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机械设计基础：现代工程实践中的核心理论与应用 本书聚焦于机械设计领域的核心基础知识与现代工程实践相结合的理论体系，旨在为工程技术人员、高校师生及相关领域从业者提供一套全面、深入且具有高度应用价值的参考资料。 本书内容涵盖了机械设计中不可或缺的理论基石、常用机械零部件的原理分析、材料选择与性能考量，以及系统设计方法与工程实践中的关键考量因素。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在帮助读者建立扎实的理论功底，并能熟练应用于实际工程问题的分析与解决中。 --- 第一部分：机械设计的基础理论与方法 本部分系统阐述了进行可靠机械设计所必需的数学模型、力学分析方法以及设计的基本原则。 第一章 机械设计的基本概念与工作原理 本章首先界定了机械设计的范畴、目标与内容，强调了安全性、可靠性、经济性、制造与装配性等设计原则在现代工程中的重要性。随后，深入探讨了机械系统的运动链分析，包括位置、速度、加速度的瞬时分析方法，为后续的动态设计奠定基础。此外，本章引入了工程设计方法论，对比了传统的设计流程与基于计算机辅助工程（CAE）的现代设计流程，强调了迭代优化在现代设计中的核心地位。 第二章 机械工程材料与性能 材料是机械设计的物质基础。本章详细介绍了工程中最常用的金属材料（如钢铁、铝合金、铜合金）的微观结构、力学性能（强度、刚度、韧性、疲劳极限）以及热处理对材料性能的显著影响。针对非金属材料，如高分子材料和复合材料，本章分析了其在特定工况下的应用优势与局限性。重点讲解了材料选择的原则——如何根据工作载荷、环境温度、腐蚀介质和成本要求，进行科学的材料匹配。同时，本章对材料的失效分析原理进行了初步介绍，为后续的断裂与疲劳分析做铺垫。 第三章 机械传动与运动控制基础 本章是机械系统动力传递的核心内容。首先，对摩擦与润滑理论进行了详尽的阐述，包括干摩擦、边界润滑、流体润滑的机理，以及常用润滑剂的选择与润滑方式。接着，系统性地分析了各类机械传动装置。 齿轮传动： 详细介绍了标准直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和人字齿轮的几何结构、强度计算（弯曲强度、接触强度）及齿轮的制造精度要求。 蜗杆蜗轮传动： 探讨了其自锁特性、效率计算及其在减速增扭中的应用。 带传动与链传动： 侧重于柔性传动系统的特性分析，包括张紧力、中心距对传递效率和可靠性的影响。 本章的重点在于建立传动装置的效率模型和可靠性评估框架。 --- 第二部分：常用机械零部件的设计与分析 本部分聚焦于机械装置中最常见的、承担主要功能和载荷的零部件，深入探讨其结构设计、强度校核与寿命预测。 第四章 连接技术：静连接与动连接 连接是构成复杂机械系统的基础。本章首先分析了静连接，包括螺纹连接（螺栓、螺钉、螺母的设计规范、预紧力的计算与影响）、键连接、销连接的强度校核，并特别关注了螺纹连接的防松技术。随后，详细阐述了动连接，特别是铆接和焊接。焊接结构的强度分析、残余应力的控制，以及不同类型焊缝的疲劳性能成为本章的难点和重点。 第五章 轴与轴承设计 轴是传递扭矩和支承旋转部件的关键构件。本章详细解析了轴的强度设计，涵盖了扭转强度、弯曲强度以及组合载荷下的疲劳强度校核。重点分析了轴的刚度要求，防止临界转速问题。 轴承部分，系统介绍了滚动轴承（球轴承、滚子轴承）的结构、代号体系、基本额定寿命的计算方法（ISO标准），以及静载荷和变载荷下的寿命评估。同时，对滑动轴承的油膜润滑理论、材料选择（巴氏合金、铜基合金）和散热设计进行了深入探讨。 第六章 弹簧元件设计 弹簧是实现缓冲、储能和力的调节的关键元件。本章集中于螺旋压缩弹簧和拉伸弹簧的设计，包括材料选择（如铬硅钢、不锈钢）、线径、圈数、中径的确定，以及在疲劳载荷下的寿命设计。此外，还简要介绍了板簧和扭簧的应用场景及其设计特点。 第七章 离合器、制动器与联轴器 本章是机械动态控制与安全的关键。详细分析了摩擦片式离合器和制动器的结构原理、制动力矩的计算、散热问题的处理以及磨损补偿设计。对于联轴器，本章区分了刚性联轴器、挠性（弹性）联轴器，重点在于分析挠性联轴器（如膜片联轴器、齿式联轴器）补偿轴系对中误差的能力和承载特性。 --- 第三部分：机械系统的可靠性与先进设计考量 本部分将设计视野从单个零部件扩展到整个机械系统，引入现代工程设计中对可靠性、振动以及结构优化的高阶要求。 第八章 机械系统的振动与动态特性 机械振动是影响设备寿命和工作精度的重要因素。本章首先建立了一自由度、多自由度系统的基本振动方程，区分了自由振动与强迫振动。重点分析了系统的固有频率、模态分析，并讲解了减振降噪的基本原理与技术，如隔振器的选择与设计。 第九章 机械的疲劳与断裂分析 疲劳破坏是机械零部件失效的主要原因。本章深入探讨了疲劳的基本机理，包括低周疲劳和高周疲劳。详细介绍了S-N曲线的构建与应用、平均应力修正（如Goodman、Gerber准则）对疲劳寿命的影响。针对结构中的应力集中现象，本章结合断裂力学原理，介绍了裂纹扩展速率的评估与安全断裂韧性的概念，为防止突发性灾难性失效提供了理论指导。 第十章 结构优化设计与现代分析工具 本章展望了现代机械设计的趋势。首先介绍了基于有限元分析（FEA）的应力/应变分布可视化与验证方法，强调了如何利用FEA结果指导结构几何形状的优化。随后，探讨了拓扑优化、形状优化等先进优化技术在减轻重量、提高刚度方面的实际应用案例。最后，本章对现代机械设计中数字化、模块化和标准化设计的要求进行了总结。 --- 本书的特点在于： 1. 理论的深度与广度： 不仅覆盖了经典机械原理，更融入了现代材料科学和可靠性工程的最新认知。 2. 注重工程实践： 每一个理论推导后都紧密结合实际设计规范和计算实例，强调“如何算”和“为何这样算”。 3. 系统性强： 从材料选择到系统集成，内容逻辑性强，适合作为专业技术人员系统学习和深入研究的参考书。 本书适用于机械设计、机械制造及其自动化、材料科学与工程等相关专业的本科高年级及研究生，同时也为从事设备研发、结构分析和工艺改进的工程师提供了坚实的理论支撑和实用的设计工具。
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