钢包加盖装置总布置及其转动方式的设计(全套含CAD图纸)
本 科 毕 业 论 文 外 文 翻 译学 院: 机械自动化学院专 业: 机械工程及自动化学 号:学生姓名:指导教师:日 期:外 文 译 文 题 目 ( 中 文 ) :故障的分析、尺寸的决定及凸轮的分析和应用毕业设计外文翻译- 0 -故障的分析、尺寸的决定以及凸轮的分析和应用前言介绍:作为一名设计工程师有必要知道零件如何发生和为什么会发生故障,以便通过进行最低限度的维修以保证机器的可靠性。有时一次零件的故障或者失效可能是很严重的一件事情,比如,当一辆汽车正在高速行驶的时候,突然汽车的轮胎发生爆炸等。另一方面,一个零件发生故障也可能只是一件微不足道的小事,只是给你造成了一点小麻烦。一个例子足在一个汽车冷却系统坐的暖气装置软管的松动,后者发生的这次敞障造成的结果通常只不过是一北暖气装置坐冷却剂的损失,是一种很容易被发现并且被改正的情况。能够被零件进行吸收的载荷是相当重要的。一般说来, 与静载重相比较,有两个相反方向的动载荷将会引起更人的问题,I 大 1 此,疲劳强度必须被考虑。另一个关键是材料是可延展性的还是脆性的。例如,脆的材料被认为在存在疲劳的地方是不能够被使用的。很多人错误的把一个零件发生故障或者失效理解成这样就意味着一个零件遭到了实际的物理破损。无论如何,一名设计工程师必须从一个更广泛的范同米考虑和理解变形是究竟如何发生的。一种具有延展性的材料,在破裂之前必将发生很人程度的变形。发牛了过度的变形,但并没有产生裂缝,也可能会引起一台机器出毛病,因为发牛畸变的零件会干扰下一个零件的移动。冈此,每当它不能够再履行它要求达到的性能的时候,一个零件就都算足被毁坏了(即使它的表面没有被损毁) 。有时故障可能是由于两个两个相互搭配的零件之问的不正常的磨擦或者异常的振动引起的。故障也可能是由一种叫蠕变的现象引起的,这种现象是指金属在高温下时一种材料的塑性流动。此外,一个零件的实际形状可能会引起故障的发生。例如,应力的集中可能就是由于轮廓的突然变化引起的,这一点也需要被考虑到。当有用两个相反方向的动载荷,材料不具有很好的可延展性时,对应力考虑的评估就特别重要。一般说米,设计 T 程师必须考虑故障可能发生的全部方式,包括如下一些方面:压力变形磨损腐蚀振动环境破坏固定设备松动在选择零件的大小,与形状的时候,也必须考虑到一丝可能会产生外部负载影响的窄问冈素,例如儿何学问断性,为了达到要求的外形轮廓及使用相关的连接件,也会产生相应的残余应力。凸轮是被应用的最广泛的机械结构之一。凸轮是一种仪仪有两个组件构成的设备。主动件本身就是凸轮,而输出件被称为从动件。通过使用凸轮,一个简单的输入动作可以被修改成几乎可以想像得到的任何输出运动。常见的一些关于凸轮应用的例子有:_凸轮轴和汽车发动机工程的装配毕业设计外文翻译- 1 -专用机床自动电唱机印刷机-自动的洗衣机自动的洗碗机高速凸轮(凸轮超过 1000 rpm 的速度)的轮廓必须从数学意义上米定义。无论如何,大多数凸轮以低速(少于 500 rpm)运行而中速的凸轮可以通过一个大比例的图形表示出来。一般说来,凸轮的速度和输出负载越火,凸轮的轮廓在被床,卜被加 T 时就一定要更加精密。材料的设计属性当他们与抗拉的试验有关时,材料的下列设计特性被定义如下.静强度:一个零件的强度是指零件在不会失去它被要求的能力的前提下能够承受的最大应力。冈此静强度可以被认为是大约等于比例极限,从理论上来说,我们可以认为在这种情况下,材料没有发生塑性变形和物理破坏。刚度:刚度是指材料抵抗变形的一种属性。这条斜的模数线以及弹性模数是一种衡量材料的刚度的一种方法。弹性:弹性是指零件能够吸收能量但并没有发生永久变形的一种材料的属性。吸收的能量的多少可以通过下面弹性区域内的应力图表来描述出来。毕业设计外文翻译- 2 -(图 2.8)韧性:韧性和弹性是两种相似的特性。无论如何,韧性是一种可以吸收能量并且不会发生破裂的能力。因此可以通过应力图里面的总面积来描述韧性,就像用图 2.8 b描绘的那样。显而易见,脆性材料的韧性和弹性:非常低,并且大约相等。脆性:一种脆性的材料就是指在任何可以被看出来的塑性变形之前就发生破裂的材料。脆性的材料一般被认为不适合用来做机床的零部件,因为当遇到由轴肩,孔,槽,或者键槽等儿何应力集巾源引起的高的应力时,脆性材料是无法米产生局部屈服的现象以适应高的应力环境的。延展性:一种延展性材料会在破裂之前表现出很大程度上的塑性变形现象。延展性是通过可延展的零件在发生破裂前后的面积和长度的百分比米测量的。一个在发生破裂的零件,其伸长量如果为 5%,则认为该伸长量就是可延展性和脆性材料分界线。可锻性:可锻性从根本上来说是指材料的一种在承受挤压或压缩是可以发生塑性变形的能力,同时,它也是一种在金属被滚压成钢板时所需金属的重要性能。硬度:一种材料的硬度是指它抵抗挤压或者拉伸它的能力。一般说米,材料越硬,它的脆性也越大,因此,弹性越小。同样,一种材料的极限强度粗略与它的硬度成正比。机械加工性能(或切削性):机械加工性能是指材料的一种容易被加工的性能。通常,材料越硬,越难以加工。压应力和剪应力除抗拉的试验之外,还有其它一些可以提供有用信息的静载荷的实验类型。压缩测试:大多数可延展材料大约有相同特性,当它们处于受压状态的紧张状态时。极限毕业设计外文翻译- 3 -强度,无论如何 ,不能够被用于评价压力状态。当一件具有可延展性的样品受压发生塑性变形时,材料的其它部分会凸出来,但是在这种紧张的状态下,材料通常不会发生物理上的破裂。因此,一种可延展的材料通常是由于变形受压而损坏的,并不是压力的原因。剪应力测试:轴,螺钉,铆钉和焊接件被用这样一种方式定位以致于生产了剪应力。一张抗拉试验的试验图纸就可以说明问题。当压力人到可以使材料发生永久变形或发生破坏时,这时的压力就被定义为极限剪切强度。极限剪切强度,无论如何,不等于处于紧张状态的极限强度。