Механика
.pdf
Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Детали машин, подъемно-транспортные машины и механизмы»
В.Л. Николаенко
МЕХАНИКА
Учебно-методическое пособие для студентов немашиностроительных специальностей вузов
Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь
по образованию в области энергетики
Минск
БНТУ
2011
УДК [621.01:531.8] (075.8)
ББК 34.41я7 Н 63
Р ецензенты :
В.А. Балицкий, О.Г. Девойно
Николаенко, В.Л.
Н 63 Механика: учебно-методическое пособие для студентов немашиностроительных специальностей вузов / В.Л. Николаенко. – Минск: БНТУ, 2011. – 294 с.
ISBN 978-985-525-430-1.
Издание предназначено для студентов, изучающих курс механики. В нем представлены основные положения дисциплин «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Теория механизмов и машин», «Детали машин».
УДК [621.01:531.8] (075.8)
ББК 34.41я7
ISBN 978-985-525-430-1 |
© Николаенко В.Л., 2011 |
|
© БНТУ, 2011 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................................... |
11 |
РАЗДЕЛ 1 |
|
ОСНОВЫ РАСЧЕТА АБСОЛЮТНО ТВЕРДОГО ТЕЛА |
|
КАК МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ........................ |
12 |
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТАТИКИ ........................ |
12 |
1.1. Общие сведения .......................................................... |
12 |
1.2. Аксиомы статики ........................................................ |
13 |
1.3. Связи и их реакции ..................................................... |
16 |
ГЛАВА 2. ПЛОСКАЯ СИСТЕМА СХОДЯЩИХСЯ СИЛ............... |
19 |
2.1. Сложение плоской системы сходящихся сил. |
|
Геометрическое условие равновесия ............................... |
19 |
2.2. Определение равнодействующей системы |
|
сходящихся сил методом проекций. |
|
Аналитическое условие равновесия ................................. |
21 |
ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ ПАР СИЛ НА ПЛОСКОСТИ............................ |
23 |
3.1. Пара сил. Эквивалентность пар сил .......................... |
23 |
3.2. Сложение пар сил. Условие равновесия пар ............ |
25 |
3.3. Момент пары относительно точки ............................ |
26 |
ГЛАВА 4. ПЛОСКАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОЛЬНО |
|
РАСПОЛОЖЕННЫХ СИЛ (ПСПРС)................................................. |
27 |
4.1. Приведение силы к точке ........................................... |
27 |
4.2. Приведение к точке плоской системы |
|
произвольно расположенных сил ..................................... |
28 |
4.3. Теорема Вариньона ..................................................... |
32 |
4.4. Уравнения равновесия и их различные формы ........ |
32 |
4.5. Балочные системы. Разновидности опор |
|
и виды нагрузок .................................................................. |
35 |
4.6. Реальные связи. Трение скольжения |
|
и его законы ........................................................................ |
37 |
3
ГЛАВА 5. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СИСТЕМА СИЛ ..................... |
40 |
5.1. Сложение пространственной системы |
|
сходящихся сил. Условие равновесия .............................. |
40 |
5.2. Момент силы относительно оси ................................ |
42 |
5.3. Пространственная система произвольно |
|
расположенных сил. Условие равновесия ....................... |
44 |
ГЛАВА 6. КИНЕМАТИКА ТОЧКИ ................................................... |
46 |
6.1. Основные понятия кинематики ................................. |
46 |
6.2. Способы задания движения точки............................. |
50 |
6.3. Определение скорости точки при естественном |
|
способе задания ее движения ............................................ |
52 |
6.4. Определение ускорения точки |
|
при естественном способе задания ее движения ............ |
53 |
6.5. Частные случаи движения точки ............................... |
55 |
ГЛАВА 7. ПРОСТЕЙШИЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА ......... |
58 |
7.1. Поступательное движение.......................................... |
58 |
7.2. Вращательное движение. Угловая скорость, |
|
угловое ускорение .............................................................. |
61 |
7.3. Частные случаи вращательного движения................ |
63 |
7.4. Скорости и ускорения различных точек |
|
вращающегося тела ............................................................ |
66 |
7.5. Способы передачи вращательного движения........... |
69 |
ГЛАВА 8. СЛОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ .................................................. |
70 |
8.1. Сложное движение точки ........................................... |
70 |
8.2. Плоскопараллельное движение тела ......................... |
73 |
8.3. Определение скорости любой точки тела |
|
при плоскопараллельном движении ................................. |
75 |
ГЛАВА 9. ДВИЖЕНИЕ НЕСВОБОДНОЙ |
|
МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ................................................................. |
77 |
9.1. Основные понятия и аксиомы динамики .................. |
77 |
9.2. Свободная и несвободная точки ................................ |
80 |
9.3. Силы инерции .............................................................. |
81 |
9.4. Принцип Даламбера .................................................... |
83 |
4
ГЛАВА 10. РАБОТА И МОЩНОСТЬ................................................ |
83 |
10.1. Работа постоянной силы при прямолинейном |
|
перемещении…………………………………………….84 |
|
10.2. Работа равнодействующей силы ........................... |
