第1章 绪论
　　1.1 机构、机器与机械
　　从古代的简单工具到现代的机械，机械的发展经历了一个漫长的过程并深刻影响着人类的文明进程。在当今的社会生活与社会生产中机械无处不在，如洗衣机、缝纫机、机器人、机床、起重机、汽车、轮船等。机械的广泛应用极大地减轻了人们的体力劳动，提高了生产率并改善了劳动条件，同时也促进了科学技术的进步。机械的发展及应用水平也已成为衡量一个国家工业水平和现代化程度的主要标志之一。
　　为了认识机械，*先需要了解机械的基本特征。
　　图1-1所示为某单缸四冲程内燃机。它主要由汽缸、活塞、连杆、*轴、齿轮、凸轮、推杆、进气阀和排气阀等组成。内燃机工作循环过程为：①进气阀9打开，排气阀10关闭，活塞2向下运动，吸入燃气；②进气阀关闭，活塞向上运动，压缩燃气；③点火，使燃气燃烧、膨胀，推动活塞向下运动；④活塞再次向上运动，排气阀打开，废气通过排气阀排出。在内燃机工作过程中，活塞2的上下往复运动通过连杆3转化为*轴4的转动并做机械功(输出机械能)，同时*轴的转动通过齿轮5、6带动凸轮7转动，进而驱动推杆8实现进气阀和排气阀按照一定时序打开或关闭。由此可见，内燃机工作过程中各组成单元(实体)按一定规律做确定的相对运动，并将燃气的热能转化为机械能(做机械功)，实现了对能量的处理。
　　此外，电动机、汽轮机等也是将其他形式的能量转换为机械能；发电机、空气压缩机等则将机械能转换为其他形式的能量。
　　图1-2为某牛头刨床的原理示意图，滑枕7带着刨刀沿床身导轨做往复移动。滑枕向右移动时刨刀切削工件，称为工作行程；滑枕向左移动时刀架抬起，称为空回行程。空回行程中，工作台14带着工件沿横向做进给运动，以便实现对工件整个表面的刨削加工。牛头刨床的原动机为一交流电机1，它通过皮带传动2和齿轮传动将运动与动力传递给大齿轮3。大齿轮3带动滑块4在导杆5的导槽中运动，导杆5通过连杆6带动滑枕7沿床身导轨做往复移动。空回行程中，凸轮8通过构件9、10、11带动棘爪12往复摆动一次，使棘轮13转过一定角度，并通过丝杠传动(图中未画出)使工作台14横向移动一个进刀距离。
　　由此可见，牛头刨床工作过程中各组成单元(实体)按一定规律做确定的相对运动，并对工件进行刨削加工而做机械功，实现了对物料(工件)的处理。
　　图1-1 单缸四冲程内燃机
　　1-汽缸(机架)；2-活塞(滑块)；3-连杆；4-*轴；5、6-齿轮；7-凸轮；8-推杆；9-进气阀；10-排气阀
　　科学技术的发展使机械的内涵不断变化，现代机械如数控机床、智能机器人等，不仅能处理能量、物料，还能处理信息。复印机则主要是处理信息，其所做的机械功甚微。
　　由以上分析可以看出，尽管各种机械的结构形式、工作原理和用途不尽相同，但却具有下列共同的基本特征。
　　(1)都是若干人为实体的组合。
　　(2)各实体之间具有确定的相对运动。
　　(3)能够做有用的机械功、转换机械能或处理信息。同时具备以上三个特征的实物组合体称为“机器”，而仅具备前两个特征的称为机构。机械则是机器与机构的总称。
　　图1-1所示的内燃机具有上述三个特征，因此是一种“机器”。从运动的角度看，活塞的上下往复运动通过连杆转换为*轴的转动，*轴的转动通过齿轮带动凸轮转动，凸轮驱动推杆运动，实现进气阀和排气阀的打开或关闭。因此从运动的角度也可把内燃机看作机构。
　　机器与机构的主要区别就在于：机器具有运动和能量(而且总包含机械能)或信息的参与，而机构只考虑运动的传递与转换。若不考虑机械功、能量或信息转换问题，仅从结构组成和运动的观点来看，机器和机构并无本质区别。
　　机械与机器在用法上略有不同：机器常用来指一个具体的概念，如内燃机、拖拉机等；而机械则有泛指、抽象的含义，如化工机械、农业机械、机械化、机械工业等。
