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第1篇 基础篇 3

第1章 设计介绍 3

1.1 设计 3

机械设计 3

迭代 4

1.2 典型设计过程 5

1.3 问题的提出与计算 6

定义阶段 6

初步设计阶段 7

详细设计阶段 7

归档阶段 7

1.4 工程模型 7

估计与一阶分析 7

工程草图 8

1.5 计算机辅助设计与工程 8

计算机辅助设计（CAD） 8

计算机辅助工程（CAE） 11

计算精度 12

1.6 工程报告 12

1.7 安全系数和设计规范 12

安全系数 12

选择安全系数 13

设计与安全规范 14

1.8 统计考虑 15

1.9 单位 15

1.10 小结 19

本章使用的重要公式 20

1.11 参考文献 20

1.12 网上资料 20

1.13 参考书目 21

1.14 习题 21

第2章 材料和工艺 23

2.0 引言 23

2.1 材料性能定义 24

拉伸试验 25

延伸性和脆性 26

压缩试验 27

弯曲试验 28

扭转试验 28

疲劳强度和耐力的极限 29

耐冲击 30

断裂韧度 31

蠕变和温度的影响 32

2.2 材料性能的统计性质 32

2.3 均匀性和各向同性 33

2.4 硬度 33

热处理 35

表面（壳）硬化 35

有色金属材料热处理 36

机械成形和硬化 36

2.5 涂层和表面处理 38

原电池作用 38

电镀 39

化学镀 39

阳极氧化 40

等离子喷涂涂层 40

化学涂层 40

2.6 常用金属材料的特性 40

铸铁 40

铸钢 41

锻钢 41

钢的编号系统 42

铝 44

钛 46

镁 46

铜合金 46

2.7 常用非金属材料的特性 47

高分子聚合物 47

陶瓷 48

复合材料 48

2.8 材料的选择 49

2.9 小结 51

本章使用的重要公式 52

2.10 参考文献 53

2.11 网上资料 53

2.12 参考书目 54

2.13 习题 55

第3章 运动与受力分析 59

3.0 简介 59

3.1 自由度 59

3.2 机构 60

3.3 自由度（运动能力）的计算 61

3.4 常见单自由度机构 62

平面四杆机构和Grashof准则 62

六杆机构 63

曲柄滑块及滑块曲柄四杆机构 64

凸轮机构 65

3.5 连杆机构运动分析 65

运动分类 65

矢量复数 66

矢量闭环方程 66

3.6 平面四杆机构分析 67

求解四杆机构位置 67

求解平面四杆机构速度 69

角速度比和机械效益 70

求解四杆机的加速度 71

3.7 曲柄滑块机构分析 73

求解四杆曲柄滑块机构位置 73

求解四杆曲柄滑块机构速度 74

求解四杆曲柄滑块机构加速度 74

其他连杆机构 75

3.8 凸轮机构设计和分析 75

时序图 76

svaj图 77

双休止凸轮机构多项式函数 77

单休止凸轮机构多项式函数 79

压力角 81

曲率半径 82

3.9 力分析的载荷分类 83

3.10 自由体图 84

3.11 载荷分析 84

三维分析 85

二维分析 86

静态载荷分析 86

3.12 二维静态载荷案例研究 86

3.13 三维静态载荷案例研究 100

3.14 动载案例研究 104

3.15 振动加载 107

固有频率 108

动载 109

3.16 冲击载荷 111

能量计算方法 111

3.17 梁载荷分析 115

剪切和力矩 115

奇异函数 116

叠加 124

3.18 小结 125

本章使用的重要公式 125

3.19 参考文献 127

3.20 网上资料 127

3.21 参考书目 128

3.22 习题 129

第4章 应力、应变与挠度 142

4.0 引言 142

4.1 应力 143

4.2 应变 145

4.3 主应力 145

4.4 平面应力和平面应变 148

平面应力 148

平面应变 148

4.5 莫尔圆 148

