机械设计基础与项目实践

教材以真实的工程项目——"冲床执行机构及传动系统的设计”为载体，按设计过程，介绍常用机构和零部件的工作原理和设计方法，包括平面机构的自由度、平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构及其设计、轮系及其设计、传动系统总体设计、带传动、齿轮传动、轴、滚动轴承、键联接、联轴器和离合器、螺纹联接、减速器箱体及附件的结构设计。

本课程为综合课程，本课程确立以"常用机构的正确分析和通用零件的正确选择”为课程主线，有机融合《工程材料及钢的热处理》、《极限配合和技术测量》、《工程力学》、《机械设计基础》等传统课程内容。在重组课程内容时，摒弃了原各门课程各为体系，分门别类地加以叙述的方法，而以课程主线为纲，从"常用机构的正确分析应用和通用零件的正确选择”的需要出发，引出"必需、够用”的基础理论知识。如从机构的运动副中引出约束力、从机构的分析应用中引出力系平衡、从正确选择通用零件中引出构件拉（压）、剪切、扭、弯等变形概念及强度计算方法等。避免以往为力学而学力学的倾向，使学生在学习力学的基础理论知识时有一个明确的"应用”方向，有一个实在的"应用”载体。

周琦（1981- ），男，江苏江阴人，硕士，江阴职业技术学院机电工程系讲师，从事《机械设计基础》等专业课程的教学，机械创新设计，在教学中重视学生创新能力的培养；公开发表论文32篇，主持参与课题3项，参与2项。

目    录 第1模块 机械设计基础概述 1 1.1 任务1―确定机器的结构及工艺动作 2 1.1.1 机器的结构 2 1.1.2 机械设计的要求与步骤 4 1.1.3 机械工艺动作的拟定 4 1.1.4 冲床的结构及工艺动作 5 1.2 任务2―拟定执行机构的运动方案 7 1.2.1 机构的基本要素 7 1.2.2 机构的运动方案的表示法 8 1.2.3 机构的运动方案的比较与优选 9 1.2.4 执行机构的运动方案的拟定 11 1.3 任务3―进行执行机构的运动方案的可行性分析 12 1.3.1 平面机构的自由度 13 1.3.2 执行机构的运动方案的可行性分析的依据 14 1.3.3 计算平面机构的自由度时应注意的问题 14 1.3.4 执行机构的运动方案的可行性分析 16 1.4 模块小结 17 第2模块 平面连杆机构的设计 18 2.0 预备知识 18 2.0.1 铰链四杆机构 19 2.0.2 具有一个移动副的四杆机构 21 2.0.3 具有两个移动副的四杆机构 24 2.1 任务1―按急回特性计算机构的极位夹角 24 2.1.1 急回特性的概念及作用 25 2.1.2 急回特性的指标：行程速度变化系数 25 2.1.3 计算冲压机构的极位夹角 26 2.2 任务2―用图解法设计机构 26 2.2.1 用图解法设计机构的依据 27 2.2.2 按给定的行程速度变化系数设计机构 27 2.2.3 用图解法设计冲压机构 27 2.3 任务3―分析机构的传力性能 28 2.3.1 机构的传力性能指标：压力角和传动角 29 2.3.2 机构的死点位置 30 2.3.3 分析冲压机构的传力性能 30 2.4 模块小结 31 2.5 知识拓展 32 2.5.1 曲柄摇杆机构的急回特性及其设计 32 2.5.2 偏置曲柄滑块机构的急回特性及其设计 33 第3模块 凸轮机构的设计 35 3.1 任务1―选择凸轮机构的类型 36 3.1.1 凸轮机构的结构和类型 36 3.1.2 选择凸轮机构的类型的依据 38 3.1.3 送料机构的类型选择 38 3.2 任务2―选择从动件的运动规律 39 3.2.1 凸轮机构的工作过程 39 3.2.2 常用从动件的运动规律 40 3.2.3 选择从动件的运动规律时应考虑的因素 41 3.2.4 送料机构的从动件的运动规律的选择 41 3.3 任务3―用图解法设计盘形凸轮的轮廓 42 3.3.1 用图解法进行设计的原理 42 3.3.2 盘形凸轮轮廓的设计步骤 43 3.3.3 设计送料机构中的盘形凸轮轮廓 45 3.4 任务4―校核凸轮的工作轮廓 46 3.4.1 从动件的运动失真 46 3.4.2 凸轮机构的传力性能 47 3.4.3 校核送料机构中的凸轮的工作轮廓 48 3.5 模块小结 48 3.6 知识拓展 49 3.6.1 凸轮机构的常用材料 49 3.6.2 凸轮的结构形式 49 第4模块 传动系统的总体设计 51 4.1 任务1―拟定传动系统的传动方案 52 4.1.1 确定传动系统的传动方案时应满足的要求 52 4.1.2 传动系统的传动类型的选择 52 4.1.3 传动系统的传动顺序的布置 