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​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 720 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 2,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 300 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 30B = 48C = 24D = 50

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (30 зуб.) на входном валу вращается с частотой 3000 rpm и приводит колесо B (48 зуб.). Колесо C (24 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (50 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 3000 rpmA = 30B = 48C = 24D = 50
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 100 N·md = 40 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 = 100 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 50 kW при 500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 75 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 50 kWN = 500 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −50σy​ = 40τxy​ = 60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −50 MPa, σᵧ = 40 MPa и τₓᵧ = 60 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −50 MPaσy = 40 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = −30τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = −30 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 30° против часовой стрелки от оси x.

σx = −60 MPaσy = −30 MPaτxy = 40 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 12 mmАлюминий2,5 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
80 kN12400 mm300 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 30 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa и участок (медь) диаметром 50 mm, длиной 300 mm и E = 120 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 80 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 md = 25 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 95 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 95 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 95 kNn = 2,5L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 200 kN/mc = 1900 N·s/mm = 50 kg

Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 200 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 1900 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 50 kgk = 200 kN/mc = 1900 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 50m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 80 kN/m и k₂ = 50 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 234 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

720·100/300 = 240 rpm

С проскальзыванием

n2 = 240·0,975 = 234 rpm

Ответ

n2 = 234 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 900 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 = 3000·30/48 = 1875 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1875·24/50 = 900 rpm

Ответ

nout = 900 rpm

общее передаточное отношение = 3,333 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 0,4274 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(80000·251327) = 0,00746 rad
φ = 0,00746·180/π = 0,4274°

Ответ

φ = 0,4274°
4.Кручение валов

Ответ: d = 40,18 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 50000/52,36 = 954,9 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·75)) = 40,18 mm

Ответ

d = 40,18 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = 63,43 °

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(2·60, −50 − 40) = 126,9°

Угол на элементе

θp = 63,43°

Ответ

θp = 63,43°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −17,86 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 = −45 + −15·0,5 + 40·0,866 = −17,86 MPa

Ответ

σθ = −17,86 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 13894 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 110·1000/113,1 = 972,6 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 972,6/70000 = 0,01389 = 13894 µε

Ответ

ε = 13894 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 28,1 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 = 200000·706,9/400 = 353429 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Доля участка 2

F2 = 80000·785398/1,139 × 10⁶ = 55172 N

Напряжение

σ2 = 55172/1963 = 28,1 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 28,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,312 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/2000² = 3312 N = 3,312 kN

Ответ

Pcr = 3,312 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 86,08 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 = 2,5·95000 = 237500 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·237500·2800²/(π³·70000))^(1/4) = 86,08 mm

Ответ

d = 86,08 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 130,1, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,3004

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·√(200000·50) = 6325 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 1900/6325 = 0,3004

Ответ

ζ = 0,3004

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 9,073 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

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

keq = 80 + 50 = 130 kN/m

Собственная частота

ωn = √(130000/40) = 57,01 rad/s
fn = 57,01/(2π) = 9,073 Hz

Ответ

fn = 9,073 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design