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 时间:2013-01-05 16:59:28 贡献者:yuzhongnabasan

导读:第三课Overview of Engineering Mechanics 工程力学概述当我们观察我们周围就会发现世界充满“物品” :机器,设备,工具;我们已经设计,建 造,并使用的物品; 木头,金属,陶瓷和塑料制品。

正版新书 电子信息工程专业英语教程(第4?y9787121238512 任治刚
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第三课Overview of Engineering Mechanics 工程力学概述当我们观察我们周围就会发现世界充满“物品” :机器,设备,工具;我们已经设计,建 造,并使用的物品; 木头,金属,陶瓷和塑料制品。

根据我们使用的经验知道,有些物品比 其它物品更好;他们使用寿命较长,费用较低,噪音更低,更好看,或者更方便我们使用。

然而,在理想的情况下,每一件产品都是设计人员工具其对某些“功能要求”的理解而 设计出来的,也就是说,在设计过程中,应该回答这样的问题,即“它应该具有哪种确切的 功能?” 在工程领域,主要功能通常是承受由于重力,惯性力,压力等作用的一些类型的载 荷。

从我们居住房屋的梁到飞机机翼,都必须有一个适当的材料,尺寸,在较合理的寿命基 础上具有较合理的成本并能可靠地完成其功能的产品结构连接的组合。

在实践中,工程力学方法常被应用在两个完全不同领域: (1) 任何新装置的研发都需要对其结构,尺寸,材料,载荷,耐久性,安全和成本的反复考 虑。

(2) 当一个装置(意外地)发生失效后,通常需要进行研究,找出失效的原因,并找出潜在 的纠正措施。

最好的设计往往都是不断排除薄弱环节的演变过程。

对许多工程师来说, 上述过程既可以令人非常的陶醉又可以使人非常的愉快, 更何况 (有 时)对我们是有利的。

对于任何实际的问题,总是缺乏足够完整和有用的信息。

我们很少准确地知道实际荷载 和工作状态,因此,所做的分析工作也很少是精确的。

虽然我们的数学可以准确,全面的分 析一般只能近似,而且不同技术水平的人能得到不同的解。

在工程力学研究领域,大多数问 题要想得到唯一解就要充分的理想化,但应该清楚, “现实世界”远不非理想化程度,因此为 了得到问题的解决方案不得不进行一些理想化假设。

我们要考虑的技术领域通常被称为“静力学”和“材料力学”“静力学” , ,指的是研究作 用在固定装置上的作用力, “材料力学”指的是施加到结构的力(变形,载荷限制等)的影响。

但是,事实上很多设备都不是静态的,如果与动力学有关的额外负荷被考虑了的话,那 么静力学的研究方法完全适用于动态的情况,只要动态力相对静态载荷较小,系统通常被认 为是静态的。

在工程力学中,我们非常重视与实际问题本质有关的各种类型的近似方法。

首先,我们将要讨论处于“均衡”的事情,也就是说,不是加速的事情。

但是,如果我 们仔细观察,一切事情都是加速的。

我们会认为许多结构单元是无质量的-但情况从来不是这 样的。

我们会处理作用在某个点上的力,但所有力都作用在某个区域上。

我们将考虑某些零 件是“刚性的”-但是所有机构都将在负载下变形。

很明显,我们将做出许多虚假的假设。

但这些假设总是使问题变得更容易,更容易处理。

你会发现,我们的目标是使许多简化假设尽可能不严重地使结果退化。

一般没有明确的方法来确定如何完全,或者如何准确地处理一个问题:如果我们的分析 过于简单,我们可能无法获得相关的答案,如果我们的分析是过于详细,我们可能无法获得 任何答案。

