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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)計工程師有必要知道零件如何發(fā)生和為什么會發(fā)生故障，以便通過進行最低限度的維修以保證機器的可靠性。有時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候，突然汽車的輪胎發(fā)生爆炸等。另一方面，一個零件發(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小麻煩。一個例子是在一個汽車?yán)鋮s系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動。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，有兩個相反方向的動載荷將會引起更大的問題，因此，疲勞強度必須被考慮。另一個關(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。
很多人錯誤的把一個零件發(fā)生故障或者失效理解成這樣就意味著一個零件遭到了實際的物理破損。無論如何，一名設(shè)計工程師必須從一個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，也可能會引起一臺機器出毛病，因為發(fā)生畸變的零件會干擾下一個零件的移動。因此，每當(dāng)它不能夠再履行它要求達到的性能的時候，一個零件就都算是被毀壞了（即使它的表面沒有被損毀）。有時故障可能是由于兩個兩個相互搭配的零件之間的不正常的磨擦或者異常的振動引起的。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一種材料的塑性流動。此外，一個零件的實際形狀可能會引起故障的發(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，這一點也需要被考慮到。當(dāng)有用兩個相反方向的動載荷，材料不具有很好的可延展性時，對應(yīng)力考慮的評估就特別重要。
一般說來，設(shè)計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
——環(huán)境破壞
——固定設(shè)備松動
在選擇零件的大小與形狀的時候，也必須考慮到一些可能會產(chǎn)生外部負載影響的空間因素，例如幾何學(xué)間斷性，為了達到要求的外形輪廓及使用相關(guān)的連接件，也會產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力。
凸輪是被應(yīng)用的最廣泛的機械結(jié)構(gòu)之一。凸輪是一種僅僅有兩個組件構(gòu)成的設(shè)備。主動件本身就是凸輪，而輸出件被稱為從動件。通過使用凸輪，一個簡單的輸入動作可以被修改成幾乎可以想像得到的任何輸出運動。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)動機工程的裝配
——專用機床
——自動電唱機
——印刷機
——自動的洗衣機
——自動的洗碗機
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。無論如何，大多數(shù)凸輪以低速(少于500 rpm)運行而中速的凸輪可以通過一個大比例的圖形表示出來。一般說來，凸輪的速度和輸出負載越大，凸輪的輪廓在被床上被加工時就一定要更加精密。
材料的設(shè)計屬性
當(dāng)他們與抗拉的試驗有關(guān)時，材料的下列設(shè)計特性被定義如下。
靜強度：
一個零件的強度是指零件在不會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。無論如何，韌性是一種可以吸收能量并且不會發(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)為不適合用來做機床的零部件，因為當(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，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。
延展性：
一種延展性材料會在破裂之前表現(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度的百分比來測量的。一個在發(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。
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，它也是一種在金屬被滾壓成鋼板時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，一種材料的極限強度粗略與它的硬度成正比。
機械加工性能（或切削性）：
機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
除抗拉的試驗之外，還有其它一些可以提供有用信息的靜載荷的實驗類型。
壓縮測試：
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。極限強度，無論如何，不能夠被用于評價壓力狀態(tài)。當(dāng)一件具有可延展性的樣品受壓發(fā)生塑性變形時，材料的其它部分會凸出來，但是在這種緊張的狀態(tài)下，材料通常不會發(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。一張抗拉試驗的試驗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，這時的壓力就被定義為極限剪切強度。極限剪切強度，無論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強度。例如，以鋼的材料為例，最后的剪切強度是處于緊張狀態(tài)大約極限強度的75%。當(dāng)在機器零部件里遇到剪應(yīng)力時，這個差別就一定要考慮到了。
動力載荷
不會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。在拉伸實驗中，被分次、逐漸的加載的作用力也被叫作靜載荷。
沖擊載荷：
這類載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。一個例子就是一臺升降機墜落到位于通道底部的一套彈簧裝置上，這套裝置產(chǎn)生的力會比升降機本身的重量大上好幾倍。當(dāng)汽車的一個輪胎碰撞到道路上的一個突起或者路上的一個洞時，相同的沖擊荷載的類型也會在汽車的減震器彈簧上發(fā)生。
溫度對屈服強度和彈性模數(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，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(dāng)溫度升高時，材料的彈性模數(shù)和屈服強度都會變差。圖2.23 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(dāng)溫度升高時，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(dāng)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(dāng)?shù)娜渥儚姸葧r測試來確定是不是發(fā)生了蠕變。
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。
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(dāng)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(dāng)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。
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