例如,以钢的材料为例,最后的剪切强度是处于紧张状态大约极限强度的 75%。当在机器零部件坐遇到剪应力时,这个差别就一定要考虑到了。动力载荷不会在各种不同的形式的力之间不停发生变化的作用力被叫作静载荷或者稳定载荷。此外,我们通常也把很少发生变化的作用力叫作静载荷。在拉伸实验巾,被分次、逐渐的加载的作用力也被叫作静载荷。另一方面,在火小和力向-卜经常发生变化的力则被称为动载荷。动载荷可以被再细分为以下的 3 种类型。变载荷:所谓变载荷,就是说载荷的大小在变,但是方向不变的载荷。比如说,变载荷会产生忽大忽小的张应力,但不会产生压应力。周期性载荷:像这样的话,如果大小和方向同时改变,则就是说这种载荷会反复周期性的产生变化的拉应力和压应力,这种现象往往就伴随着应力在方向和大小上的周期性变化。冲击载荷:这类载荷是由于冲击作用产生的。一个例子就是一台升降机坠落到位于通道底部的一套弹簧装置上,这套装置产生的力会比升降机本身的重量大上好几倍。当汽车的一个轮胎碰撞到道路上的一个突起或者路上的一个洞时,相同的冲击荷载的类型也会在汽车的减震器弹簧上发生。疲劳失效一疲劳极限线图正如图 2.lOa 所示,如果材料的某处经常会产生人量的周期性作用力,那么在材料的表面就很可能会出现裂缝。裂缝最初是在应力超过它极限压力的地方开始出现的,而通常这往往是有微小的表面缺陷的地方,例如有一处材料出现瑕疵或者一道极小的划痕。当循环的次数增加时,最初的裂缝开始在轴的周围的逐渐产生许多类似的裂缝。所以说,第一道裂缝的意义就是指应力集中的地方,它会力加速其它裂缝的产生。一但整个的外围都出现了裂缝,裂缝就会开始向轴的中心转移。最后,当剩下的固体的内部地区变得足够小,且当压力超过极限强度时,轴就会突然发生断裂。对断面的检查可以发现一种非常有趣的图案,如图 2.13 中所示。外部的一个环形部分相对光滑一些,因为原来表面上相互交锚的裂缝之问不断地发生磨擦导致了这种现象的产生。无论如何,中心部分是粗糙的,表明中心是突然发生了断裂,类似于脆性材料断裂时的现象。这就表明了一个有趣的事实。当正在使用的机器零件由于静载荷的原因出现问题时,由于材料具有的延展性,他们通常会发生一定程度的变形。毕业设计外文翻译- 4 -(图 2.13)尽管许多地由于静压力导致的零件故障可以通过频繁的做实际的观察并且替换全部发生变形的零件来避免。不管怎样,疲劳失效有助于起到警告的作用。汽车中发生故障的零件中的 90%的原因都是因为疲劳的作用。一种材料的疲劳强度是指在压力的反复作用下的抵抗产生裂缝的能力。持久极限是用来评价一种材料的疲劳强度的一个重要参数。进一步说明就是,持久极限就是指在无限循环的作用力下不引起失效的压力值。让我们回头来看在图 2.9 所示的疲劳试验机器的。试验是这样被进行的:一件小的重物被插入,电动机被启动。在试样的失效过程中,由计算寄存器记录下循环的次数 N,并且弯曲压力的相应最大量由第 2.5 方程式计算。然后用一个新的样品替换掉被毁坏的样品,并且将另一个重物插入以增加负荷量。压力的新的数值再次被计算,并且相同的程序冉次被重复进行,直到零件的失效只需要一个完整周期时为止。然后根据压力值和所需的循环的次数来绘制一个图。正如图表 2.14a 所示图形,该图被称为持久极限曲线或者 S-N 曲线。由于这需要的前提是要进行无限次的循环,所以我们可以以 100 万个循环用来作循环参考单位。因此,持久极限可以从图表 2.14a 那里看到,该材料是在承受了 100 万个循环后而没有发生失效的。用图 2.14 描绘的关系对于钢的材料来说更为典型,因为当 N 接近非常大的数字时,曲线就会变得水平。因此持久极限等于曲线接近一条水平的切线时的压力水平。由于包含了大量的循环,在绘图时,N 通常会被按照对数标度来画,如图 2.14 b中所示。当采用这样的方法做时水平的直线就可以更容易发现材料的持久极限值。对于钢的材料来说,持久极限值大约等于极限强度的 50%。无论如何,已经加工完成的表面如果不是一样的光滑,持久极限的值就会被降低。例如,对于钢材料的零件来说,63 微英寸( uin)的机械加工的表面,零件的持久极限占理论的持久极限的百分比降低到了大约 40%。而对于粗糙的表面来说(300uin,甚至更多) ,百分比可能降低到 25%左右的水平。最常见的疲劳损坏的类型通常是由于弯曲应力所引起的。其次就是扭应力导致的失效,而由于轴向负载引起的疲劳失效却极少发生。弹性材料通常使用从零到最大值之问变化的剪应力值来做实验,以此来模拟材料实际的受力方式。就一些有色金属而论,当循环的次数变得非常大时,疲劳曲线不会随着循环次数的增大而变得水平。 ,而疲劳曲线的继续变小,表明不管作用力有多么的小,多次的毕业设计外文翻译- 5 -应力反复作用都会引起零件的失效。这样的一种材料据说没有持久极限。对于大多数有色金属来说,它们都有一个持久极限,数值大小大约是极限强度的 25%。温度对屈服强度和弹性模数的影响一般说来,当在说明一种拥有特殊的属性的材料时,如弹性模数和屈服强度,表示这些性能在室温环境下就可以存在。在低的或者较高的温度下,材料的特性可能会有很大的不同。例如,很多金属在低温时会变得更脆。此外,当温度升高时,材料的弹性模数和屈服强度都会变差。图 2.23 显示了低碳钢的屈服强度在从室温升高到1OOO过程中被降低了大约 70%。当温度升高时,图 2.24 显示了低碳钢在弹性模数 E 方面的削减。正如从图上可以看见的那样,弹性模数在从室温升高到 1000过程中大约降低了 30%。从这张图表中,我们也能看到在室温下承受了一定载荷而不会发生变形的零件却可能在高温时承受相同载荷时发生永久变形。蠕变: 一种塑性变形的现象由于温度效应的影响,金属中产生了一种被称为蠕变的现象,一个承受了一定的载荷的零件的塑性变形是按照一个时间函数来逐渐增加的蠕变现象在室温的条件下也是存在的,但它发生的过程是如此之慢,以致于很少变得像在预期寿命中温度被升高到 300或更多时那样显著,逐渐增加的塑性变形可能在一段短的时期内变得很明显。