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​ = 16, m = 3 mm

Двигатель мощностью 7,5 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 16 зубьями и модулем 3 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 7,5 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 3 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 15B = 80C = 45D = 48

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (80 зуб.). Колесо C (45 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (48 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1440 rpmA = 15B = 80C = 45D = 48
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
d = 12 mmT = 30 N·m250 mmφ = 5,41°

При испытании на кручение сплошной образец диаметром 12 mm закручивается моментом 30 N·m. Концы расчётной длины 250 mm поворачиваются друг относительно друга на 5,41° (материал ещё работает упруго). Найдите модуль сдвига G материала.

T = 30 N·md = 12 mmL = 250 mmφ = 5,41°
G = GPa
4.Кручение валовСложная
d = ?5 kW, 1500 rpm

Сплошной вал (латунь) передаёт 5 kW при 1500 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 50 MPa, а угол закручивания — 0,25° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 5 kWN = 1500 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,25°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 110σy​ = 0τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 110 MPa, σᵧ = 0 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 110 MPaσy = 0 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​верхняя поверхность вала

Сплошной вал диаметром 40 mm нагружен изгибающим моментом 1000 N·m вместе с крутящим моментом 250 N·m. На верхней поверхности, где нормальное напряжение от изгиба растягивающее и наибольшее, найдите наибольшее главное напряжение σ1.

d = 40 mmM = 1000 N·mT = 250 N·m
σ1 = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmЛатунь2,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 35 mmАлюминий1 mØ 16 mmМедь0,5 mP = 15 kN

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

P = 15 kNучасток 1: Ø35 mm, 1 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2 m20 × 60 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 = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 120 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 120 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 120 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,35m = 250 kg

Груз массой 250 kg на пружине жёсткостью 40 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,35. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 250 kgk = 40 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 20m = 40 kg

Груз массой 40 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 80 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 = 80 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 3108 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 7500/100,5 = 74,6 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 3·16 = 48 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·74,6/0,048 = 3108 N

Ответ

Ft = 3108 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 253,1 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 = 1440·15/80 = 270 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 270·45/48 = 253,1 rpm

Ответ

nout = 253,1 rpm

общее передаточное отношение = 5,689 : 1

3.Кручение валов

Ответ: G = 39,02 GPa

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 и угол

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 5,41·π/180 = 0,09442 rad

Модуль сдвига

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·250/(2036·0,09442) = 39018 MPa
G = 39,02 GPa

Ответ

G = 39,02 GPa

Для сравнения: сталь ≈ 80 GPa, латунь ≈ 39 GPa, алюминий ≈ 26 GPa.

4.Кручение валов

Ответ: d = 37,15 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 5000/157,1 = 31,83 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
dτ = ∛(16·31831/(π·50)) = 14,8 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·31831/(π·39000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 37,15 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(14,8, 37,15) = 37,15 mm

Ответ

d = 37,15 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 62,65 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.

στxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((110 − 0)/2)² + 30²) = 62,65 MPa

Ответ

τmax = 62,65 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σ1 = 161,6 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 = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·40³) = 159,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·40³) = 19,89 MPa
στxyCσ1​σ2​

Круг Мора

C = σ/2 = 79,58 MPa
R = √(79,58² + 19,89²) = 82,03 MPa
σ1 = C + R = 161,6 MPa
σ2 = C − R = −2,449 MPa

Ответ

σ1 = 161,6 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 13,06 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 105·1000/201,1 = 522,2 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 522,2/100000 = 0,005222 = 5222 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,005222·2500 mm = 13,06 mm

Ответ

δ = 13,06 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,5415 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 15,59 MPa
σ2 = 74,6 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 15,59·1000/70000 = 0,2227 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 74,6·500/117000 = 0,3188 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,5415 mm

Ответ

δ = 0,5415 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 19,74 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·2000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/2000² = 19739 N = 19,74 kN

Ответ

Pcr = 19,74 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 139,8 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 = 3·120000 = 360000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 139,8 mm

Ответ

d = 139,8 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 171,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 1,886 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 = √(40000/250) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,013·√(1 − 0,35²) = 1,886 Hz

Ответ

fd = 1,886 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 7,958 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 = 80 + 20 = 100 kN/m

Собственная частота

ωn = √(100000/40) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Ответ

fn = 7,958 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design