1379-絞肉機(jī)的設(shè)計(jì),絞肉機(jī),設(shè)計(jì) 故障的分析、尺寸的決定以及凸輪的分析和應(yīng)用前言介紹：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。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。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。一個(gè)例子是在一個(gè)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動(dòng)。后者發(fā)生的這次故障造成的結(jié)果通常只不過是一些暖氣裝置里冷卻劑的損失，是一種很容易被發(fā)現(xiàn)并且被改正的情況。能夠被零件進(jìn)行吸收的載荷是相當(dāng)重要的。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。另一個(gè)關(guān)鍵是材料是可延展性的還是脆性的。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。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。無(wú)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。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。發(fā)生了過度的變形，但并沒有產(chǎn)生裂縫，也可能會(huì)引起一臺(tái)機(jī)器出毛病，因?yàn)榘l(fā)生畸變的零件會(huì)干擾下一個(gè)零件的移動(dòng)。因此，每當(dāng)它不能夠再履行它要求達(dá)到的性能的時(shí)候，一個(gè)零件就都算是被毀壞了（即使它的表面沒有被損毀）。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。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)。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。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。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。 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。凸輪是被應(yīng)用的最廣泛的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。凸輪是一種僅僅有兩個(gè)組件構(gòu)成的設(shè)備。主動(dòng)件本身就是凸輪，而輸出件被稱為從動(dòng)件。通過使用凸輪，一個(gè)簡(jiǎn)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)。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。無(wú)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。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。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。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。因此靜強(qiáng)度可以被認(rèn)為是大約等于比例極限，從理論上來說，我們可以認(rèn)為在這種情況下，材料沒有發(fā)生塑性變形和物理破壞。剛度：剛度是指材料抵抗變形的一種屬性。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。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。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。韌性：韌性和彈性是兩種相似的特性。無(wú)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。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 2.8 b 描繪的那樣。顯而易見，脆性材料的韌性和彈性非常低，并且大約相等。脆性：一種脆性的材料就是指在任何可以被看出來的塑性變形之前就發(fā)生破裂的材料。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(wú)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。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。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(zhǎng)度的百分比來測(cè)量的。一個(gè)在發(fā)生破裂的零件，其伸長(zhǎng)量如果為 5%，則認(rèn)為該伸長(zhǎng)量就是可延展性和脆性材料分界線?？慑懶裕嚎慑懶詮母旧蟻碚f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。硬度：一種材料的硬度是指它抵抗擠壓或者拉伸它的能力。一般說來，材料越硬，它的脆性也越大，因此，彈性越小。同樣，一種材料的極限強(qiáng)度粗略與它的硬度成正比。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。通常，材料越硬，越難以加工。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。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)。極限強(qiáng)度，無(wú)論如何，不能夠被用于評(píng)價(jià)壓力狀態(tài)。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。因此，一種可延展的材料通常是由于變形受壓而損壞的，并不是壓力的原因。 剪應(yīng)力測(cè)試：軸，螺釘，鉚釘和焊接件被用這樣一種方式定位以致于生產(chǎn)了剪應(yīng)力。一張抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)圖紙就可以說明問題。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。極限剪切強(qiáng)度，無(wú)論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強(qiáng)度。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%。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。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。此外，我們通常也把很少發(fā)生變化的作用力叫作靜載荷。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，被分次、逐漸的加載的作用力也被叫作靜載荷。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。動(dòng)載荷可以被再細(xì)分為以下的 3 種類型。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。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。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。沖擊載荷：這類載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。一個(gè)例子就是一臺(tái)升降機(jī)墜落到位于通道底部的一套彈簧裝置上，這套裝置產(chǎn)生的力會(huì)比升降機(jī)本身的重量大上好幾倍。當(dāng)汽車的一個(gè)輪胎碰撞到道路上的一個(gè)突起或者路上的一個(gè)洞時(shí)，相同的沖擊荷載的類型也會(huì)在汽車的減震器彈簧上發(fā)生。疲勞失效－疲勞極限線圖正如圖 2.10a 所示，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。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。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。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。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。最后，當(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。對(duì)斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案，如圖 2.13 中所示。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(wú)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?。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(wú)限循環(huán)的作用力下不引起失效的壓力值。讓我們回頭來看在圖 2.9 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，并且彎曲壓力的相應(yīng)最大量由第 2.5 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。正如圖表 2.14a 所示圖形，該圖被稱為持久極限曲線或者 S-N 曲線。由于這需要的前提是要進(jìn)行無(wú)限次的循環(huán)，所以我們可以以 100 萬(wàn)個(gè)循環(huán)用來作循環(huán)參考單位。因此，持久極限可以從圖表 2.14a 那里看到，該材料是在承受了 100萬(wàn)個(gè)循環(huán)后而沒有發(fā)生失效的。 用圖 2.14 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，如圖 2.14 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(wú)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。圖 2.23 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)，圖 2.24 顯示了低碳鋼在彈性模數(shù) E 方面的削減。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。 圖 2.25 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。