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本書是美國(guó)大學(xué)本科機(jī)械設(shè)計(jì)課程的一本經(jīng)典教材。全書分兩篇。第1篇為基礎(chǔ)篇，共8章，分別是：設(shè)計(jì)介紹，材料和工藝，運(yùn)動(dòng)與受力分析，應(yīng)力、應(yīng)變與撓度，靜態(tài)失效理論，疲勞失效理論，表面失效和有限元分析。第2篇為機(jī)械設(shè)計(jì)篇，共9章，分別是：設(shè)計(jì)案例研究，軸、鍵與聯(lián)軸器，軸承與潤(rùn)滑，直齒圓柱齒輪，斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿，彈簧設(shè)計(jì)，螺紋與緊固件，焊接，離合器與制動(dòng)器。
本書特別強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生將來在實(shí)際工作中解決工程問題的能力。除了傳統(tǒng)的解析與圖解分析計(jì)算方法外，還加入了有限元方法，并在本書網(wǎng)站中提供了多個(gè)計(jì)算機(jī)輔助分析的程序，從而突出現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用。為本書開設(shè)的網(wǎng)站提供了原作者的課程講座演講視頻、應(yīng)力分析視頻、常用機(jī)械零件例子視頻和工作機(jī)械的視頻等。通過觀看視頻，可以幫助學(xué)生和自學(xué)人員更加直觀地理解書本上的內(nèi)容。
本書可作為國(guó)內(nèi)機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的相關(guān)課程教學(xué)的教材或教學(xué)參考書，也可作為從事機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)或設(shè)計(jì)的其他專業(yè)師生和工程技術(shù)人員的參考書。本書結(jié)合原版教材也可以作為雙語(yǔ)教材使用。

介紹本書是機(jī)械零件設(shè)計(jì)課程教材，特別適合大多數(shù)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生年課程使用。學(xué)習(xí)本課程的先修課程包括靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，以及與材料強(qiáng)度相關(guān)的課程。本書的目的是：為專業(yè)問題提供一種新的方法，以強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本書適用于低-高年級(jí)的機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生。撰寫本書的初衷是使其易于閱讀，使學(xué)生有興趣閱讀這些枯燥無味的專業(yè)內(nèi)容。
本書比其他現(xiàn)有教材做了改進(jìn)，所提供的方法和技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)輔助分析優(yōu)勢(shì)。本書強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)和綜合，以及分析，給出了詳細(xì)和獨(dú)立的例題、案例研究和求解技術(shù)。所有的插圖采用雙色繪制。每章都提供了簡(jiǎn)短的習(xí)題，且在適當(dāng)?shù)奈恢媒o出了較長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)。
本書不依賴于任何特定的計(jì)算機(jī)程序。與例題和案例研究對(duì)應(yīng)的所有計(jì)算機(jī)文件均用幾種不同的語(yǔ)言（Mathcad，MATLAB，Excel和TK Solver）編寫，它們可在本書網(wǎng)站中查到（http://wwwpearsonhigheredcom/norton）。網(wǎng)站中還提供了作者編寫的其他一些程序的執(zhí)行文件，它們包括莫爾圓生成器（MOHRexe）、矩陣求解器（MATRIXEXE）、連桿設(shè)計(jì)程序和凸輪設(shè)計(jì)程序。在網(wǎng)站中還給出網(wǎng)站內(nèi)容索引。