它通常是最好开始用一个相对简单的分析,然后根据需要添加更多的细节获得一 个实用的解决方案。

在过去的二十年中,在解决问题的计算方法的有效性方面得到突飞猛进的增长。

这些方 法以前超越了解解决方案,因为时间的约束,解决这些问题以前是望而却步。

同时,计算机 的能力和使用成本下降了几个数量级。

我们正在经历一个“个人电脑”在校园内,在家里, 并在商业中大量涌现的时代。

Lesson 5 Shafts and Associated Parts 轴及相关零件轴这一术语通常是指一个相对较长具有圆形横截面的构件,它可以旋转并传输功率。

一 个或多个诸如齿轮、链轮、皮带轮和凸轮等类的构件通常借助于销、键、花键、卡环或其它 装置连接到轴上。

后面提到的这些构件在本篇文章中被称为“相关零件”,还有联轴器和万向 节,它们被用来实现轴与动力源或载荷之间的连接。

轴也可以是非圆截面的并且不一定要旋转。

它可以是固定的,有助于支撑回转构件,就 像汽车里支撑非驱动轮的短轴一样。

支撑⑤ 惰轮的轴可以旋转也可以是固定的,这取决于惰 轮是联接在轴上还是通过轴承(由轴)支撑。

很显然,轴可承受轴向、弯曲、扭转等载荷的各种组合的作用。

而且,这些载荷可能是 静态的,也可能是波动的。

通常情况下,一根传递动力的转轴受到一个恒定的扭矩(产生一 个平均扭转应力)和一个完全的交变弯曲载荷(产生一个交变弯曲应力)的共同作用。

除了满足强度要求之外,所设计轴的挠度(变形)也必须在可接受的极限范围内。

过大 的横向轴挠度会影响齿轮的性能并产生不良的噪音。

相关的角挠度对非调心轴承(滑动轴承 或滚动轴承)来说极具破坏性。

扭转缺点可以影响凸轮或齿轮驱动机构的准确性。

此外,柔 性(横向的或扭转的)越大,则相应的临界转速就越低。

. 一些构件,像齿轮、凸轮是和轴加工制造程一体的,但是大多数构件(也包括滑轮、链 齿轮等等)是单独制造,然后组装到轴上。

轮毂是与轴接触的安装构件的一部分(圈) 。

轴的 轮毂固定可制造成很多种形式。

一个齿轮可以用轴肩和挡圈进行轴向固定,并通过键来传递 扭矩。

安装键的轴和轮毂上的凹槽称为键槽。

1.握(或咬,夹)得牢更简单的用来传递相对较轻载荷的连接的是销。

销提供了一种能同时传递轴向和周向载

荷的较便宜的手段。

一种既好又很便宜的使轮毂和轴承在轴上轴向定位并固定的方法是用定位环,通常称为 卡环。

轴卡环需要(在轴上)开槽,这会使轴的强度降低,但如果槽开在应力较小的地方这 也不算什么缺点。

可能最简单的轮毂和轴之间的固定式借助于过盈配合来实现的(轮毂孔比轴径稍小些, 用压装法或使轮毂热膨胀—有时也用干冰让轴冷缩—在它们温度相同之前地进行装配) 有时 。

销和过盈配合结合起来使用。

最好的传递扭矩的方式是借助于在轴和轮毂上加工出来的相对应的花键来实现的。

花键 和键都可以使轮毂沿着轴有轴向滑动。

旋转轴,特别是那些高速运行的轴,必须设计成运转在能避开临界转速的(转速) 。

这通 常意味着提供足够的横向刚度,以使最低临界转速明显地高于运转速度。

关于横向振动和临界速度,制造和操作的可行性是回转系统的质心从来不会和回转中心 重合。

因此当轴的转速增加,作用在质心的离心力也增加,从而使轴弯曲。

轴弯曲得越大, 偏心越厉害,离心力也越大。

在最低(或基本)临界转速以下,离心力和轴的弹性力在一个 有限的轴挠度的情况下达到平衡。

在临界转速时,这个平衡理论上要求轴的质心有无限的偏 移量。

阻尼使这个平衡在有限的偏移下出现。

然而,偏移量常常大到足以破坏轴。

充分大于 临界转速的旋转通过将质心移向回转中心会得到令人满意的平衡位置。

在特殊情况下 (7) (如 一些高速涡轮机) ,通过快速通过临界转速(不给达到平衡挠度足够的时间)可以达到满意的 效果,并顺利使转速超过临界转速。

需要注意的几个原则如下: 1 轴要越短越好,使轴承靠近负载,这样可以减小变形和弯曲力矩,并增加临界转速。

2 尽可能使必要的应力集中源远离轴上承受较高应力的区域。

考虑采用局部表面强化工 艺(诸如喷丸硬化和冷轧) 。

3.使用较为便宜钢材制造偏心轴,因为所有的钢材基本上都有相同的弹性模量(弹性模 量 E 是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。

