第1章 绪论
　　1.1 机器的组成及本课程研究的对象
　　1.1.1 机器的组成
　　机器是执行机械运动的装置，根据机器用途的不同，主要分为三类，即加工类机器、运输类机器和信息类机器。
　　任何一台机器都是由原动机、传动装置和工作机三部分组成的，机器能够代替人的劳动做有用功，或者进行能量的转换。
　　原动机是机器动力的来源，常用的原动机有电动机、内燃机、液压缸和气动缸等，以电动机*为常用。
　　传动装置是将原动机的运动和动力传递给工作机的装置，并实现运动速度和运动形式的转换。按传动的工作原理，可分为机械传动、流体传动、电力传动和磁力传动等。机械传动是*为常用的传动方式，机械传动根据传动原理又分为摩擦传动、啮合传动等。例如，一般原动机的转速都比较高，而工作机的转速又比较低，这就需要实现减速，可通过摩擦传动或啮合传动等方式实现。
　　工作机或称执行装置，是直接完成机器功能的部分。
　　机器的特征：人为的实物组合，或由机构组成；组成机器的各个部分之间有确定的相对运动，用来代替或减轻人的劳动去做有用功或转换能量、处理信息。
　　这里应当区别“机器”与“机构”的概念，机构具有机器的前两个特征，从结构和运动观点看，机器与机构并无区别。例如，内燃机是由活塞（看成滑块）、连杆、曲轴（曲柄）和气缸体组成的一个曲柄滑块机构，将活塞的往复运动转变为曲柄的连续转动。但是它没有机器的第三个特征，即做有用功或转换能量、处理信息等，因此只能称为机构，而不能称为机器。
　　机械是指机器及机构的总称。
　　设计是指为满足某一特定要求而进行的创造过程。
　　机器对发展国民经济和实现四个现代化具有极其重要的作用，物质资料的生产是人类社会存在与发展的基础。而现代化大规模机器的产生，是生产高度发展的重要标志。机器能承担人力不能或不便进行的工作，并且与人工生产相比可以改进产品质量、提高劳动生产率和改善劳动条件。只有使用机器才能实现高度机械化、电气化、白动化，因此，机械工业（主要指机器）为国民经济各部门提供技术装备和促进技术改造起到重要作用，为实现四个现代化提供重要保证，因此有人说“机械是工业之母”。
　　1.1.2 本课程研究的对象
　　本课程是研究在普通条件下工作的一般参数的通用机械零件的设计理论和方法。
　　所谓在“普通条件下工作”是指常温、常压的工作条件，如果高温、高压条件下工作的机械零件其设计具有特殊性，则不在本课程讨论范畴。
　　“一般参数”是指机械零件的尺寸不是过大或过小。例如，过大的机械零件如连筑用的地脚螺栓，有的重1.8t，它的设计不能用普通机械零件的设计方法处理；过小的机械零件如女式手表中的齿轮，其直径为1mm，因为尺寸过小，其设计方法也不能用常规的设计方法处理，可根据精密机械的理论和方法解决。
　　所谓“通用机械零件”是指在各类机器中普遍使用的零件。例如，起连接作用的零件如螺栓、键、销等；起传动作用的零件如带、齿轮、蜗轮、链等；轴系零部件如轴、轴承等；其他零件如弹簧、机架等。
　　1.2 本课程的性质、地位和任务
　　1.2.1 本课程的性质和地位
　　机械设计课程是一门讲述机械设计理论、研究机械设计方法及性质的技术基础课，是多学科知识的综合运用，综合了理论力学、材料力学、机械制图、机械原理、机械精度设计、金属工艺学及热处理等系列机械基础课程的知识，解决通用机械零部件的设计问题，因而具有综合性、设计性。
　　机械设计课程是机械类及近机类专业的一门重要的技术基础课，是机械专业的主干课程。
　　1.2.2 本课程的任务
　　机械设计课程的任务主要有以下几方面。
　　(1) 掌握机械设计所必需的基础知识、基本理论和基本技能，解决通用零件的设计问题，所谓设计问题即包括设计计算和绘制出符合生产要求的工作图。
　　(2) 能够独立进行传动装置的设计，可通过设计性大作业和课程设计两个环节完成。
　　(3) 熟悉国家标准、手册、规范等，并能正确运用。
　　(4) 培养学生树立正确的设计思想：一是要以主人翁的态度进行设计；二是要不断更新设计方法。
　　以主人翁的态度进行设计包含三方面的含义：第一，作为设计者应该在选材方面考虑经济性，即如何立足于选择国产材料、如何节省材料等。第二，设计中力求结构简单、工艺性好，所谓工艺性好即设计的产品能够方便而容易地加工出来。第三，设计中要采用标准件，即经过优选、简化、统一，并给予标准代号的零部件。使用标准件一方面能够节省设计时间，另一方面也是更主要的能保证产品质量，互换性强，价格低廉。
