【正文】 ，軸就會突然發(fā)生斷裂。對斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案。外部的一個環(huán)形部分相對光滑一些，因為原來表面上相互交錯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的現(xiàn)象。 這就表明了一個有趣的事實。當正在使用的機器零件由于靜載荷的原因出現(xiàn)問題時，由于材料具有的延展性，他們通常會發(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%的原因都是因為疲勞的作用。 一種材料的疲勞強度是指在壓力的反復(fù)作用下的抵抗產(chǎn)生裂縫的能力。持久極限是用來評價一種材料的疲勞強度的一個重要參數(shù)。進一步說明就是，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。 所示的疲勞試驗機器的。試驗是這樣被進行的：一件小的重物被插入，電動機被啟動。在試樣的失效過程中，由計算寄存器記錄下循環(huán)的次數(shù)N， 方程式計算。然后用一個新的樣品替換掉被毀壞的樣品，并且將另一個重物插入以增加負荷量。壓力的新的數(shù)值再次被計算，并且相同的程序再次被重復(fù)進行，直到零件的失效只需要一個完整周期時為止。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行無限次的循環(huán)，所以我們可以以100萬個循環(huán)用來作循環(huán)參考單位。因此，該材料是在承受了100萬個循環(huán)后而沒有發(fā)生失效的。 描繪的關(guān)系對于鋼的材料來說更為典型，因為當N 接近非常大的數(shù)字時，曲線就會變得水平。因此持久極限等于曲線接近一條水平的切線時的壓力水平。由于包含了大量的循環(huán)，在繪圖時，N通常會被按照對數(shù)標度來畫， b中所示。當采用這樣的方法做時，水平的直線就可以更容易發(fā)現(xiàn)材料的持久極限值。對于鋼的材料來說，持久極限值大約等于極限強度的50%。無論如何，已經(jīng)加工完成的表面如果不是一樣的光滑，持久極限的值就會被降低。例如，對于鋼材料的零件來說，63 微英寸（ μin ）的機械加工的表面，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)力值來做實驗，以此來模擬材料實際的受力方式。 就一些有色金屬而論，當循環(huán)的次數(shù)變得非常大時，疲勞曲線不會隨著循環(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)作用都會引起零件的失效。這樣的一種材料據(jù)說沒有持久極限。對于大多數(shù)有色金屬來說，它們都有一個持久極限，數(shù)值大小大約是極限強度的25%。溫度對屈服強度和彈性模數(shù)的影響 一般說來，當在說明一種擁有特殊的屬性的材料時，如彈性模數(shù)和屈服強度，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，材料的特性可能會有很大的不同。例如，很多金屬在低溫時會變得更脆。此外，當溫度升高時，材料的彈性模數(shù)和屈服強度都會變差。 顯示了低碳鋼的屈服強度在從室溫升高到1000oC過程中被降低了大約70%。 當溫度升高時。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發(fā)生變形的零件卻可能在高溫時承受相同載荷時發(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，一個承受了一定的載荷的零件的塑性變形是按照一個時間函數(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或更多時那樣顯著，逐漸增加的塑性變形可能在一段短的時期內(nèi)變得很明顯。材料的抗蠕變強度是指材料抵抗蠕變的屬性，并且抗蠕變強度的數(shù)據(jù)可以通過處理長期的蠕變試驗(模擬實際零件的操作條件)來獲得。在試驗的過程中，給定的材料在規(guī)定的溫度下的塑性應(yīng)變被被進行了實時監(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被永久的改變。