绪章绪论

机器是执行机械运动的装置，使用机器的水平是衡量一个国家现代化程度的重要标志。机器的主体部分由机构组成，一部机器可包含一个或若干个机构。习惯上用“机械”一次作为机器和机构的总称。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，将为有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。

●0.1绪论

介绍机械设计基础课程

第一章平面机构的自由度

本章的学习内容主要有：一、运动副及其分类；二、平面机构运动简图；三、平面机构的自由度。

●1.1运动副及其分类

两构件组成运动副，其接触为点、线、面。按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。

●1.2平面机构运动简图

机构运动简图表明机构各构件间相对运动关系的简化图形。其用途：1)可以简明表达一部复杂机器的机构组成和运动原理；2)用于图解法求解机构上点的轨迹、位移、速度和加速度。

●1.3平面机构的自由度1

机构的自由度——机构相对机架所具有的独立运动的数目，平面机构自由度的计算公式。机构具有确定运动的条件：机构自由度大于零，并且机构自由度等于机构原动件数。计算机构的自由度，并判断其运动是否确定？

第二章平面连杆机构

平面连杆机构——由若干构件用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。最简单的平面连杆机构由四个构件组成，称为平面四杆机构。它的应用十分广泛，而且是组成多杆机构的基础。本章着重平面四杆机构的基本类型、特性及其常用的设计方法。

●2.1平面四杆机构的基本类型及其应用

铰链四杆机构——全部用转动副相连的平面四杆机构。按连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。当两曲柄相互平行且长度相等时，双曲柄机构成为平行四边形机构，平行四边形机构运动不确定现象的消除。

●2.2平面四杆机构的基本特性

本节我们来学习平面四杆机构的基本特性。

●2.3平面四杆机构的设计

平面四杆机构的基本特性中的第四个特性——死点位置。死点的避免和死点的利用。平面四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件、几何条件甚至动力学条件来确定机构运动简图的尺寸参数。一、按给定的行程速比系数K设计：1.曲柄摇杆机构，2.曲柄滑块机构，3.摆动导杆机构。二、按给定连杆位置设计。

第三章齿轮机构

齿轮机构历史悠久，在现代工业中具有重要应用，也是应用最为广泛的传动机构之一。

●3.1齿轮机构的特点和类型

齿轮机构具有传动比稳定、寿命长、可靠性高、功率范围广等诸多优点，且可实现平行轴及任意角度相交、交错轴之间的传动。

第四章轮系

单对齿轮组成的机构是齿轮传动最简单的形式，但在机械中，有时需要获得很大的传动比；有时需要将输入轴的一种转速转变为输出轴的多种转速；有时需要将主动轴的运动和动力分配到不同的传动路线。一对齿轮传动难以满足上述需求，因此需要将多对齿轮组合在一起进行传动。

●4.1轮系的类型

轮系根据各个齿轮的几何轴线位置是否固定分为定轴轮系和周转轮系两类。如果各齿轮轴线相互平行，则为平面轮系，否则为空间轮系。

●4.2定轴轮系及其传动比

输入轴与输出轴的转速之比是轮系应用中需要关注的问题，轮系的传动比不仅要确定它的数值，还要确定两轴的相对转动方向。定轴轮系传动比的大小计算公式及其转向关系的确定方法，对后续周转轮系和复合轮系传动比的确定具有借鉴意义。

●4.3周转轮系及其传动比

转化轮系的引入使得周转轮系传动比的计算可以基于定轴轮系传动比的计算方法展开。

●4.4复合轮系及其传动比

当可以找出复合轮系中的各个基本周转轮系时，那么复合轮系传动比的计算就可以采用定轴轮系和周转轮系的计算方法展开，拆分出的每个轮系都可以列出一个传动比关系式，辅以相邻轮系间的联系，整个复合轮系的传动比计算问题迎刃而解。

第五章回转件的平衡计算

机构运转时，运动构件的惯性力会在运动副中产生附加的动压力，这种动压力对机械有不良的影响，因此在设计机械时，必须合理地选择和分配构件质量，使惯性力得到平衡。本章在简要的叙述机械平衡的目的和分类后，会着重讨论刚性转子的静平衡和动平衡的原理及平衡的计算方法。

