机械设计（原书第5版）

本书特色：

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培生公司首位畅销的机械设计教材。

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双色精装美国经典畅销图书全新改版。

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美国大学本科机械设计课程经典教材。

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机械工程师及机械专业学生***宝典。

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译者是华南理工大学的国家教学名师、博士生导师。

 

本书配套授课电子课件，需要的教师可登录www.cmpedu.com免费注册、审核通过后下载，或联系编辑索取（微信：15910938545 ，QQ：2681679180，email：[email protected]，电话：010-88379739）另外，为方便任课教师进行交流，提供电气信息类教师QQ交流群： 33811098，欢迎加入！

 

本书是美国大学本科机械设计课程的一本经典教材。全书分两篇。第1篇为基础篇，共8章，分别是：设计介绍，材料和工艺，运动与受力分析，应力、应变与挠度，静态失效理论，疲劳失效理论，表面失效和有限元分析。第2篇为机械设计篇，共9章，分别是：设计案例研究，轴、键与联轴器，轴承与润滑，直齿圆柱齿轮，斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆，弹簧设计，螺纹与紧固件，焊接，离合器与制动器。本书特别强调综合设计方面的内容，以培养学生将来在实际工作中解决工程问题的能力。除了传统的解析与图解分析计算方法外，还加入了有限元方法，并在本书网站中提供了多个计算机辅助分析的程序，从而突出现代设计方法与计算机辅助设计在机械基础课程教学中的应用。为本书开设的网站提供了原作者的课程讲座演讲视频、应力分析视频、常用机械零件例子视频和工作机械的视频等。通过观看视频，可以帮助学生和自学人员更加直观地理解书本上的内容。本书可作为国内机械类和近机械类专业的相关课程教学的教材或教学参考书，也可作为从事机械基础教学或设计的其他专业师生和工程技术人员的参考书。本书结合原版教材也可以作为双语教材使用。

罗伯特•诺顿（R. l. Norton） 在美国东北大学获得机械工程和工业技术本科学位、在塔夫斯大学获得工程设计硕士学位，并在伍斯特理工学院（WPI）被授予（荣誉）工学博士。他是马萨诸塞州的注册专业工程师。有超过50年的工程设计和制造经验；在东北大学、塔夫斯大学和WPI，有超过40年的在机械工程、工程设计、计算机科学和相关学科的教学经验。从1981以来，诺顿是WPI的专职教师，他目前还是密尔顿P.希金斯二世的杰出名誉教授。自1970以来，他是诺顿联合工程顾问公司的创始人和总裁。他是美国机械工程师协会会员和美国汽车工程师协会成员。2007年，他被推选为由教育发展与支持理事会（CASE）和卡耐基教学进步基金会共同创设的全美教学大奖的年度教授。

