一級(jí)擺線錐齒輪減速器設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)之減速器設(shè)計(jì)

一級(jí)擺線錐齒輪減速器設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)之減速器設(shè)計(jì),一級(jí),擺線,齒輪,減速器,設(shè)計(jì),掘進(jìn)機(jī) 故障的分析、尺寸的決定以及凸輪的分析和應(yīng)用 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(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。 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，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。