材料的抗蠕变强度是指材料抵抗蠕变的属性,并且抗蠕变强度的数据可以通过处理长期的蠕变试验(模拟实际零件的操作条件)来获得。在试验的过程中,给定的材料在规定的温度下的塑性应变被被进行了实时监控。 (图 2.24)由于蠕变是一种塑性变形现象,发牛了蠕变的零件的尺寸可能就会被永久的改变。因此,如果一个零件是在很强的强度下运转的话,那么设计工程师必须精确地预言将在机器的使用寿命期间可能发生的蠕变的次数。否则,与此伴随的或者相关的问题就可能发生。在高温下,当螺栓被用来紧固零件时,蠕变就可能变成一个必须解决的问题。处在压力状态下的螺钉,蠕变是按照一个时间函数来发生的。因为变形是塑性的,夹毕业设计外文翻译- 6 -紧力的损失将可能导致螺纹连接件的意外松动。像这种特殊的现象,通常被称为松弛,我们可以通过进行适当的蠕变强度时测试来确定是不是发生了蠕变。图 2.25 显示了三种承受了恒定的张紧力的低碳钢零件的典型的蠕变曲线。从中,我们可以注意到在高温条件下,蠕变发生的速度逐渐加速,直到零件失效。从图表里的时间轴上(x 轴) ,我们可以描述在 10 年的时间里,这种产品的预期寿命。(图 2.25)总结机器设计者必须理解进行抗拉的静止强度的测试目的。这种试验可以确定被在设计方程式过程中使用的许多金属的机械特性。像弹性模数,比例极限,屈服强度,弹性,以及延展性等等可以根据抗拉试验来决定它们的特性。动载荷是指那写在大小和方向上发生变化并且可能需要对机器零件在抵抗失效能力上的研究。由于应力的反复作用,允许使用的安全应力足基于材料的持久极限而不是基于屈服强度或者是极限强度。压力集中在机器零件改变尺寸的位置发生,例如在一块平的金属板上的一个孔或者一块平板、一个沟槽、一个圆轴上的皮带在宽度方向上的突然变化。尤其是在一块平板上或一块条板上有一个孔的情况下,当孔的大小减少时,最大应力的值相对于平均应力变得大得多。减少的压力集中影响的方法通常就是使在形状上的变化更有规律性。被设计出来的机械零件被用于在低于屈服强度或者极限强度的一些允许的环境下使用。这种方法可以用来照顾到在加工期间像材料属性的变化和残余应力的产生这样的未知因素, 以及用来做近似而不是精确计算的方程式。根据屈服强度或者极限强度来确定安全系数以决定安全应力的大小。温度能影响金属的机械特性。温度的增加可能会引起金属的热胀和蠕变,并且还可能降低它的屈服强度和它的弹性模数。如果大多数金属不被允许在温度发生变化时发生膨胀或者收缩,那么压力就会被当做载荷来看待。这现象在依靠干涉配合来进行零件装配时是有益的。一个毂或者孔的内径比与它相配的轴或者圆柱的直径小一点。先将毂加热后,由于热胀冷缩,此时可以轻松的将轴插入其中。当它冷却以后,同样由于热胀冷缩,它的内孔直径会变小,从而对插入其中的轴产生了很大的摩擦力,有效的防止了轴的松动。计算机辅助制造构造的类型盘形凸轮这类凸轮是最受欢迎的类型之一,因为这种凸轮的设计和制造是比较简单和容易的。如图 6.1 所示的盘形凸轮。可以注意到从动件移动到了与凸轮的旋转毕业设计外文翻译- 7 -轴垂直的位置。所有的凸轮都按照两个不同的实体在运转时不会互相碰撞的基本原理来运行。因此,随着凸轮的旋转(在这种情况下,一般是逆时针转) ,从动件要么向上移动要么就接受适当的约束。我们应该把注意力集中于防止从动件发生粘接和使从动件的运动满足生产的要求。当从动件向下移动时,弹簧需要使从动件的棍子和凸轮的轮廓保持。棍子是被用来减少齿轮接触表面的磨擦力的。对于凸轮的每次旋转来说,从动件通过对凸轮底部死点的冲击使其移动到顶端。图 6.2 所示的是一个带有一个尖顶从动件的盘形凸轮。复杂的动作可以通过这类从动件产生,因为一个点能够精确地跟随着凸轮轮廓的任何突然变化。无论如何,这种设计局限于负荷是非常小的应用里;否则两个实体的接触点将会被磨损掉,从而导致一系列的问题出现。盘形凸轮的两个另外的变量分别是旋转的从动件和从动件的偏移量,如图 6.3所示。当需要的是旋转的运动时,一个旋转的从动件就会被使用。关于从动件的偏移量,我们需要注意从动件的偏移量的大小是取决于像压力角和凸轮外轮廓等参数的,这两个参数稍后将会被介绍。没有偏移量的从动件被称作同轴心的从动件。传递动力的凸轮:如图 6.4 所描绘的被用米传递动力的凸轮。当凸轮朝着水平的方向传递运动时,从动件会产生上下滑动。从这里我们可以看出,一个旋转的从动件和一个滑动的从动件都可以被使用。这种类型的动作通常会被用在一些生产用于凸轮上的产品的专用机床上。这种设计上的变化在旋转和传输动力的三维的凸轮上体现了出来。例如,一块手工制造的步枪原料被放在一台专用车床上。这块原料的形状是要求能够实现以各凸轮所要达到的功能。当它旋转并传输动力时,从动件就可以控制用来把一块木材加工成生产步枪原料的机床。主动凸轮:在上述的凸轮设计巾,凸轮和从动件之问在往返运动中保持接触是通过弹簧力的作用来保证的。无论如何,处于高速运转中的凸轮,用来保持凸轮和从动件之间的接触的弹簧力可能会变得很大,这是由于凸轮在高速运动中的加速度会产生额外的动作用力,接触的位置可能会发生变形。在这种情况下,接触面可能产生过大的压力,这样将会导致零件过早的被磨损。主动凸轮是不需要弹簧的,因为从动件被迫在两个方向上与凸轮接触。这样的主动凸轮可以分为 4 类:圆柱形的凸轮,开槽的盘形凸轮(也叫表面凸轮) ,分型板凸轮,以及共轭凸轮。毕业设计外文翻译- 8 -(图 6.4)圆柱形凸轮:如图 6.5 所示,圆柱形凸轮可以使从动件实现不断的往复运动。图 6.6 所示的是一个旋转的从动件的应用实例。通过凸轮上槽沟的设计,我们可以实现使用几个凸轮轴来完成从动件的圆周分布。开槽的盘形凸轮:在图 6.8 上,我们可以看到一个带有旋转的从动件的分型板凸轮,但是这样的设计也可以被用于传递动力的从动件上面。