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​ = 32N2​ = 60

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 32, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 1,1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 32N2 = 60η = 97%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 15B = 24C = 25D = 60

Двигатель мощностью 15 kW с частотой 1440 rpm приводит колесо A (15 зубьев), которое зацепляется с колесом B (24 зубьев). Колесо C (25 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (60 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 15B = 24C = 25D = 60ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Кручение валовСредняя
d = 15 mmT = 40 N·m200 mmφ = 2,36°

При испытании на кручение сплошной образец диаметром 15 mm закручивается моментом 40 N·m. Концы расчётной длины 200 mm поворачиваются друг относительно друга на 2,36° (материал ещё работает упруго). Найдите модуль сдвига G материала.

T = 40 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 2,36°
G = GPa
4.Кручение валовСложная
d = ?30 kW, 750 rpm

Сплошной вал (сталь) передаёт 30 kW при 750 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 80 MPa, а угол закручивания — 0,75° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,75°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 140σy​ = 40MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 140 MPa и σᵧ = 40 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 160 MPa?

σx = 140 MPaσy = 40 MPaσ1 = 160 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 150σy​ = 10τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 150 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 25° против часовой стрелки от оси x.

σx = 150 MPaσy = 10 MPaτxy = −40 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 12 mmМедь1,5 mP = 20 kN

Найдите удлинение δ стержня (медь) под действием осевой нагрузки.

P = 20 kNd = 12 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø20110 GPaØ100/60300 mm

Стержень (сталь) диаметром 20 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 250 MPa находится внутри трубы (бронза) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 60 mm, E = 110 GPa и допускаемым напряжением 100 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPaтруба: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 md = 30 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2 md = 40 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,3m = 25 kg

Груз массой 25 kg на пружине жёсткостью 40 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 25 kgk = 40 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 10k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 10 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 7,244 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/151,8 = 7,244 N·m

Ответ

T1 = 7,244 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 366,8 N·m

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.

Скорость на выходе

nout = 1440·(15/24)·(25/60) = 375 rpm
ωout = 2π·375/60 = 39,27 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 15000·0,98² = 14406 W
Tout = Pout/ωout = 14406/39,27 = 366,8 N·m

Ответ

Tout = 366,8 N·m
3.Кручение валов

Ответ: G = 39,08 GPa

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 и угол

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 2,36·π/180 = 0,04119 rad

Модуль сдвига

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(4970·0,04119) = 39078 MPa
G = 39,08 GPa

Ответ

G = 39,08 GPa

Для сравнения: сталь ≈ 80 GPa, латунь ≈ 39 GPa, алюминий ≈ 26 GPa.

4.Кручение валов

Ответ: d = 43,9 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 382 N·m = 381972 N·mm
dτ = ∛(16·381972/(π·80)) = 28,97 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·381972/(π·80000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 43,9 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(28,97, 43,9) = 43,9 mm

Ответ

d = 43,9 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 48,99 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.

Требуемый радиус

C = (140 + 40)/2 = 90 MPa
R = σ1 − C = 160 − 90 = 70 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(70² − 50²) = 48,99 MPa

Ответ

τxy = 48,99 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 94,35 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

σθ = 80 + 70·0,6428 + −40·0,766 = 94,35 MPa

Ответ

σθ = 94,35 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 2,267 mm

Закон Гука: в упругой области σ = E·ε. Вместе с σ = P/A и ε = δ/L это даёт δ = PL/(AE).

Напряжение

A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 20·1000/113,1 = 176,8 MPa

Деформация (закон Гука)

E for медь = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 176,8/117000 = 0,001511 = 1511 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,001511·1500 mm = 2,267 mm

Ответ

δ = 2,267 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 559,8 kN

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(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·5027 = 6,158 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,00125, 0,0009091) = 0,0009091 (бронза)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0009091·6,158 × 10⁸ = 559775 N = 559,8 kN

Ответ

Pmax = 559,8 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 2,18 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

У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/6000² = 2180 N = 2,18 kN

Ответ

Pcr = 2,18 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 17,27 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/10 = 200

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Ответ

σcr = 17,27 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 6,073 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 = √(40000/25) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,366·√(1 − 0,3²) = 6,073 Hz

Ответ

fd = 6,073 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 6,667 kN/m

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 = 1/10 + 1/20 → keq = 10·20/(10 + 20) = 6,667 kN/m

Ответ

keq = 6,667 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design