01 / 导读
导读
引用
Juvinall, R. C., & Marshek, K. M. (2020). Fundamentals of Machine Component Design (7th ed.). John Wiley & Sons.
章节概要
全书约800页，分为基础篇（第1—9章）和应用篇（第10—22章）。第1章点明了全书的组织思路：机械零部件的设计，建立在构件内部的应力—应变—强度关系，以及摩擦、润滑、磨损和环境劣化等表面现象这两方面之上。
第1章：Mechanical Engineering Design in Broad Perspective（宏观视野下的机械工程设计）
对作为专业工程实践的设计作总体介绍，涉及安全、生态与社会考量、单位制，以及求解机械零部件问题的方法论。该方法论围绕一套固定的解题格式展开（已知、求解、示意图与给定数据、决策、假设、分析、讨论）。本章最后讲功、能量、功率和能量守恒。
第2章：Load Analysis（载荷分析）
平衡方程与受力图、梁的载荷，以及用来确定危险截面的“力流”概念。本章还讨论冗余支承之间的载荷分配，包括冗余的延性结构。
第3章：Materials（材料）
静态拉伸试验以及工程应力—应变与真实应力—应变关系、依据硬度估算强度、手册数据的使用。后面各节概述铸铁、钢、有色合金、塑料与复合材料，然后介绍材料选择图和选材过程。
第4章：Static Body Stresses（静态构件应力）
轴向、直接剪切、扭转、弯曲和横向剪切载荷产生的应力，包括曲梁。随后转入莫尔圆、组合应力与三维应力、应力集中系数、屈服引起的残余应力和热应力。
第5章：Elastic Strain, Deflection, and Stability（弹性应变、挠度与稳定性）
应变测量与应变花、弹性应力—应变关系、弹簧刚度与梁的挠度，并用卡氏方法求挠度和冗余反力。本章最后讲柱的屈曲（欧拉公式、约翰逊抛物线、正割公式）、其他类型的屈曲以及有限元分析。
第6章：Failure Theories, Safety Factors, and Reliability（失效理论、安全系数与可靠性）
失效类型、断裂力学（基本概念与应用），以及静态失效理论：最大正应力理论、最大剪应力理论、最大畸变能理论，以及莫尔理论和修正莫尔理论。关于如何选用理论的几节之后，转入安全系数、可靠性、正态分布与干涉理论。
第7—9章：Impact（冲击）；Fatigue（疲劳）；Surface Damage（表面损伤）
第7章讲冲击引起的应力与挠度，以及应力集中的影响。第8章从疲劳的基本概念和标准疲劳强度出发，依次讨论表面与尺寸的影响、平均应力、应力集中、随机载荷、表面处理和疲劳裂纹扩展，最后给出疲劳设计的一般方法。第9章讲腐蚀、气蚀、磨损、接触应力和表面疲劳失效。
第10—11章：Threaded Fasteners and Power Screws（螺纹紧固件与动力螺杆）；Rivets, Welding, and Bonding（铆接、焊接与粘接）
螺纹形式、动力螺杆、螺栓拧紧与预紧力，以及静载荷和疲劳载荷下的螺栓选择。第11章讲铆钉、静载荷和疲劳载荷下的焊接接头、钎焊、软钎焊和粘合剂。
第12章：Springs（弹簧）
扭杆、圆柱螺旋压缩弹簧（应力、强度、端部形式、屈曲、静载与疲劳设计），以及拉伸弹簧、梁式弹簧、板簧和扭转弹簧。
第13—14章：Lubrication and Sliding Bearings（润滑与滑动轴承）；Rolling-Element Bearings（滚动轴承）
第13章先介绍润滑剂和流体动力润滑理论，再讲设计图表、散热、轴承材料、推力轴承和弹性流体动力润滑。第14章讲滚动轴承的类型、设计、配合、样本信息、选型和安装。
第15—16章：Spur Gears（直齿圆柱齿轮）；Helical, Bevel, and Worm Gears（斜齿、锥齿与蜗杆传动）
直齿轮的几何、受力分析、轮齿弯曲（从刘易斯公式到精细方法）和齿面耐久性，并配有设计步骤、材料和轮系。第16章把这些内容扩展到斜齿轮、交错轴斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动。
第17—19章：Shafts and Associated Parts（轴及相关零件）；Clutches and Brakes（离合器与制动器）；Belts, Chains, and Other Components（带、链及其他部件）
轴承的配置与安装、旋转轴动力学、轴的整体设计、键、花键和联轴器。第18章讲盘式、锥式和鼓式离合器与制动器、带式制动器及能量吸收。第19章讲带、链、液力偶合器和液力变矩器。
第20—22章：Micro/Nanoscale Machine Elements（微纳尺度机械元件）；Machine Component Interrelationships（机械零部件的相互关系）；Remote Control Car Project（遥控车项目）
