机械设计基础PDF电子书下载

第0章　绪论 1

0.1　机械设计基础的研究对象与内容 1

0.2　机械设计基础的研究方法 2

0.3　学习机械设计基础的目的 2

第一篇　工程力学基础 4

第1章　静力学基础知识 4

1.1　静力学的基本概念 4

1.1.1　刚体的概念 4

1.1.2　力的概念 4

1.1.3　集中力和分布力 4

1.1.4　力系 4

1.1.5　平衡 5

1.2　静力学公理 5

1.2.1　二力平衡公理 5

1.2.2　加减平衡力系公理 5

1.2.3　平行四边形公理 6

1.2.4　作用与反作用公理 6

1.3　约束与约束反力 7

1.3.1　柔体约束 7

1.3.2　光滑面约束 7

1.3.3　光滑铰链约束 8

1.3.4　固定端约束 9

1.4　物体的受力分析 10

思考题与习题 11

第2章　简单力系 13

2.1　平面汇交力系合成与平衡的几何法 13

2.1.1　几何法——力多边形法则 13

2.1.2　平面汇交力系平衡的必要与充分条件 15

2.2　平面汇交力系合成与平衡的解析法 16

2.2.1　力在坐标轴上的投影 16

2.2.2　平面汇交力系的合成（合力投影定理） 17

2.2.3　平面汇交力系平衡的解析条件 18

2.3　力对点之矩 19

2.3.1　力对点之矩的概念 19

2.3.2　合力矩定理 19

2.4　平面力偶理论 21

2.4.1　力偶的概念 21

2.4.2　力偶的性质 22

2.4.3　平面力偶系的合成与平衡 22

2.4.4　力的平移定理 23

思考题与习题 24

第3章　平面任意力系 28

3.1　平面任意力系的简化 28

3.1.1　主矢与主矩 28

3.1.2　平面力系的简化结果的讨论 29

3.2　平面任意力系的平衡条件和平衡方程 30

3.2.1　平面任意力系的平衡条件 30

3.2.2　平面任意力系的平衡方程 31

3.3　平面任意力系平衡方程的应用 33

3.3.1　平衡问题的解题步骤 33

3.3.2　应用举例 33

3.4　物体系统的平衡 34

3.4.1　静定与静不定问题的概念 34

3.4.2　物体系统的平衡问题 35

思考题与习题 37

第4章　摩擦 40

4.1　滑动摩擦 40

4.1.1　静滑动摩擦力 40

4.1.2　动滑动摩擦力 41

4.2　考虑摩擦时物体的平衡问题 41

4.3　摩擦角和自锁现象 43

4.3.1　摩擦角 43

4.3.2 自锁 43

4.3.3　螺旋器械的自锁条件 44

4.3.4　楔块与尖劈的自锁条件 45

4.4　滚动摩擦简介 45

思考题与习题 47

第5章　空间力系和重心 48

5.1　力沿空间直角坐标轴的投影及分解 48

5.1.1　直接投影法 48

5.1.2　二次投影法 48

5.2　力对轴之矩 50

5.2.1　力对轴之矩概念 50

5.2.2　合力矩定理 50

5.3　空间任意力系的简化与平衡 51

5.3.1 空间任意力系的简化 51

5.3.2　空间任意力系的平衡条件与平衡方程 51

5.3.3 空间特殊力系的平衡方程 52

5.3.4 空间约束与约束反力 53

5.4　空间力系问题的平面解法 54

5.5　重心 56

5.5.1 重心及形心坐标公式 56

5.5.2　物体重心及形心的求法 58

思考题与习题 61

第6章　材料力学基础知识 63

6.1　材料力学的任务 63

6.2　变形固体的基本假设 63

6.2.1　均匀连续性假设 63

6.2.2　各向同性假设 63

6.2.3　小变形假设 64

6.3　内力、截面法及应力 64

6.3.1　内力 64

6.3.2　截面法 64

6.3.3 应力 65

6.4　位移、变形和应变的概念 66

6.4.1　位移与变形 66

6.4.2　应变 66

6.4.3 泊松比 66

6.5　杆件变形的基本形式 67

思考题与习题 68

第7章　轴向拉伸与压缩 69

7.1　拉伸与压缩时横截面的内力、应力 69

7.1.1　轴向拉伸或压缩时的受力和变形特点 69

7.1.2　横截面的内力——轴力 69

7.1.3　横截面上的应力 72

7.2　材料在拉伸与压缩时的力学性能 74

7.2.1　材料在拉伸时的力学性能 75

7.2.2　材料在压缩时的力学性能 78

7.3　拉伸与压缩时的强度计算 79

7.3.1 许用应力 79

7.3.2　强度条件 79

7.4　拉伸与压缩时的变形计算 82

7.4.1 轴向变形和线应变 82

7.4.2　横向变形系数（泊松比） 83

7.4.3　胡克定律 83

7.5　应力集中的概念 83

