【正文】 ，當(dāng)孔的大小減少時(shí)，最大應(yīng)力的值相對(duì)于 平均應(yīng)力變得大得多。從中，我們可以注意到在高溫條件下，蠕變發(fā)生的速度逐漸加速，直到零件失效。 由于蠕變是一種塑性變形現(xiàn)象，發(fā)生了蠕變的零件的尺寸可能就會(huì)被永久的改變。圖 顯示了低碳鋼的屈服強(qiáng)度在從室溫升高到 1000oC 過程中被降低了大約 70%。 就一些有色金屬而論，當(dāng)循環(huán)的次數(shù)變得非常大時(shí)，疲勞曲線不會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增大而變得水平。當(dāng)采用這樣的方法做時(shí)，水平的直線就可以更容易發(fā)現(xiàn)材料的持久極限值。壓力的新的數(shù)值再次被計(jì)算，并且相同的程序再次被重復(fù)進(jìn)行，直到零件的失效只需要一個(gè)完整周期時(shí)為止。汽車中發(fā)生故障的零件中的 90%的原因都是因?yàn)槠诘淖饔?。最后，?dāng)剩下的固體的內(nèi)部地區(qū)變得足夠小，且當(dāng)壓力超過極限強(qiáng)度時(shí)，軸就會(huì)突然發(fā)生斷裂。 沖擊載荷： 這類載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。 動(dòng)力載荷 :不會(huì)在各種不同的形式的力之間不停發(fā)生變化的作用力被叫作靜載荷或者穩(wěn)定載荷。當(dāng)一件具有可延展性的樣品受壓發(fā)生塑性變形時(shí)，材料的其它部分會(huì)凸出來，但是在這種緊張的狀態(tài)下，材料通常不會(huì)發(fā)生物理上的破裂。 硬度： 一種材料的硬度是指它抵抗擠壓或者拉伸它的能力。因此可以通過應(yīng)力圖里面的總面積來描述韌性，就像用圖 b 描繪的那樣。 靜強(qiáng)度： 一個(gè)零件的強(qiáng)度是指零件在不會(huì)失去它被要求的能力的前提下能夠承受的最大應(yīng)力。 一般說來，設(shè)計(jì)工程師必須考慮故障可能發(fā)生的全部方式，包括如下一些方面： —— 壓力 —— 變形 —— 磨損 —— 腐蝕 —— 振動(dòng) —— 環(huán)境破壞 —— 固定設(shè)備松動(dòng) 在選擇零件的大小與形狀的時(shí)候，也必須考慮到一些可能會(huì)產(chǎn)生外部負(fù)載影響的空間因素，例如幾何學(xué)間斷性，為了達(dá)到要求的外形輪廓及使用相關(guān)的連接件，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力。一種具有延展性的材料，在破裂之前必將發(fā)生很大程度的變形。一個(gè)例子是在一個(gè)汽車?yán)?卻系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動(dòng)。主動(dòng)件本身就是凸輪，而輸出件被稱為從動(dòng)件。一般說來，與靜載重相比較，有兩個(gè)相反方向的動(dòng)載荷將會(huì)引起更大的問題，因此，疲勞強(qiáng)度必須被考慮。有時(shí)故障可能是由于兩個(gè)兩個(gè)相互搭配的零件之間的不正常的磨擦或者異常的振動(dòng)引起的。通過使用凸輪，一個(gè)簡單的輸入動(dòng)作可以被修改成幾乎可以 想象 得到的任何輸出運(yùn)動(dòng)。這條斜的模數(shù)線以及彈性模數(shù)是一種衡量材料的剛度的一種方法。脆性的材料一般被認(rèn)為不適合用來做機(jī)床的零部件，因?yàn)楫?dāng)遇到由軸肩，孔，槽，或者鍵槽等幾何應(yīng)力集中源引起的高的應(yīng)力時(shí)，脆性材料是無法來產(chǎn)生局部屈服的現(xiàn)象以適應(yīng)高的應(yīng)力環(huán)境的。 機(jī)械加工性能（或切削性）： 機(jī)械加工性能是指材 料的一種容易被加工的性能。一張抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)圖紙就可以說明問題。 另 一方面，在大小和方向上經(jīng)常發(fā)生變化的力則被稱為動(dòng)載荷。 