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​ = 24, m = 2 mm

Двигатель мощностью 5,5 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с 24 зубьями и модулем 2 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 5,5 kWn = 1450 rpmN1 = 24m = 2 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 15C = 12D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (12 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (15 зубьев). Колесо C (12 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 232 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1450 rpmA = 12B = 15C = 12nout = 232 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 500 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 500 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,8 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 500 N·mdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 20 kW при 750 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 50 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 20 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 50σy​ = −20τxy​ = 20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 50 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = 20 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 50 MPaσy = −20 MPaτxy = 20 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = −30τxy​ = 10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = −30 MPa и τₓᵧ = 10 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 50° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = −30 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmЛатунь2,5 mP = 10 kN

Найдите осевую деформацию ε в стержне (латунь) в микродеформациях (µε = 10⁻⁶).

P = 10 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø4070 GPaØ120/70600 mm

Стержень (сталь) диаметром 40 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 250 MPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 120 mm, внутренним диаметром 70 mm, E = 70 GPa и допускаемым напряжением 100 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPaтруба: Ø120/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 140 kNL = 2 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 140 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 140 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 200 kN/mζ = 0,3m = 80 kg

Груз массой 80 kg на пружине жёсткостью 200 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 80 kgk = 200 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 12m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 5 kN/m и k₂ = 12 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 1509 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2·24 = 48 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·36,22/0,048 = 1509 N

Ответ

Ft = 1509 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 60

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 = 1450·12/15 = 1160 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 12·1160/232 = 60

Ответ

ND = 60
3.Кручение валов

Ответ: do = 41,58 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 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·60·0,5904)) = 41,58 mm
di = 0,8·41,58 = 33,26 mm

Ответ

do = 41,58 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 34,88 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: d = 29,6 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 = 20000/78,54 = 254,6 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·254648/(π·50)) = 29,6 mm

Ответ

d = 29,6 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 40,31 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 = √(((50 − −20)/2)² + 20²) = 40,31 MPa

Ответ

τmax = 40,31 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 13,04 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

τθ = −−15·0,9848 + 10·−0,1736 = 13,04 MPa

Ответ

τθ = 13,04 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 497,4 µε

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 = 10·1000/201,1 = 49,74 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 49,74/100000 = 0,0004974 = 497,4 µε

Ответ

ε = 497,4 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 967 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 + 70·10³·7461 = 7,736 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,00125, 0,001429) = 0,00125 (сталь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,00125·7,736 × 10⁸ = 967021 N = 967 kN

Ответ

Pmax = 967 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 48,06 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2100² = 48063 N = 48,06 kN

Ответ

Pcr = 48,06 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 83,89 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 = 3·140000 = 420000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·420000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 83,89 mm

Ответ

d = 83,89 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 95,36, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 7,591 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 = √(200000/80) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,3²) = 7,591 Hz

Ответ

fd = 7,591 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 17 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 = 5 + 12 = 17 kN/m

Ответ

keq = 17 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design