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　　培生公司首位暢銷的機械設計教材

　　雙色 精裝 美國經典暢銷圖書全新改版

　　美國大學本科機械設計課程經典教材

　　機械工程師及機械專業學生必讀寶典

　　譯者是華南理工大學的國傢教學名師、博士生導師

內容簡介

　　本書是美國大學本科機械設計課程的一本經典教材。全書分兩篇。第1篇為基礎篇，共8章，分彆是：設計介紹，材料和工藝，運動與受力分析，應力、應變與撓度，靜態失效理論，疲勞失效理論，錶麵失效和有限元分析。第2篇為機械設計篇，共9章，分彆是：設計案例研究，軸、鍵與聯軸器，軸承與潤滑，直齒圓柱齒輪，斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸杆，彈簧設計，螺紋與緊固件，焊接，離閤器與製動器。

　　本書特彆強調綜閤設計方麵的內容，以培養學生將來在實際工作中解決工程問題的能力。除瞭傳統的解析與圖解分析計算方法外，還加入瞭有限元方法，並在本書網站中提供瞭多個計算機輔助分析的程序，從而突齣現代設計方法與計算機輔助設計在機械基礎課程教學中的應用。為本書開設的網站提供瞭原作者的課程講座演講視頻、應力分析視頻、常用機械零件例子視頻和工作機械的視頻等。通過觀看視頻，可以幫助學生和自學人員更加直觀地理解書本上的內容。

　　本書可作為國內機械類和近機械類專業的相關課程教學的教材或教學參考書，也可作為從事機械基礎教學或設計的其他專業師生和工程技術人員的參考書。本書結閤原版教材也可以作為雙語教材使用。

作者簡介

羅伯特·諾頓（R. l. Norton） 在美國東北大學獲得機械工程和工業技術本科學位、在塔夫斯大學獲得工程設計碩士學位，並在伍斯特理工學院（WPI）被授予（榮譽）工學博士。他是馬薩諸塞州的注冊專業工程師。有超過50年的工程設計和製造經驗；在東北大學、塔夫斯大學和WPI，有超過40年的在機械工程、工程設計、計算機科學和相關學科的教學經驗。從1981以來，諾頓是WPI的專職教師，他目前還是密爾頓P.希金斯二世的傑齣名譽教授。自1970以來，他是諾頓聯閤工程顧問公司的創始人和總裁。他是美國機械工程師協會會員和美國汽車工程師協會成員。2007年，他被推選為由教育發展與支持理事會（CASE）和卡耐基教學進步基金會共同創設的全美教學大奬的年度教授。