因此，如果一個零件是在很強的強度下運轉(zhuǎn)的話，那么設(shè)計工程師必須精確地預(yù)言將在機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，當螺栓被用來緊固零件時，蠕變就可能變成一個必須解決的問題。處在壓力狀態(tài)下的螺釘，蠕變是按照一個時間函數(shù)來發(fā)生的。因為變形是塑性的，夾緊力的損失將可能導(dǎo)致螺紋連接件的意外松動。像這種特殊的現(xiàn)象，通常被稱為松弛，我們可以通過進行適當?shù)娜渥儚姸葧r測試來確定是不是發(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。從圖表里的時間軸上(x軸)，我們可以描述在10年的時間里，這種產(chǎn)品的預(yù)期壽命。（）總結(jié) 機器設(shè)計者必須理解進行抗拉的靜止強度的測試目的。這種試驗可以確定被在設(shè)計方程式過程中使用的許多金屬的機械特性。像彈性模數(shù)，比例極限，屈服強度，彈性，以及延展性等等可以根據(jù)抗拉試驗來決定它們的特性。 動載荷是指那些，在大小和方向上發(fā)生變化并且可能需要對機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度或者是極限強度。 壓力集中在機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孔或者一塊平板、一個溝槽、一個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孔的情況下，當孔的大小減少時，最大應(yīng)力的值相對于平均應(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)計出來的機械零件被用于在低于屈服強度或者極限強度的一些允許的環(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算的方程式。根據(jù)屈服強度或者極限強度來確定安全系數(shù)以決定安全應(yīng)力的大小。 溫度能影響金屬的機械特性。溫度的增加可能會引起金屬的熱脹和蠕變，并且還可能降低它的屈服強度和它的彈性模數(shù)。如果大多數(shù)金屬不被允許在溫度發(fā)生變化時發(fā)生膨脹或者收縮，那么壓力就會被當做載荷來看待。這現(xiàn)象在依靠干涉配合來進行零件裝配時是有益的。一個轂或者孔的內(nèi)徑比與它相配的軸或者圓柱的直徑小一點。先將轂加熱后，由于熱脹冷縮，此時可以輕松的將軸插入其中。當它冷卻以后，同樣由于熱脹冷縮，它的內(nèi)孔直徑會變小，從而對插入其中的軸產(chǎn)生了很大的摩擦力，有效的防止了軸的松動。計算機輔助制造構(gòu)造的類型盤形凸輪. 這類凸輪是最受歡迎的類型之一，因為這種凸輪的設(shè)計和制造是比較簡單和容易的。可以注意到從動件移動到了與凸輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直的位置。所有的凸輪都按照兩個不同的實體在運轉(zhuǎn)時不會互相碰撞的基本原理來運行。因此，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)（在這種情況下，一般是逆時針轉(zhuǎn)），從動件要么向上移動要么就接受適當?shù)募s束。我們應(yīng)該把注意力集中于防止從動件發(fā)生粘接和使從動件的運動滿足生產(chǎn)的要求。當從動件向下移動時，彈簧需要使從動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。對于凸輪的每次旋轉(zhuǎn)來說，從動件通過對凸輪底部死點的沖擊使其移動到頂端。 所示的是一個帶有一個尖頂從動件的盤形凸輪。復(fù)雜的動作可以通過這類從動件產(chǎn)生，因為一個點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)計局限于負荷是非常小的應(yīng)用里；否則兩個實體的接觸點將會被磨損掉，從而導(dǎo)致一系列的問題出現(xiàn)。 盤形凸輪的兩個另外的變量分別是旋轉(zhuǎn)的從動件和從動件的偏移量。當需要的是旋轉(zhuǎn)的運動時，一個旋轉(zhuǎn)的從動件就會被使用。關(guān)于從動件的偏移量，我們需要注意從動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，這兩個參數(shù)稍后將會被介紹。沒有偏移量的從動件被稱作同軸心的從動件。