【正文】 ，軸就會(huì)突然發(fā)生斷裂。對(duì)斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案。外部的一個(gè)環(huán)形部分相對(duì)光滑一些，因?yàn)樵瓉肀砻嫔舷嗷ソ诲e(cuò)的裂縫之間不斷地發(fā)生磨擦導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。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。 這就表明了一個(gè)有趣的事實(shí)。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。（）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。不管怎樣，疲勞失效有助于起到警告的作用。汽車中發(fā)生故障的零件中的90%的原因都是因?yàn)槠诘淖饔谩?一種材料的疲勞強(qiáng)度是指在壓力的反復(fù)作用下的抵抗產(chǎn)生裂縫的能力。持久極限是用來評(píng)價(jià)一種材料的疲勞強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。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。 所示的疲勞試驗(yàn)機(jī)器的。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)。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， 方程式計(jì)算。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。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。然后根據(jù)壓力值和所需的循環(huán)的次數(shù)來繪制一個(gè)圖。，該圖被稱為持久極限曲線或者SN 曲線。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。因此，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。 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。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。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， b中所示。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。對(duì)于鋼的材料來說，持久極限值大約等于極限強(qiáng)度的50%。無論如何，已經(jīng)加工完成的表面如果不是一樣的光滑，持久極限的值就會(huì)被降低。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%。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。 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。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。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。 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。，而疲勞曲線的繼續(xù)變小，表明不管作用力有多么的小，多次的應(yīng)力反復(fù)作用都會(huì)引起零件的失效。這樣的一種材料據(jù)說沒有持久極限。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%。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。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。例如，很多金屬在低溫時(shí)會(huì)變得更脆。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。 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%。 當(dāng)溫度升高時(shí)。正如從圖上可以看見的那樣，彈性模數(shù)在從室溫升高到1000oC過程中大約降低了30%。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。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。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。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(zhǎng)期的蠕變?cè)囼?yàn)(模擬實(shí)際零件的操作條件)來獲得。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。（） 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。因此，如果一個(gè)零件是在很強(qiáng)的強(qiáng)度下運(yùn)轉(zhuǎn)的話，那么設(shè)計(jì)工程師必須精確地預(yù)言將在機(jī)器的使用壽命期間可能發(fā)生的蠕變的次數(shù)。否則，與此伴隨的或者相關(guān)的問題就可能發(fā)生。 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。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。因?yàn)樽冃问撬苄缘?，夾緊力的損失將可能導(dǎo)致螺紋連接件的意外松動(dòng)。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。 。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。從圖表里的時(shí)間軸上(x軸)，我們可以描述在10年的時(shí)間里，這種產(chǎn)品的預(yù)期壽命。（）總結(jié) 機(jī)器設(shè)計(jì)者必須理解進(jìn)行抗拉的靜止強(qiáng)度的測(cè)試目的。