前言

简介

本书是用于机械零件设计课程的教材，通常在大多数机械工程专业大三使用。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基础课程。本书的目的是为专业问题提供一种以设计为重点的新的讲解方法，在难度上适用于低-高年级的机械工程专业的学生。撰写本书的一个主要目的是使其易于阅读，让学生有兴趣学习这些相对枯燥的专业内容。

本书在现有教材的基础上做了改进，并且在所提供的方法和技术上充分利用了计算机辅助分析的优势。本书强调设计、综合以及分析， 给出了详细且独立完整的例题、案例研究和求解技术。所有的插图采用双色绘制。在每章里提供了简短的习题，在适当的位置则给出了较长的非结构化的设计项目任务作为作业。

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http://wwwpearsonhighered.com/nortonHYPERLINK"http://www.pearsonhigheredcom/norton"上查到。网站上还提供了作者编写的一些其他程序的执行文件， 其中包括矩阵求解器(MATRIX.exe)，在网站上给出了网站内容索引。 

本书尝试对工程力学中的失效理论和分析的内容进行全面深入的介绍，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分析方法的通用性，并强调计算机辅助工程在这类问题的设计和分析中的应用方法。作者对本门课程应用的方法是基于其50年的机械工程设计实践经验，无论是在工业界工作还是作为工业顾问，其间作者也在大学教授了40年的机械工程设计。

第6版有哪些新内容？

● 网站上提供了有关大多数章节主题的21个授课视频，这些视频是作者在伍斯特理工学院现场上课时录制的。 学生可以观看这些视频，以增强对本书主题的理解。

● 网站上提供了8个简短的视频，作者在其中演示了应力分析的各种原理，并展示了常见机械零件（例如弹簧、齿轮和轴承）的示例。

● 网站上还提供了6个视频，展示了实际运行中的机器。

● 添加了80多个习题，其中许多使用国际单位制（SI）。

● 提供了指向所有视频的二维码和可下载内容的链接。总计有37个视频，所有这些都在书中进行了标记，并提供了其网址，用户可以下载它们。

● 随书附带的由作者编写的程序已经过完全重写，以改善其界面和可用性，并且与最新的操作系统和计算机兼容。程序链接和Dynacam已被完全重写，得到很大改进，程序列表已更新。这些计算机程序会经常修订以添加功能和增强功能。 安装后，可以从“开始”菜单更新程序。 用户应及时检查更新。

● 任何使用印刷版本书的教师或学生都可以以学生或教师的身份，在作者的网站http://www.designofmachinery.com上注册，作者将向他们发送密码以访问一个受保护的站点，他们可以在该站点下载最新版本的计算机程序、链接、Dynacam和Matrix，所有视频以及“下载索引”中列出的所有文件。请注意，作者本人会亲自审核每一个访问请求，并仅批准那些根据说明进行了完全、正确填写的请求。作者要求完整的信息，并且只接受大学的电子邮件地址。在线教程和评估程序使您可以集成动态作业，对习题的计算部分和个人反馈进行自动评分。 MasteringTMEngineering可以让您轻松地基于逐项作业或单个学生的详细工作跟踪整个班级的学习表现。有关更多信息，请访问http://www.masteringengineeringcom。

理念

这通常是第一门向机械工程专业学生提出挑战性设计问题而不是简单求解问题的课程，不过，这门课程涉及的设计类型是详细设计，还仅仅是整个设计过程中的一部分。在详细设计时，待设计装置的一般构造、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，只是确定一个待定机器零件的形状、大小和材料，使它在预期的载荷和环境条件下工作时不会失效。

传统讲授零件课程的方法强调单个机器部件或零件的设计，如齿轮、弹簧、轴等。对此方法的一种批评是： 有时针对零件的课程（或教材）很容易成为一本“菜谱”，只是收集零散的主题，却无法帮助学生解决在现有“菜谱” 中找不到的其他问题，这种风险确实存在。在这种情况下，教师（或作者） 比较容易让课程（或教材）退化成这种模式：“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，学生可能会受到误导，因为这样就不一定需要学生了解如何实际应用基础理论来解决设计问题。

但是，本课程涉及的许多典型机器零件为基础理论提供了极好的范例。从这个角度看，它们能够成为帮助学生理解复杂和重要工程理论的一个很好的工具。例如，在讨论预紧螺栓时，可以把金属薄垫片抗疲劳载荷作为一个完美的工具引出预应力的概念。学生可能没机会在实践中被要求设计预紧螺栓，但他或她可能从这段学习经历获得对预应力的理解。设计承受随时间变化载荷的斜齿轮给学生提供了一个理解组合应力、赫兹应力和疲劳失效的极好的工具。因此，只要教材所采取的方法足够普适，针对零件的设计方法也是一种有效且可靠的方法。也就是说，课程内容不应该退化成看似不相关练习的集合，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的内容之间缺乏联系。通常，这些教材中给出的机械零件都（魔法般地） 预先给出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，力并非总是预先定义的，并且在很大程度上可能由运动部件质量的加速度所致。但是，零件的质量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，才能准确确定。因此，这里存在的僵局只有通过迭代打破，即假定零件的几何形状并定义其几何和质量属性，计算由零件的材料和几何形状而引起的动态载荷，然后计算这些力产生的应力和挠度，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、材料属性、失效理论、疲劳现象、断裂力学和有限元分析等基础内容。这些理论内容的呈现方式与其他现有教材类似。第2篇不但介绍了如何处理具体、常见的设计零件作为理论应用实例，而且尝试以一种集成的方法，用案例研究将各种主题联系在一起进行介绍，避免呈现一连串不同的主题。

