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
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Шкив 120 mm с частотой 720 rpm приводит ремнём шкив 400 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 20B = 24C = 15D = 45

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (20 зуб.) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (24 зуб.). Колесо C (15 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (45 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 960 rpmA = 20B = 24C = 15D = 45
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 400 N·md = 50 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 40 mm, di​ = 32 mm

Полый вал передаёт 50 kW при 300 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 50 kWN = 300 rpmdo = 40 mmdi = 32 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 130σy​ = 20τxy​ = 50MPa

В точке σₓ = 130 MPa, σᵧ = 20 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 40° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 130 MPaσy = 20 MPaτxy = 50 MPaθ = 40°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 110σy​ = −50τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 110 MPa, σᵧ = −50 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° по часовой стрелке от оси x.

σx = 110 MPaσy = −50 MPaτxy = −40 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
250 kNØ4070 GPaØ120/70400 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 40 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 120 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 400 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 250 kN. Найдите укорочение δ.

P = 250 kNстержень: Ø40 mm, E = 200 GPaтруба: Ø120/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
50 kN12500 mm200 mmØ40Ø50σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 40 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa и участок (алюминий) диаметром 50 mm, длиной 200 mm и E = 70 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 50 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: алюминий, Ø50 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 5 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 5 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 4 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 15 kN/mc = 170 N·s/mm = 8 kg

Груз массой 8 kg опирается на пружину жёсткостью 15 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 170 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 8 kgk = 15 kN/mc = 170 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 15k3​ = 5m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 5 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 = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 209,5 rpm

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.

Частота вращения без проскальзывания

720·120/400 = 216 rpm

С проскальзыванием

n2 = 216·0,97 = 209,5 rpm

Ответ

n2 = 209,5 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 266,7 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 = 960·20/24 = 800 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 800·15/45 = 266,7 rpm

Ответ

nout = 266,7 rpm

общее передаточное отношение = 3,6 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,155 °

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) = 400·1000·1500/(26000·613592) = 0,03761 rad
φ = 0,03761·180/π = 2,155°

Ответ

φ = 2,155°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 214,5 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Полярный момент инерции

J = π(40⁴ − 32⁴)/32 = 148384 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 1,592 × 10⁶·20/148384 = 214,5 MPa

Ответ

τmax = 214,5 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 16,21 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 для грани y′

σy′ = 75 − 55·0,1736 − 50·0,9848 = 16,21 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = 133,8 MPa, σx′ + σy′ = 150 = σx + σy

Ответ

σy′ = 16,21 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 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

σθ = 30 + 80·0 + −40·−1 = 70 MPa

Ответ

σθ = 70 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,1293 mm

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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·7461 = 7,736 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 250000·400/7,736 × 10⁸ = 0,1293 mm

Ответ

δ = 0,1293 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 14,71 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 = 200000·1257/500 = 502655 N/mm
k₂ = 70000·1963/200 = 687223 N/mm

Доля участка 2

F2 = 50000·687223/1,19 × 10⁶ = 28878 N

Напряжение

σ2 = 28878/1963 = 14,71 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 14,71 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 50,23 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·5000 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/5000² = 50230 N = 50,23 kN

Ответ

Pcr = 50,23 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 56,65 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/15 = 186,7

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/186,7² = 56,65 MPa

Ответ

σcr = 56,65 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2454

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.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(15000·8) = 692,8 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 170/692,8 = 0,2454

Ответ

ζ = 0,2454

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,376 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 = 45·5/(45 + 5) = 4,5 kN/m

Собственная частота

ωn = √(4500/10) = 21,21 rad/s
fn = 21,21/(2π) = 3,376 Hz

Ответ

fn = 3,376 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design