高等院校立体化创新教材系列

机械设计基础

(第 2 版)

刘艳秋 胡建忠

王 蔓 谢宝玲 编著

内 容 简 介

本书是根据教育部高等学校机械基础课程教学指导委员会修订的“机械设计基础课程教学基本要

求”，在国家“十四五”规划的大局下，坚持“以理论知识为前提，重点加强应用技能与理论结合培

养”的原则，加大实验、实践的力度，结合本校的教学改革与精品课程建设，打造的贯穿式立体化精品

教材。

本书共分为 14 章，重点介绍了平面机构的自由度、平面连杆机构、凸轮机构及间歇机构、齿轮机

构、轮系、齿轮传动、带传动、链传动、连接、轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器等内容。

本书可作为高等学校工科非机械类专业“机械设计基础”课程的教材，也可供有关专业师生和工程

技术人员参考。

本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。

版权所有，侵权必究。举报：010-62782989，beiqinquan@tup.tsinghua.edu.cn。

图书在版编目(CIP)数据

机械设计基础/刘艳秋等编著. —2 版. —北京：清华大学出版社，2023.4

高等院校立体化创新教材系列

ISBN 978-7-302-63021-0

Ⅰ. ①机… Ⅱ. ①刘… Ⅲ. ①机械设计—高等学校—教材 Ⅳ. ①TH122

中国国家版本馆 CIP 数据核字(2023)第 038726 号

责任编辑：陈冬梅

封面设计：李 坤

责任校对：李玉茹

责任印制：丛怀宇

出版发行：清华大学出版社

网 址：http://www.tup.com.cn, http://www.wqbook.com

地 址：北京清华大学学研大厦 A 座 邮 编：100084

社 总 机：010-83470000 邮 购：010-62786544

投稿与读者服务：010-62776969, c-service@tup.tsinghua.edu.cn

质量反馈：010-62772015, zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn

课件下载：http://www.tup.com.cn, 010-62791865

印 装 者：三河市天利华印刷装订有限公司

经 销：全国新华书店

开 本：185mm×260mm 印 张：16.75 字 数：405 千字

版 次：2018 年 8 月第 1 版 2023 年 4 月第 2 版 印 次：2023 年 4 月第 1 次印刷

定 价：49.80 元

—————————————————————————————————————————————

产品编号：099727-01

前 言

本书第 1 版是辽宁省优秀教材，此版是中国轻工业“十四五”规划教材。根据教育部

高等学校机械基础课程教学指导委员会修订的“机械设计基础课程教学基本要求”，在国

家“十四五”规划的大局下，坚持“以理论知识为前提，重点加强应用技能与理论结合培

养”的原则，加大实验、实践的力度，结合大连工业大学的教学改革与精品课程建设，打

造的贯穿式立体化精品教材。本书主要是大连工业大学机械设计教研室和沈阳工业大学的

教师编写。

在本版的修订过程中，编者试图从满足教学基本要求出发，坚持少而精的原则，适当

拓宽知识面，难度适中，借助多媒体技术，为重点内容配备了精品课程讲解视频、动画

等，借助二维码技术，通过“扫一扫”方式，让学生可以利用手机学习，实现了教学中的

“互联网+”碎片化。

本书通过互联网式的碎片化教学方式，实现信息化管理，为国家的教学改革事业起到

了启航者的作用。本书不仅能够使学生在掌握相关理论知识的基础上具备一定的实际操作

技能，而且实现了精品课程与教材编写的结合，也向出版精品教材方向迈进了一步。

参加本书编写工作的有刘艳秋(第一、二、六、十一、十四章)、王蔓(第五、七、十

章)、胡建忠(第三、四、八、九章)、谢宝玲(第十二、十三章)。全书由刘艳秋负责统稿，

初家鹏主审。

限于编者的水平，书中难免有不足之处，恳请广大读者批评、指正。

编 者

目 录

第一章 导论 ........................................................ 1

第一节 “机械设计基础”课程研究的

对象和内容 ..................................... 1

第二节 机械设计的基本要求和一般步骤 ... 3

一、机械设计的基本要求 .................... 3

二、机械设计的一般步骤 .................... 4

第三节 机械零件的设计计算准则 ............... 5

一、机械零件的主要失效形式 ............ 5

二、机械零件设计应满足的

基本要求 ........................................ 6

第四节 机械零件结构的工艺性及

标准化 ............................................... 7

一、工艺性 ............................................ 7

二、标准化 ............................................ 7

本章小结 ........................................................... 8

复习思考题 ....................................................... 8

第二章 平面机构的自由度 ............................ 9

第一节 机构的组成及其运动简图的

绘制 .................................................. 9

一、机构的组成要素 ............................ 9

二、运动副的分类 .............................. 10

三、机构运动简图的绘制 .................. 12

第二节 平面机构自由度的计算 ................. 15

一、平面机构自由度的计算公式 ...... 15

二、平面机构自由度的意义及

机构具有确定运动的条件 .......... 16

第三节 计算机构自由度时应注意的

事项 ................................................ 17

一、复合铰链 ...................................... 17

二、局部自由度 .................................. 18

三、虚约束 .......................................... 18

本章小结 ........................................................ 20

复习思考题 .................................................... 20

第三章 平面连杆机构 ................................... 22

第一节 概述 ................................................ 22

第二节 平面四杆机构的基本类型及

应用 ................................................ 23

一、曲柄摇杆机构 ............................. 23

二、双曲柄机构 ................................. 24

三、双摇杆机构 ................................. 25

第三节 平面四杆机构的演化 .................... 25

一、改变相对杆长、转动副演化成

移动副 ......................................... 25

二、选用不同构件为机架 ................. 26

第四节 平面四杆机构有曲柄的条件及

几个基本概念 ................................ 28

一、铰链四杆机构中有曲柄的

条件 ............................................. 28

二、压力角和传动角 ......................... 29

三、急回运动和行程速度变化

系数 ............................................. 30

四、机构的死点位置 ......................... 32

第五节 平面四杆机构的设计 .................... 33

一、按给定的行程速度变化系数

设计四杆机构 ............................. 33

二、按给定连杆位置设计四杆

机构 ............................................. 35

三、按给定两连架杆对应位置设计

四杆机构 ..................................... 35

四、按给定点的运动轨迹设计四杆

机构 ............................................. 38

五、运用连杆曲线图谱设计四杆

机构 ............................................. 38

机械设计基础(第 2 版)