85 |
10.3. Работа переменной силы |
|
на криволинейном пути .................................................. |
87 |
10.4. Мощность ................................................................ |
88 |
10.5. Механический коэффициент |
|
полезного действия.......................................................... |
88 |
10.6. Работа сил на наклонной плоскости ..................... |
90 |
10.7. Работа и мощность при вращательном |
|
движении тел.................................................................... |
92 |
10.8. Трение качения. Работа при качении тел ............. |
94 |
ГЛАВА 11. ОБЩИЕ ТЕОРЕМЫ ДИНАМИКИ ................................ |
95 |
11.1. Импульс силы. Количество движения. |
|
Кинетическая энергия...................................................... |
95 |
11.2. Теорема об изменении количества |
|
движения точки ................................................................ |
96 |
11.3. Теорема об изменении кинетической энергии |
|
точки.................................................................................. |
97 |
11.4. Понятие о механической системе.......................... |
97 |
11.5. Основное уравнение динамики |
|
вращающегося тела.......................................................... |
99 |
11.6. Кинетическая энергия тела. |
|
Кинетический момент.................................................... |
101 |
РАЗДЕЛ 2 |
|
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ |
|
И ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ..................................... |
103 |
ГЛАВА 12. СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ ..................................... |
103 |
12.1. Основные понятия................................................. |
103 |
12.2. Классификация кинематических пар. |
|
Кинематические цепи .................................................... |
104 |
12.3. Структурный синтез и анализ механизмов ......... |
106 |
12.4. Конструктивно-функциональная |
|
классификация механизмов........................................... |
108 |
5
12.5. Передаточное отношение ..................................... |
110 |
ГЛАВА 13. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
|
МЕХАНИЗМОВ ................................................................................. |
111 |
13.1. Общие сведения о передачах. |
|
Основные виды зубчатых передач ............................... |
111 |
13.2. Общие сведения о методах |
|
изготовления зубчатых колес ....................................... |
114 |
13.3. Кинематика зубчатых механизмов |
|
с неподвижными осями вращения................................ |
116 |
13.4. Кинематика зубчатых механизмов |
|
с подвижными осями вращения.................................... |
118 |
ГЛАВА 14. ОСНОВЫ КИНЕМАТИЧЕСКОГО |
|
АНАЛИЗА МЕХАНИЗМОВ ............................................................. |
121 |
14.1. Задачи и методы кинематического анализа |
|
механизмов. Масштабные коэффициенты .................. |
121 |
14.2. Построение положений рычажных |
|
механизмов методом засечек ........................................ |
122 |
14.3. Определение скоростей и ускорений рычажных |
|
механизмов методом планов......................................... |
123 |
ГЛАВА 15. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ |
|
К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ....................................................................... |
127 |
15.1. Кинематика зубчатых механизмов |
|
с неподвижными осями вращения................................ |
127 |
15.2. Кинематика зубчатых механизмов |
|
с подвижными осями вращения.................................... |
132 |
РАЗДЕЛ 3 |
|
ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ......... |
142 |
ГЛАВА 16. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ |
|
СОСТОЯНИЕ ДЕТАЛИ..................................................................... |
142 |
16.1. Метод сечений....................................................... |
142 |
16.2. Напряжение как мера внутренних сил ................ |
144 |
6
ГЛАВА 17. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ |
|
СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ОБЪЕМА МАТЕРИАЛА ...... |
147 |
17.1. Напряженное состояние в точке. |
|
Закон парности касательных напряжений. |
|
Главные площадки и главные напряжения. |
|
Классификация напряженных состояний .................... |
147 |
17.2. Однородное растяжение бруса как пример |
|
реализации одноосного напряженного состояния |
|
материала ........................................................................ |
150 |
17.3. Продольная и поперечная деформации. |
|
Закон Гука. Модуль упругости. |
|
Коэффициент Пуассона ................................................. |
152 |
17.4. Частный случай плоского напряженного |
|
состояния – чистый сдвиг. Закон Гука при сдвиге. .... |
155 |
ГЛАВА 18. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................................ |
157 |
18.1. Экспериментальные исследования |
|
механических свойств при проведении стандартных |
|
испытаний на растяжение ............................................. |
157 |
18.2. Условие прочности, коэффициент запаса |
|
прочности, допускаемые напряжения.......................... |
160 |
ГЛАВА 19. РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТИПОВЫХ |
|
ЭЛЕМЕНТОВ, МОДЕЛИРУЕМЫХ В ФОРМЕ СТЕРЖНЯ .......... |
162 |
19.1. Расчеты на прочность стержней |
|
при растяжении-сжатии................................................. |
162 |
19.2.Особенности расчета статически |
|
