Machine Elements in Mechanical Design（机械设计中的机械零件）

引用

Mott, R. L., Vavrek, E. M., & Wang, J. (2017). Machine Elements in Mechanical Design (6th ed.). Pearson.

章节概要

第6版共23章，分为三部分，书后另有19个提供数据和设计资料的附录。第一部分复习设计所需的应力分析和载荷处理；第二部分围绕一套机械传动装置的设计展开；第三部分讨论其他机械零件，并以一章设计项目收尾。据Pearson介绍，本版新增两位合著者，加强了应力分析内容，也扩大了技术主题的范围。

第1章：机械设计的本质

作为第一部分"设计与应力分析原理"的开篇，本章说明机械设计包含哪些工作，以及本书如何处理这些工作。

第2章：机械设计中的材料

概述工程材料及其设计性能，为使用附录中的性能表做准备。附录涵盖碳钢和合金钢、热处理钢、渗碳钢、不锈钢、结构钢、铸铁、铝、锌、镁、镍和钛合金、铜合金以及塑料。

第3章：应力与变形分析

从Pearson免费提供的本章样章可以看出章节的形式。开头的"The Big Picture"提出讨论题，请读者想一想熟悉的产品如何失效；"You Are the Designer"则以一台通用起重机的设计情境复习静力学和自由体分析。随后的23节复习轴向和剪切直接应力、扭转（包括非圆截面和薄壁管）、梁的弯曲应力和剪应力、弯曲中心、梁的挠度、曲梁、叠加原理、应力集中和缺口敏感性。正文明确说明，本章假定读者已修完材料力学课程。

第4章：组合应力

讨论同时承受多种应力的构件，把第3章复习的单一载荷情形加以推广。

第5章：不同载荷类型下的设计

讨论载荷类型（静载荷或变载荷）如何决定设计方法。它与第3、4章一起构成后面各零件章节所依赖的分析基础。

第6章：压杆

第一部分最后讨论受压构件，此时限制设计的是稳定性而不是应力。

第7–10章：带传动与链传动；齿轮运动学；直齿轮设计；斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动

第二部分"机械传动装置的设计"从挠性传动开始，然后进入齿轮：先是齿轮运动学，再是直齿轮设计，然后是斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动。附录19给出直齿轮点蚀计算用的几何系数。

第11–14章：键、联轴器与密封；轴的设计；公差与配合；滚动轴承

连接和支承旋转零件的元件：依次为键、联轴器和密封，轴，公差与配合，滚动轴承。第3章样章中已有一道计算齿轮轴挠度的例题，并提示读者参看后面讨论齿轮受力的章节。

第15章：完成动力传动装置的设计

第二部分的总结章，把分别设计的各个元件组合成一套完整的动力传动装置。

第16–19章：滑动轴承；直线运动元件；弹簧；紧固件

第三部分"设计细节与其他机械零件"转向传动装置以外的零件：滑动轴承、直线运动元件、弹簧和紧固件。

第20–22章：机架、螺栓连接与焊接接头；电动机与控制；运动控制：离合器与制动器

把机器连成整体的结构，以及驱动和控制机器的部件：机架与接头，电动机及其控制，离合器与制动器。

第23章：设计项目

最后一章汇集了需要运用全书内容的设计项目。

核心概念

第一部分：设计与应力分析原理（第1–6章）

• 安全设计：零件所受的应力和变形在可合理预见的条件下必须保持在可接受范围内；第3章即从这一理念开始。
• 应力单元：用来表示某一点上正应力和剪应力的微小单元。
• 应力集中与缺口敏感性：几何形状变化处应力的局部升高，以及某种材料实际承受了其中多少。
• 组合应力：多种载荷同时作用时的应力状态。
• 压杆稳定：受压构件因屈曲而非应力过大而失效。

第二部分：机械传动装置的设计（第7–15章）

• 齿轮运动学：啮合齿轮的几何关系和速度关系，在齿轮强度之前学习。
• 轴的设计：确定安装齿轮、带轮或链轮并由轴承支承的轴的尺寸。
• 公差与配合：规定相配零件的尺寸界限。
• 系统集成：把分别设计的元件组合起来，完成动力传动装置（第15章）。

