机械工程导论翻译第三章.docx
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机械工程导论翻译第三章
3.1OVERVIEW
AsintroducedinChapter1,theprimaryobjectiveofmechanicalengineersistomakemachinesthatwork,thatareuseful,andthatimprovesocietyinsomeway.Machinesingeneral,andpowertransmissionequipmentinparticular,areoftenconstructedofstandardizedcomponentsor"buildingblocks."Justasanelectricalengineermightselectoff-the-shelfresistors,capacitors,andtransistorsastheelementsofacircuit。
mechanicalengineershavegoodintuitionforspecifyingthedifferentavailabletypesofbearing,shafts,gears,beltsandothercomponentsintheirdesigns.Oncethedetailsofamachinehavebeenworkedoutandthecomponentsforithavebeenselected,theproductthenneedstobebuilt.Mechanicalengineersalsodevisemanufacturingandassemblyprocesses,andattheconclusionofthischapterwewillintroduceseveralcommonmachinetools.
Asolidappreciationofmachinecomponentsandtoolsisvaluableatthreelevels.First,andfromourprimarystandpointinthistextbook,aworkingknowledgeofthishardwareisimportantforyoutodevelopatechnicalvocabulary!
Mechanicalengineeringhasitsownpreciselanguage,andspecializedtermsareusedtodescribetheconstructionandoperationofmachines.Tocommunicateeffectivelywithotherengineers,youwillneedtolearn,adopt,andsharethatlanguage.Second,havingsuchabackgroundisnecessarytoselectthepopercomponentforanapplicationandtospecifytheappropriatemachinetoolforaproductionprocess.Ofcourse,itisnotpossibletolistanddescribeeverymachineandcomponentthatembodiesmechanicalengineeringprinciples,andthatisnotourintentioninthischapter.However,byexaminingjustafewmachinecomponentsandtools,youwilldevelopagrowingappreciationforpracticalmachineryissues.Finally,thischapterisagoodplaceforyoutobeginthejourneyofunderstandingtheinnerworkingsofmechanicalhardware.It'sintellectuallyhealthyforyoutobecuriousaboutmachines,wonderhowtheyweremade,dissectthem,andthinkabouttheycouldhavebeenmadedifferentlyorbetter.
3.1概述
正如第1章介绍,机械工程师的首要目标是制造机器,制造能够工作的、有用的并以某种方式,改善社会的机器。
普通机器,以及像电力传输设备这样的特殊机器设备,往往是由各种标准化的部件或称为“模块”组成的。
就像一个电气工程师可能会选择现成的电阻,电容和晶体管做为电路元件,机械工程师在他的设计中可以得心应手的选择合适类型的轴承、轴、齿轮、皮带和其它机械零件。
一旦一种机器的设计方案制订出来,它的组件被选定,然后需要制造产品。
机械工程师也设计制造和装配工艺过程,在本章结尾,我们将介绍几种常见的机床。
牢固全面地了解各种机器零件和机床,在三方面是有价值的。
首先,也是本教科书的最初目的,了解硬件工作方面的知识,对扩展你的技术词汇是非常重要的。
机械工程有它自己独特的语言,需要使用一些专业术语来描述机械的结构和操作。
为了有效地与其他工程师沟通交流,你需要学习,采纳,并分享这种语言。
其次,为某种实际应用场合选择合适的部件,为某种生产工艺选择合适的机床,都需要你具有各种机械零件和各种机床的知识。
当然,我们不可能列出并描述机械工程学科所包括的所有机器和零件,这也不是本章的目的。
然而,仅仅通过学习几种机械零件和机床的知识,将增进你对实际机械问题的了解和掌握。
最后,通过本章的学习,能让你很好地了解机械零件的内部结构和工作原理。
激发起你对机器的好奇心,想想他们是如何制成的,剖析他们,研究他们如何能够作出不同或更好。
3.2ROLLINGELEMENTBEARINGS
Bearingareusedtoholdshaftsthatmustrotaterelativetosupportsthatarefixedforinstance,thehousingofamotor,gearbox,ortransmission.Awidevarietyofbearingexist,andeachparticulartypeisappropriateforadifferentsetofinstallationandoperatingconditions.Althoughaballbearingmightbethebestchoiceforoneapplication,itmightnothaveenoughload-carryingcapabilityforanother.Thecommonfeatureofallbearingisthattheyenableshaftstorotatewithlittleresistancewhilebeingwellsupportedagainstforcesactinginotherdirections.
