第2篇  零件結構設計

第1章零件結構設計的基本要求和內容

1.1機械零件結構設計的基本要求2-3

1.1.1功能使用要求2-3

1.1.2零件結構設計工藝性要求2-3

1.1.3其他要求2-3

1.2結構設計的內容2-3

1.2.1滿足功能要求的結構設計2-3

1.2.1.1利用功能面的結構設計2-3

1.2.1.2利用自由度分析法的零件結構設計2-3

1.2.1.3功能面法結構設計示例2-6

1.2.1.4自由度法結構分析及示例2-8

1.2.1.5現代機械結構及功能分析示例2-9

1.2.2滿足工作能力要求的結構設計2-12

1.2.2.1提高強度和剛度的結構設計2-12

1.2.2.2提高耐磨性的結構設計2-19

1.2.2.3提高精度的結構設計2-22

1.2.2.4考慮發熱、噪聲、腐蝕等問題的結構設計2-25



第2章鑄件結構設計工藝性

2.1常用鑄造金屬材料和鑄造方法2-29

2.1.1常用鑄造金屬材料的鑄造性和鑄件的結構特點2-29

2.1.2常用鑄造方法的特點和應用範圍2-30

2.2鑄件結構設計工藝性的要求2-32

2.2.1簡化鑄造工藝2-32

2.2.2提高鑄造性能2-39

2.2.3受力合理2-43

2.2.4便於切削加工2-44

2.2.5組合鑄件2-46

2.3對鑄造結構要素的具體尺寸要求2-47

2.3.1鑄件壁厚2-47

2.3.2加強肋2-47

2.3.3壁的連接與過渡2-49

2.3.4孔邊凸臺、內腔、鑄孔2-53

2.3.5鑄件尺寸公差2-55

2.4特種鑄造對鑄件結構設計工藝性的要求2-56

2.4.1壓力鑄件的結構工藝性2-56

2.4.2熔模鑄件的結構特點2-57

2.4.3金屬型鑄件的結構特點2-59

2.5組合鑄件結構2-59

2.6鑄件缺陷與改進措施2-62

2.7鑄造技術發展趨勢及現代精確鑄造技術2-71



第3章鍛壓件結構設計工藝性

3.1鍛造方法與金屬的可鍛性2-82

3.1.1各種鍛造方法及其特點2-82

3.1.2金屬材料的可鍛性2-84

3.2鍛造方法對鍛件結構設計工藝性的要求2-85

3.2.1自由鍛件的結構設計工藝性2-85

3.2.2模鍛件的結構設計工藝性2-87

3.2.2.1模鍛件的結構要素（JB/T 9177—2015）2-88

3.2.2.2鍛件尺寸標注及其測量法2-91

3.3模鍛件結構設計的注意事項2-91



第4章衝壓件結構設計工藝性

4.1衝壓方法和衝壓材料的選用2-96

4.1.1衝壓的基本工序2-96

4.1.2衝壓材料的選用2-98

4.2衝壓件結構設計的基本參數2-99

4.2.1衝裁件2-99

4.2.2彎曲件2-102

4.2.3拉伸件2-104

4.2.4成形件2-105

4.3衝壓件的尺寸和角度、形狀和位置的相關公差與極限偏差2-108

4.4衝壓件結構設計的注意事項2-113



第5章切削件結構設計工藝性

5.1金屬材料的切削加工性2-118

5.2切削件結構設計工藝性2-120

5.2.1保證加工質量2-120

5.2.2減少切削加工量2-126

5.2.3提高加工效率2-126

5.2.4減少生產準備和輔助工時2-133

5.2.5結構的精度設計及尺寸標注符合加工能力和工藝性要求2-141

5.3金屬切削件結構設計中的常用標準2-148

5.3.1標準尺寸2-148

5.3.2圓錐的錐度與錐角繫列2-149

5.3.3稜體的角度與斜度2-150

5.3.4中心孔2-151

5.3.5零件倒圓與倒角2-152

5.3.6球面半徑2-153

5.3.7滾花2-153