凸轮 E 和 F 一起绕着凸轮轴 B 旋转。凸轮 E 始终保持与滚筒 C 接触,而凸轮 F 则一直和滚筒 D 保持着接触。滚筒 C 和滚筒 D 都被安装在一根直角杠杆上,而这个直角杠杆是绕着点 A 摆动的从动件。当凸轮 F 提供个滚筒 D 的需要的动作时,凸轮 E 则被用于给滚筒 C 提供需要的动作。共轭凸轮,这种类型的凸轮,正如图表 6.9 描述的那样,由一个被安装在凸轮轴偏心处的圆凸轮组成。从动件每次的摆度等于两倍的凸轮的偏心矩 e。这样的凸轮会生产简谐振运动而没有保留时间。下面更进一步的讨论一下第 6.8 部分。计算机辅助制造的专有名词在我们涉及凸轮的设计之前,我们很有必要知道各种各样被用于鉴别凸轮的重要的设计参数。看一下下图 6.11 中的术语。如果你把凸轮想像成是不动的,而从动件是绕着凸轮转动的,那么,你将更容易理解对凸轮的描述。轨迹点:是指尖顶从动件的终点或者辊子中心或者辊子之类的从动件的终点。凸轮轮廓:凸轮的实际形状。基圆:是指能够画出来的且与凸轮的轮廓线相切的最小的圆。它的中心也就是凸轮轴的中心。 凸轮轴里的最小的半径就是基圆的半径。啮合曲线:假定凸轮是固定不动的,从动件绕着凸轮旋转的,那么,轨迹点的路径就是啮合曲线。优圆:优圆是指与啮合曲线相切,且它的中心也在分配轴的中心的圆。压力角:压力角是指从动件的运动力向与节圆上辊子的中心所在的点之间的角度。凸轮外形:与凸轮轮廓相同。BDC:是 Bottom Dead Center 的缩写,是指从动件离凸轮中心最近的位置。行程:是指从动件在 BDC 和 TDC 之间走过的路程的长度。高度上的行程:是指从动件从 BDC 转到 TDC 的时高度的变化值。毕业设计外文翻译- 9 -返程:是指从动件从 TDC 转到 BDC 时所需时问。轮廓平行线:是指当凸轮在转动时,从动件可以和凸轮的中心保持恒定的距离不变的轨迹。我们可以通过图 6.12 获得对压力角的意义有一个更清楚、更深刻的理解。在这里,FT 是影响辊子的一个合力。在任何一个接触点的地方,它一定是与表面垂直的。Fr 的方向显而易见不与从动件运动的方向平行。相反,它时通过压力角 a 来表明从动件的运动的方向的。因此,力 FT 可以被分解为水平方向的力 FH 和垂直方向的力 Fv 两部分。垂直分量是向上驱动从动件的那个力,因此,忽略了摩擦力,就等于从动件所受的力。水平方向的力没有座有用功,但是它仍然是不可或缺的。事实上,它试图使从动件能够沿着它的方向走。这样就可能会损坏从动件或者。使从动件被卡死。很明显,我们希望压力角能够尽可能的减小测向力的大小。一个实际的经验法则是设计凸轮轮廓时,应使压力角的度数不超过 30。压力角的大小,一般说来,取决于从动件的以下四个参数:基圆的大小。从动件相对主动件的圆心的偏移量的大小。滚筒直径的大小。凸轮轮廓平面(取决于使用的从动件运动的从动件行程和类型) 。如果凸轮的要求没有改变,那么前面提到的一写参数就不能被改变。例如空间的限制。在我们已经学习过了如何设计凸轮之后,我们将学到减小压力角的各种各样的方法。毕业设计外文翻译- 10 -Failure Analysis, Dimensional Determination And Analysis,Applications Of CamsINTRODUCTIONIt is absolutely essential that a design engineer know how and why parts fail so thatreliable machines that require minimum maintenance can be designed. Sometimes a failurecan be serious, such as when a tire blows out on an automobile traveling at high speed . Onthe other hand, a failure may be no more than a nuisance. An example is the loosening ofthe radiator hose in an automobile cooling system. The consequence of this latter failure isusually 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. Generallyspeaking, dynamic loads with direction reversals cause greater difficulty than static loads,and therefore, fatigue strength must be considered. Another concern is whether the materialis ductile or brittle. For example, brittle materials are considered to be unacceptable wherefatigue is involved.Many people mistaking interpret the word failure to mean the actual breakage of apart. However, a design engineer must consider a broader understanding of whatappreciable deformation occurs. A ductile material, however will deform a large amountprior to rupture. Excessive deformation, without