　　不断更新设计方法包含三方面的含义，即优化设计、可靠性设计及计算机辅助设计(CAD)。但是这些计算方法的共同基础还是传统的计算方法，上述三种方法在以后的专业课中会有详细介绍。
　　1.3 本课程的特点和学习方法
　　机械设计课程是一门多学科知识的综合运用，所以本课程具有“三性”、“四多”的特点。“三性”是指综合性、设计性、实践性；“四多”是指公式多、概念多、图表多、系数多。
　　本课程的学习方法与以前的基础课有所不同，归纳起来有以下几条：抓实质、理论联系实际、试算法，归纳总结。
　　(1) 抓实质。抓住各个零件的设计思路，掌握公式的应用条件，掌握各个系数的物理意义。各个零件的设计思路*好归纳为设计框图，部分零件的设计框图可参考配套教材《机械设计学习指导（第二版）》的相应章节。
　　(2) 理论联系实际。理论计算出来的零件尺寸一定要与实际相联系，即考虑加工的可能性、结构的合理性等。
　　(3) 试算法。需要反复试算，反对纯数学推导式的一气呵成的做法。因为实际的机械零件设计有很多未知数，不可能通过一步求解得出结论。例如，在螺栓强度计算过程中求螺栓直径时，需确定许用应力；确定许用应力又需要知道安全系数，而安全系数又与螺栓直径有关，一般直径大不易被拉断，因此取小的安全系数；反之，直径小易被拉断，则要取大的安全系数。因此必须要用“试算法”先假定一个安全系数，确定许用应力，再代人公式求螺栓直径。其他章节如齿轮、蜗轮等零件的设计也皆如此，也要用“试算法”。
　　(4) 归纳总结。每学完一种零件（一般为一个章节），要进行归纳总结，这样才能抓住实质。
　　总之，学习本课程要有一个适应、转变的过程。
　　1.4 机械设计的一般进程和方法
　　1.4.1 机械设计的主要工作阶段
　　机械设计的一般步骤可分为以下几个阶段。
　　(1) 计划阶段。迸行市场调研，了解市场需求，论证可行性。如果可行，作出产品开发计划，完成可行性研究报告及设计任务书。
　　(2) 原理方案设计阶段。进行功能分析，寻求可行原理，确定原理方案，如有多种方案，进行优化选择，从而评价决策，完成*佳原理方案图。
　　(3) 技术设计阶段。首先进行结构方案设计，包括参数设计（初定材料、参数、尺寸、精度等）。接着进行结构设计（粗布局及构形等），可能有多种结构方案，进行优化及评价决策，得出初步结构设计草图。*后进行总体设计：确定总体布局、构形设计、决定尺寸；进行人机工程设计；进行外观造型设计。可能有多种总体设计方案，进行优化及评价决策，确定总装配图。
　　(4) 施工设计阶段。包括产品部件设计、产品零件设计及编制各种技术文件，完成部件装配图、拆成零件工作图及完成各种技术文档。
　　(5) 试制试验阶段。先进行样机制造并评价考核其工艺性，作进一步改进，再进行小批量生产，然后试销，如果销路好就进行批量生产。投产后再进行调查，根据使用情况再按第(3)～(5)步进行。但对具体的机器而言，其设计程序可能各不相同。
　　1.4.2 设计机械零件时应满足的基本要求
　　设计机械零件时应满足的基本要求主要有三点。
　　(1) 要有一定的工作能力，零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力，这一条是设计机械零件时应满足的首要条件。所谓“工作能力”是指机械零件要有一定的强度、刚度、耐磨性、可靠性等。
　　(2) 经济性好，即机械零件的成本要低。想要达到成本低的目的，就应当从机械零件的选材、合理确定精度等级、采用标准件等方面综合考虑。
　　(3) 具有良好的结构工艺性，即机械零件在既定的生产条件下，能够方便而经济地加工出来，且便于装配，同时还要考虑加工的可能性及难易程度等。
　　1.4.3 机械零件设计的一般步骤
　　机械零件设计一般包括如下几个步骤。
　　(1) 选择零件的材料，在满足工艺要求的条件下，优先考虑国产材料，尽量选用市场广泛供应、货源充足的材料，并考虑价格、质量等因素综合评价选择。
　　(2) 建立零件的受力模型，对零件进行受力分析，确定零件的计算载荷，如计算功率Pc=KP，式中，P为名义载荷（公称载荷、额定载荷），K为载荷系数。
　　(3) 选择零件的类型与结构，可参考各种图册和手册，或根据实际经验确定。
　　(4) 理论计算，包括两部分内容。
