第1篇 基础篇

第1章 设计介绍

1.1 设计

机械设计

迭代

1.2 典型设计过程

1.3 问题的提出与计算

定义阶段

初步设计阶段

详细设计阶段

归档阶段

1.4 工程模型

估计与一阶分析

工程草图

1.5 计算机辅助设计与工程

计算机辅助设计（CAD）

计算机辅助工程（CAE）

计算精度

1.6 工程报告

1.7 安全系数和设计规范

安全系数

选择安全系数

设计与安全规范

1.8 统计考虑

1.9 单位

1.10 小结

本章使用的重要公式

1.11 参考文献

1.12 网上资料

1.13 参考书目

1.14 习题

第2章 材料和工艺

2.0 引言

2.1 材料性能定义

拉伸试验

延伸性和脆性

压缩试验

弯曲试验

扭转试验

疲劳强度和耐力的极限

耐冲击

断裂韧度

蠕变和温度的影响

2.2 材料性能的统计性质

2.3 均匀性和各向同性

2.4 硬度

热处理

表面（壳）硬化

有色金属材料热处理

机械成形和硬化

2.5 涂层和表面处理

原电池作用

电镀

化学镀

阳极氧化

等离子喷涂涂层

化学涂层

2.6 常用金属材料的特性

铸铁

铸钢

锻钢

钢的编号系统

铝

钛

镁

铜合金

2.7 常用非金属材料的特性

高分子聚合物

陶瓷

复合材料

2.8 材料的选择

2.9 小结

本章使用的重要公式

2.10 参考文献

2.11 网上资料

2.12 参考书目

2.13 习题

第3章 运动与受力分析

3.0 简介

3.1 自由度

3.2 机构

3.3 自由度（运动能力）的计算

3.4 常见单自由度机构

平面四杆机构和Grashof准则

六杆机构

曲柄滑块及滑块曲柄四杆机构

凸轮机构

3.5 连杆机构运动分析

运动分类

矢量复数

矢量闭环方程

3.6 平面四杆机构分析

求解四杆机构位置

求解平面四杆机构速度

角速度比和机械效益

求解四杆机的加速度

3.7 曲柄滑块机构分析

求解四杆曲柄滑块机构位置

求解四杆曲柄滑块机构速度

求解四杆曲柄滑块机构加速度

其他连杆机构

3.8 凸轮机构设计和分析

时序图

svaj图

双休止凸轮机构多项式函数

单休止凸轮机构多项式函数

压力角

曲率半径

3.9 力分析的载荷分类

3.10 自由体图

3.11 载荷分析

三维分析

二维分析

静态载荷分析

3.12 二维静态载荷案例研究

3.13 三维静态载荷案例研究

3.14 动载案例研究

3.15 振动加载

固有频率

动载

3.16 冲击载荷

能量计算方法

3.17 梁载荷分析

剪切和力矩

奇异函数

叠加

3.18 小结

本章使用的重要公式

3.19 参考文献

3.20 网上资料

3.21 参考书目

3.22 习题

第4章 应力、应变与挠度

4.0 引言

4.1 应力

4.2 应变

4.3 主应力

4.4 平面应力和平面应变

平面应力

平面应变

4.5 莫尔圆

4.6 作用应力与主应力对比

4.7 轴向拉伸

4.8 直接剪应力、直接挤压应力与撕裂

直接剪切

直接挤压

撕裂失效

4.9 梁与弯曲应力

梁纯弯曲

横向载荷引起的剪切

4.10 梁挠度

用奇异函数求挠度

静不定梁

4.11 卡氏法

卡氏法求挠度

利用卡氏法求解冗余约束力

4.12 扭转

4.13 组合应力

4.14 弹簧系数

4.15 应力集中

静态载荷作用下的应力集中

动态载荷作用下的应力集中

确定几何应力——应力集中系数

避免应力集中的设计

4.16 轴向压缩——压杆

长细比

短压杆

长压杆

端部条件

中等压杆

偏心压杆

4.17 圆筒的应力

厚壁圆筒

薄壁圆筒

4.18 静态应力和变形分析的案例研究

4.19 小结

本章使用的重要公式

4.20 参考文献

4.21 参考书目

4.22 习题

第5章 静态失效理论

5.0 引言

5.1 静加载下韧性材料的失效

von Mises-Hencky理论（畸变能理论）

最大剪应力理论

最大正应力理论

试验数据与失效理论比较

5.2 脆性材料在静载下的失效

双向和单向材料

Coulomb-Mohr理论

Mohr修正理论

5.3 断裂力学

断裂力学理论

断裂韧度因子Kc

5.4 使用静态载荷失效的理论

5.5 静态失效案例研究分析

5.6 小结

本章用到的重要公式

5.7 参考文献

5.8 参考书目

5.9 习题

第6章 疲劳失效理论

6.0 引言

疲劳失效历史

6.1 疲劳失效机理

裂纹萌生阶段

裂纹扩展阶段

断裂

6.2 疲劳失效模型

疲劳区域

应力－寿命法

应变－寿命法

线弹性断裂力学法

6.3 机械设计的考虑

6.4 疲劳载荷

旋转机械加载

服务设备加载

6.5 测量疲劳失效准则

对称循环应力

复合应力均值和幅值

断裂力学准则

实际组件测试

6.6 估算疲劳失效准则

估计理论疲劳强度Sf′或持久极限Se’

