《機械設計基礎（第二版）》為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，同時為普通高等教育機械類國家級特色專業系列規劃教材之一。
《機械設計基礎（第二版）》以培養學生基本的機械設計能力和現代設計意識為目的，根據編者多年來的教學經驗，對機械原理、機械設計課程的基本內容進行整合，以實用為原則，適當刪去部分內容，增加結構設計內容，以及現代設計理念和現代設計方法方面的知識。《機械設計基礎（第二版）》共18章，分為四篇。第一篇導論，主要介紹關于機械和機械設計的基本概念；第二篇機械設計基礎知識，主要介紹機械運動設計、機械零部件工作能力設計和結構設計的基礎知識；第三篇機構與機械傳動，主要介紹常用的機構和機械傳動及其設計，以及機械動力學的基礎知識；第四篇連接件和軸系零部件，主要介紹螺紋連接、聯軸器、離合器、軸和軸承的設計與選用。
《機械設計基礎（第二版）》可作為高等院校機械類各專業的教材，也可作為相近專業有關課程的參考用書，并可供有關工程技術人員參考。
陳曉南、楊培林主編的《機械設計基礎（第2版）》共18章，分為四篇。第一篇導論，主要介紹關于機械和機械設計的基本概念；第二篇機械設計基礎知識，主要介紹機械運動設計、機械零部件工作能力設計和結構設計的基礎知識；第三篇機構與機械傳動，主要介紹常用的機構和機械傳動及其設計，以及機械動力學的基礎知識；第四篇連接件和軸系零部件，主要介紹螺紋連接、聯軸器、離合器、軸和軸承的設計與選用。
陳曉南、楊培林、陳鋼、龐宣明
第二版前言
第一版前言
第一篇 導論
第1章 緒論
1.1 機械的組成
1.2 本課程的內容、性質和任務
第2章 機械設計概述
2.1 概述
2.2 機器的功能分析及功能原理設計
2.3 機械設計的基本要求和程序
2.4 機械設計中的常用設計方法
思考題與習題
第二篇 機械設計基礎知識
第3章 機械運動設計與分析基礎
3.1 概述 第二版前言
第一版前言
第一篇 導論
第1章 緒論
1.1 機械的組成
1.2 本課程的內容、性質和任務
第2章 機械設計概述
2.1 概述
2.2 機器的功能分析及功能原理設計
2.3 機械設計的基本要求和程序
2.4 機械設計中的常用設計方法
思考題與習題
第二篇 機械設計基礎知識
第3章 機械運動設計與分析基礎
3.1 概述
3.2 機構的組成
3.3 平面機構運動簡圖
3.4 平面機構的自由度計算
3.5 平面機構的速度瞬心
思考題與習題
第4章 機械零部件工作能力設計計算基礎
4.1 概述
4.2 作用在零件上的載荷
4.3 機械零件中的應力
4.4 機械零件的工作能力設計及材料選用原則
4.5 機械零件的強度和剛度
4.6 機械零件的振動穩定性
4.7 摩擦、磨損和潤滑簡介
思考題與習題
第5章 機械零部件結構設計基礎
5.1 概述
5.2 結構設計方法
5.3 結構設計應考慮的因素
思考題與習題
第三篇 機構與機械傳動
第6章 平面連桿機構
6.1 概述
6.2 平面連桿機構的基本形式及演化
6.3 平面四桿機構的基本特性
6.4 平面連桿機構的運動設計
思考題與習題
第7章 凸輪機構
7.1 概述
7.2 凸輪機構的類型和應用
7.3 從動件的幾種常用運動規律
7.4 盤形凸輪輪廓曲線的設計
7.5 凸輪機構的基本尺寸設計
思考題與習題
第8章 齒輪傳動
8.1 概述
8.2 齒廓嚙合基本定律
8.3 漸開線齒廓
8.4 漸開線標準直齒圓柱齒輪及其嚙合傳動
8.5 漸開線齒輪的加工方法及齒輪變位的概念
8.6 齒輪傳動的失效形式、設計準則及材料選擇
8.7 齒輪傳動的計算載荷
