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
Nw​ = 30z = 2, 1450 rpm

Червяк с числом заходов 2 вращается с частотой 1450 rpm и приводит червячное колесо с 30 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 2Nw = 30n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 30B = 50C = 24D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (30 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (50 зубьев). Колесо C (24 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 464 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1450 rpmA = 30B = 50C = 24nout = 464 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
do​ = 50, di​ = 30 mmT = 400 N·mL = 0,5 m

Полый вал (алюминий; наружный диаметр 50 mm, внутренний диаметр 30 mm, длина 0,5 m) заделан с одного конца и закручивается моментом 400 N·m на другом. Найдите угол закручивания φ в градусах.

T = 400 N·mdo = 50 mmdi = 30 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Полый вал передаёт 20 kW при 1000 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 20 kWN = 1000 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −40σy​ = 100τxy​ = −60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −40 MPa, σᵧ = 100 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = −40 MPaσy = 100 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​верхняя поверхность вала

Сплошной вал диаметром 60 mm нагружен изгибающим моментом 500 N·m вместе с крутящим моментом 2000 N·m. На верхней поверхности, где нормальное напряжение от изгиба растягивающее и наибольшее, найдите наибольшее главное напряжение σ1.

d = 60 mmM = 500 N·mT = 2000 N·m
σ1 = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12400 mm400 mmØ25Ø50δ = 0,3 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 25 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (латунь) диаметром 50 mm, длиной 400 mm и E = 100 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,3 mm.

участок 1: сталь, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: латунь, Ø50 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmСталь1 mØ 20 mmЛатунь1 mP = 35 kN

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

P = 35 kNучасток 1: Ø25 mm, 1 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø20 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 md = 50 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)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 100 kNL = 6 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 100 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 100 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,4m = 12 kg

Груз массой 12 kg на пружине жёсткостью 150 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,4. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 12 kgk = 150 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 40k3​ = 50m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на пружине k₃ = 50 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 40 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 96,67 rpm

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 колеса

nw = n·z/Nw = 1450·2/30 = 96,67 rpm

Ответ

nw = 96,67 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 45

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 = 1450·30/50 = 870 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 24·870/464 = 45

Ответ

ND = 45
3.Кручение валов

Ответ: φ = 0,8252 °

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 − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

Угол закручивания

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 400000·500/(26000·534071) = 0,0144 rad
φ = 0,0144·180/π = 0,8252°

Ответ

φ = 0,8252°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 20 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.

Крутящий момент

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 20000/104,7 = 191 N·m

Полярный момент инерции

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 190986·20/190984 = 20 MPa

Ответ

τmax = 20 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 92,2 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 = √(((−40 − 100)/2)² + −60²) = 92,2 MPa

Ответ

τmax = 92,2 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σ1 = 60,4 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.

Напряжения на поверхности

σ = 32M/(πd³) = 32·500000/(π·60³) = 23,58 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·2000000/(π·60³) = 47,16 MPa
στxyCσ1​σ2​

Круг Мора

C = σ/2 = 11,79 MPa
R = √(11,79² + 47,16²) = 48,61 MPa
σ1 = C + R = 60,4 MPa
σ2 = C − R = −36,82 MPa

Ответ

σ1 = 60,4 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 49,09 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

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·490,9) = 4,074 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·1963) = 2,037 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,3/6,112 × 10⁻⁶ = 49087 N = 49,09 kN

Ответ

P = 49,09 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,471 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 71,3 MPa
σ2 = 111,4 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 71,3·1000/200000 = 0,3565 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111,4·1000/100000 = 1,114 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,471 mm

Ответ

δ = 1,471 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 309 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 = 0,7·2000 = 1400 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1400² = 308975 N = 309 kN

Ответ

Pcr = 309 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 133,6 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 = 1·6000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 133,6 mm

Ответ

d = 133,6 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 179,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 16,31 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 = √(150000/12) = 111,8 rad/s
fn = 111,8/(2π) = 17,79 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 17,79·√(1 − 0,4²) = 16,31 Hz

Ответ

fd = 16,31 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,948 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 = 40 + 40 = 80 kN/m
keq = 80·50/(80 + 50) = 30,77 kN/m

Собственная частота

ωn = √(30769/50) = 24,81 rad/s
fn = 24,81/(2π) = 3,948 Hz

Ответ

fn = 3,948 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design