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​ = 60

Двигатель мощностью 0,75 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 16, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 0,75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 60η = 98%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 72C = 16D = 36

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (16 зуб.) на входном валу вращается с частотой 2900 rpm и приводит колесо B (72 зуб.). Колесо C (16 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (36 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 2900 rpmA = 16B = 72C = 16D = 36
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
do​ = ?75 kW, 1500 rpm

Полый вал должен передавать 75 kW при 1500 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,75 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

P = 75 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,75τallow = 40 MPa
do = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 160σy​ = 60τxy​ = −60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 160 MPa, σᵧ = 60 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 160 MPaσy = 60 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 0σy​ = −20τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 0 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 20° против часовой стрелки от оси x.

σx = 0 MPaσy = −20 MPaτxy = −30 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmСталь1 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 10 mmL = 1 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmАлюминий1 mØ 12 mmАлюминий1,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNучасток 1: Ø30 mm, 1 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø12 mm, 1,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 m30 × 60 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 1,5 md = 20 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx12 mmЦиклов: 26,4 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 12 mm через 2 циклов следует пик 6,4 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 12 mmx2 = 6,4 mmn = 2
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 60m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 12 kN/m и k₂ = 60 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

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

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 4,939 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 = 750/151,8 = 4,939 N·m

Ответ

T1 = 4,939 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 286,4 rpm

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.

Первая ступень

nB = 2900·16/72 = 644,4 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 644,4·16/36 = 286,4 rpm

Ответ

nout = 286,4 rpm

общее передаточное отношение = 10,13 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 3,232 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(26000·613592) = 0,05641 rad
φ = 0,05641·180/π = 3,232°

Ответ

φ = 3,232°
4.Кручение валов

Ответ: do = 44,64 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 = 75000/157,1 = 477,5 N·m

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 477,5 N·m = 477465 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·477465/(π·40·0,6836)) = 44,64 mm
di = 0,75·44,64 = 33,48 mm

Ответ

do = 44,64 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 39,32 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 78,1 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 = √(((160 − 60)/2)² + −60²) = 78,1 MPa

Ответ

τmax = 78,1 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −21,62 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

σθ = −10 + 10·0,766 + −30·0,6428 = −21,62 MPa

Ответ

σθ = −21,62 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 3,183 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 50·1000/78,54 = 636,6 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 636,6/200000 = 0,003183 = 3183 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,003183·1000 mm = 3,183 mm

Ответ

δ = 3,183 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 530,5 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 84,88 MPa
σ2 = 530,5 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 530,5 MPa

Ответ

σmax = 530,5 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 136 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 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·135000/1400² = 135959 N = 136 kN

Ответ

Pcr = 136 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 15,67 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 = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/5 = 210

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/210² = 15,67 MPa

Ответ

σcr = 15,67 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,04996

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.

Логарифмический декремент

δ = (1/2)·ln(12/6,4) = 0,3143

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3143/√(39,48 + 0,09879) = 0,04996

Ответ

ζ = 0,04996
12.Механические колебания

Ответ: fn = 8,541 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

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

keq = 12 + 60 = 72 kN/m

Собственная частота

ωn = √(72000/25) = 53,67 rad/s
fn = 53,67/(2π) = 8,541 Hz

Ответ

fn = 8,541 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design