Machine Elements in Mechanical Design（機械設計中的機械元件）

引用

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

章節概要

第6版共23章，分為三部分，書末另有19個提供數據與設計資料的附錄。第一部分複習設計所需的應力分析與負載處理；第二部分圍繞一套機械傳動裝置的設計展開；第三部分討論其他機械元件，並以一章設計專題收尾。根據Pearson的介紹，本版新增兩位共同作者，強化了應力分析的內容，也擴大了技術主題的範圍。

第1章：機械設計的本質

作為第一部分「設計與應力分析原理」的開篇，本章說明機械設計包含哪些工作，以及本書如何處理這些工作。

第2章：機械設計中的材料

概述工程材料及其設計性質，為使用附錄中的性質表做準備。附錄涵蓋碳鋼與合金鋼、熱處理鋼、滲碳鋼、不鏽鋼、結構鋼、鑄鐵、鋁、鋅、鎂、鎳與鈦合金、銅合金以及塑膠。

第3章：應力與變形分析

從Pearson免費提供的本章試閱可以看出章節的形式。開頭的「The Big Picture」提出討論題，請讀者想想熟悉的產品如何失效；「You Are the Designer」則以一台通用起重機的設計情境複習靜力學與自由體分析。接下來的23節複習軸向與剪切直接應力、扭轉（包括非圓形斷面與薄壁管）、梁的彎曲應力與剪應力、剪力中心、梁的撓度、曲梁、疊加原理、應力集中與缺口敏感度。內文明白指出，本章假定讀者已修完材料力學課程。

第4章：組合應力

討論同時承受多種應力的構件，把第3章複習的單一負載情形加以推廣。

第5章：不同負載型態下的設計

討論負載型態（靜負載或變動負載）如何決定設計方法。它與第3、4章共同構成後續各元件章節所依賴的分析基礎。

第6章：柱

第一部分最後討論受壓構件，此時限制設計的是穩定性而不是應力。

第7–10章：皮帶傳動與鏈條傳動；齒輪運動學；正齒輪設計；螺旋齒輪、斜齒輪與蝸桿傳動

第二部分「機械傳動裝置的設計」從撓性傳動開始，然後進入齒輪：先是齒輪運動學，再是正齒輪設計，接著是螺旋齒輪、斜齒輪與蝸桿傳動。附錄19提供正齒輪孔蝕計算用的幾何係數。

第11–14章：鍵、聯軸器與油封；軸的設計；公差與配合；滾動軸承

連接與支撐旋轉零件的元件：依序為鍵、聯軸器與油封，軸，公差與配合，滾動軸承。第3章試閱中已有一道計算齒輪軸撓度的例題，並提示讀者參閱後面討論齒輪受力的章節。

第15章：完成動力傳動裝置的設計

第二部分的總結章，把分別設計的各個元件組合成一套完整的動力傳動裝置。

第16–19章：滑動軸承；直線運動元件；彈簧；扣件

第三部分「設計細節與其他機械元件」轉向傳動裝置以外的零件：滑動軸承、直線運動元件、彈簧與扣件。

第20–22章：機架、螺栓接合與銲接接頭；電動機與控制；運動控制：離合器與煞車

把機器連成一體的結構，以及驅動與控制機器的元件：機架與接頭，電動機及其控制，離合器與煞車。

第23章：設計專題

最後一章彙集了需要運用全書內容的設計專題。

核心概念

第一部分：設計與應力分析原理（第1–6章）

• 安全設計：元件所受的應力與變形，在可合理預見的條件下必須維持在可接受範圍內；第3章即從這個理念開始。
• 應力元素：用來表示某一點上正向應力與剪應力的微小元素。
• 應力集中與缺口敏感度：幾何形狀變化處應力的局部升高，以及某種材料實際承受了其中多少。
• 組合應力：多種負載同時作用時的應力狀態。
• 柱的穩定性：受壓構件因挫屈而非應力過大而失效。

第二部分：機械傳動裝置的設計（第7–15章）

• 齒輪運動學：嚙合齒輪的幾何關係與速度關係，在齒輪強度之前學習。
• 軸的設計：決定裝有齒輪、皮帶輪或鏈輪並由軸承支撐的軸的尺寸。
• 公差與配合：規定相配零件的尺寸界限。
• 系統整合：把分別設計的元件組合起來，完成動力傳動裝置（第15章）。

