《机械设计基础（第二版）》为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，同时为普通高等教育机械类国家级特色专业系列规划教材之一。
《机械设计基础（第二版）》以培养学生基本的机械设计能力和现代设计意识为目的，根据编者多年来的教学经验，对机械原理、机械设计课程的基本内容进行整合，以实用为原则，适当删去部分内容，增加结构设计内容，以及现代设计理念和现代设计方法方面的知识。《机械设计基础（第二版）》共18章，分为四篇。第一篇导论，主要介绍关于机械和机械设计的基本概念；第二篇机械设计基础知识，主要介绍机械运动设计、机械零部件工作能力设计和结构设计的基础知识；第三篇机构与机械传动，主要介绍常用的机构和机械传动及其设计，以及机械动力学的基础知识；第四篇连接件和轴系零部件，主要介绍螺纹连接、联轴器、离合器、轴和轴承的设计与选用。
《机械设计基础（第二版）》可作为高等院校机械类各专业的教材，也可作为相近专业有关课程的参考用书，并可供有关工程技术人员参考。

陈晓南、杨培林主编的《机械设计基础（第2版）》共18章，分为四篇。第一篇导论，主要介绍关于机械和机械设计的基本概念；第二篇机械设计基础知识，主要介绍机械运动设计、机械零部件工作能力设计和结构设计的基础知识；第三篇机构与机械传动，主要介绍常用的机构和机械传动及其设计，以及机械动力学的基础知识；第四篇连接件和轴系零部件，主要介绍螺纹连接、联轴器、离合器、轴和轴承的设计与选用。

陈晓南、杨培林、陈钢、庞宣明

第二版前言
第一版前言
第一篇 导论
第1章 绪论
1.1 机械的组成
1.2 本课程的内容、性质和任务
第2章 机械设计概述
2.1 概述
2.2 机器的功能分析及功能原理设计
2.3 机械设计的基本要求和程序
2.4 机械设计中的常用设计方法
思考题与习题
第二篇 机械设计基础知识
第3章 机械运动设计与分析基础
3.1 概述 第二版前言
第一版前言
第一篇 导论
第1章 绪论
1.1 机械的组成
1.2 本课程的内容、性质和任务
第2章 机械设计概述
2.1 概述
2.2 机器的功能分析及功能原理设计
2.3 机械设计的基本要求和程序
2.4 机械设计中的常用设计方法
思考题与习题
第二篇 机械设计基础知识
第3章 机械运动设计与分析基础
3.1 概述
3.2 机构的组成
3.3 平面机构运动简图
3.4 平面机构的自由度计算
3.5 平面机构的速度瞬心
思考题与习题
第4章 机械零部件工作能力设计计算基础
4.1 概述
4.2 作用在零件上的载荷
4.3 机械零件中的应力
4.4 机械零件的工作能力设计及材料选用原则
4.5 机械零件的强度和刚度
4.6 机械零件的振动稳定性
4.7 摩擦、磨损和润滑简介
思考题与习题
第5章 机械零部件结构设计基础
5.1 概述
5.2 结构设计方法
5.3 结构设计应考虑的因素
思考题与习题
第三篇 机构与机械传动
第6章 平面连杆机构
6.1 概述
6.2 平面连杆机构的基本形式及演化
6.3 平面四杆机构的基本特性
6.4 平面连杆机构的运动设计
思考题与习题
第7章 凸轮机构
7.1 概述
7.2 凸轮机构的类型和应用
7.3 从动件的几种常用运动规律
7.4 盘形凸轮轮廓曲线的设计
7.5 凸轮机构的基本尺寸设计
思考题与习题
第8章 齿轮传动
8.1 概述
8.2 齿廓啮合基本定律
8.3 渐开线齿廓
8.4 渐开线标准直齿圆柱齿轮及其啮合传动
8.5 渐开线齿轮的加工方法及齿轮变位的概念
8.6 齿轮传动的失效形式、设计准则及材料选择
8.7 齿轮传动的计算载荷
8.8 直齿圆柱齿轮的强度计算
8.9 渐开线斜齿圆柱齿轮传动
8.10 锥齿轮传动
8.11 齿轮的结构
思考题与习题
第9章 蜗杆传动
9.1 概述
9.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数与几何尺寸计算
9.3 蜗杆传动的工作情况分析
9.4 蜗杆传动设计
思考题与习题
第10章 轮系
10.1 概述
10.2 定轴轮系及其传动比计算
10.3 周转轮系及其传动比计算
10.4 混合轮系及其传动比计算
10.5 轮系的功用
10.6 行星轮系的效率计算
10.7 周转轮系各轮齿数的确定
10.8 其他行星齿轮传动简介
思考题与习题
第11章 带传动
11.1 概述
11.2 V带和带轮
11.3 带传动的工作情况分析
11.4 带传动的强度计算
11.5 普通V带传动的设计
11.6 V带的使用和维护
11.7 同步带传动简介
思考题与习题
第12章 其他传动类型简介
12.1 概述
12.2 棘轮机构
12.3 槽轮机构
12.4 不完全齿轮机构
12.5 液压传动简介
12.6 气压传动简介
12.7 电力拖动简介
思考题与习题
第13章 机构的组合与结构设计
13.1 概述
13.2 机构的组合方式
13.3 机构的结构设计及应用实例
思考题与习题
第14章 机械系统动力学
14.1 概述
14.2 机械系统动力学分析原理
14.3 机械系统的速度波动及其调节
14.4 刚性回转构件的平衡
思考题与习题
第四篇 连接件和轴系零部件
第15章 螺纹连接
15.1 概述
15.2 螺纹连接的基本知识
15.3 螺纹连接的预紧和防松
15.4 螺纹连接的强度计算
15.5 螺栓连接设计
思考题与习题
第16章 轴
16.1 概述
16.2 轴的工作能力计算模型
16.3 轴的设计
思考题与习题
第17章 轴承
17.1 概述
17.2 滑动轴承的类型和典型结构
17.3 滑动轴承轴瓦结构
17.4 滑动轴承的工作能力计算
17.5 其他滑动轴承简介
17.6 滚动轴承的主要类型、特点及其代号
17.7 滚动轴承的类型选择
17.8 滚动轴承的工作情况分析
17.9 滚动轴承的额定载荷与寿命
17.10 滚动轴承的静载荷计算
17.11 轴承装置的结构设计
思考题与习题
第18章 联轴器与离合器
18.1 概述
18.2 联轴器
18.3 离合器
思考题与习题
参考文献

