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
Tw​ = ?z = 2, 1450 rpm

Двигатель мощностью 1,5 kW с частотой 1450 rpm приводит червяк с числом заходов 2. Червячное колесо имеет 48 зубьев, КПД передачи 50%. Найдите выходной вращающий момент Tw на валу колеса.

z = 2Nw = 48n = 1450 rpmP = 1,5 kWη = 50%
Tw = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 25B = 48C = 25D = 36

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой 2900 rpm приводит колесо A (25 зубьев), которое зацепляется с колесом B (48 зубьев). Колесо C (25 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (36 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 2,2 kWnin = 2900 rpmA = 25B = 48C = 25D = 36ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 500 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 500 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,5 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 500 N·mdi/do = 0,5τallow = 60 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 60 mm, di​ = 42 mm

Полый вал передаёт 15 kW при 1000 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 15 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 42 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 50σy​ = −10τxy​ = 60MPa

В точке σₓ = 50 MPa, σᵧ = −10 MPa и τₓᵧ = 60 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 = 50 MPaσy = −10 MPaτxy = 60 MPa
θs = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −40σy​ = 10τxy​ = 60MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = −40 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = 60 MPa (σz = 0). Предел текучести материала равен 460 MPa. Найдите коэффициент запаса по текучести n по критерию Треска (наибольших касательных напряжений).

σx = −40 MPaσy = 10 MPaτxy = 60 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmЛатунь2,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
60 kN12400 mm500 mmØ40Ø30σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 40 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa и участок (алюминий) диаметром 30 mm, длиной 500 mm и E = 70 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 60 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: алюминий, Ø30 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 md = 40 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 145 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

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

P = 145 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mc = 600 N·s/mm = 20 kg

Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 50 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 600 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 20 kgk = 50 kN/mc = 600 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 12m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 30 kN/m и k₂ = 12 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tw = 118,5 N·m

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 = 1450·2/48 = 60,42 rpm

Выходной крутящий момент

ωw = 2π·60,42/60 = 6,327 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,5·1500/6,327 = 118,5 N·m

Ответ

Tw = 118,5 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 19,24 N·m

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.

Скорость на выходе

nout = 2900·(25/48)·(25/36) = 1049 rpm
ωout = 2π·1049/60 = 109,8 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 2200·0,98² = 2113 W
Tout = Pout/ωout = 2113/109,8 = 19,24 N·m

Ответ

Tout = 19,24 N·m
3.Кручение валов

Ответ: do = 35,64 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.

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 500 N·m = 500000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·60·0,9375)) = 35,64 mm
di = 0,5·35,64 = 17,82 mm

Ответ

do = 35,64 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 34,88 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 4,444 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.

Крутящий момент

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Полярный момент инерции

J = π(60⁴ − 42⁴)/32 = 966855 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 143239·30/966855 = 4,444 MPa

Ответ

τmax = 4,444 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θs = −13,28 °

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 = 60/67,08 = 0,8944, sin 2θs = −30/67,08 = −0,4472
2θs = atan2(−30, 60) = −26,57°

Угол на элементе

θs = −13,28°
проверка: θs − θp = −13,28 − 31,72 = −45°

Ответ

θs = −13,28°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: n = 3,538

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. Критерии текучести: по Мизесу текучесть наступает, когда σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) достигает σY; по Треска — когда абсолютное наибольшее касательное напряжение достигает σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Главные напряжения

C = −15 MPa, R = 65 MPa
σ1 = 50 MPa, σ2 = −80 MPa, σ3 = 0

Треска

σmax − σmin = 130 MPa
n = 460/130 = 3,538

Ответ

n = 3,538

n > 1 означает, что в точке нет текучести; критерий Треска немного консервативнее критерия Мизеса.

7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 495,1 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 = 35·1000/706,9 = 49,51 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 49,51/100000 = 0,0004951 = 495,1 µε

Ответ

ε = 495,1 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 11,55 MPa

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.

Жёсткости

k₁ = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 70000·706,9/500 = 98960 N/mm

Доля участка 2

F2 = 60000·98960/727279 = 8164 N

Напряжение

σ2 = 8164/706,9 = 11,55 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 11,55 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 19,69 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/2100² = 19687 N = 19,69 kN

Ответ

Pcr = 19,69 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 69,54 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 = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·362500·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 69,54 mm

Ответ

d = 69,54 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 143,8, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,3

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.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·20) = 2000 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 600/2000 = 0,3

Ответ

ζ = 0,3

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

12.Механические колебания

Ответ: keq = 42 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 30 + 12 = 42 kN/m

Ответ

keq = 42 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design