本書試圖對(duì)工程力學(xué)中的失效理論和分析的內(nèi)容給予全面和深入的介紹，還在很大程度上比本門學(xué)科的其他大多數(shù)教材更強(qiáng)調(diào)專業(yè)綜合與設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容。書中指出了各種零件設(shè)計(jì)所需的分析方法的通用性，并強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)輔助工程作為一種方法在這類問題的設(shè)計(jì)和分析中的應(yīng)用。作者對(duì)本門課程的方法是基于在機(jī)械工程設(shè)計(jì)行業(yè)中從業(yè)和咨詢50年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成的。作者在大學(xué)教授了40年的機(jī)械工程設(shè)計(jì)。
在第5版有什么新內(nèi)容？● 在第3章中增加了運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)的幾節(jié)內(nèi)容。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)學(xué)的這些內(nèi)容加入到機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)大綱中對(duì)許多相關(guān)課程具有價(jià)值。
● 在網(wǎng)站中提供了21個(gè)與各章節(jié)有關(guān)主題的授課視頻。這些視頻都是從作者在伍斯特理工學(xué)院的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)錄像中選出的。學(xué)生可以通過觀看這些視頻復(fù)習(xí)和提高對(duì)本書這些主題的理解。
● 網(wǎng)站提供了8個(gè)簡(jiǎn)短的視頻來演示應(yīng)力分析的各種原理，以及展示常用機(jī)械零件，如彈簧、齒輪和軸承等。
● 網(wǎng)站上提供了6個(gè)工作中的真實(shí)機(jī)械的視頻。
● 作者新的程序（如Linkages和dynacam）也放在了網(wǎng)站上。
● 添加或修訂了90多道全部采用國(guó)際單位的習(xí)題。
理念機(jī)械設(shè)計(jì)通常是機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生遇到的在設(shè)計(jì)方面具有挑戰(zhàn)性的門課程，它不是求解簡(jiǎn)單的習(xí)題。這門課程強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)類型是細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，它僅僅是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的一部分。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，待設(shè)計(jì)設(shè)備的一般構(gòu)造、應(yīng)用，甚至整體形狀在一開始通常是知道的。我們不是要發(fā)明一個(gè)新的裝置，只是確定一個(gè)待定的機(jī)器零件的形狀、大小和材料，使它不會(huì)在已知的加載和環(huán)境條件下的預(yù)期服務(wù)期內(nèi)失效。
傳統(tǒng)講授零件課程的方法強(qiáng)調(diào)的是單個(gè)機(jī)器部件或零件的設(shè)計(jì)，如齒輪、彈簧、軸等。對(duì)此方法的一個(gè)批評(píng)是：有時(shí)針對(duì)零件的課程（或教材）可能很容易成為一本“食譜”，即只是收集零散的主題，卻無法幫助學(xué)生解決在現(xiàn)有“食譜”中找不到的其他問題。確實(shí)有發(fā)生這種情況的風(fēng)險(xiǎn)。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?cè)O(shè)計(jì)彈簧；星期五我們將設(shè)計(jì)齒輪�！比绻l(fā)生這種情況，它可能使學(xué)生受到誤導(dǎo)，因?yàn)樗辉傩枰獙W(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)問題的理論基礎(chǔ)在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行理解。
