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​ = 36N2​ = 60

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 36, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 60. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 1,1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 36N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 1200 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 120 mm с частотой 1450 rpm со шкивом 250 mm; расстояние между центрами 1200 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 800 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 120 mmn1 = 1450 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 800 N
P = kW
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 25 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 25 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 10 kW при 1800 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 10 kWN = 1800 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 10σy​ = 70MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 10 MPa и σᵧ = 70 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 80 MPa?

σx = 10 MPaσy = 70 MPaσ1 = 80 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 60σy​ = −50τxy​ = 60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 60 MPa, σᵧ = −50 MPa и τₓᵧ = 60 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 60 MPaσy = −50 MPaτxy = 60 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
50 kNØ30110 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 30 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (бронза) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 50 mm и E = 110 GPa. Длина обоих — 300 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 50 kN. Найдите укорочение δ.

P = 50 kNстержень: Ø30 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmАлюминий2 mØ 16 mmМедь2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNучасток 1: Ø40 mm, 2 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø16 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 md = 40 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 200 GPa (сталь)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 30 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 30 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 30 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx15 mmЦиклов: 35,8 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 15 mm через 3 циклов следует пик 5,8 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 15 mmx3 = 5,8 mmn = 3
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 40k3​ = 15m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 15 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 40 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 11,47 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 = 1100/151,8 = 7,244 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 7,244·60/36·0,95 = 11,47 N·m

Ответ

T2 = 11,47 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,355 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.

Угол обхвата

θ = 3,033 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,91 = 2,484, T₂ = 800/2,484 = 322 N

Мощность

P = (800 − 322)·9,111 = 4,355 kW

Ответ

P = 4,355 kW
3.Кручение валов

Ответ: φ = 14,37 °

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) = 750·1000·500/(39000·38350) = 0,2507 rad
φ = 0,2507·180/π = 14,37°

Ответ

φ = 14,37°
4.Кручение валов

Ответ: d = 15 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 10000/188,5 = 53,05 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·53052/(π·80)) = 15 mm

Ответ

d = 15 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 26,46 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.

Требуемый радиус

C = (10 + 70)/2 = 40 MPa
R = σ1 − C = 80 − 40 = 40 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(40² − 30²) = 26,46 MPa

Ответ

τxy = 26,46 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −55 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 = −55·1 + 60·0 = −55 MPa

Ответ

τθ = −55 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,019 mm

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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·5890 = 7,893 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 50000·300/7,893 × 10⁸ = 0,019 mm

Ответ

δ = 0,019 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 11,85 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 87,54 MPa
σ2 = 547,1 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 87,54·2000/70000 = 2,501 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 547,1·2000/117000 = 9,352 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,85 mm

Ответ

δ = 11,85 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 15,5 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 = 2·2000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/4000² = 15503 N = 15,5 kN

Ответ

Pcr = 15,5 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 68,23 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 = 2·30000 = 60000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·60000·3500²/(π³·70000))^(1/4) = 68,23 mm

Ответ

d = 68,23 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 205,2, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05035

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 = (1/3)·ln(15/5,8) = 0,3167

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3167/√(39,48 + 0,1003) = 0,05035

Ответ

ζ = 0,05035
12.Механические колебания

Ответ: fn = 5,748 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

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 60 + 40 = 100 kN/m
keq = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kN/m

Собственная частота

ωn = √(13043/10) = 36,12 rad/s
fn = 36,12/(2π) = 5,748 Hz

Ответ

fn = 5,748 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design