4.6 作用应力与主应力对比 152

4.7 轴向拉伸 152

4.8 直接剪应力、直接挤压应力与撕裂 153

直接剪切 153

直接挤压 154

撕裂失效 155

4.9 梁与弯曲应力 155

梁纯弯曲 155

横向载荷引起的剪切 158

4.10 梁挠度 161

用奇异函数求挠度 163

静不定梁 169

4.11 卡氏法 172

卡氏法求挠度 173

利用卡氏法求解冗余约束力 173

4.12 扭转 174

4.13 组合应力 180

4.14 弹簧系数 182

4.15 应力集中 183

静态载荷作用下的应力集中 184

动态载荷作用下的应力集中 185

确定几何应力——应力集中系数 185

避免应力集中的设计 187

4.16 轴向压缩——压杆 189

长细比 189

短压杆 190

长压杆 190

端部条件 191

中等压杆 192

偏心压杆 196

4.17 圆筒的应力 198

厚壁圆筒 198

薄壁圆筒 199

4.18 静态应力和变形分析的案例研究 199

4.19 小结 213

本章使用的重要公式 215

4.20 参考文献 218

4.21 参考书目 218

4.22 习题 220

第5章 静态失效理论 234

5.0 引言 234

5.1 静加载下韧性材料的失效 236

von Mises-Hencky理论（畸变能理论） 236

最大剪应力理论 241

最大正应力理论 243

试验数据与失效理论比较 243

5.2 脆性材料在静载下的失效 246

双向和单向材料 246

Coulomb-Mohr理论 247

Mohr修正理论 248

5.3 断裂力学 252

断裂力学理论 254

断裂韧度因子Kc 256

5.4 使用静态载荷失效的理论 259

5.5 静态失效案例研究分析 260

5.6 小结 268

本章用到的重要公式 269

5.7 参考文献 271

5.8 参考书目 271

5.9 习题 272

第6章 疲劳失效理论 285

6.0 引言 285

疲劳失效历史 286

6.1 疲劳失效机理 288

裂纹萌生阶段 288

裂纹扩展阶段 289

断裂 290

6.2 疲劳失效模型 291

疲劳区域 291

应力－寿命法 292

应变－寿命法 292

线弹性断裂力学法 292

6.3 机械设计的考虑 292

6.4 疲劳载荷 293

旋转机械加载 293

服务设备加载 294

6.5 测量疲劳失效准则 295

对称循环应力 295

复合应力均值和幅值 300

断裂力学准则 301

实际组件测试 304

6.6 估算疲劳失效准则 306

估计理论疲劳强度Sf′或持久极限Se’ 306

理论疲劳强度和持久极限修正系数 306

计算修正疲劳强度Sf或修正持久极限Se 312

创建估计S-N图 313

6.7 缺口与应力集中 317

缺口敏感度 317

6.8 残余应力 321

6.9 高周疲劳设计 325

6.10 单向对称应力设计 325

单向对称应力设计步骤 326

6.11 单向波动应力设计 331

创建修正Goodman图 332

波动应力中的应力集中效应 334

确定波动应力的安全系数 335

波动应力设计步骤 337

6.12 多向应力疲劳设计 343

频率和相位的关系 343

简单多向对称应力 344

简单多向波动应力 344

复杂多向应力 345

6.13 高周疲劳设计的一般方法 346

6.14 疲劳设计案例研究 350

6.15 小结 360

本章使用的重要公式 361

6.16 参考文献 363

6.17 参考书目 365

6.18 习题 366

第7章 表面失效 379

7.0 引言 379

7.1 表面结构 381

7.2 表面配副 383

7.3 摩擦 383

表面粗糙度对摩擦的影响 384

速度对摩擦的影响 384

滚动摩擦 384

润滑剂对摩擦的影响 385

7.4 粘着磨损 385

粘着磨损系数 387

7.5 磨粒磨损 388