本課程給出的許多機(jī)器零件為基本理論提供了極好的范例。如此看來，在一般情況下，它們能夠成為幫助學(xué)生理解復(fù)雜和重要的工程理論的一個(gè)很好的工具。例如，在預(yù)緊螺栓的主題中，用金屬薄墊片抗疲勞載荷可以作為一個(gè)完美的工具引出預(yù)應(yīng)力的概念。學(xué)生不可能被要求在實(shí)踐中總是設(shè)計(jì)預(yù)緊螺栓，但他或她可能利用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)歷獲得對(duì)預(yù)應(yīng)力的理解。承受隨時(shí)間變化的載荷的斜齒輪設(shè)計(jì)提供給學(xué)生作為理解組合應(yīng)力、赫茲應(yīng)力和疲勞失效的一個(gè)極好的工具。因此，只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(yīng)該退化成一系列的明顯不相關(guān)的練習(xí)，而應(yīng)提供一種集成的方法。
作者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教材（和機(jī)械零件課程）的另一個(gè)缺陷是在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)應(yīng)力分析之間缺乏聯(lián)系。通常，這些教材中給出的機(jī)械零件都（魔法般地）預(yù)先給了施加在它們上面的載荷。然后教學(xué)生如何通過這些載荷確定所引起的應(yīng)力和變形。而在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)中，力往往是不確定的，在很大程度上，載荷可能是由各運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量的加速度引起的。然而，只有當(dāng)幾何尺寸確定且通過應(yīng)力分析得到待設(shè)計(jì)零件的強(qiáng)度后，質(zhì)量才能準(zhǔn)確確定。因此，存在一個(gè)僵局，這個(gè)僵局只有通過迭代打破，即假設(shè)零件的幾何尺寸，獲得這一零件的幾何性質(zhì)和質(zhì)量性質(zhì)，計(jì)算零件由于材料和零件幾何形狀導(dǎo)致的動(dòng)載荷，然后計(jì)算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，如果失效，則重新設(shè)計(jì)，并重復(fù)上述步驟。
一種集成方法本書分為兩篇。第1篇介紹了應(yīng)力、應(yīng)變、變形、材料性質(zhì)、失效理論、疲勞現(xiàn)象、斷裂力學(xué)和有限元分析等基礎(chǔ)內(nèi)容。這些理論方法的內(nèi)容與其他現(xiàn)有教材類似。第2篇介紹了如何處理具體的、常見的設(shè)計(jì)零件，作為理論的應(yīng)用實(shí)例，為避免只是給出一系列不同的主題，通過給出的集成方法將各種主題以案例研究的形式聯(lián)系在一起。
大多數(shù)零件教材包含了超過在一個(gè)學(xué)期內(nèi)講授完一門課程的主題和內(nèi)容。在寫這本書的第1版之前，通過向美國(guó)200位講授零件課程的大學(xué)教師發(fā)送調(diào)查問卷，征求他們對(duì)零件教材主題相對(duì)重要性和期望內(nèi)容設(shè)置的意見。從第2版到第5版的每一次修訂，都進(jìn)行了用戶調(diào)查，以確定應(yīng)該改變或增加什么。對(duì)這些反饋進(jìn)行的分析影響了本書所有版本的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。來自受訪者的強(qiáng)的愿望之一就是案例研究，希望它們提出切合實(shí)際的設(shè)計(jì)問題。
我們?cè)噲D通過圍繞10個(gè)系列性的案例研究來構(gòu)建本書以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些案例研究給出同一設(shè)計(jì)問題的不同方面案例，在多個(gè)章節(jié)中出現(xiàn)，例如，在第3章中確定裝置的靜態(tài)載荷或動(dòng)態(tài)載荷、在第4章中計(jì)算靜載荷應(yīng)力以及在第5章中應(yīng)用適當(dāng)?shù)氖Ю碚摯_定安全系數(shù)。在后面的章節(jié)中還提出更復(fù)雜、更多設(shè)計(jì)內(nèi)容的案例研究。第6章關(guān)于疲勞設(shè)計(jì)的案例研究就是從作者在咨詢實(shí)踐中遇到的一個(gè)真實(shí)問題來進(jìn)行案例講解。第8章介紹了幾個(gè)有限元分析的案例研究與前面章節(jié)做過的經(jīng)典解的比較。
