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
N1​ = 18N2​ = 45

Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 18, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 45. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 11 kWn1 = 1500 rpmN1 = 18N2 = 45η = 96%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
Ns​ = 18коронное колесо неподвижноNp​ = 15nc​ = ?

В планетарной передаче солнечная шестерня имеет 18 зубьев, а каждый сателлит — 15 зубьев. Коронное колесо закреплено, солнечная шестерня вращается с частотой 900 rpm. Найдите частоту вращения nc водила.

Ns = 18Np = 15ns = 900 rpm
nc = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 40 mmL = 1,2 mφ = ?

Сплошной вал (сталь) заделан в стену и закручивается моментом T на свободном конце. Найдите угол закручивания φ свободного конца в градусах.

T = 750 N·md = 40 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 10 kW при 3000 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 75 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 10 kWN = 3000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −30τxy​ = 30MPa

В точке σₓ = −30 MPa, σᵧ = 0 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 45° по часовой стрелке. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = −30 MPaσy = 0 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
35°D = 400 mm, t = 12 mm, p = 1,2 MPap

Тонкостенный цилиндрический резервуар с внутренним диаметром 400 mm и толщиной стенки 12 mm содержит газ под избыточным давлением 1,2 MPa. Он изготовлен из листа, сваренного по винтовому шву под углом 35° к оси цилиндра. Найдите нормальное напряжение σn, действующее поперёк сварного шва.

D = 400 mmt = 12 mmp = 1,2 MPaα = 35°
σn = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
250 kNØ25100 GPaØ120/70300 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 25 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 120 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 100 GPa. Длина обоих — 300 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 250 kN. Найдите укорочение δ.

P = 250 kNстержень: Ø25 mm, E = 200 GPaтруба: Ø120/Ø70 mm, E = 100 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmСталь1,5 mØ 20 mmМедь2 mP = 40 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите полное удлинение δ.

P = 40 kNучасток 1: Ø40 mm, 1,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø20 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 m20 × 100 mmпоперечное сечение

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 4 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 12 kN/mζ = 0,45m = 15 kg

Груз массой 15 kg на пружине жёсткостью 12 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,45. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 15m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 12 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 70,03 N·m

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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/157,1 = 70,03 N·m

Ответ

T1 = 70,03 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nc = 245,5 rpm

Планетарные передачи: частоты вращения солнечной шестерни, коронного колеса и водила связаны формулой Виллиса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: относительно водила передача — обычная рядовая, а сателлиты играют роль паразитных колёс. Закрепление одного звена превращает её в редуктор с одним передаточным отношением.

Число зубьев коронного колеса

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·15 = 48

Формула Виллиса при неподвижном коронном колесе

Положите nr = 0 и найдите частоту вращения водила.

(900 − nc)/(0 − nc) = −48/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/66 = 245,5 rpm

Ответ

nc = 245,5 rpm

Водило вращается в том же направлении, что и солнечная шестерня.

3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,565 °

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.

Полярный момент инерции

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(80000·251327) = 0,04476 rad
φ = 0,04476·180/π = 2,565°

Ответ

φ = 2,565°
4.Кручение валов

Ответ: d = 12,93 mm

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.

Крутящий момент

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 10000/314,2 = 31,83 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·31831/(π·75)) = 12,93 mm

Ответ

d = 12,93 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 15 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 для грани y′

σy′ = −15 − (−15)·0 − 30·(−1) = 15 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −45 MPa, σx′ + σy′ = −30 = σx + σy

Ответ

σy′ = 15 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σn = 16,71 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. Тонкостенный цилиндр: окружное напряжение σh = pr/t и осевое напряжение σa = pr/(2t); это главные напряжения в стенке.

Напряжения в стенке

r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 1,2·200/12 = 20 MPa
σa = pr/(2t) = 10 MPa

Преобразование к шву

Направьте x вдоль оси (σa), а y по окружности (σh). Нормаль к шву составляет с осью угол 90° − α.

σn = 10·sin²35° + 20·cos²35° = 16,71 MPa

Ответ

σn = 16,71 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,08883 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·7461 = 8,443 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 250000·300/8,443 × 10⁸ = 0,08883 mm

Ответ

δ = 0,08883 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 2,415 mm

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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 31,83 MPa
σ2 = 127,3 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 31,83·1500/200000 = 0,2387 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 127,3·2000/117000 = 2,176 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,415 mm

Ответ

δ = 2,415 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 233,9 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/750² = 233946 N = 233,9 kN

Ответ

Pcr = 233,9 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 6,94 MPa

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

У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/15 = 533,3

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/533,3² = 6,94 MPa

Ответ

σcr = 6,94 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 4,02 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.

Собственная частота без демпфирования

ωn = √(12000/15) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,45²) = 4,02 Hz

Ответ

fd = 4,02 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 1,299 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/12 + 1/15 → keq = 12·15/(12 + 15) = 6,667 kN/m

Собственная частота

ωn = √(6667/100) = 8,165 rad/s
fn = 8,165/(2π) = 1,299 Hz

Ответ

fn = 1,299 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design