理论疲劳强度和持久极限修正系数

计算修正疲劳强度Sf或修正持久极限Se

创建估计S-N图

6.7 缺口与应力集中

缺口敏感度

6.8 残余应力

6.9 高周疲劳设计

6.10 单向对称应力设计

单向对称应力设计步骤

6.11 单向波动应力设计

创建修正Goodman图

波动应力中的应力集中效应

确定波动应力的安全系数

波动应力设计步骤

6.12 多向应力疲劳设计

频率和相位的关系

简单多向对称应力

简单多向波动应力

复杂多向应力

6.13 高周疲劳设计的一般方法

6.14 疲劳设计案例研究

6.15 小结

本章使用的重要公式

6.16 参考文献

6.17 参考书目

6.18 习题

第7章 表面失效

7.0 引言

7.1 表面结构

7.2 表面配副

7.3 摩擦

表面粗糙度对摩擦的影响

速度对摩擦的影响

滚动摩擦

润滑剂对摩擦的影响

7.4 粘着磨损

粘着磨损系数

7.5 磨粒磨损

磨粒磨损材料

抗磨损材料

7.6 腐蚀磨损

腐蚀疲劳

微动腐蚀

7.7 表面疲劳

7.8 球面接触

球面接触压力和接触区

球面接触的静态应力分布

7.9 圆柱面接触

平行柱面接触的接触压力和接触区域

平行柱面接触上的静态应力分布

7.10 一般接触

一般接触中的接触压力和接触区域

一般接触下的应力分布

7.11 动态接触应力

滑移对接触应力的影响

7.12 表面疲劳失效模型——动态接触

7.13 表面疲劳强度

7.14 小结

避免表面失效的设计

本章使用的重要公式

7.15 参考文献

7.16 习题

第8章 有限元分析

8.0 引言

应力和应变计算

8.1 有限元方法

8.2 单元类型

单元维数与自由度（DOF）

单元的阶

h元与p元

单元纵横比

8.3 网格划分

网格密度

网格细化

收敛性

8.4 边界条件

8.5 施加载荷

8.6 测试模型（验证）

8.7 模态分析

8.8 案例研究

8.9 小结

8.10 参考文献

8.11 参考书目

8.12 网上资料

8.13 习题

第2篇 机械设计篇

第9章 设计案例研究

9.0 引言

9.1 案例8 便携式空气压缩机

9.2 案例9 干草捆卷扬机

9.3 案例10 凸轮试验机

9.4 小结

9.5 参考文献

9.6 设计项目

第10章 轴、键与联轴器

10.0 引言

10.1 轴上载荷

10.2 轴上零件与应力集中

10.3 轴的材料

10.4 轴的功率

10.5 轴的载荷

10.6 轴的应力

10.7 组合载荷作用下轴的失效

10.8 轴的设计

总体考虑

受对称循环弯曲和恒定扭矩作用的轴设计

受波动循环弯曲应力和波动循环转矩的轴设计

10.9 轴的变形

梁

扭杆

10.10 键和键槽

平键

楔键

半圆键

键应力

键材料

键设计

键的应力集中

10.11 花键

10.12 过盈配合

过盈配合的应力

微动腐蚀

10.13 飞轮设计

转动系统中的能量变化

确定飞轮惯量

飞轮中的应力

失效准则

10.14 轴的临界转速

轴和梁的横向振动的Rayleigh法

轴的谐振

扭转振动

两个圆盘安装在同一根轴上的情况

多个圆盘安装在同一根轴上的情况

扭转振动的控制

10.15 联轴器

