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​ = 16N2​ = 25

Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 16, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 25. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 11 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 25η = 98%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 40C = 25D = 72

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (16 зубьев), которое зацепляется с колесом B (40 зубьев). Колесо C (25 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 97%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 1,5 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 40C = 25D = 72ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 20 mmL = 1 mφ = ?

Сплошной вал (латунь) заделан в стену и закручивается моментом T на свободном конце. Найдите угол закручивания φ свободного конца в градусах.

T = 200 N·md = 20 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 10 kW при 500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 10 kWN = 500 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −80σy​ = 60τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −80 MPa, σᵧ = 60 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 30° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = 60 MPaτxy = 50 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmМедь1,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
40 kN12500 mm200 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 20 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa и участок (алюминий) диаметром 60 mm, длиной 200 mm и E = 70 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 40 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: алюминий, Ø60 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 m40 × 60 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 4 md = 20 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mζ = 0,5m = 40 kg

Груз массой 40 kg на пружине жёсткостью 50 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,5. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 40 kgk = 50 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 100k3​ = 25m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 25 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 20 kN/m и k₂ = 100 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 72,44 N·m

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/151,8 = 72,44 N·m

Ответ

T1 = 72,44 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 66,92 N·m

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.

Скорость на выходе

nout = 1450·(16/40)·(25/72) = 201,4 rpm
ωout = 2π·201,4/60 = 21,09 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 1500·0,97² = 1411 W
Tout = Pout/ωout = 1411/21,09 = 66,92 N·m

Ответ

Tout = 66,92 N·m
3.Кручение валов

Ответ: φ = 18,71 °

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

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1000/(39000·15708) = 0,3265 rad
φ = 0,3265·180/π = 18,71°

Ответ

φ = 18,71°
4.Кручение валов

Ответ: d = 28,97 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 10000/52,36 = 191 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·190986/(π·40)) = 28,97 mm

Ответ

d = 28,97 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 18,03 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 = √(((60 − 30)/2)² + −10²) = 18,03 MPa

Ответ

τmax = 18,03 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 85,62 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.

Формула преобразования

τθ = −−70·0,866 + 50·0,5 = 85,62 MPa

Ответ

τθ = 85,62 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 2125 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 = 50·1000/201,1 = 248,7 MPa

Деформация (закон Гука)

E for медь = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 248,7/117000 = 0,002125 = 2125 µε

Ответ

ε = 2125 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 12,55 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 = 200000·314,2/500 = 125664 N/mm
k₂ = 70000·2827/200 = 989602 N/mm

Доля участка 2

F2 = 40000·989602/1,115 × 10⁶ = 35493 N

Напряжение

σ2 = 35493/2827 = 12,55 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 12,55 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 17,55 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·3000 = 6000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/6000² = 17546 N = 17,55 kN

Ответ

Pcr = 17,55 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 12,34 MPa

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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/5 = 400

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Ответ

σcr = 12,34 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 4,873 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 = √(50000/40) = 35,36 rad/s
fn = 35,36/(2π) = 5,627 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,627·√(1 − 0,5²) = 4,873 Hz

Ответ

fd = 4,873 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 4,579 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 = 20 + 100 = 120 kN/m
keq = 120·25/(120 + 25) = 20,69 kN/m

Собственная частота

ωn = √(20690/25) = 28,77 rad/s
fn = 28,77/(2π) = 4,579 Hz

Ответ

fn = 4,579 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design