而使内燃机产生动力。
单缸内燃机中的机构如表1-2所示。表1-2 单缸内燃机中的机构知识梳理与总结
通过对本章的学习，我们学会了分析单缸内燃机的组成和工作原理，也学会了机械零件的设计准则和设计步骤。（1）机械设计基础是一门重要的技术基础课，是研究机械类产品的设计、开发、改造，以满足经济发展和社会需求的基础知识课程。（2）机器的三个特征：①人为的实物组合体；②各运动单元间具有确定的相对运动；③能代替人类做有用的机械功或进行能量转换，现代机器的内涵还应包括机器能进行信息处理、影像处理等功能。（3）机构则仅仅是起着运动的传递和运动形式的转换作用。机构的主要特征是：①人为实体（构件）的组合；②各个运动实体之间具有确定的相对运动。（4）零件是制造的最小单元，构件是机构运动的最小单元。为实现一定的运动转换或完成某一工作要求，把若干构
件组装到一起的组合体称为部件。（5）机械零件由于某种原因而丧失正常工作能力称为失效。强度、刚度、磨损失效是通用机构零件的主要失效形式。根据零件产生失效的形式及原因制定设计准则，并以此作为防止失效和设计计算的依据。自测题1
1.选择题（1）机器中各运动单元称为（）。
A.零件 B.构件 C.机件（2）在机械中属于制造单元的是（）。
A.机构 B.构件 C.零件 D.部件（3）机构与机器相比，不具备下面（）特征。
A.人为的各个实体组合
B.各实体之间有确定的相对运动
C.做有用功或转换机械能
D.价格较高（4）“构件”的定义的正确表述是（）。
A.构件是由机械零件组合而成的
B.构件是机器的制造单元
C.构件是机器的运动单元
D.构件是机器的装配单元（5）在自行车车轮轴、电风扇叶片、起重机上的起重吊钩、台虎钳上的螺杆、柴油发动机上的曲轴和减速器的齿轮中，有（）种是通用零件。
A.2 B.5 C.4 D.3（6）只在一些特定的机器中使用的零件称为（）零件。
A.专用 B.通用（7）（）是通用零件。
A.轴承 B.活塞 C.曲轴 D.叶片（8）机器与机构的主要区别是（）。
A.机器的结构较复杂
B.机器的运动较复杂
C.机器能完成有用的机械功或实现能量转换
D.机器能变换运动形式（9）构件因（）不足而丧失正常功能，称为失效。
A.刚度 B.强度 C.磨损（10）（）设计准则要求零件在工作时不产生强度失效。
A.刚度 B.强度 C.耐磨性
2.判断题（1）机器是构件之间具有确定的相对运动，并能完成有用的机械功或实现能量转换的构件的组合。（）（2）机构能完成有用的机械功或实现能量转换。（）（3）构件是机械中装配的单元体。（）（4）减速器是机器。（）（5）组成机械的各个相对运动的实物称为零件。（）（6）机器都是由机构组成的。（）（7）洗衣机中带传动所用的V带是专用零件。（）（8）机器的传动部分都是机构。（）（9）机构中的主动件和被动件都是构件。（）（10）螺栓、齿轮和轴都是通用零件。（）
3.简答题
机器与机构的区别和联系分别是什么?
第2章 平面机构及自由度计算
本章知识导读【知识目标】
➢ 掌握构件自由度概念，掌握运动副及其分类，熟悉构件与运动副的简化符号。
➢ 熟悉机构运动简图的意义，掌握机构自由度的概念及其意义。【能力目标】
➢ 能绘制并识读简单平面机构的运动简图。
➢ 能计算简单平面机构的自由度。
➢ 分析机构是否具有确定的运动。【教学重点与难点】
➢ 平面机构运动简图的绘制。
➢ 特殊结构自由度的计算。
组成机构的所有构件都在某一平面或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。工程中常见的机构大多属于平面机构。
2.1 机构的组成
2.1.1 运动副1.运动副的概念
两构件之间直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副，如活塞与缸筒、车轮与钢轨，以及一对轮齿啮合形成的连接。两构件只能在同一平面相对运动的运动副称为平面运动副。
2.平面运动副的分类
按两构件间接触性质的不同，平面运动副通常可分为低副和高副。（1）低副
两构件形成面与面接触的运动副称为低副，如图2-1所示。根据构成低副的两构件间的相对运动的特点，低副又可分为转动副和移动副。
转动副是两构件只能做相对转动的运动副。如图2-1（a）所示，铰链连接组成转动副。
移动副是两构件只能沿某一轴线相对移动的运动副，如图2-1（b）所示。图2-1 低副
由于低副是以面接触的，因此其接触部分的压强较低，便于润滑，磨损较轻。（2）高副
两构件以点或线的形式相接触而组成的运动副称为高副。如图2-2所示，分别是滚动副、凸轮副和齿轮副构成的运动副都是高副。图2-2 高副
由于高副是以点或线的形式相接触的，因此其接触部分的压强较高，易磨损。2.1.2 构件