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?？偨Y(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。如圖 6.1 所示的盤形凸輪?？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。 圖 6.2 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(wú)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，如圖 6.3所示。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：如圖 6.4 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(wú)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：如圖 6.5 所示，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)。圖 6.6 所示的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件的應(yīng)用實(shí)例。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。開槽的盤形凸輪：在圖 6.8 上，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 一起繞著凸輪軸 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)，凸輪 E則被用于給滾筒 C 提供需要的動(dòng)作。共軛凸輪．這種類型的凸輪，正如圖表 6.9 描述的那樣，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。這樣的凸輪會(huì)生產(chǎn)簡(jiǎn)諧振運(yùn)動(dòng)而沒有保留時(shí)間。下面更進(jìn)一步的討論一下第 6.8 部分。計(jì)算機(jī)輔助制造的專有名詞在我們涉及凸輪的設(shè)計(jì)之前，我們很有必要知道各種各樣被用于鑒別凸輪的重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。看一下下圖 6.11 中的術(shù)語(yǔ)。如果你把凸輪想像成是不動(dòng)的，而從動(dòng)件是繞著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么，你將更容易理解對(duì)凸輪的描述。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)。凸輪輪廓：凸輪的實(shí)際形狀?；鶊A：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。我們可以通過圖 6.12 獲得對(duì)壓力角的意義有一個(gè)更清楚、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。F T 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?！獜膭?dòng)件相對(duì)主動(dòng)件的圓心的偏移量的大小。——滾筒直徑的大小?！馆嗇喞矫?取決于使用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件行程和類型)。如果凸輪的要求沒有改變，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)凸輪之后，我們將學(xué)到減小壓力角的各種各樣的方法。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書論文（設(shè)計(jì)）題目： 絞肉機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)：2006183822 姓名：李昌席 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 原料:肉類 生產(chǎn)動(dòng)力: 螺旋供料器的轉(zhuǎn)速 n＝326r/min 要求:繪制總裝備圖 A01 張,其他元件圖周拆合為 1.5A0 圖 說明書 1 份 10000 字以上 全部激光打印 翻譯資料 1 份 3000 字符 光盤 2 張 二、重點(diǎn)研究的問題絞肉機(jī)的結(jié)構(gòu)，工作原理以及完成對(duì)中等復(fù)雜程度機(jī)械的計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作. 三、進(jìn)度安排序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間1 熟悉題目 調(diào)研 收集材料 第 1-2 周 2 方案設(shè)計(jì) 論證 第 3-4 周3 總體設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算 第 5-7 周4 繪制裝備圖 元件圖 第 8-11 周5 撰寫說明書 翻譯資料 第 12-13 周6 修改圖紙 打圖 第 14 周四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1 吳宗澤主編．機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]．第一版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．1999 2 濮良貴、紀(jì)名剛主編．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．第七版．北京：高等教育出版社．2001 3 張?jiān)Ｖ兄骶帲称芳庸ぜ夹g(shù)裝備[M]．第一版．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社．2000 4 無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院、天津輕工業(yè)學(xué)院編．食品工廠機(jī)械與設(shè)備[M]．第二版．北京：輕工業(yè)出版社．1985 5 胡繼強(qiáng)主編．食品機(jī)械與設(shè)備[M]．第一版．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社．1999 6 李興國(guó)主編．食品機(jī)械學(xué)（下冊(cè)）V．第一版．四川：四川教育出版社．1992 7 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院編．實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下）[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社．1985 8 成大先主編．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第 4 卷）[M]．第四版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2002 9 毛謙德、李振清主編．袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M]．第二版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2002 10 馬曉湘、鐘均祥主編．畫法幾何及機(jī)械制圖[M]．第二版．華南理工大學(xué)出版社1992 11 張萬(wàn)昌主編．熱加工工業(yè)基礎(chǔ) V．第一版．北京:高等教育出版社．1997 故障的分析、尺寸的決定以及凸輪的分析和應(yīng)用前言介紹：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。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。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。一個(gè)例子是在一個(gè)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動(dòng)。后者發(fā)生的這次故障造成的結(jié)果通常只不過是一些暖氣裝置里冷卻劑的損失，是一種很容易被發(fā)現(xiàn)并且被改正的情況。能夠被零件進(jìn)行吸收的載荷是相當(dāng)重要的。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。另一個(gè)關(guān)鍵是材料是可延展性的還是脆性的。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。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。無(wú)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。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。發(fā)生了過度的變形，但并沒有產(chǎn)生裂縫，也可能會(huì)引起一臺(tái)機(jī)器出毛病，因?yàn)榘l(fā)生畸變的零件會(huì)干擾下一個(gè)零件的移動(dòng)。因此，每當(dāng)它不能夠再履行它要求達(dá)到的性能的時(shí)候，一個(gè)零件就都算是被毀壞了（即使它的表面沒有被損毀）。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。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)。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。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。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。 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。凸輪是被應(yīng)用的最廣泛的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。凸輪是一種僅僅有兩個(gè)組件構(gòu)成的設(shè)備。主動(dòng)件本身就是凸輪，而輸出件被稱為從動(dòng)件。通過使用凸輪，一個(gè)簡(jiǎn)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)。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。無(wú)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。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。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。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。