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​ = 48N2​ = 60

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 48, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 48N2 = 60η = 96%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 18B = 40C = 32D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (18 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (40 зубьев). Колесо C (32 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 300 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1500 rpmA = 18B = 40C = 32nout = 300 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 1500 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 1500 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,5 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 1500 N·mdi/do = 0,5τallow = 80 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
d = 60 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 1000 N·mABC2,5 m1,2 m

Сплошной вал (латунь) диаметром 60 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 2,5 m от A действует крутящий момент 200 N·m, а на свободном конце C, ещё на 1,2 m дальше, — крутящий момент 1000 N·m противоположного направления. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

d = 60 mmTB = 200 N·mTC = 1000 N·mAB = 2,5 mBC = 1,2 m
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 100σy​ = 80τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 100 MPa, σᵧ = 80 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 100 MPaσy = 80 MPaτxy = −40 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −70σy​ = 70τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −70 MPa, σᵧ = 70 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 70 MPaτxy = −30 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 25 mmАлюминий1 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 25 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmЛатунь0,5 mØ 16 mmМедь0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNучасток 1: Ø25 mm, 0,5 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 40 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 100 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 100 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 100 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,6m = 200 kg

Груз массой 200 kg на пружине жёсткостью 40 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,6. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 200 kgk = 40 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 15m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 4,347 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 3,622·60/48·0,96 = 4,347 N·m

Ответ

T2 = 4,347 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 72

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 = 1500·18/40 = 675 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 32·675/300 = 72

Ответ

ND = 72
3.Кручение валов

Ответ: do = 46,7 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 = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,5 × 10⁶/(π·80·0,9375)) = 46,7 mm
di = 0,5·46,7 = 23,35 mm

Ответ

do = 46,7 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 45,71 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 23,58 MPa

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.

Внутренние крутящие моменты

Направление TC принято положительным.

TBC = TC = 1000 N·m
TAB = TC − TB = 1000 − 200 = 800 N·m

Наибольшее касательное напряжение

Участок с наибольшим внутренним моментом имеет наибольшее напряжение (диаметр одинаков).

|T|max = 1000 N·m
τmax = 16·1 × 10⁶/(π·60³) = 23,58 MPa

Ответ

τmax = 23,58 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 41,23 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 = √(((100 − 80)/2)² + −40²) = 41,23 MPa

Ответ

τmax = 41,23 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 70 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 = −−70·1 + −30·0 = 70 MPa

Ответ

τθ = 70 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 2037 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 70·1000/490,9 = 142,6 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 142,6/70000 = 0,002037 = 2037 µε

Ответ

ε = 2037 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,1 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 71,3 MPa
σ2 = 174,1 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 71,3·500/100000 = 0,3565 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 174,1·500/117000 = 0,7439 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,1 mm

Ответ

δ = 1,1 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 21,7 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/2000² = 21704 N = 21,7 kN

Ответ

Pcr = 21,7 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 102,7 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 = 3·100000 = 300000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 102,7 mm

Ответ

d = 102,7 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 233,6, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 1,801 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 = √(40000/200) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,6²) = 1,801 Hz

Ответ

fd = 1,801 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 9,375 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/15 → keq = 25·15/(25 + 15) = 9,375 kN/m

Ответ

keq = 9,375 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design