●5.1回转件平衡的目的

由于现代机械的运转速度越来越高，惯性力的影响越来越大，要避免其引起的不良后果，就要合理分配构件质量，使惯性力得以平衡，从而消除或减少运动副中的动压力及振动，这就是所谓的机械的平衡问题。对于轴向尺寸较小的盘状刚性转子，可近似认为质量分布在同一转动平面内，并通过在转子上增加或除去一部分质量，使其质心与回转轴线重合，从而使转子的惯性力得以平衡，这种情况被称为刚性转子的静平衡。

●5.2回转件的平衡计算

对于轴向尺寸较大或由于实际机构的限制不能在所需平衡的回转面上安装平衡质量的刚性转子，如电动机转子，机床主轴、曲轴等，其质量分布不能视为在同一平面内，此时各不平衡质量产生的离心惯性力构成一个空间力系。要使转子运转时其各偏心质量产生的惯性力和惯性力偶矩同时得以平衡，需要分别在任选的两个回转面内各加、减适当的平衡质量，这种情况被称为刚性转子的动平衡，也被称为双面平衡。

第六章螺纹连接

螺纹连接是利用具有螺纹的零件构成的可拆连接，其特点是结构简单，装拆方便，工作可靠，适用范围广，现代机器中有60%以上的零件具有螺纹。螺纹连接大多已有国家标准，设计者主要是根据螺纹连接的工作要求，选择合适的螺纹类型、连接方式与结构以及确定螺纹连接的尺寸。

●6.1螺纹连接及螺纹参数

将具有一定倾斜角的直线绕在圆柱上便形成一条螺旋线，如果沿螺旋线切制出某一形式的沟槽，便得到相应的螺纹。本节将具体介绍螺纹的形成原理，分类方法，并以圆柱螺纹为例来说明螺纹的主要几何参数。

●6.2常用螺纹的特点

机械制造的常用螺纹根据牙形可以分为三角形，螺纹，矩形螺纹，梯形螺纹和锯齿型螺纹。本节将具体介绍各种常用螺纹的结构特点、适用场合以及相应螺纹连接件的常用材料、性能等级和许用应力。

●6.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件

螺纹连接的基本类型一般可以分为螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接和紧定螺钉连接四种。本节将具体介绍这四种基本类型的连接原理、特点、适用场合以及在机械制造中常见的对应螺纹紧固件。

●6.4螺纹连接的预紧和防松

预紧的目的在于增强连接的刚度、可靠性和紧密性，以防止受灾后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移，此外还可以提高连接在变载荷作用下的疲劳强度及防松能力。在冲击、振动或变载荷的作用下，又或者在高温和温差较大的情况下材料发生蠕变和应力松弛，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬间消失，最终导致连接失效。因此为了保证连接安全可靠，设计时必须采用有效的防松措施。

●6.5提高螺栓连接强度的措施

螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此研究影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施，对提高连接的可靠性有着重要的意义。影响螺栓强度的因素很多，主要涉及螺纹牙的载荷分配，应力变化幅度应以集中附加应力材料的力学性能和制造工艺等几个方面，本节我们主要分析各因素对螺栓强度的影响以及提高强度的相应措施。

第七章齿轮传动

齿轮传动是应用最为广泛的传动形式，具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定的特点，但制造、安装精度要求和成本较高、不宜用于传动距离过大的场合。本章将详细介绍介绍齿轮传动的主要失效形式和设计准则、常用齿轮材料的基本性能及热处理方法、齿轮传动的精度选择、齿轮传动的设计步骤和方法、齿轮传动设计参数的合理选用方法以及齿轮结构设计和润滑方式选择。

●7.1轮齿的失效形式和设计计算准则

轮齿的主要失效形式包括疲劳折断、齿面点蚀、胶合、磨损和塑性变形等，应当根据轮齿的具体失效形式来确定其设计计算准则。如失效形式为齿面接触疲劳点蚀时，设计准则为齿面接触疲劳强度条件，而当失效形式为轮齿弯曲疲劳折断时，设计准则为轮齿弯曲疲劳强度条件；

●7.2齿轮材料及热处理和传动精度

齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸的影响很大。合理选择齿轮材料，是齿轮设计的重要内容之一。对齿轮材料性能的基本要求是：齿面要硬，齿芯要韧。同时齿轮材料还应具有良好的机械加工、热处理工艺性能和经济性要求。选择齿轮精度等级时，应从降低制造成本的角度出发，首先满足主要使用功能，然后兼顾其他要求。