疲勞失效－疲勞極限線圖 如果材料的某處經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的周期性作用力，那么在材料的表面就很可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。無論如何，中心部分是粗糙的，表明中心是突然發(fā)生了斷裂，類似于脆性材料斷裂時(shí)的現(xiàn)象。進(jìn)一步說明就是，持久極限就是指在無限循環(huán)的作用力下不引起失效的壓力值。由于這需要的前提是要進(jìn)行無限次的循環(huán)，所以我們可以以 100萬個(gè)循環(huán)用來作循環(huán)參考單位。例如，對(duì)于鋼材料的零件來說， 63 微英寸（ μin ）的機(jī)械加工的表面，零件的持久極限占理論的持久極限的百分比 降低到了大約 40%。對(duì)于大多數(shù)有色金屬來說，它們都有一個(gè)持久極限，數(shù)值大小大約是極限強(qiáng)度的 25%。從這張圖表中，我們也能看到在室溫下承受了一定載荷而不會(huì)發(fā)生變形的零件卻可能在高溫時(shí)承受相同載荷時(shí)發(fā)生永久變形。 在高溫下，當(dāng)螺栓被用來緊固零件時(shí)，蠕變就可能變成一個(gè)必須解決的問題。這種試驗(yàn)可以確定被在設(shè)計(jì)方程式過 程中使用的許多金屬的機(jī)械特性。這種方法可以用來照顧到在加工期間像材料屬性的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生這樣的未知因素， 以及用來做近似而不是精確計(jì)算的方程式。當(dāng)它冷卻以后，同樣由于熱脹冷縮，它的內(nèi)孔直徑會(huì)變小，從而對(duì)插入其中的軸產(chǎn)生了很大的摩擦力，有效的防止了軸的松動(dòng)。如果大多數(shù)金屬不被允許在溫度發(fā)生變化時(shí)發(fā)生膨脹或者收縮，那么壓力就 會(huì)被當(dāng)做載荷來看待。 壓力集中在機(jī)器零件改變尺寸的位置發(fā)生，例如在一塊平的金屬板上的一個(gè)孔或者一塊平板、一個(gè)溝槽、一個(gè)圓軸上的皮帶在寬度方向上的突然變化。 圖 顯示了三種承受了恒定的張緊力的低碳鋼零件的典型的蠕變曲線。在試驗(yàn)的過程中，給定的材料在規(guī)定的溫度下的塑性應(yīng)變被被進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的彈性模數(shù)和屈服強(qiáng)度都會(huì)變差。彈性材料通常使用從零到最大值之間變化的剪應(yīng)力值來做實(shí)驗(yàn)，以此來模擬材料實(shí)際的受力方式。由于包含了大量的循環(huán)，在繪圖時(shí)， N 通常會(huì)被按照對(duì)數(shù)標(biāo)度來畫，如圖 b 中所示。然后用一個(gè)新的樣品替換掉被毀壞的樣品，并且將另一個(gè)重物插入以增加負(fù)荷量。不管怎樣，疲勞失效有助于起到警告的作用。一旦整個(gè)的外圍斗出現(xiàn)了裂縫 ，裂縫就會(huì)開始向軸的中心轉(zhuǎn)移。 周期性載荷： 像這樣的話，如果大小和方向同時(shí)改變，則就是說這種載荷會(huì)反復(fù)周期性的產(chǎn)生變化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，這種現(xiàn)象往往就伴隨著應(yīng)力在方向和大小上的周期性變化。當(dāng)在機(jī)器零部件里遇到剪應(yīng)力時(shí)，這個(gè)差別就一定要考慮到了。極限強(qiáng)度，無論如何，不能夠被用于評(píng)價(jià)壓力狀態(tài)。 可鍛性： 從根本上來說是指材料的一種在承受擠壓或壓縮是可以發(fā)生塑性變形的能力，同時(shí)，它也是一種在金屬被滾壓成鋼板時(shí)所需金屬的重要性能。無論如何，韌性是一種可以吸收能量并且不會(huì)發(fā)生破裂的能力。 材料的設(shè)計(jì)屬性 當(dāng)他們與抗拉的試驗(yàn)有關(guān)時(shí)，材料的下列設(shè)計(jì)特性被定義如下。當(dāng)有用兩個(gè)相反方向的動(dòng)載荷，材料不具有很好的可延展性時(shí)，對(duì)應(yīng)力考慮的評(píng)估就特別重要。