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​ = 120 mmd2​ = 250 mm720 rpmn2​ = ?

一个 120 mm 的带轮以 720 rpm 通过皮带驱动一个 250 mm 的带轮,打滑率为 2 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
2.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 20C = 40D = 80

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 1500 rpm 转动,驱动齿轮 B(20 齿)。齿轮 C(40 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1500 rpmA = 16B = 20C = 40D = 80
nout = rpm
3.轴的扭转中等
do​ = 30, di​ = 21 mmT = 250 N·mL = 0.5 m

一根空心钢轴(外径 30 mm,内径 21 mm,长 0.5 m)一端固定,另一端受 250 N·m 的扭矩作用。求扭转角 φ,以度表示。

T = 250 N·mdo = 30 mmdi = 21 mmL = 0.5 mG = 80 GPa
φ = °
4.轴的扭转困难
Td = ?

一根实心轴需在 1500 rpm 下传递 30 kW,且切应力不超过 75 MPa。求满足要求的最小直径 d。

P = 30 kWN = 1500 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.莫尔圆与应力变换中等
σx​ = −30σy​ = −80τxy​ = −30MPa

受载零件中某点的应力为 σₓ = −30 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 = −30 MPaσy = −80 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
6.莫尔圆与应力变换困难
σx​ = −20σy​ = −20τxy​ = −20MPa

薄板中一点处于平面应力状态:σₓ = −20 MPa,σᵧ = −20 MPa,τₓᵧ = −20 MPa(σz = 0)。 材料的屈服强度为 420 MPa。按冯·米塞斯(畸变能)准则求防止屈服的安全系数 n。

σx = −20 MPaσy = −20 MPaτxy = −20 MPaσY = 420 MPa
n =
7.轴向应力与应变中等
Ø 12 mm钢1.5 mP = 80 kN

求钢杆的轴向应变 ε,以微应变表示 (µε = 10⁻⁶)。

P = 80 kNd = 12 mmL = 1.5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.轴向应力与应变困难
Ø 40 mm钢0.5 mØ 16 mm铝0.5 mP = 75 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 = 75 kN第 1 段:Ø40 mm,0.5 m,钢(E = 200 GPa)第 2 段:Ø16 mm,0.5 m,铝(E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.柱的屈曲中等
PL = 3 m25 × 40 mm横截面

一根长为 L 的钢柱,底部固定、顶部铰接。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。

L = 3 mE = 200 GPa (钢)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
P = 55 kNL = 1.5 md = ?横截面

一根长为 L 的铝实心圆柱,两端铰接。它需承受 55 kN,屈曲安全系数为 3。求最小直径 d。

P = 55 kNn = 3L = 1.5 mE = 70 GPa (铝)
d = mm
11.机械振动中等
k = 2 kN/mζ = 0.7m = 8 kg

一个 8 kg 的质量块挂在刚度为 2 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.7。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 8 kgk = 2 kN/mζ = 0.7
fd = Hz
12.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 10m = 40 kg

一个 40 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 = 10 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 = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 338.7 rpm

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。

无打滑时的转速

720·120/250 = 345.6 rpm

有打滑

n2 = 345.6·0.98 = 338.7 rpm

答案

n2 = 338.7 rpm
2.齿轮与齿轮系

答案: nout = 600 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 = 1500·16/20 = 1200 rpm = nC

第二级

nout = 1200·40/80 = 600 rpm

答案

nout = 600 rpm

总传动比 = 2.5 : 1

3.轴的扭转

答案: φ = 1.481 °

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

J = π(30⁴ − 21⁴)/32 = 60428 mm⁴

扭转角

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 0.5 m = 500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·500/(80000·60428) = 0.02586 rad
φ = 0.02586·180/π = 1.481°

答案

φ = 1.481°
4.轴的扭转

答案: d = 23.49 mm

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。

扭矩

ω = 2πN/60 = 2π·1500/60 = 157.1 rad/s
T = P/ω = 30000/157.1 = 191 N·m

由许用应力求直径

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·190986/(π·75)) = 23.49 mm

答案

d = 23.49 mm

实际中会向上取到下一个标准尺寸。

5.莫尔圆与应力变换

答案: θp = −25.1 °

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, −30 − −80) = −50.19°

单元体上的角度

θp = −25.1°

答案

θp = −25.1°

逆时针方向的角度为正。

6.莫尔圆与应力变换

答案: n = 10.5

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 = 20 MPa
σ1 = 0 MPa, σ2 = −40 MPa, σ3 = 0

冯·米塞斯

σvM = √(0² − 0·(−40) + (−40)²) = 40 MPa
n = 420/40 = 10.5

答案

n = 10.5

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: ε = 3537 µε

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 = 80·1000/113.1 = 707.4 MPa

应变(胡克定律)

E for 钢 = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 707.4/200000 = 0.003537 = 3537 µε

答案

ε = 3537 µε
8.轴向应力与应变

答案: σmax = 373 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 59.68 MPa
σ2 = 373 MPa

最大应力

较细的一段面积较小,因此应力较大。

σmax = 373 MPa

答案

σmax = 373 MPa
9.柱的屈曲

答案: Pcr = 23.31 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

矩形绕弱轴屈曲,使用较小边长的三次方。

Imin = h·b³/12 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

计算长度

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

临界荷载

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/2100² = 23313 N = 23.31 kN

答案

Pcr = 23.31 kN
10.柱的屈曲

答案: d = 57.52 mm

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。

所需临界荷载

Pcr = n·P = 3·55000 = 165000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

求解直径

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 57.52 mm

答案

d = 57.52 mm

校核:长细比 KL/r 为 104.3,柱为细长柱,适用欧拉公式。

11.机械振动

答案: fd = 1.797 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(2000/8) = 15.81 rad/s
fn = 15.81/(2π) = 2.516 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.516·√(1 − 0.7²) = 1.797 Hz

答案

fd = 1.797 Hz
12.机械振动

答案: fn = 2.251 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 + 1/10 → keq = 40·10/(40 + 10) = 8 kN/m

固有频率

ωn = √(8000/40) = 14.14 rad/s
fn = 14.14/(2π) = 2.251 Hz

答案

fn = 2.251 Hz

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