第1章　绪　　论
1.1　机械的组成
“机械”、“机器”、“机构”这些名词大家都不陌生。在日常生活与工作中，人们几乎天天都会接触到各种各样的机器或机械，如汽车、洗衣机、缝纫机、电动机、机床等。机械的应用极大地减轻了人们的体力劳动，提高了生产率并改善了劳动条件。机械的发展及应用水平也已成为衡量一个国家工业水平和现代化程度的重要标志之一。
但什么是机械？什么是机器或机构？它们都有何特征？如何定义？它们之间有什么不同？这就是本章要介绍的内容。
机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息，它是人类在长期的生产实践中逐步创造并发展起来的。现代机器，尽管它们的结构形式不同、性能和用途不一，但从其组成、运动及功能转换关系看，都具有下列三个共同特征：
（1）它们都是若干人为实体的组合。

（2）各实体之间具有确定的相对运动。


（3）能用来代替人们的劳动去实现机械能与其他形式能之间的转换或做有用的机械功。而仅具备以上（1）、（2）两个特征的则称为“机构”。机器与机构的主要区别就在于：机器具有运动和能量（而且总包含有机械能）的转换，而机构只有运动的变换。
显然，机器是由机构组成的。机构是机器的运动部分，是剔除了与运动无关的因素而抽象出来的运动模型，它主要用于研究机器运动，是机械学上的一个术语。一台机器可以包含一个机构或几个机构。功用不同的机器可以具有同样的主要机构。例如，图1-1所示的单缸内燃机和图1-2所示的冲床机，它们的主体机构都是曲柄滑块机构。机构又是由构件组成，且具有一定的相对运动关系，因此，构件是机构运动的基本单元体。
一部机器往往包含有机械、电气、液压、气动、润滑、控制等部分，各部分各司其责，使机器协调地工作。但就其功能而言，一般由四个部分组成，即驱动部分、传动部分、执行部分、协调控制部分，如图1-3所示。
驱动部分是机器的动力源，最常见的动力源有电动机、内燃机等。执行部分是机器中用来产生规定动作以实现机器预定功能的部分。传动部分是机器中将驱动部分的运动和动力传递给执行部分的中间环节，利用传动系统可实现运动形式、运动参数及动力参数的改变，如把旋转运动变为直线运动、高转速变为低转速、小转矩变为大转矩等。协调控制部分是通过机器中信息的传递、加工处理和反馈对机器进行控制的部分。由于近代机器的功能日益复杂、精度越来越高，协调控制部分在其中的作用就显得尤为重要。
另一方面，从制造角度来说机器又是由机械零件组成的。所以，机械零件是机器的组成要素和制造单元。机械零件一般又分为通用零件和专用零件。广泛应用于各种不同类型机器中的机械零件称为通用零件，如螺钉、齿轮等。只用于某些特定机器中的机械零件称