傳遞動力的凸輪： 所描繪的被用來傳遞動力的凸輪。當凸輪朝著水平的方向傳遞運動時，從動件會產(chǎn)生上下滑動。從這里我們可以看出，一個旋轉(zhuǎn)的從動件和一個滑動的從動件都可以被使用。這種類型的動作通常會被用在一些生產(chǎn)用于凸輪上的產(chǎn)品的專用機床上。這種設(shè)計上的變化在旋轉(zhuǎn)和傳輸動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)以各凸輪所要達到的功能。當它旋轉(zhuǎn)并傳輸動力時，從動件就可以控制用來把一塊木材加工成生產(chǎn)步槍原料的機床。主動凸輪：在上述的凸輪設(shè)計中，凸輪和從動件之間在往返運動中保持接觸是通過彈簧力的作用來保證的。無論如何，處于高速運轉(zhuǎn)中的凸輪，用來保持凸輪和從動件之間的接觸的彈簧力可能會變得很大，這是由于凸輪在高速運動中的加速度會產(chǎn)生額外的動作用力，接觸的位置可能會發(fā)生變形。在這種情況下，接觸面可能產(chǎn)生過大的壓力，這樣將會導(dǎo)致零件過早的被磨損。主動凸輪是不需要彈簧的，因為從動件被迫在兩個方向上與凸輪接觸。這樣的主動凸輪可以分為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件實現(xiàn)不斷的往復(fù)運動。通過凸輪上槽溝的設(shè)計，我們可以實現(xiàn)使用幾個凸輪軸來完成從動件的圓周分布。 開槽的盤形齒輪：，我們可以看到一個帶有旋轉(zhuǎn)的從動件的分型板凸輪，但是這樣的設(shè)計也可以被用于傳遞動力的從動件上面。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，而這個直角杠桿是繞著點A 擺動的從動件。當凸輪F提供個滾筒D的需要的動作時，齒輪E則被用于給滾筒C提供需要的動作。 共軛齒輪．這種類型的齒輪，由一個被安裝在凸輪軸偏心處的圓凸輪組成。從動件每次的擺度等于兩倍的凸輪的偏心矩e。這樣的齒輪會生產(chǎn)簡諧振運動而沒有保留時間。 部分。計算機輔助制造的專有名詞 在我們涉及齒輪的設(shè)計之前，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)計參數(shù)。如果你把齒輪想像成是不動的，而從動件是繞著齒輪轉(zhuǎn)動的，那么，你將更容易理解對齒輪的描述。 軌跡點：是指尖頂從動件的終點或者輥子中心或者輥子之類的從動件的終點。 齒輪輪廓：齒輪的實際形狀。 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的，從動件繞著凸輪旋轉(zhuǎn)的，那么，軌跡點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：壓力角是指從動件的運動方向與節(jié)圓上輥子的中心所在的點之間的角度。 凸輪外形：與凸輪輪廓相同。 BDC：是Bottom Dead Center的縮寫，是指從動件離凸輪中心最近的位置。 行程：是指從動件在BDC 和TDC之間走過的路程的長度。 高度上的行程：是指從動件從BDC轉(zhuǎn)到TDC的時高度的變化值。 返程：是指從動件從TDC轉(zhuǎn)到BDC時所需時間。 輪廓平行線：是指當凸輪在轉(zhuǎn)動時，從動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是影響輥子的一個合力。在任何一個接觸點的地方，它一定是與表面垂直的。FT的方向顯而易見不與從動件運動的方向平行。相反，它時通過壓力角α來表明從動件的運動的方向的。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)動從動件的那個力，因此，忽略了摩擦力，就等于從動件所受的力。水平方向的力沒有座有用功，但是它仍然是不可或缺的。事實上，它試圖使從動件能夠沿著它的方向走。這樣就可能會損壞從動件或者使從動件被卡死。很明顯，我們希望壓力角能夠盡可能的減小測向力的大小。一個實際的經(jīng)驗法則是設(shè)計凸輪輪廓時，應(yīng)使壓力角的度數(shù)不超過30o 。壓力角的大小，一般說來，取決于從動件的以下四個參數(shù)：——基圓的大小?！獜膭蛹鄬χ鲃蛹膱A心的偏移量的大小?！獫L筒直徑的大小?！X輪輪廓平面(取決于使用的從動件運動的從動件行程和類型)。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