目录

中文版序

前言

横截面性质

基本形状质量性质

第1篇基础篇

第1章设计介绍

1.1设计

1.2典型设计过程

1.3问题的提出与计算

1.4工程模型

1.5计算机辅助设计与工程

1.6工程报告

1.7安全系数和设计规范

1.8统计考虑

1.9单位

1.10小结

1.11参考文献

1.12网上资料

1.13参考书目

1.14习题

第2章材料和工艺

2.0引言

2.1材料性能定义

2.2材料性能的统计性质

2.3均匀性和各向同性

2.4硬度

2.5涂层和表面处理

2.6常用金属材料的特性

2.7常用非金属材料的特性

2.8材料的选择

2.9小结

2.10参考文献

2.11网上资料

2.12参考书目

2.13习题

第3章运动与受力分析

3.0简介

3.1自由度

3.2机构

3.3自由度（运动能力）的计算

3.4常见单自由度机构

3.5连杆机构运动分析

3.6平面四杆机构分析

3.7曲柄滑块机构分析

3.8凸轮机构设计和分析

3.9力分析的载荷分类

3.10自由体图

3.11载荷分析

3.12二维静态载荷案例研究

3.13三维静态载荷案例研究

3.14动载案例研究

3.15振动加载

3.16冲击载荷

3.17梁载荷分析

3.18小结

3.19参考文献

3.20网上资料

3.21参考书目

3.22习题

第4章应力、应变与挠度

4.0引言

4.1应力

4.2应变

4.3主应力

4.4平面应力和平面应变

4.5莫尔圆

4.6作用应力与主应力对比

4.7轴向拉伸

4.8直接剪应力、直接挤压

4.9梁与弯曲应力

4.10梁挠度

4.11卡氏法

4.12扭转

4.13组合应力

4.14弹簧系数

4.15应力集中

4.16轴向压缩——压杆

4.17圆筒的应力

4.18静态应力和变形分析的

4.19小结

4.20参考文献

4.21参考书目

4.22习题

第5章静态失效理论

5.0引言

5.1静加载下韧性材料的失效

5.2脆性材料在静载下的失效

5.3断裂力学

5.4使用静态载荷失效的理论

5.5静态失效案例研究分析

5.6小结

5.7参考文献

5.8参考书目

5.9习题

第6章疲劳失效理论

6.0引言

6.1疲劳失效机理

6.2疲劳失效模型

6.3机械设计的考虑

6.4疲劳载荷

6.5测量疲劳失效准则

6.6估算疲劳失效准则

6.7缺口与应力集中

6.8残余应力

6.9高周疲劳设计

6.10单向对称应力设计

6.11单向波动应力设计

6.12多向应力疲劳设计

6.13高周疲劳设计的一般方法

6.14疲劳设计案例研究

6.15小结

6.16参考文献

6.17参考书目

6.18习题

第7章表面失效

7.0引言

7.1表面结构

7.2表面配副

7.3摩擦

7.4粘着磨损

7.5磨粒磨损

7.6腐蚀磨损

7.7表面疲劳

7.8球面接触

7.9圆柱面接触

7.10一般接触

7.11动态接触应力

7.12表面疲劳失效模型——动态接触

7.13表面疲劳强度

7.14小结

7.15参考文献

7.16习题

第8章有限元分析

8.0引言

8.1有限元方法

8.2单元类型

8.3网格划分

8.4边界条件

8.5施加载荷

8.6测试模型（验证）

8.7模态分析

8.8案例研究

8.9小结

8.10参考文献

8.11参考书目

8.12网上资料

8.13习题

第2篇机械设计篇

第9章设计案例研究

9.0引言

9.1案例8便携式空气压缩机

9.2案例9干草捆卷扬机

9.3案例10凸轮试验机

9.4小结

9.5参考文献

9.6设计项目

第10章轴、键与联轴器

10.0引言

10.1轴上载荷

10.2轴上零件与应力集中

10.3轴的材料

10.4轴的功率

10.5轴的载荷

10.6轴的应力

10.7组合载荷作用下轴的失效

10.8轴的设计

10.9轴的变形

10.10键和键槽

10.11花键

10.12过盈配合

10.13飞轮设计

10.14轴的临界转速

10.15联轴器

10.16案例研究

10.17小结

10.18参考文献

10.19习题

第11章轴承与润滑

11.0引言

11.1润滑剂

11.2黏度

11.3润滑的类型

11.4滑动轴承材料组合

11.5流体动压润滑理论

11.6流体动压轴承的设计

11.7高副接触

11.8滚动轴承

11.9滚动轴承的失效

11.10滚动轴承选型

11.11轴承安装细节

11.12特殊轴承

11.13案例研究

11.14小结

11.15参考文献