案例研究提供了一系列貫穿本書的機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目，它包含了這類教材通常處理的各類零件的組合。這些組件包含一些零件的集合，如受軸向和彎曲載荷聯(lián)合作用的連桿、壓桿，彎曲與扭轉(zhuǎn)組合的軸，在交變載荷作用下的齒輪副、回位彈簧，疲勞加載的緊固件和軸承等。這種集成的方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它在本書中為學(xué)生提出了一個(gè)整體設(shè)計(jì)問題，而不是一堆零散、無關(guān)的問題。學(xué)生可以看到影響單個(gè)零件設(shè)計(jì)決策的相互關(guān)系和理由。更全面的案例研究在本書的第2篇。第1篇的案例研究范圍較為有限，涉及的是該章的工程力學(xué)主題。除了案例研究外，每一章還選擇了一些樣例來強(qiáng)化特定主題。
第9章設(shè)計(jì)案例研究致力于3個(gè)設(shè)計(jì)案例研究，以便在后面的章節(jié)中使用，強(qiáng)化在軸、彈簧、齒輪、緊固件等設(shè)計(jì)和分析中蘊(yùn)含的概念。實(shí)際上，這些設(shè)計(jì)案例研究并沒完全解決整個(gè)案例，因?yàn)樗鼈兊牧硪粋€(gè)目的是為學(xué)生項(xiàng)目作業(yè)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(xué)期的學(xué)生小組或個(gè)人的項(xiàng)目作業(yè)。開放式的項(xiàng)目作業(yè)比課后作業(yè)更有助于加強(qiáng)對(duì)課程中設(shè)計(jì)和分析方面的學(xué)習(xí)。
習(xí)題集為滿足第1版用戶解耦的要求，在886個(gè)習(xí)題中，77%（686個(gè)）的隨章習(xí)題都是獨(dú)立的。習(xí)題集中其他的23%與后續(xù)章節(jié)相關(guān)。這些相關(guān)習(xí)題在每章中編號(hào)的短線后面的數(shù)字是相同的，并用粗體字表明它們?cè)谡鹿?jié)中的通用性。例如，習(xí)題3-4要求對(duì)拖車掛接裝置做靜態(tài)受力分析；習(xí)題4-4要求進(jìn)行基于習(xí)題3-4相同計(jì)算載荷的同一掛接裝置的應(yīng)力分析；習(xí)題5-4要求用習(xí)題4-4計(jì)算的應(yīng)力計(jì)算該掛接裝置的靜態(tài)安全系數(shù)；習(xí)題6-4要求對(duì)同一掛接裝置進(jìn)行疲勞失效分析，而習(xí)題7-4要對(duì)它進(jìn)行接觸應(yīng)力分析。對(duì)同樣的拖車掛接裝置，在第8章中，作為案例研究進(jìn)行了有限元分析。因此，當(dāng)新的主題引出時(shí)，基本設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性隨即展開。希望使用這種方法的教師可以布置在后續(xù)章節(jié)中短線后相同數(shù)字的習(xí)題。如果不想用前面的習(xí)題作為后面習(xí)題的基礎(chǔ)，則可以將前面問題的解決方案數(shù)據(jù)手冊(cè)提供給學(xué)生。不喜歡關(guān)聯(lián)習(xí)題的教師完全可以在686個(gè)習(xí)題中選擇沒有黑體編號(hào)的各章獨(dú)立習(xí)題，以避免內(nèi)容關(guān)聯(lián)。
內(nèi)容安排第1章介紹了設(shè)計(jì)流程、問題提法、安全系數(shù)和單位。第2章回顧了材料的性質(zhì)，因?yàn)榧词箤W(xué)生已經(jīng)修過門與材料科學(xué)或冶金有關(guān)的課程，機(jī)械設(shè)計(jì)也仍需要廣泛和初步理解典型工程材料的性能。第3章探討了運(yùn)動(dòng)學(xué)連桿機(jī)構(gòu)和凸輪的基本原理，還復(fù)習(xí)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷分析，包括梁、振動(dòng)和沖擊載荷，并為了說明應(yīng)力和變形分析主題的連續(xù)性，建立了一系列在后續(xù)章節(jié)中使用的案例研究。
機(jī)械零件設(shè)計(jì)課程的核心實(shí)際是一個(gè)中等水平應(yīng)用應(yīng)力分析的課程。因此，在第4章回顧了應(yīng)力和變形分析基礎(chǔ)。第5章詳細(xì)介紹了靜態(tài)失效理論，因?yàn)閷W(xué)生通常沒有完全消化前面應(yīng)力分析中給出的概念。這一章還介紹了靜態(tài)載荷下的斷裂力學(xué)分析。
由于大多數(shù)入門課程只處理靜態(tài)加載問題，零件課程通常是學(xué)生的次接觸疲勞分析的應(yīng)力分析，因此，在第6章用了較長(zhǎng)篇幅介紹了疲勞破壞理論，重點(diǎn)是高周疲勞的應(yīng)力-壽命設(shè)計(jì)，它常用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)中。該章進(jìn)一步討論關(guān)于循環(huán)載荷作用下的裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)理論。這里沒給出基于應(yīng)變方法的低周疲勞分析，但向讀者介紹了它們的應(yīng)用和目的，并提供了進(jìn)一步學(xué)習(xí)需要用到的參考文獻(xiàn)。本章也對(duì)殘余應(yīng)力做了講解。第7章深入討論了磨損機(jī)理、表面接觸應(yīng)力和表面疲勞。