与一学期课程所涵盖的内容相比，大多数零件设计教材包含更多的主题和内容。在写这本书的第1版之前，我们向200位讲授零件课程的美国大学教师发送调查问卷，征求他们对相对重要的零件主题和期望的内容设置的意见。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。受访者最初的强烈愿望之一是提出一些现实的设计问题的案例研究。

为实现这一目标，我们尝试围绕10个系列性的案例研究来组织本书的内容。这些案例研究在后续章节中介绍了同一设计问题的不同方面，例如，在第3章中确定装置的静态载荷或动态载荷，在第4章中计算静态载荷产生的应力，然后在第5章中应用适当的失效理论确定安全系数。随后的章节中提出更复杂、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来自于作者在工业咨询实践中遇到的一个真实问题。第8章介绍了几个有限元分析的案例研究，并把结果与前面章节得出的经典解进行了比较。

这些案例研究提供了一系列贯穿本书的机械设计项目，包含了这类教材通常处理的各类零件的组合。机械装配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，它向学生提出了一个上下文关联的通用设计问题，而不是一组分散、不相关的实体，这样学生可以明白影响单个零件设计决策的相互关系和理由。这些更全面的案例研究在本书的第2篇。第一部分中的案例研究的范围更加有限，仅针对本章的工程力学主题。除了案例研究外，每一章还选择了一些实际例子来对特定主题进行强化。

本书的第9章，设计案例研究，用在后面章节用到的3个设计案例研究来强化轴、弹簧、齿轮、紧固件等零件的设计和分析概念。这些设计案例研究并未完全解决整个实际问题，因为还需要为学生项目作业留下素材。作者已经成功地使用这些案例研究，作为多周或整学期的学生小组或个人项目的作业主题。布置开放式的项目作业比固定的家庭作业更有助于加强对课程中设计和分析内容的学习。

习题集

为满足第1版用户要求习题解耦的要求，967个习题中的大多数（767个，79%）都是独立的随章习题。习题集中其他的21％与后续章节相关。这些相关习题编号的破折号后面的数字在每章中都是相同的，并用加粗字体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 要对它进行表面应力分析。同样的拖车挂接装置也在第8章中，作为有限元分析的案例研究。这样，基本设计问题的复杂性就随着新主题的引入而逐渐展开。如果教师也希望使用这种方法，可以在后续章节中布置破折号后数字相同的习题。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。对不喜欢关联习题的教师，则完全可以在767个习题中，选择布置编号没有加粗的章节独立习题，以避免内容关联。

内容安排

第1章介绍了设计流程、问题表述、安全系数和单位。第2章回顾了材料的属性，因为即使学生一般已经修过一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，并建立了一系列案例研究，这些实例研究将在后面的章节中继续说明应力和挠度分析主题。

从根本上讲，机械零件设计课程实际是一门中级应用水平的应力分析课程。因此，在第4章回顾了应力和变形分析基础，因为学生通常还没有完全消化前面应力分析课程中给出的概念，第5章详细介绍了静态失效理论，还介绍了静态载荷下的断裂力学分析。

由于大多数应力分析的入门课程只处理静态加载问题，在零件设计课程里学生通常是第一次接触到疲劳应力分析。因此，在第6章用了较长篇幅介绍了疲劳破坏理论，重点在常用于旋转机械设计中的高周疲劳的应力-寿命设计，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。但是这里没给出基于应变方法的低周疲劳分析，只是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。第6章也对残余应力做了讲解。第7章全面讨论了磨损机理、表面接触应力和表面疲劳现象。

第8章介绍了有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）。许多教师利用机械零件课程向学生介绍有限元分析，和其他机械设计技术一起指导学生使用。但第8章提供的材料不是为了替代有限元理论教学，关于有限元分析理论的内容在有限元分析课程的教材上都有，而且那些课程会要求学生通过自学或课程设计来全面熟悉有限元分析理论。相反，第8章介绍了将有限元分析应用到实际机械设计问题中的相关技术，给出了关于元素的选择、网格细化的问题和适当的边界条件的给定等开发的细节。而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中，在进行专业实践时会使用CAD实体建模软件和商用有限元分析代码。因此，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。如果需要的话，特别是如果学生要用有限元解决所分配给他的任务，本章可以安排在课程前段讲授。本书网站为各章节的许多作业习题提供了它们的Solidworks几何模型。

前面这8章构成了本书的第一篇，为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，其他章节前后衔接，按序讲授。

本书第2篇介绍了机械零件设计，其中每种零件都是一个完整机器的一部分。第2篇的各章本质上是彼此独立的，除了第12章直齿圆柱齿轮应在第13章斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆之前讲授外，教师可以根据需要，按想要的（或跳过）顺序进行讲授。本书所有的主题可能无法在一个学期的课程中全部讲完，未讲授的章节仍可作为工程师们专业实践时的参考。

第9章提出了一组设计案例研究，可作为作业和案例研究供后续的章节使用。除了这些具体案例，还提供推荐了一系列设计项目作业。第10章采用第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、滚动轴承理论和应用。第12章采用AGMA推荐的最新步骤全面介绍了直齿圆柱齿轮的运动学、设计和应力分析。第13章将齿轮设计拓展到斜齿轮、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预紧紧固件。第16章给出了静态和动态载荷下焊接件设计的最新处理方法。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·L诺顿马塔波瓦塞特，马萨诸塞州