01 / 导读
导读
引用
Norton, R. L. (2019). Machine Design: An Integrated Approach (6th ed.). Pearson.
章节概要
第六版共17章，分为两部分：第一部分“基础”（第1—8章）和第二部分“机械设计”（第9—17章），附录有四个：材料性能、梁表、应力集中系数和部分习题答案。Pearson 称本书面向机械工程专业三、四年级学生，强调失效理论与分析，以及机械零件的综合与设计。
第1章：Introduction to Design（设计导论）
设计过程及其阶段（定义、初步设计、详细设计、文档化）、问题的表述、包含估算和一阶分析的工程模型与工程草图，以及包含计算精度在内的计算机辅助设计与工程。还讲工程报告、安全系数与设计规范、统计考量和单位。
第2章：Materials and Processes（材料与工艺）
材料性能的定义（拉伸、压缩、弯曲、扭转和冲击试验，疲劳强度，断裂韧性，蠕变）、性能的统计特性、硬度与热处理、涂层与表面处理。概述金属、聚合物、陶瓷和复合材料，最后讲材料的选择。
第3章：Kinematics and Load Determination（运动学与载荷确定）
自由度、机构、常见的单自由度机构（四杆和六杆机构、凸轮与从动件），以及四杆机构和曲柄滑块机构的位置、速度和加速度分析。经过凸轮设计与分析一节，进入载荷分析：载荷类别、受力图，静态、动态和三维载荷的案例研究，振动与冲击载荷，以及用奇异函数处理的梁载荷。
第4章：Stress, Strain, and Deflection（应力、应变与挠度）
应力与应变、主应力、平面应力与平面应变、莫尔圆、轴向、剪切和挤压应力、弯曲、梁的挠度（奇异函数、超静定梁、卡氏方法）、扭转、组合应力和弹簧刚度。本章还讲应力集中、柱以及厚壁与薄壁圆筒，最后是案例研究。
第5—6章：Static Failure Theories（静态失效理论）；Fatigue Failure Theories（疲劳失效理论）
第5章讲延性材料的失效（冯·米塞斯—亨奇、最大剪应力、最大正应力）、脆性材料的失效（库仑—莫尔、修正莫尔）、断裂力学以及这些理论的使用，并附案例研究。第6章讲疲劳失效的机理，应力—寿命、应变—寿命和断裂力学模型，疲劳载荷，疲劳强度的估算与修正系数，缺口与残余应力。随后讲针对完全对称循环、波动和多轴应力的设计，高周疲劳设计的一般方法，以及一个案例研究。
第7—8章：Surface Failure（表面失效）；Finite Element Analysis（有限元分析）
第7章讲表面几何、摩擦、粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、表面疲劳，以及球、圆柱和一般接触的接触应力（包括动态接触）。第8章介绍有限元法：单元类型、网格划分与收敛、边界条件、载荷、模型验证和模态分析。
第9章：Design Case Studies（设计案例研究）
第二部分的第一章，介绍三个设计案例研究：便携式空气压缩机、草捆提升机和凸轮试验机。它们被编为案例研究8、9、10，后面各章以案例研究8B—8D、9B、10B—10C的形式再次出现。
第10—11章：Shafts, Keys, and Couplings（轴、键与联轴器）；Bearings and Lubrication（轴承与润滑）
第10章讲轴的载荷与应力、组合载荷下的失效、针对完全对称循环或波动载荷的设计、挠度、键、花键、过盈配合、飞轮、临界转速、联轴器，以及一个传动轴案例研究。第11章讲润滑剂与粘度、流体动力润滑理论与轴承设计，随后讲滚动轴承及其失效、选型和安装。
第12—13章：Spur Gears（直齿圆柱齿轮）；Helical, Bevel, and Worm Gears（斜齿、锥齿与蜗杆传动）
第12章包括轮齿理论、干涉、重合度、轮系、制造、载荷、弯曲与齿面应力、材料和润滑。第13章扩展到斜齿轮、锥齿轮和蜗杆副。
第14—17章：Spring Design（弹簧设计）；Screws and Fasteners（螺钉与紧固件）；Weldments（焊接件）；Clutches and Brakes（离合器与制动器）
第14章讲螺旋压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧和碟形弹簧垫圈。第15章讲螺纹形式、动力螺杆、螺栓与预紧连接、连接刚度、预紧力的控制，以及受剪紧固件。第16章讲焊接工艺、焊接接头、焊缝的静态和动态载荷以及偏心受载的焊缝图形。第17章讲盘式和鼓式离合器与制动器。