　　从运动的观点来看，组成机械的实体是指机械工作过程中运动的基本单元。运动的基本单元称为构件，如内燃机中的连杆3做平面运动、牛头刨床中的导杆5做定轴转动，它们都是构件。任何机械都需要加工制造，制造的基本单元称为零件，如内燃机中的*轴、齿轮等。
　　构件本身可以是一个零件，也可以是由几个零件固接而成的刚性组合体。例如，牛头刨床中的导杆5既是构件也是零件，而内燃机中的连杆3这一构件则由连杆体、连杆头、轴套、轴瓦、螺栓、螺母等几个零件固接而成(图1-3)，它们作为一个整体参与运动。
　　图1-2 牛头刨床原理示意图
　　1-交流电机；2-皮带传动；3-大齿轮；4-滑块；5-导杆；6-连杆；7-滑枕；8-凸轮；9、10、11-构件；12-棘爪；13-棘轮；14-工作台
　　图1-3 内燃机中的连杆
　　1-连杆体；2-连杆头；3-轴套；4-轴瓦；5-螺栓；6-螺母
　　由以上分析可知：机构是构件的组合体，各构件之间具有确定的相对运动，用来传递和转换运动；机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。
　　1.2 机械的组成
　　从运动的角度看，机械是由机构组成的，而机构又是由构件组成的。如前已述及的内燃机可以认为由*柄滑块机构(包括活塞2、连杆3、*轴4等构件)、齿轮机构(包括齿轮5和6等构件)以及凸轮机构(包括凸轮7和推杆8等构件)组成。
　　从制造的角度看，机械是由零件组成的。零件可分为通用零件和专用零件两大类。广泛应用于各种不同类型机械中的机械零件称为通用零件，如齿轮、轴、螺钉等。只用于某些特定机械中的零件称为专用零件，如汽轮机的叶片、内燃机的*轴等。为完成同一功能，在结构上组合在一起并协调工作的一组零件称为部件，如联轴器、离合器、汽车变速箱等。具有标准代号的零件或部件又称为标准件。
　　机械本质上是一种能实现特定功能的系统。从系统功能的角度看，机械一般由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统四部分组成，如图1-4所示。各部分各图1-4机械的组成司其职，使机械协调地工作。
　　动力系统是指原动机及其配套装置，其功能是为机械系统提供动力并能实现能量的转换，常见的有电动机、内燃机、液压马达等。
　　传动系统是将原动机的动力和运动传递给执行系统的中间部分，如牛头刨床中的皮带传动及齿轮传动构成传动系统。传动系统的主要功能有：①改变速度，包括减速、增速和变速，即把原动机的输出速度改变后传递给执行系统，以满足执行系统的不同速度要求；②传递动力，将原动机输出的动力传递给执行系统，提供执行所需的力或力矩；③改变运动规律，将原动机的输出运动改变为按某种特定规律变化的运动或改变运动方向，以满足执行系统的运动要求。
　　执行系统是用来完成机械系统预期的各种工艺动作或生产过程的装置，如牛头刨床中实现滑枕往复运动的连杆机构(由滑块4、导杆5、连杆6、滑枕7等组成)与进给机构(由棘轮机构与丝杠传动组成)。执行系统的主要功能是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状和位置，或对作业对象进行检测度量等。执行系统一般处于机械系统的末端，与作业对象直接接触。
　　控制系统是通过机械系统中信息的传递、加工处理和反馈对机械进行控制的部分。其主要功能是使动力系统、传动系统和执行系统之间彼此协调运动，以准确完成机械系统的总体功能。由于现代机械的功能日益复杂、精度越来越高，控制系统在其中的作用就显得尤为重要。