因此靜強(qiáng)度可以被認(rèn)為是大約等于比例極限，從理論上來說，我們可以認(rèn)為在這種情況下，材料沒有發(fā)生塑性變形和物理破壞。剛度：剛度是指材料抵抗變形的一種屬性。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。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。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。韌性：韌性和彈性是兩種相似的特性。無(wú)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。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 2.8 b 描繪的那樣。顯而易見，脆性材料的韌性和彈性非常低，并且大約相等。脆性：一種脆性的材料就是指在任何可以被看出來的塑性變形之前就發(fā)生破裂的材料。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(wú)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。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。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(zhǎng)度的百分比來測(cè)量的。一個(gè)在發(fā)生破裂的零件，其伸長(zhǎng)量如果為 5%，則認(rèn)為該伸長(zhǎng)量就是可延展性和脆性材料分界線。可鍛性：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。硬度：一種材料的硬度是指它抵抗擠壓或者拉伸它的能力。一般說來，材料越硬，它的脆性也越大，因此，彈性越小。同樣，一種材料的極限強(qiáng)度粗略與它的硬度成正比。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。通常，材料越硬，越難以加工。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。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)。極限強(qiáng)度，無(wú)論如何，不能夠被用于評(píng)價(jià)壓力狀態(tài)。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。因此，一種可延展的材料通常是由于變形受壓而損壞的，并不是壓力的原因。 剪應(yīng)力測(cè)試：軸，螺釘，鉚釘和焊接件被用這樣一種方式定位以致于生產(chǎn)了剪應(yīng)力。一張抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)圖紙就可以說明問題。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。極限剪切強(qiáng)度，無(wú)論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強(qiáng)度。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%。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。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。此外，我們通常也把很少發(fā)生變化的作用力叫作靜載荷。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，被分次、逐漸的加載的作用力也被叫作靜載荷。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。動(dòng)載荷可以被再細(xì)分為以下的 3 種類型。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。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。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。沖擊載荷：這類載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。一個(gè)例子就是一臺(tái)升降機(jī)墜落到位于通道底部的一套彈簧裝置上，這套裝置產(chǎn)生的力會(huì)比升降機(jī)本身的重量大上好幾倍。當(dāng)汽車的一個(gè)輪胎碰撞到道路上的一個(gè)突起或者路上的一個(gè)洞時(shí)，相同的沖擊荷載的類型也會(huì)在汽車的減震器彈簧上發(fā)生。疲勞失效－疲勞極限線圖正如圖 2.10a 所示，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。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。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。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。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。最后，當(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。對(duì)斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案，如圖 2.13 中所示。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(wú)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Ｒ环N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(wú)限循環(huán)的作用力下不引起失效的壓力值。讓我們回頭來看在圖 2.9 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，并且彎曲壓力的相應(yīng)最大量由第 2.5 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。正如圖表 2.14a 所示圖形，該圖被稱為持久極限曲線或者 S-N 曲線。由于這需要的前提是要進(jìn)行無(wú)限次的循環(huán)，所以我們可以以 100 萬(wàn)個(gè)循環(huán)用來作循環(huán)參考單位。因此，持久極限可以從圖表 2.14a 那里看到，該材料是在承受了 100萬(wàn)個(gè)循環(huán)后而沒有發(fā)生失效的。 用圖 2.14 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，如圖 2.14 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(wú)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。圖 2.23 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)，圖 2.24 顯示了低碳鋼在彈性模數(shù) E 方面的削減。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。 圖 2.25 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。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?？偨Y(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。如圖 6.1 所示的盤形凸輪?？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。 圖 6.2 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(wú)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，如圖 6.3所示。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：如圖 6.4 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(wú)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：如圖 6.5 所示，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)。圖 6.6 所示的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)件的應(yīng)用實(shí)例。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。開槽的盤形凸輪：在圖 6.8 上，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 一起繞著凸輪軸 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)，凸輪 E則被用于給滾筒 C 提供需要的動(dòng)作。共軛凸輪．這種類型的凸輪，正如圖表 6.9 描述的那樣，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。這樣的凸輪會(huì)生產(chǎn)簡(jiǎn)諧振運(yùn)動(dòng)而沒有保留時(shí)間。下面更進(jìn)一步的討論一下第 6.8 部分。計(jì)算機(jī)輔助制造的專有名詞在我們涉及凸輪的設(shè)計(jì)之前，我們很有必要知道各種各樣被用于鑒別凸輪的重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。看一下下圖 6.11 中的術(shù)語(yǔ)。如果你把凸輪想像成是不動(dòng)的，而從動(dòng)件是繞著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么，你將更容易理解對(duì)凸輪的描述。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)。凸輪輪廓：凸輪的實(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。我們可以通過圖 6.12 獲得對(duì)壓力角的意義有一個(gè)更清楚、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。F T 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?！獜膭?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?！馆嗇喞矫?取決于使用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件行程和類型)。如果凸輪的要求沒有改變，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)凸輪之后，我們將學(xué)到減小壓力角的各種各樣的方法。