7.6　拉伸与压缩时的静不定问题 84

7.6.1　静不定问题及其解法 84

7.6.2　温度应力 86

7.6.3　装配应力 87

7.7　连接件的实用计算 87

7.7.1 剪切与挤压的概念 87

7.7.2　剪切与挤压实用计算 88

7.7.3　剪切胡克定律 90

思考题与习题 91

第8章　扭转 97

8.1　外力偶矩、扭矩与扭矩图 97

8.1.1 外力偶矩 97

8.1.2　扭矩及扭矩图 98

8.2　薄壁圆筒的扭转 100

8.2.1　薄壁圆筒的扭转 100

8.2.2　切应力互等定理 100

8.2.3　剪切胡克定律 101

8.3　圆轴扭转时的应力与变形 101

8.3.1 圆轴扭转时的应力 101

8.3.2　极惯性矩和抗扭截面系数计算 103

8.3.3 圆轴扭转时的变形 104

8.4　圆轴扭转时的强度和刚度计算 104

8.4.1　强度条件 104

8.4.2　刚度条件 105

思考题与习题 107

第9章　弯曲 110

9.1　平面弯曲梁的概念及其简化 110

9.1.1　平面弯曲的概念及实例 110

9.1.2　梁的计算简图 111

9.2　剪力和弯矩 112

9.2.1　剪力和弯矩的概念 112

9.2.2　剪力和弯矩大小的确定 112

9.2.3　剪力和弯矩的符号规定 113

9.3　剪力图和弯矩图 115

9.3.1　剪力方程和弯矩方程 115

9.3.2 剪力图和弯矩图的应用实例 115

9.4　载荷集度、剪力和弯矩间的微分关系 118

9.5　弯曲梁横截面上的正应力 119

9.5.1　纯弯曲的概念 119

9.5.2　平面假设及正应力的分布规律 119

9.5.3　常用截面的惯性矩IZ与抗弯截面系数WZ 122

9.6　弯曲梁的正应力强度计算 123

9.6.1　最大弯曲正应力 123

9.6.2　正应力强度条件 123

9.7　弯曲梁的切应力 125

9.7.1　梁的切应力概念 125

9.7.2　矩形截面梁的切应力公式 126

9.8　提高弯曲强度的主要措施 127

9.8.1　选择合理的截面形状 127

9.8.2　采用变截面梁 127

9.8.3　合理布置载荷和安排梁的支座 128

9.9　弯曲梁的变形 129

9.9.1　梁弯曲变形的概念 129

9.9.2　积分法求梁的变形 129

9.9.3　叠加法求梁的变形 130

9.10　梁的刚度计算 132

9.10.1　梁刚度计算的概念 132

9.10.2　提高弯曲刚度的主要措施 132

思考题与习题 133

第10章　应力状态与强度理论 138

10.1　应力状态的概念 138

10.1.1　一点处的应力状态概念 138

10.1.2　一点处应力状态的研究方法 138

10.1.3　应力状态的分类 138

10.2　二向应力状态分析 139

10.2.1　斜截面上的应力 139

10.2.2　主平面和主应力 140

10.2.3　最大切应力 141

10.3　三向应力状态的最大应力 143

10.4　广义胡克定律 143

10.5　强度理论 145

10.5.1　强度理论的概念 145

10.5.2　常用的4个强度理论 145

10.5.3　强度理论的应用 147

思考题与习题 150

第11章　组合变形 152

11.1　组合变形的概念 152

11.2　弯曲与拉伸（压缩）组合 152

11.3　弯曲与扭转组合 155

思考题与习题 158

第12章　压杆稳定 160

12.1　压杆稳定的概念 160

12.2　细长压杆的临界压力 161

12.2.1　两端铰支压杆的临界压力 161

12.2.2　其他支承条件下压杆的临界压力 161

12.3　欧拉公式的适用范围 162

12.3.1　临界应力 162

12.3.2　柔度 162

12.3.3　3种柔度压杆的临界应力 163

12.3.4 临界应力总图 164

12.4　压杆稳定计算 165

12.5　提高压杆稳定性的措施 166

12.5.1　选择合理的截面形状 166

12.5.2　减小压杆的支承长度，改善杆端的约束 167

12.5.3　合理选择材料 167

思考题与习题 168

第13章　动荷应力及交变应力 170

13.1　动荷应力 170

13.1.1　动荷问题的概念 170

13.1.2　构件作匀加速直线运动时的动载荷应力 170

13.1.3　构件作等速转动时的动载荷应力 171

13.1.4　构件受冲击时的动载荷应力 172

13.2　交变应力下材料的破坏 174

13.2.1　交变应力的概念 174

13.2.2　疲劳破坏的特点 175

