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機械的承栽能力(上)

2017-10-09

在制造機械時,玻單要的是使其堅閩射用且不場損壞。按設 定的運動規律制造出的機械無論多么有用,—運轉就立刻損壞就 沒有任何實用意義。那么,我們要考慮如何制造堅®耐用而不易 損壞的機械(圖】-2)。

堅固酎用而不易損壞的物體

堅固耐用且不易損壞的物體到底是什么樣呢?無論是木板、 鋼鐵或者水泥,只要承受過大的載荷就會損壞,例如彎曲、折 斷、碎裂等破壞。好好想一下,世界上好像沒有一件絕對不損壞
的物體。
于是,綜h考慮,就有了在制造機械時,只要作用在機械卜 的力不超過其材料失效極限軟荷即可的想法。為此,我們必須掌 握各種材料所能承受的極附軟荷?似是,對于g雜形狀的物體, 就很難掌握它的受力點和受力特征。在這里如何做才好呢?基本 的思考方法之一就是將復雜的事情轉化成簡承的樣本后進行分析, 這對學習任何事物都是非常®要的,
現在,我們將機械構件的形狀設定為橫截面是一定的桿件。 無論是機械、還是橋梁和樓房等構造物都可以#成是由桿件組合 而成的?仔細觀察一下作用在一根桿件的栽荷特征(圖1-3)。首 先,考慮作用在桿件上的拉伸力,或者與之相反的壓縮力。剪切 猶如用剪刀剪紙那樣,在兩平行面上分別施加方向相反的作用力 使界面發生錯動變形。作用于車軸上的扭轉力矩會使車軸產生扭 轉變形,可以認為是剪切力作用點發生錯動并連續作用的結果。
在對兩端支掙的梁中間附近施加載荷,或梁的一端固定而在自由
的另一端施加載荷時,錢荷的作用會使梁發生彎曲變形。
在此,以施加在桿件材料上的拉伸力為例。假設這個桿件是 用黑色金誠材料鋼鐵制成的圓形桿件,給它施加拉力的話,它在
外力作用下會表現出怎樣的變形和損壞呢?
首先考慮的是在給鋼桿施加拉力后,鋼桿是否會伸長。也許 很難想象鋼桿會伸長,但從結論上說,金屬具有伸長(延伸)的 特性,就同拉伸金屬彈簧時產生的現象一樣。此時,以施加在材 料上的戟荷為縱坐標,材料的伸長童為橫坐標,作用在材料的載 荷與其伸長量的關系如圖1*4所示。
由圖1*4可見,曲線初期所示為施加在材料上的栽荷與伸長里 成正比例關系:而后,材料h的載荷與其伸長量之間喪失這種正
比例關系,并形成逐漸上升的關系曲線:曲線后期所示軟荷與伸 長貴之間表現為逐漸F降的關系曲線。在這里,承受最大軟荷點 稱為材料的強度極限,最后使材料斷開點稱為斷裂點。還有,本 圖所介紹的是被稱為低碳鋼的一般金厲材料,它在軟荷與伸長S 之間喪失正比例關系的附近具有被稱為屈服點的顯茗?特征。鞔荷 與伸長量之間的關系會因材料不同而發生變化,所以當選擇制造 機械的材料時,應特別注意這一關系。
在此,縱軸的載荷是將外加栽荷除以試樣桿的橫截面積,稱 為應力,其單位常用N/rrnn2表示?
應力=載荷/橫截面積(N/mm2〉
當你被問到“你可以拿起丨kg的重物嗎?”,大槪都會回答說 “可以”。但是,被問到“可以用一根針支撐起丨kg的重物嗎? ”, 大概就會猶豫不決吧(閣1-5)。
你可以拿起1叫.:.丨’物嗎
這說明,即使同樣的栽荷,因承受栽荷的橫截面積不同’承軟能力會發生變化。如果只以桿件能承受多大的賴為指標,則 桿件越粗賴能力娜。棚種洲_況卩’桿件截面越大’ 當然就能承艦大醜荷.(日u_尺寸大了的話,房間就 會變得狹窄,如果考慮飛機結構件的輕審:化,結構件尺寸越大, 相對會越電,這就引發/相互矛盾的問題。為此,在機械設計中, 軟荷除以錢荷的作用而所得出的應力成為了重®的指標。
那么,知道材料能承受的應力后,如何在機械設計中靈活運 用好這一關系呢?
簡單的想法是只要所需制造的機械各部件所承受的栽荷不超 過辰大極限值即可。但是,這種想法是行不通的。讓我們再考慮 —下材料承受拉伸錢荷的變形,即承受拉伸栽荷作用的材料,它 是伸長之后斷裂,還是幾乎不伸長就斷裂呢。若以彈簧為例,彈 簧承受釵荷作用后的變形量幾乎與載荷莆成比例地增加,金屬桿 件也會發生同樣的現象。如果更加仔細地觀察后會發現,若對彈 簧施加的軟荷超過某一值后,彈簧將無法恢復到原來狀態,部分 變形將會殘留*像這樣能恢復到原來狀態的變形稱為彈性特征, 不可恢復原來狀態的殘留變形稱為塑性特征(圖丨-6)。為此,選 用材料時基本上都使其變形控制在彈性范圍內,即不會發生斷裂, 電不會有使材料產生殘留變形的軟荷。
只要想到機械是由多個部件組合而成,就可以押解為什么必 須保證其在彈性范圍內?例如,當某部件殘留數毫米的變形,將 會影響支撣它的部件以及與之相聯動的部件,甚至能引起整個機 械的損壞。
從前面展示的低碳鋼拉伸試驗中’我們知道彈性與塑性的 分界點在正比例關系喪失的屈服點附近。于是,在實際設計 中,一定要使施加給機械各部件的垴大載荷都不超過比例極限我荷*
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