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​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 2880 rpm приводит ремнём шкив 450 mm при проскальзывании 2 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 18C = 12D = 48

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (12 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (18 зуб.). Колесо C (12 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (48 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 18C = 12D = 48
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 1000 N·md = 50 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 1000 N·md = 50 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 20 kW при 500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 20 kWN = 500 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −10σy​ = 120τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −10 MPa, σᵧ = 120 MPa и τₓᵧ = −20 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −10 MPaσy = 120 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 120σy​ = 70τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 120 MPa, σᵧ = 70 MPa и τₓᵧ = −20 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 60° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 120 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmЛатунь1,5 mP = 20 kN

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

P = 20 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø20110 GPaØ100/60600 mm

Стержень (сталь) диаметром 20 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 200 MPa находится внутри трубы (бронза) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 60 mm, E = 110 GPa и допускаемым напряжением 100 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaтруба: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 m40 × 100 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2,5 md = 80 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 58,3 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 5 циклов следует пик 8,3 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx5 = 8,3 mmn = 5
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 20m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 100 kN/m, у нижней k₂ = 20 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 627,2 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

2880·100/450 = 640 rpm

С проскальзыванием

n2 = 640·0,98 = 627,2 rpm

Ответ

n2 = 627,2 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 250 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 = 1500·12/18 = 1000 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1000·12/48 = 250 rpm

Ответ

nout = 250 rpm

общее передаточное отношение = 6 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,334 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2000/(80000·613592) = 0,04074 rad
φ = 0,04074·180/π = 2,334°

Ответ

φ = 2,334°
4.Кручение валов

Ответ: d = 36,5 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 = 20000/52,36 = 382 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·40)) = 36,5 mm

Ответ

d = 36,5 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = −81,45 °

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·−20, −10 − 120) = −162,9°

Угол на элементе

θp = −81,45°

Ответ

θp = −81,45°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −11,65 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 = −25·0,866 + −20·−0,5 = −11,65 MPa

Ответ

τθ = −11,65 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,4244 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 20·1000/706,9 = 28,29 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 28,29/100000 = 0,0002829 = 282,9 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,0002829·1500 mm = 0,4244 mm

Ответ

δ = 0,4244 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 559,8 kN

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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·5027 = 6,158 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,001, 0,0009091) = 0,0009091 (бронза)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0009091·6,158 × 10⁸ = 559775 N = 559,8 kN

Ответ

Pmax = 559,8 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 16,45 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 = 2·4000 = 8000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/8000² = 16449 N = 16,45 kN

Ответ

Pcr = 16,45 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 44,22 MPa

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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/20 = 125

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/125² = 44,22 MPa

Ответ

σcr = 44,22 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,05

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 = (1/5)·ln(40/8,3) = 0,3145

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3145/√(39,48 + 0,09893) = 0,05

Ответ

ζ = 0,05
12.Механические колебания

Ответ: keq = 16,67 kN/m

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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/100 + 1/20 → keq = 100·20/(100 + 20) = 16,67 kN/m

Ответ

keq = 16,67 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design