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推荐语：机械基础（第3版）——微课版教材

作者：周克媛编

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2017-07-01

书籍编号：30665121

ISBN：9787115445612

正文语种：中文

字数：229660

版次：3

所属分类：计算机-辅助/工程设计

图书在版编目（CIP)数据

机械基础/周克媛主编.--3版.--北京：人民邮电出版社，2017.7

职业教育机电专业微课版创新教材

ISBN　978-7-115-44561-2

Ⅰ.①机…　Ⅱ.①周…　Ⅲ.①机械学一职业教育一教材　Ⅳ.①TH11

中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第327040号

◆主编　周克媛

副主编　莫愁　刘长江　南瑞亭

责任编辑　刘盛平

责任印制　焦志炜

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

固安县铭成印刷有限公司印刷

◆开本：787×1092　1/16

印张：16.5　　2017年7月第3版

字数：411千字　　2017年7月河北第1次印刷

定价：42.00元

读者服务热线：(010)81055256　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内容提要

本书针对职业院校的教学特点，将工程力学、机械原理及机械零件的相关内容有机地整合在一起。全书共10章，内容包括机械设计概述、工程力学基础、平面连杆机构、其他常用机构、齿轮传动和蜗杆传动、带传动和链传动、轮系、机械连接、轴系零部件、液压和气压传动等。

本书既可作为职业院校“机械基础”课程的教材，也可作为有关技术人员的参考书。

前言

“机械基础”是讲授常用机械零件的受力分析、结构分析、设计计算，并同时进行材料选择的一门综合性技术基础课，是职业院校机械类专业和近机类专业必修的基础课。通过本课程的学习，学生可以获得常用工程力学、机械零件的结构分析、常用零件的设计基础等知识，为学习其他相关课程奠定基础。本书是参照《国家职业标准》的要求，结合职业院校的教学实际，在大量教学实践经验和教学调研的基础上编写而成的。

在写作风格上，本书有以下特点。

（1）内容全面。本书所选内容均为机械类专业和近机类专业学生应掌握的必备知识，是职业院校学生在进一步学习专业课之前必须掌握的基础知识。

（2）重点突出。本书淡化繁冗的理论分析，增加了大量的实际案例，以符合职业院校学生“重实践”的特点。

（3）吸收新技术。本书在介绍传统知识体系的同时，适当穿插与之关联的新技术，帮助学生领会现代制造的特点和发展方向。

（4）完善的教学辅助环节。本书配套提供了丰富的教学辅助资源，书中所有难以用语言以及静态图表来表达的知识点，将通过二维动画、三维动画以及视频等动态资源来表示，并以二维码的形式将其嵌入到书中相应位置。利用手机等移动终端设备的“扫一扫”功能，读者可以直接读取这些动画、视频，以加深对相关知识的理解。