8.8 直齒圓柱齒輪的強度計算
8.9 漸開線斜齒圓柱齒輪傳動
8.10 錐齒輪傳動
8.11 齒輪的結構
思考題與習題
第9章 蝸桿傳動
9.1 概述
9.2 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數與幾何尺寸計算
9.3 蝸桿傳動的工作情況分析
9.4 蝸桿傳動設計
思考題與習題
第10章 輪系
10.1 概述
10.2 定軸輪系及其傳動比計算
10.3 周轉輪系及其傳動比計算
10.4 混合輪系及其傳動比計算
10.5 輪系的功用
10.6 行星輪系的效率計算
10.7 周轉輪系各輪齒數的確定
10.8 其他行星齒輪傳動簡介
思考題與習題
第11章 帶傳動
11.1 概述
11.2 V帶和帶輪
11.3 帶傳動的工作情況分析
11.4 帶傳動的強度計算
11.5 普通V帶傳動的設計
11.6 V帶的使用和維護
11.7 同步帶傳動簡介
思考題與習題
第12章 其他傳動類型簡介
12.1 概述
12.2 棘輪機構
12.3 槽輪機構
12.4 不完全齒輪機構
12.5 液壓傳動簡介
12.6 氣壓傳動簡介
12.7 電力拖動簡介
思考題與習題
第13章 機構的組合與結構設計
13.1 概述
13.2 機構的組合方式
13.3 機構的結構設計及應用實例
思考題與習題
第14章 機械系統動力學
14.1 概述
14.2 機械系統動力學分析原理
14.3 機械系統的速度波動及其調節
14.4 剛性回轉構件的平衡
思考題與習題
第四篇 連接件和軸系零部件
第15章 螺紋連接
15.1 概述
15.2 螺紋連接的基本知識
15.3 螺紋連接的預緊和防松
15.4 螺紋連接的強度計算
15.5 螺栓連接設計
思考題與習題
第16章 軸
16.1 概述
16.2 軸的工作能力計算模型
16.3 軸的設計
思考題與習題
第17章 軸承
17.1 概述
17.2 滑動軸承的類型和典型結構
17.3 滑動軸承軸瓦結構
17.4 滑動軸承的工作能力計算
17.5 其他滑動軸承簡介
17.6 滾動軸承的主要類型、特點及其代號
17.7 滾動軸承的類型選擇
17.8 滾動軸承的工作情況分析
17.9 滾動軸承的額定載荷與壽命
17.10 滾動軸承的靜載荷計算
17.11 軸承裝置的結構設計
思考題與習題
第18章 聯軸器與離合器
18.1 概述
18.2 聯軸器
18.3 離合器
思考題與習題
參考文獻
第1章 緒 論
1.1 機械的組成
“機械”、“機器”、“機構”這些名詞大家都不陌生。在日常生活與工作中，人們幾乎天天都會接觸到各種各樣的機器或機械，如汽車、洗衣機、縫紉機、電動機、機床等。機械的應用極大地減輕了人們的體力勞動，提高了生產率并改善了勞動條件。機械的發展及應用水平也已成為衡量一個國家工業水平和現代化程度的重要標志之一。
但什么是機械？什么是機器或機構？它們都有何特征？如何定義？它們之間有什么不同？這就是本章要介紹的內容。
機器是執行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息，它是人類在長期的生產實踐中逐步創造并發展起來的。現代機器，盡管它們的結構形式不同、性能和用途不一，但從其組成、運動及功能轉換關系看，都具有下列三個共同特征：
（1）它們都是若干人為實體的組合。
（2）各實體之間具有確定的相對運動。
（3）能用來代替人們的勞動去實現機械能與其他形式能之間的轉換或做有用的機械功。而僅具備以上（1）、（2）兩個特征的則稱為“機構”。機器與機構的主要區別就在于：機器具有運動和能量（而且總包含有機械能）的轉換，而機構只有運動的變換。