第8章介紹了有限元分析（FEA）。許多教師利用機(jī)械零件課程向?qū)W生介紹有限元分析，并用機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生使用。第8章提供的材料中不是為了替代有限元理論教學(xué)。許多其他致力于有限元分析教學(xué)的書上都有這些材料，這里鼓勵(lì)學(xué)生通過自學(xué)課程熟悉有限元分析理論。同時(shí)，第8章還介紹了有限元分析在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)問題中應(yīng)用的適當(dāng)技術(shù)。關(guān)于零件的選擇、網(wǎng)格細(xì)化的問題和適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件的給定是有限元開發(fā)的細(xì)節(jié)。這些問題通常不會(huì)在有限元理論書籍中涉及�，F(xiàn)在許多工程師培訓(xùn)時(shí)，在他們專業(yè)實(shí)踐中會(huì)利用CAD實(shí)體建模軟件和商用有限元分析軟件。然而，了解這些工具的局限性，并恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些工具是十分重要的。如果需要，本章可以在課程前段講授，特別是如果學(xué)生要用有限元解決所分配給他的任務(wù)時(shí)。對(duì)各章節(jié)的許多作業(yè)，在本書網(wǎng)站上都提供了它們的SolidWorks幾何模型。
前面這8章構(gòu)成了本書的篇，是為了機(jī)械零件設(shè)計(jì)奠定所需的分析基礎(chǔ)。除第8章的有限元分析外，它們安排的順序與它們的提出和建立的順序相一致。
本書第2篇介紹了機(jī)械零件設(shè)計(jì)，把零件作為一個(gè)整體機(jī)械的一部分。第2篇的各章本質(zhì)上是彼此獨(dú)立的，如果教師愿意，可以采取任何順序（或跳過）（除了第12章直齒圓柱齒輪應(yīng)在第13章斜齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿研究之前講授外）講授。本書所有的主題可能無法在一個(gè)學(xué)期或一門課程中全部覆蓋。未覆蓋的章節(jié)仍可作為工程師們?cè)谒麄儗I(yè)實(shí)踐中的參考。
第9章提出了一組設(shè)計(jì)案例研究作為作業(yè)和案例研究的例子供后續(xù)的章節(jié)使用。此外除了對(duì)案例的詳細(xì)分析，還提供了一系列的推薦設(shè)計(jì)項(xiàng)目作業(yè)。第10章采用了第6章提出的疲勞分析技術(shù)研究了軸的設(shè)計(jì)。第11章用第7章提出的理論討論了流體膜和滾動(dòng)軸承理論和應(yīng)用。第12章采用AGMA建議的新步驟深入介紹了直齒圓柱齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)、設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析。第13章是齒輪設(shè)計(jì)的拓展，包括斜齒輪、錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)。第14章的彈簧設(shè)計(jì)內(nèi)容包括螺旋壓縮彈簧、拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，并全面討論了碟形彈簧。第15章研究了動(dòng)力螺紋和緊固件。第16章給出了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下焊接件設(shè)計(jì)的新處理方法。第17章介紹了盤式、鼓式離合器和制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和規(guī)格。附錄中包含了材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)、梁的參數(shù)表格、應(yīng)力集中系數(shù)以及部分習(xí)題解答。
羅伯特·諾頓那不勒斯，佛羅里達(dá)州

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