Механика - Учебное пособие
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
621.031(07) З-175
Р.И. Зайнетдинов, О.Н. Цуканов, Б.А. Лопатин
М Е Х А Н И К А
Учебное пособие по курсовому проекту и домашним заданиям
Челябинск
2006
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Филиал в г. Златоусте
Кафедра «Техническая механика»
621.031(07) З-175
Р.И. Зайнетдинов, О.Н. Цуканов, Б.А. Лопатин
М Е Х А Н И К А
Учебное пособие по курсовому проекту и домашним заданиям
3-е издание, переработанное и дополненное
Челябинск Издательство ЮУрГУ
2006
2
УДК 621.031(07)
Зайнетдинов Р. И., Цуканов О.Н., Лопатин Б.А. Механика: Учебное пособие по курсовому проекту и домашним заданиям. – 3-е изд., перераб. и доп. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2006. – 50 с.
Учебное пособие охватывает основные типы задач по расчету на прочность элементов конструкций, задачи по расчету зубчатых передач и все этапы выполнения курсового проекта по проектированию и расчету привода конвейера или лебедки.
Данное издание (3-е — 2-е изд. 1996 г.) является электронной версией пособия, рисунки выполнены в графических редакторах КОМПАС, CоrelXara и Worda, отдельные пункты по выполнению проекта переработаны и дополнены с учетом рекомендаций стандарта ЮУрГУ, приложения дополнены образцами аннотации, титульного листа расчетно-графической работы № 1, основных надписей, образцами чертежей общих видов привода и редуктора, рабочих чертежей конического колеса и вала, обновлен также список литературы.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 150101, 140604.
Ил. 14, табл. 14, список лит. – 15 назв.
Одобрено учебно-методической комиссией филиала ЮУрГУ в г. Златоусте.
Рецензенты: В. И. Гольдфарб, В. С. Карманов.
© Издательство ЮУрГУ, 2006.
3
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов немашиностроительных специальностей при выполнении ими контрольных заданий и курсового проекта по механике (прикладной механике). Оно состоит из двух частей.
Первая часть – методические указания и задания к расчетно-графическим работам № 1 и № 2.
Вторая часть – методические указания и задания к курсовому проекту. Расчетно-графическая работа № 1 включает задачи по разделу «Сопротивле-
ние материалов» («Основы расчетов на прочность»), расчетно-графическая работа № 2 – задачу по расчету зубчатой передачи.
Вариант каждого задания выдается студенту преподавателем и состоит из четырех цифр. Исходные данные согласно варианту выбираются следующим образом. Например, при варианте 4379 для задачи 1.1 необходимо из табл. 1.1 взять данные:
•первая цифра – 4: А1/А = 2,0;
•вторая цифра – 3: b/l = 2,0, F1/F = –2;
•третья цифра – 7: с/l = 2,0, F2/F = –3, материал – Алюм. спл. АК-4;
•четвертая цифра – 9: № схемы – IV, a/l = 2,0, F3/F = –1,0.
Аналогично выбираются данные ко всем задачам.
Расчетно-графические работы № 1 и № 2 и расчетная часть курсового проекта
должны быть оформлены в виде расчетно-пояснительной записки на листах писчей бумаги формата А4.
Образец титульного листа записки курсового проекта приведен в прил. 1.
На каждом листе расчетно-пояснительной записки должна быть рамка с основной надписью, на первом листе формы 2, на последующих – формы 2а (прил. 2 и 3). Текст записки должен быть напечатан на компьютере или написан от руки чернилами на одной стороне каждого листа с оставлением полей: слева – не менее 5 мм от линии рамки, справа – не менее 3 мм, сверху – 15 мм, снизу – 10 мм. Все листы записки должны быть сшиты в альбом с обложкой из плотной бумаги.
Графическая часть курсового проекта выполняется на листах чертежной бумаги, формат и количество которых определяются содержанием задания во второй части указаний.
Схемы и эпюры, встречающиеся при решении задач, также должны быть выполнены с соблюдением масштабных соотношений карандашом с применением чертежных инструментов.
Графическая часть проекта, схемы и эпюры пояснительной записки могут быть выполнены также в графических редакторах ПЭВМ КОМПАС, AutoCAD и др.
Решение каждой задачи желательно выполнять в общем виде, а числовые значения подставлять в конце решения. Расчеты следует производить с точностью до 2–3 значащих цифр после запятой.
4
1.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ
КРАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИМ РАБОТАМ
1.1. Расчетно-графическая работа № 1
Цель работы – освоение студентами практических методов расчета на прочность элементов конструкций, закрепление знаний, полученных ими на лекциях и практических занятиях по соответствующим разделам курсов «Механика» и «Прикладная механика».
