01 / 導讀
導讀
引用
Juvinall, R. C., & Marshek, K. M. (2020). Fundamentals of Machine Component Design (7th ed.). John Wiley & Sons.
章節概要
全書約800頁，分為基礎篇（第1—9章）與應用篇（第10—22章）。第1章點明了全書的組織思路：機械零組件的設計，建立在構件內部的應力—應變—強度關係，以及摩擦、潤滑、磨耗和環境劣化等表面現象這兩方面之上。
第1章：Mechanical Engineering Design in Broad Perspective（宏觀視野下的機械工程設計）
對作為專業工程實務的設計作整體介紹，涉及安全、生態與社會考量、單位制，以及求解機械零組件問題的方法論。該方法論圍繞一套固定的解題格式展開（已知、求解、示意圖與給定資料、決策、假設、分析、討論）。本章最後講功、能量、功率與能量守恆。
第2章：Load Analysis（負載分析）
平衡方程式與自由體圖、樑的負載，以及用來找出危險截面的「力流」概念。本章也討論冗餘支承之間的負載分配，包括冗餘的延性結構。
第3章：Materials（材料）
靜態拉伸試驗以及工程應力—應變與真實應力—應變關係、依據硬度估算強度、手冊資料的使用。後面各節概述鑄鐵、鋼、非鐵合金、塑膠與複合材料，然後介紹材料選擇圖與選材流程。
第4章：Static Body Stresses（靜態構件應力）
軸向、直接剪力、扭轉、彎曲與橫向剪力負載所產生的應力，包括曲樑。隨後轉入莫爾圓、組合應力與三維應力、應力集中係數、降伏造成的殘留應力與熱應力。
第5章：Elastic Strain, Deflection, and Stability（彈性應變、撓度與穩定性）
應變量測與應變花、彈性應力—應變關係、彈簧常數與樑的撓度，並以卡氏方法求撓度與冗餘反力。本章最後講柱的挫屈（歐拉公式、強森拋物線、正割公式）、其他類型的挫屈以及有限元素分析。
第6章：Failure Theories, Safety Factors, and Reliability（失效理論、安全係數與可靠度）
失效類型、破壞力學（基本概念與應用），以及靜態失效理論：最大正向應力理論、最大剪應力理論、最大畸變能理論，以及莫爾理論與修正莫爾理論。關於如何選用理論的幾節之後，轉入安全係數、可靠度、常態分布與干涉理論。
第7—9章：Impact（衝擊）；Fatigue（疲勞）；Surface Damage（表面損傷）
第7章講衝擊引起的應力與撓度，以及應力集中的影響。第8章從疲勞的基本概念與標準疲勞強度出發，依序討論表面與尺寸的影響、平均應力、應力集中、隨機負載、表面處理與疲勞裂縫成長，最後提出疲勞設計的一般方法。第9章講腐蝕、孔蝕、磨耗、接觸應力與表面疲勞失效。
第10—11章：Threaded Fasteners and Power Screws（螺紋扣件與動力螺桿）；Rivets, Welding, and Bonding（鉚接、銲接與黏接）
螺紋形式、動力螺桿、螺栓鎖緊與預拉力，以及靜負載與疲勞負載下的螺栓選用。第11章講鉚釘、靜負載與疲勞負載下的銲接接頭、硬銲、軟銲與黏著劑。
第12章：Springs（彈簧）
扭力桿、螺旋壓縮彈簧（應力、強度、端部形式、挫屈、靜負載與疲勞設計），以及拉伸彈簧、樑式彈簧、板片彈簧與扭轉彈簧。
第13—14章：Lubrication and Sliding Bearings（潤滑與滑動軸承）；Rolling-Element Bearings（滾動軸承）
第13章先介紹潤滑劑與流體動力潤滑理論，再講設計圖表、散熱、軸承材料、推力軸承與彈性流體動力潤滑。第14章講滾動軸承的類型、設計、配合、型錄資訊、選用與安裝。
第15—16章：Spur Gears（正齒輪）；Helical, Bevel, and Worm Gears（斜齒輪、傘齒輪與蝸桿傳動）
正齒輪的幾何、受力分析、輪齒彎曲（從路易斯公式到精細方法）與齒面耐久性，並附有設計步驟、材料與輪系。第16章把這些內容擴展到斜齒輪、交錯軸斜齒輪、傘齒輪與蝸桿傳動。
第17—19章：Shafts and Associated Parts（軸及相關零件）；Clutches and Brakes（離合器與煞車）；Belts, Chains, and Other Components（皮帶、鏈條及其他元件）
軸承的配置與安裝、旋轉軸動力學、軸的整體設計、鍵、花鍵與聯軸器。第18章講盤式、錐式與鼓式離合器與煞車、帶式煞車及能量吸收。第19章講皮帶、鏈條、液力耦合器與液力變矩器。
第20—22章：Micro/Nanoscale Machine Elements（微奈米尺度機械元件）；Machine Component Interrelationships（機械零組件的相互關係）；Remote Control Car Project（遙控車專案）
第20章簡要介紹微奈米尺度的致動器、軸承與感測器。第21章是對最初的 Hydra-Matic 變速箱的案例研究，先以自由體圖求出齒輪比與各元件負載，再討論齒輪、煞車與離合器的設計考量。第22章是一個設計專案案例，講遙控車機械系統的設計與製作。
