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​ = 45z = 4, 2900 rpm

Червяк с числом заходов 4 вращается с частотой 2900 rpm и приводит червячное колесо с 45 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 4Nw = 45n = 2900 rpm
nw = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 315 mmC = 600 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d1​ = 60 mmd2​ = 40 mmT = 2000 N·mABC3 m0,8 m

Ступенчатый сплошной вал (алюминий) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 60 mm и длину 3 m; участок BC — диаметр 40 mm и длину 0,8 m. На свободном конце C действует крутящий момент 2000 N·m. Найдите угол закручивания φC конца C в градусах.

T = 2000 N·md1 = 60 mm, L1 = 3 md2 = 40 mm, L2 = 0,8 mG = 26 GPa
φC = °
4.Кручение валовСложная
d = ?5 kW, 1000 rpm

Сплошной вал (алюминий) передаёт 5 kW при 1000 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 80 MPa, а угол закручивания — 0,5° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 5 kWN = 1000 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 160σy​ = −60τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 160 MPa, σᵧ = −60 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 160 MPaσy = −60 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
40°D = 800 mm, t = 5 mm, p = 1 MPap

Тонкостенный цилиндрический резервуар с внутренним диаметром 800 mm и толщиной стенки 5 mm содержит газ под избыточным давлением 1 MPa. Он изготовлен из листа, сваренного по винтовому шву под углом 40° к оси цилиндра. Найдите нормальное напряжение σn, действующее поперёк сварного шва.

D = 800 mmt = 5 mmp = 1 MPaα = 40°
σn = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12500 mm500 mmØ40Ø50δ = 0,4 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 40 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 50 mm, длиной 500 mm и E = 120 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,4 mm.

участок 1: сталь, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø40100 GPaØ120/70800 mm

Стержень (сталь) диаметром 40 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 150 MPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 120 mm, внутренним диаметром 70 mm, E = 100 GPa и допускаемым напряжением 100 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaтруба: Ø120/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 m20 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 5 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 5 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 5 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 5660 N·s/mm = 500 kg

Груз массой 500 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 5660 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 500 kgk = 100 kN/mc = 5660 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 30m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 100 kN/m, у нижней k₂ = 30 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 100 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 257,8 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 = 2900·4/45 = 257,8 rpm

Ответ

nw = 257,8 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 159,4 °

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Угол ремня

asin(0,1792) = 10,32°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·10,32 = 159,4°

Ответ

θ = 159,4°
3.Кручение валов

Ответ: φC = 24,42 °

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·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания каждого участка

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 2 × 10⁶·3000/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,1814 rad
φBC = 2 × 10⁶·800/(26000·251327) = 0,2449 rad

Полный угол закручивания

φC = 0,1814 + 0,2449 = 0,4262 rad = 24,42°

Ответ

φC = 24,42°
4.Кручение валов

Ответ: d = 38,26 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 5000/104,7 = 47,75 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 47,75 N·m = 47746 N·mm
dτ = ∛(16·47746/(π·80)) = 14,49 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·47746/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 38,26 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(14,49, 38,26) = 38,26 mm

Ответ

d = 38,26 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 114 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.

στxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((160 − −60)/2)² + 30²) = 114 MPa

Ответ

τmax = 114 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σn = 63,47 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 = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 1·400/5 = 80 MPa
σa = pr/(2t) = 40 MPa

Преобразование к шву

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

σn = 40·sin²40° + 80·cos²40° = 63,47 MPa

Ответ

σn = 63,47 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 97,29 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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·1963) = 2,122 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,4/4,112 × 10⁻⁶ = 97288 N = 97,29 kN

Ответ

P = 97,29 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 748,1 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·7461 = 9,975 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,00075, 0,001) = 0,00075 (сталь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,00075·9,975 × 10⁸ = 748092 N = 748,1 kN

Ответ

Pmax = 748,1 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 8,188 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·1500 = 1500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·26667/1500² = 8188 N = 8,188 kN

Ответ

Pcr = 8,188 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 43,9 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 = 2·5000 = 10000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·10000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 43,9 mm

Ответ

d = 43,9 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 546,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,4002

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.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(100000·500) = 14142 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 5660/14142 = 0,4002

Ответ

ζ = 0,4002

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,823 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 = 1/100 + 1/30 → keq = 100·30/(100 + 30) = 23,08 kN/m

Собственная частота

ωn = √(23077/40) = 24,02 rad/s
fn = 24,02/(2π) = 3,823 Hz

Ответ

fn = 3,823 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design