01 / 導讀
導讀
引用
Norton, R. L. (2019). Machine Design: An Integrated Approach (6th ed.). Pearson.
章節概要
第六版共17章，分為兩部分：第一部分「基礎」（第1—8章）和第二部分「機械設計」（第9—17章），附錄有四個：材料性質、梁表、應力集中係數和部分習題答案。Pearson 稱本書針對機械工程專業三、四年級學生，強調失效理論與分析，以及機械零件的綜合與設計。
第1章：Introduction to Design（設計導論）
設計過程及其階段（定義、初步設計、詳細設計、文件化）、問題的表述、包含估算和一階分析的工程模型與工程草圖，以及包含計算精度在內的電腦輔助設計與工程。還講工程報告、安全係數與設計規範、統計考量和單位。
第2章：Materials and Processes（材料與工藝）
材料性質的定義（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉和衝擊試驗，疲勞強度，斷裂韌性，蠕變）、性質的統計特性、硬度與熱處理、塗層與表面處理。概述金屬、聚合物、陶瓷和複合材料，最後講材料的選擇。
第3章：Kinematics and Load Determination（運動學與負載確定）
自由度、機構、常見的單自由度機構（四杆和六杆機構、凸輪與從動件），以及四杆機構和曲柄滑塊機構的位置、速度和加速度分析。經過凸輪設計與分析一節，進入負載分析：負載類別、受力圖，靜態、動態和三維負載的案例研究，振動與衝擊負載，以及用奇異函數處理的梁負載。
第4章：Stress, Strain, and Deflection（應力、應變與撓度）
應力與應變、主應力、平面應力與平面應變、莫爾圓、軸向、剪切和擠壓應力、彎曲、梁的撓度（奇異函數、超靜定梁、卡氏方法）、扭轉、組合應力和彈簧剛度。本章還講應力集中、柱以及厚壁與薄壁圓筒，最後是案例研究。
第5—6章：Static Failure Theories（靜態失效理論）；Fatigue Failure Theories（疲勞失效理論）
第5章講延性材料的失效（馮·米塞斯—亨奇、最大剪應力、最大正應力）、脆性材料的失效（庫侖—莫爾、修正莫爾）、斷裂力學以及這些理論的使用，並附案例研究。第6章講疲勞失效的機理，應力—壽命、應變—壽命和斷裂力學模型，疲勞負載，疲勞強度的估算與修正係數，缺口與殘餘應力。隨後講針對完全對稱循環、波動和多軸應力的設計，高週疲勞設計的一般方法，以及一個案例研究。
第7—8章：Surface Failure（表面失效）；Finite Element Analysis（有限元分析）
第7章講表面幾何、摩擦、黏著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞，以及球、圓柱和一般接觸的接觸應力（包括動態接觸）。第8章介紹有限元法：單元類型、網格劃分與收斂、邊界條件、負載、模型驗證和模態分析。
第9章：Design Case Studies（設計案例研究）
第二部分的第一章，介紹三個設計案例研究：可攜式空氣壓縮機、草捆提升機和凸輪試驗機。它們被編為案例研究8、9、10，後面各章以案例研究8B—8D、9B、10B—10C的形式再次出現。
第10—11章：Shafts, Keys, and Couplings（軸、鍵與聯軸器）；Bearings and Lubrication（軸承與潤滑）
第10章講軸的負載與應力、組合負載下的失效、針對完全對稱循環或波動負載的設計、撓度、鍵、花鍵、過盈配合、飛輪、臨界轉速、聯軸器，以及一個傳動軸案例研究。第11章講潤滑劑與黏度、流體動力潤滑理論與軸承設計，隨後講滾動軸承及其失效、選型和安裝。
第12—13章：Spur Gears（直齒圓柱齒輪）；Helical, Bevel, and Worm Gears（斜齒、錐齒與蝸桿傳動）
第12章包括輪齒理論、干涉、重合度、輪系、製造、負載、彎曲與齒面應力、材料和潤滑。第13章擴充套件到斜齒輪、錐齒輪和蝸桿副。
第14—17章：Spring Design（彈簧設計）；Screws and Fasteners（螺釘與扣件）；Weldments（焊接件）；Clutches and Brakes（離合器與制動器）