13.2.3　疲劳破坏过程的解释 175

13.3　交变应力的循环及材料的疲劳极限 175

13.3.1　交变应力的循环 175

13.3.2　影响构件疲劳极限的因素 176

13.3.3　构件的疲劳强度校核 178

思考题与习题 179

第二篇　机械与机械传动 182

第14章　机械设计概述 182

14.1　机器及其组成 182

14.2　机械设计的基本要求和一般过程 184

14.2.1　机械设计的基本要求 184

14.2.2　机械设计的一般过程 185

14.3　机械零件设计的基本要求及一般方法 185

14.3.1　机械零件设计的基本要求 185

14.3.2　机械零件设计的一般方法 185

思考题与习题 186

第15章　平面机构的结构分析 187

15.1　机构的组成 187

15.1.1　运动副的概念 187

15.1.2 自由度和运动副约束 188

15.1.3　运动链和机构 189

15.2　平面机构的运动简图 189

15.2.1　机构运动简图的概念 189

15.2.2　平面机构运动简图的绘制 189

15.3　平面机构的自由度 190

15.3.1　平面机构自由度的计算 190

15.3.2　计算机构自由度的注意事项 191

15.3.3　机构具有确定运动的条件 193

思考题与习题 193

第16章　平面连杆机构 195

16.1　铰链四杆机构 195

16.1.1　铰链四杆机构的基本形式 195

16.1.2　铰链四杆机构存在曲柄的条件 197

16.2　铰接四杆机构的其他形式 198

16.2.1 曲柄滑块机构 198

16.2.2　导杆机构 199

16.2.3　摇块机构和定块机构 200

16.3　平面四杆机构的运动特性 201

16.3.1　急回特性 201

16.3.2　传力特性 202

16.3.3　死点位置 203

16.4　平面四杆机构的运动设计简介 204

16.4.1　按连杆的预定位置设计四杆机构 204

16.4.2　按给定的行程速比系数K设计四杆机构 206

16.4.3　用解析法设计四杆机构 207

思考题与习题 207

第17章　凸轮机构 209

17.1　概述 209

17.1.1 凸轮机构的应用、组成和特点 209

17.1.2 凸轮机构的分类 210

17.2　从动件的常用运动规律 212

17.2.1 凸轮机构的工作过程与从动件的运动关系 212

17.2.2　从动件常用的运动规律 213

17.3　图解法绘制盘形凸轮轮廓 215

17.3.1　尖顶对心直动从动件盘形凸轮 216

17.3.2　偏置直动从动件盘形凸轮 216

17.3.3　滚子从动件 217

17.3.4　摆动从动件盘形凸轮 218

17.4　凸轮机构基本尺寸的确定 219

17.4.1　滚子半径的选择 219

17.4.2　压力角及其许用值 220

17.4.3　基圆半径的选择 221

思考题与习题 222

第18章　螺纹连接与螺旋传动 225

18.1　螺纹的形成、主要参数与分类 225

18.1.1　螺纹的形成 225

18.1.2　螺纹的主要参数 225

18.1.3　几种常用螺纹的特点及应用 226

18.1.4　螺纹副的受力分析、效率和自锁 227

18.2　螺纹连接的主要类型和使用 228

18.2.1　螺纹连接的主要类型 228

18.2.2　标准螺纹连接件 230

18.3　螺纹连接的预紧和防松 231

18.3.1　螺纹连接的预紧 231

18.3.2　螺纹连接的防松 232

18.4　螺纹连接的强度计算 233

18.4.1　普通螺栓连接的强度计算 233

18.4.2　铰制孔用螺栓连接的强度计算 235

18.5　螺纹连接件的材料和许用应力 236

18.5.1　螺纹连接件的常用材料 236

18.5.2　螺纹连接的许用应力和安全系数 237

18.6　提高螺纹连接强度的措施 238

18.6.1 降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 238

18.6.2 改善螺纹牙间的载荷分配 238

18.6.3　减少应力集中 239

18.6.4　采用合理的材料和合理的制造工艺 239

18.7　螺旋传动 240

18.7.1　螺旋传动的类型和特点 240

18.7.2　滚动螺旋传动简介 241

思考题与习题 241

第19章　带传动 244

19.1　带传动的类型和特点 244

19.1.1　带传动的类型 244

19.1.2　带传动的特点 245

19.2　普通V带和V带轮 246

19.2.1　普通V带 246

19.2.2　V带轮 247

