内容简介

本书按照教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会制定的“机械设计基础课程教学基本要求”编写，并在此基础上适当地扩充了内容。

全书共分为4篇，第一篇主要介绍了常用的机构原理及相应的设计资料；第二篇主要介绍了包括齿轮传动、蜗杆传动、挠性传动、轮系、轴承、轴、联轴器与离合器等传动零部件在内的设计计算相关知识；第三篇主要介绍了连接与支撑零部件的相关设计资料；第四篇以圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器与圆柱蜗杆减速器为设计对象，较为详细、具体地介绍了课程设计的具体步骤及设计规范。各章节经典例题选用现代设计工具软件进行设计、优化分析，实现基础理论与现代工具的运用融合；每章后附有习题，可辅助读者进行知识的巩固学习。

本书可作为高职高专院校机械工程、机电工程、机械制造以及与机械有关专业的教材，也可以作为机械设计与制造行业培训或职业资格认证的参考读物。

前    言

　　《机械设计基础与课程设计》是机械设计基础课程的配套教材。本书从普通高等教育机械类应用型人才及卓越工程师培养的需要出发，根据教育部有关"机械设计基础"课程教学基本要求和近几年教学内容改革和综合能力培养的需要，汲取各院校在培养应用型技术人才方面的经验和成果，密切结合工程实际并充分运用现代设计方法，结合编者多年的教学经验和教改实践编写而成，可供机械及近机械类、机电类各专业使用。

　　本书以常见的齿轮减速器课程设计为例，引出了各类相关的零部件设计资料及原理，系统地介绍了机械传动装置的设计内容、步骤和方法，并注重设计思路和现代设计方法的引导，启发学生把先修课程的理论知识融会贯通地应用到设计中去。将课程设计指导书、设计参考图、有关国家标准规范及设计参考资料等有机地结合起来，是一本适用于课程讲授与课程设计的教材。

　　本书作为机械学科课程体系中的一门专业基础课教材，在编写中力求具有如下特色。

　　(1) 对课程设计所需设计资料进行了重新编排与整理。按照实际工程的内在联系和认识的一般规律，将全书内容分为4篇进行阐述。第一篇主要介绍常用机构原理与设计；第二篇包括各类传动零部件设计；第三篇包括连接、支撑零部件设计；第四篇为常见齿轮减速器课程设计内容。

　　(2) 本书不仅讲述课程设计相关理论与方法，而且涵盖了系统的机械设计基础知识体系与设计资料，最大的特色在于融入了现代设计工具的应用方法，使得学生所学的理论知识有确切的工程实践命题得以印证。

　　(3) 本书编写组创建QQ群，用于专业教师同行探讨问题、研究教学方法、交流教学资源，同时为本书提供课件下载。

　　本书由山东理工大学于文强、重庆大学机械传动国家重点实验室赵相路、湖南常德职业技术学院宋道沙、内蒙古包头职业技术学院孙慧、内蒙古呼和浩特职业学院牛艳萍等教学一线的老师合作编写，由山东中天科技工程有限公司工程师孙冰担任技术指导。本书编写的具体分工如下：于文强编写第1～9章，赵相路编写第10～12章，孙冰编写第13、14章，宋道沙编写第15、16章，孙慧编写第17～20章，牛艳萍编写第21～23章。

　　本书由山东理工大学王兰美教授担任主审，在此表示衷心的感谢。在编写过程中，我们参考了相关文献，在此对这些文献的作者表示衷心的感谢！

　　尽管我们为本书付出了十分的努力和心血，但书中仍存在不足之处，恳请广大同行和读者批评指正。

　　　

 

　　编  者  

目    录

 

绪论 1

0.1  机械的组成 1

0.1.1　机器与机构 1

0.1.2　机构、部件、构件与零件 2

0.2  本课程的研究内容和任务 2

0.2.1  本课程研究的主要内容 2

0.2.2  本课程的主要任务 3

0.3  机械设计的基本要求和一般步骤 3

0.3.1  机械设计的基本要求 3

0.3.2  机械零件的设计准则 4

0.3.3  机械零件设计的一般步骤 4

0.4  课程设计的基本要求和内容 5

0.4.1  课程设计的目的 5

0.4.2  课程设计的内容及任务 5

0.4.3  课程设计的一般步骤 6

0.4.4  课程设计应注意的问题 7

 

　　

第1篇  常用机构原理及设计资料

 