顯然，機器是由機構組成的。機構是機器的運動部分，是剔除了與運動無關的因素而抽象出來的運動模型，它主要用于研究機器運動，是機械學上的一個術語。一臺機器可以包含一個機構或幾個機構。功用不同的機器可以具有同樣的主要機構。例如，圖1-1所示的單缸內燃機和圖1-2所示的沖床機，它們的主體機構都是曲柄滑塊機構。機構又是由構件組成，且具有一定的相對運動關系，因此，構件是機構運動的基本單元體。
一部機器往往包含有機械、電氣、液壓、氣動、潤滑、控制等部分，各部分各司其責，使機器協調地工作。但就其功能而言，一般由四個部分組成，即驅動部分、傳動部分、執行部分、協調控制部分，如圖1-3所示。
驅動部分是機器的動力源，最常見的動力源有電動機、內燃機等。執行部分是機器中用來產生規定動作以實現機器預定功能的部分。傳動部分是機器中將驅動部分的運動和動力傳遞給執行部分的中間環節，利用傳動系統可實現運動形式、運動參數及動力參數的改變，如把旋轉運動變為直線運動、高轉速變為低轉速、小轉矩變為大轉矩等。協調控制部分是通過機器中信息的傳遞、加工處理和反饋對機器進行控制的部分。由于近代機器的功能日益復雜、精度越來越高，協調控制部分在其中的作用就顯得尤為重要。
另一方面，從制造角度來說機器又是由機械零件組成的。所以，機械零件是機器的組成要素和制造單元。機械零件一般又分為通用零件和專用零件。廣泛應用于各種不同類型機器中的機械零件稱為通用零件，如螺釘、齒輪等。只用于某些特定機器中的機械零件稱
圖1-1 單缸內燃機圖1-2 沖壓機1-機架；2-曲柄；3-連桿；4-滑塊1-機架；2-曲柄；3-連桿；4-滑塊
圖1-3 機器的組成
為專用零件，如汽輪機的葉片、內燃機的活塞等。在通用零件中，具有標準代號的零件或部件又稱為標準件。為完成同一使命，在結構上組合在一起并協調工作的一組零件稱為部件，如聯軸器、離合器等。
若撇開機器在做功和轉換能量方面的作用，僅從結構和運動的觀點來看，機器與機構并無區別。因此，習慣上用“機械”一詞作為機器與機構的總稱。但機械與機器在用法上略有不同：機器常用來指一個具體的概念，如內燃機、拖拉機等；而機械則常用在更廣泛、更抽象的意義上，如機械化、機械工業等。
1.2 本課程的內容、性質和任務
作為機械設計的入門課程，本課程主要介紹機械設計的基本理論和技術，研究機械設計中常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、設計方法等。在常用機構中，主要討論了連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系和間歇運動機構；在通用零件中，主要研究了常見的機械傳動、常用的連接、軸系零部件等。此外，還介紹了機械動力學方面的基礎知識。
由此可見，“機械設計基礎”是一門培養學生具有一定機械設計能力的技術基礎課程。通過對本課程的學習（包括它的全部教學環節），可使學生著重掌握機械設計的基本知識、基本理論、基本方法和基本技能，并為后續課程的學習打下必要的基礎。
第2章 機械設計概述
2.1 概 述
“機械設計”具有豐富的內涵，不同時期對設計的理解也不盡相同。一般認為，機械設計是根據市場需求對機械產品的功能、原理方案、技術參數等進行規劃和決策，并將結果以一定形式（如圖紙、計算說明書、計算機軟件等）加以描述和表達的過程。設計質量的高低，將直接關系到機械產品的技術水平和經濟效益，因而設計在機械產品開發過程中起著關鍵性的作用。