fracture, may cause a machine to failbecause the deformed part interferes with a moving second part. Therefore, a partfails(even if it has not physically broken)whenever it no longer fulfills its requiredfunction. Sometimes failure may be due to abnormal friction or vibration between twomating parts. Failure also may be due to a phenomenon called creep, which is the plasticflow of a material under load at elevated temperatures. In addition, the actual shape of apart may be responsible for failure. For example, stress concentrations due to suddenchanges in contour must be taken into account. Evaluation of stress considerations isespecially important when there are dynamic loads with direction reversals and thematerial is not very ductile.In general, the design engineer must consider all possible modes of failure, whichinclude the following.-Stress-Deformation-Wear-Corrosion-Vibration-Environmental damage-Loosening of fastening devicesThe part sizes and shapes selected also must take into account many dimensionalfactors that produce external load effects, such as geometric discontinuities, residual毕业设计外文翻译- 11 -stresses due to forming of desired contours, and the application of interference fit joints.Cams are among the most versatile mechanisms available. A cam is a simpletwo-member device. The input member is the cam itself,while the output member is calledthe follower. Through the use of cams, a sample input motion can be modified into almostany conceivable output motion that is desired. Some of the common applications of camsare-Camshaft and distributor sharp of automotive engine-Production machine tools-Automatic record players-Printing machines-Automatic washing machines-Automatic dishwashersThe contour of high-speed cams (cam speed in excess of lOOO rpm) must bedetermined mathematically. However, the vast majority of cams operate at low speeds(lessthan 500 rpm) or medium-speed cams can be determined graphically using a large-scalelayout. In general, the greater the cam speed and output load, the grater must be theprecision with which the cam contour is machined.DESIGN PROPERTIES OF MATERIALSThe following design properties of materials are defined as they relate to the tensiletest .Figure 2.7Static Strength. The strength offal part is the maximum stress that the part can sustainwithout losing its ability to perform its required function. Thus the static strength may beconsidered to be approximately equal to the proportional limit , since