無論如何，一名設(shè)計(jì)工程師必須從一個(gè)更廣泛的范圍來考慮和理解變形 是究竟如何發(fā)生的。另一方面，一個(gè)零件發(fā)生故障也可能只是一件微不足道的小事，只是給你造成了一點(diǎn)小麻煩。通過使用凸輪，一個(gè)簡單的輸入動(dòng)作可以被修改成幾乎可以想像得到的任何輸出運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)關(guān)鍵是材料是可延展性的還是脆性的。 故障也可能是由一種叫蠕變的現(xiàn)象引起的，這種現(xiàn)象是指金屬在高溫下時(shí)一種材料的塑性流動(dòng)。常見的一些關(guān)于凸輪應(yīng)用的例子有： —— 凸輪軸和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工程的裝配 —— 專用機(jī)床 —— 自動(dòng)電唱機(jī) —— 印刷機(jī) —— 自動(dòng)的洗衣機(jī) —— 自動(dòng)的洗碗機(jī) 高速凸輪 (凸輪超過 1000 rpm 的速度 )的輪廓必須從數(shù)學(xué)意義上來定義。 彈性： 彈性是指零件能夠吸收能量但并沒有發(fā)生永久變形的一種材料的屬性。 延展性： 一種延展性材料會(huì)在破裂之前表現(xiàn)出 很大程度上的塑性變形現(xiàn)象。通常，材料越硬，越難以加工。當(dāng)壓力大到可以使材料發(fā)生永久變形或發(fā)生破壞時(shí)，這時(shí)的壓力就被定義為極限剪切強(qiáng)度。動(dòng)載荷可以被再細(xì)分為以下的 3 種類型。裂縫最初是在應(yīng)力超過它極限壓力的地方開始出現(xiàn)的，而通常這往往是有微小的表面缺陷的地方，例如有一處材料出現(xiàn)瑕疵或者一道極小的劃痕。 這就表明了一個(gè)有趣的事實(shí)。 讓我們回頭來看疲勞試驗(yàn)機(jī)器。因此，持久極限可以從圖表 那里看到，該材料是在承受了 100 萬個(gè)循環(huán)后而沒有 發(fā)生失效的。而對(duì)于粗糙的表面來說 （ 300μin ，甚至更多），百分比可能降低到 25%左右的水平。 溫度對(duì)屈服強(qiáng)度和彈性模數(shù)的影響 一般說來，當(dāng)在說明一種擁有特殊的屬性的材料時(shí)，如彈性模數(shù)和屈服強(qiáng)度，表示這些性能在室溫環(huán)境下就可以存在。 蠕變： 一種塑性變形的現(xiàn)象 由于溫度效應(yīng)的影響，金屬中產(chǎn)生了一種被稱為蠕變的現(xiàn)象，一個(gè)承受了一定的載荷的零件的塑性變形是按照一個(gè)時(shí)間函數(shù)來逐漸增加的。處在壓力狀態(tài)下的螺釘，蠕變是按照一個(gè)時(shí)間函數(shù)來發(fā)生的。像彈性模數(shù)，比例極限，屈服強(qiáng)度，彈性，以及延展性等等可以根據(jù)抗拉試驗(yàn)來決定它們的特性。根據(jù)屈服強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度來確定安全系數(shù)以決定安全應(yīng)力的大小。 。溫度的增加可能會(huì)引起金屬的熱脹和蠕變，并且還可能降低它的屈服強(qiáng)度和它的彈性模數(shù)。由于應(yīng)力的反復(fù)作用，允許使用的安全應(yīng)力是基于材料的持久極限而不是基于屈服強(qiáng)度或者是極限強(qiáng)度。像這種特殊的現(xiàn)象，通常被稱為松弛，我們可以通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜渥儚?qiáng)度時(shí)測(cè)試來確定是不是發(fā)生了蠕變。材料的抗蠕變強(qiáng)度是指材料抵抗蠕變的屬性，并且抗蠕變強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可以通過處理長期的蠕變?cè)囼?yàn) (模擬實(shí)際零件的操作條件 )來獲得。例如，很多金屬在低溫時(shí)會(huì)變得更脆。其次就是扭應(yīng)力導(dǎo)致的失效，而由于軸向負(fù)載引起的疲勞失效卻極少發(fā)生。因此持久極限等于曲線接近一條水平的切線時(shí)的壓力水平。