Shigley 機械工程設計

引用

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

章節概要

全書分四個部分，共 20 章，另有兩個附錄（“Useful Tables”和“Answers to Selected Problems”），約 1,100 頁。其結構就是機械設計的邏輯順序：先是材料、載荷和撓度的基礎，然後是零件是否會失效的問題，接著是各個機械要素的設計，最後是兩個專題。McGraw Hill 介紹說，本書面向剛開始學習機械工程設計的學生，把概念的基礎性展開與零部件的實際選型結合起來。

第一部分，第 1–4 章：Basics（基礎）

第一部分有四章：“Introduction to Mechanical Engineering Design”、“Materials”、“Load and Stress Analysis”和“Deflection and Stiffness”。它們合起來建立設計的背景、設計者所需的材料特性，以及承載構件中應力與撓度的計算，這些都是後續每一章預設的基礎。

第二部分，第 5–6 章：Failure Prevention（失效預防）

兩章，“Failures Resulting from Static Loading”和“Fatigue Failure Resulting from Variable Loading”，把應力結果轉化為零件能否承受的判斷。它們涵蓋每個機械零件都必須核對的兩種情形：穩定載荷和隨時間變化的載荷。

第三部分，第 7–18 章：Design of Mechanical Elements（機械要素設計）

這是最長的部分，共十二章，把前兩部分應用於機器的標準要素。順序是：“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”；然後是三章齒輪（“Gears - General”、“Spur and Helical Gears”、“Bevel and Worm Gears”）；“Clutches, Brakes, Couplings and Flywheels”；以及“Flexible Mechanical Elements”。本部分最後一章“Power Transmission Case Study”以一個應用案例，而不是又一種零件，結束這一系列要素章節。

第四部分，第 19–20 章：Special Topics（專題）

全書以“Finite-Element Analysis”和“Geometric Dimensioning and Tolerancing”收尾，前者是分析應力與撓度的計算方法，後者是規定製造零件幾何形狀的一種語言。

核心概念

第一部分：基礎

• 載荷與應力分析：由作用在構件上的力求出構件中的應力。
• 撓度與剛度：構件在載荷下變形多少，以及這如何限制設計。
• 材料：設計者確定零件尺寸時所依據的材料特性。

第二部分：失效預防

• 靜載失效：判斷承受穩定載荷的零件是否會屈服或斷裂的準則。
• 疲勞失效：變載荷下的失效，支配著大多數旋轉零件和承受迴圈載荷的零件。

第三部分：機械要素

• 軸、緊韌體與連線：旋轉構件的設計，以及非永久（螺栓）和永久（焊接或粘接）連線。
• 彈簧與軸承：機械彈簧、滾動軸承，以及潤滑與滑動軸承。
• 齒輪傳動：直齒、斜齒、錐齒和蝸桿傳動。
• 離合器、制動器、聯軸器、飛輪與撓性元件：傳動系統的其餘部件。

第四部分：專題

• 有限元分析：應力與撓度的數值分析。
• 幾何尺寸與公差：規定零件幾何形狀及允許偏差的標準記法。

評析

優點

• 清晰的邏輯順序。 由應力和撓度，到靜載與疲勞失效，再到要素設計，使每一章要素內容都能依靠已經建立起來的工具。學生可以明白為什麼齒輪或軸要那樣校核。
• 一本書涵蓋大量零部件。 第三部分的十二章涉及軸、緊韌體、焊接、彈簧、軸承、潤滑、齒輪、離合器與制動器以及撓性元件，因此一本書就可以服務一整個機械設計課程序列，之後還可以當作參考書。出版社稱其目標是讓讀者熟悉決策的依據和工業零部件的標準，這也是它被留在手邊用於實踐的原因。
• 要素之後的案例研究。 第 18 章是“Power Transmission Case Study”，因此主要的要素章節以應用例項收尾，而不是再增加一個孤立的話題。
• 成熟的作者與悠久的歷史。 出版社稱本書近 50 年來一直是機械設計的標準教材。Keith Nisbett 用這本書教學已超過 25 年；Richard Budynas 在機械工程設計的教學與實踐方面有 40 多年經驗，並持有執業工程師執照。
• 附錄提供部分習題的答案，便於自我檢查。

侷限

• 對一門課來說太多。 20 章約 1,100 頁，沒有哪一門課能全部講完。教師或學生必須選擇要素，而目錄並未顯示哪些是核心。
• 設計前端偏薄。 整體設計過程只出現在第一章。概念生成與設計方法學留給了下文所列的其他書；本書集中於零部件的分析與尺寸確定。
• 有限元與公差各佔一章。 兩者都是入門性質，需要深入使用這些方法的學生還要另找專門教材或軟體文件。
• 按釋出版本更新。 McGraw Hill 以“evergreen”交付模式、通過編號的釋出版（release）提供本書，這裡給出的章節目錄是 2024 release 的。不同釋出版之間內容可能變化，學生應確認課程採用的是哪一版。

在課程中的定位

在本課程書單中，Shigley 是零部件設計的全面參考教材。Mott、Vavrek 和 Wang 的 Machine Elements in Mechanical Design 以循序漸進、解題式的方式講授類似的要素，對希望得到比 Shigley 更多引導的學生來說，適合作為入門書或配套書。Juvinall 與 Marshek 的 Fundamentals of Machine Component Design 和 Norton 的 Machine Design: An Integrated Approach 是水平相近的替代選擇：Juvinall 與 Marshek 先建立分析基礎（靜載失效理論、疲勞與表面損傷），再應用於零部件，Norton 則通過反覆出現的案例研究把各個主題串聯起來。三本中任何一本都可以作為主教材，其他則在需要對難點換一種講法時使用。

Cross 的 Engineering Design Methods 與 Pahl 和 Beitz 的 Engineering Design: A Systematic Approach 處理的是零部件尺寸確定之前的階段：如何澄清設計問題並選定方案。Shigley 只用一個導引性章節講這一階段，所以包含概念設計的設計課程應當把它與其中一本結合使用。

如何使用本書

本書面向已學過靜力學、材料力學和工程材料導論的機械工程專業學生；對離合器、制動器和飛輪各章，動力學基礎會有所幫助。出版社說明，它面向剛開始學習機械工程設計的學生。

一個實用的讀法如下：

• 核心： 按順序讀第 1 至 6 章，尤其要認真對待第 5、6 章，它們是各要素章節所依賴的失效校核。
• 按課程選擇要素： 第 7 至 9 章（軸、緊韌體與連線）通常是起點；再根據課程加入彈簧、軸承或齒輪。第 18 章展示各部分如何組合，即使此前只學了部分要素章節，也值得一讀。
• 可選： 第 19、20 章作為有限元分析與公差的入門，適合日後會在後續課程或專案中遇到它們的學生。
• 練習： 做各章習題，並對照附錄 B 中的部分習題答案；設計計算所依賴的數表見附錄 A。