　　需要指出的是，由于伺服驱动及控制技术的发展，部分传动系统和执行系统得以简化，但基于机械技术的传动系统和执行系统在大多数机械中仍具有不可替代的作用。
　　1.3 机械的发展历程
　　机械的发展大体经历古代、近代和现代三个阶段。
　　一百多万年前人类就开始使用工具，如石斧、石锤、铲、木棒等，这些工具尽管简单粗糙，却是后来机械发展的根基。当社会发展进入铜器时代，人类也从使用工具逐渐发展到使用简单机械，如杠杆、滑轮、轮轴、斜面、螺旋与尖劈。在随后的数千年中，人类发明了各种各样的机械，如耧犁、鼓风机、起重机、舟与车、纺车与织布机、风车与水车、天文观测仪等，并出现了一些传动零件和机构，如齿轮、棘轮、轮系、凸轮机构、*柄滑块机构等。
　　古代机械的动力采用人力、畜力、水力或风力，动力的局限性限制了机械的发展。由于缺乏数学和力学的支撑，古代机械的设计制造主要依靠能工巧匠的直觉和灵感。
　　16～17世纪的**次科学革命，标志着近代科学的诞生。科学革命推动技术革命，18世纪出现了以蒸汽机为代表的**次工业革命。**次工业革命推动了诸多新机器的发明，如蒸汽机车、蒸汽轮船、(蒸汽)挖掘机、颚式破碎机、珍妮纺纱机、脚踏式缝纫机等，也促进了各种机床(如镗床、车床、铣床等)的快速发展和普遍使用。
　　**次工业革命中发明的蒸汽机极大地改善了机械的动力，克服了过去主要依靠人力、畜力和水力的局限。这一时期虽然已建立起牛顿的**力学体系，但机械设计还没有形成*立的学科，缺乏完整的机械设计理论与方法，机械设计主要依靠设计者的经验和智慧。
　　19世纪的第二次工业革命，进一步加快了机械技术的发展。发电机、电动机及内燃机的发明使世界进入电气时代并使机械的动力发生巨大变化。电力的需求带动了汽轮机和水轮机的发明，内燃机的出现带动了汽车和飞机的发明。在制造领域，发明了滚齿机、插齿机、磨床、自动机床等加工设备，并出现了以美国福特汽车为代表的大批量生产模式。其他机械如电梯、打字机、电影放映机也在这一时期出现。19世纪中叶发明了新的炼钢法，从此钢铁成为机械零部件的主要原材料。
　　这一时期，电动机及内燃机取代蒸汽机成为机械的主要原动机。在机械设计方面，机构学理论已经形成，基于画法几何的图纸设计法已经出现，一些机械零件的设计方法已初步建立，如齿轮的强度计算、轴的强度刚度计算、轴承的寿命计算等。
　　20世纪开始的第三次工业革命使机械进入现代发展阶段。新的理论和技术如数学与力学、计算机信息技术与控制技术，大大促进了机械科学与技术的进步，使传统机械走向现代机械。基于机、电、液等多物理过程融合的复杂机电系统(如机器人、数控机床等)，以及基于学科交叉的仿生机械与微纳机械，均是现代机械的典型代表。高速、高精度、高功率、自动化与智能化是现代机械的发展方向和追求目标。
　　20世纪科学与技术的发展推动了机械设计理论与方法的进步。到20世纪上半叶，基于牛顿**力学和材料学的机械设计理论和方法已经形成。20世纪60年代以来，随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、优化设计、可靠性等现代设计方法得到迅速发展。
　　值得指出的是，中国是世界上昀早发明和使用机械的国家之一，为世界机械文明做出了巨大贡献。“用力甚寡而见功多”(子贡，公元前520年—公元前456年)可认为是我国古代对机械的昀早定义。早在商代及西周时期，中国古人就发明和使用了桔槔、辘轳和鼓风机。秦汉时期的铜车马、指南车、记里鼓车、浑天仪、水排，晋代的连磨，三国时期的木牛流马，元代的轴承等诸多发明表明我国古代机械在秦汉时期就已经达到很高的水平，并在随后的一千多年时间里一直处于****地位。