第14章講螺旋壓縮彈簧、拉伸彈簧、扭轉彈簧和碟形彈簧墊圈。第15章講螺紋形式、動力螺桿、螺栓與預緊連接、連接剛度、預緊力的控制，以及受剪扣件。第16章講焊接工藝、焊接接頭、焊縫的靜態和動態負載以及偏心受載的焊縫圖形。第17章講盤式和鼓式離合器與制動器。
核心概念
第1—4章：設計、材料、負載與應力
- 工程模型與一階分析：在詳細計算之前，藉助工程草圖先作估算。
- 機構與凸輪分析：自由度、格拉曉夫條件、連桿的向量環分析、凸輪從動件運動。
- 奇異函數：第3章和第4章中用於梁的負載與撓度的方法。
第5—8章：失效、表面與有限元分析
- 靜態失效理論：馮·米塞斯—亨奇、最大剪應力、最大正應力、庫侖—莫爾和修正莫爾。
- 應力—壽命、應變—壽命與LEFM方法：對疲勞建模的三種方式。
- 修正古德曼圖：用於波動應力下設計的工具。
- 接觸應力：球、圓柱和一般接觸中的應力分布與表面疲勞。
第9—17章：機械零件與案例研究
- 反覆出現的案例研究：第9章的三個設計在後面各章中繼續展開。
- 預緊扣件與連接剛度：靜負載和動負載下受拉的螺栓。
- 齒輪應力：直齒、斜齒、錐齒和蝸桿傳動中的彎曲應力與齒面應力。
評析
優點
- 理論與設計融於一體。 第一部分建立分析工具（負載、應力、靜態與疲勞失效、表面失效、有限元），第二部分把它們用於機械零件，Pearson 將此表述為強調失效理論以及綜合與設計。
- 貫穿各章的案例研究。 第9章提出的三個案例研究，在軸、軸承、齒輪、彈簧和扣件各章中再次出現，使同一個設計被追蹤著經過多種零件。
- 基礎內容寬廣。 運動學、連桿與凸輪（第3章）、獨立的有限元分析一章（第8章）以及擴充的疲勞內容（應力—壽命、應變—壽命和LEFM方法），目錄中都有。Pearson 稱本書不依賴任何特定的電腦程式，同時強調電腦輔助工程。
- 專門的設計主題。 焊接件和彈簧（包括拉伸彈簧、扭轉彈簧和碟形彈簧墊圈）各章對許用強度和設計步驟講得很細。
局限
- 零件覆蓋有缺口。 目錄中沒有帶傳動、鏈傳動等撓性傳動的章，也沒有專門講鉚接或黏接的章。
- 第一部分較長。 包括運動學和有限元分析在內的八章排在第一個零件章之前，機械零件的設計要到第10章才開始。
- 版本細節難以確定。 Pearson 列出精裝本為2019年出版，Mastering 為2020年更新，電子版為2021年出版、版權2022年，均屬第六版，所以年份因形態而異。
- 案例研究編號。 案例研究在第9章從8開始編號，後面各章稱之為8B、9B等，因此只讀單獨一章的讀者，需要回到第9章檢視某一節延續的是哪個設計。
在課程中的定位
Norton 的書與 Juvinall 和 Marshek 的 Fundamentals of Machine Component Design 重疊最多。兩本書都先用較長的基礎部分講負載、應力、失效和疲勞，再轉入零件。Norton 增加了運動學、凸輪和有限元一章，並讓三個案例研究貫穿各零件章；Juvinall 和 Marshek 則講帶傳動與鏈傳動、鉚接與黏接、微納尺度元件和一個變速器案例研究。任何一本都可以作主教材，另一本則是有用的第二種講解。
Mott 的 Machine Elements in Mechanical Design 被介紹為選擇和確定零件尺寸的實用、循序漸進的書；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高年級核心參考書。Cross 的 Engineering Design Methods 與 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 講設計過程，可以在 Norton 第1章之前或與之並行閱讀。
如何使用本書
Pearson 將本書定位於機械工程專業三、四年級學生。書中假定讀者學過靜力學、動力學和材料力學，不過第4章複習應力、應變和撓度，第3章也包含自己的運動學內容。
一個切實可行的讀法如下：
- 核心： 第1、4、5、6章。疲勞（第6章）在軸、彈簧、扣件和焊接件的設計中反覆出現。
- 選讀： 材料基礎薄弱讀第2章；課程沒有單獨的運動學則讀第3章；磨損與接觸應力讀第7章；課程使用有限元軟體則讀第8章。
- 案例研究： 在零件各章之前先讀第9章，然後讓一個案例研究貫穿第10章到第15章。
- 零件： 第10—17章可按課程需要的順序閱讀；齒輪（第12—13章）和滾動軸承（第11章）是應用第7章接觸應力概念的合適位置。
做每章末尾的習題，並用附錄D核對所選習題的答案。