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​ = 20N2​ = 40

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 20, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 40. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 15 kWn1 = 1440 rpmN1 = 20N2 = 40η = 95%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 200 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 1200 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 100 N·mL = 3 m

Сплошной вал (латунь) длиной 3 m передаёт крутящий момент 100 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 3°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 100 N·mL = 3 mG = 39 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 100 kW при 500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 100 kWN = 500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 70σy​ = 100τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 70 MPa, σᵧ = 100 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 70 MPaσy = 100 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 110σy​ = −30τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 110 MPa, σᵧ = −30 MPa и τₓᵧ = 30 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 = 110 MPaσy = −30 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
50 kNØ2070 GPaØ100/70600 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 20 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 600 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 50 kN. Найдите укорочение δ.

P = 50 kNстержень: Ø20 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmСталь0,5 mØ 16 mmЛатунь1 mP = 30 kN

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

P = 30 kNучасток 1: Ø25 mm, 0,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø16 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 md = 30 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 55 kNL = 2 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 55 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 55 kNn = 3L = 2 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx20 mm1 цикл12,1 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 20 mm через один цикл следует пик 12,1 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 20 mmx1 = 12,1 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 15k3​ = 15m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на пружине k₃ = 15 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 60 kN/m и k₂ = 15 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 = 15 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 189 N·m

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.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/150,8 = 99,47 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 99,47·40/20·0,95 = 189 N·m

Ответ

T2 = 189 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 174,5 °

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.

Угол ремня

asin(0,04792) = 2,746°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·2,746 = 174,5°

Ответ

θ = 174,5°
3.Кручение валов

Ответ: d = 34,98 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.

Требуемый полярный момент инерции

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 3 m = 3000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 100000·3000/(39000·0,05236) = 146912 mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 34,98 mm

Ответ

d = 34,98 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: d = 49,54 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 = 100000/52,36 = 1910 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,91 × 10⁶/(π·80)) = 49,54 mm

Ответ

d = 49,54 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 42,72 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 = √(((70 − 100)/2)² + 40²) = 42,72 MPa

Ответ

τmax = 42,72 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −75,62 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 = −70·0,866 + 30·−0,5 = −75,62 MPa

Ответ

τθ = −75,62 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,08741 mm

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 − 70²)/4 = 4006 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·4006 = 3,432 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 50000·600/3,432 × 10⁸ = 0,08741 mm

Ответ

δ = 0,08741 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,645 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 61,12 MPa
σ2 = 149,2 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 61,12·500/200000 = 0,1528 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 149,2·1000/100000 = 1,492 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,645 mm

Ответ

δ = 1,645 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,052 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·3000 = 3000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/3000² = 3052 N = 3,052 kN

Ответ

Pcr = 3,052 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 72,25 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 = 3·55000 = 165000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 72,25 mm

Ответ

d = 72,25 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 221,5, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07973

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(20/12,1) = 0,5025

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5025/√(39,48 + 0,2525) = 0,07973

Ответ

ζ = 0,07973
12.Механические колебания

Ответ: fn = 1,779 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 + 15 = 75 kN/m
keq = 75·15/(75 + 15) = 12,5 kN/m

Собственная частота

ωn = √(12500/100) = 11,18 rad/s
fn = 11,18/(2π) = 1,779 Hz

Ответ

fn = 1,779 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design