第20章简要介绍微纳尺度的执行器、轴承和传感器。第21章是对最初的 Hydra-Matic 变速器的案例研究，先用受力图推出传动比和各部件载荷，再讨论齿轮、制动器和离合器的设计考虑。第22章是一个设计项目案例，讲遥控车机械系统的设计与制造。
核心概念
第1—3章：视野、载荷与材料
- 力流概念：追踪载荷在结构中的传递路径，以确定危险截面。
- 七步解题格式：从已知条件出发，经过决策与假设，到分析和讨论的一套书面步骤。
第4—6章：应力、挠度与失效
- 应力集中与残余应力：局部的应力集中，以及屈服之后留下的应力，在应力一章中分别讨论。
- 卡氏方法：求弹性挠度和冗余反力的能量方法。
- 静态失效理论：最大正应力、最大剪应力、最大畸变能以及（修正）莫尔理论。
- 安全系数与可靠性：如何选取安全系数的数值，并配合正态分布与干涉理论。
第7—9章：冲击、疲劳与表面损伤
- 疲劳强度修正因素：载荷类型、表面、尺寸、平均应力和应力集中的影响。
- 磨损与接触应力：粘着磨损、磨粒磨损、微动磨损、曲面接触应力和表面疲劳。
第10—22章：零部件与案例研究
- 螺栓预紧力与连接疲劳：预紧力、使连接分离的外力，以及提高螺栓连接疲劳强度的办法。
- 轮齿强度与耐久性：轮齿弯曲（刘易斯公式与精细方法）和齿面疲劳分析。
- 相互关联的部件：变速器案例研究，其中齿轮、制动器和离合器互相制约。
评析
优点
- 先基础，后零件。 全书22章中，前9章先讨论载荷、材料、应力、挠度、失效理论、冲击、疲劳和表面损伤，然后才开始设计具体零件。第1章把这种安排说成是有意为之：重点放在对书中未讲到的零件也同样适用的方法和步骤上。
- 看得见的解题步骤。 第1章给出七步解题格式，并说明例题采用了这一格式。作者也提醒不要机械套用，这对正在养成习惯的学生是有益的忠告。
- 失效内容覆盖面广。 Wiley 把断裂力学、疲劳裂纹扩展、磨损模型和材料选择列为本书特色，目录也证实，除静态失效和疲劳外，冲击和表面损伤各有独立的章。
- 设计不止于单个零件。 第21章以一台变速器为例，依次讲传动比、载荷以及齿轮、制动器和离合器的设计，第22章则是一个设计项目。第1章还用相当篇幅讨论安全，配有案例和一份措施清单。
- 参考资料与练习。 附录包括单位换算、截面性质、内容丰富的材料性能表、梁的公式以及配合与公差。Wiley 指出，本版新增了100多道习题。
局限
- 并未涵盖所有机械零件。 零件各章涉及紧固件、焊接接头、弹簧、轴承、齿轮、轴、离合器与制动器、带与链。凸轮和连杆机构不在目录中，第1章也说明，要学习所有机械零件的详细设计既不可行，也无必要。
- 篇幅与节奏。 约800页、22章的规模，超出一门课程所能讲完的范围。第4章和第5章对应力和挠度讲得很细（分别有17节和16节），教师需要选择重点和取舍。
- 微纳尺度内容简短。 第20章只有5节，更像是对执行器、轴承和传感器的概览，而不是设计讲解。
- 计算方法着墨不多。 有限元分析只作为第5章的一节（5.16）出现。出版社提到有软件数据集和在线资源，但公开页面没有说明其内容。
在课程中的定位
在机械设计书单中，Juvinall 与 Marshek 属于零部件设计教材。与它最接近的是 Norton 的 Machine Design: An Integrated Approach，本站介绍该书时说，它通过反复出现的案例研究把应力分析、失效理论和机械零件联系起来，并着重疲劳和计算机辅助计算。Juvinall 与 Marshek 则先用一整组章节讲基础，再逐个讲零件，最后以两个案例研究收尾。
Robert Mott 的 Machine Elements in Mechanical Design 被介绍为一本实用的、循序渐进的书，讲常见机械零件的选择与尺寸确定。Shigley's Mechanical Engineering Design 被介绍为设计零件并检验其能否承受预期载荷的核心参考书，面向高年级课程。Nigel Cross 的 Engineering Design Methods 与 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 讨论设计过程本身，可以补充本书以零部件为中心的视角。
如何使用本书
本书适合已经学过静力学、动力学和材料力学的机械工程学生。第2、4、5章讲载荷、应力和挠度，可以当作复习。它适合机械设计课程及其后的项目工作。
一个切实可行的读法如下：
- 核心： 第1—6章和第8章，建立解题格式、载荷、应力、挠度、失效准则和疲劳的基础。螺栓、焊接和弹簧各章（第10—12章）反复出现疲劳载荷的小节，所以最好先把第8章学扎实。
- 按需阅读： 材料基础薄弱就读第3章；冲击读第7章；课程深入讲轴承和齿轮时读第9章（磨损与接触应力）。
- 零部件： 应用篇各章可按课程需要的顺序阅读。齿面耐久性（15.9—15.10节）和轴承各章，正是回头复习第9章接触应力与表面疲劳的合适位置；第17章（轴）也包含轴的轴承配置。
- 综合应用： 第21章和第22章展示了零部件选择之间如何相互影响，可作为团队项目的样板。第20章可选读。
做习题时，请按1.7节的七步格式写出解答，材料性能和梁的公式要查附录中的表格，不要凭记忆引用。