目錄

中文版序
前言
橫截麵性質
基本形狀質量性質
第1篇基礎篇
第1章設計介紹
1.1設計
1.2典型設計過程
1.3問題的提齣與計算
1.4工程模型
1.5計算機輔助設計與工程
1.6工程報告
1.7安全係數和設計規範
1.8統計考慮
1.9單位
1.10小結
1.11參考文獻
1.12網上資料
1.13參考書目
1.14習題
第2章材料和工藝
2.0引言
2.1材料性能定義
2.2材料性能的統計性質
2.3均勻性和各嚮同性
2.4硬度
2.5塗層和錶麵處理
2.6常用金屬材料的特性
2.7常用非金屬材料的特性
2.8材料的選擇
2.9小結
2.10參考文獻
2.11網上資料
2.12參考書目
2.13習題
第3章運動與受力分析
3.0簡介
3.1自由度
3.2機構
3.3自由度（運動能力）的計算
3.4常見單自由度機構
3.5連杆機構運動分析
3.6平麵四杆機構分析
3.7麯柄滑塊機構分析
3.8凸輪機構設計和分析
3.9力分析的載荷分類
3.10自由體圖
3.11載荷分析
3.12二維靜態載荷案例研究
3.13三維靜態載荷案例研究
3.14動載案例研究
3.15振動加載
3.16衝擊載荷
3.17梁載荷分析
3.18小結
3.19參考文獻
3.20網上資料
3.21參考書目
3.22習題
第4章應力、應變與撓度
4.0引言
4.1應力
4.2應變
4.3主應力
4.4平麵應力和平麵應變
4.5莫爾圓
4.6作用應力與主應力對比
4.7軸嚮拉伸
4.8直接剪應力、直接擠壓
4.9梁與彎麯應力
4.10梁撓度
4.11卡氏法
4.12扭轉
4.13組閤應力
4.14彈簧係數
4.15應力集中
4.16軸嚮壓縮——壓杆
4.17圓筒的應力
4.18靜態應力和變形分析的
4.19小結
4.20參考文獻
4.21參考書目
4.22習題
第5章靜態失效理論
5.0引言
5.1靜加載下韌性材料的失效
5.2脆性材料在靜載下的失效
5.3斷裂力學
5.4使用靜態載荷失效的理論
5.5靜態失效案例研究分析
5.6小結
5.7參考文獻
5.8參考書目
5.9習題
第6章疲勞失效理論
6.0引言
6.1疲勞失效機理
6.2疲勞失效模型
6.3機械設計的考慮
6.4疲勞載荷
6.5測量疲勞失效準則
6.6估算疲勞失效準則
6.7缺口與應力集中
6.8殘餘應力
6.9高周疲勞設計
6.10單嚮對稱應力設計
6.11單嚮波動應力設計
6.12多嚮應力疲勞設計
6.13高周疲勞設計的一般方法
6.14疲勞設計案例研究
6.15小結
6.16參考文獻
6.17參考書目
6.18習題
第7章錶麵失效
7.0引言
7.1錶麵結構
7.2錶麵配副
7.3摩擦
7.4粘著磨損
7.5磨粒磨損
7.6腐蝕磨損
7.7錶麵疲勞
7.8球麵接觸
7.9圓柱麵接觸
7.10一般接觸
7.11動態接觸應力
7.12錶麵疲勞失效模型——動態接觸
7.13錶麵疲勞強度
7.14小結
7.15參考文獻
7.16習題
第8章有限元分析
8.0引言
8.1有限元方法
8.2單元類型
8.3網格劃分
8.4邊界條件
8.5施加載荷
8.6測試模型（驗證）
8.7模態分析
8.8案例研究
8.9小結
8.10參考文獻
8.11參考書目
8.12網上資料
8.13習題
第2篇機械設計篇
第9章設計案例研究
9.0引言
9.1案例8便攜式空氣壓縮機
9.2案例9乾草捆捲揚機
9.3案例10凸輪試驗機
9.4小結
9.5參考文獻
9.6設計項目
第10章軸、鍵與聯軸器
10.0引言
10.1軸上載荷
10.2軸上零件與應力集中
10.3軸的材料
10.4軸的功率
10.5軸的載荷
10.6軸的應力
10.7組閤載荷作用下軸的失效
10.8軸的設計
10.9軸的變形
10.10鍵和鍵槽
10.11花鍵
10.12過盈配閤
10.13飛輪設計
10.14軸的臨界轉速
10.15聯軸器
10.16案例研究
10.17小結
10.18參考文獻
10.19習題
第11章軸承與潤滑
11.0引言
11.1潤滑劑
11.2黏度
11.3潤滑的類型
11.4滑動軸承材料組閤
11.5流體動壓潤滑理論
11.6流體動壓軸承的設計
11.7高副接觸
11.8滾動軸承
11.9滾動軸承的失效
11.10滾動軸承選型
11.11軸承安裝細節
11.12特殊軸承
11.13案例研究
11.14小結
11.15參考文獻
11.16習題
第12章直齒圓柱齒輪
12.0引言
12.1齒輪嚙閤理論
12.2輪齒的參數命名
12.3乾涉與根切
12.4重閤度
12.5輪係
12.6齒輪製造
12.7直齒圓柱齒輪的載荷
12.8直齒圓柱齒輪的應力
12.9齒輪材料
12.10齒輪傳動潤滑
12.11直齒圓柱齒輪設計
12.12案例研究
12.13小結
12.14參考文獻
12.15習題
第13章斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸杆
13.0引言
13.1斜齒輪
13.2錐齒輪
13.3蝸杆機構
13.4案例研究
13.5小結
本章使用的重要公式
13.6參考文獻
13.7習題
第14章彈簧設計
14.0引言
14.1彈簧剛度
14.2彈簧類型
14.3彈簧材料
14.4螺鏇壓縮彈簧
14.5靜載荷作用下螺鏇壓縮彈簧的設計
14.6疲勞載荷作用下螺鏇壓縮彈簧的設計
14.7螺鏇拉伸彈簧
14.8圓柱螺鏇扭轉彈簧
14.10案例分析
14.11小結
14.12參考文獻
14.13習題
第15章螺紋與緊固件
15.0引言
15.1標準螺紋形式
15.2傳動螺鏇
15.3螺紋上的應力
15.4螺紋緊固件的類型
15.5螺紋緊固件的製造
15.6標準螺栓和機用螺釘強度
15.7拉伸下緊固件的預緊力
15.8連接剛度係數確定
15.9預緊力控製
15.10緊固件的剪切
15.11設計案例設計空氣壓縮機的頭螺栓
15.12小結
15.13參考文獻
15.14參考書目
15.15習題
第16章焊接
16.0引言
16.1焊接過程
16.2焊接接頭和焊縫類型
16.3焊接接頭設計原則
16.4焊縫的靜載荷
16.5焊縫的靜強度
16.6焊縫的動載荷
16.7焊縫綫處理
16.8偏心受載的焊接模式
16.9機器中焊件設計注意事項
16.10小結
16.11參考文獻
16.12習題
第17章離閤器與製動器
17.0引言
17.1製動器和離閤器分類
17.2離閤器/製動器的選擇和規格
17.3離閤器與製動器的材料
17.4圓盤摩擦離閤器
17.5盤式製動器
17.6鼓式製動器
17.7小結
17.8參考文獻
17.9參考書目
17.10習題
附錄A材料性能
附錄B梁的錶格
附錄C應力集中係數
附錄D部分習題參考答案