19.3　带传动的工作能力分析 249

19.3.1　带传动的受力分析 249

19.3.2 带的应力分析 250

19.3.3　弹性滑动和打滑 251

19.4　普通V带传动的设计计算 252

19.4.1 带传动的失效形式及设计准则 252

19.4.2　单根V带的基本额定功率和许用功率 253

19.4.3　普通V带传动的设计步骤和参数选择 255

19.5　窄V带传动 260

19.5.1 窄V带的结构、特点和应用 260

19.5.2 窄V带和窄V带轮尺寸 260

19.6　带传动的张紧、安装与维护 261

19.6.1 带传动的张紧 261

19.6.2 带传动的安装与维护 262

思考题与习题 263

第20章　链传动 264

20.1　链传动的类型、特点及应用 264

20.1.1　链传动的类型 264

20.1.2　链传动的特点和应用 265

20.2　滚子链传动和链轮 265

20.2.1 滚子链的结构和规格 265

20.2.2　滚子链链轮 267

20.3　链传动的运动特性 270

20.3.1　平均链速和平均传动比 270

20.3.2　瞬时链速和瞬时传动比 270

20.3.3　链传动的动载荷 271

20.4　链传动的设计计算 272

20.4.1　链传动的主要失效形式 272

20.4.2　链传动设计的参数 273

20.5　链传动的布置、张紧及润滑 276

20.5.1　链传动的布置 276

20.5.2　链传动张紧装置 277

20.5.3　链传动的润滑 277

思考题与习题 278

第21章　齿轮传动 279

21.1　齿轮传动的特点、应用分类 279

21.2　齿轮啮合基本定律 279

21.3　渐开线齿廓 280

21.3.1 渐开线的形成和性质 280

21.3.2　渐开线齿廓啮合特点 281

21.4　渐开线标准齿轮各部分的名称、参数和几何尺寸 282

21.4.1　齿轮各部分的名称 282

21.4.2　渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 283

21.4.3　标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸 284

21.4.4　标准齿轮的公法线长度 285

21.5　渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动 286

21.5.1　正确啮合条件 286

21.5.2　连续传动条件 287

21.5.3　齿轮齿条啮合 287

21.6　渐开线齿轮的加工及根切现象 288

21.6.1　齿轮的加工方法 288

21.6.2　根切现象和最少齿数 289

21.7　齿轮传动的失效形式与设计准则 291

21.7.1　失效形式 291

21.7.2　设计准则 292

21.8　齿轮常用材料及热处理 292

21.8.1　齿轮材料的基本要求 292

21.8.2　齿轮常用材料及热处理 293

21.9　标准直齿圆柱齿轮传动的设计 294

21.9.1　轮齿受力分析 294

21.9.2　载荷与载荷系数 294

21.9.3　直齿圆柱齿轮的强度计算 295

21.9.4　参数选择 300

21.9.5　齿轮精度等级简介及其选择 300

21.9.6　设计计算步骤 301

21.10　平行轴斜齿圆柱齿轮传动 304

21.10.1　斜齿圆柱齿轮传动的啮合特点和应用 304

21.10.2　斜齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸计算 304

21.10.3　当量齿数zv 306

21.10.4　斜齿轮传动的优缺点和人字齿轮 306

21.10.5　斜齿圆柱齿轮传动的设计计算 307

21.11　直齿圆锥齿轮传动 309

21.11.1　直齿圆锥齿轮传动的特点及应用 309

21.11.2　直齿圆锥齿轮的主要参数、几何尺寸计算 309

21.12　齿轮的结构设计及润滑 311

21.12.1　常用的齿轮结构形式 311

21.12.2　齿轮传动的润滑 312

思考题与习题 313

第22章　蜗杆传动 315

22.1　蜗杆传动的类型和特点 315

22.1.1　蜗杆传动的类型 315

22.1.2　蜗杆传动的特点 316

22.1.3　蜗杆传动的精度 316

22.2　蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 317

22.2.1　蜗杆传动的基本参数 317

22.2.2　蜗杆传动的几何尺寸计算 319