IV

六、连杆曲线的绘制 .......................... 39

本章小结 ......................................................... 39

复习思考题 ..................................................... 40

第四章 凸轮机构及间歇机构 ..................... 42

第一节 凸轮机构的应用及分类 ................. 42

一、凸轮机构的应用 .......................... 42

二、凸轮机构的分类 .......................... 43

第二节 从动件常用运动规律及其选择 ..... 44

一、凸轮机构的运动循环及基本

名词术语 ...................................... 45

二、从动件运动规律 .......................... 46

三、从动件运动规律的选择 .............. 48

第三节 图解法设计凸轮轮廓 ..................... 49

第四节 解析法设计凸轮轮廓 ..................... 53

一、凸轮的轮廓线方程 ...................... 53

二、刀具中心轨迹方程 ...................... 54

第五节 设计凸轮机构应注意的问题 ......... 54

一、滚子半径的选择 .......................... 55

二、压力角的校核 .............................. 55

三、基圆半径的取值对凸轮机构的

影响 .............................................. 56

第六节 间歇运动机构和组合机构 ............. 57

一、间歇运动机构 .............................. 57

二、组合机构 ...................................... 64

本章小结 ......................................................... 65

复习思考题 ..................................................... 65

第五章 齿轮机构 ............................................. 67

第一节 概述 ................................................. 67

第二节 齿廓啮合基本定律和齿廓曲线 ..... 69

一、齿廓啮合基本定律 ...................... 69

二、共轭齿廓 ...................................... 70

第三节 渐开线齿廓 ..................................... 70

一、渐开线的形成和性质 .................. 70

二、渐开线齿廓的啮合特点 .............. 71

第四节 渐开线标准直齿圆柱齿轮及其

啮合传动 ......................................... 73

一、齿轮轮齿各部分的名称和

符号 ............................................. 73

二、基本参数和几何尺寸 ................. 74

三、一对渐开线齿轮的啮合传动 ..... 75

第五节 渐开线齿轮的加工方法及变位

齿轮 ................................................ 78

一、仿形法 ......................................... 78

二、范成法 ......................................... 79

三、根切及避免根切的最少齿数 ..... 80

四、变位齿轮 ..................................... 82

第六节 斜齿圆柱齿轮机构 ........................ 82

一、斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的

形成及主要啮合特点 ................. 82

二、斜齿圆柱齿轮的几何参数和

正确啮合条件 ............................. 83

三、斜齿圆柱齿轮的当量齿数和

最少齿数 ..................................... 85

第七节 锥齿轮机构 .................................... 87

一、锥齿轮的特点和应用 ................. 87

二、锥齿轮齿廓的形成 ..................... 88

三、背锥和当量齿轮 ......................... 88

四、直齿锥齿轮啮合特点 ................. 89

第八节 蜗杆机构 ........................................ 90

一、概述 ............................................. 90

二、蜗杆机构的正确啮合条件 ......... 90

三、蜗杆机构的主要参数和几何

尺寸 ............................................. 91

四、蜗杆机构的传动比及转向 ......... 93

五、蜗杆机构的滑动速度 vs 与

效率 .......................................... 93

本章小结 ........................................................ 94

复习思考题 .................................................... 94

第六章 轮系 ..................................................... 96

第一节 轮系的类型 .................................... 96

一、定轴轮系 ..................................... 96

