Детали машин: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Кручение валов

Касательное напряжение
τ = T·r/J
Сплошной вал
J = πd⁴/32
Полый вал
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Угол закручивания
φ = TL/(GJ)
Мощность
P = T·ω = 2πnT/60

Метод

  1. Найдите полярный момент инерции сечения: J = πd⁴/32 для сплошного вала.
  2. Касательное напряжение на поверхности: τ = T·r/J, где r — наружный радиус.
  3. Угол закручивания: φ = TL/(GJ) в радианах.
  4. Если дана мощность, сначала найдите крутящий момент по P = T·ω, ω = 2πn/60.

Круг Мора и преобразование напряжений

Центр
C = (σx + σy)/2
Радиус
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Главные напряжения
σ1,2 = C ± R
Главное направление
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Наклонная площадка
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Метод

  1. Вычислите центр круга Мора: C = (σx + σy)/2.
  2. Вычислите радиус: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.
  4. Углы на круге вдвое больше углов на элементе: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Осевое напряжение и деформация

Нормальное напряжение
σ = F/A
Деформация
ε = ΔL/L
Закон Гука
σ = E·ε
Удлинение
ΔL = FL/(EA)
Температурная деформация
εT = α·ΔT

Устойчивость колонн

Критическая сила Эйлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коэффициент расчётной длины
K = 1 шарнир–шарнир, 0,5 заделка–заделка, 0,7 заделка–шарнир, 2 заделка–свободный конец
Критическое напряжение
σcr = Pcr/A
Гибкость
λ = KL/r, r = √(I/A)

Механические колебания

Собственная частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
По статическому прогибу
ωn = √(g/δst)
Критическое демпфирование
cc = 2√(km) = 2mωn
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc
Частота затухающих колебаний
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмический декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Параллельные пружины
k = k1 + k2
Последовательные пружины
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Тренировочные задачи

1.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Nw​ = 60z = 4, 2900 rpm

Червяк с числом заходов 4 вращается с частотой 2900 rpm и приводит червячное колесо с 60 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 4Nw = 60n = 2900 rpm
nw = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 36B = 48C = 24D = 48

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (36 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (48 зуб.). Колесо C (24 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (48 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 36B = 48C = 24D = 48
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
d1​ = 25 mmd2​ = 20 mmT = 100 N·mABC1,2 m0,5 m

Ступенчатый сплошной вал (сталь) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 25 mm и длину 1,2 m; участок BC — диаметр 20 mm и длину 0,5 m. На свободном конце C действует крутящий момент 100 N·m. Найдите угол закручивания φC конца C в градусах.

T = 100 N·md1 = 25 mm, L1 = 1,2 md2 = 20 mm, L2 = 0,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Кручение валовСложная
d = 40 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 200 N·mABC0,5 m3 m

Сплошной вал (латунь) диаметром 40 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 0,5 m от A действует крутящий момент 500 N·m, а на свободном конце C, ещё на 3 m дальше, — крутящий момент 200 N·m того же направления. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

d = 40 mmTB = 500 N·mTC = 200 N·mAB = 0,5 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 80σy​ = 110τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 80 MPa, σᵧ = 110 MPa и τₓᵧ = −20 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 80 MPaσy = 110 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 60σy​ = −70τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 60 MPa, σᵧ = −70 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 60 MPaσy = −70 MPaτxy = −10 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
100 kNØ20100 GPaØ80/60400 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 20 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 80 mm, внутренним диаметром 60 mm и E = 100 GPa. Длина обоих — 400 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 100 kN. Найдите укорочение δ.

P = 100 kNстержень: Ø20 mm, E = 200 GPaтруба: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmМедь1 mØ 12 mmЛатунь0,5 mP = 10 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите наибольшее нормальное напряжение σmax в стержне.

