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​ = 50

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 25N2 = 50η = 95%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 48B = 60C = 25D = 36

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (48 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (25 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (36 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 48B = 60C = 25D = 36
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
d1​ = 25 mmd2​ = 20 mmT = 200 N·mABC2 m1,5 m

Ступенчатый сплошной вал (сталь) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 25 mm и длину 2 m; участок BC — диаметр 20 mm и длину 1,5 m. На свободном конце C действует крутящий момент 200 N·m. Найдите угол закручивания φC конца C в градусах.

T = 200 N·md1 = 25 mm, L1 = 2 md2 = 20 mm, L2 = 1,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Кручение валовСложная
do​ = ?100 kW, 750 rpm

Полый вал должен передавать 100 kW при 750 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,75 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 75 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

P = 100 kWN = 750 rpmdi/do = 0,75τallow = 75 MPa
do = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 120σy​ = −40τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 120 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 120 MPaσy = −40 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 160σy​ = −80τxy​ = 30MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = 160 MPa, σᵧ = −80 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Предел текучести материала равен 300 MPa. Найдите коэффициент запаса по текучести n по критерию Треска (наибольших касательных напряжений).

σx = 160 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPaσY = 300 MPa
n =
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 25 mmЛатунь0,5 mP = 120 kN

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

P = 120 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmМедь1 mØ 20 mmМедь2 mP = 115 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите наибольшее нормальное напряжение σmax в стержне.

P = 115 kNучасток 1: Ø40 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø20 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 m40 × 50 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 140 kNL = 2 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 140 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 140 kNn = 2L = 2 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 10 kN/mζ = 0,45m = 8 kg

Груз массой 8 kg на пружине жёсткостью 10 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,45. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 8 kgk = 10 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 50m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 50 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 187,7 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 = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 98,79·50/25·0,95 = 187,7 N·m

Ответ

T2 = 187,7 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 833,3 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 = 1500·48/60 = 1200 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1200·25/36 = 833,3 rpm

Ответ

nout = 833,3 rpm

общее передаточное отношение = 1,8 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φC = 21,15 °

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.

Полярные моменты инерции

J1 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Угол закручивания каждого участка

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·2000/(80000·38350) = 0,1304 rad
φBC = 200000·1500/(80000·15708) = 0,2387 rad

Полный угол закручивания

φC = 0,1304 + 0,2387 = 0,3691 rad = 21,15°

Ответ

φC = 21,15°
4.Кручение валов

Ответ: do = 50,2 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

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 1273 N·m = 1,273 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,273 × 10⁶/(π·75·0,6836)) = 50,2 mm
di = 0,75·50,2 = 37,65 mm

Ответ

do = 50,2 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 44,22 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 85,44 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 = √(((120 − −40)/2)² + 30²) = 85,44 MPa

Ответ

τmax = 85,44 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: n = 1,213

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. Критерии текучести: по Мизесу текучесть наступает, когда σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) достигает σY; по Треска — когда абсолютное наибольшее касательное напряжение достигает σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Главные напряжения

C = 40 MPa, R = 123,7 MPa
σ1 = 163,7 MPa, σ2 = −83,69 MPa, σ3 = 0

Треска

σmax − σmin = 247,4 MPa
n = 300/247,4 = 1,213

Ответ

n = 1,213

n > 1 означает, что в точке нет текучести; критерий Треска немного консервативнее критерия Мизеса.

7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 2445 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 = 120·1000/490,9 = 244,5 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 244,5/100000 = 0,002445 = 2445 µε

Ответ

ε = 2445 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 366,1 MPa

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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 91,51 MPa
σ2 = 366,1 MPa

Наибольшее напряжение

У более тонкого участка меньше площадь, поэтому напряжение в нём больше.

σmax = 366,1 MPa

Ответ

σmax = 366,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 94 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·266667/1400² = 93996 N = 94 kN

Ответ

Pcr = 94 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 82,46 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 = 2·140000 = 280000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·280000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 82,46 mm

Ответ

d = 82,46 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 194, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 5,025 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 = √(10000/8) = 35,36 rad/s
fn = 35,36/(2π) = 5,627 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,627·√(1 − 0,45²) = 5,025 Hz

Ответ

fd = 5,025 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,249 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 = 1/25 + 1/50 → keq = 25·50/(25 + 50) = 16,67 kN/m

Собственная частота

ωn = √(16667/40) = 20,41 rad/s
fn = 20,41/(2π) = 3,249 Hz

Ответ

fn = 3,249 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design