二、周转轮系 ..................................... 96

目录

V

三、混合轮系 ...................................... 96

第二节 定轴轮系的传动比 ......................... 97

一、一对齿轮传动的传动比 .............. 97

二、平面定轴轮系传动比 .................. 98

三、空间定轴轮系传动比 .................. 99

第三节 基本周转轮系的传动比 ............... 100

一、周转轮系的组成及类型 ............ 100

二、周转轮系传动比的计算 ............ 101

第四节 混合轮系的传动比 ....................... 103

一、区分基本轮系 ............................ 103

二、列出基本轮系传动比方程 ........ 103

三、联立求解 .................................... 103

第五节 轮系的功用 ................................... 105

一、实现大传动比的传动 ................ 105

二、实现远距离的两轴间传动 ........ 106

三、实现变速、换向传动 ................ 106

四、实现分支传动 ............................ 106

五、实现运动的合成与分解 ............ 107

本章小结 ....................................................... 107

复习思考题 ................................................... 107

第七章 齿轮传动 ........................................... 109

第一节 齿轮传动的失效形式及设计

准则 ............................................... 109

一、齿轮传动的失效形式 ................ 110

二、设计计算准则 ............................ 112

第二节 齿轮材料、许用应力及齿轮

精度 ............................................... 112

一、齿轮的常用材料 ........................ 112

二、许用应力[] ............................... 114

三、齿轮传动的精度 ........................ 115

第三节 直齿圆柱齿轮受力分析和强度

计算 ............................................... 116

一、轮齿受力分析和计算载荷 ........ 116

二、齿面接触强度计算 .................... 117

三、齿根弯曲强度计算 .................... 119

第四节 直齿圆柱齿轮传动的设计计算 ... 121

一、强度计算应注意的问题 ........... 121

二、主要参数选择 ........................... 121

第五节 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 .. 124

一、轮齿间的作用力 ....................... 124

二、强度计算 ................................... 125

第六节 直齿锥齿轮传动的强度计算 ...... 127

一、直齿锥齿轮传动的受力分析 ... 127

二、强度计算 ................................... 128

第七节 蜗杆传动的强度计算 .................. 129

一、蜗杆传动的失效形式、设计

准则及常用材料 ....................... 129

二、蜗杆传动的受力分析 ............... 129

三、蜗杆传动强度计算 ................... 130

四、蜗杆传动热平衡计算 ............... 132

第八节 齿轮的结构与润滑 ...................... 133

一、齿轮的结构 ............................... 133

二、齿轮的效率及润滑 ................... 135

本章小结 ...................................................... 136

复习思考题 .................................................. 136

第八章 带传动 ............................................... 138

第一节 概述 .............................................. 138

一、带传动的类型和传动形式 ....... 138

二、带传动的优、缺点 ................... 139

三、V 带传动 ................................... 139

第二节 V 带和 V 带轮 ............................. 140

一、V 带的结构和规格 ................... 140

二、V 带轮 ....................................... 141

第三节 带传动的工作情况分析 .............. 143

一、带传动的受力分析 ................... 143

二、带传动的应力分析 ................... 144

三、带的弹性滑动、打滑和传

动比 ........................................... 146

四、带传动的失效形式和设计

准则 ........................................... 146

第四节 V 带传动的设计计算 .................. 147

第五节 同步齿形带传动简介 .................. 153

机械设计基础(第 2 版)

