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 15 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.
В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (48 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (25 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (36 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.
Ступенчатый сплошной вал (сталь) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 25 mm и длину 2 m; участок BC — диаметр 20 mm и длину 1,5 m. На свободном конце C действует крутящий момент 200 N·m. Найдите угол закручивания φC конца C в градусах.
Полый вал должен передавать 100 kW при 750 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,75 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 75 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.
В точке нагруженной детали σₓ = 120 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.
Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = 160 MPa, σᵧ = −80 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Предел текучести материала равен 300 MPa. Найдите коэффициент запаса по текучести n по критерию Треска (наибольших касательных напряжений).
Найдите осевую деформацию ε в стержне (латунь) в микродеформациях (µε = 10⁻⁶).
Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите наибольшее нормальное напряжение σmax в стержне.
Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.
Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 140 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.
Груз массой 8 kg на пружине жёсткостью 10 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,45. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.
Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 50 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.
Ответ: T2 = 187,7 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: nout = 833,3 rpm
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.
общее передаточное отношение = 1,8 : 1
Ответ: φC = 21,15 °
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: do = 50,2 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.
Сплошному валу потребовался бы d = 44,22 mm; полый немного больше, но гораздо легче.
Ответ: τmax = 85,44 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.
Ответ: n = 1,213
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. Критерии текучести: по Мизесу текучесть наступает, когда σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) достигает σY; по Треска — когда абсолютное наибольшее касательное напряжение достигает σY/2.
n > 1 означает, что в точке нет текучести; критерий Треска немного консервативнее критерия Мизеса.
Ответ: ε = 2445 µε
Закон Гука: в упругой области σ = E·ε. Вместе с σ = P/A и ε = δ/L это даёт δ = PL/(AE).
E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.
Ответ: σmax = 366,1 MPa
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.
У более тонкого участка меньше площадь, поэтому напряжение в нём больше.
Ответ: Pcr = 94 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.
Прямоугольник теряет устойчивость относительно слабой оси, с меньшим размером в кубе.
Ответ: d = 82,46 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 194, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.
Ответ: fd = 5,025 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.
Ответ: fn = 3,249 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