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
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 400 NT2​ = 100 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 125 mm с частотой 720 rpm. Натяжение равно 400 N на ведущей ветви и 100 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 125 mmn1 = 720 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
Ns​ = 16nr​ = ?Np​ = 30водило неподвижно

В планетарной передаче солнечная шестерня имеет 16 зубьев, а каждый сателлит — 30 зубьев. Водило закреплено, солнечная шестерня вращается с частотой 3000 rpm. Найдите частоту вращения nr коронного колеса (по модулю).

Ns = 16Np = 30ns = 3000 rpm
nr = rpm
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 500 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 500 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,5 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 75 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 500 N·mdi/do = 0,5τallow = 75 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 100 kW при 750 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 100 kWN = 750 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 30σy​ = 100MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 30 MPa и σᵧ = 100 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 135 MPa?

σx = 30 MPaσy = 100 MPaσ1 = 135 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = 70τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = 70 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 15° против часовой стрелки от оси x.

σx = −60 MPaσy = 70 MPaτxy = −40 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmЛатунь3 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 16 mmL = 3 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
100 kN12600 mm400 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 25 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa и участок (латунь) диаметром 40 mm, длиной 400 mm и E = 100 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 100 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: латунь, Ø40 mm, 400 mm, E = 100 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 50 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 50 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 50 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 3540 N·s/mm = 500 kg

Груз массой 500 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 3540 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 500 kgk = 100 kN/mc = 3540 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 60m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 40 kN/m и k₂ = 60 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 1,414 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.

Скорость ремня

v = 4,712 m/s

Мощность

P = (400 − 100)·4,712 = 1414 W = 1,414 kW

Ответ

P = 1,414 kW
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nr = 631,6 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 = 16 + 2·30 = 76

Формула Виллиса при неподвижном водиле

При nc = 0 солнечная шестерня приводит коронное колесо через сателлиты, которые работают как паразитные колёса.

nr = −ns·Ns/Nr = −3000·16/76 = −631,6 rpm
|nr| = 631,6 rpm

Ответ

nr = 631,6 rpm

Коронное колесо вращается в направлении, противоположном солнечной шестерне.

3.Кручение валов

Ответ: do = 33,09 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.

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 500 N·m = 500000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·75·0,9375)) = 33,09 mm
di = 0,5·33,09 = 16,54 mm

Ответ

do = 33,09 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 32,38 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: d = 47,63 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 = 100000/78,54 = 1273 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,273 × 10⁶/(π·60)) = 47,63 mm

Ответ

d = 47,63 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 60,62 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 = (30 + 100)/2 = 65 MPa
R = σ1 − C = 135 − 65 = 70 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(70² − 35²) = 60,62 MPa

Ответ

τxy = 60,62 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −71,29 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 = 5 + −65·0,866 + −40·0,5 = −71,29 MPa

Ответ

σθ = −71,29 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 12,68 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 85·1000/201,1 = 422,8 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 422,8/100000 = 0,004228 = 4228 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,004228·3000 mm = 12,68 mm

Ответ

δ = 12,68 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 52,32 MPa

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.

Жёсткости

k₁ = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 100000·1257/400 = 314159 N/mm

Доля участка 2

F2 = 100000·314159/477784 = 65753 N

Напряжение

σ2 = 65753/1257 = 52,32 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 52,32 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 8,721 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·6000 = 12000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/12000² = 8721 N = 8,721 kN

Ответ

Pcr = 8,721 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 86,4 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 = 3·50000 = 150000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 86,4 mm

Ответ

d = 86,4 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 277,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2503

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 = 3540/14142 = 0,2503

Ответ

ζ = 0,2503

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

12.Механические колебания

Ответ: keq = 100 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 40 + 60 = 100 kN/m

Ответ

keq = 100 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design