图1-1　单缸内燃机图1-2　冲压机1-机架；2-曲柄；3-连杆；4-滑块1-机架；2-曲柄；3-连杆；4-滑块

图1-3　机器的组成
为专用零件，如汽轮机的叶片、内燃机的活塞等。在通用零件中，具有标准代号的零件或部件又称为标准件。为完成同一使命，在结构上组合在一起并协调工作的一组零件称为部件，如联轴器、离合器等。
若撇开机器在做功和转换能量方面的作用，仅从结构和运动的观点来看，机器与机构并无区别。因此，习惯上用“机械”一词作为机器与机构的总称。但机械与机器在用法上略有不同：机器常用来指一个具体的概念，如内燃机、拖拉机等；而机械则常用在更广泛、更抽象的意义上，如机械化、机械工业等。
1.2　本课程的内容、性质和任务
作为机械设计的入门课程，本课程主要介绍机械设计的基本理论和技术，研究机械设计中常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、设计方法等。在常用机构中，主要讨论了连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构；在通用零件中，主要研究了常见的机械传动、常用的连接、轴系零部件等。此外，还介绍了机械动力学方面的基础知识。
由此可见，“机械设计基础”是一门培养学生具有一定机械设计能力的技术基础课程。通过对本课程的学习（包括它的全部教学环节），可使学生着重掌握机械设计的基本知识、基本理论、基本方法和基本技能，并为后续课程的学习打下必要的基础。
第2章　机械设计概述
2.1　概　　述
“机械设计”具有丰富的内涵，不同时期对设计的理解也不尽相同。一般认为，机械设计是根据市场需求对机械产品的功能、原理方案、技术参数等进行规划和决策，并将结果以一定形式（如图纸、计算说明书、计算机软件等）加以描述和表达的过程。设计质量的高低，将直接关系到机械产品的技术水平和经济效益，因而设计在机械产品开发过程中起着关键性的作用。
早期的设计，仅仅是工匠在头脑中的构思而已，所设计产品的结构也比较简单。随着社会及生产的发展，产品结构日趋复杂，发展到用图纸表达设计人员的设计结果，并按图纸制造产品。这时，设计工作在整个机器的制造过程中才具有相对独立的性质，可以利用图纸对产品进行分析和改进，也可以按图纸进行大规模生产。图纸的出现推动了设计工作的发展。
19世纪至20世纪初，随着机械工业的发展，与机械设计有关的一些基础理论与技术，如理论力学、材料力学、弹性力学、流体力学、热力学、公差与技术测量、机械制图等，逐渐发展成为独立的学科。综合应用这些学科而逐渐形成的机械设计方法，称为传统设计方法。
近几十年来，随着科学技术特别是计算机技术的迅速发展，相应地发展了一系列先进的设计理论与方法，如优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、虚拟设计等，这些统称为现代设计。它的出现使得机械设计更加科学、更加精确和更加完善。目前现代设计的理论与方法已日趋成熟，并在设计实践中得到广泛应用。
机械设计可以是应用新的原理或概念开发新的机器，也可以是在已有机器的基础上，重新设计或作局部的改进。
机器正常工作的前提是组成机器的各个零件能正常工作。由于某些原因机械零件不能在预定的条件下和规定的期限内正常工作时，称为失效。由于具体工作条件和受载情况的不同，机械零件可能出现不同的失效形式，即使是同类零件，也可能出现不同的失效形式。例如，机器中的轴，可能由于疲劳断裂而失效，也可能由于过大的弹性变形，使轴所支承的零件不能处于机器中的正确位置而失效。
机械零件在一定工作条件下抵抗失效的能力，称为工作能力。针对各种失效形式，机械零件有各种相应的工作能力。机械设计的主要任务之一就是要保证机械零件有足够的工作能力。