Расчетно-графическая работа № 1 включает задачи по расчету на прочность элементов конструкций при следующих видах деформации: растяжении (сжатии), срезе и смятии, кручении, изгибе, а также при совместном действии изгиба и кручения.
В начале каждой задачи в соответствии с вариантом должны быть записаны исходные данные в виде таблицы и с учетом их значений, в масштабе изображен чертеж к задаче.
Схемы и эпюры, встречающиеся при решении задач, также должны быть выполнены с соблюдением масштабных соотношений карандашом с применением чертежных инструментов.
Решение каждой задачи желательно выполнить в общем виде, а числовые значения подставлять в конце решения. Расчеты следует производить с точностью до 2–3 значащих цифр после запятой.
На обложке расчетно-графической работы № 1 необходимо записать название: «Расчетно-графическая работа № 1 по разделу курса механики (прикладной механики) «Сопротивление материалов» («Основы расчетов на прочность»)». Образец обложки приведен в прил. 4.
Задача 1.1. Растяжение, сжатие
Для консольного бруса переменного сечения (рис. 1.1) построить эпюры нормальной силы, нормальных напряжений и продольных перемещений. Определить из условия прочности допустимое значение нагрузки F и при найденном значении нагрузки вычислить наибольшее перемещение бруса, а также наибольшее удлинение участка а.
Принять А = 200 мм2 , l = 200 мм, s = [k] = 2, остальные данные взять из табл. 1.1 и табл. 1.2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
|
|
|
|
Порядковый номер цифры в варианте |
|
|
|||||
Цифра |
|
|
|
|
|
||||||
1 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
4 |
|
||
вариан- |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
№ схе- |
|
|
|
та |
A1/A |
b/l |
|
F1/F |
с/l |
F2/F |
|
Материал |
a/l |
F3/F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мы |
|
|
1 |
1,20 |
1,0 |
|
1 |
1,5 |
–4 |
|
Сталь 20 |
I |
2,5 |
2,5 |
2 |
1,70 |
1,5 |
|
2 |
1,5 |
3 |
|
Ст. 4 |
II |
2,0 |
1,5 |
3 |
1,50 |
2,0 |
|
–2 |
1,0 |
4 |
|
Сталь 45 |
III |
2,5 |
–1,0 |
5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 1.1 |
||
|
|
|
|
Порядковый номер цифры в варианте |
|
|
|||||
Цифра |
|
|
|
4 |
|
||||||
1 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|||
варианта |
A1/A |
b/l |
|
F1/F |
с/l |
F2/F |
|
Материал |
№ схе- |
a/l |
F3/F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мы |
|
|
4 |
2,00 |
2,5 |
|
1 |
1,0 |
–3 |
|
Сталь |
IV |
2,0 |
–2,0 |
|
|
20ХН |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
1,30 |
1,0 |
|
1 |
2,5 |
3 |
|
Алюмин. |
V |
1,5 |
–1,5 |
|
|
сплав АЛ-4 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
1,40 |
1,5 |
|
–1 |
1,5 |
–3 |
|
Сталь 40Х |
I |
2,0 |
2,0 |
7 |
1,80 |
1,5 |
|
–1 |
2,0 |
–3 |
|
Алюмин. |
II |
2,5 |
1,0 |
|
|
сплав АК-4 |
|||||||||
8 |
1,60 |
1,0 |
|
–2 |
2,0 |
3 |
|
Титановый |
III |
1,5 |
–2,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
сплав ВТ-3 |
|
|
|
9 |
1,90 |
1,5 |
|
–1 |
1,0 |
–4 |
|
Магниевый |
IV |
2,0 |
–1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
сплав МА-5 |
|
|
|
0 |
2,00 |
2,0 |
|
2 |
1,5 |
–4 |
|
Латунь |
V |
1,0 |
1,0 |
|
|
Л-68 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1
6
Таблица 1.2
Механические характеристики материалов
|
|
1. Пластичные материалы |
|
|
|
||
|
Материал |
Марка |
σт, |
σв, |
τт, |
Е × 10–5, |
μ |
|
|
|
МПа |
МПа |
МПа |
МПа |
|
1. |
Сталь углеродистая |
Ст3 |
230 |
380…470 |
160 |
|
|
|
|
Ст4 |
240 |
430…550 |
170 |
2,0 |
0,28 |
|
|
Ст5 |
280 |
520…650 |