核心概念
第1—3章：視野、負載與材料
- 力流概念：追蹤負載在結構中的傳遞路徑，以找出危險截面。
- 七步解題格式：從已知條件出發，經過決策與假設，到分析與討論的一套書面步驟。
第4—6章：應力、撓度與失效
- 應力集中與殘留應力：局部的應力集中，以及降伏之後留下的應力，在應力一章中分別討論。
- 卡氏方法：求彈性撓度與冗餘反力的能量方法。
- 靜態失效理論：最大正向應力、最大剪應力、最大畸變能以及（修正）莫爾理論。
- 安全係數與可靠度：如何選取安全係數的數值，並配合常態分布與干涉理論。
第7—9章：衝擊、疲勞與表面損傷
- 疲勞強度修正因子：負載類型、表面、尺寸、平均應力與應力集中的影響。
- 磨耗與接觸應力：黏著磨耗、研磨磨耗、擦撞磨耗、曲面接觸應力與表面疲勞。
第10—22章：零組件與案例研究
- 螺栓預拉力與接合疲勞：預拉力、使接合分離的外力，以及提高螺栓接合疲勞強度的辦法。
- 輪齒強度與耐久性：輪齒彎曲（路易斯公式與精細方法）與齒面疲勞分析。
- 相互關聯的元件：變速箱案例研究，其中齒輪、煞車與離合器互相制約。
評析
優點
- 先基礎，後零件。 全書22章中，前9章先討論負載、材料、應力、撓度、失效理論、衝擊、疲勞與表面損傷，然後才開始設計具體零件。第1章把這種安排說成是有意為之：重點放在對書中未講到的零件也同樣適用的方法與步驟上。
- 看得見的解題步驟。 第1章提出七步解題格式，並說明例題採用了這一格式。作者也提醒不要機械式套用，這對正在養成習慣的學生是有益的忠告。
- 失效內容涵蓋面廣。 Wiley 把破壞力學、疲勞裂縫成長、磨耗模型與材料選擇列為本書特色，目錄也證實，除靜態失效與疲勞外，衝擊與表面損傷各有獨立的章。
- 設計不止於單一零件。 第21章以一台變速箱為例，依序講齒輪比、負載以及齒輪、煞車與離合器的設計，第22章則是一個設計專案。第1章還用相當篇幅討論安全，附有案例與一份措施清單。
- 參考資料與練習。 附錄包括單位換算、截面性質、內容豐富的材料性質表、樑的公式以及配合與公差。Wiley 指出，本版新增了100多道習題。
局限
- 並未涵蓋所有機械零件。 零件各章涉及扣件、銲接接頭、彈簧、軸承、齒輪、軸、離合器與煞車、皮帶與鏈條。凸輪與連桿機構不在目錄中，第1章也說明，要學習所有機械零件的詳細設計既不可行，也不必要。
- 篇幅與節奏。 約800頁、22章的規模，超出一門課程所能講完的範圍。第4章與第5章對應力與撓度講得很細（分別有17節與16節），教師需要選擇重點與取捨。
- 微奈米尺度內容簡短。 第20章只有5節，更像是對致動器、軸承與感測器的概覽，而不是設計講解。
- 計算方法著墨不多。 有限元素分析只作為第5章的一節（5.16）出現。出版社提到有軟體資料集與線上資源，但公開頁面沒有說明其內容。
在課程中的定位
在機械設計書單中，Juvinall 與 Marshek 屬於零組件設計教材。與它最接近的是 Norton 的 Machine Design: An Integrated Approach，本站介紹該書時說，它透過反覆出現的案例研究把應力分析、失效理論與機械零件結合起來，並著重疲勞與電腦輔助計算。Juvinall 與 Marshek 則先用一整組章節講基礎，再逐個講零件，最後以兩個案例研究收尾。
Robert Mott 的 Machine Elements in Mechanical Design 被介紹為一本實用的、循序漸進的書，講常見機械零件的選用與尺寸決定。Shigley's Mechanical Engineering Design 被介紹為設計零件並檢驗其能否承受預期負載的核心參考書，適用於高年級課程。Nigel Cross 的 Engineering Design Methods 與 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 討論設計流程本身，可以補充本書以零組件為中心的視角。
如何使用本書
本書適合已經修過靜力學、動力學與材料力學的機械工程學生。第2、4、5章講負載、應力與撓度，可以當作複習。它適合機械設計課程及其後的專題工作。
一個切實可行的讀法如下：
- 核心： 第1—6章與第8章，建立解題格式、負載、應力、撓度、失效準則與疲勞的基礎。螺栓、銲接與彈簧各章（第10—12章）反覆出現疲勞負載的小節，所以最好先把第8章學紮實。
- 視需要閱讀： 材料基礎薄弱就讀第3章；衝擊讀第7章；課程深入講軸承與齒輪時讀第9章（磨耗與接觸應力）。
- 零組件： 應用篇各章可依課程需要的順序閱讀。齒面耐久性（15.9—15.10節）與軸承各章，正是回頭複習第9章接觸應力與表面疲勞的合適位置；第17章（軸）也包含軸的軸承配置。
- 綜合應用： 第21章與第22章展示了零組件選擇之間如何相互影響，可作為團隊專題的範本。第20章可選讀。
做習題時，請依1.7節的七步格式寫出解答，材料性質與樑的公式要查附錄中的表格，不要憑記憶引用。