Bearingareclassifiedintotwobroadgroups,calledrollingcontactandjournal.Inthischapter,wediscussonlyrollingcontactbearings;thesetypicallycompriseaninnerrace;anouterrace;rollingelementsintheformofballs,cylinders,orcones,andaseparatorthatpreventstherollingelementsintheformrubbingagainstoneanother,Rollingcontactbearingareubiquitousinmachinedesign,andtheyarefoundinapplicationsasdiverseasbicyclewheels,roboticjoint,andautomobiletransmissions.Journalbearing,ontheotherhand,havenorollingelements.Instead,theshaftsimplyrotateswithinapolishedsleevethatislubricatedbyoiloranotherfluid.Justasthepuckonanairhockeytableslidessmoothlyoverathinfilmofoil.Alsoubiquitous,journalbearingsupportcrankshaftsininternalcombustionenginesandshaftsinsidepumpsandcompressors.
3.2滚动轴承
轴承是用来支撑轴的,而轴又必须相对于固定的支撑物旋转,例如,一个电机、变速箱的壳体(轴承座)就是这样固定的支撑物。
目前,有各种类型的轴承存在,每一种特定的类型都适合不同的安装和工作条件。
尽管球轴承可能是某种应用场合的最佳选择,但它对另一种场合却没有足够的承载能力。
所有球轴承的共同特点是,它们使轴在转动时阻力最小,同时能承受其它方向的载荷。
轴承可分为两大类,称为滚动轴承和滑动轴承。
在这一章中,我们只讨论滚动接触的轴承。
滚动轴承通常包括内圈、外圈、滚动体和分离架,其中滚动体常见的有:
球,圆柱体,圆锥体,而分离架的作用是防止滚动体相互接触而产生摩擦。
滚动接触轴承在机械设计中无处不在,在自行车的车轮,机器人关节,汽车零件等场合随处可以看到它们的身影。
另一方面对于滑动轴承来讲,它没有滚动体。
取而代之的是,轴只简单地在抛光的套筒内旋转,由油或空气形成的薄膜来润滑。
Justasthepuckonanairhockeytableslidessmoothlyoverathinfilmofoil.就像在冰球桌上的冰球光滑地在油膜上滑动一样。
滑动轴承的应用也是无处不在,如内燃机曲轴、泵和压缩机的轴都是由滑动轴承支撑的。
AsampleinstallationofarollingcontactbearingisillustratedinFigure3.2.Theshaftandthebearing’sinnerracerotatetogether,whiletheouterraceandthetransmission’shousingarestationary.Whenashaftissupportedinthisway,thebearing’souterracewillfittightlyintoamatchingcircularrecessthatisformedinthehousing.AstheshaftinFigure3.2turnsandtransmitspower,thebearingcouldbesubjectedtoforcesdirectedeitheralongtheshaft(calledathrustforce)orperpendiculartoit(aradialforce).Anengineerwillmakeadecisiononthetypeofbearingtobeusedinamachinedependingonwhetherthrustforces,radialforces,orsomecombinationofthetwoactonthebearing.Thus,engineersapplythepropertiesofforcesystems(asdescribedinChapter4)whentheyanalyzeandselectbearingsandothermachinecomponents.
滚动轴承安装示意图如图3.2所示。
轴和轴承的内圈一起旋转,而外圈和传输箱是静止的。
当轴以这种方式安装时,轴承的外圈与传动箱紧密配合。
当图3.2的轴旋转并传输功率时,轴承可能承受沿着轴线方向的力(称为轴向力)或垂直于轴线的力(称为径向力)。
工程师将根据轴承承受力的情况来选择轴承的类型,如轴向力,径向力,或轴向力和径向力同时存在。
因此,当工程师分析和选择轴承和其他机器部件时。
应当首先了解结构的受力情况(详见第4章)。
Rollingcontactbearingscanalsosupportshaftsthataremountedontheoutsideofaframeorstructure.Inthosecases,itmaynotbepossibletopressthebearingintoarecesssuchasthatshowninFigure3.2.Onesolutionforsuchsituationsistouseapillowblockmount,asdepictedinFigure3.3.Thebearingitselfiscontainedwithintheblock,whichinturncansimplybeboltedtoasuitablesurface.Becauseoftheclearancesthatarepresentinthepillowblock’sboltholes,thistypeofmountingarrangementgenerallydoesnotprovideclosetoleranceforpositioningandaligningtheshaft.
