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​ = 25N2​ = 60

Двигатель мощностью 4 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 25N2 = 60η = 95%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 30B = 45C = 12D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (30 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (45 зубьев). Колесо C (12 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 480 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1500 rpmA = 30B = 45C = 12nout = 480 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
do​ = 50, di​ = 30 mmT = 250 N·mL = 1,5 m

Полый вал (латунь; наружный диаметр 50 mm, внутренний диаметр 30 mm, длина 1,5 m) заделан с одного конца и закручивается моментом 250 N·m на другом. Найдите угол закручивания φ в градусах.

T = 250 N·mdo = 50 mmdi = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 50 mm, di​ = 25 mm

Полый вал передаёт 100 kW при 1000 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 100 kWN = 1000 rpmdo = 50 mmdi = 25 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 10σy​ = 50τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 10 MPa, σᵧ = 50 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = 10 MPaσy = 50 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = 90τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = 90 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 25° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = 90 MPaτxy = −40 MPaθ = 25°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmАлюминий0,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmАлюминий1,5 mØ 12 mmМедь2 mP = 45 kN

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

P = 45 kNучасток 1: Ø40 mm, 1,5 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø12 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 md = 20 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 3 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx12 mmЦиклов: 22,6 mm

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

x0 = 12 mmx2 = 2,6 mmn = 2
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 5m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 50 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 26,34 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 = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Ответ

T1 = 26,34 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 25

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 = 1500·30/45 = 1000 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 12·1000/480 = 25

Ответ

ND = 25
3.Кручение валов

Ответ: φ = 1,032 °

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 = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·1500/(39000·534071) = 0,018 rad
φ = 0,018·180/π = 1,032°

Ответ

φ = 1,032°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 41,5 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 100000/104,7 = 954,9 N·m

Полярный момент инерции

J = π(50⁴ − 25⁴)/32 = 575243 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 954930·25/575243 = 41,5 MPa

Ответ

τmax = 41,5 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = 55,9 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Угол на круге

На круге Мора точка x лежит под углом 2θp к оси σ; четверть определяется знаками σₓ − σᵧ и τₓᵧ.

2θp = atan2(2·50, 10 − 50) = 111,8°

Угол на элементе

θp = 55,9°

Ответ

θp = 55,9°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 31,74 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 = −−75·0,766 + −40·0,6428 = 31,74 MPa

Ответ

τθ = 31,74 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 3,375 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 95·1000/201,1 = 472,5 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 472,5/70000 = 0,00675 = 6750 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,00675·500 mm = 3,375 mm

Ответ

δ = 3,375 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 7,569 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 35,81 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 35,81·1500/70000 = 0,7674 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 397,9·2000/117000 = 6,801 mm
δ = δ1 + δ2 = 7,569 mm

Ответ

δ = 7,569 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 6,89 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1500² = 6890 N = 6,89 kN

Ответ

Pcr = 6,89 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 17,27 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 = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Ответ

σcr = 17,27 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,1208

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(12/2,6) = 0,7647

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7647/√(39,48 + 0,5848) = 0,1208

Ответ

ζ = 0,1208
12.Механические колебания

Ответ: fn = 4,799 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

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

1/keq = 1/50 + 1/5 → keq = 50·5/(50 + 5) = 4,545 kN/m

Собственная частота

ωn = √(4545/5) = 30,15 rad/s
fn = 30,15/(2π) = 4,799 Hz

Ответ

fn = 4,799 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design