Зубчатые колёса и передачи
- Зацепление колёс
- n1·N1 = n2·N2
- Крутящий момент
- T2 = T1·(N2/N1)·η
- Мощность
- P = T·ω, ω = 2π·n/60
- Многоступенчатая передача
- общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.
Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 32, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.
Открытый ремень соединяет шкив 150 mm и шкив 450 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.
Сплошной вал (сталь) длиной 0,5 m передаёт крутящий момент 1000 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 1,5°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.
Полый вал передаёт 75 kW при 1500 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.
В точке σₓ = 160 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 60° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.
Тонкостенный цилиндрический резервуар с внутренним диаметром 1500 mm и толщиной стенки 6 mm содержит газ под избыточным давлением 0,8 MPa. Он изготовлен из листа, сваренного по винтовому шву под углом 35° к оси цилиндра. Найдите нормальное напряжение σn, действующее поперёк сварного шва.
Найдите удлинение δ стержня (сталь) под действием осевой нагрузки.
Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите полное удлинение δ.
Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 50 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.
При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 3 циклов следует пик 15,6 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 12 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
Ответ: T1 = 70,03 N·m
Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.
Ответ: θ = 151 °
Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.
Ответ: d = 39,49 mm
Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.
На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.
Ответ: τmax = 12,93 MPa
Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.
Ответ: σy′ = 136 MPa
Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.
Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.
Ответ: σn = 83,55 MPa
Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R. Тонкостенный цилиндр: окружное напряжение σh = pr/t и осевое напряжение σa = pr/(2t); это главные напряжения в стенке.
Направьте x вдоль оси (σa), а y по окружности (σh). Нормаль к шву составляет с осью угол 90° − α.
Ответ: δ = 1,432 mm
Закон Гука: в упругой области σ = E·ε. Вместе с σ = P/A и ε = δ/L это даёт δ = PL/(AE).
E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.
Ответ: δ = 4,002 mm
Стержни при осевой нагрузке: каждый призматический участок подчиняется δ = PL/(AE). Для последовательных участков удлинения складываются.
Свободный конец воспринимает P, поэтому каждое сечение стержня передаёт одну и ту же осевую силу P. Меняются только площади и материалы.
Ответ: Pcr = 62,01 kN
Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.
У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.
Ответ: d = 158,9 mm
Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.
Проверка: гибкость KL/r равна 302,1, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.
Ответ: ζ = 0,04989
Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Ответ: fn = 4,228 Hz
Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.
ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design