　　① 设计计算。由作用到零件上的力求零件的几何尺寸，即根据零件的主要失效形式确定零件的设计依据和公式，求零件的主要参数、尺寸，如根据齿面接触疲劳强度求出齿轮的主要参数——分度网直径，即为设计计算。
　　② 校核计算。已知零件的几何尺寸求零件的工作能力。例如，根据齿面接触疲劳强度求出齿轮的主要参数——分度网直径后，为了保证齿轮的另一种工作能力，即轮齿不被折断，还要再代人弯曲强度的公式进行核算，此计算称为校核计算。
　　(5) 零件的结构设计。设计出零件的全部结构形式及具体几何尺寸。
　　(6) 绘制零件的工作图并编写计算说明书。绘制出符合生产要求的零件工作图，包括材料、热处理、形状、尺寸、尺寸公差、形状位置公差、技术要求等全部内容。
　　上述设计步骤并非一成不变，有时需要交替进行。
　　1.5 机械零件的失效形式和设计准则
　　1.5.1 机械零件的常见失效形式
　　所谓失效即指机械零件因为某种原因不能正常工作。
　　可能的失效形式
　　强度失效
　　整体强度
　　表面强度
　　刚度失效
　　磨损失效
　　振动、噪声失效
　　精度失效
　　可靠性
　　常见的主要失效形式
　　断裂
　　塑变
　　磨损
　　表面失效
　　疲劳点蚀
　　胶合
　　其他失效：如打滑
　　1.5.2 机械零件的设计准则
　　以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原则称为设计准则。常用的设计准则如下。
　　1．强度准则
　　零件在载荷作用下抵抗断裂和塑性变形的能力称为零件的强度，零件的强度可按所受应力小于或等于零件的许用应力进行计算，即
　　(1.1)
　　脆性材料强度极限
　　塑性材料强度极限
　　疲劳极限
　　式中，拉（压）应力；
　　剪应力；
　　许用拉（压）应力、许用剪应力；
　　计算安全系数；
　　静强度时材料的断裂极限和屈服极限；
　　极限应力。
　　2．刚度准则
　　零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力称为零件的刚度。零件的刚度计算可按材料力学所介绍的方法进行计算，即求变形量小于许用变形量，变形量可以是挠度、偏转角或扭转角，即
　　(1.2)
　　式中，y、*、*——挠度、偏转角、扭转角；
　　[y]、[*]、[*]——许用挠度、许用偏转角、许用扭转角。
　　在机械零件计算中，轴零件的刚度计算较为常用，一般常按挠度条件判断刚度条件，而偏转角或扭转角一般不进行计算，因为轴经过结构设计后，一般直径较大，刚度足够．尤其偏转角或扭转角的安全度更大，无须进行计算。<

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 机器的组成及本课程研究的对象 1
1.1.1 机器的组成 1
1.1.2 本课程研究的对象 1
1.2 本课程的性质、地位和任务 2
1.2.1 本课程的性质和地位 2
1.2.2 本课程的任务 2
1.3 本课程的特点和学习方法 2
1.4 机械设计的一般进程和方法 3
1.4.1 机械设计的主要工作阶段 3
1.4.2 设计机械零件时应满足的基本要求 3
1.4.3 机械零件设计的一般步骤 4
1.5 机械零件的失效形式和设计准则 4
1.5.1 机械零件的常见失效形式 4
1.5.2 机械零件的设计准则 5
1.6 机械设计方法简介及机械设计的*新进展 7
1.6.1 机械设计方法简介 7
1.6.2 机械设计的*新进展 8
第2章 连接 9
2.1 螺纹 9
2.1.1 螺纹的分类 9
2.1.2 螺纹的主要参数 11
2.2 螺纹连接的基本类型和标准螺纹连接件 11
2.2.1 螺纹连接的主要类型 11
2.2.2 标准螺纹连接件简介 13
2.2.3 螺纹紧固件的常用材料和力学性能等级 14
2.2.4 螺纹公差及精度的选用 15
2.3 螺纹连接的拧紧 16
2.3.1 拧紧目的、实质及预紧力F7 16
2.3.2 拧紧力矩r的计算 17
2.4 螺纹连接的防松 19
2.5 螺栓组连接的结构设计和受力分析 20
2.5.1 螺栓组连接的结构设计 20
2.5.2 螺栓组连接的受力分析 21
2.6 单个螺栓连接的强度计算 24
2.6.1 受拉螺栓连接的强度计算 24
2.6.2受剪螺栓连接的强度计算 29