前言/序言

　　介紹本書是機械零件設計課程教材，特彆適閤大多數機械工程專業學生年課程使用。學習本課程的先修課程包括靜力學和動力學，以及與材料強度相關的課程。本書的目的是：為專業問題提供一種新的方法，以強調設計重點。本書適用於低-高年級的機械工程專業的學生。撰寫本書的初衷是使其易於閱讀，使學生有興趣閱讀這些枯燥無味的專業內容。

　　本書比其他現有教材做瞭改進，所提供的方法和技術充分利用計算機輔助分析優勢。本書強調設計和綜閤，以及分析，給齣瞭詳細和獨立的例題、案例研究和求解技術。所有的插圖采用雙色繪製。每章都提供瞭簡短的習題，且在適當的位置給齣瞭較長的非結構化的設計項目任務。

　　本書不依賴於任何特定的計算機程序。與例題和案例研究對應的所有計算機文件均用幾種不同的語言（Mathcad，MATLAB，Excel和TKSolver）編寫，它們可在本書網站中查到（http://www�眕earsonhighered�眂om/norton）。網站中還提供瞭作者編寫的其他一些程序的執行文件，它們包括莫爾圓生成器（MOHR�眅xe）、矩陣求解器（MATRIX�盓XE）、連杆設計程序和凸輪設計程序。在網站中還給齣網站內容索引。

　　本書試圖對工程力學中的失效理論和分析的內容給予全麵和深入的介紹，還在很大程度上比本門學科的其他大多數教材更強調專業綜閤與設計方麵的內容。書中指齣瞭各種零件設計所需的分析方法的通用性，並強調計算機輔助工程作為一種方法在這類問題的設計和分析中的應用。作者對本門課程的方法是基於在機械工程設計行業中從業和谘詢50年的實踐經驗總結而成的。作者在大學教授瞭40年的機械工程設計。

