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​ = 18N2​ = 80

Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 18, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 80. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 11 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 80η = 97%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 400 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 400 mmC = 600 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 750 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 750 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,7 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 750 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 100 kW при 750 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 100 kWN = 750 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −30σy​ = −80τxy​ = −50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −30 MPa, σᵧ = −80 MPa и τₓᵧ = −50 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = −30 MPaσy = −80 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
60°D = 500 mm, t = 6 mm, p = 0,5 MPap

Тонкостенный цилиндрический резервуар с внутренним диаметром 500 mm и толщиной стенки 6 mm содержит газ под избыточным давлением 0,5 MPa. Он изготовлен из листа, сваренного по винтовому шву под углом 60° к оси цилиндра. Найдите нормальное напряжение σn, действующее поперёк сварного шва.

D = 500 mmt = 6 mmp = 0,5 MPaα = 60°
σn = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 25 mmЛатунь1 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 25 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmМедь0,5 mØ 16 mmСталь1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNучасток 1: Ø25 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø16 mm, 1 m, сталь (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 m30 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 130 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 130 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 130 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mζ = 0,3m = 5 kg

Груз массой 5 kg на пружине жёсткостью 8 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 5 kgk = 8 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 15k3​ = 50m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на пружине k₃ = 50 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 30 kN/m и k₂ = 15 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 50 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: θ = 156,9 °

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.

Угол ремня

asin(0,2) = 11,54°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·11,54 = 156,9°

Ответ

θ = 156,9°
3.Кручение валов

Ответ: do = 43,76 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·750000/(π·60·0,7599)) = 43,76 mm
di = 0,7·43,76 = 30,63 mm

Ответ

do = 43,76 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 39,93 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: d = 54,53 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·40)) = 54,53 mm

Ответ

d = 54,53 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 55,9 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 = √(((−30 − −80)/2)² + −50²) = 55,9 MPa

Ответ

τmax = 55,9 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σn = 13,02 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. Тонкостенный цилиндр: окружное напряжение σh = pr/t и осевое напряжение σa = pr/(2t); это главные напряжения в стенке.

Напряжения в стенке

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 0,5·250/6 = 20,83 MPa
σa = pr/(2t) = 10,42 MPa

Преобразование к шву

Направьте x вдоль оси (σa), а y по окружности (σh). Нормаль к шву составляет с осью угол 90° − α.

σn = 10,42·sin²60° + 20,83·cos²60° = 13,02 MPa

Ответ

σn = 13,02 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 2241 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 = 110·1000/490,9 = 224,1 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 224,1/100000 = 0,002241 = 2241 µε

Ответ

ε = 2241 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 2,518 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 = 152,8 MPa
σ2 = 373 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 152,8·500/117000 = 0,6529 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 373·1000/200000 = 1,865 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,518 mm

Ответ

δ = 2,518 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,525 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·90000/4200² = 3525 N = 3,525 kN

Ответ

Pcr = 3,525 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 83,2 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 = 2·130000 = 260000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·260000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 83,2 mm

Ответ

d = 83,2 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 120,2, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 6,073 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 = √(8000/5) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,366·√(1 − 0,3²) = 6,073 Hz

Ответ

fd = 6,073 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 2,449 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 = 30 + 15 = 45 kN/m
keq = 45·50/(45 + 50) = 23,68 kN/m

Собственная частота

ωn = √(23684/100) = 15,39 rad/s
fn = 15,39/(2π) = 2,449 Hz

Ответ

fn = 2,449 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design