刚性联轴器

挠性联轴器

10.16 案例研究

便携式空气压缩机传动轴的设计

10.17 小结

本章使用的重要公式

10.18 参考文献

10.19 习题

第11章 轴承与润滑

11.0 引言

附加说明

11.1 润滑剂

11.2 黏度

11.3 润滑的类型

全膜润滑

边界润滑

11.4 滑动轴承材料组合

11.5 流体动压润滑理论

无载荷Petroff转矩方程

偏心径向滑动轴承的Reynolds方程

径向滑动轴承中的转矩和功率损失

11.6 流体动压轴承的设计

载荷系数设计——Ocvirk数

设计流程

11.7 高副接触

11.8 滚动轴承

滚动轴承与滑动轴承的对比

滚动轴承分类

11.9 滚动轴承的失效

11.10 滚动轴承选型

基本额定动载荷C

轴承额定寿命修订

基本额定静载荷C0

径向与轴向载荷组合作用

计算流程

11.11 轴承安装细节

11.12 特殊轴承

11.13 案例研究

11.14 小结

本章使用的重要公式

11.15 参考文献

11.16 习题

第12章 直齿圆柱齿轮

12.0 引言

12.1 齿轮啮合理论

啮合基本定律

渐开线齿形

压力角

齿轮啮合的几何形状

齿轮与齿条

改变中心距

齿侧间隙

相对啮合运动

12.2 轮齿的参数命名

12.3 干涉与根切

变位齿轮

12.4 重合度

12.5 轮系

简单轮系

复杂轮系

同轴式复杂轮系

周转轮系或行星轮系

12.6 齿轮制造

成形法加工齿轮

切削加工

粗加工过程

精加工过程

齿轮质量

12.7 直齿圆柱齿轮的载荷

12.8 直齿圆柱齿轮的应力

弯曲应力

接触应力

12.9 齿轮材料

材料强度

AGMA齿轮材料的弯曲疲劳强度

AGMA齿轮材料的接触疲劳强度

12.10 齿轮传动润滑

12.11 直齿圆柱齿轮设计

12.12 案例研究

12.13 小结

本章使用的重要公式

12.14 参考文献

12.15 习题

第13章 斜齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆

13.0 引言

13.1 斜齿轮

斜齿轮几何尺寸

斜齿轮受力分析

当量齿数

重合度

斜齿轮上的应力

13.2 锥齿轮

锥齿轮的几何尺寸和名称

锥齿轮安装

锥齿轮受力分析

锥齿轮应力

13.3 蜗杆机构

蜗轮蜗杆材料

蜗杆机构润滑

蜗杆机构受力分析

蜗杆机构的几何尺寸

标定方法

蜗杆机构设计

13.4 案例研究

13.5 小结

本章使用的重要公式

13.6 参考文献

13.7 习题

第14章 弹簧设计

14.0 引言

14.1 弹簧刚度

14.2 弹簧类型

14.3 弹簧材料

弹簧钢丝

板簧材料

14.4 螺旋压缩弹簧

弹簧长度

端部结构

有效圈数

弹簧指数

弹簧变形

弹簧刚度

螺旋压缩弹簧线圈应力

非圆簧丝螺旋弹簧

残余应力

压缩弹簧屈曲

压缩弹簧颤振

压缩弹簧许用强度

弹簧钢丝扭转剪切S-N图

修正后的簧丝Goodman图

14.5 静载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计

14.6 疲劳载荷作用下螺旋压缩弹簧的设计