53 4.1.4 传动系统的传动方案的拟定 54 4.2 任务2―选择电动机 55 4.2.1 选择电动机的类型 55 4.2.2 选择电动机的容量和转速 56 4.2.3 选择电动机的型号 57 4.2.4 选择传动系统中的电动机 58 4.3 任务3―确定传动系统的总传动比及分配各级传动比 59 4.3.1 确定传动系统的总传动比 60 4.3.2 分配各级传动比 60 4.3.3 设计传动系统的传动比 61 4.4 任务4―计算传动系统的运动和动力参数 62 4.4.1 传动系统的运动和动力参数 62 4.4.2 传动系统的运动和动力参数的计算 64 4.4.3 冲床的传动系统的运动和动力参数的计算 65 4.5 模块小结 66 4.6 知识拓展 66 4.6.1 轮系的概念和类型 66 4.6.2 定轴轮系及其传动比的计算 67 第5模块 V带传动的设计 69 5.0 预备知识 69 5.0.1 带传动的组成 69 5.0.2 带传动的类型 69 5.1 任务1―选择普通V带的型号 72 5.1.1 普通V带的型号 72 5.1.2 选择普通V带的型号的依据 73 5.1.3 普通V带的型号的选择 74 5.2 任务2―设计普通V带传动的参数 75 5.2.1 设计普通V带传动的参数的依据 75 5.2.2 设计普通V带传动的参数的步骤 76 5.2.3 普通V带传动的参数的设计 78 5.3 任务3―设计普通V带轮的结构 79 5.3.1 普通V带轮的材料及选择 79 5.3.2 普通V带轮的结构形式和尺寸 79 5.3.3 绘制普通V带轮的零件图 80 5.3.4 普通V带轮的结构的设计 81 5.4 模块小结 82 5.5 知识拓展 82 5.5.1 传动带的张紧 82 5.5.2 传动带的安装和维护 83 第6模块 齿轮传动的设计 85 6.0 预备知识 85 6.0.1 齿轮传动的特点和基本类型 86 6.0.2 渐开线齿廓及其啮合特性 87 6.1 任务1―选择齿轮的材料及热处理方法 89 6.1.1 选择齿轮的材料及热处理方法的依据 89 6.1.2 常用的齿轮的材料及热处理方法 91 6.1.3 齿轮的材料及热处理方法的选择 93 6.2 任务2―按齿面接触疲劳强度设计齿轮传动 93 6.2.1 轮齿的受力分析 93 6.2.2 齿面接触疲劳强度的计算 94 6.2.3 公式使用说明及参数选择 96 6.2.4 按齿面接触疲劳强度进行齿轮传动的设计 97 6.3 任务3―计算渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸 98 6.3.1 齿轮的基本参数 98 6.3.2 齿轮的啮合传动 100 6.3.3 齿轮的几何尺寸的计算 102 6.3.4 渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸 102 6.4 任务4―按齿根弯曲疲劳强度校核齿轮传动 103 6.4.1 齿根弯曲疲劳强度的计算 103 6.4.2 公式使用说明及参数选择 104 6.4.3 按齿根弯曲疲劳强度进行齿轮传动的校核 105 6.5 任务5―确定齿轮传动的精度 106 6.5.1 齿轮的切削加工与根切现象及最少齿数 106 6.5.2 齿轮传动的精度及选择依据 108 6.5.3 齿轮传动的精度的确定 109 6.6 任务6―设计齿轮的结构及润滑方式 109 6.6.1 确定齿轮的结构 110 6.6.2 确定齿轮传动的润滑方式 111 6.6.3 齿轮的结构及润滑方式的设计 112 6.7 模块小结 113 6.8 知识拓展 113 6.8.1 斜齿圆柱齿轮传动 113 6.8.2 圆锥齿轮传动 115 6.8.3 蜗杆传动 116 第7模块 轴的设计 119 7.0 预备知识 120 7.0.1 轴的作用 120 7.0.2 轴的分类 120 7.1 任务1―选择轴的材料及热处理方法 121 7.1.1 常用的轴的材料及热处理方法 121 7.1.2 对轴的材料及热处理方法进行选择 123 7.2 任务2―估算轴的最小直径 123 7.2.1 按扭转强度估算轴的最小直径 123 7.2.2 轴的最小直径的估算 124 7.3 任务3―设计轴的结构 124 7.3.1 设计轴的结构的基本要求 124 7.3.2 设计轴的结构时应考虑的因素 125 7.3.3 轴的结构的设计 129 7.4 任务4―校核轴的强度 130 7.4.1 弯扭合成强度的计算 131 7.4.2 校核轴的强度的步骤 131 7.4.3 轴的强度的校核 