5.3.8砂輪越程槽2-154

5.3.9刨切、插、珩磨越程槽2-155

5.3.10退刀槽2-155

5.3.11插齒、滾齒退刀槽2-157

5.3.12T形槽2-158

5.3.13燕尾槽2-160

5.3.14潤滑槽2-160

5.3.15鋸縫尺寸2-161

5.3.16弧形槽端部半徑2-161

5.3.17普通螺紋收尾、肩距、退刀槽和倒角（GB/T 3—1997）2-162

5.3.18緊固件用孔2-164

5.4切削件結構工藝性設計注意事項2-166



第6章熱處理零件設計的工藝性要求

6.1零件熱處理方法的選擇2-170

6.1.1退火與正火2-170

6.1.2淬火與回火2-171

6.1.3表面淬火2-171

6.1.4鋼的化學熱處理2-171

6.2影響熱處理零件結構設計工藝性的因素2-175

6.2.1零件材料的熱處理性能2-175

6.2.2零件的幾何形狀、尺寸大小和表面質量2-176

6.3對零件的熱處理要求的表達2-176

6.3.1在工作圖上應標明的熱處理要求2-176

6.3.2金屬熱處理工藝分類及代號2-177

6.4熱處理零件結構設計的注意事項2-178

6.4.1防止熱處理零件開裂的注意事項2-178

6.4.2防止熱處理零件變形的注意事項2-181

6.4.3防止熱處理零件硬度不均的注意事項2-183

6.5幾類典型零件的熱處理實例2-185



第7章快速成形零件的加工工藝性

7.1快速成形制造技術的原理、特點及應用2-192

7.2快速成形制造用材料2-192

7.2.1快速成形對材料的要求2-192

7.2.2快速成形材料的分類和使用方法2-193

7.2.3國外主要快速成形材料的產品及用途2-193

7.2.4國內主要快速成形材料的產品及用途2-193

7.3金屬粉末的激光快速成形工藝參數對成形精度的影響2-195

7.3.1激光燒結工藝參數對成形精度的影響2-195

7.3.2激光燒結快速成形精度的評價方法和標準2-197

7.4快速成形設備技術參數、加工精度2-198



第8章其他材料零件及焊接件的結構設計工藝性

8.1粉末冶金件結構設計工藝性2-201

8.1.1粉末冶金材料的分類和選用2-201

8.1.2傳統粉末冶金零件制造工藝2-201

8.1.3可以壓制成形的粉末冶金零件結構2-205

8.1.4需要機械加工輔助成形的粉末冶金零件結構2-206

8.1.5粉末冶金零件結構設計的基本參數2-206

8.1.6粉末冶金零件的形位公差及標注2-208

8.1.7粉末冶金零件結構設計的注意事項2-210

8.2工程塑料件結構設計工藝性2-212

8.2.1工程塑料的選用2-212

8.2.2工程塑料件的制造方法2-212

8.2.3工程塑料零件設計的基本參數2-214

8.2.4工程塑料零件結構設計的注意事項2-216

8.3橡膠件結構設計的工藝性2-218

8.3.1橡膠件材料的選用2-218

8.3.2橡膠件結構與參數2-218

8.3.3橡膠件的精度2-220

8.3.4膠輥尺寸公差2-223

8.3.5橡膠制品的尺寸測量2-226

8.4焊接件結構設計工藝性2-226

8.4.1常用金屬的焊接性2-226

8.4.2焊接方法及適用範圍2-228

8.4.3焊接接頭的形式2-232

8.4.4焊接坡口的基本形式與尺寸2-233

8.4.5焊接件結構的設計原則和注意事項2-239

8.4.6焊接件的幾何尺寸與形狀公差2-241



第9章零部件設計的裝配與維修工藝性要求

9.1一般裝配對零部件結構設計工藝性的要求2-243

9.1.1組成單獨的部件或2-243