第三部分：设计细节与其他机械零件（第16–23章）

• 轴承类型：滚动轴承（第14章）和滑动轴承（第16章）是支承运动零件的两种不同方式。
• 接头：机架中的螺栓连接和焊接接头。
• 运动控制：离合器和制动器，以及驱动机器的电动机及其控制。

评析

优点

• 在整体中设计零件。 Pearson把本书的重点描述为应用各种机械零件，同时始终把它们放在所属的整台机器中考虑。全书结构正体现了这一点：第二部分围绕一套机械传动装置的设计展开，从带和齿轮到轴和轴承，并以完成动力传动装置的一章收尾。
• 清晰一致的例题。 第3章样章中约有二十道例题，都采用"目标、已知、分析、结果、说明"的统一格式，随后是八十多道章末习题。例题同时使用美国惯用单位和国际单位制，这对将来可能遇到任一单位制的读者很重要。
• 实用的设计数据。 19个附录收录截面特性、优先尺寸与螺纹、多种金属和塑料的性能表、梁挠度公式、标准结构型材、换算系数、硬度换算和应力集中系数。样章还列出参考文献和网络资源，例如教学用应力分析软件和应力集中数据的在线来源。
• 内置复习。 第3–5章在设计任何零件之前先复习应力分析，因此材料力学学过一段时间的学生不用另找教材也能跟上。

局限

• 重广度而非深度。 用23章覆盖众多零件，每个主题所占篇幅少于分析性更强的机械设计教材。本书是实用的课程教材，而不是失效理论的参考书。
• 先修要求是实打实的。 复习章节虽有帮助，但样章明确说明它假定读者已修完材料力学并熟悉静力学；这部分内容只是复习，不是入门课程。
• 篇幅大，需要取舍。 Open Library对这一精装本的记录为880页，多数课程需要挑选章节，尤其是第三部分。

在课程中的定位

在本课程的机械设计教材中，Mott最直接地面向实践：它先复习学生需要的应力分析，再一步步完成一套完整传动装置的设计。Juvinall和Marshek的 Fundamentals of Machine Component Design 以及Norton的 Machine Design: An Integrated Approach 给失效理论、疲劳和表面损伤更多篇幅，Norton还借助计算机计算贯穿若干反复出现的案例。Shigley's Mechanical Engineering Design 则是面向高年级课程的参考书级教材。Mott适合作为第一本机械设计教材，课程需要更多理论时，可以把上述任一本作为下一步。

设计方法论方面的书承担不同的任务。Nigel Cross的 Engineering Design Methods 和Pahl与Beitz的 Engineering Design: A Systematic Approach 讨论的是如何发展产品概念，而不是确定齿轮、轴和轴承的尺寸。在做第23章的设计项目时值得同时阅读它们，因为那时学生必须自己界定并发展一个设计，而不是解一道给定的题。

如何使用本书

本书适合修完静力学和材料力学后第一次上机械设计课的机械工程和工程技术专业学生，也适合想要一本附有设计数据、易读的参考书的在职工程师。Pearson把它定位为机械设计课程教材。

一个学期的实用计划：

• 核心分析： 第1–5章。即使材料力学记忆犹新，也要认真学第3章，因为后面各章沿用它的符号和对应力集中的处理。第6章压杆可以在遇到受压构件时再学。
• 核心设计序列： 按顺序学习第7–15章。这些章节逐步通向第15章，因此每设计一个元件，都要记录下各项决定（转速、载荷、材料、尺寸）。
• 选学，视项目而定： 根据课程或项目从第16–22章中选择，例如机构类项目选弹簧和紧固件，结构类项目选机架、螺栓连接和焊接接头。
• 综合： 用第23章的一个设计项目作为学期项目。

学习每章时先读"The Big Picture"和设计情境，再在看解答之前自己做一遍例题。尽早熟悉附录，因为切合实际的设计依靠查找材料性能、优先尺寸和应力集中系数，而不是凭空假设。