机械工程专业英语教程课文翻译

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。（7）在特殊情况下（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 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。 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