11.16习题

第12章直齿圆柱齿轮

12.0引言

12.1齿轮啮合理论

12.2轮齿的参数命名

12.3干涉与根切

12.4重合度

12.5轮系

12.6齿轮制造

12.7直齿圆柱齿轮的载荷

12.8直齿圆柱齿轮的应力

12.9齿轮材料

12.10齿轮传动润滑

12.11直齿圆柱齿轮设计

12.12案例研究

12.13小结

12.14参考文献

12.15习题

第13章斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆

13.0引言

13.1斜齿轮

13.2锥齿轮

13.3蜗杆机构

13.4案例研究

13.5小结

本章使用的重要公式

13.6参考文献

13.7习题

第14章弹簧设计

14.0引言

14.1弹簧刚度

14.2弹簧类型

14.3弹簧材料

14.4螺旋压缩弹簧

14.5静载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计

14.6疲劳载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计

14.7螺旋拉伸弹簧

14.8圆柱螺旋扭转弹簧

14.10案例分析

14.11小结

14.12参考文献

14.13习题

第15章螺纹与紧固件

15.0引言

15.1标准螺纹形式

15.2传动螺旋

15.3螺纹上的应力

15.4螺纹紧固件的类型

15.5螺纹紧固件的制造

15.6标准螺栓和机用螺钉强度

15.7拉伸下紧固件的预紧力

15.8连接刚度系数确定

15.9预紧力控制

15.10紧固件的剪切

15.11设计案例设计空气压缩机的头螺栓

15.12小结

15.13参考文献

15.14参考书目

15.15习题

第16章焊接

16.0引言

16.1焊接过程

16.2焊接接头和焊缝类型

16.3焊接接头设计原则

16.4焊缝的静载荷

16.5焊缝的静强度

16.6焊缝的动载荷

16.7焊缝线处理

16.8偏心受载的焊接模式

16.9机器中焊件设计注意事项

16.10小结

16.11参考文献

16.12习题

第17章离合器与制动器

17.0引言

17.1制动器和离合器分类

17.2离合器/制动器的选择和规格

17.3离合器与制动器的材料

17.4圆盘摩擦离合器

17.5盘式制动器

17.6鼓式制动器

17.7小结

17.8参考文献

17.9参考书目

17.10习题

附录A材料性能

附录B梁的表格

附录C应力集中系数

附录D部分习题参考答案

前言介绍本书是机械零件设计课程教材，特别适合大多数机械工程专业学生年课程使用。学习本课程的先修课程包括静力学和动力学，以及与材料强度相关的课程。本书的目的是：为专业问题提供一种新的方法，以强调设计重点。本书适用于低-高年级的机械工程专业的学生。撰写本书的初衷是使其易于阅读，使学生有兴趣阅读这些枯燥无味的专业内容。 本书比其他现有教材做了改进，所提供的方法和技术充分利用计算机辅助分析优势。本书强调设计和综合，以及分析，给出了详细和独立的例题、案例研究和求解技术。所有的插图采用双色绘制。每章都提供了简短的习题，且在适当的位置给出了较长的非结构化的设计项目任务。 本书不依赖于任何特定的计算机程序。与例题和案例研究对应的所有计算机文件均用几种不同的语言（Mathcad，MATLAB，Excel和TK Solver）编写，它们可在本书网站中查到（http://wwwpearsonhigheredcom/norton）。网站中还提供了作者编写的其他一些程序的执行文件，它们包括莫尔圆生成器（MOHRexe）、矩阵求解器（MATRIXEXE）、连杆设计程序和凸轮设计程序。在网站中还给出网站内容索引。 本书试图对工程力学中的失效理论和分析的内容给予全面和深入的介绍，还在很大程度上比本门学科的其他大多数教材更强调专业综合与设计方面的内容。书中指出了各种零件设计所需的分析方法的通用性，并强调计算机辅助工程作为一种方法在这类问题的设计和分析中的应用。作者对本门课程的方法是基于在机械工程设计行业中从业和咨询50年的实践经验总结而成的。作者在大学教授了40年的机械工程设计。 在第5版有什么新内容？● 在第3章中增加了运动学基础的几节内容。因为运动学的这些内容加入到机械设计课程教学大纲中对许多相关课程具有价值。 ● 在网站中提供了21个与各章节有关主题的授课视频。这些视频都是从作者在伍斯特理工学院的现场教学录像中选出的。学生可以通过观看这些视频复习和提高对本书这些主题的理解。 ● 网站提供了8个简短的视频来演示应力分析的各种原理，以及展示常用机械零件，如弹簧、齿轮和轴承等。 ● 网站上提供了6个工作中的真实机械的视频。 ● 作者的程序（如Linkages和dynacam）也放在了网站上。 ● 添加或修订了90多道全部采用国际单位的习题。 理念机械设计通常是机械工程专业的学生遇到的在设计方面具有挑战性的门课程，它不是求解简单的习题。这门课程强调的设计类型是细节设计，它仅仅是整个设计过程的一部分。在细节设计中，待设计设备的一般构造、应用，甚至整体形状在一开始通常是知道的。我们不是要发明一个新的装置，只是确定一个待定的机器零件的形状、大小和材料，使它不会在已知的加载和环境条件下的预期服务期内失效。 传统讲授零件课程的方法强调的是单个机器部件或零件的设计，如齿轮、弹簧、轴等。对此方法的一个批评是：有时针对零件的课程（或教材）可能很容易成为一本“食谱”，即只是收集零散的主题，却无法帮助学生解决在现有“食谱”中找不到的其他问题。确实有发生这种情况的风险。这样，教师（或作者）比较容易让课程（或教材）变成这种模式：“嗯，今天是星期二，让我们设计弹簧；星期五我们将设计齿轮。”如果发生这种情况，它可能使学生受到误导，因为它不再需要学生对设计问题的理论基础在实际中的应用进行理解。 本课程给出的许多机器零件为基本理论提供了极好的范例。如此看来，在一般情况下，它们能够成为帮助学生理解复杂和重要的工程理论的一个很好的工具。例如，在预紧螺栓的主题中，用金属薄垫片抗疲劳载荷可以作为一个完美的工具引出预应力的概念。学生不可能被要求在实践中总是设计预紧螺栓，但他或她可能利用预应力的经历获得对预应力的理解。承受随时间变化的载荷的斜齿轮设计提供给学生作为理解组合应力、赫兹应力和疲劳失效的一个极好的工具。因此，只要在教材中所采取的方法足够普适，单一零件的方法是一种有效且可靠的方法。也就是说，它不应该退化成一系列的明显不相关的练习，而应提供一种集成的方法。 作者发现现有教材（和机械零件课程）的另一个缺陷是在系统动力学和系统应力分析之间缺乏联系。通常，这些教材中给出的机械零件都（魔法般地）预先给了施加在它们上面的载荷。然后教学生如何通过这些载荷确定所引起的应力和变形。而在实际机械设计中，力往往是不确定的，在很大程度上，载荷可能是由各运动零件的质量的加速度引起的。然而，只有当几何尺寸确定且通过应力分析得到待设计零件的强度后，质量才能准确确定。因此，存在一个僵局，这个僵局只有通过迭代打破，即假设零件的几何尺寸，获得这一零件的几何性质和质量性质，计算零件由于材料和零件几何形状导致的动载荷，然后计算载荷产生的应力和变形，如果失效，则重新设计，并重复上述步骤。 一种集成方法本书分为两篇。第1篇介绍了应力、应变、变形、材料性质、失效理论、疲劳现象、断裂力学和有限元分析等基础内容。这些理论方法的内容与其他现有教材类似。第2篇介绍了如何处理具体的、常见的设计零件，作为理论的应用实例，为避免只是给出一系列不同的主题，通过给出的集成方法将各种主题以案例研究的形式联系在一起。 大多数零件教材包含了超过在一个学期内讲授完一门课程的主题和内容。在写这本书的第1版之前，通过向美国200位讲授零件课程的大学教师发送调查问卷，征求他们对零件教材主题相对重要性和期望内容设置的意见。从第2版到第5版的每一次修订，都进行了用户调查，以确定应该改变或增加什么。对这些反馈进行的分析影响了本书所有版本的结构和内容。来自受访者的强的愿望之一就是案例研究，希望它们提出切合实际的设计问题。 我们试图通过围绕10个系列性的案例研究来构建本书以实现这一目标。这些案例研究给出同一设计问题的不同方面案例，在多个章节中出现，例如，在第3章中确定装置的静态载荷或动态载荷、在第4章中计算静载荷应力以及在第5章中应用适当的失效理论确定安全系数。在后面的章节中还提出更复杂、更多设计内容的案例研究。第6章关于疲劳设计的案例研究就是从作者在咨询实践中遇到的一个真实问题来进行案例讲解。第8章介绍了几个有限元分析的案例研究与前面章节做过的经典解的比较。 案例研究提供了一系列贯穿本书的机械设计项目，它包含了这类教材通常处理的各类零件的组合。这些组件包含一些零件的集合，如受轴向和弯曲载荷联合作用的连杆、压杆，弯曲与扭转组合的轴，在交变载荷作用下的齿轮副、回位弹簧，疲劳加载的紧固件和轴承等。这种集成的方法有几个优点。它在本书中为学生提出了一个整体设计问题，而不是一堆零散、无关的问题。学生可以看到影响单个零件设计决策的相互关系和理由。更全面的案例研究在本书的第2篇。第1篇的案例研究范围较为有限，涉及的是该章的工程力学主题。除了案例研究外，每一章还选择了一些样例来强化特定主题。 第9章设计案例研究致力于3个设计案例研究，以便在后面的章节中使用，强化在轴、弹簧、齿轮、紧固件等设计和分析中蕴含的概念。实际上，这些设计案例研究并没完全解决整个案例，因为它们的另一个目的是为学生项目作业提供素材。作者成功地用这些案例研究主题作为多周或一学期的学生小组或个人的项目作业。