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。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。 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。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。 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。尤其是在一塊平板上或一塊條板上有一個(gè)孔的情況下，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。減少的壓力集中影響的方法通常就是使在形狀上的變化更有規(guī)律性。 被設(shè)計(jì)出來的機(jī)械零件被用于在低于屈服強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度的一些允許的環(huán)境下使用。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。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。 溫度能影響金屬的機(jī)械特性。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)。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。這現(xiàn)象在依靠干涉配合來進(jìn)行零件裝配時(shí)是有益的。一個(gè)轂或者孔的內(nèi)徑比與它相配的軸或者圓柱的直徑小一點(diǎn)。先將轂加熱后，由于熱脹冷縮，此時(shí)可以輕松的將軸插入其中。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)。計(jì)算機(jī)輔助制造構(gòu)造的類型盤形凸輪. 這類凸輪是最受歡迎的類型之一，因?yàn)檫@種凸輪的設(shè)計(jì)和制造是比較簡(jiǎn)單和容易的?？梢宰⒁獾綇膭?dòng)件移動(dòng)到了與凸輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直的位置。所有的凸輪都按照兩個(gè)不同的實(shí)體在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)互相碰撞的基本原理來運(yùn)行。因此，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)（在這種情況下，一般是逆時(shí)針轉(zhuǎn)），從動(dòng)件要么向上移動(dòng)要么就接受適當(dāng)?shù)募s束。我們應(yīng)該把注意力集中于防止從動(dòng)件發(fā)生粘接和使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)滿足生產(chǎn)的要求。當(dāng)從動(dòng)件向下移動(dòng)時(shí)，彈簧需要使從動(dòng)件的棍子和凸輪的輪廓保持。棍子是被用來減少齒輪接觸表面的磨擦力的。對(duì)于凸輪的每次旋轉(zhuǎn)來說，從動(dòng)件通過對(duì)凸輪底部死點(diǎn)的沖擊使其移動(dòng)到頂端。 所示的是一個(gè)帶有一個(gè)尖頂從動(dòng)件的盤形凸輪。復(fù)雜的動(dòng)作可以通過這類從動(dòng)件產(chǎn)生，因?yàn)橐粋€(gè)點(diǎn)能夠精確地跟隨著凸輪輪廓的任何突然變化。無論如何，這種設(shè)計(jì)局限于負(fù)荷是非常小的應(yīng)用里；否則兩個(gè)實(shí)體的接觸點(diǎn)將會(huì)被磨損掉，從而導(dǎo)致一系列的問題出現(xiàn)。 盤形凸輪的兩個(gè)另外的變量分別是旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件和從動(dòng)件的偏移量。當(dāng)需要的是旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件就會(huì)被使用。關(guān)于從動(dòng)件的偏移量，我們需要注意從動(dòng)件的偏移量的大小是取決于像壓力角和凸輪外輪廓等參數(shù)的，這兩個(gè)參數(shù)稍后將會(huì)被介紹。沒有偏移量的從動(dòng)件被稱作同軸心的從動(dòng)件。傳遞動(dòng)力的凸輪： 所描繪的被用來傳遞動(dòng)力的凸輪。當(dāng)凸輪朝著水平的方向傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件會(huì)產(chǎn)生上下滑動(dòng)。從這里我們可以看出，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件和一個(gè)滑動(dòng)的從動(dòng)件都可以被使用。這種類型的動(dòng)作通常會(huì)被用在一些生產(chǎn)用于凸輪上的產(chǎn)品的專用機(jī)床上。這種設(shè)計(jì)上的變化在旋轉(zhuǎn)和傳輸動(dòng)力的三維的凸輪上體現(xiàn)了出來。例如，一塊手工制造的步槍原料被放在一臺(tái)專用車床上。這塊原料的形狀是要求能夠?qū)崿F(xiàn)以各凸輪所要達(dá)到的功能。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)并傳輸動(dòng)力時(shí)，從動(dòng)件就可以控制用來把一塊木材加工成生產(chǎn)步槍原料的機(jī)床。主動(dòng)凸輪：在上述的凸輪設(shè)計(jì)中，凸輪和從動(dòng)件之間在往返運(yùn)動(dòng)中保持接觸是通過彈簧力的作用來保證的。無論如何，處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的凸輪，用來保持凸輪和從動(dòng)件之間的接觸的彈簧力可能會(huì)變得很大，這是由于凸輪在高速運(yùn)動(dòng)中的加速度會(huì)產(chǎn)生額外的動(dòng)作用力，接觸的位置可能會(huì)發(fā)生變形。在這種情況下，接觸面可能產(chǎn)生過大的壓力，這樣將會(huì)導(dǎo)致零件過早的被磨損。主動(dòng)凸輪是不需要彈簧的，因?yàn)閺膭?dòng)件被迫在兩個(gè)方向上與凸輪接觸。這樣的主動(dòng)凸輪可以分為4類：圓柱形的凸輪，開槽的盤形凸輪(也叫表面凸輪)，分型板凸輪，以及共軛凸輪。