如前所述，机械设计是根据市场需求，对机械产品的功能、原理方案、技术参数等进行规划和决策的过程。不同的机械由于其功能、结构形式、用途及工作条件的不同，其设计要求、设计方法及步骤也会有所不同。尽管如此，机械设计仍有其固有的规律和特点，必须满足一些共同的基本要求，遵循一些基本的原则和程序。因此，要想科学合理地进行机械设计，就必须掌握机械设计的一些基本知识和一般规律，如机器的功能分析、功能原理设计、机械设计的基本要求和程序、机械零件材料的选用原则、机构运动方案设计、机械零部件的结构设计及工作能力设计等。
2.2　机器的功能分析及功能原理设计
2.2.1　机器的功能分析
功能是机器的核心和本质，是机器为满足用户需求所必须具有的“行为”或必须完成的任务。从某种意义上讲，可以认为“用户购买的不是机器本身，而是机器所具有的功能”。因此在进行机械设计时，首先应该考虑的是要实现什么功能和如何实现所需的功能。
机器是实现某种“功能”的装置。一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能。例如，挖掘机的总功能是“取运物料”，减速器的总功能是“传递扭矩和变换速度”。
总功能可以分解成若干个分功能，如挖掘机的总功能可分解为获取物料、运送物料等分功能，如图2-1所示。因此从功能的观点来看，机器是由多个分功能构成的系统，它们的协调工作实现了机器的总功能。
图2-1　挖掘机的功能分解
分功能还可以继续分解，一直分解到能找到原理解法的分功能为止。能找到原理解法的分功能称为功能元。功能元与一定的功能载体相对应，功能载体是实现对应功能的技术实体。例如，“铲斗”、“推压”、“回转”等分功能就是挖掘机的功能元，“铲斗”的功能载体可以是“正铲斗”、“反铲斗”、“抓斗”等。
设计机械产品时，很难根据总功能立即设计出对应的功能载体。所以功能分解的主要目的是将总功能分解为较简单的分功能或功能元，以便找出相应的功能载体。?5?
在分析和确定所设计机器的总功能和分功能时，要应用抽象化的方法。通过抽象，一方面可以更深刻、更正确、更全面地反映所设计机器的功能；另一方面也有利于抓住设计问题的本质，摆脱传统的设计思想和框架，开阔思路，获得更为满意的设计方案。例如，把轴承的功能抽象为“在相对回转运动表面间传递力”，就可以得到机械的、流体的、电磁的等不同工作原理和不同结构形式的轴承。
2.2.2　功能原理设计
在完成机器的功能分析后，下一步要针对机器的功能构思其工作原理。这种主要针对功能的原理性设计，称为功能原理设计。功能原理设计应首先对各个功能元求解，然后将各个功能元的解综合，形成能实现机器总功能的原理方案。
功能元求解就是要寻找能实现功能元的原理方案或结构方案。功能元求解首先应根据一定的科学原理（如力学、电学、热力学等）确定能实现功能元的技术原理，然后按照技术原理来选择或构思功能载体。可只用简图或示意图来表示所构思的功能载体，不必考虑其具体结构、材料和制造工艺等细节问题。功能载体以它所具有的某种特性（运动特性、几何特性、物理化学特性等）来实现某一特定的功能。
功能元求解时，要始终明确功能是本质，而采用什么样的原理、何种功能载体只是形式。只要本质不变，形式可以各种各样。既然人们购买的是产品所具有的功能，那么在保证实现功能的前提下，可以采用不同的原理、不同的功能载体来实现所要求的功能。因此求解功能元时要应用“发散”思维，进行创新构思，力求提出较多的解法供比较选优。
利用形态学矩阵将各个功能元的解进行综合就可以得到能实现机器总功能的多个原理方案。所谓形态学矩阵，就是用矩阵的形式列出各功能元及各功能元的解（功能载体）。表2-1就是在求得各功能元的解（功能载体）后，得出的挖掘机形态学矩阵。
表2-1　挖掘机形态学矩阵
功能元 功能元的解 （功能载体）
1 2 3 4
铲斗 正铲斗 反铲斗 抓斗
推压 齿条 钢丝绳 油缸
提升 油缸 绳索
回转 内齿轮传动 外齿轮传动 液轮
运送物料 履带 轮胎 迈步式 轨道-车轮
能量转化 柴油机 汽油机 电动机 液压马达
能量传递与分配 齿轮箱 油泵 链传动 带传动
制动 带式制动 闸瓦制动 片式制动 圆锥形制动
变速 液压式 齿轮式 液压-齿轮式