本书共10章，每章主要内容介绍如下。

• 第1章：介绍与机械和机械设计相关的基础知识。

• 第2章：简要介绍理论力学和材料力学中的基础理论知识。

• 第3章：重点介绍铰链四杆机构的特点、分类、演化以及基本设计方法。

• 第4章：介绍凸轮机构、间歇运动机构以及螺旋机构的特点和用途。

• 第5章：介绍齿轮传动和蜗轮蜗杆传动在设计中的应用及其设计方法。

• 第6章：介绍带传动和链传动在设计中的应用及其设计方法。

• 第7章：介绍轮系在设计中的应用及其设计方法。

• 第8章：介绍螺纹连接、键连接、销连接以及其他永久连接方法的特点和用途。

• 第9章：介绍轴、轴承、联轴器、离合器以及制动器轴系部件的特点和用途。

• 第10章：介绍液压传动和气压传动在生产中的应用。

每章包含以下经过特殊设计的结构要素。

• 学习目标：介绍学生学完本章后应该达到的目标。

• 观察与思考：利用日常生活中常见的事例，引导学生思考和分析，一方面让学生对本章所学的知识有所了解，另一方面提高学生的兴趣和主动性。

• 要点提示：及时提醒学生在学习过程中应该注意的问题。

• 例题：介绍完重要知识点后，结合相应的例题进行加深讲解。

• 视野拓展：引入新的知识与技术，开阔学生视野。

• 小结：在每章的最后对本章所涉及的基本知识点进行简要总结。

• 思考与练习：在每章的最后都准备了一组习题，用以检验学生的学习效果。

对于本书，教师一般可用60课时来讲解教材内容，再配以32课时的实践教学，即可较好地完成教学任务。教师可根据实际情况进行调整。

本书在编写过程中，得到了不同地区很多学校教师的大力支持，在此表示衷心的感谢。

本书由周克媛任主编，莫愁、刘长江和南瑞亭任副主编，参加编写工作的还有沈精虎、黄业清、宋一兵、谭雪松、冯辉、计晓明、董彩霞、滕玲、管振起等。

编者

2016年11月

第1章 机械设计概述

在日常生活和工业生产中，机械产品无处不在。人们骑的自行车、手腕上佩戴的机械手表、工厂的机床设备、各式各样的汽车，这些都是典型的机械产品。随着现代科技的发展，机械被赋予了越来越多的简约化和智能化元素。

【学习目标】

• 了解机械的概念。

• 了解机械中材料的属性以及选用原则。

• 了解机械设计的用途和任务。

• 初步了解现代机械设计方法。

【观察与思考】

（1）人们日常生活中用到许多典型的机械产品，如图1-1所示的手表，其工作过程和原理就是一台机器的缩影。仔细观察图1-2所示的手表结构，并思考其中的零件各有什么特点。

图1-1 手表

图1-2 手表的结构

（2）手机是常见的生活用品，如图1-3所示。同学们可以查看一款废弃手机的内部结构，总结其特点。

（3）汽车的内部结构更加复杂，如图1-4所示。与前面提到的钟表和手机相比，思考汽车产品在构成上有什么特点？在设计这类产品的各个零部件时应该注意哪些问题？

图1-3 手机

图1-4 汽车产品

（4）图1-5所示为具有人工智能的焊接机器人；图1-6所示为具有灵活关节的仿生机器人，它能随着音乐的节奏翩翩起舞。思考这类机械产品的主要特点是什么？同时想想现代机械的发展方向是什么？