9.1.2結合工藝特點考慮結構的合理性2-244

9.1.3便於裝配操作2-245

9.1.4便於拆卸和維修2-247

9.2零部件的維修工藝性要求2-250

9.2.1保證拆卸的方便性2-250

9.2.2考慮零件磨損後修復的可能性和方便性2-250

9.2.3減少機器的停工維修時間2-251

9.3過盈配合結構的裝配工藝性2-252

9.4自動裝配對零部件結構設計的要求2-254



參考文獻2-259



第12篇  機械零部件設計禁忌

第1章連接零部件設計禁忌

1.1螺紋連接12-3

1.1.1螺紋類型選擇禁忌12-3

1.1.2螺紋連接類型選用禁忌12-4

1.1.3螺栓組連接的受力分析禁忌12-6

1.1.4螺紋連接的結構設計禁忌12-7

1.1.5提高螺栓連接強度、剛度設計禁忌12-12

1.1.6螺紋連接的防松方法設計禁忌12-14

1.2鍵連接12-15

1.2.1平鍵連接設計禁忌12-15

1.2.2斜鍵與半圓鍵設計禁忌12-17

1.3花鍵連接12-18

1.4銷連接12-19

1.5過盈連接12-21

1.6焊接12-25

1.7膠接12-32

1.8鉚接12-35



第2章傳動零部件設計禁忌

2.1帶傳動12-37

2.1.1帶傳動形式選擇禁忌12-37

2.1.2帶輪結構設計技巧與禁忌12-38

2.1.2.1平帶傳動的小帶輪結構設計技巧與禁忌12-38

2.1.2.2V帶輪結構設計技巧與禁忌12-38

2.1.2.3同步帶輪結構設計技巧與禁忌12-39

2.1.3帶傳動設計技巧與禁忌12-39

2.1.4帶傳動張緊設計技巧與禁忌12-41

2.1.4.1使用張緊輪的張緊裝置12-42

2.1.4.2定期張緊裝置長外伸軸的支承12-43

2.1.4.3自動張緊裝置12-43

2.1.4.4帶傳動支承裝置要便於更換帶12-44

2.1.5帶傳動設計案例12-44

2.2鏈傳動12-45

2.2.1滾子鏈和鏈輪結構設計禁忌12-45

2.2.2鏈傳動設計禁忌12-46

2.2.3鏈傳動的布置、張緊和潤滑禁忌12-47

2.2.4鏈傳動設計案例12-49

2.3齒輪傳動12-51

2.3.1齒輪機構中應注意的問題與禁忌12-51

2.3.2齒輪傳動的失效形式及設計準則中應注意的問題與禁忌12-52

2.3.3降低載荷繫數的措施與禁忌12-53

2.3.3.1減小動載繫數Kv的措施12-53

2.3.3.2減小齒間載荷分配繫數Kα的措施12-54

2.3.3.3減小齒向載荷分布繫數Kβ的措施12-54

2.3.4齒輪傳動的強度計算應注意的問題與禁忌12-55

2.3.5齒輪結構設計禁忌12-57

2.3.5.1從齒輪受力合理性考慮齒輪結構的設計禁忌12-57

2.3.5.2從齒輪制造工藝性考慮齒輪結構的設計禁忌12-62

2.3.6齒輪傳動的潤滑技巧與禁忌12-64

2.3.7齒輪傳動設計案例12-66

2.4蝸杆傳動12-70

2.4.1蝸杆傳動設計技巧與禁忌12-70

2.4.2蝸杆傳動的潤滑及散熱技巧與禁忌12-72

2.4.3蝸杆傳動設計案例12-74

2.5滑動螺旋傳動12-76

2.5.1螺旋傳動材料選擇禁忌12-76

2.5.2滑動螺旋傳動設計計算技巧與禁忌12-78

2.5.3螺旋千斤頂結構設計技巧與禁忌12-78

2.6減速器12-79

2.6.1常用減速器形式選擇禁忌12-79

2.6.1.1二級展開式圓柱齒輪減速器形式選擇禁忌12-79

2.6.1.2分流式二級圓柱齒輪減速器形式選擇禁忌12-80

2.6.1.3同軸式二級圓柱齒輪減速器選型分析12-82