磨粒磨损材料 390

抗磨损材料 390

7.6 腐蚀磨损 391

腐蚀疲劳 391

微动腐蚀 391

7.7 表面疲劳 392

7.8 球面接触 394

球面接触压力和接触区 395

球面接触的静态应力分布 395

7.9 圆柱面接触 398

平行柱面接触的接触压力和接触区域 398

平行柱面接触上的静态应力分布 399

7.10 一般接触 401

一般接触中的接触压力和接触区域 401

一般接触下的应力分布 402

7.11 动态接触应力 405

滑移对接触应力的影响 405

7.12 表面疲劳失效模型——动态接触 411

7.13 表面疲劳强度 413

7.14 小结 419

避免表面失效的设计 419

本章使用的重要公式 420

7.15 参考文献 422

7.16 习题 423

第8章 有限元分析 429

8.0 引言 429

应力和应变计算 430

8.1 有限元方法 431

8.2 单元类型 432

单元维数与自由度（DOF） 432

单元的阶 433

h元与p元 434

单元纵横比 434

8.3 网格划分 434

网格密度 435

网格细化 435

收敛性 436

8.4 边界条件 439

8.5 施加载荷 446

8.6 测试模型（验证） 447

8.7 模态分析 450

8.8 案例研究 451

8.9 小结 460

8.10 参考文献 460

8.11 参考书目 461

8.12 网上资料 461

8.13 习题 461

第2篇 机械设计篇 465

第9章 设计案例研究 465

9.0 引言 465

9.1 案例8 便携式空气压缩机 466

9.2 案例9 干草捆卷扬机 469

9.3 案例10 凸轮试验机 472

9.4 小结 477

9.5 参考文献 477

9.6 设计项目 477

第10章 轴、键与联轴器 486

10.0 引言 486

10.1 轴上载荷 487

10.2 轴上零件与应力集中 488

10.3 轴的材料 489

10.4 轴的功率 490

10.5 轴的载荷 490

10.6 轴的应力 491

10.7 组合载荷作用下轴的失效 491

10.8 轴的设计 492

总体考虑 492

受对称循环弯曲和恒定扭矩作用的轴设计 493

受波动循环弯曲应力和波动循环转矩的轴设计 494

10.9 轴的变形 502

梁 502

扭杆 502

10.10 键和键槽 505

平键 505

楔键 506

半圆键 506

键应力 507

键材料 507

键设计 507

键的应力集中 508

10.11 花键 511

10.12 过盈配合 512

过盈配合的应力 513

微动腐蚀 515

10.13 飞轮设计 516

转动系统中的能量变化 517

确定飞轮惯量 519

飞轮中的应力 520

失效准则 521

10.14 轴的临界转速 523

轴和梁的横向振动的Rayleigh法 525

轴的谐振 526

扭转振动 527

两个圆盘安装在同一根轴上的情况 528

多个圆盘安装在同一根轴上的情况 529

扭转振动的控制 529

10.15 联轴器 531

刚性联轴器 531

挠性联轴器 532

10.16 案例研究 535

便携式空气压缩机传动轴的设计 535

10.17 小结 538

本章使用的重要公式 539

10.18 参考文献 540

10.19 习题 541

第11章 轴承与润滑 548

11.0 引言 548

附加说明 549

11.1 润滑剂 550

11.2 黏度 551

11.3 润滑的类型 552

全膜润滑 553

边界润滑 554

11.4 滑动轴承材料组合 555

11.5 流体动压润滑理论 556

无载荷Petroff转矩方程 556

偏心径向滑动轴承的Reynolds方程 557

径向滑动轴承中的转矩和功率损失 561

11.6 流体动压轴承的设计 562

载荷系数设计——Ocvirk数 562

设计流程 564

11.7 高副接触 567