早期的設計，僅僅是工匠在頭腦中的構思而已，所設計產品的結構也比較簡單。隨著社會及生產的發展，產品結構日趨復雜，發展到用圖紙表達設計人員的設計結果，并按圖紙制造產品。這時，設計工作在整個機器的制造過程中才具有相對獨立的性質，可以利用圖紙對產品進行分析和改進，也可以按圖紙進行大規模生產。圖紙的出現推動了設計工作的發展。
19世紀至20世紀初，隨著機械工業的發展，與機械設計有關的一些基礎理論與技術，如理論力學、材料力學、彈性力學、流體力學、熱力學、公差與技術測量、機械制圖等，逐漸發展成為獨立的學科。綜合應用這些學科而逐漸形成的機械設計方法，稱為傳統設計方法。
近幾十年來，隨著科學技術特別是計算機技術的迅速發展，相應地發展了一系列先進的設計理論與方法，如優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、虛擬設計等，這些統稱為現代設計。它的出現使得機械設計更加科學、更加精確和更加完善。目前現代設計的理論與方法已日趨成熟，并在設計實踐中得到廣泛應用。
機械設計可以是應用新的原理或概念開發新的機器，也可以是在已有機器的基礎上，重新設計或作局部的改進。
機器正常工作的前提是組成機器的各個零件能正常工作。由于某些原因機械零件不能在預定的條件下和規定的期限內正常工作時，稱為失效。由于具體工作條件和受載情況的不同，機械零件可能出現不同的失效形式，即使是同類零件，也可能出現不同的失效形式。例如，機器中的軸，可能由于疲勞斷裂而失效，也可能由于過大的彈性變形，使軸所支承的零件不能處于機器中的正確位置而失效。
機械零件在一定工作條件下抵抗失效的能力，稱為工作能力。針對各種失效形式，機械零件有各種相應的工作能力。機械設計的主要任務之一就是要保證機械零件有足夠的工作能力。
如前所述，機械設計是根據市場需求，對機械產品的功能、原理方案、技術參數等進行規劃和決策的過程。不同的機械由于其功能、結構形式、用途及工作條件的不同，其設計要求、設計方法及步驟也會有所不同。盡管如此，機械設計仍有其固有的規律和特點，必須滿足一些共同的基本要求，遵循一些基本的原則和程序。因此，要想科學合理地進行機械設計，就必須掌握機械設計的一些基本知識和一般規律，如機器的功能分析、功能原理設計、機械設計的基本要求和程序、機械零件材料的選用原則、機構運動方案設計、機械零部件的結構設計及工作能力設計等。
2.2 機器的功能分析及功能原理設計
2.2.1 機器的功能分析
功能是機器的核心和本質，是機器為滿足用戶需求所必須具有的“行為”或必須完成的任務。從某種意義上講，可以認為“用戶購買的不是機器本身，而是機器所具有的功能”。因此在進行機械設計時，首先應該考慮的是要實現什么功能和如何實現所需的功能。
機器是實現某種“功能”的裝置。一臺機器所能完成的功能，稱為機器的總功能。例如，挖掘機的總功能是“取運物料”，減速器的總功能是“傳遞扭矩和變換速度”。
總功能可以分解成若干個分功能，如挖掘機的總功能可分解為獲取物料、運送物料等分功能，如圖2-1所示。因此從功能的觀點來看，機器是由多個分功能構成的系統，它們的協調工作實現了機器的總功能。
圖2-1 挖掘機的功能分解
分功能還可以繼續分解，一直分解到能找到原理解法的分功能為止。能找到原理解法的分功能稱為功能元。功能元與一定的功能載體相對應，功能載體是實現對應功能的技術實體。例如，“鏟斗”、“推壓”、“回轉”等分功能就是挖掘機的功能元，“鏟斗”的功能載體可以是“正鏟斗”、“反鏟斗”、“抓斗”等。
設計機械產品時，很難根據總功能立即設計出對應的功能載體。所以功能分解的主要目的是將總功能分解為較簡單的分功能或功能元，以便找出相應的功能載體。?5?
