机械设计

机械设计是理工科院校机械及机械相近专业开设的一门培养专业基本素养的课程。它主要介绍机械通用零部件的基本结构、工作原理、设计理论、计算方法，旨在培养学生设计通用零部件与机械系统的创新思维和创新能力。编者从机械设计的总体要求和培养学生机械设计基本素养、能力着手，在机械设计传统内容的基础上，增加了结构优化设计相关内容，在内容上取舍有度，在取材上考虑实用，在思维上考虑创新，基本概念清晰，基本理论深刻，基本方法由浅入深。本书图形形象明了，采用零件工程图、实物或三维图片，有利于帮助学生认知和理解相关内容。
本书的主要特点有如下几点：
（1） 全书突出机械零部件的材料选择、失效形式、设计准则、结构设计及工程计算等基本的内容，保持基本理论与设计方法的均衡，简化乃至略去对部分基本理论及有关公式的论证与推导，着重于基本概念的理解和基本方法在设计中的应用。全书强调“学生实践设计”，突出训练学生对工程问题的观察能力、分析能力，突出训练学生对通用零部件的独立设计能力，并注意培养学生的应用型创新能力。
（2） 在突出重点和保证主要内容的同时，增加知识点，扩大知识面，提高学生整体认知。例如其他带传动简介、其他齿轮传动简介、其他形式滑动轴承简介及其他类型弹簧简介等。适度增加了新颖零部件等方面内容的介绍，以扩大学生认知范围。
（3） 全书力求概念把握准确，叙述深入浅出，主次分明、详略得当、层次清晰、文句流畅，力求体现较好的“易教性”和“易学性”。书中尽可能增加一些典型例题和较详细的解题步骤，各章后的学习要点亦便于学生把握主要内容，思考与练习题便于学生自我检查和巩固所学知识，限度地为教师教学和学生自学提供方便。
（4） 全书采用国家标准规定的名词术语和符号，引用较新的标准、规范和资料。
（5） 本书中标题加的内容为课程了解性内容，不要求掌握。
本书分为14章。参加本书编写的有上海应用技术大学刘莹（第0～3章）、上海应用技术大学吴斌（第4～6章）、上海人本集团有限公司郭长建（第9、10章）、上海应用技术大学张珂（第7、11～13章）。全书由张珂担任主编，负责全书的统稿，郭长建担任第二主编，吴斌、刘莹担任副主编。本书由东华大学马晓建担任主审，为本书提出很多宝贵意见。2019级硕士研究生李青松、沈宇、苏凯伦、魏洪涛等也为本书的编写发挥了重要的作用，在此一并表示感谢。
在本书的编写过程中参考了众多文献和资料，编者谨向各有关作者和编写人员表示衷心的感谢。
本书的出版得到了上海科学技术出版社的全力支持和帮助，编者谨向此书相关工作人员表示衷心的感谢。
由于编者水平所限，纰漏、不足之处在所难免，恳请从事机械设计相关教学的教师、专家和广大读者提出宝贵意见，以便更好地服务教学和读者。

编 者2021年6月

本书依据*高等学校机械基础课程教学指导委员会编写的《高等学校机械设计课程基本要求》和《机械设计课程教学改革建议》的精神，结合多年教学经验，同时考虑应用型高校教学特点，与高水平企业专家共同编写而成。
编者以“实用、新用、适用”为基本原则，以“工程应用”为核心思想，意在培养学生工程实践意识和机械创新能力。全书共14章，包括绪论、机械设计概论、机械零件的强度、带传动设计、链传动设计、齿轮传动设计、蜗杆传动设计、螺纹连接设计、键销连接设计、滚动轴承、滑动轴承、联轴器与离合器、轴的设计、导轨副。书中尽可能增加一些由浅入深的典型例题和详细的解题步骤，并在章末给出学习要点，为师生及广大读者提供便利。