VI

一、同步齿形带传动的特点 ............ 153

二、同步齿形带的应用 .................... 154

三、同步齿形带的结构 .................... 154

本章小结 ....................................................... 154

复习思考题 ................................................... 155

第九章 链传动 ............................................... 156

第一节 概述 ............................................... 156

一、链传动的组成 ............................ 156

二、链传动的类型及特点 ................ 156

三、链传动的应用 ............................ 157

第二节 传动链和链轮 ............................... 159

一、传动链的类型和结构 ................ 159

二、套筒滚子链链轮的结构 ............ 161

第三节 链传动的运动特性和参数选择 ... 162

一、链传动的运动不均匀性 ............ 162

二、参数的选择 ................................ 163

第四节 链传动的设计计算 ....................... 164

一、主要失效形式 ............................ 164

二、额定功率曲线图 ........................ 164

三、设计计算 .................................... 166

第五节 链传动的布置及润滑 ................... 169

一、链传动的布置 ............................ 169

二、链传动的润滑 ............................ 170

本章小结 ....................................................... 171

复习思考题 ................................................... 171

第十章 连接 .................................................... 173

第一节 螺纹连接的基础知识 ................... 173

一、螺纹的形成 ................................ 174

二、螺纹的分类 ................................ 174

三、螺纹的主要参数 ........................ 175

四、螺纹的特点和应用 .................... 176

第二节 螺旋副的受力分析、效率和

自锁 ............................................... 177

一、矩形螺纹 .................................... 177

二、非矩形螺纹 ................................ 179

第三节 螺纹连接和螺纹连接件 ............... 180

一、螺纹连接的基本类型 ............... 180

二、螺纹连接件 ............................... 182

第四节 螺纹连接的强度计算 .................. 182

一、螺纹连接的主要失效形式和

计算准则 ................................... 182

二、螺纹的材料及许用应力 ........... 182

三、松螺纹连接强度计算 ............... 184

四、紧螺纹连接强度计算 ............... 185

第五节 设计螺纹连接应注意的几个

问题 ............................................... 190

一、螺纹连接的预紧 ....................... 190

二、螺纹连接的防松 ....................... 191

三、影响螺纹连接强度的因素 ....... 193

本章小结 ...................................................... 195

复习思考题 .................................................. 195

第十一章 轴 ................................................... 197

第一节 轴的类型和材料 .......................... 197

一、轴及其分类 ............................... 197

二、轴的设计要求和设计步骤 ....... 198

三、轴的材料 ................................... 198

第二节 轴的结构设计 .............................. 199

一、轴上零件的定位和固定 ........... 199

二、良好的结构工艺性 ................... 201

三、提高轴的疲劳强度 ................... 202

第三节 轴的工作能力计算 ...................... 203

一、轴的强度计算 ........................... 203

二、轴的刚度计算简介 ................... 208

三、轴的振动稳定性概念 ............... 209

第四节 轴毂连接 ...................................... 209

一、键连接 ....................................... 209

二、花键连接 ................................... 213

三、销连接 ....................................... 214

四、过盈连接及成形连接 ............... 215

本章小结 ...................................................... 215

复习思考题 .................................................. 216

第十二章 滑动轴承 ..................................... 217

第一节 摩擦、磨损、润滑的基础知识 .. 217

目录

VII

一、摩擦 ............................................ 217

二、磨损 ............................................ 218

三、润滑 ............................................ 219

第二节 滑动轴承的结构形式 ................... 221

一、向心滑动轴承 ............................ 221

二、普通推力滑动轴承 .................... 222

第三节 轴瓦材料和轴瓦结构 ................... 222

一、轴瓦材料 .................................... 223

二、轴瓦结构 .................................... 224

第四节 非液体摩擦滑动轴承的校核

计算 ............................................... 225

一、非液体摩擦径向轴承的校核

计算 ............................................ 226

二、非液体摩擦推力滑动轴承的

校核计算 .................................... 226

第五节 液体摩擦滑动轴承及其他滑动

轴承简介 ....................................... 228

一、动压轴承和静压轴承 ................ 228

二、含油轴承 .................................... 229

三、尼龙轴承 .................................... 229

本章小结 ....................................................... 229

复习思考题 ................................................... 229

第十三章 滚动轴承 ...................................... 231

第一节 滚动轴承的结构、类型和

代号 ............................................... 231

一、滚动轴承的结构 ........................ 231

二、滚动轴承的主要类型及特点 .... 231

三、滚动轴承类型的选择 ................ 233

四、滚动轴承的代号 ........................ 233

第二节 滚动轴承的失效形式及其

计算 ............................................... 235

一、失效形式 ................................... 235

二、轴承寿命的计算 ....................... 236

第三节 滚动轴承的组合设计 .................. 242

一、轴承的固定 ............................... 242

二、轴承组合的调整 ....................... 244

三、滚动轴承的配合 ....................... 245

四、轴承的装拆 ............................... 245

五、滚动轴承的润滑 ....................... 245

六、滚动轴承的密封 ....................... 246

本章小结 ...................................................... 247

复习思考题 .................................................. 247

第十四章 联轴器和离合器 ....................... 248

第一节 联轴器 .......................................... 248

一、固定式刚性联轴器 ................... 248

二、可移式刚性联轴器 ................... 249

三、弹性联轴器 ............................... 251

第二节 离合器 .......................................... 252

一、牙嵌离合器 ............................... 252

二、摩擦离合器 ............................... 253

三、电磁粉末离合器 ....................... 254

四、超越离合器 ............................... 255

第三节 联轴器和离合器的选用 .............. 255

一、类型选择 ................................... 255

二、型号和尺寸选择 ....................... 256

本章小结 ...................................................... 256

复习思考题 .................................................. 256

附录 常用标准 ............................................... 257

参考文献 ............................................................. 258