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​ = 16, m = 2 mm

Двигатель мощностью 22 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с 16 зубьями и модулем 2 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 22 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 2 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 36B = 40C = 36D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (36 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (40 зубьев). Колесо C (36 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 1215 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1500 rpmA = 36B = 40C = 36nout = 1215 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 500 N·mL = 1,2 m

Сплошной вал (латунь) длиной 1,2 m передаёт крутящий момент 500 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 1°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 500 N·mL = 1,2 mG = 39 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Кручение валовСложная
d = ?20 kW, 1500 rpm

Сплошной вал (сталь) передаёт 20 kW при 1500 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 = 20 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 80σy​ = 10MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 80 MPa и σᵧ = 10 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 130 MPa?

σx = 80 MPaσy = 10 MPaσ1 = 130 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −70σy​ = −30τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −70 MPa, σᵧ = −30 MPa и τₓᵧ = −20 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 15° против часовой стрелки от оси x.

σx = −70 MPaσy = −30 MPaτxy = −20 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 12 mmМедь0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 12 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmСталь0,5 mØ 20 mmЛатунь1 mP = 65 kN

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

P = 65 kNучасток 1: Ø25 mm, 0,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø20 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 m40 × 50 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 15 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 15 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 15 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 80 kN/mc = 3460 N·s/mm = 150 kg

Груз массой 150 kg опирается на пружину жёсткостью 80 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 3460 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 150 kgk = 80 kN/mc = 3460 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 12k3​ = 100m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 100 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 12 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 4528 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 22000/303,7 = 72,44 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2·16 = 32 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·72,44/0,032 = 4528 N

Ответ

Ft = 4528 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 40

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 промежуточного вала

nB = nC = 1500·36/40 = 1350 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 36·1350/1215 = 40

Ответ

ND = 40
3.Кручение валов

Ответ: d = 54,74 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.

Требуемый полярный момент инерции

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·1200/(39000·0,01745) = 881474 mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 54,74 mm

Ответ

d = 54,74 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: d = 36,92 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 20000/157,1 = 127,3 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 127,3 N·m = 127324 N·mm
dτ = ∛(16·127324/(π·80)) = 20,09 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·127324/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 36,92 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(20,09, 36,92) = 36,92 mm

Ответ

d = 36,92 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 77,46 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 = (80 + 10)/2 = 45 MPa
R = σ1 − C = 130 − 45 = 85 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(85² − 35²) = 77,46 MPa

Ответ

τxy = 77,46 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −77,32 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 = −50 + −20·0,866 + −20·0,5 = −77,32 MPa

Ответ

σθ = −77,32 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,323 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 = 35·1000/113,1 = 309,5 MPa

Деформация (закон Гука)

E for медь = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 309,5/117000 = 0,002645 = 2645 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,002645·500 mm = 1,323 mm

Ответ

δ = 1,323 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 2,4 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 132,4 MPa
σ2 = 206,9 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 132,4·500/200000 = 0,331 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 206,9·1000/100000 = 2,069 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,4 mm

Ответ

δ = 2,4 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 81,88 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·266667/1500² = 81881 N = 81,88 kN

Ответ

Pcr = 81,88 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 39,47 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 = 2·15000 = 30000 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 39,47 mm

Ответ

d = 39,47 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 283,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,4994

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·√(80000·150) = 6928 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 3460/6928 = 0,4994

Ответ

ζ = 0,4994

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 6,513 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 = 60 + 12 = 72 kN/m
keq = 72·100/(72 + 100) = 41,86 kN/m

Собственная частота

ωn = √(41860/25) = 40,92 rad/s
fn = 40,92/(2π) = 6,513 Hz

Ответ

fn = 6,513 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design