本书依据高等学校机械基础课程教学指导委员会编写的《高等学校机械设计课程基本要求》和《机械设计课程教学改革建议》的精神，结合多年教学经验，同时考虑应用型高校教学特点，与高水平企业专家共同编写而成。
编者以“实用、新用、适用”为基本原则，以“工程应用”为核心思想，意在培养学生工程实践意识和机械创新能力。全书共14章，包括绪论、机械设计概论、机械零件的强度、带传动设计、链传动设计、齿轮传动设计、蜗杆传动设计、螺纹连接设计、键销连接设计、滚动轴承、滑动轴承、联轴器与离合器、轴的设计、导轨副。书中尽可能增加一些由浅入深的典型例题和详细的解题步骤，并在章末给出学习要点，为师生及广大读者提供便利。

张珂，知名高校机械工程学院副院长、教授。长期从事机械类专业教育研究工作，专业经验丰富。参与出版了多种机械类专业技术图书，如《互换性与测量技术基础》《机械基础实验》《工程力学及机械设计基础》《MySQL数据库基础与实例教程》等。
郭长建，上海人本集团有限公司高级工程师，为本书的企业专家。

第0章绪论1
0.1课程研究对象1
0.2课程内容、性质和任务2
0.3课程特点和学习方法3
本章学习要点4
思考与练习题4
第1章机械设计概论6
1.1机器应满足的主要要求6
1.2机器设计的一般程序及主要内容7
1.2.1计划阶段8
1.2.2方案设计阶段8
1.2.3技术设计阶段8
1.2.4编制技术文件阶段9
1.3机械零件设计的基本要求及一般步骤9
1.3.1机械零件设计的基本要求9
1.3.2机械零件设计的一般步骤10
1.4机械零件的主要失效形式及计算准则11
1.4.1机械零件的主要失效形式11
1.4.2机械零件的计算准则12
1.5机械零件的材料选择14
1.5.1机械零件的常用材料14
1.5.2机械零件材料的选用原则14
1.6机械零件的结构工艺性及标准化15
1.6.1机械零件的结构工艺性15
1.6.2机械零件的标准化16
1.7机械设计方法及其新发展17
1.7.1传统设计方法17
1.7.2现代设计方法18
本章学习要点20
思考与练习题20
第2章机械零件的强度22
2.1载荷和应力的分类22
2.1.1载荷的分类22
2.1.2应力的分类23
2.2静应力下机械零件的整体强度24
2.2.1静应力下机械零件的强度条件24
2.2.2许用安全系数的选择25
2.3稳定变应力下机械零件的整体强度26
2.3.1材料的疲劳极限和疲劳曲线26
2.3.2材料的疲劳极限应力线图28
2.3.3影响机械零件疲劳强度的主要因素29
2.3.4稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算34
2.3.5复合应力下机械零件的疲劳强度计算37
2.4机械零件的表面接触疲劳强度39
本章学习要点40
思考与练习题40
第3章带传动设计42
3.1概述42
3.2V带和V带带轮44
3.2.1V带44
3.2.2V带带轮45
3.3带传动的工作情况分析48
3.3.1带传动的几何关系与计算48
3.3.2带传动的受力分析49
3.3.3弹性滑动与打滑50
3.3.4极限有效拉力及其影响因素51
3.3.5带的应力分析52
3.3.6带传动的失效形式和设计准则53
3.4普通V带传动的设计计算53
3.4.1单根普通V带的基本额定功率53
3.4.2普通V带传动的设计步骤和参数选择55
3.5带传动的张紧与维护63
3.5.1带传动的张紧63
3.5.2带传动的维护64
3.6其他带传动简介*64
3.6.1窄V带传动64
3.6.2同步齿形带传动64
3.6.3高速带传动65
本章学习要点65
思考与练习题66
第4章链传动设计68
4.1概述68
4.2滚子链和链轮69
4.2.1滚子链的结构69
4.2.2滚子链的基本参数和尺寸70
4.2.3滚子链链轮71
4.3链传动的工作情况分析73
4.3.1平均链速和平均传动比73
4.3.2链传动的速度不均匀性74
4.3.3滚子链传动的主要失效形式和设计准则75
4.4滚子链传动的设计计算*75
4.4.1链的额定功率曲线75
4.4.2链传动的设计步骤和主要参数选择76
4.5链传动的布置、张紧和润滑81
4.5.1链传动的布置81
4.5.2链传动的张紧82
4.5.3链传动的润滑82
本章学习要点84
思考与练习题84
第5章齿轮传动设计86