第1章  平面机构的运动简图及

自由度 8

1.1  机构的组成 8

1.1.1　运动副的概念 8

1.1.2　自由度与约束条件 8

1.1.3　平面运动副的分类 9

1.2  平面机构的运动简图 9

1.2.1  机构运动简图的定义 9

1.2.2　平面机构运动简图的绘制 10

1.2.3  利用ADAMS进行颚式

破碎机的运动分析 12

1.2.4  利用ADAMS进行单缸

内燃机的运动分析 13

1.3  平面机构的自由度 14

1.3.1  平面机构自由度的计算 14

1.3.2  平面机构具有确定运动的

条件 15

1.3.3  计算平面机构自由度时应

注意的事项 16

习题 18

　　

第2章  平面连杆机构 19

2.1  铰链四杆机构的基本类型与工作

特性 19

2.1.1  铰链四杆机构的基本类型 19

2.1.2　铰链四杆机构的工作特性 21

2.1.3  利用ADAMS进行牛头

刨床机构的运动分析 23

2.2  铰链四杆机构的曲柄存在条件 25

2.3  平面四杆机构的演化 26

2.3.1  曲柄滑块机构 26

2.3.2  导杆机构 27

2.3.3　摇块机构和定块机构 28

2.3.4  偏心轮机构 28

2.4  平面四杆机构的图解法设计 29

2.4.1  按给定的行程速比系数Ｋ

设计平面四杆机构 29

2.4.2  按给定的连杆位置设计

平面四杆机构 30

习题 30

　　

第3章  凸轮机构 32

3.1  凸轮机构的组成和分类 32

3.1.1  凸轮机构的组成 32

3.1.2  凸轮机构的分类 33

3.2  从动件的常用运动规律 34

3.2.1  等速运动规律 35

3.2.2  等加速等减速运动规律 35

3.2.3  简谐运动规律 36

3.3  图解法设计凸轮轮廓 36

3.3.1  凸轮轮廓设计的基本原理 36

3.3.2　对心直动从动件盘形凸轮

轮廓曲线的设计 37

3.3.3　偏置直动从动件盘形凸轮

轮廓曲线的设计 39

3.3.4  利用ADAMS进行凸轮

机构的设计与仿真 40

3.4  凸轮机构基本参数的确定 42

3.4.1　凸轮机构压力角及其许用值 42

3.4.2　滚子半径的选择 43

3.4.3　基圆半径的确定 44

3.5  圆柱凸轮机构的课程设计 44

3.5.1　滚子直动从动件圆柱凸轮

轮廓的设计 45

3.5.2　滚子摆动从动件圆柱凸轮

展开轮廓曲线的设计 46

3.5.3　直动-摆动从动件圆柱凸轮

组合机构设计实例 49

习题 52

第4章  间歇运动机构 53

4.1  棘轮机构 53

4.1.1  棘轮机构的工作原理 53

4.1.2  棘轮机构的类型 53

4.1.3  棘轮机构的应用 55

4.2  槽轮机构 55

4.2.1　槽轮机构的组成及工作原理 55

4.2.2  槽轮机构的分类及运用 56

4.3  不完全齿轮机构 57

4.4  凸轮间歇运动机构 58

4.5　间歇运动机构的课程设计 58

4.5.1  棘轮机构的设计 58

4.5.2  槽轮机构的设计 60

习题 62

 

　　

第2篇  传动零部件资料及设计

 

