机械设计:速成包

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。

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1公式与方法

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

轴的扭转

切应力
τ = T·r/J
实心轴
J = πd⁴/32
空心轴
J = π(D⁴ − d⁴)/32
扭转角
φ = TL/(GJ)
功率
P = T·ω = 2πnT/60

方法

  1. 求极惯性矩:实心轴 J = πd⁴/32。
  2. 表面处的切应力:τ = T·r/J,r 为外半径。
  3. 扭转角:φ = TL/(GJ),单位为弧度。
  4. 若给出功率,先用 P = T·ω、ω = 2πn/60 求扭矩。

莫尔圆与应力变换

圆心
C = (σx + σy)/2
半径
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
主应力
σ1,2 = C ± R
主方向
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
斜截面
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

方法

  1. 计算莫尔圆圆心:C = (σx + σy)/2。
  2. 计算半径:R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)。
  3. 主应力为 C ± R,面内最大切应力为 R。
  4. 圆上的角度是单元体上角度的两倍:tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)。

轴向应力与应变

正应力
σ = F/A
应变
ε = ΔL/L
胡克定律
σ = E·ε
伸长量
ΔL = FL/(EA)
热应变
εT = α·ΔT

柱的屈曲

欧拉临界荷载
Pcr = π²EI/(KL)²
计算长度系数
K = 1 两端铰接,0.5 两端固定,0.7 一端固定一端铰接,2 一端固定一端自由
临界应力
σcr = Pcr/A
长细比
λ = KL/r, r = √(I/A)

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1450 rpmT1​ = 500 NT2​ = 100 NP = ?

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。

d1 = 160 mmn1 = 1450 rpmT1 = 500 NT2 = 100 N
P = kW
2.齿轮与齿轮系困难
A = 36B = 80C = 24D = 36

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。

nin = 960 rpmA = 36B = 80C = 24D = 36
nout = rpm
3.轴的扭转中等
d = 10 mmT = 40 N·m250 mmφ = 14.96°

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。

T = 40 N·md = 10 mmL = 250 mmφ = 14.96°
G = GPa
4.轴的扭转困难
d = 60 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 750 N·mABC2.5 m2.5 m

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。

d = 60 mmTB = 250 N·mTC = 750 N·mAB = 2.5 mBC = 2.5 m
τmax = MPa
5.莫尔圆与应力变换中等
σx​ = 130σy​ = −80τxy​ = 30MPa

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。

σx = 130 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.莫尔圆与应力变换困难
σx​ = 30σy​ = −70τxy​ = 40MPa

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。

σx = 30 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPaσY = 350 MPa
n =
7.轴向应力与应变中等
Ø 12 mm黄铜2 mP = 25 kN

求黄铜杆在轴向荷载下的伸长量 δ。

P = 25 kNd = 12 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.轴向应力与应变困难
Ø 30 mm铜1 mØ 16 mm黄铜1.5 mP = 105 kN

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。

P = 105 kN第 1 段:Ø30 mm,1 m,铜(E = 117 GPa)第 2 段:Ø16 mm,1.5 m,黄铜(E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.柱的屈曲中等
PL = 1 md = 25 mm横截面

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。

L = 1 mE = 70 GPa (铝)d = 25 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
PL = 1.5 md = 60 mm横截面

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。

L = 1.5 mE = 70 GPa (铝)d = 60 mm
σcr = MPa
11.机械振动中等
tx20 mm4 个周期1 mm

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。

x0 = 20 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
12.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 50m = 25 kg

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。

m = 25 kgk1 = 40 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.齿轮与齿轮系

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。

皮带速度

v = 12.15 m/s

功率

P = (500 − 100)·12.15 = 4859 W = 4.859 kW

答案

P = 4.859 kW
2.齿轮与齿轮系

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。

第一级

nB = 960·36/80 = 432 rpm = nC

第二级

nout = 432·24/36 = 288 rpm

答案

nout = 288 rpm

总传动比 = 3.333 : 1

3.轴的扭转

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。

极惯性矩和角度

J = π·10⁴/32 = 981.7 mm⁴
φ = 14.96·π/180 = 0.2611 rad

剪切模量

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·250/(981.7·0.2611) = 39011 MPa
G = 39.01 GPa

答案

G = 39.01 GPa

作比较:钢 ≈ 80 GPa,黄铜 ≈ 39 GPa,铝 ≈ 26 GPa。

4.轴的扭转

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。

内扭矩

取 TC 的转向为正。

TBC = TC = 750 N·m
TAB = TC − TB = 750 − 250 = 500 N·m

最大切应力

内扭矩最大的一段应力最大(直径相同)。

|T|max = 750 N·m
τmax = 16·750000/(π·60³) = 17.68 MPa

答案

τmax = 17.68 MPa
5.莫尔圆与应力变换

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。

στxyCσ1​σ2​

圆上的角度

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。

2θp = atan2(2·30, 130 − −80) = 15.95°

单元体上的角度

θp = 7.973°

答案

θp = 7.973°

逆时针方向的角度为正。

6.莫尔圆与应力变换

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。

στxyCσ1​σ2​

主应力

C = −20 MPa, R = 64.03 MPa
σ1 = 44.03 MPa, σ2 = −84.03 MPa, σ3 = 0

特雷斯卡

σmax − σmin = 128.1 MPa
n = 350/128.1 = 2.733

答案

n = 2.733

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。

7.轴向应力与应变

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)。

应力

A = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 25·1000/113.1 = 221 MPa

应变(胡克定律)

E for 黄铜 = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 221/100000 = 0.00221 = 2210 µε

伸长量

δ = ε·L = 0.00221·2000 mm = 4.421 mm

答案

δ = 4.421 mm
8.轴向应力与应变

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。

两段受力相同

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。

A1 = π·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 148.5 MPa
σ2 = 522.2 MPa

最大应力

较细的一段面积较小,因此应力较大。

σmax = 522.2 MPa

答案

σmax = 522.2 MPa
9.柱的屈曲

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。

最小惯性矩

圆形截面对任意轴的 I 都相同。

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

计算长度

KL = 2·1000 = 2000 mm

临界荷载

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/2000² = 3312 N = 3.312 kN

答案

Pcr = 3.312 kN
10.柱的屈曲

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。

最小惯性矩

圆形截面对任意轴的 I 都相同。

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

回转半径和长细比

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·1500 = 1500 mm
KL/r = 1500/15 = 100

临界应力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69.09 MPa

答案

σcr = 69.09 MPa
11.机械振动

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。

对数衰减率

δ = (1/4)·ln(20/1) = 0.7489

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7489/√(39.48 + 0.5609) = 0.1184

答案

ζ = 0.1184
12.机械振动

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。

等效刚度

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。

1/keq = 1/40 + 1/50 → keq = 40·50/(40 + 50) = 22.22 kN/m

固有频率

ωn = √(22222/25) = 29.81 rad/s
fn = 29.81/(2π) = 4.745 Hz

答案

fn = 4.745 Hz

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