P = 10 kNучасток 1: Ø25 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø12 mm, 0,5 m, латунь (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 m30 × 100 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 120 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 120 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 120 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx15 mm1 цикл11,7 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 15 mm через один цикл следует пик 11,7 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 15 mmx1 = 11,7 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 10m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 50 kN/m и k₂ = 10 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 193,3 rpm

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.

Частота вращения колеса

nw = n·z/Nw = 2900·4/60 = 193,3 rpm

Ответ

nw = 193,3 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 562,5 rpm

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Первая ступень

nB = 1500·36/48 = 1125 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1125·24/48 = 562,5 rpm

Ответ

nout = 562,5 rpm

общее передаточное отношение = 2,667 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φC = 4,521 °

Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.

Полярные моменты инерции

J1 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Угол закручивания каждого участка

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 100000·1200/(80000·38350) = 0,03911 rad
φBC = 100000·500/(80000·15708) = 0,03979 rad

Полный угол закручивания

φC = 0,03911 + 0,03979 = 0,0789 rad = 4,521°

Ответ

φC = 4,521°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 55,7 MPa

Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.

Внутренние крутящие моменты

Направление TC принято положительным.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC + TB = 200 + 500 = 700 N·m

Наибольшее касательное напряжение

Участок с наибольшим внутренним моментом имеет наибольшее напряжение (диаметр одинаков).

|T|max = 700 N·m
τmax = 16·700000/(π·40³) = 55,7 MPa

Ответ

τmax = 55,7 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 25 MPa

Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.

σxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((80 − 110)/2)² + −20²) = 25 MPa

Ответ

τmax = 25 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −65 MPa

Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.

Формула преобразования

τθ = −65·1 + −10·0 = −65 MPa

Ответ

τθ = −65 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,1415 mm

Два материала: при последовательном соединении (один за другим) каждый участок воспринимает одну и ту же силу, а удлинения складываются: δ = P·Σ L/(E·A). При параллельном соединении (рядом между жёсткими плитами) обе части укорачиваются на одну и ту же величину, поэтому их деформации равны: более жёсткая часть берёт большую долю, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стержень, зажатый между двумя жёсткими стенами с нагрузкой в месте стыка, статически неопределим: два участка делят нагрузку пропорционально своей жёсткости k = EA/L.

Площади

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·2199 = 2,827 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 100000·400/2,827 × 10⁸ = 0,1415 mm

Ответ

δ = 0,1415 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 88,42 MPa

Стержни при осевой нагрузке: каждый призматический участок подчиняется δ = PL/(AE). Для последовательных участков удлинения складываются.

Одинаковая сила на обоих участках

Свободный конец воспринимает P, поэтому каждое сечение стержня передаёт одну и ту же осевую силу P. Меняются только площади и материалы.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 20,37 MPa
σ2 = 88,42 MPa

Наибольшее напряжение

У более тонкого участка меньше площадь, поэтому напряжение в нём больше.

σmax = 88,42 MPa

Ответ

σmax = 88,42 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 71,06 kN

Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.

Наименьший момент инерции

Прямоугольник теряет устойчивость относительно слабой оси, с меньшим размером в кубе.

Imin = h·b³/12 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2500 = 2500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/2500² = 71061 N = 71,06 kN

Ответ

Pcr = 71,06 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 63,62 mm

Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.

Требуемая критическая сила

Pcr = n·P = 3·120000 = 360000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 63,62 mm

Ответ

d = 63,62 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 132, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03951

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Логарифмический декремент

δ = (1/1)·ln(15/11,7) = 0,2485

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2485/√(39,48 + 0,06173) = 0,03951

Ответ

ζ = 0,03951
12.Механические колебания

Ответ: fn = 7,797 Hz

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Эквивалентная жёсткость

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 50 + 10 = 60 kN/m

Собственная частота

ωn = √(60000/25) = 48,99 rad/s
fn = 48,99/(2π) = 7,797 Hz

Ответ

fn = 7,797 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design