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​ = 12N2​ = 50

Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 12, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 50η = 97%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 40C = 15D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (16 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1440 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 288 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1440 rpmA = 16B = 40C = 15nout = 288 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 40 mmL = 2,5 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 40 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 100 kW при 300 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 100 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 70σy​ = 10τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 70 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 70 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −20σy​ = 80τxy​ = −40MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = −20 MPa, σᵧ = 80 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). Найдите эквивалентное напряжение по Мизесу σvM.

σx = −20 MPaσy = 80 MPaτxy = −40 MPa
σvM = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmЛатунь2 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 16 mmL = 2 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmЛатунь0,5 mØ 16 mmМедь0,5 mP = 100 kN

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

P = 100 kNучасток 1: Ø40 mm, 0,5 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 30 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

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

P = 30 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 2 kN/mζ = 0,7m = 5 kg

Груз массой 5 kg на пружине жёсткостью 2 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 5 kgk = 2 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 25 kN/m и k₂ = 20 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 36,22 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303,7 = 36,22 N·m

Ответ

T1 = 36,22 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 30

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 = 1440·16/40 = 576 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 15·576/288 = 30

Ответ

ND = 30
3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,923 °

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) = 200·1000·2500/(39000·251327) = 0,05101 rad
φ = 0,05101·180/π = 2,923°

Ответ

φ = 2,923°
4.Кручение валов

Ответ: d = 74 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 = 100000/31,42 = 3183 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·3,183 × 10⁶/(π·40)) = 74 mm

Ответ

d = 74 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 42,43 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 = √(((70 − 10)/2)² + 30²) = 42,43 MPa

Ответ

τmax = 42,43 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σvM = 114,9 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. 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 = 30 MPa, R = 64,03 MPa
σ1 = 94,03 MPa, σ2 = −34,03 MPa, σ3 = 0

Мизес

σvM = √(94,03² − 94,03·(−34,03) + (−34,03)²) = 114,9 MPa

Ответ

σvM = 114,9 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 4476 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 90·1000/201,1 = 447,6 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 447,6/100000 = 0,004476 = 4476 µε

Ответ

ε = 4476 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 497,4 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 79,58 MPa
σ2 = 497,4 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 497,4 MPa

Ответ

σmax = 497,4 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 67,29 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/3000² = 67288 N = 67,29 kN

Ответ

Pcr = 67,29 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 46,94 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 = 0,7·4000 = 2800 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·60000·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 46,94 mm

Ответ

d = 46,94 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 238,6, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 2,273 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 = √(2000/5) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,7²) = 2,273 Hz

Ответ

fd = 2,273 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 5,338 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 = 25 + 20 = 45 kN/m

Собственная частота

ωn = √(45000/40) = 33,54 rad/s
fn = 33,54/(2π) = 5,338 Hz

Ответ

fn = 5,338 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design