在分析和確定所設計機器的總功能和分功能時，要應用抽象化的方法。通過抽象，一方面可以更深刻、更正確、更全面地反映所設計機器的功能；另一方面也有利于抓住設計問題的本質，擺脫傳統的設計思想和框架，開闊思路，獲得更為滿意的設計方案。例如，把軸承的功能抽象為“在相對回轉運動表面間傳遞力”，就可以得到機械的、流體的、電磁的等不同工作原理和不同結構形式的軸承。
2.2.2 功能原理設計
在完成機器的功能分析后，下一步要針對機器的功能構思其工作原理。這種主要針對功能的原理性設計，稱為功能原理設計。功能原理設計應首先對各個功能元求解，然后將各個功能元的解綜合，形成能實現機器總功能的原理方案。
功能元求解就是要尋找能實現功能元的原理方案或結構方案。功能元求解首先應根據一定的科學原理（如力學、電學、熱力學等）確定能實現功能元的技術原理，然后按照技術原理來選擇或構思功能載體。可只用簡圖或示意圖來表示所構思的功能載體，不必考慮其具體結構、材料和制造工藝等細節問題。功能載體以它所具有的某種特性（運動特性、幾何特性、物理化學特性等）來實現某一特定的功能。
功能元求解時，要始終明確功能是本質，而采用什么樣的原理、何種功能載體只是形式。只要本質不變，形式可以各種各樣。既然人們購買的是產品所具有的功能，那么在保證實現功能的前提下，可以采用不同的原理、不同的功能載體來實現所要求的功能。因此求解功能元時要應用“發散”思維，進行創新構思，力求提出較多的解法供比較選優。
利用形態學矩陣將各個功能元的解進行綜合就可以得到能實現機器總功能的多個原理方案。所謂形態學矩陣，就是用矩陣的形式列出各功能元及各功能元的解（功能載體）。表2-1就是在求得各功能元的解（功能載體）后，得出的挖掘機形態學矩陣。
表2-1 挖掘機形態學矩陣
功能元 功能元的解 （功能載體）
1 2 3 4
鏟斗 正鏟斗 反鏟斗 抓斗
推壓 齒條 鋼絲繩 油缸
提升 油缸 繩索
回轉 內齒輪傳動 外齒輪傳動 液輪
運送物料 履帶 輪胎 邁步式 軌道-車輪
能量轉化 柴油機 汽油機 電動機 液壓馬達
能量傳遞與分配 齒輪箱 油泵 鏈傳動 帶傳動
制動 帶式制動 閘瓦制動 片式制動 圓錐形制動
變速 液壓式 齒輪式 液壓-齒輪式
用形態學矩陣進行方案綜合，就可以得到多種原理方案。例如，由表2-1所示的挖掘機形態學矩陣，可得3×3×2×3×4×4×4×4×3＝41472個原理方案。在眾多的原理方案中，應去除那些技術上明顯不適用或不可行的方案，保留可行的方案。在剩余的可行方案中，再進行評價與決策，最終定出較為理想的方案。?6?
2.3 機械設計的基本要求和程序
2.3.1 機器設計的基本要求及程序
1.機器設計的基本要求
盡管各種機器的性能、用途及結構形式不同，但在設計時均應滿足以下的基本要求。1）功能要求如前所述，功能是機器的核心和本質。因此設計的機器首先應能實現預定的功能，并
能在規定工作條件下和規定工作期限內正常運行。2）可靠性要求機器由許多零件及部件組成，機器的可靠性取決于零部件的可靠性。可靠性用可靠度來
衡量。機器的零部件越多，其可靠度越低。為了保證機器的可靠度，當組成機器的零部件越
多時，對每個零部件的可靠度要求也就越高。因此，在設計機器時應盡量減少零部件數目。3）經濟性要求機器的成本包括設計、加工、裝配、材料、使用、維護等各環節的成本。設計對機器
成本的影響很大，統計分析表明機器成本的80%由設計所決定。因此，設計時應全面考慮以上各環節的成本，以提高機器的經濟性。設計機器時，可通過以下措施提高機器的經濟性。
（1）采用先進的設計方法和設計手段（如CAD、有限元分析、并行設計等）。這樣，一方面可以得到盡可能精確的設計計算結果，并能進行優化設計；另一方面可盡量減少設計中的反復，從而縮短設計周期，降低設計成本。
（2）最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零部件。
（3）采用新技術、新工藝、新材料和新結構。
（4）改善零部件的結構工藝性，使其易于加工、裝配和維護，并能節約材料。
（5）采用合理的潤滑方式及密封裝置，從而延長機器的使用壽命。
（6）提高運動副及傳動系統的效率，以降低能源消耗。
（7）提高機器的自動化水平，以提高機器的生產率。4）操作方便和安全要求設計機器時，應根據人機工程學原理使人機關系協調，力求操作方便、省力、舒適，
最大限度地減少腦力和體力消耗；降低機器噪聲，防止有害介質的泄漏，減少環境污染；力求維護方便并降低維護費用；設置必要的安全防護裝置，確保機器運行時的人身安全和機器自身的安全。
5）造型、色彩要求
運用工業設計的方法，對機器進行造型和色彩設計，以實現人、機器和環境的完美協調。機械產品的造型和色彩設計，直接影響到產品的銷售和競爭力，是機械設計中一個不容忽視的環節。
2.機器設計的一般程序
機器設計有其固有的規律和特點。為提高設計質量，機器設計應按照一定的程序來進
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