　　中华人民共和国成立以来，我国机械工业发展迅速，现在已成为“制造大国”。党的二十大报告中指出，我国制造业规模稳居世界**。我国正在从“制造大国”向“制造强国”转变，继续对世界机械文明做出卓越贡献是我们的奋斗目标，任重而道远。
　　1.4 机械设计及其基本要求与一般流程
　　1.4.1 机械设计及其类型
　　“机械设计”具有丰富的内涵，不同时期人们对设计的理解也不尽相同。一般认为，机械设计是根据市场需求对机械产品的功能、原理方案、技术参数等进行规划和决策，并将结果以一定形式(如图纸、计算说明书、计算机软件等)加以描述和表达的过程。设计质量的高低，将直接关系到机械产品的技术水平和经济效益，因而设计在机械产品开发过程中起着关键性的作用。

目录
第1章 绪论 1
1.1 机构、机器与机械 1
1.2 机械的组成 3
1.3 机械的发展历程 4
1.4 机械设计及其基本要求与一般流程 5
1.4.1 机械设计及其类型 5
1.4.2 机械设计方法 6
1.4.3 机械设计的基本要求与一般流程 7
1.5 机械零件设计的基本要求与一般流程 10
1.5.1 机械零件设计的基本要求 10
1.5.2 机械零件设计的一般流程 11
1.6 本课程的内容、特点和任务 11
1.6.1 本课程的内容 11
1.6.2 本课程的特点 12
1.6.3 本课程的任务 12
思考题与习题 12
第2章 机械运动分析与设计基础 13
2.1 概述 13
2.2 机构的形成 13
2.2.1 构件与运动副 13
2.2.2 运动链与机构 15
2.3 平面机构运动简图 16
2.3.1 机构运动简图及其特点 16
2.3.2 机构运动简图的绘制 17
2.4 平面机构的自由度计算 19
2.4.1 构件的自由度 19
2.4.2 机构的自由度 19
2.4.3 计算平面机构自由度时应注意的问题 20
2.5 平面机构的运动分析与力分析 23
2.5.1 平面机构的运动分析与力分析方法 23
2.5.2 平面机构运动分析的速度瞬心法 23
思考题与习题 26
第3章 机械零部件工作能力设计计算基础 29
3.1 概述 29
3.2 作用在零件上的载荷 29
3.2.1 载荷的类型 29
3.2.2 载荷的确定 31
3.3 机械零件中的应力 31
3.3.1 体积应力和表面应力 32
3.3.2 温度应力和装配应力 34
3.4 机械零件的工作能力设计及材料选用原则 35
3.4.1 机械零件的失效形式 36
3.4.2 机械零件的工作能力设计计算准则 36
3.4.3 机械零件材料的选用原则 37
3.5 机械零件的强度和刚度 38
3.5.1 强度分类及强度的判断方法 38
3.5.2 静应力强度计算 38
3.5.3 变应力强度计算 39
3.5.4 机械零件的刚度 41
3.6 机械零件的振动稳定性 42
3.7 摩擦、磨损和润滑简介 43
3.7.1 摩擦 43
3.7.2 磨损 45
3.7.3 润滑 47
思考题与习题 56
第4章 机械零部件结构设计基础 57
4.1 概述 57
4.2 结构设计方法 57
4.2.1 变换结构本身形态 57
4.2.2 变换零件之间的相互关系 58
4.3 结构设计应考虑的因素 58
4.3.1 合理分配功能 58
4.3.2 提高强度和刚度 58
4.3.3 提高耐磨性 61
4.3.4 改善零件的结构工艺性 62
思考题与习题 63
第5章 平面连杆机构 64
5.1 概述 64
5.2 平面连杆机构的基本形式及演化 64
5.2.1 平面连杆机构的基本形式 64
5.2.2 平面四杆机构的演化 69
5.3 平面连杆机构的基本特性 72
5.3.1 平面四杆机构存在*柄的条件 72