（） 圓柱形凸輪：，圓柱形凸輪可以使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)不斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過凸輪上槽溝的設(shè)計(jì)，我們可以實(shí)現(xiàn)使用幾個(gè)凸輪軸來完成從動(dòng)件的圓周分布。 開槽的盤形齒輪：，我們可以看到一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件的分型板凸輪，但是這樣的設(shè)計(jì)也可以被用于傳遞動(dòng)力的從動(dòng)件上面。凸輪E和F一起繞著齒輪軸B旋轉(zhuǎn)。凸輪E始終保持與滾筒C接觸，而凸輪F則一直和滾筒D保持著接觸。滾筒C和滾筒D都被安裝在一根直角杠桿上，而這個(gè)直角杠桿是繞著點(diǎn)A 擺動(dòng)的從動(dòng)件。當(dāng)凸輪F提供個(gè)滾筒D的需要的動(dòng)作時(shí)，齒輪E則被用于給滾筒C提供需要的動(dòng)作。 共軛齒輪．這種類型的齒輪，由一個(gè)被安裝在凸輪軸偏心處的圓凸輪組成。從動(dòng)件每次的擺度等于兩倍的凸輪的偏心矩e。這樣的齒輪會(huì)生產(chǎn)簡(jiǎn)諧振運(yùn)動(dòng)而沒有保留時(shí)間。 部分。計(jì)算機(jī)輔助制造的專有名詞 在我們涉及齒輪的設(shè)計(jì)之前，我們很有必要知道各種各樣被用于鑒別齒輪的重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。如果你把齒輪想像成是不動(dòng)的，而從動(dòng)件是繞著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么，你將更容易理解對(duì)齒輪的描述。 軌跡點(diǎn)：是指尖頂從動(dòng)件的終點(diǎn)或者輥?zhàn)又行幕蛘咻佔(zhàn)又惖膹膭?dòng)件的終點(diǎn)。 齒輪輪廓：齒輪的實(shí)際形狀。 基圓：是指能夠畫出來的且與凸輪的輪廓線相切的最小的圓。它的中心也就是凸輪軸的中心。 凸輪軸里的最小的半徑就是基圓的半徑。 嚙合曲線：假定凸輪是固定不動(dòng)的，從動(dòng)件繞著凸輪旋轉(zhuǎn)的，那么，軌跡點(diǎn)的路徑就是嚙合曲線。 優(yōu)圓：優(yōu)圓是指與嚙合曲線相切，且它的中心也在分配軸的中心的圓。 壓力角：壓力角是指從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向與節(jié)圓上輥?zhàn)拥闹行乃诘狞c(diǎn)之間的角度。 凸輪外形：與凸輪輪廓相同。 BDC：是Bottom Dead Center的縮寫，是指從動(dòng)件離凸輪中心最近的位置。 行程：是指從動(dòng)件在BDC 和TDC之間走過的路程的長(zhǎng)度。 高度上的行程：是指從動(dòng)件從BDC轉(zhuǎn)到TDC的時(shí)高度的變化值。 返程：是指從動(dòng)件從TDC轉(zhuǎn)到BDC時(shí)所需時(shí)間。 輪廓平行線：是指當(dāng)凸輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件可以和凸輪的中心保持恒定的距離不變的軌跡。、更深刻的理解。在這里，F(xiàn)T是影響輥?zhàn)拥囊粋€(gè)合力。在任何一個(gè)接觸點(diǎn)的地方，它一定是與表面垂直的。FT的方向顯而易見不與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的方向平行。相反，它時(shí)通過壓力角α來表明從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)的方向的。因此，力FT可以被分解為水平方向的力FH和垂直方向的力FV兩部分。垂直分量是向上驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件的那個(gè)力，因此，忽略了摩擦力，就等于從動(dòng)件所受的力。水平方向的力沒有座有用功，但是它仍然是不可或缺的。事實(shí)上，它試圖使從動(dòng)件能夠沿著它的方向走。這樣就可能會(huì)損壞從動(dòng)件或者使從動(dòng)件被卡死。很明顯，我們希望壓力角能夠盡可能的減小測(cè)向力的大小。一個(gè)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)法則是設(shè)計(jì)凸輪輪廓時(shí)，應(yīng)使壓力角的度數(shù)不超過30o 。壓力角的大小，一般說來，取決于從動(dòng)件的以下四個(gè)參數(shù)：——基圓的大小。——從動(dòng)件相對(duì)主動(dòng)件的圓心的偏移量的大小?！獫L筒直徑的大小。——齒輪輪廓平面(取決于使用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件行程和類型)。如果齒輪的要求沒有改變，那么前面提到的一些參數(shù)就不能被改變。例如空間的限制。在我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過了如何設(shè)計(jì)齒輪之后，我們將學(xué)到減小壓力角的各種各樣的方法。Mechanical presses failure analysis and sizingINTRODUCTION It is absolutely essential that a design engineer know be designed．Sometimes a failure can be serious，such as when a tire blows out on an automobile traveling at the other a nuisance．An example is the loosening of the radiator an automobile cooling system．The consequence of this latter failure is usually the loss of some radiator coolant，a condition that is readily detected and corrected． The type of load a part absorbs is just as significant as the magnitude．Generally speaking，dynamic loads with direction reversals cause greater difficulty than static loads，and therefore，fatigue strength must be c