核心概念
第1—4章：设计、材料、载荷与应力
- 工程模型与一阶分析：在详细计算之前，借助工程草图先作估算。
- 机构与凸轮分析：自由度、格拉晓夫条件、连杆的矢量环分析、凸轮从动件运动。
- 奇异函数：第3章和第4章中用于梁的载荷与挠度的方法。
第5—8章：失效、表面与有限元分析
- 静态失效理论：冯·米塞斯—亨奇、最大剪应力、最大正应力、库仑—莫尔和修正莫尔。
- 应力—寿命、应变—寿命与LEFM方法：对疲劳建模的三种方式。
- 修正古德曼图：用于波动应力下设计的工具。
- 接触应力：球、圆柱和一般接触中的应力分布与表面疲劳。
第9—17章：机械零件与案例研究
- 反复出现的案例研究：第9章的三个设计在后面各章中继续展开。
- 预紧紧固件与连接刚度：静载荷和动载荷下受拉的螺栓。
- 齿轮应力：直齿、斜齿、锥齿和蜗杆传动中的弯曲应力与齿面应力。
评析
优点
- 理论与设计融于一体。 第一部分建立分析工具（载荷、应力、静态与疲劳失效、表面失效、有限元），第二部分把它们用于机械零件，Pearson 将此表述为强调失效理论以及综合与设计。
- 贯穿各章的案例研究。 第9章提出的三个案例研究，在轴、轴承、齿轮、弹簧和紧固件各章中再次出现，使同一个设计被追踪着经过多种零件。
- 基础内容宽广。 运动学、连杆与凸轮（第3章）、独立的有限元分析一章（第8章）以及扩充的疲劳内容（应力—寿命、应变—寿命和LEFM方法），目录中都有。Pearson 称本书不依赖任何特定的计算机程序，同时强调计算机辅助工程。
- 专门的设计主题。 焊接件和弹簧（包括拉伸弹簧、扭转弹簧和碟形弹簧垫圈）各章对许用强度和设计步骤讲得很细。
局限
- 零件覆盖有缺口。 目录中没有带传动、链传动等挠性传动的章，也没有专门讲铆接或粘接的章。
- 第一部分较长。 包括运动学和有限元分析在内的八章排在第一个零件章之前，机械零件的设计要到第10章才开始。
- 版本细节难以确定。 Pearson 列出精装本为2019年出版，Mastering 为2020年更新，电子版为2021年出版、版权2022年，均属第六版，所以年份因形态而异。
- 案例研究编号。 案例研究在第9章从8开始编号，后面各章称之为8B、9B等，因此只读单独一章的读者，需要回到第9章查看某一节延续的是哪个设计。
在课程中的定位
Norton 的书与 Juvinall 和 Marshek 的 Fundamentals of Machine Component Design 重叠最多。两本书都先用较长的基础部分讲载荷、应力、失效和疲劳，再转入零件。Norton 增加了运动学、凸轮和有限元一章，并让三个案例研究贯穿各零件章；Juvinall 和 Marshek 则讲带传动与链传动、铆接与粘接、微纳尺度元件和一个变速器案例研究。任何一本都可以作主教材，另一本则是有用的第二种讲解。
Mott 的 Machine Elements in Mechanical Design 被介绍为选择和确定零件尺寸的实用、循序渐进的书；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高年级核心参考书。Cross 的 Engineering Design Methods 与 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 讲设计过程，可以在 Norton 第1章之前或与之并行阅读。
如何使用本书
Pearson 将本书定位于机械工程专业三、四年级学生。书中假定读者学过静力学、动力学和材料力学，不过第4章复习应力、应变和挠度，第3章也包含自己的运动学内容。
一个切实可行的读法如下：
- 核心： 第1、4、5、6章。疲劳（第6章）在轴、弹簧、紧固件和焊接件的设计中反复出现。
- 选读： 材料基础薄弱读第2章；课程没有单独的运动学则读第3章；磨损与接触应力读第7章；课程使用有限元软件则读第8章。
- 案例研究： 在零件各章之前先读第9章，然后让一个案例研究贯穿第10章到第15章。
- 零件： 第10—17章可按课程需要的顺序阅读；齿轮（第12—13章）和滚动轴承（第11章）是应用第7章接触应力概念的合适位置。
做每章末尾的习题，并用附录D核对所选习题的答案。