2.7 提高螺栓连接强度的措施 29
2.7.1 改善螺纹牙间载荷分布不均匀状况 30
2.7.2 减小应力幅* 31
2.7.3 减小应力集中 31
2.7.4 减小附加应力 31
2.7.5 采用合理的制造工艺 32
2.8 螺旋传动 32
2.8.1 螺旋传动的类型与应用 32
2.8.2 滑动螺旋的设计计算 34
2.9 键连接 37
2.9.1 键连接的类型与构造 37
2.9.2 平键连接的设计计算 40
2.10 花键连接 42
2.10.1 花键连接的特点和类型 42
2.10.2 花键连接的强度计算 44
2.11 销连接 45
2.12 无键连接 46
2.12.1 成形连接 46
2.12.2 弹性环连接 46
2.12.3 过盈连接 47
2.13 其他形式的连接 48
2.13.1 铆接 48
2.13.2 焊接 50
2.13.3 胶接 51
2.14 连接设计禁忌示例 52
2.14.1 螺纹连接设计禁忌示例 52
2.14.2 螺旋千斤顶设计禁忌示例 57
2.14.3 键连接设计禁忌示例 58
2.14.4 销连接设计禁忌示例 61
2.14.5 过盈连接设计禁忌示例 62
2.14.6 焊、粘、铆连接设计禁忌示例 63
第3章 带传动 67
3.1 概述 67
3.1.1 带传动的优缺点 67
3.1.2 带传动的类型 67
3.1.3 带传动的形式 68
3.1.4 带传动的适用范围 68
3.1.5 注意问题与禁忌 69
3.2 V带与V带轮 70
3.2.1 普通V带的构造和标准 70
3.2.2 开口V带传动的几何参数及计算 71
3.2.3 V带轮 73
3.2.4 注意问题与禁忌 74
3.3 V带传动的工作情况分析 75
3.3.1 V带传动的受力分析 75
3.3.2 V带的弹性滑动和传动比 76
3.3.3 V带传动的应力分析 77
3.3.4 注意问题与禁忌 78
3.4 V带传动的设计计算 80
3.4.1 V带传动的失效形式和设计准则 80
3.4.2 V带传动的设计计算 80
3.4.3 注意问题与禁忌 83
3.5 V带传动的张紧与维护 89
3.5.1 V带传动的张紧 89
3.5.2 V带传动的维护 90
3.5.3 注意问题与禁忌 91
3.6 V带轮三维设计 92
第4章 链传动 95
4.1 概述 95
4.1.1 链传动的优缺点 95
4.1.2 链传动的适用范围 95
4.1.3 链传动的种类 96
4.1.4 传动链的类型 96
4.1.5 注意问题与禁忌 96
4.2 滚子链和链轮 97
4.2.1 滚子链 97
4.2.2 滚子链链轮 99
4.2.3 注意问题与禁忌 100
4.3 链传动的运动特性 101
4.3.1 链传动的运动特性 101
4.3.2 注意问题与禁忌 103
4.4 链传动的设计计算 104
4.4.1 链传动的主要失效形式及额定功率 104
4.4.2 中、高速滚子链传动的设计计算及主要参数的选择 106
4.4.3 低速滚子链传动的静强度计算 108
4.4.4 注意问题与禁忌 108
4.5 链传动的布置、张紧和润滑 110
4.5.1 链传动的布置原则 110
4.5.2 链传动的张紧 111
4.5.3 链传动的润滑 111
4.5.4 注意问题与禁忌 112
第5章 齿轮传动 116
5.1 概述 116
5.1.1 齿轮机构的类型 116
5.1.2 齿轮传动的主要几何计算 117
5.1.3 齿轮传动的优缺点 119
5.1.4 注意问题与禁忌 119
5.2 齿轮传动的分类及失效形式 122
5.2.1 齿轮传动的分类 122
5.2.2 传动对齿轮的基本要求 122
5.2.3 齿轮的失效形式 123
5.2.4 齿轮传动的设计准则 123
5.2.5 注意问题与禁忌 124
5.3 齿轮常用材料 125
5.3.1 齿轮传动对材料的基本要求 125
5.3.2 齿轮常用材料 125
5.4 齿轮传动的精度及其选择 126
5.4.1 精度等级 127
5.4.2 齿侧间隙 128
5.5 齿轮传动的作用力及计算载荷 128
5.5.1 直齿圆柱传动的受力分析 128
5.5.2 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析 129