　　在第5版有什麼新內容？●在第3章中增加瞭運動學基礎的幾節內容。因為運動學的這些內容加入到機械設計課程教學大綱中對許多相關課程具有價值。

　　●在網站中提供瞭21個與各章節有關主題的授課視頻。這些視頻都是從作者在伍斯特理工學院的現場教學錄像中選齣的。學生可以通過觀看這些視頻復習和提高對本書這些主題的理解。

　　●網站提供瞭8個簡短的視頻來演示應力分析的各種原理，以及展示常用機械零件，如彈簧、齒輪和軸承等。

　　●網站上提供瞭6個工作中的真實機械的視頻。

　　●作者新的程序（如Linkages和dynacam）也放在瞭網站上。

　　●添加或修訂瞭90多道全部采用國際單位的習題。

　　理念機械設計通常是機械工程專業的學生遇到的在設計方麵具有挑戰性的門課程，它不是求解簡單的習題。這門課程強調的設計類型是細節設計，它僅僅是整個設計過程的一部分。在細節設計中，待設計設備的一般構造、應用，甚至整體形狀在一開始通常是知道的。我們不是要發明一個新的裝置，隻是確定一個待定的機器零件的形狀、大小和材料，使它不會在已知的加載和環境條件下的預期服務期內失效。

　　傳統講授零件課程的方法強調的是單個機器部件或零件的設計，如齒輪、彈簧、軸等。對此方法的一個批評是：有時針對零件的課程（或教材）可能很容易成為一本“食譜”，即隻是收集零散的主題，卻無法幫助學生解決在現有“食譜”中找不到的其他問題。確實有發生這種情況的風險。這樣，教師（或作者）比較容易讓課程（或教材）變成這種模式：“嗯，今天是星期二，讓我們設計彈簧；星期五我們將設計齒輪。”如果發生這種情況，它可能使學生受到誤導，因為它不再需要學生對設計問題的理論基礎在實際中的應用進行理解。

　　本課程給齣的許多機器零件為基本理論提供瞭極好的範例。如此看來，在一般情況下，它們能夠成為幫助學生理解復雜和重要的工程理論的一個很好的工具。例如，在預緊螺栓的主題中，用金屬薄墊片抗疲勞載荷可以作為一個完美的工具引齣預應力的概念。學生不可能被要求在實踐中總是設計預緊螺栓，但他或她可能利用預應力的經曆獲得對預應力的理解。承受隨時間變化的載荷的斜齒輪設計提供給學生作為理解組閤應力、赫茲應力和疲勞失效的一個極好的工具。因此，隻要在教材中所采取的方法足夠普適，單一零件的方法是一種有效且可靠的方法。也就是說，它不應該退化成一係列的明顯不相關的練習，而應提供一種集成的方法。

　　作者發現現有教材（和機械零件課程）的另一個缺陷是在係統動力學和係統應力分析之間缺乏聯係。通常，這些教材中給齣的機械零件都（魔法般地）預先給瞭施加在它們上麵的載荷。然後教學生如何通過這些載荷確定所引起的應力和變形。而在實際機械設計中，力往往是不確定的，在很大程度上，載荷可能是由各運動零件的質量的加速度引起的。然而，隻有當幾何尺寸確定且通過應力分析得到待設計零件的強度後，質量纔能準確確定。因此，存在一個僵局，這個僵局隻有通過迭代打破，即假設零件的幾何尺寸，獲得這一零件的幾何性質和質量性質，計算零件由於材料和零件幾何形狀導緻的動載荷，然後計算載荷産生的應力和變形，如果失效，則重新設計，並重復上述步驟。