用形态学矩阵进行方案综合，就可以得到多种原理方案。例如，由表2-1所示的挖掘机形态学矩阵，可得3×3×2×3×4×4×4×4×3＝41472个原理方案。在众多的原理方案中，应去除那些技术上明显不适用或不可行的方案，保留可行的方案。在剩余的可行方案中，再进行评价与决策，最终定出较为理想的方案。?6?
2.3　机械设计的基本要求和程序
2.3.1　机器设计的基本要求及程序
1.机器设计的基本要求
尽管各种机器的性能、用途及结构形式不同，但在设计时均应满足以下的基本要求。1）功能要求如前所述，功能是机器的核心和本质。因此设计的机器首先应能实现预定的功能，并
能在规定工作条件下和规定工作期限内正常运行。2）可靠性要求机器由许多零件及部件组成，机器的可靠性取决于零部件的可靠性。可靠性用可靠度来
衡量。机器的零部件越多，其可靠度越低。为了保证机器的可靠度，当组成机器的零部件越
多时，对每个零部件的可靠度要求也就越高。因此，在设计机器时应尽量减少零部件数目。3）经济性要求机器的成本包括设计、加工、装配、材料、使用、维护等各环节的成本。设计对机器
成本的影响很大，统计分析表明机器成本的80%由设计所决定。因此，设计时应全面考虑以上各环节的成本，以提高机器的经济性。设计机器时，可通过以下措施提高机器的经济性。
（1）采用先进的设计方法和设计手段（如CAD、有限元分析、并行设计等）。这样，一方面可以得到尽可能精确的设计计算结果，并能进行优化设计；另一方面可尽量减少设计中的反复，从而缩短设计周期，降低设计成本。
（2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零部件。

（3）采用新技术、新工艺、新材料和新结构。

（4）改善零部件的结构工艺性，使其易于加工、装配和维护，并能节约材料。

（5）采用合理的润滑方式及密封装置，从而延长机器的使用寿命。

（6）提高运动副及传动系统的效率，以降低能源消耗。

（7）提高机器的自动化水平，以提高机器的生产率。4）操作方便和安全要求设计机器时，应根据人机工程学原理使人机关系协调，力求操作方便、省力、舒适，


最大限度地减少脑力和体力消耗；降低机器噪声，防止有害介质的泄漏，减少环境污染；力求维护方便并降低维护费用；设置必要的安全防护装置，确保机器运行时的人身安全和机器自身的安全。
5）造型、色彩要求
运用工业设计的方法，对机器进行造型和色彩设计，以实现人、机器和环境的完美协调。机械产品的造型和色彩设计，直接影响到产品的销售和竞争力，是机械设计中一个不容忽视的环节。
2.机器设计的一般程序
机器设计有其固有的规律和特点。为提高设计质量，机器设计应按照一定的程序来进