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​ = 30, m = 5 mm

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 30 зубьями и модулем 5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 2,2 kWn = 960 rpmN1 = 30m = 5 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 80 mm с частотой 2880 rpm со шкивом 500 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 500 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 500 N
P = kW
3.Кручение валовСредняя
d = 12 mmT = 30 N·m400 mmφ = 4,22°

При испытании на кручение сплошной образец диаметром 12 mm закручивается моментом 30 N·m. Концы расчётной длины 400 mm поворачиваются друг относительно друга на 4,22° (материал ещё работает упруго). Найдите модуль сдвига G материала.

T = 30 N·md = 12 mmL = 400 mmφ = 4,22°
G = GPa
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 5 kW при 1800 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 5 kWN = 1800 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σy​ = 70MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 0 MPa и σᵧ = 70 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 90 MPa?

σx = 0 MPaσy = 70 MPaσ1 = 90 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​поверхность вала

Сплошной вал диаметром 25 mm нагружен осевой сжимающей силой 60 kN вместе с крутящим моментом 250 N·m. На поверхности вала найдите наибольшее главное напряжение σ1.

d = 25 mmF = −60 kNT = 250 N·m
σ1 = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12300 mm400 mmØ25Ø40δ = 0,5 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 25 mm, длиной 300 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (бронза) диаметром 40 mm, длиной 400 mm и E = 110 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,5 mm.

участок 1: сталь, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPaучасток 2: бронза, Ø40 mm, 400 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmЛатунь1 mØ 20 mmАлюминий0,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNучасток 1: Ø30 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø20 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 md = 40 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 100 kNL = 2 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 100 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 100 kNn = 2L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 80 kN/mc = 320 N·s/mm = 50 kg

Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 80 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 320 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 50 kgk = 80 kN/mc = 320 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 50k3​ = 10m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 10 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 25 kN/m и k₂ = 50 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 291,8 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 2200/100,5 = 21,88 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 5·30 = 150 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·21,88/0,15 = 291,8 N

Ответ

Ft = 291,8 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,616 kW

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 обхвата

θ = 2,275 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,5687 = 1,766, T₂ = 500/1,766 = 283,1 N

Мощность

P = (500 − 283,1)·12,06 = 2,616 kW

Ответ

P = 2,616 kW
3.Кручение валов

Ответ: G = 80,03 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·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 4,22·π/180 = 0,07365 rad

Модуль сдвига

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·400/(2036·0,07365) = 80033 MPa
G = 80,03 GPa

Ответ

G = 80,03 GPa

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

4.Кручение валов

Ответ: d = 11,91 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 5000/188,5 = 26,53 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·26526/(π·80)) = 11,91 mm

Ответ

d = 11,91 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 42,43 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 = (0 + 70)/2 = 35 MPa
R = σ1 − C = 90 − 35 = 55 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(55² − 35²) = 42,43 MPa

Ответ

τxy = 42,43 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σ1 = 40,74 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.

Напряжения на поверхности

σ = F/A = −60000/(π·25²/4) = −60000/490,9 = −122,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·25³) = 81,49 MPa
στxyCσ1​σ2​

Круг Мора

C = σ/2 = −61,12 MPa
R = √((−61,12)² + 81,49²) = 101,9 MPa
σ1 = C + R = 40,74 MPa
σ2 = C − R = −163 MPa

Ответ

σ1 = 40,74 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 84,04 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 = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(110000·1257) = 2,894 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,5/5,95 × 10⁻⁶ = 84041 N = 84,04 kN

Ответ

P = 84,04 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 334,2 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 148,5 MPa
σ2 = 334,2 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 334,2 MPa

Ответ

σmax = 334,2 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 5,426 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·2000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/4000² = 5426 N = 5,426 kN

Ответ

Pcr = 5,426 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 58,31 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 = 2·100000 = 200000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·1400²/(π³·70000))^(1/4) = 58,31 mm

Ответ

d = 58,31 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 96,04, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,08

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·√(80000·50) = 4000 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 320/4000 = 0,08

Ответ

ζ = 0,08

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,343 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

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 25 + 50 = 75 kN/m
keq = 75·10/(75 + 10) = 8,824 kN/m

Собственная частота

ωn = √(8824/20) = 21 rad/s
fn = 21/(2π) = 3,343 Hz

Ответ

fn = 3,343 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design