5.5.3 直齿圆锥齿轮传动的受力分析 130
5.5.4 计算载荷 130
5.5.5 注意问题与禁忌 133
5.6 标准齿轮传动的强度计算 136
5.6.1 标准直齿圆柱齿轮传动的弯曲疲劳强度计算 136
5.6.2 标准直齿圆柱齿轮传动的接触疲劳强度计算 141
5.6.3 标准斜齿圆柱齿轮传动的弯曲疲劳强度计算 144
5.6.4 标准斜齿圆柱齿轮传动的接触疲劳强度计算 145
5.6.5 标准直齿圆锥齿轮传动的弯曲疲劳强度计算 146
5.6.6 标准直齿圆锥齿轮传动的接触疲劳强度计算 149
5.6.7 齿轮设计时模数或分度冈直径的估算及修正 149
5.6.8 静强度校核计算 149
5.6.9 注意问题与禁忌 150
5.7 齿轮结构 152
5.7.1 卤轮的结构形式 152
5.7.2 注意问题与禁忌 155
5.8 齿轮传动的效率和润滑 156
5.8.1 齿轮传动的效率 156
5.8.2 齿轮传动的润滑 156
5.8.3 注意问题与禁忌 157
5.9 齿轮的三维设计 165
第6章 蜗杆传动 167
6.1 概述 167
6.1.1 蜗杆传动的类型 167
6.1.2 蜗杆传动的适用范围 168
6.1.3 蜗杆传动的优缺点 168
6.1.4 注意问题与禁忌 169
6.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算 171
6.2.1 主要参数 171
6.2.2 几何尺寸计算 175
6.2.3 蜗杆传动变位的特点 176
6.2.4 注意问题与禁忌 178
6.3 普通网柱蜗杆传动的失效形式、设计准则及蜗杆和蜗轮的材料、结构 179
6.3.1 蜗杆传动的失效形式及设计准则 179
6.3.2 蜗杆传动的材料 180
6.3.3 蜗杆和蜗轮的结构 180
6.3.4 注意问题与禁忌 182
6.4 普通圆柱蜗杆传动承载能力及热平街计算 183
6.4.1 蜗杆传动的受力分析 183
6.4.2 蜗杆传动的强度计算 184
6.4.3 蜗杆的刚度计算 187
6.4.4 蜗杆传动的热平衡计算 187
6.4.5 注意问题与禁忌 190
第7章 轴 195
7.1 轴的功用、分类及设计要求 195
7.1.1 轴的功用 195
7.1.2 轴的分类 195
7.1.3 轴的设计要求和设计步骤 195
7.2 轴的材料 196
7.2.1 碳素钢 197
7.2.2 合金钢 197
7.2.3 球墨铸铁 197
7.3 轴的结构设计 197
7.3.1 满足使用的要求 198
7.3.2 轴的结构工艺性 199
7.3.3 提高轴的疲劳强度 201
7.4 轴的强度计算 202
7.4.1 按许用切应力计算 202
7.4.2 按许用弯曲应力计算 202
7.4.3 按许用安全系数校核轴的疲劳强度 204
7.5 轴的刚度计算 210
7.5.1 弯曲变形的计算 211
7.5.2 扭转变形的计算 212
7.6 轴的振动稳定性概念 213
7.7 轴设计禁忌 213
7.7.1 轴强度计算禁忌 213
7.7.2 轴结构设计禁忌 216
7.7.3 轴刚度计算禁忌 220
第8章 摩擦、磨损及滑动轴承 221
8.1 概述 221
8.2 摩擦 221
8.2.1 摩擦状态 221
8.2.2 干摩擦理论 222
8.2.3 摩擦系数 223
8.2.4 摩擦特性曲线 224
8.3 磨损 224
8.3.1 磨损过程及曲线 224
8.3.2 磨损分类及其影响因素 225
8.4 润滑 226
8.4.1 润滑剂的分类及其特点 226
8.4.2 润滑剂的性能指标 227
8.4.3 润滑剂的选择 230
8.5 滑动轴承的主要结构形式 231
8.5.1 径向滑动轴承 231
8.5.2 推力轴承 232
8.6 滑动轴承的失效形式和常用材料 232
8.6.1 滑动轴承的失效形式 232
8.6.2 滑动轴承轴瓦和轴承衬的常用材料 233
8.7 滑动轴承的轴瓦结构 235
8.7.1 向心滑动轴承的轴瓦结构 235
8.7.2 推力轴承的轴瓦结构 237
8.8 不完全液体润滑滑动轴承的设计计算 237
8.8.1 不完全液体润滑径向滑动轴承的计算 237
8.8.2 推力滑动轴承的计算 238