14.7 螺旋拉伸弹簧

拉伸弹簧有效圈数

拉伸弹簧弹簧刚度

拉伸弹簧弹簧指数

拉伸弹簧预载荷

拉伸弹簧变形

拉伸弹簧线圈应力

拉伸弹簧端部应力

拉伸弹簧颤振

拉伸弹簧的材料强度

螺旋拉伸弹簧设计

14.8 圆柱螺旋扭转弹簧

扭转弹簧参数

扭转弹簧圈数

扭转弹簧变形

扭转弹簧弹簧刚度

簧圈闭合

扭转弹簧簧圈应力

扭转弹簧材料参数

扭转弹簧安全系数

螺旋扭转弹簧设计

14.9 碟形弹簧垫圈

碟形弹簧垫圈负载挠度函数

碟形弹簧垫圈应力

碟形弹簧垫圈静载荷

动载荷

叠簧

碟形弹簧设计

14.10 案例分析

设计一个用于凸轮试验机的回位弹簧

14.11 小结

本章使用的重要公式

14.12 参考文献

14.13 习题

第15章 螺纹与紧固件

15.0 引言

15.1 标准螺纹形式

拉应力区

标准螺纹尺寸

15.2 传动螺旋

矩形、梯形和锯齿形螺纹

螺旋传动应用

传动螺纹的力和转矩分析

摩擦系数

传动螺旋的自锁和反向驱动

螺旋效率

滚动螺旋

15.3 螺纹上的应力

轴向应力

剪应力

最小螺母长度

最小螺纹孔配合

扭转应力

15.4 螺纹紧固件的类型

根据用途分类

根据螺纹类型分类

根据头部样式分类

螺母和垫圈

15.5 螺纹紧固件的制造

螺纹切削

螺纹滚压

头部成形

15.6 标准螺栓和机用螺钉强度

15.7 拉伸下紧固件的预紧力

静载下的预紧螺栓

动载下的预紧螺栓

15.8 连接刚度系数确定

两同材质板材连接

两不同材质板材连接

垫圈连接

15.9 预紧力控制

旋转螺母法

定力矩紧固件

载荷指示垫片

螺栓转矩引起的扭转应力

15.10 紧固件的剪切

定位销

紧固件组质心

紧固件剪切载荷的确定

15.11 设计案例 设计空气压缩机的头螺栓

15.12 小结

本章使用的重要公式

15.13 参考文献

15.14 参考书目

15.15 习题

第16章 焊接

16.0 引言

16.1 焊接过程

常用焊接类型

为什么设计师应该关注焊接过程？

16.2 焊接接头和焊缝类型

接头坡口准备

焊接规范

16.3 焊接接头设计原则

16.4 焊缝的静载荷

16.5 焊缝的静强度

焊缝的残余应力

加载方向

角焊缝和PJP焊缝在静载荷下的许用剪切应力

16.6 焊缝的动载荷

平均应力对焊件疲劳强度的影响

焊件疲劳强度需要修正系数吗？

疲劳强度对焊接结构的影响

焊件是否存在持久极限？

受压时会疲劳失效吗？

16.7 焊缝线处理

16.8 偏心受载的焊接模式

16.9 机器中焊件设计注意事项

16.10 小结

本章使用的重要公式

16.11 参考文献

16.12 习题

第17章 离合器与制动器

17.0 引言

17.1 制动器和离合器分类

17.2 离合器／制动器的选择和规格

17.3 离合器与制动器的材料

17.4 圆盘摩擦离合器

均匀压力

均匀磨损

17.5 盘式制动器

17.6 鼓式制动器

短瓦外鼓式制动器

长瓦外鼓式制动器

长瓦内鼓式制动器

17.7 小结

本章使用的重要公式

17.8 参考文献

17.9 参考书目

17.10 习题

附录A 材料性能

附录B 梁的表格

附录C 应力集中系数

附录D 部分习题参考答案