在試樣的失效過程中，由計(jì)算寄存器記錄下循環(huán)的次數(shù) N，并且彎曲壓力的相應(yīng)最大量由 第 方程式計(jì)算。 盡管許多地由于靜壓力導(dǎo)致的 零件故障可以通過頻繁的做實(shí)際的觀察并且替換全部發(fā)生變形的零件來避免。所以說，第一道裂縫的意義就是指應(yīng)力集中的地方，它會(huì)加速其它裂縫的產(chǎn)生。比如說，變載荷會(huì)產(chǎn)生忽大忽小的張應(yīng)力，但不會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。例如，以鋼的材料為例，最后的剪切強(qiáng)度是處于緊張狀態(tài)大約極限強(qiáng)度的 75%。 壓縮測(cè)試： 大多數(shù)可延展材料大約有相同特性，當(dāng)它們處于受壓狀態(tài)的緊張狀態(tài)時(shí)。一個(gè)在發(fā)生破裂的零件，其伸長量如果為 5%，則認(rèn)為該伸長量就是可延展性和脆性材料分界線。 韌性： 韌性和彈性是兩種相似的特性。一般說來，凸輪的速度和輸出負(fù)載越大，凸輪的輪廓在被床上被加工時(shí) 就一定要更加精密。例如，應(yīng)力的集中可能 就是由于輪廓的突然變化引起的，這一點(diǎn)也需要被考慮到。 很多人錯(cuò)誤的把一個(gè)零件發(fā)生故障或者失效理解成這樣就意味著一個(gè)零件遭到了實(shí)際的物理破損。有時(shí)一次零件的故障或者失效可能是很嚴(yán)重的一件事情，比如，當(dāng)一輛汽車正在高速行駛的時(shí)候，突然汽車的輪胎發(fā)生爆炸等。 關(guān)鍵詞： 故障 高速凸輪 設(shè)計(jì)屬性 前言介紹 ： 作為一名設(shè)計(jì)工程師有必要知道零件如何發(fā)生和為什么會(huì)發(fā)生故障，以便通過進(jìn)行最低限度的維修以保證機(jī)器的可靠性。例如，脆的材料被認(rèn)為在存在疲勞的地方是不能夠被使用的。此外，一個(gè)零件的實(shí)際形狀可能會(huì)引起故障的發(fā)生。無論如何，大多數(shù)凸輪以低速 (少于 500 rpm)運(yùn)行而中速的凸輪可以通過一個(gè)大比例的圖形表示出來。吸收的能量的多少可以通過下面彈性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力圖表來描述出 來。延展性是通過可延展的零件在發(fā)生破裂前后的面積和長度的百分比來測(cè)量的。 壓應(yīng)力和剪應(yīng)力 :除抗拉的試驗(yàn)之外，還有其它一些可以提供有用信息的靜載荷的實(shí)驗(yàn)類型。極限剪切強(qiáng)度，無論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強(qiáng)度。 變載荷： 所謂變載荷，就是說載荷的大小在變，但是方向不變的載荷。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)增加時(shí)，最初的裂縫開始在軸的周圍的逐漸產(chǎn)生許多類似的裂縫。當(dāng)正在使用的機(jī)器零件由于靜載荷的原因出現(xiàn)問題時(shí)，由于材料具有的延展性，他們通常會(huì)發(fā)生一定程度的變形。試驗(yàn)是這樣被進(jìn)行的：一件小的重物被插入，電動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)。 用圖 描繪的關(guān)系 對(duì)于鋼的材料來說更為典型，因?yàn)楫?dāng) N 接近非常大的數(shù)字時(shí)，曲線就會(huì)變得水平。 最常見的疲勞損壞的類型通常是由于彎曲應(yīng)力所引起的。在低的或者較高的溫度下，材料的特性可能會(huì)有很大的不同。蠕變現(xiàn)象在室溫的條件下也是存在的，但它發(fā)生的過程是如此之慢，以致于很少變得像在預(yù)期壽命中溫度被升高到300oC 或更多時(shí)那樣顯著，逐漸增加的塑性變形可能在一段短的時(shí)期內(nèi) 變得很明顯。因?yàn)樽冃问撬苄缘模瑠A緊力的損失將可能導(dǎo)致螺紋連接件的意外松動(dòng)。 動(dòng)載荷是指那些，在大小和方向上發(fā)生變化并且可能需要對(duì)機(jī)器零件在抵抗失效能力上的研究。 溫度能影響金屬的機(jī)械特