它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标,相当于普通弹簧中的刚度。

)4 当重量到达最大临界时,考虑使用空心轴。

轴的最大容许挠度是由临界速度、齿轮和承载要求确定的。

临界转速的要求随着具体的 应用变化很大。

满足齿轮及承载要求的轴容许挠度随着齿轮或轴承设计以及具体应用而变化。

的事,下面是几条应遵循的原则: 1.变形量不能使齿轮齿合间隙超过 0.13mm,也不能使齿轮轴线偏转超过 0.03 度。

2. 在滑动轴承中,轴(轴颈)的偏转必须小于油膜厚度。

3. 如果没有采用调心轴承,轴在球轴承或滚子轴承中的角度偏转通常不能超过 0.04 度。

Lesson 11选择。

Machine Tool Frames 机床机架机架是一个机器的基本结构。

大多数机架是由铸铁、焊接钢、复合材料、或混凝土。

以下因素影响材料的选择的材料必须能抵抗变形和断裂。

必须兼顾材料的弹性和硬度。

机架必须能够承受冲击,在载荷作用下 仍不产生裂缝和永久变形。

框架材料必须消除或阻止振动的传递,以减少能降低精度和刀具寿命的振动。

它必 须抵抗恶劣的车间环境,包括新的冷却剂和润滑剂。

材料绝不能积聚过多的热量,在其生命周期内必须保持其 形状,必须足够的密实来分配整个机器的力。

优点和缺点 无论铸件还是焊接件都有着广泛的应用。

应用哪种材料最好取决于给定的设计工况下的费用。

铸铁 因为铸造可以得到用其他方式很难达到的特征,所以几乎所有的传统机架一都是铸铁制成的。

铸件具有良好的刚度重量比和的阻尼性能。

修改壁厚并把金属放到需要的地方是相当容易的。

尽管铸铁比较便宜,但铸件都需要有一个铸模。

由于铸模成本,螺栓连接的问题,需要退火铸件,对于较 大截面的铸件但是很困难而且费用很高,因此较大尺寸的铸模受到限制。

小尺寸,大批量的机器通常采用铸铁 机架,因为它们可以很容易地承担铸模的成本。

对于小批量生产的机器,焊接机架是比较便宜的。

焊接钢 当铸造不切实际时,机器制造商会制造焊接型钢架。

由于钢具有较高的弹性模量,它通常增加肋以提供刚度。

焊缝数量是设计权衡:使用焊接,使大截面变得容易,而且即使初步设计完成的情况下增加新功 能也很容易,但焊接时产生的热量可以导产生变形并增加成本。

焊接也有助于阻碍振动通过钢架的传递。

制造 者有时采用循环冷却液通过焊接结构或在机架腔内添加铅或沙的方法来增加阻尼。

复合材料较先进的材料,包括聚合物,金属和陶瓷基材,可能极大地改变机床设计。

可以使基体和增强材料在某一个指定的轴线方向上具有所需要的强度。

陶瓷 在 20 世纪 80 年代日本引进带有陶瓷机架的试验机。

陶瓷能承受强度,刚度,尺寸稳定性,耐腐蚀,表面粗糙度低,但他们易碎而且价格昂贵。

缺乏导电性或许是陶瓷材料的优点或者不是。

复合材料和陶瓷的使 用都是受限制的。

钢筋混凝土 虽然在简单型材中,钢筋混凝土会增大质量和减少振动。

另一种形式,利用粉碎的混凝土或聚合物基体的花岗岩制成的高分子材料是比较受欢迎的。

与铸铁相比复合材料具有更好的阻尼特性,几乎可以 浇铸出任何形状,不需要进行应力消除热处理,并且能适应紧固件和需要使用嵌入件的钢轨。

但是,它是没有 金属那么坚固,扩散热效率较低。

设计者必须考虑复合材料和金属型材的膨胀系数之间的不同。

这种材料最常见的应用是精度高的机床和磨

床。

Fo地基 地基应该保证机器的刚度,减震和隔离室次要的考虑事项。

如果机器没有足够的硬度,地基必须提供必要 的刚度。

在选择地基时,设计人员必须考虑机器的重量,作用力,精度要求,以及相邻机器传送到地面的载荷。

因为随时间的变化会影响机器的稳定性,所以土壤条件可能是一个问题。

框架设计 框架设计的主要考虑载荷,阻尼,孔隙,热变形和噪声。

载荷 首先必须了解机器产生的静态和动态载荷。

基本载荷是静态的:机器及其工件的质量。

机器一旦运转就会产生动态载荷。

这包括加速的力,减速的力,工件动作的力以及不平衡的环境造成的不规则载荷,或负 载和振动的相互作用产生的自激励载荷。

阻尼 虽然机架材料和设计应解决阻尼的问题,有时减震器被做成框架部分来解决具体问题。

只有当设计师有一个充分了解涉及的所有载荷,减震器才能在机器几乎没有动态力的区域或有效地地方工作得最好。

例如, 一个在静态条件下运行良好的阻尼器若在动态条件下使用会弊大于利。

孔隙 每个机架面都应牢固,但机器需要为装配和维修提供通道。

