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​ = 120 mmd2​ = 250 mm2880 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 600 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 120 mm с частотой 2880 rpm. Натяжение равно 1500 N на ведущей ветви и 600 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 120 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1500 NT2 = 600 N
P = kW
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 15B = 40C = 16D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зубьев) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (40 зубьев). Колесо C (16 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 192 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 960 rpmA = 15B = 40C = 16nout = 192 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
T = 400 N·md = 30 mmL = 3 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 30 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
do​ = ?50 kW, 3000 rpm

Полый вал должен передавать 50 kW при 3000 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,7 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 50 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

P = 50 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,7τallow = 50 MPa
do = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −60σy​ = −50τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = −50 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 = −60 MPaσy = −50 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −40σy​ = −40τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −40 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 35° против часовой стрелки от оси x.

σx = −40 MPaσy = −40 MPaτxy = 50 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12500 mm300 mmØ40Ø40δ = 0,4 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 40 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 40 mm, длиной 300 mm и E = 120 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,4 mm.

участок 1: сталь, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø40 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
100 kN12500 mm500 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 20 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa и участок (медь) диаметром 50 mm, длиной 500 mm и E = 120 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 100 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 m30 × 50 mmпоперечное сечение

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 30 kNL = 3 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 30 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 30 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 20 kN/mζ = 0,3m = 200 kg

Груз массой 200 kg на пружине жёсткостью 20 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 200 kgk = 20 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 100k3​ = 12m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на пружине k₃ = 12 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 100 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 60 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 16,29 kW

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.

Скорость ремня

v = 18,1 m/s

Мощность

P = (1500 − 600)·18,1 = 16286 W = 16,29 kW

Ответ

P = 16,29 kW
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 30

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 промежуточного вала

nB = nC = 960·15/40 = 360 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 16·360/192 = 30

Ответ

ND = 30
3.Кручение валов

Ответ: φ = 10,81 °

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) = 400·1000·3000/(80000·79522) = 0,1886 rad
φ = 0,1886·180/π = 10,81°

Ответ

φ = 10,81°
4.Кручение валов

Ответ: do = 27,73 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 50000/314,2 = 159,2 N·m

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 159,2 N·m = 159155 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·159155/(π·50·0,7599)) = 27,73 mm
di = 0,7·27,73 = 19,41 mm

Ответ

do = 27,73 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 25,31 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = −52,02 °

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.

σxyCσ1​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, −60 − −50) = −104°

Угол на элементе

θp = −52,02°

Ответ

θp = −52,02°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 6,985 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

σθ = −40 + 0·0,342 + 50·0,9397 = 6,985 MPa

Ответ

σθ = 6,985 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 100,5 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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1257 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,4/3,979 × 10⁻⁶ = 100531 N = 100,5 kN

Ответ

P = 100,5 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 40,21 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 = 200000·314,2/500 = 125664 N/mm
k₂ = 120000·1963/500 = 471239 N/mm

Доля участка 2

F2 = 100000·471239/596903 = 78947 N

Напряжение

σ2 = 78947/1963 = 40,21 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 40,21 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,109 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·2500 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·112500/5000² = 3109 N = 3,109 kN

Ответ

Pcr = 3,109 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 68,71 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 = 2·30000 = 60000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·60000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 68,71 mm

Ответ

d = 68,71 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 349,3, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 1,518 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 = √(20000/200) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,3²) = 1,518 Hz

Ответ

fd = 1,518 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 1,682 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

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 60 + 100 = 160 kN/m
keq = 160·12/(160 + 12) = 11,16 kN/m

Собственная частота

ωn = √(11163/100) = 10,57 rad/s
fn = 10,57/(2π) = 1,682 Hz

Ответ

fn = 1,682 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design