2.6.1.4圓錐-圓柱齒輪減速器形式選擇及禁忌12-82

2.6.1.5蝸杆減速器選型分析對比12-83

2.6.1.6蝸杆-齒輪減速器選型分析對比12-83

2.6.2減速器傳動比分配禁忌12-84

2.6.2.1盡量使傳動裝置外廓尺寸緊湊或重量較小12-84

2.6.2.2盡量使各級大齒輪浸油深度合理12-84

2.6.2.3使各級傳動承載能力近於相等的傳動比分配原則12-85

2.6.2.4禁忌各傳動件彼此之間發生干涉踫撞12-85

2.6.2.5提高傳動精度的傳動比分配原則12-86

2.6.3減速器的箱體結構設計禁忌12-87

2.6.3.1保證箱體剛度的結構禁忌12-87

2.6.3.2箱體結構要具有良好的工藝性12-88

2.6.4減速器的潤滑設計禁忌12-90

2.6.4.1油池深度的設計禁忌12-90

2.6.4.2輸油溝與軸承蓋導油孔的設計禁忌12-91

2.6.4.3油面指示裝置設計12-92

2.6.5減速器分箱面結構設計禁忌12-93

2.6.6窺視孔與通氣器的結構設計禁忌12-94

2.6.7起弔裝置的設計禁忌12-95

2.6.8放油裝置的設計禁忌12-95



第3章軸繫零部件設計禁忌

3.1軸12-97

3.1.1軸的強度計算禁忌12-97

3.1.1.1軸上傳動零件作用力方向判斷禁忌12-97

3.1.1.2傳動零件作用力所處平面判斷禁忌12-98

3.1.1.3彎矩圖繪制禁忌12-99

3.1.1.4轉矩圖繪制禁忌12-102

3.1.2軸的結構設計禁忌12-102

3.1.2.1符合力學要求的軸上零件布置禁忌12-103

3.1.2.2合理的軸上零件裝配方案禁忌12-104

3.1.2.3軸上零件的定位與固定禁忌12-105

3.1.2.4軸的結構工藝性設計禁忌12-109

3.1.2.5提高軸的疲勞強度措施及禁忌12-111

3.1.2.6空心軸的結構設計及禁忌12-112

3.1.3軸的剛度計算及相關結構禁忌12-113

3.1.3.1軸的剛度計算12-113

3.1.3.2軸的剛度與軸上零件布置設計禁忌12-114

3.1.3.3軸的剛度與軸上零件結構設計禁忌12-116

3.2滑動軸承12-116

3.2.1滑動軸承支撐結構設計禁忌12-116

3.2.2滑動軸承的固定禁忌12-118

3.2.3滑動軸承的安裝與拆卸禁忌12-119

3.2.4滑動軸承的調整禁忌12-121

3.2.5滑動軸承的供油禁忌12-122

3.2.5.1滑動軸承油孔的設計禁忌12-122

3.2.5.2滑動軸承油溝的設計禁忌12-123

3.2.5.3滑動軸承油路的設計禁忌12-124

3.2.6防止滑動軸承階梯磨損禁忌12-125

3.3滾動軸承12-126

3.3.1滾動軸承類型選擇禁忌12-126

3.3.1.1滾動軸承類型選擇應考慮受力合理12-126

3.3.1.2軸繫剛性與軸承類型選擇禁忌12-128

3.3.1.3高轉速條件下滾動軸承類型選擇禁忌12-129

3.3.2滾動軸承承載能力計算禁忌12-129

3.3.2.1滾動軸承軸向載荷計算禁忌12-129

3.3.2.2滾動軸承徑向載荷計算禁忌12-132

3.3.2.3滾動軸承當量動載荷計算禁忌12-133

3.3.2.4滾動軸承承載能力計算禁忌12-133

3.3.3滾動軸承軸繫支承固定形式設計禁忌12-134

3.3.4滾動軸承的配置設計禁忌12-136

3.3.4.1角接觸軸承正裝與反裝的性能對比12-136

3.3.4.2軸承配置對提高軸繫旋轉精度的設計禁忌12-137