图1-5 工作中的焊接机器人

图1-6 会跳舞的仿生机器人

1.1 认识机械

机械是机器与机构的总称，它能够将能量、力从一个地方传递到另一个地方，能改变物体的形状结构，创造出新的物件。在我们周围的生活中有不同种类的机械在为我们工作。

1.1.1 与机械相关的基础知识

机械是各种机器和机构的统称，如钟表、汽车、起重机、机床及电风扇、洗衣机等。机械的种类繁多，其结构、性能和用途各有差别。

1.机械的组成

各类机械虽然从结构和功能上都存在很大的区别，但是从宏观上分析，各类机械仍然具有以下共同特点。

（1）机械由一定数量的零（部）件组合而成。

（2）机械通常包括原动机、工作机构和传动机构等部分，其中各部分的用途如下。

• 原动机：它为整个机器提供动力，可以把其他形式的能源转换为机械能，产生驱动力。常用的原动机包括电动机和内燃机。

• 工作机构：机械中直接产生工艺动作的部分，如机床上驱动刀具和工件产生相对切削运动的机构。

• 传动机构：将原动机中的运动和动力准确传递到工作机构上的部分，在传递过程中它还会根据需要对运动的性质和速度进行变换。

图1-7所示为一个内燃机的内部结构，该内燃机由齿轮机构、凸轮机构、四杆机构等构成。请同学们通过课堂讨论的形式分析其结构特点，并尝试分析该机器的主要功能。

2.机械中的力学知识

在日常生活中，力的作用无处不在。在机械中，零件工作时都必须承受力的作用，有些零件还处于非常复杂的受力环境中。

（1）在图1-8所示的斜拉桥中，钢丝主要承受拉力，当钢丝承受的拉应力超过其许用应力时，钢丝被拉断。

图1-7 内燃机的内部结构

图1-8 斜拉桥

（2）图1-9所示的起重臂主要承受拉（或压）力、弯矩，其主要破坏形式是拉断或压溃，当负载过大时，起重臂将有折断的危险。

图1-9 工作中的起重机

（3）在图1-10所示的齿轮传动机构中，齿轮的齿面主要承受压力，安装齿轮的轴主要承受弯曲变形和扭转变形。

（4）机械加工中，零件的受力情况更加复杂。图1-11所示为使用机床加工机械零件的实例，在加工过程中，工件和刀具受力的性质、大小和方向都在不断变化。

图1-10 齿轮传动机构

图1-11 使用机床加工机械零件

3.整机、机器和机构

（1）整机。机器不论其结构是简单还是复杂，都是由若干零件和部件组成的，而各个零件通过装配的方法组合成一个紧凑的产品，这就是整机。

图1-12所示内燃机的各个零件通过一定的装配方法组合而形成图1-13所示内燃机的整机，这就是一个从零件到整机的过程。

图1-12 内燃机零件

图1-13 内燃机

（2）机器和机构。通过内燃机的内部结构可以看出机器的主体是若干机构的组合；机器用于传递运动和动力，具有变换或传递能量、物料和信息的功能。

机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运动，但是不具有变换或传递能量、物料、信息的功能。例如，内燃机中，曲轴、连杆、活塞和气缸组成连杆机构，凸轮、顶杆和气缸组成凸轮机构。

4.常用机构

从运动上讲，机器的主体部分是由机构组成的，一部机器可包含一个或若干个机构。例如，电动机只包含一个机构，而内燃机则包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等若干个机构。机构用于传递运动和力。机构的种类很多，每类机构都具有特定的构成形式和功能。

下面是机器中常用的一些机构以及主要的应用。

（1）图1-14所示为常见的各种凸轮零件。凸轮机构主要用于实现运动变换，将主动件的转动或移动转换为从动件的往复移动或摆动。

图1-14 常见凸轮零件

（2）图1-15所示为常见的齿轮。齿轮机构是一种重要的传动机构，用于实现运动和速度的变换。

图1-15 常见齿轮零件

（3）图1-16所示为常用的双曲柄机构，该机构被用于火车机车车轮上，如图1-17所示。

图1-16 双曲柄机构

图1-17 火车机车车轮

（4）图1-18所示为棘轮棘爪机构，它可以将主动件的连续运动变换成从动件的间歇运动。该机构作为核心部件应用在图1-19所示的手拉葫芦中，用于吊起重物。

图1-18 棘轮棘爪机构

图1-19 手拉葫芦

（5）图1-20所示为螺旋机构，它可以将旋转运动变换为直线运动，同时具有增力作用，在主动件上施加较小的力即可获得较大的输出力。该机构作为核心部件应用在图1-21所示的千斤顶中。

图1-20 螺旋机构

图1-21 螺旋千斤顶

5.机械传动

机械中都会具有相对运动的零件，并且这些零件的运动有顺序关系，往往是某一个零件按照一定规律运动后带动其他零件运动，这就是机械传动。机械传动是由具体的传动部件来实现的，机械传动的设计是机械设计的重点之一。

常用的机械传动机构如图1-22所示，试思考这些机构在传动过程中各有何特点，主要用于什么场合，并尝试在日常生活中寻找这些机构的应用。

图1-22 常见机械传动

1.1.2 机械零件的常用材料以及选用原则

机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金（如铝合金、铜合金等）以及非金属材料（如橡胶、塑料等）。

1.常用金属材料

金属材料主要指铸铁和钢，它们均属于铁碳合金，其主要区别在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金为钢，大于2%的为铸铁。

（1）铸铁。常用铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁属于脆性材料，不能锻造和辗压，但具有较好的熔融性和流动性。

要点提示

灰铸铁的抗压强度高，耐磨性、减振性好，对应力集中的敏感性低，常用作机架和底座，如图1-23所示。

图1-23 底座

（2）钢。钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接、铸造等方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理的方法提高机械性能，因此，被广泛应用在机械生产中。

钢的种类较多，其按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。

• 结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。

• 工具钢可用于制造各种刀具、模具等，如图1-24所示。

• 特殊用途钢主要用于制造特殊工况条件下使用的零件，如图1-25所示的不锈钢法兰。

图1-24 刀具

图1-25 不锈钢法兰

问题思考

（1）在现代机械制造中，还经常使用有色金属合金，有色金属合金的种类有哪些？有何优点？使用范围有哪些？

（2）机械制造中的非金属材料有哪些？具有什么特性？

新知识

近年来出现了新型复合材料和功能材料，即将两种以上不同性质的材料通过人工合成，使其既保持了各自的特性，又具有

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