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​ = 300 mm1500 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 480 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 120 mm с частотой 1500 rpm. Натяжение равно 1200 N на ведущей ветви и 480 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 120 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1200 NT2 = 480 N
P = kW
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 40B = 60C = 36D = 45

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (40 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (36 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (45 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1440 rpmA = 40B = 60C = 36D = 45
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 250 N·md = 30 mmL = 1,2 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 30 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?20 kW, 1000 rpm

Сплошной вал (латунь) передаёт 20 kW при 1000 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 40 MPa, а угол закручивания — 0,75° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 20 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,75°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −10σy​ = 10τxy​ = 10MPa

В точке σₓ = −10 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = 10 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 20° по часовой стрелке. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = −10 MPaσy = 10 MPaτxy = 10 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​поверхность вала

Сплошной вал диаметром 40 mm нагружен осевой сжимающей силой 90 kN вместе с крутящим моментом 500 N·m. На поверхности вала найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

d = 40 mmF = −90 kNT = 500 N·m
τmax = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 25 mmАлюминий0,5 mP = 50 kN

Найдите удлинение δ стержня (алюминий) под действием осевой нагрузки.

P = 50 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmЛатунь1 mØ 16 mmАлюминий1 mP = 30 kN

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

P = 30 kNучасток 1: Ø25 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø16 mm, 1 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 25 kNL = 6 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 25 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 25 kNn = 2,5L = 6 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx15 mm1 цикл8 mm

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

x0 = 15 mmx1 = 8 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 50k3​ = 40m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на пружине k₃ = 40 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 15 kN/m и k₂ = 50 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 6,786 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 = 9,425 m/s

Мощность

P = (1200 − 480)·9,425 = 6786 W = 6,786 kW

Ответ

P = 6,786 kW
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 768 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 = 1440·40/60 = 960 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 960·36/45 = 768 rpm

Ответ

nout = 768 rpm

общее передаточное отношение = 1,875 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 8,314 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1200/(26000·79522) = 0,1451 rad
φ = 0,1451·180/π = 8,314°

Ответ

φ = 8,314°
4.Кручение валов

Ответ: d = 44,18 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 20000/104,7 = 191 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·40)) = 28,97 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·190986/(π·39000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 44,18 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(28,97, 44,18) = 44,18 mm

Ответ

d = 44,18 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 14,09 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′ = 0 − (−10)·0,766 − 10·(−0,6428) = 14,09 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −14,09 MPa, σx′ + σy′ = 0 = σx + σy

Ответ

σy′ = 14,09 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 53,53 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 = −90000/(π·40²/4) = −90000/1257 = −71,62 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa
στxyCτmax​

Круг Мора

C = σ/2 = −35,81 MPa
R = √((−35,81)² + 39,79²) = 53,53 MPa

Ответ

τmax = 53,53 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,7276 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 50·1000/490,9 = 101,9 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 101,9/70000 = 0,001455 = 1455 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,001455·500 mm = 0,7276 mm

Ответ

δ = 0,7276 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 149,2 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 61,12 MPa
σ2 = 149,2 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 149,2 MPa

Ответ

σmax = 149,2 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 109,9 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/2000² = 109878 N = 109,9 kN

Ответ

Pcr = 109,9 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 58,08 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 = 2,5·25000 = 62500 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·62500·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 58,08 mm

Ответ

d = 58,08 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 289,3, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,09955

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 = (1/1)·ln(15/8) = 0,6286

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6286/√(39,48 + 0,3951) = 0,09955

Ответ

ζ = 0,09955
12.Механические колебания

Ответ: fn = 11,2 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 = 15 + 50 = 65 kN/m
keq = 65·40/(65 + 40) = 24,76 kN/m

Собственная частота

ωn = √(24762/5) = 70,37 rad/s
fn = 70,37/(2π) = 11,2 Hz

Ответ

fn = 11,2 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design