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​ = 160 mmd2​ = 450 mm720 rpmn2​ = ?

Шкив 160 mm с частотой 720 rpm приводит ремнём шкив 450 mm при проскальзывании 2 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 24B = 72C = 16D = 18

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (24 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (72 зуб.). Колесо C (16 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (18 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1500 rpmA = 24B = 72C = 16D = 18
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 500 N·md = 30 mmL = 0,8 mφ = ?

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

T = 500 N·md = 30 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 10 kW при 300 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 10 kWN = 300 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −10σy​ = 50τxy​ = 50MPa

В точке σₓ = −10 MPa, σᵧ = 50 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θs в пределах от −90° до 90° от оси x до нормали к площадке, на которой касательное напряжение достигает наибольшего положительного значения +R (касательное напряжение положительно в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −10 MPaσy = 50 MPaτxy = 50 MPa
θs = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −80σy​ = 110τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −80 MPa, σᵧ = 110 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 40° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = 110 MPaτxy = −30 MPaθ = 40°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmЛатунь2,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmМедь0,5 mØ 16 mmАлюминий0,5 mP = 40 kN

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

P = 40 kNучасток 1: Ø30 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 145 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 145 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 145 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx15 mm1 цикл12,4 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 15 mm через один цикл следует пик 12,4 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 15 mmx1 = 12,4 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 60m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 100 kN/m, у нижней k₂ = 60 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 250,9 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

720·160/450 = 256 rpm

С проскальзыванием

n2 = 256·0,98 = 250,9 rpm

Ответ

n2 = 250,9 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 444,4 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 = 1500·24/72 = 500 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 500·16/18 = 444,4 rpm

Ответ

nout = 444,4 rpm

общее передаточное отношение = 3,375 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 3,603 °

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) = 500·1000·800/(80000·79522) = 0,06288 rad
φ = 0,06288·180/π = 3,603°

Ответ

φ = 3,603°
4.Кручение валов

Ответ: d = 30,01 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 = 10000/31,42 = 318,3 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·318310/(π·60)) = 30,01 mm

Ответ

d = 30,01 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θs = 15,48 °

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​

Угол на круге

На круге Мора верхняя точка (+R) отстоит от главной точки σ₁ на 90°; на элементе это соответствует 45°.

cos 2θs = 50/58,31 = 0,8575, sin 2θs = −(−30)/58,31 = 0,5145
2θs = atan2(30, 50) = 30,96°

Угол на элементе

θs = 15,48°
проверка: θs − θp = 15,48 − 60,48 = −45°

Ответ

θs = 15,48°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 88,35 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 = −−95·0,9848 + −30·0,1736 = 88,35 MPa

Ответ

τθ = 88,35 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 990,3 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 70·1000/706,9 = 99,03 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 99,03/100000 = 0,0009903 = 990,3 µε

Ответ

ε = 990,3 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 198,9 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 56,59 MPa
σ2 = 198,9 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 198,9 MPa

Ответ

σmax = 198,9 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 269,2 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

У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·1500 = 1500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1500² = 269152 N = 269,2 kN

Ответ

Pcr = 269,2 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 107,7 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 = 2,5·145000 = 362500 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·362500·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 107,7 mm

Ответ

d = 107,7 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 222,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03028

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(15/12,4) = 0,1904

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1904/√(39,48 + 0,03623) = 0,03028

Ответ

ζ = 0,03028
12.Механические колебания

Ответ: keq = 37,5 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 + 1/60 → keq = 100·60/(100 + 60) = 37,5 kN/m

Ответ

keq = 37,5 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design