机构中的构件有三类，相对于地面固定不动的构件称为机架；按给定的运动规律独立运动的构件称为原动件；机构中的其他活动构件称为从动件。从动件的运动规律取决于原动件的运动规律及运动副的结构和构件尺寸。一个机构只能有一个机架，它可以是一个整体，也可以是多个零件的刚性组合。机构中的原动件一般与机架相连，可有一个或多个。
2.2 平面机构的运动简图与绘制步骤
1.机构运动简图的概念
表明机构的组成和各构件间运动关系的简单图形，称为机构运动简图。在机构运动简图中，通常不考虑构件的外形、截面尺寸及运动副的实际结构，而用规定的线条和符号表示构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸。
2.平面机构运动简图的绘制
绘制机构运动简图的步骤如下。（1）分析机构的组成，确定机架、原动件和从动件。（2）由原动件开始，依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。（3）选择适当的视图平面和原动件位置，以便清楚地表达各构件间的运动关系。通常选择与构件运动平面平行的平面作为投影面。（4）选择适当的比例尺：
按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的线条和符号绘图。
提示：
比例尺的表示方法与机械制图的不一样。
常用构件和运动副的简图符号如表2-1所示。表2-1 常用构件和运动副的简图符号（摘自GB4460一1984）
提示：（1）一个构件具有多个转动副时，应在两条线交叉处涂黑，或在其内画上斜线。（2）画高副时，凸轮、滚子在接触处画全部轮廓，齿轮只画节圆。（3）不要忘了原动件画箭头表示运动方向，机架上画剖面线。
实训2 绘制颚式破碎机主体机构的运动简图
颚式破碎机主体机构由机架1、偏心轴2、动颚3、肘板4组成，如图2-3所示。图2-3 颚式破碎机1—机架；2—偏心轴；3—动颚；4—肘板；5—带轮
机构运动由带轮5输入，而带轮5与偏心轴2固连成一体（属同一构件），绕A转动，动颚3通过肘板4与机架相连，并在偏心轴2的带动下作平面运动，将矿石打碎。
1.设计要求与数据
颚式破碎机主体机构如图2-3所示。
2.设计内容
绘制颚式破碎机主体机构的运动简图。
3.设计步骤、结果及说明（1）由图2-3可知，颚式破碎机主体机构由机架1、偏心轴2、动颚3、肘板4组成。机构运动由带轮5输入，偏心轴2为原动件，动颚3和肘板4为从动件。（2）偏心轴2与机架1、偏心轴2与动颚3、动颚3与肘板4、肘板4与机架1均构成转动副，其转动中心分别为A、B、C、D。（3）选择构件的运动平面为视图平面，图2-3所示机构运动瞬时位置为原动件位置。（4）根据实际机构尺寸及图样大小选定比例尺μ。根据已知运1动尺寸L、L、L、L依次确定各转动副A、B、D、C的位置，ABDABCCD画上代表转动副的符号，并用线段连接A、B、C、D。用数字标注构件号，并在构件1上标注表示原动件运动方向的箭头。图2-4 颚式破碎机主体机构的运动简图
颚式破碎机主体机构的运动简图如图2-4所示。
实训3 绘制活塞泵的机构运动简图
1.设计要求与数据
颚式破碎机主体机构如图2-5所示。
2.设计内容
绘制活塞泵的机构运动简图。
3.设计步骤、结果及说明（1）分析机构的组成。活塞泵由曲柄1、连杆2、齿扇3、齿条活塞4和机架5等构件组成。曲柄1是原动件。（2）确定运动副的种类及数目。其中，A、B、C、D为转动副；E为高副；F为移动副。（3）选择构件的运动平面为视图平面，图2-5所示机构运动瞬时位置为原动件位置。（4）根据实际机构尺寸及图样大小选定比例尺μ。根据图l2-5（a）所示尺寸，用构件和运动副的规定符号绘制机构运动简图，并在原动件上标注箭头，如图2-5（b）所示。图2-5 活塞泵及其机构运动简图
2.3 平面机构的自由度
2.3.1 自由度和约束的概念1.力
力是物体之间相互的机械作用。这种作用使物体的机械运动状态发生变化，物体的形状发生改变。前者称为力对物体的外效应，后者称为力对物体的内效应。静力学的研究对象是刚体，只研究力对物体的外效应。
力的三要素包括力的大小、方向和作用点。三要素中任何一个改变时，力的作用效应就不同。
在国际单位制中，力的单位用牛（N）或千牛（kN）表示。力是矢量，常用黑体字母F表示，也可用一条有向线段来表示。
2.自由度
做平面运动的构件相对于定参考系所具有的独立运动的数目，称为构件的自由度。任一做平面运动的自由构件有三个独立的运动，如图2-6所示，xOy坐标系中的构件可沿x轴和y轴移动，可绕垂直于xOy平面的轴线A转动，因此作平面运动的自由构件有三个自由度。图2-6 自由构件的自由度
3.约束
构件是机构中具有相对运动的基本单元，一个构件在未与其他构件连接时，可以自由运动，是自由体。当构件组成机构时，每个构件都以一定的方式与其他构件相连接，这些连接就使构件某些方向的运动受到了限制，成为非自由体。对非自由体的运动起限制作用的物体称为约束。机械中的构件为了传递运动，实现所需要的动作，彼此间要形成各种各样的约束。