第5章  齿轮传动 63

5.1  齿轮传动的类型、特点及应用 63

5.1.1  齿轮传动的类型 63

5.1.2　齿轮传动的特点及应用 63

5.2  齿廓啮合基本定律 64

5.3  渐开线和渐开线齿廓的啮合特性 65

5.3.1　渐开线及其性质 65

5.3.2　渐开线齿廓满足定传动比

传动的要求 66

5.3.3　渐开线齿廓的啮合特性 67

5.4  标准直齿圆柱齿轮的基本参数和

几何尺寸 68

5.4.1　齿轮各部分的名称及符号 68

5.4.2　标准直齿圆柱齿轮的基本

参数及几何尺寸计算 69

5.5  渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合

传动 71

5.5.1　正确啮合条件 71

5.5.2　连续传动条件 72

5.5.3　正确安装条件 73

5.6  渐开线直齿圆柱齿轮的加工 74

5.6.1　齿轮轮齿的加工方法 74

5.6.2　轮齿的根切现象、齿轮的

最小齿数 76

5.6.3　变位齿轮简介 76

5.7  轮齿的失效形式和齿轮材料 77

5.7.1　轮齿的失效形式 77

5.7.2　设计准则 79

5.7.3　齿轮材料 79

5.8  直齿圆柱齿轮的强度计算 81

5.8.1　轮齿的受力分析和载荷计算 81

5.8.2　齿根弯曲强度计算 82

5.8.3　齿面接触疲劳强度计算 83

5.8.4　轮齿的许用弯曲应力和许用

接触应力 84

5.8.5　齿轮强度计算中的参数选择 85

5.8.6  利用ADAMS进行圆柱齿轮

啮合的仿真分析 86

5.9  斜齿圆柱齿轮传动 88

5.9.1　斜齿圆柱齿轮齿廓的形成及

啮合特点 88

5.9.2　斜齿圆柱齿轮的基本参数和

几何尺寸计算 89

5.9.3　斜齿轮正确啮合的条件和

重合度 91

5.10  直齿圆锥齿轮传动 92

5.10.1　圆锥齿轮传动概述 92

5.10.2　圆锥齿轮的齿廓曲线、

  背锥和当量齿数 93

5.10.3　标准直齿圆锥齿轮的几何

  尺寸计算 95

5.11　齿轮传动的润滑 96

5.12  斜齿圆柱齿轮SolidWorks三维

  设计实例 97

5.12.1  绘制齿形 97

5.12.2  创建齿条 98

5.12.3  创建齿轮基体 99

5.12.4  创建齿轮安装孔 100

习题 101

第6章  蜗杆传动 103

6.1  概述 103

6.1.1  蜗杆传动的特点 103

6.1.2　蜗杆传动的类型 104

6.1.3  利用ADAMS进行蜗杆

传动啮合的运动仿真 105

6.2  圆柱蜗杆传动的主要参数和几何

尺寸 107

6.2.1　圆柱蜗杆传动的主要参数 107

6.2.2　蜗杆传动的几何尺寸计算 109

6.3  蜗杆传动的失效形式、材料

和结构 111

6.3.1　蜗杆传动的失效形式及材料

选择 111

6.3.2　蜗杆、蜗轮的结构 111

6.4  蜗杆传动的受力分析和强度计算 112

6.4.1　蜗杆传动的受力分析 112

6.4.2　蜗杆传动的强度计算 113

6.5  蜗杆传动的效率、润滑和热平衡

计算 113

6.5.1　蜗杆传动的效率 113

6.5.2　蜗杆传动的润滑 114

6.5.3　热平衡计算 114

6.6  阿基米德蜗轮蜗杆在SolidWorks

中的建模与装配 115

6.6.1  阿基米德蜗杆的建模方法 115

6.6.2  阿基米德蜗轮轮齿的建模

方法 116

6.6.3  阿基米德蜗轮蜗杆建模与

装配实例 117

习题 119

第7章  挠性传动 120

7.1  带传动的类型、特点及运用 120

7.1.1　带传动的类型 120

7.1.2  带传动的特点与运用 121

7.2  V带和带轮的结构 122

7.2.1　普通V带的结构和尺寸

标准 122

7.2.2  V带轮的结构 124

7.3  带传动的工作情况分析 125

7.3.1  带传动的受力分析 125

7.3.2　带传动的应力分析 126

7.4  普通V带传动的计算 128

7.4.1  带传动的失效形式和设计

准则 128

7.4.2　单根V带的基本额定

功率P0 128

7.4.3  带传动设计的原始数据及

内容 130

7.4.4　设计步骤和传动参数的选择 130

7.5  带传动的张紧、安装及维护 133

7.5.1　V带传动的张紧 133

7.5.2  带传动的安装与维护 134

7.6  链传动简介 134

7.6.1　链传动的组成、特点、

分类及应用 134

7.6.2　滚子链的结构及标准 135

7.6.3　链传动的运动特性 136

7.6.4  链传动的设计简介及主要

参数的选择 137

习题 138

第8章  轮系 139

8.1  轮系及其分类 139