3.3.5滾動軸承對軸上零件位置的調整設計禁忌12-139

3.3.6滾動軸承的配合禁忌12-139

3.3.7滾動軸承的裝配禁忌12-140

3.3.8滾動軸承的拆卸禁忌12-143

3.3.9滾動軸承的潤滑禁忌12-144

3.3.10滾動軸承的密封禁忌12-145

3.4聯軸器與離合器12-148

3.4.1聯軸器類型選擇禁忌12-148

3.4.2聯軸器位置設計禁忌12-150

3.4.3聯軸器結構設計禁忌12-151

3.4.4離合器設計禁忌12-153



參考文獻12-156

《現代機械設計手冊》版自2011年3月出版以來，贏得了機械設計人員、工程技術人員和高等院校專業師生廣泛的青睞和好評，榮獲了2011年全國優秀暢銷書（科技類）。同時，因其在機械設計領域重要的科學價值、實用價值和現實意義，《現代機械設計手冊》還榮獲2009年國家出版基金資助和2012年中國機械工業科學技術獎。

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在本版手冊的修訂過程中，我們廣泛深入機械制造企業、設計院、科研院所和高等院校進行調研，聽取各方面讀者的意見和建議，終確定了《現代機械設計手冊》第二版的根本宗旨：一方面，新版手冊進一步加強機、電、液、控制技術的有機融合，以全面適應機器人等智能化裝備繫統設計開發的新要求；另一方面，隨著現代機械設計方法和工程設計軟件的廣泛應用和普及，新版手冊繼續促進傳動設計與現代設計的有機結合，將各種新的設計技術、計算技術、設計工具全面融入傳統的機械設計實際工作中。

《現代機械設計手冊》第二版共6卷35篇，它是一部面向“中國制造2025”，適應智能裝備設計開發新要求、技術先進、數據可靠、符合現代機械設計潮流的現代化的機械設計大型工具書，涵蓋現代機械零部件及傳動設計、智能裝備及控制設計、現代機械設計方法及應用三部分內容，具有以下六大特色。

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2.現代感。追求現代感，體現現代機械設計氣氛，滿足時代要求，是《現代機械設計手冊》的基本宗旨。“現代”二字主要體現在：新標準、新技術、新材料、新結構、新工藝、新產品、智能化、現代的設計理念、現代的設計方法和現代的設計手段等幾個方面。第二版重點加強機械智能化產品設計（3D打印、智能零部件器件）、智能裝備（機器人及智能化裝備）控制及繫統設計、數字化設計等內容。

（1）“零件結構設計”等篇進一步完善零部件結構設計的內容，結合目前的3D打印（增材制造）技術，增加3D打印工藝下零件結構設計的相關技術內容。

“機械工程材料”篇增加3D打印材料以及新型材料的內容。

（2）機械零部件及傳動設計各篇增加了新型智能零部件器件及其應用技術，例如“滑動軸承”篇增加了新型的智能軸承，“潤滑”篇增加了微量潤滑技術等內容。

（3）全面增加了工業機器人設計及應用的內容：新增了“工業機器人繫統設計”篇；“智能裝備繫統設計”篇增加了工業機器人應用開發的內容；“機構”篇增加了自動化機構及機構創新的內容；“減速器、變速器”篇增加了工業機器人減速器選用設計的內容；“帶傳動、鏈傳動”篇增加並完善了工業機器人適用的同步帶傳動設計的內容；“齒輪傳動”篇增加了RV減速器傳動設計、諧波齒輪傳動設計的內容等。

（4）“氣壓傳動與控制”“液壓傳動與控制”篇重點加強並完善了控制技術的內容，新增了氣動繫統自動控制、氣動人工肌肉、液壓和氣動新器件及新產品等內容。

（5）繼續加強第5卷機電控制繫統設計的相關內容：除增加“工業機器人繫統設計”篇外，原“機電一體化繫統設計”篇充實擴充形成“智能裝備繫統設計”篇，增加並完善了智能裝備繫統設計的相關內容，增加智能裝備繫統開發實例等。

