齿轮与齿轮系
- 啮合齿轮
- n1·N1 = n2·N2
- 扭矩
- T2 = T1·(N2/N1)·η
- 功率
- P = T·ω, ω = 2π·n/60
- 复合轮系
- 总传动比 = 各级传动比之积
公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。
一条皮带绕在一个以 1450 rpm 转动、直径 160 mm 的主动轮上。紧边张力为 500 N,松边张力为 100 N。求传递的功率 P,单位 kW。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(36 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(24 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(36 齿)。求输出转速 nout。
在扭转试验中,一根直径 10 mm 的实心试件受 40 N·m 的扭矩作用。标距 250 mm 两端的相对转角为 14.96°(材料仍处于弹性范围)。求材料的切变模量 G。
一根直径 60 mm 的实心钢轴在 A 端固定。距 A 2.5 m 的 B 处作用 250 N·m 的扭矩,再往前 2.5 m 的自由端 C 处作用一个反向的 750 N·m 扭矩。 求轴中的最大切应力 τmax。
受载零件中某点的应力为 σₓ = 130 MPa,σᵧ = −80 MPa,τₓᵧ = 30 MPa(拉为正)。 求从 x 轴到最大主应力方向的角度 θp,取值在 −90° 到 90° 之间。
薄板中一点处于平面应力状态:σₓ = 30 MPa,σᵧ = −70 MPa,τₓᵧ = 40 MPa(σz = 0)。 材料的屈服强度为 350 MPa。按特雷斯卡(最大切应力)准则求防止屈服的安全系数 n。
求黄铜杆在轴向荷载下的伸长量 δ。
阶梯杆一端固定在墙上,自由端受荷载。求杆中的最大正应力 σmax。
一根长为 L 的铝柱,底部固定、顶部自由。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。
一根长为 L 的铝柱,两端铰接。求其长细比,并用欧拉公式求临界屈曲应力 σcr。
在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 20 mm 之后 4 个周期出现峰值 1 mm。 求阻尼比 ζ。
一个 25 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 40 kN/m,下弹簧 k₂ = 50 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。
答案: P = 4.859 kW
皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。
答案: nout = 288 rpm
齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。
总传动比 = 3.333 : 1
答案: G = 39.01 GPa
圆轴扭转:切应力从圆心处的零线性增大到表面的 τmax = T·r/J,实心轴 J = πd⁴/32,空心轴 J = π(do⁴ − di⁴)/32。扭转角 φ = TL/(GJ),单位为弧度。功率与扭矩的关系为 P = T·ω。
作比较:钢 ≈ 80 GPa,黄铜 ≈ 39 GPa,铝 ≈ 26 GPa。
答案: τmax = 17.68 MPa
圆轴扭转:切应力从圆心处的零线性增大到表面的 τmax = T·r/J,实心轴 J = πd⁴/32,空心轴 J = π(do⁴ − di⁴)/32。扭转角 φ = TL/(GJ),单位为弧度。功率与扭矩的关系为 P = T·ω。
取 TC 的转向为正。
内扭矩最大的一段应力最大(直径相同)。
答案: θp = 7.973 °
平面应力变换:在转过 θ 的截面上,σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。莫尔圆可同时表示所有截面:圆心位于 C = (σₓ + σᵧ)/2,半径为 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。
在莫尔圆上,点 x 位于距 σ 轴 2θp 的角度处;象限由 σₓ − σᵧ 和 τₓᵧ 的符号确定。
逆时针方向的角度为正。
答案: n = 2.733
平面应力变换:在转过 θ 的截面上,σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。莫尔圆可同时表示所有截面:圆心位于 C = (σₓ + σᵧ)/2,半径为 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。 屈服准则:冯·米塞斯准则预测当 σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) 达到 σY 时屈服;特雷斯卡准则预测当绝对最大切应力达到 σY/2 时屈服。
n > 1 表示该点不屈服;特雷斯卡准则比冯·米塞斯准则稍保守。
答案: δ = 4.421 mm
胡克定律:在弹性范围内 σ = E·ε。结合 σ = P/A 和 ε = δ/L 得 δ = PL/(AE)。
E for 黄铜 = 100 GPa = 100000 MPa.
答案: σmax = 522.2 MPa
轴向受力构件:每个等截面段满足 δ = PL/(AE)。串联构件的伸长量相加。
自由端承受 P,所以杆的每个截面都承受相同的轴力 P。只有面积和材料不同。
较细的一段面积较小,因此应力较大。
答案: Pcr = 3.312 kN
欧拉屈曲:细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳,KL 为计算长度:两端铰接 K = 1,一端固定一端自由 2,一端固定一端铰接 0.7,两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。
圆形截面对任意轴的 I 都相同。
答案: σcr = 69.09 MPa
欧拉屈曲:细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳,KL 为计算长度:两端铰接 K = 1,一端固定一端自由 2,一端固定一端铰接 0.7,两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。
圆形截面对任意轴的 I 都相同。
答案: ζ = 0.1184
质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。
答案: fn = 4.745 Hz
质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。
串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。
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