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​ = 18N2​ = 72

Двигатель мощностью 4 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 18, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 72. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 25B = 40C = 15D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (25 зубьев) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (40 зубьев). Колесо C (15 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 500 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 960 rpmA = 25B = 40C = 15nout = 500 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
T = 400 N·md = 25 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 25 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?75 kW, 300 rpm

Сплошной вал (алюминий) передаёт 75 kW при 300 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 50 MPa, а угол закручивания — 0,75° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 75 kWN = 300 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,75°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −80σy​ = −20τxy​ = −20MPa

В точке σₓ = −80 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −20 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 30° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = −80 MPaσy = −20 MPaτxy = −20 MPaθ = 30°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −40σy​ = −40τxy​ = 10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −40 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = 10 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 = −40 MPaσy = −40 MPaτxy = 10 MPaθ = 25°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12400 mm200 mmØ20Ø40δ = 0,3 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 20 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (латунь) диаметром 40 mm, длиной 200 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, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: латунь, Ø40 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø40120 GPaØ80/50600 mm

Стержень (сталь) диаметром 40 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 250 MPa находится внутри трубы (медь) с наружным диаметром 80 mm, внутренним диаметром 50 mm, E = 120 GPa и допускаемым напряжением 50 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPaтруба: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 m30 × 80 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 5 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mc = 80 N·s/mm = 5 kg

Груз массой 5 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 80 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 5 kgk = 50 kN/mc = 80 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 80m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 80 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 101,2 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

Выходной крутящий момент

T2 = 26,34·72/18·0,96 = 101,2 N·m

Ответ

T2 = 101,2 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 18

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 = 960·25/40 = 600 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 15·600/500 = 18

Ответ

ND = 18
3.Кручение валов

Ответ: φ = 11,21 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1500/(80000·38350) = 0,1956 rad
φ = 0,1956·180/π = 11,21°

Ответ

φ = 11,21°
4.Кручение валов

Ответ: d = 91,94 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 = 75000/31,42 = 2387 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 2387 N·m = 2,387 × 10⁶ N·mm
dτ = ∛(16·2,387 × 10⁶/(π·50)) = 62,42 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·2,387 × 10⁶/(π·26000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 91,94 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(62,42, 91,94) = 91,94 mm

Ответ

d = 91,94 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = −17,68 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′ = −50 − (−30)·0,5 − (−20)·0,866 = −17,68 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −82,32 MPa, σx′ + σy′ = −100 = σx + σy

Ответ

σy′ = −17,68 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 6,428 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 = −0·0,766 + 10·0,6428 = 6,428 MPa

Ответ

τθ = 6,428 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 37,7 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 = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1257) = 1,592 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,3/7,958 × 10⁻⁶ = 37699 N = 37,7 kN

Ответ

P = 37,7 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 257,9 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·3063 = 6,189 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,00125, 0,0004167) = 0,0004167 (медь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0004167·6,189 × 10⁸ = 257872 N = 257,9 kN

Ответ

Pmax = 257,9 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 22,21 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·4000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/4000² = 22207 N = 22,21 kN

Ответ

Pcr = 22,21 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 24,87 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 = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166,7

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/166,7² = 24,87 MPa

Ответ

σcr = 24,87 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,08

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·√(50000·5) = 1000 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 80/1000 = 0,08

Ответ

ζ = 0,08

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 2,197 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 + 1/80 → keq = 25·80/(25 + 80) = 19,05 kN/m

Собственная частота

ωn = √(19048/100) = 13,8 rad/s
fn = 13,8/(2π) = 2,197 Hz

Ответ

fn = 2,197 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design