no plasticdeformation takes place and no damage theoretically is done to the material.Stiffness. Stiffness is the deformation-resisting property of a material. The slope of themodulus line and, hence, the modulus of clasticity arc measures of the stiffness of amaterial.Resilience. Resiliency is the property of a material that permits it to absorb energywithout permanent deformation. The amount of energy absorbed is represented by the areaunderneath the stress-strain diagram xvithin the elastic region.Toughness. Resilience and toughness are similar properties. However, toughness is毕业设计外文翻译- 12 -the ability to absorb energy without rupture. Thus toughness is represented by the total areaundemeath the stress-strain diagram, as depicted in Figure 2. 8b. Obviously, thetoughness and resilience of brittle materials arc very low and arc approximately equal.Brittleness. A brittle material is one that ruptures before any appreciable plasticdeformation takes place. Brittle materials are generally considered undesirable for machinecomponents because they arc unable to yield locally at locations of high stress because ofgeometric stress raisers such as shoulders, holds, notches, or keyways.Ductility. A ductility material exhibits a large amount of plastic deformation priorto rupture. Ductility is measured by the percent of area and percent elongation of a partloaded to rupture. A 5%elongation at rupture is considered to be the dividing line betweenductile and brittle materials.Malleability. Malleability is essentially a measure of the compressive ductility of amaterial and, as such, is an important characteristic of metals that arc to be rolled intosheets.Hardness. The hardness of a material is its ability to resist indentation orscratching. Generally speaking, the harder a material, the more brittle it is and, hence,the less resilient. Also, the ultimate strength of a material is roughly proportional to itshardness.Mach inability. Mach inability is a measure of the relative ease with which a material canbe machined. In general, the harder the material, the more difficult it is to machine.Figure 2.8COMPRESSION AND SHEAR STATIC STRENGTHIn addition to the tensile tests, there are other types of static load testing that providevaluable information.Compression Testing. Most ductile materials have approximately the same propertiesin compression as in tension. The ultimate strength, however, can not be evaluated forcompression As a ductile specimen flows plastically