5.1概述86
5.2齿轮传动的失效形式和设计准则87
5.2.1齿轮传动的失效形式87
5.2.2齿轮传动的设计准则89
5.3齿轮常用材料和许用应力90
5.3.1齿轮常用材料90
5.3.2齿轮传动的许用应力92
5.4齿轮传动的计算载荷和载荷系数96
5.4.1计算载荷和载荷系数96
5.4.2载荷系数说明96
5.5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算99
5.5.1齿轮的受力分析99
5.5.2齿面接触疲劳强度计算100
5.5.3齿根弯曲疲劳程度计算103
5.5.4齿轮传动的主要参数和传动精度的选择105
5.6标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算110
5.6.1轮齿的受力分析110
5.6.2齿面接触疲劳强度计算111
5.6.3齿根弯曲疲劳强度计算112
5.7标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算116
5.7.1强度当量齿轮传动及其几何尺寸计算116
5.7.2受力分析和载荷系数117
5.7.3齿面接触疲劳强度计算118
5.7.4齿根弯曲疲劳强度计算119
5.8齿轮的结构119
5.9齿轮传动的润滑121
本章学习要点123
思考与练习题123
第6章蜗杆传动设计126
6.1概述126
6.1.1蜗杆传动的特点126
6.1.2蜗杆传动的分类及应用126
6.1.3蜗杆传动的滑动速度128
6.1.4蜗杆传动的传动效率129
6.2蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料选择130
6.2.1蜗杆传动的失效形式和设计准则130
6.2.2蜗杆传动的材料选择131
6.3蜗杆传动的精度选择、侧隙规定、蜗杆和蜗轮的结构131
6.3.1蜗杆传动的精度选择和侧隙规定131
6.3.2蜗杆的结构132
6.3.3蜗轮的结构132
6.4蜗杆传动的强度计算和蜗杆的刚度校核133
6.4.1蜗杆传动的受力分析133
6.4.2蜗轮齿面接触疲劳强度计算133
6.4.3蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算136
6.4.4蜗杆的刚度校核*137
6.5蜗杆传动的热平衡计算及润滑138
6.5.1蜗杆传动的热平衡计算138
6.5.2蜗杆传动的润滑139
本章学习要点143
思考与练习题143
第7章螺纹连接设计145
7.1概述145
7.2螺纹连接的主要类型、特点及应用146
7.3螺纹连接的预紧与防松147
7.3.1螺纹连接的预紧147
7.3.2螺纹连接的防松148
7.4螺栓组连接的设计150
7.4.1螺栓组连接的结构设计150
7.4.2螺栓组连接的受力分析151
7.5螺纹连接的强度计算155
7.5.1螺纹连接的常用材料和许用应力156
7.5.2普通螺栓连接的强度计算158
7.5.3铰制孔用螺栓连接的强度计算161
7.6提高螺纹连接强度的措施162
本章学习要点168
思考与练习题169
第8章键销连接设计171
8.1键连接171
8.1.1键连接的类型、功用、结构及应用171
8.1.2键连接的选择174
8.1.3键连接的强度计算174
8.2花键连接175
8.2.1花键连接的类型、结构和特点175
8.2.2花键连接的强度计算176
8.2.3滚珠花键连接177
8.3销连接178
本章学习要点180
思考与练习题180
第9章滚动轴承183
9.1概述183
9.2滚动轴承的主要类型、特点和代号184
9.2.1滚动轴承的主要类型184
9.2.2滚动轴承的性能与特点184
9.2.3滚动轴承的代号188
9.3滚动轴承的类型选择192
9.4滚动轴承的配合和游隙194
9.4.1滚动轴承的安装配合194
9.4.2滚动轴承的游隙197
9.5滚动轴承的寿命计算199
9.5.1滚动轴承的寿命和基本额定寿命199
9.5.2滚动轴承的基本额定负荷200
9.5.3滚动轴承的寿命计算公式200
9.5.4滚动轴承的当量动载荷202
9.5.5角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向载荷的计算203
