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 mm960 rpmT1​ = 500 NT2​ = 125 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 120 mm с частотой 960 rpm. Натяжение равно 500 N на ведущей ветви и 125 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 500 NT2 = 125 N
P = kW
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 25C = 15D = 80

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (16 зуб.) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (25 зуб.). Колесо C (15 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (80 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 960 rpmA = 16B = 25C = 15D = 80
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 250 N·md = 20 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 20 mmL = 0,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?50 kW, 300 rpm

Сплошной вал (алюминий) передаёт 50 kW при 300 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 80 MPa, а угол закручивания — 1° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 50 kWN = 300 rpmτallow = 80 MPaθallow = 1°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −20σy​ = 110τxy​ = −60MPa

В точке σₓ = −20 MPa, σᵧ = 110 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 60° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = −20 MPaσy = 110 MPaτxy = −60 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​поверхность вала

Сплошной вал диаметром 20 mm нагружен осевой сжимающей силой 10 kN вместе с крутящим моментом 100 N·m. На поверхности вала найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

d = 20 mmF = −10 kNT = 100 N·m
τmax = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmАлюминий1,5 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmАлюминий0,5 mØ 12 mmМедь1 mP = 60 kN

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

P = 60 kNучасток 1: Ø30 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø12 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 md = 40 mmпоперечное сечение

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 3 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mc = 110 N·s/mm = 10 kg

Груз массой 10 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 110 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 10 kgk = 50 kN/mc = 110 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 20m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 20 kN/m и k₂ = 20 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,262 kW

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.

Скорость ремня

v = 6,032 m/s

Мощность

P = (500 − 125)·6,032 = 2262 W = 2,262 kW

Ответ

P = 2,262 kW
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 115,2 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 = 960·16/25 = 614,4 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 614,4·15/80 = 115,2 rpm

Ответ

nout = 115,2 rpm

общее передаточное отношение = 8,333 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 5,699 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 250·1000·500/(80000·15708) = 0,09947 rad
φ = 0,09947·180/π = 5,699°

Ответ

φ = 5,699°
4.Кручение валов

Ответ: d = 77,31 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 1592 N·m = 1,592 × 10⁶ N·mm
dτ = ∛(16·1,592 × 10⁶/(π·80)) = 46,62 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·1,592 × 10⁶/(π·26000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 77,31 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(46,62, 77,31) = 77,31 mm

Ответ

d = 77,31 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 64,46 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′ = 45 − (−65)·(−0,5) − (−60)·0,866 = 64,46 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = 25,54 MPa, σx′ + σy′ = 90 = σx + σy

Ответ

σy′ = 64,46 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 65,62 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 = F/A = −10000/(π·20²/4) = −10000/314,2 = −31,83 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·20³) = 63,66 MPa
στxyCτmax​

Круг Мора

C = σ/2 = −15,92 MPa
R = √((−15,92)² + 63,66²) = 65,62 MPa

Ответ

τmax = 65,62 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 18189 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 100·1000/78,54 = 1273 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 1273/70000 = 0,01819 = 18189 µε

Ответ

ε = 18189 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 530,5 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 84,88 MPa
σ2 = 530,5 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 530,5 MPa

Ответ

σmax = 530,5 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 9,646 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1500 = 3000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/3000² = 9646 N = 9,646 kN

Ответ

Pcr = 9,646 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 24,48 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/12,5 = 168

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/168² = 24,48 MPa

Ответ

σcr = 24,48 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07778

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·√(50000·10) = 1414 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 110/1414 = 0,07778

Ответ

ζ = 0,07778

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

12.Механические колебания

Ответ: keq = 40 kN/m

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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 20 + 20 = 40 kN/m

Ответ

keq = 40 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design