8.1.1　定轴轮系 139

8.1.2　周转轮系 139

8.1.3　复合轮系 140

8.2　定轴轮系传动比的计算 140

8.2.1　一对齿轮啮合的传动比 141

8.2.2　定轴轮系传动比的计算 141

8.3　周转轮系传动比的计算 143

8.3.1  周转轮系的组成 143

8.3.2  周转轮系传动比的计算 144

8.4  复合轮系传动比的计算 146

8.5  轮系的应用 147

8.5.1  轮系的应用 147

8.5.2  利用ADAMS进行汽车后

桥差速器轮系的设计与运动

分析 148

习题 151

第9章  轴承 152

9.1  轴承的分类 152

9.2  滚动轴承的结构、类型和代号 152

9.2.1　滚动轴承的结构 152

9.2.2　滚动轴承的特性和类型 153

9.2.3　滚动轴承的代号 155

9.3  滚动轴承的寿命计算和尺寸选择 157

9.3.1　滚动轴承的载荷分析 157

9.3.2  滚动轴承的失效形式及

设计准则 158

9.3.3  基本额定寿命和基本额

定动载荷 158

9.3.4  滚动轴承的寿命计算 160

9.3.5　角接触轴承的轴向载荷

计算 161

9.3.6　滚动轴承的静强度计算 163

9.4  滚动轴承的组合设计 164

9.4.1　轴系的轴向固定 164

9.4.2　轴承组合的调整 165

9.4.3　滚动轴承的配合 166

9.4.4　滚动轴承的装拆 167

9.4.5　滚动轴承的润滑和密封 167

9.5  滑动轴承的类型及结构 169

9.5.1  滑动轴承的类型与摩擦

状态 169

9.5.2  滑动轴承的结构 170

9.5.3  轴瓦的结构及材料 171

9.5.4  滑动轴承的润滑 173

9.6　非液体摩擦滑动轴承的设计计算 174

9.6.1  向心滑动轴承的计算 175

9.6.2  推力滑动轴承的计算 176

习题 176

第10章  轴 178

10.1  概述 178

10.1.1  轴的类型 178

10.1.2　轴的材料 179

10.2　轴的结构设计 180

10.2.1　轴的组成 180

10.2.2　零件在轴上的固定方法 181

10.2.3　轴的结构工艺性 182

10.2.4　减小应力集中、提高轴的

疲劳强度 183

10.2.5　轴的结构尺寸 183

10.3  轴的强度计算 184

10.3.1　按扭转强度条件计算 184

10.3.2  按弯扭合成强度条件计算 185

10.4  轴的刚度计算 186

习题 187

第11章  联轴器、离合器和制动器 188

11.1  联轴器 188

11.1.1  刚性联轴器 189

11.1.2　挠性联轴器 190

11.2  离合器 193

11.2.1  嵌合式离合器 193

11.2.2  摩擦式离合器 194

11.2.3　超越离合器 195

11.3  制动器 196

11.3.1　带式制动器 196

11.3.2　块式制动器 197

11.3.3　盘式制动器 197

习题 198

第12章  传动零件的设计计算 199

12.1  轴径的初算 199

12.2  联轴器的选择 199

12.3  减速器箱体外部传动零件的

  设计 200

12.3.1  带传动 200

12.3.2  链传动 201

12.3.3　开式齿轮传动 201

12.4  减速器箱体内部传动零件的设计 202

12.4.1  圆柱齿轮传动 202

12.4.2  圆锥齿轮传动 203

12.4.3  蜗杆传动 203

习题 204

 

　　

第3篇  连接、支撑零部件资料及设计

 

第13章  螺纹连接 205

13.1  螺纹连接的基本知识 205

13.1.1　螺纹的形成 205

13.1.2　螺纹的类型和应用 205

13.1.3　螺纹的主要参数 206

13.1.4　螺纹连接的主要类型和

应用 207

13.2  螺纹连接的预紧和防松 208

13.2.1　螺纹连接的预紧 208

13.2.2　螺纹连接的防松 209

13.3  螺栓连接的强度计算和结构

  设计 210

13.3.1  普通螺栓连接的强度

  计算 210

13.3.2　螺纹连接的结构设计要点 214

13.3.3  利用ANSYS进行螺栓的

  强度校核 215

习题 217

第14章  键连接和销连接 219

14.1  键连接 219

14.1.1  键连接的类型与特点 219

14.1.2  平键连接的尺寸选择和

  强度验算 221

14.1.3  花键连接 223

14.1.4  利用ANSYS进行平键的

  有限元分析 224

14.2  销连接 226

习题 228

 

　　

第4篇  减速器的课程设计

 