in compression, the material bulgesout, but there is no physical rupture as is the case in tension. Therefore, a ductile materialfails in compression as a result of deformation, not stress.Shear Testing. Shafts, bolts, rivets, and welds are located in such a way that shearstresses are produced. A plot of the tensile test. The ultimate shearing strength is defined as毕业设计外文翻译- 13 -the stress at which failure occurs. The ultimate strength in shear, however, docs not equalthe ultimate strength in tension. For example, in the case of steel, the ultimate shearstrength is approximately 75% of the ultimate strength in tension. This difference must betaken into account when shear stresses arc encountered in machine components.DYNAMIC LOADSAn applied force that does not vary in any manner is called a static or steady load. It isalso common practice to consider applied forces that seldom vary to be static loads. Theforce that is gradually applied during a tensile test is therefore a static load .On the other hand, forces that vary frequently in magnitude and direction are calleddynamic loads. Dynamic loads can be subdivided to the following three categories.Varying Load. With varying loads, the magnitude changes, but the direction docsnot. For example, the load may produce high and low tensile stresses but no compressivestresses.Reversing Load. In this case, both the magnitude and direction change. These loadreversals produce ultimately varying tensile and compressive stresses that are commonlyreferred to as stress reversals.Shock Load. This type of load is due to impact. One example is an elevator droppingon a nest of springs at the bottom of a chute. The rebuking maximum spring force can bemany times greater than the weight of the elevator, The same type of shock load occurs inautomobile springs when a tire hits a bump or hole in the road.FATIGUE FAILURE-THE ENDURANCE LIMIT DIAGRAMThe test specimen in Figure 2.lOa. , afire a given number of stress reversals willexperience a crack at the outer surface where the stress is greatest. The initial crack startswhere the stress exacts the strength of the grain on which it acts. This is usually wherethere is a small surface defect, such as a material flaw or a tiny scratch. As the number ofcycles increases, the initial crack begins to propagate into a continuous series of cracks allaround the periphery of the shaft. The conception of the initial crack is itself a stressconcentration that accelerates the