Shigley 机械工程设计

引用

Nisbett, J. K., & Budynas, R. G. (2024). Shigley's Mechanical Engineering Design (2024 release). McGraw Hill.

章节概要

全书分四个部分，共 20 章，另有两个附录（“Useful Tables”和“Answers to Selected Problems”），约 1,100 页。其结构就是机械设计的逻辑顺序：先是材料、载荷和挠度的基础，然后是零件是否会失效的问题，接着是各个机械要素的设计，最后是两个专题。McGraw Hill 介绍说，本书面向刚开始学习机械工程设计的学生，把概念的基础性展开与零部件的实际选型结合起来。

第一部分，第 1–4 章：Basics（基础）

第一部分有四章：“Introduction to Mechanical Engineering Design”、“Materials”、“Load and Stress Analysis”和“Deflection and Stiffness”。它们合起来建立设计的背景、设计者所需的材料特性，以及承载构件中应力与挠度的计算，这些都是后续每一章默认的基础。

第二部分，第 5–6 章：Failure Prevention（失效预防）

两章，“Failures Resulting from Static Loading”和“Fatigue Failure Resulting from Variable Loading”，把应力结果转化为零件能否承受的判断。它们涵盖每个机械零件都必须核对的两种情形：稳定载荷和随时间变化的载荷。

第三部分，第 7–18 章：Design of Mechanical Elements（机械要素设计）

这是最长的部分，共十二章，把前两部分应用于机器的标准要素。顺序是：“Shafts and Shaft Components”；“Screws, Fasteners, and the Design of Nonpermanent Joints”；“Welding, Bonding, and the Design of Permanent Joints”；“Mechanical Springs”；“Rolling-Contact Bearings”；“Lubrication and Journal Bearings”；然后是三章齿轮（“Gears - General”、“Spur and Helical Gears”、“Bevel and Worm Gears”）；“Clutches, Brakes, Couplings and Flywheels”；以及“Flexible Mechanical Elements”。本部分最后一章“Power Transmission Case Study”以一个应用案例，而不是又一种零件，结束这一系列要素章节。

第四部分，第 19–20 章：Special Topics（专题）

全书以“Finite-Element Analysis”和“Geometric Dimensioning and Tolerancing”收尾，前者是分析应力与挠度的计算方法，后者是规定制造零件几何形状的一种语言。

核心概念

第一部分：基础

• 载荷与应力分析：由作用在构件上的力求出构件中的应力。
• 挠度与刚度：构件在载荷下变形多少，以及这如何限制设计。
• 材料：设计者确定零件尺寸时所依据的材料特性。

第二部分：失效预防

• 静载失效：判断承受稳定载荷的零件是否会屈服或断裂的准则。
• 疲劳失效：变载荷下的失效，支配着大多数旋转零件和承受循环载荷的零件。

第三部分：机械要素

• 轴、紧固件与连接：旋转构件的设计，以及非永久（螺栓）和永久（焊接或粘接）连接。
• 弹簧与轴承：机械弹簧、滚动轴承，以及润滑与滑动轴承。
• 齿轮传动：直齿、斜齿、锥齿和蜗杆传动。
• 离合器、制动器、联轴器、飞轮与挠性元件：传动系统的其余部件。

第四部分：专题

• 有限元分析：应力与挠度的数值分析。
• 几何尺寸与公差：规定零件几何形状及允许偏差的标准记法。

评析

优点

• 清晰的逻辑顺序。 由应力和挠度，到静载与疲劳失效，再到要素设计，使每一章要素内容都能依靠已经建立起来的工具。学生可以明白为什么齿轮或轴要那样校核。
• 一本书涵盖大量零部件。 第三部分的十二章涉及轴、紧固件、焊接、弹簧、轴承、润滑、齿轮、离合器与制动器以及挠性元件，因此一本书就可以服务一整个机械设计课程序列，之后还可以当作参考书。出版社称其目标是让读者熟悉决策的依据和工业零部件的标准，这也是它被留在手边用于实践的原因。
• 要素之后的案例研究。 第 18 章是“Power Transmission Case Study”，因此主要的要素章节以应用实例收尾，而不是再增加一个孤立的话题。
• 成熟的作者与悠久的历史。 出版社称本书近 50 年来一直是机械设计的标准教材。Keith Nisbett 用这本书教学已超过 25 年；Richard Budynas 在机械工程设计的教学与实践方面有 40 多年经验，并持有执业工程师执照。
• 附录提供部分习题的答案，便于自我检查。

局限

• 对一门课来说太多。 20 章约 1,100 页，没有哪一门课能全部讲完。教师或学生必须选择要素，而目录并未显示哪些是核心。
• 设计前端偏薄。 整体设计过程只出现在第一章。概念生成与设计方法学留给了下文所列的其他书；本书集中于零部件的分析与尺寸确定。
• 有限元与公差各占一章。 两者都是入门性质，需要深入使用这些方法的学生还要另找专门教材或软件文档。
• 按发布版本更新。 McGraw Hill 以“evergreen”交付模式、通过编号的发布版（release）提供本书，这里给出的章节目录是 2024 release 的。不同发布版之间内容可能变化，学生应确认课程采用的是哪一版。

在课程中的定位

在本课程书单中，Shigley 是零部件设计的全面参考教材。Mott、Vavrek 和 Wang 的 Machine Elements in Mechanical Design 以循序渐进、解题式的方式讲授类似的要素，对希望得到比 Shigley 更多引导的学生来说，适合作为入门书或配套书。Juvinall 与 Marshek 的 Fundamentals of Machine Component Design 和 Norton 的 Machine Design: An Integrated Approach 是水平相近的替代选择：Juvinall 与 Marshek 先建立分析基础（静载失效理论、疲劳与表面损伤），再应用于零部件，Norton 则通过反复出现的案例研究把各个主题串联起来。三本中任何一本都可以作为主教材，其他则在需要对难点换一种讲法时使用。

Cross 的 Engineering Design Methods 与 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 处理的是零部件尺寸确定之前的阶段：如何澄清设计问题并选定方案。Shigley 只用一个导引性章节讲这一阶段，所以包含概念设计的设计课程应当把它与其中一本结合使用。

如何使用本书

本书面向已学过静力学、材料力学和工程材料导论的机械工程专业学生；对离合器、制动器和飞轮各章，动力学基础会有所帮助。出版社说明，它面向刚开始学习机械工程设计的学生。

一个实用的读法如下：

• 核心： 按顺序读第 1 至 6 章，尤其要认真对待第 5、6 章，它们是各要素章节所依赖的失效校核。
• 按课程选择要素： 第 7 至 9 章（轴、紧固件与连接）通常是起点；再根据课程加入弹簧、轴承或齿轮。第 18 章展示各部分如何组合，即使此前只学了部分要素章节，也值得一读。
• 可选： 第 19、20 章作为有限元分析与公差的入门，适合日后会在后续课程或项目中遇到它们的学生。
• 练习： 做各章习题，并对照附录 B 中的部分习题答案；设计计算所依赖的数表见附录 A。