неопределимых стержневых систем ............................ |
163 |
19.3. Напряженно-деформированное состояние |
|
при прямом поперечном изгибе.................................... |
166 |
19.4. Условия прочности при прямом |
|
поперечном изгибе......................................................... |
170 |
19.5. Расчеты на жесткость при изгибе ........................ |
173 |
19.6. Кручение вала (стержня) круглого |
|
поперечного сечения...................................................... |
175 |
19.7. Расчеты на прочность и жесткость |
|
при кручении .................................................................. |
176 |
7
19.8. Условие прочности вала при совместном |
|
действии крутящего и изгибающего моментов........... |
180 |
ГЛАВА 20. УСТОЙЧИВОСТЬ СЖАТЫХ |
|
ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ....................................................... |
185 |
20.1. Понятие о критической силе |
|
для сжатого стержня. Формула Эйлера ....................... |
185 |
20.2. Критическое напряжение. Пределы |
|
применимости формулы Эйлера................................... |
189 |
РАЗДЕЛ 4 |
|
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН |
|
ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ И ДЕТАЛЕЙ ОТРАСЛИ................ |
191 |
ГЛАВА 21. ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ............................................... |
191 |
21.1. Геометрический расчет эвольвентных |
|
прямозубых передач ...................................................... |
191 |
21.2. Особенности геометрии косозубых, |
|
шевронных и конических передач ............................... |
195 |
21.3. Особенности геометрии конических колес ........ |
197 |
21.4. Усилия в зацеплении зубчатых передач ............. |
199 |
21.5. Материалы и термообработка |
|
для зубчатых колес ........................................................ |
202 |
21.6. Расчеты зубьев на сопротивление усталости |
|
по изгибным и контактным напряжениям ................... |
203 |
ГЛАВА 22. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ............................................ |
206 |
22.1. Общие сведения. Геометрические |
|
и кинематические особенности червячных передач... |
206 |
22.2. Усилия в зацеплении. Расчет зубьев колес. |
|
Тепловой расчет червячных передач ........................... |
209 |
ГЛАВА 23. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ ............................................. |
213 |
23.1. Общие сведения. Ремни. Шкивы ......................... |
213 |
23.2. Скольжение ремня ................................................ |
218 |
23.3. Усилия и напряжения в ремнях. |
|
Тяговая способность и КПД передачи ......................... |
221 |
8
ГЛАВА 24. ЦЕПНЫЕ ПЕРЕДАЧИ................................................... |
225 |
|
24.1. |
Общие сведения. Цепи. Материалы .................... |
225 |
24.2. |
Усилия в элементах передачи. |
|
Расчет передачи.............................................................. |
227 |
|
ГЛАВА 25. НЕСУЩИЕ ДЕТАЛИ И ОПОРНЫЕ |
|
|
УСТРОЙСТВА МЕХАНИЗМОВ ...................................................... |
229 |
|
25.1. Валы и оси. Классификация. |
|
|
Расчет на прочность. Материалы ................................. |
229 |
|
25.2. Опоры валов и осей. |
|
|
Классификация подшипников ...................................... |
232 |
|
25.3. Динамическая грузоподъемность подшипников |
|
|
качения. Выбор подшипников и определение |
|
|
их ресурса ....................................................................... |
237 |
|
25.4. Муфты механических приводов. |
|
|
Общие сведения и классификация ............................... |
238 |
|
25.5. Муфты общего назначения. |
|
|
Особенности расчета ..................................................... |
240 |
|
25.6. Предохранительные муфты ................................. |
241 |
|
ГЛАВА 26. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН........ |
243 |
|
26.1. Сварные соединения. Общие сведения |
|
|
и характеристика. Изображения и обозначения |
|
|
на чертежах швов сварных соединений....................... |
243 |
|
26.2. Расчет на прочность и проектирование |
|
|
сварных соединений при постоянных нагрузках ........ |
250 |
|
26.3. Соединения пайкой и склеиванием ..................... |
254 |
|
26.4. Соединения типа «вал–ступица». Общая |
|
|
характеристика и особенности расчета........................ |
255 |
|
|
26.4.1. Шпоночные соединения........................... |
256 |
|
26.4.2. Шлицевые соединения ............................. |
257 |
|
26.4.3. Профильные соединения.......................... |
258 |
|
26.4.4. Штифтовые соединения ........................... |
259 |
26.5. Резьбовые соединения .......................................... |
261 |
|
|
26.5.1. Крепежные детали и стопорящие |
|
|
устройства ............................................................. |
261 |
|
26.5.2. Резьба и ее параметры .............................. |
262 |
9
26.5.3. Силовые зависимости в резьбовом |
|
соединении ............................................................ |
264 |
26.5.4. Самоторможение и коэффициент |
|
полезного действия винтовой пары .................... |
267 |
26.5.5. Расчет резьбовых соединений |
|
на прочность.......................................................... |
268 |
26.5.6. Расчет резьбовых соединений |
|
при переменном режиме нагружения ................. |
274 |
ЛИТЕРАТУРА........................................................................... |
275 |
ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................... |
278 |
10