第三部分：設計細節與其他機械元件（第16–23章）

• 軸承類型：滾動軸承（第14章）與滑動軸承（第16章）是支撐運動零件的兩種不同方式。
• 接頭：機架中的螺栓接合與銲接接頭。
• 運動控制：離合器與煞車，以及驅動機器的電動機及其控制。

評析

優點

• 在整體中設計元件。 Pearson把本書的重點描述為應用各種機械元件，同時始終把它們放在所屬的整部機器中考量。全書結構正體現這一點：第二部分圍繞一套機械傳動裝置的設計展開，從皮帶與齒輪到軸與軸承，並以完成動力傳動裝置的一章收尾。
• 清楚一致的例題。 第3章試閱中約有二十道例題，都採用「目標、已知、分析、結果、說明」的統一格式，之後是八十多道章末習題。例題同時使用美國慣用單位與SI單位，這對日後可能遇到任一單位制的讀者很重要。
• 實用的設計數據。 19個附錄收錄斷面性質、優先尺寸與螺紋、多種金屬與塑膠的性質表、梁撓度公式、標準結構型鋼、換算係數、硬度換算與應力集中係數。試閱章節也列出參考文獻與網路資源，例如教學用應力分析軟體與應力集中數據的線上來源。
• 內建複習。 第3–5章在設計任何元件之前先複習應力分析，因此材料力學學過一段時間的學生不必另找教科書也能跟上。

局限

• 重廣度而非深度。 以23章涵蓋眾多元件，每個主題所占篇幅少於分析性較強的機械設計教科書。本書是實用的課程教科書，而不是失效理論的參考書。
• 先修要求確實需要。 複習章節雖有幫助，但試閱明白指出它假定讀者已修完材料力學並熟悉靜力學；這部分內容只是複習，不是入門課程。
• 篇幅大，需要取捨。 Open Library對這個精裝本的紀錄為880頁，多數課程需要挑選章節，特別是第三部分。

在課程中的定位

在本課程的機械設計教科書中，Mott最直接以實務為導向：它先複習學生需要的應力分析，再一步步完成一套完整傳動裝置的設計。Juvinall與Marshek的 Fundamentals of Machine Component Design 以及Norton的 Machine Design: An Integrated Approach 給失效理論、疲勞與表面損傷更多篇幅，Norton還藉助電腦計算貫穿幾個反覆出現的案例。Shigley's Mechanical Engineering Design 則是面向高年級課程的參考書等級教材。Mott適合作為第一本機械設計教科書，課程需要更多理論時，可以把上述任一本當作下一步。

設計方法論方面的書承擔不同的任務。Nigel Cross的 Engineering Design Methods 與Pahl和Beitz的 Engineering Design: A Systematic Approach 討論的是如何發展產品概念，而不是決定齒輪、軸與軸承的尺寸。在做第23章的設計專題時值得一併閱讀，因為那時學生必須自己界定並發展一個設計，而不是解一道給定的題目。

如何使用本書

本書適合修完靜力學與材料力學後第一次修機械設計課的機械工程與工程技術科系學生，也適合想要一本附有設計數據、容易閱讀的參考書的在職工程師。Pearson把它定位為機械設計課程教科書。

一學期的實用計畫：

• 核心分析： 第1–5章。即使材料力學記憶猶新，也要認真讀第3章，因為後面各章沿用它的符號與對應力集中的處理。第6章柱可以在遇到受壓構件時再讀。
• 核心設計序列： 依序研讀第7–15章。這些章節逐步導向第15章，因此每設計一個元件，都要記下各項決定（轉速、負載、材料、尺寸）。
• 選讀，視專題而定： 依課程或專題從第16–22章中挑選，例如機構類專題選彈簧與扣件，結構類專題選機架、螺栓接合與銲接接頭。
• 整合： 以第23章的一個設計專題作為學期專題。

研讀每章時先讀「The Big Picture」與設計情境，再在看解答之前自己做一遍例題。及早熟悉附錄，因為貼近實際的設計仰賴查詢材料性質、優先尺寸與應力集中係數，而不是憑空假設。