11.8 滚动轴承 572

滚动轴承与滑动轴承的对比 572

滚动轴承分类 573

11.9 滚动轴承的失效 577

11.10 滚动轴承选型 578

基本额定动载荷C 578

轴承额定寿命修订 578

基本额定静载荷C0 580

径向与轴向载荷组合作用 580

计算流程 581

11.11 轴承安装细节 582

11.12 特殊轴承 584

11.13 案例研究 585

11.14 小结 586

本章使用的重要公式 587

11.15 参考文献 589

11.16 习题 591

第12章 直齿圆柱齿轮 596

12.0 引言 596

12.1 齿轮啮合理论 598

啮合基本定律 598

渐开线齿形 599

压力角 600

齿轮啮合的几何形状 600

齿轮与齿条 601

改变中心距 601

齿侧间隙 602

相对啮合运动 603

12.2 轮齿的参数命名 603

12.3 干涉与根切 606

变位齿轮 606

12.4 重合度 607

12.5 轮系 609

简单轮系 609

复杂轮系 609

同轴式复杂轮系 610

周转轮系或行星轮系 611

12.6 齿轮制造 613

成形法加工齿轮 613

切削加工 614

粗加工过程 614

精加工过程 615

齿轮质量 615

12.7 直齿圆柱齿轮的载荷 616

12.8 直齿圆柱齿轮的应力 618

弯曲应力 619

接触应力 626

12.9 齿轮材料 629

材料强度 630

AGMA齿轮材料的弯曲疲劳强度 630

AGMA齿轮材料的接触疲劳强度 632

12.10 齿轮传动润滑 637

12.11 直齿圆柱齿轮设计 637

12.12 案例研究 638

12.13 小结 643

本章使用的重要公式 643

12.14 参考文献 644

12.15 习题 645

第13章 斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆 650

13.0 引言 650

13.1 斜齿轮 652

斜齿轮几何尺寸 652

斜齿轮受力分析 653

当量齿数 653

重合度 654

斜齿轮上的应力 654

13.2 锥齿轮 660

锥齿轮的几何尺寸和名称 661

锥齿轮安装 661

锥齿轮受力分析 662

锥齿轮应力 663

13.3 蜗杆机构 668

蜗轮蜗杆材料 669

蜗杆机构润滑 669

蜗杆机构受力分析 669

蜗杆机构的几何尺寸 669

标定方法 670

蜗杆机构设计 671

13.4 案例研究 672

13.5 小结 674

本章使用的重要公式 675

13.6 参考文献 677

13.7 习题 678

第14章 弹簧设计 682

14.0 引言 682

14.1 弹簧刚度 684

14.2 弹簧类型 685

14.3 弹簧材料 687

弹簧钢丝 687

板簧材料 690

14.4 螺旋压缩弹簧 692

弹簧长度 693

端部结构 693

有效圈数 694

弹簧指数 694

弹簧变形 694

弹簧刚度 694

螺旋压缩弹簧线圈应力 694

非圆簧丝螺旋弹簧 696

残余应力 697

压缩弹簧屈曲 698

压缩弹簧颤振 699

压缩弹簧许用强度 699

弹簧钢丝扭转剪切S-N图 700

修正后的簧丝Goodman图 702

14.5 静载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计 703

14.6 疲劳载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计 707

14.7 螺旋拉伸弹簧 713

拉伸弹簧有效圈数 713

拉伸弹簧弹簧刚度 714

拉伸弹簧弹簧指数 714

拉伸弹簧预载荷 714

拉伸弹簧变形 715

拉伸弹簧线圈应力 715

拉伸弹簧端部应力 715

拉伸弹簧颤振 716

拉伸弹簧的材料强度 716

螺旋拉伸弹簧设计 716

14.8 圆柱螺旋扭转弹簧 722

扭转弹簧参数 723