●7.3圆柱齿轮材料和参数的选取与计算方法

在设计齿轮传动时，可以通过齿面接触疲劳强度或轮齿弯曲疲劳强度的设计公式，确定模数、分度圆直径、中心距这样一些主要参数的取值范围，另外还有一部分参数需要设计者自己来选定。本节我们就来讨论一下，如何合理的选择这些参数。

●7.4齿轮的构造、润滑和效率

齿轮强度计算仅仅满足轮齿的强度要求，并由此定出齿轮的模数，齿数、齿宽、螺旋角和齿轮直径等。而齿圈、轮辐、轮毂等的结构型式及尺寸大小，还需要由齿轮结构设计来确定。

第八章蜗杆传动

蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动和动力，广泛应用于各种机器和仪器中。本章主要讲述蜗杆传动的特点和类型、强度计算及其效率、润滑和热平衡计算等基本内容，为本后续学习打下必要的理论基础。

●8.1蜗杆传动的特点、类型和主要参数

本节主要讲述蜗杆传动优缺点、主要类型及其适用范围、讨论模数、压力角、传动比、蜗杆头数、蜗轮齿数、直径系数、导程角、滑动速度等主要参数以及几何尺寸计算。

●8.2蜗杆传动的强度计算、效率和热平衡计算

本节主要讲述蜗杆传动的主要失效形式、设计准则以及齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的计算方法，分析蜗杆传动效率的组成、润滑方式及其选择依据，讨论热平衡计算方法及改善冷却的措施。

第九章带传动与链传动

带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。本章主要讲述带传动的类型和应用、受力分析和应力分析以及链传动的运动分析和受力分析等基本内容，为本后续学习打下理论基础。

●9.1带传动的类型和应用

本节主要讲述带传动的基本组成、工作原理、主要类型、优缺点及其应用范围，讨论带传动几何尺寸的计算方法、张紧方法及其装置。

●9.2带传动的受力分析和应力分析

本节主要讲述带传动的初拉力、紧边拉力、松边拉力及有效拉力之间的关系，推导挠性体摩擦的欧拉公式，进而讨论影响带传动能力的因素，通过分析带中紧边和松边产生的拉应力、离心拉应力以及弯曲应力，讨论带中应力的变化规律。

●9.3链传动的运动分析和受力分析

本节主要通过分析链条瞬时速度的变化规律，讨论瞬时传动比的变化规律，讨论链传动中作用在链上的圆周力、离心拉力和悬垂拉力以及压轴力的计算方法。

第十章轴

轴是机械设备中的重要零件之一，其主要功能是支承回转零件，以实现回转运动并传递动力，轴要由轴承支承以承受作用在轴上的载荷。

●10.1轴的功用、类型和材料

根据承受载荷的不同，轴可以分为转轴、传动轴和心轴三种。轴的材料常采用碳钢和合金钢。

●10.2轴的结构设计

轴结构设计的主要要求是：轴便于加工，轴上零件易于装拆；轴和轴上零件有准确的定位；各零件要牢固而可靠地相对固定；改善受力状况，减小应力集中、提高疲劳强度。

●10.3轴的强度计算

根据轴的承载情况，采用相应的计算方法对轴进行强度计算。通常的计算方法有：按钮转强度计算；按弯扭合成强度计算。

第十一章滑动轴承的类型、材料和设计

轴承支承轴及轴上零件，并保持轴的选择精度；减少轴与支承之间的摩擦和磨损。相比滚动轴承，滑动轴承在高速、高精度、重载、结构上要求剖分的场合有更好的性能。

●11.1滑动轴承的类型、材料和设计

滑动轴承的类型、材料和设计

第十二章滚动轴承

滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑简便以及便于互换等优点而得到广泛应用。滚动轴承已经标准化，由轴承企业大批量生产。对学生而言，需要熟悉标准，正确选用滚动轴承。轴承根据摩擦性质，分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滚动摩擦小于滑动摩擦，滚动轴承应用比较广泛，滑动轴承具有工作平稳、回转精度高和承载能力大等优点，在精密机床、汽轮机中被广泛地应用。

●12.1滚动轴承的基本类型、特点及代号

滚动轴承通常按其所受载荷的方向或接触角和滚动体的形状分类。滚动轴承类型较多，各类轴承有不同结构、尺寸、公差等级和技术要求，为便于生产和选用，规定了滚动轴承的代号。

●12.2滚动轴承的选择计算

滚动轴承的主要失效形式是滚道的疲劳点蚀，滚动轴承寿命计算是按照疲劳强度计算。计算方法通常是选定类型后进行寿命校核计算。