5.3.2 平面四杆机构的极限位置和急回特性 74
5.3.3 平面四杆机构的压力角、传动角和死点位置 75
5.3.4 平面四杆机构的运动连续性 77
5.4 平面连杆机构的运动设计 77
5.4.1 平面四杆机构运动设计的基本问题及设计方法 78
5.4.2 图解法 78
5.4.3 解析法 81
5.4.4 实验法 83
5.5 平面连杆机构的结构设计 84
5.5.1 构件的结构 84
5.5.2 运动副的结构 87
思考题与习题 89
第6章 凸轮机构 91
6.1 概述 91
6.2 凸轮机构的类型和应用 91
6.2.1 凸轮机构的组成 91
6.2.2 凸轮机构的分类 92
6.2.3 凸轮机构的应用实例 94
6.3 从动件的几种常用运动规律 94
6.3.1 凸轮机构中的基本名词术语 94
6.3.2 从动件常用的运动规律 95
6.4 盘形凸轮轮廓*线的设计 98
6.4.1 图解法设计凸轮轮廓线 98
6.4.2 解析法设计凸轮轮廓线 102
6.5 凸轮机构的基本尺寸设计 103
6.5.1 滚子半径的选取 103
6.5.2 压力角的校核 104
6.5.3 基圆半径的确定 105
思考题与习题 105
第7章 齿轮传动 108
7.1 概述 108
7.2 齿轮传动的类型 108
7.3 齿廓啮合基本定律 110
7.4 渐开线齿廓 110
7.4.1 渐开线的形成及其性质 110
7.4.2 渐开线方程 111
7.4.3 渐开线齿廓的啮合特性 112
7.5 渐开线标准直齿圆柱齿轮及其啮合传动 112
7.5.1 渐开线齿轮各部分的名称和尺寸 112
7.5.2 一对渐开线齿轮的啮合传动 114
7.6 渐开线齿轮的加工方法及变位齿轮的概念 117
7.6.1 渐开线齿轮的加工方法 117
7.6.2 渐开线齿廓的根切现象 117
7.6.3 变位齿轮的概念 118
7.7 齿轮传动的失效形式、设计准则及常用材料 119
7.7.1 齿轮传动的失效形式 119
7.7.2 设计准则 120
7.7.3 齿轮常用材料 121
7.8 齿轮传动的计算载荷 122
7.9 直齿圆柱齿轮的强度计算 125
7.9.1 直齿圆柱齿轮的受力分析 125
7.9.2 直齿圆柱齿轮传动的应力计算 126
7.10 直齿圆柱齿轮传动的设计 131
7.10.1 材料选择及许用应力 131
7.10.2 齿轮传动的强度设计 134
7.10.3 齿轮的结构设计 136
7.11 渐开线斜齿圆柱齿轮传动 138
7.11.1 斜齿轮齿廓*面的形成及主要啮合特点 138
7.11.2 斜齿圆柱齿轮的基本参数与几何尺寸计算 139
7.11.3 斜齿圆柱齿轮的啮合传动及其重合度 140
7.11.4 斜齿圆柱齿轮的当量齿轮和当量齿数 141
7.11.5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算及设计 141
7.12 锥齿轮传动 145
7.12.1 概述 145
7.12.2 轮齿*面的形成及几何关系 145
7.12.3 直齿锥齿轮传动强度计算 148
7.13 齿轮的结构 149
思考题与习题 152
第8章 蜗杆传动 155
8.1 概述 155
8.2 蜗杆传动的形成与类型 155
8.2.1 蜗杆传动的形成 155
8.2.2 蜗杆传动的类型 156
8.3 普通圆柱蜗杆传动的主要参数与几何尺寸计算 158
8.3.1 蜗杆传动的主要参数及其选择 158
8.3.2 蜗杆传动的几何尺寸计算 160
8.4 蜗杆传动的工作情况分析 161
8.4.1 蜗杆传动的运动分析 161
