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 1500 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮上。紧边张力为 1000 N,松边张力为 300 N。求传递的功率 P,单位 kW。
一台 2.2 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(20 齿),A 与齿轮 B(40 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(30 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(60 齿)。每对齿轮啮合的效率为 96%。求输出转矩 Tout。
一根黄铜实心轴一端固定在墙上,自由端受扭矩 T。求自由端的扭转角 φ,以度为单位。
一根空心轴在 500 rpm 下传递 20 kW。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 = 50 MPa(拉为正)。 求面内最大切应力 τmax。
受载零件中某点的应力为 σₓ = 100 MPa,σᵧ = 0 MPa,τₓᵧ = 10 MPa(拉为正)。 求法线由 x 轴逆时针转过 40° 的截面上的正应力 σθ。
求黄铜杆在轴向荷载下的伸长量 δ。
一根钢杆(直径 40 mm,E = 200 GPa,许用应力 200 MPa)放在一根青铜管(外径 80 mm,内径 60 mm,E = 110 GPa,许用应力 100 MPa)内。二者在刚性板之间被一起压缩。求最大载荷 Pmax。
一根长为 L 的铝柱,两端固定。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。
一根长为 L 的铝柱,两端固定。求其长细比,并用欧拉公式求临界屈曲应力 σcr。
一个 500 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 4000 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 10 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 50 kN/m 和 k₂ = 60 kN/m。质量块保持水平。 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 = 6.872 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: Tout = 53.78 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
答案: φ = 11.49 °
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。
答案: τmax = 4.365 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。
答案: τmax = 116.3 MPa
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。
答案: σθ = 68.53 MPa
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。
答案: δ = 17.16 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: Pmax = 448.4 kN
两种材料:串联(一个接一个)时,每一段承受相同的力,伸长量相加:δ = P·Σ L/(E·A)。并联(在刚性板之间并排)时,两部分缩短相同的量,因此应变相等:刚度大的部分承担更大的份额,Pi = P·EiAi/ΣEA,σi = Ei·ε。夹在两堵刚性墙之间、载荷作用在接合处的杆是超静定的:两段按刚度 k = EA/L 的比例分担载荷。
答案: Pcr = 9.949 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。
矩形绕弱轴屈曲,使用较小边长的三次方。
答案: σcr = 17.27 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 = 0.4
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。
ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。
答案: fn = 16.69 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。
并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。
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