第15章  传动装置的总体设计 229

15.1  减速器简介 229

15.1.1  减速器的类型、特点及

  应用 229

15.1.2　减速器的典型结构 230

15.2  传动装置的布置 232

15.3  电动机的选择 233

15.3.1  电动机类型和结构形式 233

15.3.2  电动机功率的确定 233

15.3.3  电动机转速的确定 235

15.3.4  总传动比的计算和各级

  传动比的分配 235

15.3.5  计算传动装置的运动和

  动力参数 237

第16章  减速器的结构与附件 241

16.1  减速器的构造 241

16.2  轴系部件 241

16.3  箱体 242

16.4  减速器附件 242

16.4.1  视孔和视孔盖 242

16.4.2  通气器 243

16.4.3  油面指示器 244

16.4.4  放油孔和螺塞 246

16.4.5  启盖螺钉 247

16.4.6  定位销 247

16.4.7  起吊装置 248

16.4.8  挡油盘 249

16.4.9  轴承盖 249

第17章  圆柱齿轮减速器轴系部件

  设计 251

17.1  确定齿轮及箱体轴承座的位置 251

17.1.1  确定齿轮的位置 251

17.1.2  确定箱体与轴承座位置 253

17.2  轴承类型选择及其在箱体座孔中

  位置的确定 253

17.2.1  轴承类型选择 253

17.2.2  确定轴承在箱体座孔中的

  轴向位置 253

17.3  轴的结构设计 254

17.3.1  确定轴的径向尺寸 254

17.3.2  确定轴的轴向尺寸 256

17.3.3  确定轴上键槽位置和尺寸 258

17.4  轴、轴承、键的校核计算 258

17.5  轴承组合设计 259

17.5.1  轴系部件的轴向固定 260

17.5.2  轴承的润滑与密封 260

17.6  齿轮结构设计 263

第18章  圆柱齿轮减速器箱体及附件

  设计 265

18.1  箱体结构设计 265

18.1.1  箱体的刚度 265

18.1.2  箱体的密封 268

18.1.3  箱体结构的工艺性 268

18.2  附件的结构选择与设计 270

18.2.1  视孔和视孔盖 270

18.2.2  通气器 271

18.2.3  油标 272

18.2.4  放油孔和螺塞 273

18.2.5  启盖螺钉 274

18.2.6  定位销 274

第19章  圆锥齿轮减速器装配工作

  图设计 276

19.1  轴系部件设计 276

19.1.1  确定传动零件、箱体内壁

  及轴承座位置 276

19.1.2  轴的结构设计和轴承类型

  的选择 278

19.1.3  确定力作用点及校核轴、

  键、轴承 278

19.1.4  小圆锥齿轮轴系部件的

  轴承组合设计 278

19.2  箱体及附件设计 281

第20章  圆柱蜗杆减速器装配

  工作图设计 282

20.1  轴系部件设计 282

20.1.1  确定传动零件、箱体内壁

  及轴承座位置 282

20.1.2  轴的结构设计和轴承类型

  的选择 283

20.1.3  确定力的作用点及校核轴、

  键、轴承 284

20.1.4  蜗杆轴系部件的轴承组合

  设计 284

20.1.5  蜗杆减速器的散热 286

20.2  箱体及附件设计 287

第21章  零件图的设计与绘制 289

21.1  轴类零件图的设计及绘制 289

21.1.1  视图的选择 289

21.1.2  标注尺寸 289

21.1.3  标注尺寸的极限偏差和

  形位公差 290

21.1.4  标注表面粗糙度 290

21.1.5  编写技术要求 291

21.2  齿轮类零件工作图的设计与绘制 291

21.2.1  视图的选择 291

21.2.2  尺寸的标注 291

21.2.3  啮合特性表 292

21.2.4  主要技术要求 292

21.3  箱体类零件图的设计及绘制 292

21.3.1  视图的选择 292

21.3.2  尺寸标注 292

21.3.3  形位公差和表面粗糙度 292

21.3.4  编写技术要求 293

第22章  编制设计计算说明书与

  准备答辩 294

22.1  设计计算说明书的要求 294

22.2  设计计算说明书的主要内容 295

22.3  准备答辩 296

第23章  现代机械设计实例--

  减速器 298

23.1  减速器零部件建模设计 298

23.1.1  箱体造型设计 298

23.1.2  主动轴造型设计 305

23.1.3  从动轴齿轮造型设计 307

23.2  减速器虚拟装配设计 309

23.3  减速器关键零部件力学性能分析

  与结构优化 312

23.3.1  箱体的力学分析 312

23.3.2  从动轴的力学分析 314

23.4  减速器运动仿真 317

参考文献 319