9.6滚动轴承的静强度计算208
9.7滚动轴承的组合结构设计209
9.7.1滚动轴承的轴向固定209
9.7.2滚动轴承的支承结构形式210
9.7.3滚动轴承的装拆、预紧和刚度212
9.7.4滚动轴承的润滑214
9.7.5滚动轴承的密封216
本章学习要点218
思考与练习题218
第10章滑动轴承221
10.1概述221
10.1.1滑动轴承的分类、特点和应用221
10.1.2滑动轴承的设计内容222
10.2滑动轴承的典型结构222
10.2.1径向滑动轴承的典型结构222
10.2.2普通止推滑动轴承的典型结构223
10.3滑动轴承的材料和轴瓦结构224
10.3.1滑动轴承的材料224
10.3.2轴瓦结构228
10.4滑动轴承的润滑231
10.4.1润滑剂及其选择231
10.4.2润滑方式和润滑装置232
10.4.3润滑方式的选择234
10.5不完全油膜滑动轴承的设计计算235
10.5.1不完全油膜滑动轴承的失效形式和计算准则235
10.5.2径向滑动轴承的设计计算235
10.5.3止推滑动轴承的设计计算236
本章学习要点238
思考与练习题238
第11章联轴器与离合器240
11.1联轴器240
11.1.1联轴器的类型240
11.1.2联轴器的选择248
11.2离合器250
11.2.1离合器的功用、分类及其基本要求250
11.2.2操纵离合器251
11.2.3自控离合器253
本章学习要点255
思考与练习题255
第12章轴的设计256
12.1概述256
12.1.1轴的功用256
12.1.2轴的分类256
12.1.3轴的组成258
12.2轴的材料选择和设计步骤258
12.2.1轴毛坯的选择258
12.2.2轴的常用材料及选择258
12.2.3轴的设计要求和步骤260
12.3轴的结构设计261
12.3.1轴上零件的布置和装配261
12.3.2轴的小直径估算261
12.3.3轴上零件的轴向定位与固定263
12.3.4轴上零件的周向固定265
12.3.5各轴段直径和长度的确定265
12.3.6轴的结构工艺性266
12.3.7提高轴的强度和刚度的措施267
12.4轴的强度计算273
12.4.1轴的受力分析及计算简图273
12.4.2轴的内力分析273
12.4.3轴的弯扭合成强度计算274
12.4.4轴的安全系数校核计算276
12.5轴的刚度计算和振动稳定性概念*281
12.5.1轴的刚度计算281
12.5.2轴的振动稳定性概念281
本章学习要点283
思考与练习题283
第13章导轨副286
13.1导轨副的结构要素与设计286
13.1.1导轨副的结构要素286
13.1.2导轨副的设计要求与内容288
13.2典型滑动导轨副288
13.2.1滑动导轨常用结构289
13.2.2滑动导轨常用材料290
13.2.3滑动导轨副失效及改善措施291
13.3典型滚动导轨副291
13.3.1滚动直线导轨副的结构292
13.3.2滚动直线导轨副的设计流程292
13.3.3滚动直线导轨副的性能参数292
本章学习要点293
思考与练习题293
参考文献294
附录296
附录1齿轮传动基本参数和几何尺寸296
附录2蜗杆传动基本参数和几何尺寸300

本书依据*高等学校机械基础课程教学指导委员会编写的《高等学校机械设计课程基本要求》和《机械设计课程教学改革建议》的精神，结合多年教学经验，同时考虑应用型高校教学特点，与高水平企业专家共同编写而成。
编者以“实用、新用、适用”为基本原则，以“工程应用”为核心思想，意在培养学生工程实践意识和机械创新能力。全书共14章，包括绪论、机械设计概论、机械零件的强度、带传动设计、链传动设计、齿轮传动设计、蜗杆传动设计、螺纹连接设计、键销连接设计、滚动轴承、滑动轴承、联轴器与离合器、轴的设计、导轨副。书中尽可能增加一些由浅入深的典型例题和详细的解题步骤，并在章末给出学习要点，为师生及广大读者提供便利。

张珂，知名高校机械工程学院副院长、教授。长期从事机械类专业教育研究工作，专业经验丰富。参与出版了多种机械类专业技术图书，如《互换性与测量技术基础》《机械基础实验》《工程力学及机械设计基础》《MySQL数据库基础与实例教程》等。
郭长建，上海人本集团有限公司高级工程师，为本书的企业专家。