132 7.5 模块小结 133 第8模块 滚动轴承的设计 134 8.0 预备知识 134 8.0.1 滚动轴承的功用 134 8.0.2 滚动轴承的基本构造 135 8.0.3 滚动轴承的材料 135 8.1 任务1―选择滚动轴承的类型 135 8.1.1 滚动轴承的类型 135 8.1.2 滚动轴承的代号 137 8.1.3 选择滚动轴承的类型的依据 139 8.1.4 滚动轴承的类型的选择 140 8.2 任务2―计算滚动轴承的寿命 140 8.2.1 计算滚动轴承的寿命的依据 141 8.2.2 滚动轴承的寿命中的基本概念 142 8.2.3 滚动轴承的寿命的计算公式 143 8.2.4 滚动轴承的寿命的计算 144 8.3 任务3―设计滚动轴承的支承结构 145 8.3.1 常用滚动轴承的支承结构 145 8.3.2 设计滚动轴承的支承结构时应考虑的因素 147 8.3.3 滚动轴承的支承结构的设计 150 8.4 模块小结 150 第9模块 键连接的设计 151 9.0 预备知识 151 9.0.1 键连接的类型 151 9.0.2 平键连接 152 9.1 任务1―选择普通平键的类型 153 9.1.1 普通平键的类型 153 9.1.2 选择普通平键的类型的依据 154 9.1.3 普通平键的类型的选择 154 9.2 任务2―在标准中选择键的尺寸 154 9.2.1 普通平键的尺寸及标记 154 9.2.2 选择普通平键的尺寸的依据 155 9.2.3 普通平键的尺寸的选择 156 9.3 任务3―校核普通平键的强度 156 9.3.1 普通平键的材料 156 9.3.2 普通平键连接的失效形式 157 9.3.3 普通平键连接的强度计算 157 9.3.4 普通平键的强度的校核 158 9.4 任务4―确定普通平键连接的配合公差 158 9.4.1 配合类型及应用 158 9.4.2 公差值的确定及标注 159 9.4.3 普通平键连接的配合公差的确定 159 9.5 模块小结 160 9.6 知识拓展 160 9.6.1 松键连接的类型及应用 160 9.6.2 紧键连接的类型及应用 162 第10模块 联轴器的设计 163 10.1 任务1―选择联轴器的类型 163 10.1.1 联轴器的类型 164 10.1.2 选择联轴器的类型时应考虑的因素 168 10.1.3 联轴器的类型的选择 169 10.2 任务2―选择联轴器的型号 169 10.2.1 选择联轴器的型号时应满足的条件 169 10.2.2 联轴器的标记方法 170 10.2.3 联轴器的型号的选择 171 10.3 模块小结 171 10.4 知识拓展 172 10.4.1 离合器 172 10.4.2 制动器 173 第11模块 螺纹连接的设计 175 11.0 预备知识 176 11.0.1 螺纹的形成及类型 176 11.0.2 螺纹的主要几何参数 177 11.1 任务1―选择螺纹连接的类型 178 11.1.1 螺纹连接的基本类型及应用特点 178 11.1.2 螺纹连接件及其选用原则 180 11.1.3 螺纹连接的类型的选择 181 11.2 任务2―设计螺栓组连接的结构 181 11.2.1 设计螺栓组连接时应考虑的因素 181 11.2.2 螺纹连接的预紧和防松 183 11.2.3 螺栓组连接的结构的设计 185 11.3 模块小结 185 11.4 知识拓展 186 第12模块 减速器箱体及其附件的结构设计 188 12.1 任务1―设计减速器箱体的结构 189 12.1.1 减速器箱体的结构 189 12.1.2 减速器箱体的材料及主要结构尺寸 189 12.1.3 设计减速器箱体的结构时应考虑的因素 190 12.1.4 减速器箱体的结构和主要结构尺寸的计算 193 12.2 任务2―设计减速器箱体附件的结构 194 12.2.1 轴承盖和套杯的结构设计 194 12.2.2 其他附件的结构设计 196 12.2.3 减速器箱体附件的结构设计 201 12.3 任务3―设计减速器的润滑和密封装置 202 12.3.1 设计减速器的润滑装置 202 12.3.2 设计减速器的密封装置 203 12.3.3 减速器的润滑和密封装置的设计 206 12.4 模块小结 206 12.5 知识拓展 207 附录A 附表 208 附录B 附图 214 附录C 三维造型设计 219 设计1 冲压机构的动画制作 219 设计2 送料机构的动画制作 222 设计3 轴的三维造型 225 设计4 齿轮的三维造型 227 附录D 轴的工程图 230 参考文献 234