22.3　蜗杆传动的失效形式、设计准则、材料和结构 320

22.3.1 蜗杆传动的失效形式和设计准则 320

22.3.2　蜗杆、蜗轮的材料和结构 321

22.4　蜗杆传动的设计计算 322

22.4.1　蜗杆传动的受力分析 322

22.4.2　蜗轮齿面接触疲劳强度计算 323

22.4.3　蜗轮轮齿齿根弯曲疲劳强度计算 325

22.5　蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算 325

22.5.1　蜗杆传动效率 325

22.5.2　蜗杆传动的润滑 327

22.5.3　蜗杆传动的热平衡计算 327

思考题与习题 330

第23章　齿轮系和减速器 332

23.1　定轴齿轮系传动比的计算 332

23.1.1　平面定轴齿轮系传动比的计算 332

23.1.2　空间定轴齿轮系传动比的计算 334

23.2　行星齿轮系传动比的计算 334

23.2.1　行星齿轮系的分类 334

23.2.2　行星齿轮系传动比的计算 335

23.2.3 复合轮系传动比的计算 337

23.3　齿轮系的应用 337

23.3.1　实现分路传动 337

23.3.2　可获得大的传动比 338

23.3.3　实现换向传动 338

23.3.4　实现变速传动 338

23.3.5　用于对运动进行合成与分解 339

23.4　减速器 340

23.4.1　减速器的主要类型及特点 340

23.4.2　减速器的结构和润滑 341

思考题与习题 343

第24章　轴与轴毂的连接 345

24.1　轴的分类 345

24.2　轴的结构设计 346

24.2.1　轴的各部分名称 346

24.2.2　零件在轴上的固定 346

24.3　轴的材料及其选择 348

24.4　轴的设计与计算 349

24.4.1　轴的扭转强度计算 349

24.4.2　轴的弯扭合成强度计算 350

24.4.3　轴的刚度计算 351

24.5　轴毂连接 355

24.5.1　键连接 355

24.5.2　花键连接 359

24.5.3　销连接 360

思考题与习题 361

第25章　轴承 363

25.1　轴承的功用与类型 363

25.1.1　轴承的功用 363

25.1.2　轴承的类型 363

25.2　滚动轴承的组成、类型及特点 363

25.2.1　滚动轴承的组成 363

25.2.2　滚动轴承的类型和特点 364

25.3　滚动轴承的代号 366

25.4　滚动轴承类型的选择 368

25.5　滚动轴承尺寸选择及寿命计算 369

25.5.1　滚动轴承的失效形式和设计准则 369

25.5.2　基本额定寿命和基本额定动载荷 370

25.5.3　当量动载荷 370

25.5.4　滚动轴承的寿命计算 372

25.5.5 角接触轴承的轴向力计算 374

25.5.6　滚动轴承的静强度计算 375

25.6　滚动轴承的组合设计 376

25.6.1 轴承套圈的轴向固定 377

25.6.2　轴组件的轴向固定 377

25.6.3　轴承组合的调整 378

25.6.4　轴承组合支承部分的刚度和同轴度 379

25.6.5　轴承的预紧 379

25.6.6　滚动轴承的配合与装拆 380

25.6.7　滚动轴承的润滑与密封 381

25.7　滑动轴承概述 382

25.7.1　滑动轴承的类型和结构 382

25.7.2　轴瓦和轴承衬材料 384

25.7.3　滑动轴承的润滑 386

思考题与习题 388

第26章　联轴器和离合器 390

26.1　联轴器 390

26.1.1　联轴器的分类 390

26.1.2　固定式联轴器 391

26.1.3　可移式联轴器 391

26.1.4　联轴器的选择 393

26.2　离合器 394

26.2.1 离合器的分类 394

26.2.2　牙嵌式离合器 395

26.2.3　摩擦离合器 395

26.2.4　安全离合器 396

26.2.5　超越离合器 397

思考题与习题 398

第27章　机械传动设计概论 399

27.1　机械传动概述 399

27.1.1　机械传动的功用 399

27.1.2　机械传动的运动和参数 400

27.2　常用机械传动的类型及选择 401

27.2.1 常用机械传动的类型 401

27.2.2　常用机械传动类型的选择 402

27.3　机械传动方案设计 403

27.3.1　传动方案设计的依据 403

27.3.2　机械传动方案的拟定 403

27.3.3　传动方案的设计顺序和方法 404

思考题与习题 405

参考文献 406