“傳感器”篇增加了機器人傳感器、航空航天裝備用傳感器、微機械傳感器、智能傳感器、無線傳感器的技術原理和產品，加強傳感器應用和選用的內容。

&ldquo器件和”篇和“電動機”篇全面更新產品，重點推薦了一些新型的智能和節能產品，並加強產品選用的內容。

（6）第6卷進一步加強現代機械設計方法應用的內容：在3D打印、數字化設計等智能制造理念的倡導下，“逆向設計”“數字化設計”等篇全面更新，體現了“智能工廠”的全數字化設計的時代特征，增加了相關設計應用實例。

增加“綠色設計”篇；“創新設計”篇進一步完善了機械創新設計原理，全面更新創新實例。

（7）在貫徹新標準方面，收錄並合理編排了目前頒布的國家和行業標準。

3.實用性。新版手冊繼續加強實用性，內容的選定、深度的把握、資料的取舍和章節的編排，都堅持從設計和生產的實際需要出發：例如機械零部件數據資料主要依據國家和行業標準，並給出了相應的設計實例供設計人員參考；第5卷機電控制設計部分，完全站在機械設計人員的角度來編寫——注重產品如何選用，摒棄或簡化了控制的基本原理，突出機電繫統設計器件、傳感器、電動機部分注重介紹主流產品的技術參數、性能、應用場合、選用原則，並給出了相應的設計選用實例；第6卷現代機械設計方法中簡化了煩瑣的數學推導，突出了終的計算結果，結合具體的算例將設計方法通俗地呈現出來，便於讀者理解和掌握。

為方便廣大讀者的使用，手冊在具體內容的表述上，采用以圖表為主的編寫風格。這樣既增加了手冊的信息容量，更重要的是方便了讀者的查閱使用，有利於提高設計人員的工作效率和設計速度。

為了進一步增加手冊的承載容量和時效性，本版修訂將部分篇章的內容放入二維碼中，讀者可以用手機掃描查看、下載打印或存儲在PC端進行查看和使用。二維碼內容主要涵蓋以下幾方面的內容：即將被廢止的舊標準（新標準一旦正式頒布，會及時將二維碼內容更新為新標準的內容）；部分推薦產品及參數；其他相關內容。

4.通用性。本手冊以通用的機械零部件器件設計、選用內容為主，主要包括機械設計基礎資料、機械制圖和幾何精度設計、機械工程材料、機械通用零部件設計、機械傳動繫統設計、液壓和氣壓傳動繫統設計、機構設計、機架設計、機械振動設計、智能裝備繫統設計器件和等，既適用於傳統的通用機械零部件設計選用，又適用於智能化裝備的整機繫統設計開發，能夠滿足各類機械設計人員的工作需求。

5.準確性。本手冊盡量采用原始資料，公式、圖表、數據力求準確可靠，方法、工藝、技術力求成熟。所有材料、零器件、產品和工藝方面的標準均采用公布的標準資料，對於標準規範的編寫，手冊沒有簡單地照抄照搬，而是采取選用、摘錄、合理編排的方式，強調其科學性和準確性，盡量避免差錯和謬誤。所有設計方法、計算公式、參數選用均經過長期檢驗，設計實例、各種算例均來自工程實際。手冊中收錄通用性強、標準化程度高的產品，供設計人員在了解企業實際生產品種、規格尺寸、技術參數，以及產品質量和用戶的實際反映後選用。

6.全面性。本手冊一方面根據機械設計人員的需要，按照“基本、常用、重要、發展”的原則選取內容，另一方面兼顧了制造企業和大型設計院兩大群體的設計特點，即制造企業側重基礎性的設計內容，而大型的設計院、工程公司側重於產品的選用。因此，本手冊力求實現零部件設計與整機繫統開發的和諧統一，促進機械設計與控制設計的有機融合，強調產品設計與工藝技術的緊密結合，重視工藝技術與選用材料的合理搭配，倡導結構設計與造型設計的完美統一，以全面適應新時代機械新產品設計開發的需要。

經過廣大編審人員和出版社的不懈努力，新版《現代機械設計手冊》將以嶄新的風貌和鮮明的時代氣息展現在廣大機械設計工作者面前。值此出版之際，謹向所有給過我們大力支持的單位和各界朋友表示衷心的感謝！



主編