crack propagation phenomenon. Once the centricperiphery becomes cracked, the cracks start to move toward the center of theshaft. Finally, when the remaining solid inner area becomes small enough, the stressexceeds the ultimate strength and the shaft suddenly breaks. Inspection of the break revealsa very interesting pattern, as shown in Figure 2.13. The outer annular area is relativelysmooth because mating cracked surfaces had rubbed against catch other. However, thecenter portion is rough, indicating a sudden rupture similar to that experienced with thefracture of brittle materials.This brings out an interesting fact. When actual machine parts fail as a result of staticloads, they normally deform appreciably because of the ductility of the material.毕业设计外文翻译- 14 -Figure 2.13Thus many static failures can be avoided by making frequent visual observations andreplacing all deformed parts. However, fatigue failures give to warming. Fatigue fail matedthat over 90% of broken automobile parts have failed through fatigue.The fatigue strength of a material is its ability to resist the propagation of cracks understress reversals. Endemic limit is a parameter used to measure the fatigue strength of amaterial. By definition, the endurance limit is the stress value below which an inmatenumber of cycles will not cause failure.Let us return our attention to the fatigue testing machine in Figure 2.9. The test is runas follows: A small weight is inserted and the motor is turned on. At failure of the testspecimen, the counter registers the number of cycles N, and the corresponding maximumbending stress is calculated from Equation 2.5. The broken specimen is then replaced by anidentical one, and an additional weight is inserted to increase the load. A new value ofstress is calculated, and the procedure is repeated until failure requires only one completecycle. A plot is then made of stress versus number of cycles to failure. Figure 2.14a showsthe plot, which is called the endurance limit or S-N curve. Since it would take forever toachieve an infinite number of Cycles, I million Cycles is used as a reference. Hence theendurance limit can be found from Figure 2.14a by noting that it is the stress level belowwhich the material can sustain I million cycles without failure.The relationship depicted in Figure 2.14 is typical for steel, because the curve becomeshorizontal as N approaches a very large number. Thus the end
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