　　一種集成方法本書分為兩篇。第1篇介紹瞭應力、應變、變形、材料性質、失效理論、疲勞現象、斷裂力學和有限元分析等基礎內容。這些理論方法的內容與其他現有教材類似。第2篇介紹瞭如何處理具體的、常見的設計零件，作為理論的應用實例，為避免隻是給齣一係列不同的主題，通過給齣的集成方法將各種主題以案例研究的形式聯係在一起。

　　大多數零件教材包含瞭超過在一個學期內講授完一門課程的主題和內容。在寫這本書的第1版之前，通過嚮美國200位講授零件課程的大學教師發送調查問捲，徵求他們對零件教材主題相對重要性和期望內容設置的意見。從第2版到第5版的每一次修訂，都進行瞭用戶調查，以確定應該改變或增加什麼。對這些反饋進行的分析影響瞭本書所有版本的結構和內容。來自受訪者的強的願望之一就是案例研究，希望它們提齣切閤實際的設計問題。

　　我們試圖通過圍繞10個係列性的案例研究來構建本書以實現這一目標。這些案例研究給齣同一設計問題的不同方麵案例，在多個章節中齣現，例如，在第3章中確定裝置的靜態載荷或動態載荷、在第4章中計算靜載荷應力以及在第5章中應用適當的失效理論確定安全係數。在後麵的章節中還提齣更復雜、更多設計內容的案例研究。第6章關於疲勞設計的案例研究就是從作者在谘詢實踐中遇到的一個真實問題來進行案例講解。第8章介紹瞭幾個有限元分析的案例研究與前麵章節做過的經典解的比較。

　　案例研究提供瞭一係列貫穿本書的機械設計項目，它包含瞭這類教材通常處理的各類零件的組閤。這些組件包含一些零件的集閤，如受軸嚮和彎麯載荷聯閤作用的連杆、壓杆，彎麯與扭轉組閤的軸，在交變載荷作用下的齒輪副、迴位彈簧，疲勞加載的緊固件和軸承等。這種集成的方法有幾個優點。它在本書中為學生提齣瞭一個整體設計問題，而不是一堆零散、無關的問題。學生可以看到影響單個零件設計決策的相互關係和理由。更全麵的案例研究在本書的第2篇。第1篇的案例研究範圍較為有限，涉及的是該章的工程力學主題。除瞭案例研究外，每一章還選擇瞭一些樣例來強化特定主題。

　　第9章設計案例研究緻力於3個設計案例研究，以便在後麵的章節中使用，強化在軸、彈簧、齒輪、緊固件等設計和分析中蘊含的概念。實際上，這些設計案例研究並沒完全解決整個案例，因為它們的另一個目的是為學生項目作業提供素材。作者成功地用這些案例研究主題作為多周或一學期的學生小組或個人的項目作業。開放式的項目作業比課後作業更有助於加強對課程中設計和分析方麵的學習。

　　習題集為滿足第1版用戶解耦的要求，在886個習題中，77%（686個）的隨章習題都是獨立的。習題集中其他的23%與後續章節相關。這些相關習題在每章中編號的短綫後麵的數字是相同的，並用粗體字錶明它們在章節中的通用性。例如，習題3-4要求對拖車掛接裝置做靜態受力分析；習題4-4要求進行基於習題3-4相同計算載荷的同一掛接裝置的應力分析；習題5-4要求用習題4-4計算的應力計算該掛接裝置的靜態安全係數；習題6-4要求對同一掛接裝置進行疲勞失效分析，而習題7-4要對它進行接觸應力分析。對同樣的拖車掛接裝置，在第8章中，作為案例研究進行瞭有限元分析。因此，當新的主題引齣時，基本設計問題的復雜性隨即展開。希望使用這種方法的教師可以布置在後續章節中短綫後相同數字的習題。如果不想用前麵的習題作為後麵習題的基礎，則可以將前麵問題的解決方案數據手冊提供給學生。不喜歡關聯習題的教師完全可以在686個習題中選擇沒有黑體編號的各章獨立習題，以避免內容關聯。

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