设计人员应该综合考虑检测孔的数量和尺寸与刚度和强度要求之间的关系。

考虑散热 从内部或外部来源产生的热可能是引起框架的歪曲误差的主要原因。

外部热源包括车间的周围环境条件、冷却剂与润滑剂和阳光照射。

机器还具有自身的热源:电机,机床运动的摩擦,以及刀具在工件上 的切削作用。

理想情况下,机架的热量应最小化,并保持恒定不变。

噪声 考虑健康和安全的因素减少噪音是一个相当关注的问题。

可移动部件引起的空气流动和风扇是一个特别的问题。

机器外壳应能防止声音在机器中的传输,良好的阻尼材料有助于减少不良的声音。

Lesson 14 Physical Properties of Materials 材料的物理性能在材料选择中需要考虑的一个重要因素就是它的物理性能(即:密度,熔点,比热,热 导率,热膨胀性和腐蚀性) 。

物理性能对制造和组件的使用性能有很重要的影响,高速机床需 要采用重量轻的部件以减小惯性力,使机床不会产生过大的震动。

1 密度 材料的密度是这种物质单位体积的质量。

另一个术语是比重,它表示材料的密度 同水的密度的比值,没有单位的。

特别地,对于飞机和航天机器结构、汽车车身和组件、还 有当能量损耗和功率限制为主要考虑因素时,减重是很重要的。

在设计先进的设备与机器和 设计诸如汽车等消费品的过程中,采用新的替代材料来减轻重量和降低成本是一个应该着重 考虑的问题。

2.熔点 材料的熔点取决于分离它的原子所需要的能量。

金属合金的熔点温度有一个很宽 的变化范围(取决于它的组成) ,而且它不像纯金属那样有一个确定熔点。

在选择材料时,在

依据材料功能设计的结构和组成中,温度的变化范围是一个需要考虑的重要问题。

金属的熔点对于生产操作有一定的间接影响。

由于金属的再结晶温度与它的熔点有关, 象退火、热处理和热加工过程都需要掌握和材料有关的熔点的知识。

3 比热 材料的比热是单位质量的某种物质升高单位温度所需要的能量。

合金材料对于材 料的比热影响较小。

在机械加工过程中,工件温度的升高是所做的功和工件材料比热的函数。

工件过多的温升能够通过影响他表面的粗糙度和尺寸的精确度来降低产品的质量,而且还会 增加工具的过度损耗和材料中金相组织的不良的改变。

4 热导率 热导率表示热流流入和流出材料的比率。

金属通常具有很高的热导率,但是陶 瓷和塑料的导热率就很差了。

当热量通过塑料变形或是摩擦产生时,热量应该尽快的被传递出去以避免温度的剧烈升 高。

例如,在加工钛合金遇到的主要困难就是由它较低的热导率引起的。

低热导率还会导致 高的温度梯度,因此,在金属加工过程中引起工件的不均匀变形。

5. 热膨胀率 材料的热膨胀率有几个显著的影响,尤其是不同材料在装配过程中相对的 膨胀和收缩,例如电子和电脑配件,玻璃金属封接,机器中需要正常工作的移动部件需要适 当空隙。

在铸铁发动机中使用陶瓷元件也需要考虑他们的相对膨胀率。

利用热胀冷缩进行冷缩配合。

例如,法兰需要装在轴上。

它首先被加热,然后套到在室 温下的轴上。

当允许冷却时,法兰收缩且有效的装配成整体。

6 耐蚀性 金属,陶瓷和塑料都是受到各种各样的腐蚀。

腐蚀通常代表金属和陶瓷的恶 化,同样的现象对于塑料来说通常称为降解。

腐蚀不仅能够导致组件和结构的恶化,也能够 减小他们的强度和结构的完整性。

在化学、食品、石油工业的应用和制造运作过程中,耐腐蚀性是材料选择的一个重要的 方面。

尤其在高温下,除了各种可能存在的元素和化合物的化学反应外,部件和结构的环境 腐蚀也是需要重点考虑的。

抗腐蚀是依据材料的组成和特定的环境。

腐蚀媒介可以是化学品(酸、碱和盐) ,环境 (氧化、潮湿、污染和酸雨)和水(清水或盐水) 。

通常有色金属、不锈钢和非金属材料都具 有高耐腐蚀性。

钢和铸铁通常的抗腐蚀很差而且必须用涂料和进行表面处理来保护。

某种程度的氧化效果体现在铝、 钛和不锈钢的抗腐蚀性中。

将铝变成薄片 (一些原子层) 、 加强或在上面附上一层强氧化薄膜(Al2O3)就能够更好的保护其表面不受环境的更深层的侵 蚀。

将钛变成附有钛氧化物(TiO2)的薄层,同样的情况发生在不锈钢上, (由于在合金中有铬 的存在)不锈钢在其表面生成了保护层。

当保护层被破坏并将下层的金属暴露出来,一层新 的氧化层就形成了。

Lesson 37 Milling Machines and Grinding Machines 铣床和磨床铣床可以被分为三种类型:床身式铣床,升降台式铣床和专用铣床。