扭转弹簧圈数 723

扭转弹簧变形 723

扭转弹簧弹簧刚度 724

簧圈闭合 724

扭转弹簧簧圈应力 724

扭转弹簧材料参数 725

扭转弹簧安全系数 725

螺旋扭转弹簧设计 726

14.9 碟形弹簧垫圈 728

碟形弹簧垫圈负载挠度函数 730

碟形弹簧垫圈应力 730

碟形弹簧垫圈静载荷 731

动载荷 732

叠簧 732

碟形弹簧设计 732

14.10 案例分析 734

设计一个用于凸轮试验机的回位弹簧 734

14.11 小结 738

本章使用的重要公式 739

14.12 参考文献 741

14.13 习题 742

第15章 螺纹与紧固件 747

15.0 引言 747

15.1 标准螺纹形式 750

拉应力区 751

标准螺纹尺寸 751

15.2 传动螺旋 753

矩形、梯形和锯齿形螺纹 753

螺旋传动应用 754

传动螺纹的力和转矩分析 755

摩擦系数 757

传动螺旋的自锁和反向驱动 757

螺旋效率 757

滚动螺旋 758

15.3 螺纹上的应力 760

轴向应力 761

剪应力 761

最小螺母长度 761

最小螺纹孔配合 762

扭转应力 762

15.4 螺纹紧固件的类型 762

根据用途分类 762

根据螺纹类型分类 763

根据头部样式分类 763

螺母和垫圈 764

15.5 螺纹紧固件的制造 766

螺纹切削 766

螺纹滚压 766

头部成形 766

15.6 标准螺栓和机用螺钉强度 767

15.7 拉伸下紧固件的预紧力 768

静载下的预紧螺栓 770

动载下的预紧螺栓 774

15.8 连接刚度系数确定 779

两同材质板材连接 780

两不同材质板材连接 781

垫圈连接 782

15.9 预紧力控制 786

旋转螺母法 787

定力矩紧固件 787

载荷指示垫片 787

螺栓转矩引起的扭转应力 788

15.10 紧固件的剪切 789

定位销 790

紧固件组质心 791

紧固件剪切载荷的确定 791

15.11 设计案例 设计空气压缩机的头螺栓 793

15.12 小结 797

本章使用的重要公式 797

15.13 参考文献 799

15.14 参考书目 800

15.15 习题 801

第16章 焊接 806

16.0 引言 806

16.1 焊接过程 808

常用焊接类型 809

为什么设计师应该关注焊接过程？ 810

16.2 焊接接头和焊缝类型 810

接头坡口准备 811

焊接规范 812

16.3 焊接接头设计原则 813

16.4 焊缝的静载荷 815

16.5 焊缝的静强度 815

焊缝的残余应力 815

加载方向 816

角焊缝和PJP焊缝在静载荷下的许用剪切应力 816

16.6 焊缝的动载荷 818

平均应力对焊件疲劳强度的影响 819

焊件疲劳强度需要修正系数吗？ 820

疲劳强度对焊接结构的影响 820

焊件是否存在持久极限？ 823

受压时会疲劳失效吗？ 823

16.7 焊缝线处理 825

16.8 偏心受载的焊接模式 830

16.9 机器中焊件设计注意事项 831

16.10 小结 832

本章使用的重要公式 832

16.11 参考文献 833

16.12 习题 833

第17章 离合器与制动器 836

17.0 引言 836

17.1 制动器和离合器分类 837

17.2 离合器／制动器的选择和规格 842

17.3 离合器与制动器的材料 843

17.4 圆盘摩擦离合器 843

均匀压力 844

均匀磨损 844

17.5 盘式制动器 846

17.6 鼓式制动器 847

短瓦外鼓式制动器 847

长瓦外鼓式制动器 849

长瓦内鼓式制动器 852

17.7 小结 852

本章使用的重要公式 853

17.8 参考文献 854

17.9 参考书目 854

17.10 习题 855

附录A 材料性能 859

附录B 梁的表格 867

附录C 应力集中系数 871

附录D 部分习题参考答案 879