开放式的项目作业比课后作业更有助于加强对课程中设计和分析方面的学习。 习题集为满足第1版用户解耦的要求，在886个习题中，77%（686个）的随章习题都是独立的。习题集中其他的23%与后续章节相关。这些相关习题在每章中编号的短线后面的数字是相同的，并用粗体字表明它们在章节中的通用性。例如，习题3-4要求对拖车挂接装置做静态受力分析；习题4-4要求进行基于习题3-4相同计算载荷的同一挂接装置的应力分析；习题5-4要求用习题4-4计算的应力计算该挂接装置的静态安全系数；习题6-4要求对同一挂接装置进行疲劳失效分析，而习题7-4要对它进行接触应力分析。对同样的拖车挂接装置，在第8章中，作为案例研究进行了有限元分析。因此，当新的主题引出时，基本设计问题的复杂性随即展开。希望使用这种方法的教师可以布置在后续章节中短线后相同数字的习题。如果不想用前面的习题作为后面习题的基础，则可以将前面问题的解决方案数据手册提供给学生。不喜欢关联习题的教师完全可以在686个习题中选择没有黑体编号的各章独立习题，以避免内容关联。 内容安排第1章介绍了设计流程、问题提法、安全系数和单位。第2章回顾了材料的性质，因为即使学生已经修过门与材料科学或冶金有关的课程，机械设计也仍需要广泛和初步理解典型工程材料的性能。第3章探讨了运动学连杆机构和凸轮的基本原理，还复习了静态和动态载荷分析，包括梁、振动和冲击载荷，并为了说明应力和变形分析主题的连续性，建立了一系列在后续章节中使用的案例研究。 机械零件设计课程的核心实际是一个中等水平应用应力分析的课程。因此，在第4章回顾了应力和变形分析基础。第5章详细介绍了静态失效理论，因为学生通常没有完全消化前面应力分析中给出的概念。这一章还介绍了静态载荷下的断裂力学分析。 由于大多数入门课程只处理静态加载问题，零件课程通常是学生的次接触疲劳分析的应力分析，因此，在第6章用了较长篇幅介绍了疲劳破坏理论，重点是高周疲劳的应力-寿命设计，它常用在旋转机械的设计中。该章进一步讨论关于循环载荷作用下的裂纹扩展的断裂力学理论。这里没给出基于应变方法的低周疲劳分析，但向读者介绍了它们的应用和目的，并提供了进一步学习需要用到的参考文献。本章也对残余应力做了讲解。第7章深入讨论了磨损机理、表面接触应力和表面疲劳。 第8章介绍了有限元分析（FEA）。许多教师利用机械零件课程向学生介绍有限元分析，并用机械设计技术指导学生使用。第8章提供的材料中不是为了替代有限元理论教学。许多其他致力于有限元分析教学的书上都有这些材料，这里鼓励学生通过自学课程熟悉有限元分析理论。同时，第8章还介绍了有限元分析在实际机械设计问题中应用的适当技术。关于零件的选择、网格细化的问题和适当的边界条件的给定是有限元开发的细节。这些问题通常不会在有限元理论书籍中涉及。现在许多工程师培训时，在他们专业实践中会利用CAD实体建模软件和商用有限元分析软件。然而，了解这些工具的局限性，并恰当地使用这些工具是十分重要的。如果需要，本章可以在课程前段讲授，特别是如果学生要用有限元解决所分配给他的任务时。对各章节的许多作业，在本书网站上都提供了它们的SolidWorks几何模型。 前面这8章构成了本书的篇，是为了机械零件设计奠定所需的分析基础。除第8章的有限元分析外，它们安排的顺序与它们的提出和建立的顺序相一致。 本书第2篇介绍了机械零件设计，把零件作为一个整体机械的一部分。第2篇的各章本质上是彼此独立的，如果教师愿意，可以采取任何顺序（或跳过）（除了第12章直齿圆柱齿轮应在第13章斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆研究之前讲授外）讲授。本书所有的主题可能无法在一个学期或一门课程中全部覆盖。未覆盖的章节仍可作为工程师们在他们专业实践中的参考。 第9章提出了一组设计案例研究作为作业和案例研究的例子供后续的章节使用。此外除了对案例的详细分析，还提供了一系列的推荐设计项目作业。第10章采用了第6章提出的疲劳分析技术研究了轴的设计。第11章用第7章提出的理论讨论了流体膜和滚动轴承理论和应用。第12章采用AGMA建议的步骤深入介绍了直齿圆柱齿轮的运动学、设计和应力分析。第13章是齿轮设计的拓展，包括斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动。第14章的弹簧设计内容包括螺旋压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧，并全面讨论了碟形弹簧。第15章研究了动力螺纹和紧固件。第16章给出了静态和动态载荷下焊接件设计的处理方法。第17章介绍了盘式、鼓式离合器和制动器的设计和规格。附录中包含了材料强度数据、梁的参数表格、应力集中系数以及部分习题解答。 罗伯特·诺顿那不勒斯，佛罗里达州