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
Nw​ = 48z = 1, 960 rpm

Червяк с числом заходов 1 вращается с частотой 960 rpm и приводит червячное колесо с 48 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 1Nw = 48n = 960 rpm
nw = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 200 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 200 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d1​ = 75 mmd2​ = 30 mmT = 100 N·mABC1 m3 m

Ступенчатый сплошной вал (алюминий) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 75 mm и длину 1 m; участок BC — диаметр 30 mm и длину 3 m. На свободном конце C действует крутящий момент 100 N·m. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

T = 100 N·md1 = 75 mm, L1 = 1 md2 = 30 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Кручение валовСложная
d = 30 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 100 N·mABC2,5 m1,5 m

Сплошной вал (латунь) диаметром 30 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 2,5 m от A действует крутящий момент 200 N·m, а на свободном конце C, ещё на 1,5 m дальше, — крутящий момент 100 N·m противоположного направления. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

d = 30 mmTB = 200 N·mTC = 100 N·mAB = 2,5 mBC = 1,5 m
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 150σy​ = 10τxy​ = −60MPa

В точке σₓ = 150 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 50° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 150 MPaσy = 10 MPaτxy = −60 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −80σy​ = 30τxy​ = 60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −80 MPa, σᵧ = 30 MPa и τₓᵧ = 60 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 20° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = 30 MPaτxy = 60 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
100 kNØ2570 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 25 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 50 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 300 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 100 kN. Найдите укорочение δ.

P = 100 kNстержень: Ø25 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmМедь2 mØ 12 mmМедь1 mP = 70 kN

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

P = 70 kNучасток 1: Ø40 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø12 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 m40 × 100 mmпоперечное сечение

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

L = 2 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 20 kNL = 2,5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 20 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 20 kNn = 2L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 4 kN/mζ = 0,3m = 12 kg

Груз массой 12 kg на пружине жёсткостью 4 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 12 kgk = 4 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 12m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 20 kN/m и k₂ = 12 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 20 rpm

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 колеса

nw = n·z/Nw = 960·1/48 = 20 rpm

Ответ

nw = 20 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 151 °

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 ремня

asin(0,25) = 14,48°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·14,48 = 151°

Ответ

θ = 151°
3.Кручение валов

Ответ: τmax = 18,86 MPa

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.

Напряжение на каждом участке

T = 100 N·m = 100000 N·mm
τAB = 16·100000/(π·75³) = 1,207 MPa
τBC = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa

Ответ

τmax = 18,86 MPa
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 18,86 MPa

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.

Внутренние крутящие моменты

Направление TC принято положительным.

TBC = TC = 100 N·m
TAB = TC − TB = 100 − 200 = −100 N·m

Наибольшее касательное напряжение

Участок с наибольшим внутренним моментом имеет наибольшее напряжение (диаметр одинаков).

|T|max = 100 N·m
τmax = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa

Ответ

τmax = 18,86 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 151,2 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′ = 80 − 70·(−0,1736) − (−60)·0,9848 = 151,2 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = 8,756 MPa, σx′ + σy′ = 160 = σx + σy

Ответ

σy′ = 151,2 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 81,32 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 = −−55·0,6428 + 60·0,766 = 81,32 MPa

Ответ

τθ = 81,32 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,05876 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·5890 = 5,105 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 100000·300/5,105 × 10⁸ = 0,05876 mm

Ответ

δ = 0,05876 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 6,242 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 55,7 MPa
σ2 = 618,9 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 55,7·2000/117000 = 0,9522 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 618,9·1000/117000 = 5,29 mm
δ = δ1 + δ2 = 6,242 mm

Ответ

δ = 6,242 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 263,2 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2000² = 263189 N = 263,2 kN

Ответ

Pcr = 263,2 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 73,69 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 = 2·20000 = 40000 N
KL = 2·2500 = 5000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·40000·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 73,69 mm

Ответ

d = 73,69 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 271,4, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 2,772 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 = √(4000/12) = 18,26 rad/s
fn = 18,26/(2π) = 2,906 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,906·√(1 − 0,3²) = 2,772 Hz

Ответ

fd = 2,772 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 5,694 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 = 20 + 12 = 32 kN/m

Собственная частота

ωn = √(32000/25) = 35,78 rad/s
fn = 35,78/(2π) = 5,694 Hz

Ответ

fn = 5,694 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design