具体描述
While covering the basic principles of mechanics in an example-driven format, this innovative book emphasizes critical thinking by presenting the reader with engineering situations. Compelling photorealistic art, and a robust photograph program helps readers to connect visually to the topics discussed. Features strong coverage of FBDs and important ABET topics. For professionals in mechanical, civil, aeronautical, or engineering mechanics fields.
机械设计基础：从理论到实践的桥梁 本书聚焦于机械系统设计的核心要素，旨在为读者提供一套全面、深入且实用的知识体系，助力其跨越理论学习与实际工程应用之间的鸿沟。 本书的撰写严格遵循工程学科的严谨性与逻辑性，内容组织兼顾理论的深度与应用的广度，力求在有限的篇幅内，系统地阐述机械设计所必需的关键概念、分析方法和工程实践准则。 本书并非对某一特定学科（如“工程力学”）的重复或替代，而是将焦点完全置于“设计”这一主动构建和优化系统的过程。如果说力学提供了分析和判断结构是否可靠的工具，那么本书则提供了一套如何利用这些工具，并结合材料科学、制造工艺、可靠性评估等因素，来创造一个高效、经济、可靠的机械系统的行动指南。 --- 第一部分：设计思维与系统概述 本部分奠定了机械设计的基础方法论，引导读者建立正确的工程设计观念。我们摒弃了纯粹的计算导向，转而强调从需求定义、概念生成到详细设计的全过程管理。 1.1 设计的本质与流程： 详细探讨了现代机械设计方法论的演变，包括基于功能的分解（Functional Decomposition）、形态学分析（Morphological Analysis）以及面向对象的设计（Object-Oriented Design）在机械领域的应用。重点分析了需求工程在设计初期的关键作用，强调设计规范（Specifications）的精确制定是后续所有工作的基础。 1.2 人机工程学与环境适应性： 机械系统并非孤立存在，它们必须与操作者和环境有效交互。本章深入讨论了操作空间布局、视觉与触觉反馈设计、控制系统的接口标准。此外，还涵盖了机械系统在极端温度、湿度、振动和腐蚀环境下的适应性设计考量，这是确保产品寿命和安全性的重要环节。 1.3 机械系统的可靠性与可维护性（RAMS）： 现代设计不再仅仅追求强度，更追求在预定寿命内的持续运行能力。本章系统介绍了可靠性工程的基础，包括故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）的应用。我们详细阐述了冗余设计、故障诊断机制的嵌入式设计，以及如何通过优化装配结构来提高现场维护的便捷性和安全性。 --- 第二部分：关键功能部件的选型与优化 本部分是本书的核心，它详细剖析了构成复杂机械系统的基础单元——功能部件——的选择、计算与优化策略。本书侧重于部件的“设计选型”而非“理论推导”，强调在不同工况下的权衡取舍。 2.1 传动系统设计： 齿轮传动系统： 超越了对基本几何形状和强度校核的讨论。本章侧重于齿面接触疲劳的实际预测模型（如ISO标准），以及在高精度和低噪声要求下的特种齿形优化（如修正系数的选择）。特别分析了齿轮箱的动态特性，包括啮合冲击的抑制和润滑系统的匹配设计。 带与链传动： 重点关注弹性变形对传动效率和寿命的影响。讨论了皮带的打滑临界点的精确判断，以及链条在张紧机构中的动态行为与磨损补偿设计。 2.2 连接与紧固技术： 螺纹连接的预紧力控制： 详细介绍了在交变载荷下，螺栓连接的疲劳寿命预测，以及如何通过计算预紧力与摩擦系数，实现连接的防松动设计。讨论了使用自锁元件（如锁紧垫圈、双螺母）的适用场景。 焊接与胶接的界面评估： 强调了焊接残余应力的控制对结构整体性能的影响，并对比了结构胶在轻量化和异种材料连接中的应用优势与局限性。 2.3 运动与定位机构： 滚动轴承的应用优化： 本章专注于寿命的实际计算（基于不同载荷谱的累积损伤模型），以及在高速、高温或污染环境下的特殊轴承选型（如陶瓷轴承、磁悬浮轴承的初步考量）。同时，系统讲解了轴承座刚度的设计对轴系回转精度的影响。 导轨与滑动副的设计： 详细对比了直线导轨、滚珠丝杠和滑动导轨在摩擦系数、承载能力和精度保持性上的差异，并提供了动态刚度匹配的设计指南。 --- 第三部分：材料选择与制造约束 机械设计的最终实现依赖于材料和制造工艺。本部分将设计与后端的制造流程紧密结合，确保设计方案在经济和技术上是可行的。 3.1 工程材料的综合评估： 不再局限于传统的力学性能表。本章引入了“材料性能指数”的概念，用于快速评估材料在特定设计目标（如高比强度、耐高温蠕变、抗应力腐蚀）下的优劣。重点分析了复合材料和增材制造（3D打印）材料在结构设计中的新兴应用与限制。 3.2 制造工艺对设计的影响（Design for Manufacturing, DFM）： 铸造与锻造的限制： 讨论了铸造件的收缩率、拔模斜度要求，以及锻件的纤维流向如何影响零件的最终强度分布。 机加工的经济性分析： 分析了不同表面粗糙度等级对加工时间和成本的指数级影响，指导读者在满足功能要求的前提下，选择最优的加工余量和刀具路径。 3.3 表面工程与改性技术： 系统阐述了热处理（如调质、渗碳淬火）和表面涂层（如PVD、电镀）在提升部件表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能中的作用。重点在于理解这些工艺对材料内部微观结构带来的连锁反应。 --- 第四部分：动态特性分析与控制集成 现代机械系统必须能够应对复杂的动态载荷和外部激励。本部分将设计扩展到对系统时间响应和反馈控制的考量。 4.1 振动分析与抑制： 本书区别于纯粹的振动学教材，聚焦于设计层面的抑制措施。详细介绍了如何通过质量块优化、刚度分配、阻尼材料的引入来改变系统的固有频率，以避免共振。讨论了非线性振动（如颤振、摩擦阻尼）在实际系统中的识别与处理。 4.2 润滑与摩擦学： 深入探讨了流体动力润滑理论在轴承设计中的应用，特别是埃里克森-泰波尔（Elrod-Tai）模型的工程简化。分析了边界润滑条件下的磨损机制，以及固态润滑剂（如石墨、二硫化钼）在特殊工况下的应用策略。 4.3 传感器与执行器的集成设计： 讨论了如何将传感器（如应变片、接近开关）的安装位置和方式，作为设计的一部分，以确保数据的准确性和环境的鲁棒性。同时，分析了驱动器（如伺服电机、液压缸）选型时，需要考虑的动态响应时间、扭矩脉动对整个机械系统的反作用力影响。 总结： 本书旨在培养读者整体化、系统化的机械设计能力。它提供的是一套解决实际工程问题的工具箱，而不是一套孤立的计算公式集。读者在学完本书后，将具备从零开始，面对复杂功能需求，进行部件选型、结构优化、并对制造成本和可靠性做出综合权衡的能力。
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