约束限制物体的运动，这种限制是通过力的作用来实现的。约束受到被约束物体的作用力；反之，约束也必然会给被约束物体一反作用力，即为约束反力。约束与约束反力的作用点相同，应在约束与被约束物体的接触点；约束反力的方向与约束所限制的运动方向相反。
约束的类型如表2-2所示。表2-2 约束的类型2.3.2 自由度的计算和机构具有确定运动的条件
当两构件组成运动副后，它们之间的某些相对运动受到限制，每加上一个约束，自由构件便失去一个自由度。一个低副加上两个约束，减少两个自由度；一个高副加上一个约束，减少一个自由度。设一个平面机构有n个活动构件，它们在未组成运动副之前，共有3n个自由度。若机构中共有P个低副，P个高副，则平面机构的自由度的计LH算公式为
提示：
n是活动构件的数量，不包括机架。
如果机构自由度等于零，则构件组合在一起形成刚性结构，各构件之间没有相对运动，故不能构成机构，如图2-7所示。图2-7 自由度等于零
提示：
试一试，证明三角形具有稳定性。
如果机构中原动件的数目多于机构的自由度数目，则将导致机构中最薄弱的构件或运动副可能被损坏，如图2-8所示。图2-8 原动件数多于自由度数
如果机构中原动件的数目少于机构的自由度数目，则机构的运动不确定，首先沿阻力最小的方向运动，如图2-9所示。图2-9 原动件数少于自由度数
如果原动件的数目和机构自由度的数目相等，则机构具有确定的运动。2.3.3 平面机构中的特殊结构
1.复合铰链
两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连，称为复合铰链。
图2-10所示为三个构件在A点形成的复合铰链。从其左视图可见，这三个构件组成了轴线重合的两个转动副。一般地，m个构件形成的复合铰链应具有（m-l）个转动副。图2-10 复合铰链
2.局部自由度
如图2-11（a）所示为凸轮机构，小滚子2绕自身轴的转动不影响机构3的运动，如图2-11（b）所示。这种与机构原动件和从动件的运动传递无关的构件的独立自由度就是局部自由度。因此，该机构的自由度数为F=3n-2P-P=3×2-2×2-1=1。在计算机构自由度时，局部自LH由度应去除不计。图2-11 凸轮机构
提示：“除去不计”指计算中不计入，并非实际拆除。
3.虚约束
机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束，称为虚约束。计算机构自由度时，应将虚约束除去不计。虚约束常见场合，如表2-3所示。表2-3 虚约束常见场合续表
虚约束虽对机构运动没有影响，但可以改善机构的受力情况、增加构件的刚度。应当指出，虚约束是在一定的几何条件下形成的。虚约束对制造、安装精度要求较高，当不能满足几何条件时，虚约束就会成为实际约束，并将阻碍机构的正常运动。
实训4 计算筛料机构的自由度
1.设计要求与数据
计算图2-12（a）所示筛料机构的自由度。图2-12 筛料机构
2.设计内容
确定该机构中n、P、P的数量，判断机构是否具有确定运动。LH
3.设计步骤、结果及说明（1）机构自由度分析
机构中滚子自转为局部自由度；顶杆DF与机架组成两导路重合的移动副E、E，故其中之一为虚约束；C处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束。（2）机构自由度计算
按如图2-12（b）所示机构计算自由度，机构中n=7，P=9P=1，LH其自由度为F=3n-2P-P=3×7-2×9-1=2。原动件的数目与机构自由度LH的数目相等，因而筛料机构具有确定的运动。知识梳理与总结
通过对本章的学习，我们学会了分析颚式破碎机的组成和工作原理，也学会了画平面机构的运动简图和如何计算机构的自由度。（1）运动副是指构件与构件直接接触，并能产生一定的相对运动的连接。（2）平面机构运动简图是用简单的线条和规定的符号，来表示机构类型、构件数目、运动副的类型和数目，以及运动尺寸等。（3）平面运动中，自由运动的构件有三个独立的运动，每引入一个约束，构件的自由度就减少一个。平面高副限制构件一个自由度，平面低副限制构件两个自由度。
平面机构自由度计算公式：
计算机构的自由度时应注意三种特殊结构：复合铰链，局部自由度，虚约束。（4）机构具有确定运动的条件：
原动件的数目和机构自由度的数目相等，因而机构具有确定的运动；
原动件的数目多于机构的自由度数目，将导致机构中最薄弱的构件损坏；
原动件的数目少于机构的自由度数目，则机构的运动不确定，首先沿阻力最小的方向运动。自测题2
1.选择题（1）车轮在轨道上转动，车轮与轨道间构成（）。
A.转动副 B.移动副 C.高副（2）下列正确的机构运动简图是（）。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]