床身型铣床是用于产品加工制造。

这种机床的一般特性是工作台的高度是固定的,高度 的调整是根据主轴进行的。

高度通过主轴头上下移动来调整。

在结构中,这些机床是刚性的,允许更大的金属切削。

由于调整很费时,床身式铣床花 费的调整时间比建立升降台式铣床更费时间。

龙门式铣床通常是一种尺寸很大的床身式铣床。

工作台在一个拱形的很像刨床工作台的 台子下面移动。

刀盘安装在工作台的上方和侧面。

升降台式铣床是最常用的类型,因为他们的灵活性很好。

升降台式铣床很容易建立且用 途广泛,它更适合快速单件安装。

如果更复杂的安装是令人满意的,这也是可行的 一般来说,升降台式铣床有两种类型:立式铣床和卧式铣床。

立式铣床和卧式铣床间的 不同点就是和工作台相连的主轴位置不同。

在立式铣床中,主轴垂直工作台安装,在卧式铣 床中,主轴是水平安装的。

还有几种专用铣床,如螺纹铣床,仿形控制铣床(靠模铣床) ,回转铣床和许多其他被设 计用来完成特殊工作的铣床。

卧式镗床通常是一个伸缩轴安装在机器的主轴箱上的大型机器。

主轴箱可以在垂直方向 上移动。

一个安装在尾座组件上的套管导致了前后移动,套管总是和主轴箱的主轴在一条直 线上。

这样一个能够安装刀具的长镗杆,在两端被支撑。

镗杆受到从主轴传递过来的力。

需 要注意,铣刀、钻头等等能够直接被安装在轴上而无需使用镗杆和尾座。

同样也生产制造用于连续铣削的专用铣床。

回转铣床,使用一个垂直轴和一个机械转动 回转台,可以进行连续铣削。

很多工件被安装在一个圆盘上。

由于工作台的转速很低,操作 者有机会移动已经完成的工件并且加载没完成的工件。

磨床分为很多种类。

两种最常用的磨床是外圆磨床和平面磨床。

其他研磨设备包括那些 垂直主轴立式磨床,内圆磨床和无心磨床和夹具。

外圆磨床安装一个主轴箱和尾座,在主轴箱和尾座中间安装工件,工件相对砂轮旋转, 从工件圆周磨削多余金属。

(如图 1 所示) 。

这种操作有点类似于车床加工。

砂轮代替刀具, 无数个小磨料颗粒被看成是小刀具。

事实上,他们在切削操作中产生很少的碎屑。

主轴箱的中心可以随着工件旋转,也可以不旋转。

尾架上总是采用死顶尖。

带有死顶尖 的外圆磨床操作可以消除由活顶尖产生的径向跳动而引起的任何可能偏心。

精密磨削在两个 死顶尖之间进行加工。

将砂轮给进到工件中是自动或手动操作的,每次进给量 0.0001 英寸。

砂轮给进到工件中 的横向给进范围是粗加工时是 0.0002 英寸,精加工时是 0.0005 英寸。

当磨削操作完成时,液 压控制磨床进给运动也适用于工作台的自动伸缩机构。

. 平面磨床用来磨削平面(如图 2a 所示) 。

工作台上安装一个磁性吸盘来保持住磨削操作。

如图 2(b)所示,工作台在砂轮作用下振动。

工作台进行横向进给操作。

这种进给可以是自

动也可以是手动操作。

自动控制使用液压动力或者使用机械分度机构。

在工作台的纵向移动 中,当它碰到行程挡块时就会改变运动方向。

一个独特的磨床是无心磨床,有几种类型:外圆磨床磨削圆形的外表面,内部无心磨床磨削 圆形的内表面,无心螺纹磨床。

这些磨削加工可用于磨削圆柱面、圆锥体、球体、螺纹等等。

在所有情况中,至少使用了三个支撑点。

工件被支撑在托板或辊子上,一个具有比砂轮 摩擦系数更高的导轮是第二支撑点。

砂轮是第三支撑点,如图 3 所示。

 
 

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