190 |
||
|
|
20 |
220 |
400…500 |
160 |
|
|
|
|
40 |
320 |
650 |
220 |
|
|
|
|
45 |
320 |
600…750 |
220 |
|
|
2. |
Сталь легированная |
20ХН |
600 |
800 |
350 |
|
|
|
|
40Х |
800 |
1000 |
440 |
2,1 |
0,30 |
|
|
40ХН |
750 |
900 |
390 |
|
|
|
|
12ХНЗА |
700 |
950 |
400 |
|
|
3. |
Алюминиевые сплавы |
АЛ-4 |
200 |
260 |
120 |
|
|
|
|
АК-4 |
310 |
400 |
180 |
0,72 |
0,30 |
|
|
Д-16 |
330 |
470 |
200 |
|
|
4. |
Титановый сплав |
ВТ-3 |
950 |
1100 |
500 |
1,2 |
0,26 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Латунь |
Л-68 |
330 |
450 |
200 |
1,2 |
0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
Магниевый сплав |
МА-5 |
220 |
300 |
160 |
0,72 |
0,27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Хрупкие материалы (чугуны) |
|
||
Марка |
σвр, МПа |
σвс, МПа |
Е×10–5, МПа |
μ |
1. СЧ 12-28 |
120 |
500 |
|
|
2. СЧ 15-32 |
150 |
600 |
|
|
3. СЧ 18-36 |
180 |
670 |
1,2 |
0,25 |
4. СЧ 24-44 |
240 |
800 |
|
|
5. СЧ 35-56 |
350 |
900 |
|
|
Задача 1.2. Расчет статически неопределимых систем
Для одной из плоских стержней систем, изображенных на рис. 1.2, требует-
ся:
1)определить усилия в стержнях системы (в долях q);
2)из расчета на прочность найти площади поперечных сечений стержней;
3)считая, что каждый стержень состоит из двух одинаковых равнобоких уголков, подобрать по ГОСТ 8509-72 соответствующий номер профиля.
Принять: материал – Ст.5; s = [k] = 1,4; l = 500 мм; q = 200 кН/м. Остальные данные взять из табл. 1.2 и 1.3.
7
|
|
|
Рис. 1.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.3 |
|
|
|
Порядковый номер цифры в варианте |
|
|
|||
Цифра |
|
|
|
||||
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
|
|
варианта |
|
|
|
||||
b/l |
F, kH |
a/l |
№ схемы |
α, град |
|
β, град |
|
|
|
||||||
1 |
1 |
100 |
2 |
I |
30 |
|
45 |
2 |
2 |
120 |
1 |
II |
30 |
|
50 |
3 |
3 |
150 |
3 |
III |
60 |
|
45 |
4 |
2 |
130 |
2 |
IV |
30 |
|
40 |
5 |
3 |
140 |
1 |
V |
60 |
|
45 |
6 |
1 |
180 |
3 |
I |
40 |
|
60 |
7 |
3 |
160 |
3 |
II |
40 |
|
60 |
8 |
2 |
170 |
1 |
III |
50 |
|
45 |
9 |
1 |
190 |
2 |
IV |
35 |
|
45 |
0 |
1 |
200 |
2 |
V |
70 |
|
40 |
Задача 1.3. Сдвиг, смятие
Для одного из соединений, показанных на рис. 1.3, из расчетов на прочность (при растяжении, сжатии, срезе, смятии и кручении) найти указанные на чертеже размеры. Исходные данные взять из табл. 1.4. Принять: материал – сталь; [σр] = [σс] = 100 МПа; [τкр] = 50 МПа; [τср] = 0,8 [σр]; [σсм] = 2,0 [σр].
8
d
|
A-A |
|
A |
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
h |
M=6FD |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l =6b |
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3D |
|
|
I |
A |
t |
Ì |
|
|
|
4заклепки |
||
|
|
|
|
||
A |
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
F |
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d1 |
a |
A-A |
d |
|
h |
|
F |
|
t |
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
|
|
|
d2 |
|
|
|
|
d |
|
|
|
d |
|
|
|
a t
F
F |
F |
IV |
F |
F |
|
b |
||
|
III
Рис. 1.3
9
c
t
|
À |
|
F |
b |
a |
|
|
|
|
|
À-À |
|
t |
c |
|
F |
|
|
|
d |
V
c |
|
|
|
|
|
t |
|
|
c |
|
|
b |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d
d1 a
F F
VII
a |
|
t/2 |
|
D |
|
|
|
t |
h |
|
|
|
|
d |
|
F |
IX |
|
|
b |
c |
F
À |
|
D |
|
F |
|
|
|
|
F |
|
d |
|
|
|
|
t |
|
F |
|
d1 |
|
d2 |
|
|
|
|
|
b |
VI |
h |
a |
|
2 |
h |
|
|
|
R=6D |
|
|
F |
l 5b=
D
c
t |
d |
c |
|
VIII |
|
|
a |
d 1 |
R=8D |
|
F
c
l = 5d1 |
t c |
d |
|
D |
|||
X |
|
||
|
|
Продолжение рис.1.3
Продолжение рис. 1.3
10