8.4.2 蜗杆传动的受力分析 162
8.4.3 蜗杆传动的效率 163
8.4.4 蜗杆传动的自锁 164
8.5 蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料 165
8.5.1 蜗杆传动的失效形式及设计准则 165
8.5.2 蜗杆传动的常用材料 165
8.6 蜗杆传动的设计 166
8.6.1 材料选择及许用应力 166
8.6.2 蜗杆传动的强度设计 167
8.6.3 蜗杆传动的热平衡 168
8.6.4 蜗杆传动的结构设计 169
思考题与习题 172
第9章 轮系 175
9.1 概述 175
9.2 定轴轮系及其传动比计算 175
9.3 周转轮系及其传动比计算 177
9.3.1 周转轮系及其组成 177
9.3.2 周转轮系传动比的计算 178
9.4 混合轮系及其传动比计算 179
9.5 轮系的功用 181
9.6 轮系的效率 184
9.7 轮系的设计 186
9.7.1 定轴轮系的设计 186
9.7.2 周转轮系的设计 186
9.8 RV减速器和谐波减速器简介 188
9.8.1 RV减速器 188
9.8.2 谐波减速器 189
思考题与习题 190
第10章 带传动与链传动 193
10.1 概述 193
10.2 带传动的基本结构和性能 193
10.2.1 带传动的工作原理 193
10.2.2 带传动的主要传动形式和类型 194
10.2.3 带传动的几何尺寸计算 195
10.2.4 带传动的特点及应用范围 196
10.2.5 V带的结构、型号和基本尺寸 196
10.3 带传动的工作情况分析 198
10.3.1 带传动的受力分析 198
10.3.2 带传动*大有效工作拉力计算 199
10.3.3 带的应力分析 201
10.3.4 带传动的运动分析 202
10.4 带传动的设计计算 203
10.4.1 带传动的失效形式及设计准则 203
10.4.2 带传动的强度计算 203
10.4.3 普通V带传动设计 207
10.4.4 V带轮设计 211
10.4.5 V带传动张紧装置设计 213
10.5 普通V带的使用和维护 215
10.6 同步带传动与金属V带传动简介 216
10.6.1 同步带传动 216
10.6.2 金属V带无级变速传动 217
10.7 链传动的基本结构及特点 219
10.7.1 链传动的分类 219
10.7.2 传动链的结构特点 219
10.7.3 滚子链链轮的结构和材料 221
10.8 链传动的工作情况分析 222
10.8.1 链传动的运动分析 222
10.8.2 链传动的受力分析 224
10.8.3 链传动的失效形式及功率*线 225
10.9 链传动的设计计算 227
10.9.1 主要参数的选择 227
10.9.2 静强度计算 228
10.9.3 链传动的布置 228
思考题与习题 229
第11章 其他机构与传动类型简介 232
11.1 概述 232
11.2 棘轮机构 232
11.2.1 棘轮机构的组成及工作原理 232
11.2.2 棘轮机构的类型及应用 233
11.2.3 齿式棘轮机构的设计 235
11.3 槽轮机构 236
11.3.1 槽轮机构的组成及工作原理 236
11.3.2 槽轮机构的类型、特点及应用 236
11.3.3 槽轮机构的运动分析 237
11.3.4 槽轮机构的设计 238
11.4 不完全齿轮机构 239
11.4.1 不完全齿轮机构的工作原理 239
11.4.2 不完全齿轮机构的类型、特点及应用 239
11.5 液压传动简介 241