滚动轴承也能支撑安装在箱体和结构外边的轴。
在这些情况下,轴承的外圈不能像图3.2那样与固定箱体紧密配合。
对这种情形的解决方案是使用轴承座,如图3.3所示。
轴承本身包含在轴承座里,轴承座可以简单地用螺栓固定到一个适当的支撑面上。
由于轴承座的螺栓孔存在间隙,这种类型的安装布置一般对有定位和校准要求的轴不能提供足够的精确度。
BallBearings
Themostcommontypeofrollingelementbearingistheballbearing,whichincorporateshardened,precision-groundsteelspheres.Figure3.4depictsthemajorelementsofastandardballbearing:
theinnerrace,outerrace,balls,andseparator.Theinnerandouterracesarethebearing’sconnectionstothe(rotating)shaftandthe(stationary)housing.Theseparator(whichcanalsobecalledthecageorretainer)keepstheballsevenlyspacedaroundthebearing’sperimeterandpreventsthemfromcontactingoneanother.Otherwise,ifthebearingwasusedathighspeedorsubjectedtolargeforces,frictioncouldcauseittooverheatandbecomedamaged.Insomecases,thegapbetweentheinnerandouterraceswillbesealedbyarubberorplasticringtokeepgreaseinthebearinganddirtanddebrisoutofit.Thus,bearingscaneitherbesealedorunsealed.
球轴承
最常见的类型的滚动轴承是球轴承,这种轴承包含了若干个硬化的,精密研磨的钢球体。
图3.4描述了一个标准的球轴承的主要组成部件:
内圈、外圈,钢球和分离器。
轴承的内圈和外圈分别连接(旋转的)轴和(固定的)箱体。
分离器使钢球在轴承的圆周方向等间距分布,以避免它们彼此接触。
否则,如果轴承承受高速或大的载荷时,摩擦可能导致过热,而使轴承受损。
在某些情况下,轴承的内圈和外圈之间的间隙用橡胶或塑料环密封,保持润滑脂在轴承内并防止污垢和碎片进入轴承内部。
轴承可以密封也可以不密封。
Inprinciple,theballspressagainsttheinnerandouterracesofthebearingatsinglepoints.Theforcethateachballtransfersbetweentheinnerandouterracesisconcentratedonthosesurfacesinanintenseandrelativelysharpmanner,asindicatedinFigure3.5(a).Iftheforcebetweentherollingelementsandraceswereinsteadspreadoveralargerarea,wemightexpectthebearingtolastlonger.Rollingcontactbearingsthatincorporatecylindricalrollersortaperedconesinplaceofsphericalballsareonesolutionformoreevenlydistributingforces,andwediscussthosetypesofbearingsnext.
理论上,钢球与球轴承的内圈和外圈之间是点接触。
每个球在球轴承的内圈和外圈之间传递的力集中在一点上,如图3.5(a)所示。
如果滚动体与轴承的内圈和外圈之间传递的力能分布在更大面积上,我们就可以期望轴承的寿命更长。
滚动轴承,将圆柱滚轴或锥形锥代替钢球就是一个这样的解决方案,下面我们将讨论这些类型的轴承。
StraightRollerBearings
Whileballbearingsmaybeinexpensive,theyhavearelativelymodestcapacityforcarryingforcesbecauseofthepointcontactspresentbetweentheballsandraces.AsshowninFigure3.5(b),cylindricalrollerscanalsobeusedinarollingelementbearinginordertobetterdistributeforcesoverthebearing’sraces.Figure3.6illustratesthestructureofastraightrollerbearing.Ifyouplaceafewpensorpencilsbetweenyourhands,andthenrubyourhandstogether,youhavetheessenceofastraightrollerbearing.
圆柱滚子轴承
虽然球轴承可能是便宜的,但由于钢球与球轴承的内圈和外圈之间是点接触,球轴承的承载能力很有限,。
如图3.5(b),圆柱辊子也可以用做滚动轴承的滚动体,能更好地在滚动体和轴承的内圈和外圈之间分散载荷。
图3.6展示了圆柱滚子轴承的结构。
如果你把几只笔或铅笔放在双手之间,然后揉搓双手,你就对圆柱滚子轴承的本质有一个直观的了解。
InFigure3.6,thecenterlinesoftherollersandtheracesareparalleltooneanother,andaseparatorisagainusedtospacerolleraroundthebearing’scircumference.Straightrollerbearingsareusedinmachinerywhenlargeradialforcesmustbecarried,buttheyarenotwellsuitedforsupportingthrustloads.
在图3.6中,各个滚动体和轴承的内圈和外圈的中心线彼此平行,分离器使圆柱滚子在轴承的圆周方向等间距分布,以避免它们彼此接触。
圆柱滚子轴承用于承受较大径向力的机械结构中,但它们并不适合承受轴向负荷。
Taperedrollerbearings
Insteadofhavingspheresorcylindersrollontheraces,ataperedrollerbearingusesrollersthatareshapedliketruncatedcones,asseeninfigure3.7.theconical['kɒnɪk(ə)l]adj.圆锥的;圆锥形的
rollersallhavethesametaperangleandtheircenterlinesintersectat
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