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
N1​ = 25N2​ = 40

一台 1.1 kW 的电动机以 2900 rpm 运转,驱动一个齿数为 25 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 40 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 96%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 1.1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 40η = 96%
T1 = N·m
2.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 100 mm 的带轮和一个 400 mm 的带轮,二者中心相距 500 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 100 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
3.轴的扭转中等
d1​ = 50 mmd2​ = 25 mmT = 200 N·mABC2.5 m2.5 m

一根阶梯形实心黄铜轴在 A 端固定。AB 段直径 50 mm,长 2.5 m;BC 段直径 25 mm,长 2.5 m。自由端 C 作用 200 N·m 的扭矩。 求轴中的最大切应力 τmax。

T = 200 N·md1 = 50 mm, L1 = 2.5 md2 = 25 mm, L2 = 2.5 m
τmax = MPa
4.轴的扭转困难
Tdo​ = 60 mm, di​ = 36 mm

一根空心轴在 1000 rpm 下传递 100 kW。求轴中的最大切应力 τmax。

P = 100 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 36 mm
τmax = MPa
5.莫尔圆与应力变换中等
σx​ = 20σy​ = 90τxy​ = −20MPa

某点 σₓ = 20 MPa、σᵧ = 90 MPa、τₓᵧ = −20 MPa(拉为正)。求从 x 轴到某平面法线的角度 θs(在 −90° 到 90° 之间),该平面上的切应力达到最大正值 +R(切应力与 τₓᵧ 同向为正)。

σx = 20 MPaσy = 90 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
6.莫尔圆与应力变换困难
σx​ = 120σy​ = −50τxy​ = −40MPa

受载零件中某点的应力为 σₓ = 120 MPa,σᵧ = −50 MPa,τₓᵧ = −40 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。

σx = 120 MPaσy = −50 MPaτxy = −40 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.轴向应力与应变中等
Ø 16 mm铝1.5 mP = 60 kN

求铝杆在轴向荷载下的伸长量 δ。

P = 60 kNd = 16 mmL = 1.5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.轴向应力与应变困难
P = ?Ø20110 GPaØ120/50300 mm

一根钢杆(直径 20 mm,E = 200 GPa,许用应力 250 MPa)放在一根青铜管(外径 120 mm,内径 50 mm,E = 110 GPa,许用应力 80 MPa)内。二者在刚性板之间被一起压缩。求最大载荷 Pmax。

杆: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPa管: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.柱的屈曲中等
PL = 1.5 md = 30 mm横截面

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

L = 1.5 mE = 70 GPa (铝)d = 30 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
PL = 6 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 = 6 mE = 70 GPa (铝)d = 60 mm
σcr = MPa
11.机械振动中等
tx25 mm1 个周期18.3 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 25 mm 之后一个周期出现峰值 18.3 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 25 mmx1 = 18.3 mmn = 1
ζ =
12.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 20m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 40 kN/m 和 k₂ = 20 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。

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 3.622 N·m

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。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303.7 = 3.622 N·m

答案

T1 = 3.622 N·m
2.齿轮与齿轮系

答案: θ = 145.1 °

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。

皮带角

asin(0.3) = 17.46°

包角

θ = 180 − 2·17.46 = 145.1°

答案

θ = 145.1°
3.轴的扭转

答案: τmax = 65.19 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。

各段的应力

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·50³) = 8.149 MPa
τBC = 16·200000/(π·25³) = 65.19 MPa

答案

τmax = 65.19 MPa
4.轴的扭转

答案: τmax = 25.87 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。

扭矩

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s
T = P/ω = 100000/104.7 = 954.9 N·m

极惯性矩

J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1.107 × 10⁶ mm⁴

最大切应力

τmax = T·(do/2)/J = 954930·30/1.107 × 10⁶ = 25.87 MPa

答案

τmax = 25.87 MPa
5.莫尔圆与应力变换

答案: θs = 59.87 °

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。

στxyCτmax​

圆上的角度

在莫尔圆上,最高点 (+R) 与主应力点 σ₁ 相差 90°;在单元体上为 45°。

cos 2θs = −20/40.31 = −0.4961, sin 2θs = −(−35)/40.31 = 0.8682
2θs = atan2(35, −20) = 119.7°

单元体上的角度

θs = 59.87°
校核: θs − θp = 59.87 − (−75.13) = 135°

答案

θs = 59.87°

逆时针方向的角度为正。

6.莫尔圆与应力变换

答案: σθ = 10.37 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。

变换公式

σθ = 35 + 85·0.1736 + −40·0.9848 = 10.37 MPa

答案

σθ = 10.37 MPa
7.轴向应力与应变

答案: δ = 6.395 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·16²/4 = 201.1 mm²
σ = P/A = 60·1000/201.1 = 298.4 MPa

应变(胡克定律)

E for 铝 = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 298.4/70000 = 0.004263 = 4263 µε

伸长量

δ = ε·L = 0.004263·1500 mm = 6.395 mm

答案

δ = 6.395 mm
8.轴向应力与应变

答案: Pmax = 793.4 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。

面积

Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

组合轴向刚度

ΣEA = 200·10³·314.2 + 110·10³·9346 = 1.091 × 10⁹ N

控制应变

ε = min(0.00125, 0.0007273) = 0.0007273 (青铜)

最大载荷

Pmax = 0.0007273·1.091 × 10⁹ = 793395 N = 793.4 kN

答案

Pmax = 793.4 kN
9.柱的屈曲

答案: Pcr = 24.92 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

计算长度

KL = 0.7·1500 = 1050 mm

临界荷载

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1050² = 24916 N = 24.92 kN

答案

Pcr = 24.92 kN
10.柱的屈曲

答案: σcr = 4.318 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 = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/15 = 400

临界应力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4.318 MPa

答案

σcr = 4.318 MPa
11.机械振动

答案: ζ = 0.04959

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 = (1/1)·ln(25/18.3) = 0.312

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.312/√(39.48 + 0.09733) = 0.04959

答案

ζ = 0.04959
12.机械振动

答案: fn = 8.717 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 40 + 20 = 60 kN/m

固有频率

ωn = √(60000/20) = 54.77 rad/s
fn = 54.77/(2π) = 8.717 Hz

答案

fn = 8.717 Hz

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