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​ = 100 mmd2​ = 400 mm960 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 960 rpm приводит ремнём шкив 400 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 960 rpmd1 = 100 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 25B = 80C = 36D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (25 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (80 зубьев). Колесо C (36 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 337,5 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1440 rpmA = 25B = 80C = 36nout = 337,5 rpm
ND =
3.Кручение валовСредняя
T = 250 N·md = 30 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 30 mmL = 0,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
do​ = ?10 kW, 1000 rpm

Полый вал должен передавать 10 kW при 1000 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,6 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

P = 10 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −10σy​ = 100τxy​ = 60MPa

В точке σₓ = −10 MPa, σᵧ = 100 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 = −10 MPaσy = 100 MPaτxy = 60 MPa
θs = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 10σy​ = 120τxy​ = −60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 10 MPa, σᵧ = 120 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 30° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 10 MPaσy = 120 MPaτxy = −60 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
150 kNØ30100 GPaØ120/70500 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 30 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 120 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 100 GPa. Длина обоих — 500 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 150 kN. Найдите укорочение δ.

P = 150 kNстержень: Ø30 mm, E = 200 GPaтруба: Ø120/Ø70 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø40100 GPaØ100/60600 mm

Стержень (сталь) диаметром 40 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 200 MPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 60 mm, E = 100 GPa и допускаемым напряжением 100 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaтруба: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 md = 40 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)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 105 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 105 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 105 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 2 kN/mζ = 0,7m = 2 kg

Груз массой 2 kg на пружине жёсткостью 2 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 2 kgk = 2 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 100k2​ = 50m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 100 kN/m и k₂ = 50 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 232,8 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

960·100/400 = 240 rpm

С проскальзыванием

n2 = 240·0,97 = 232,8 rpm

Ответ

n2 = 232,8 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 48

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 = 1440·25/80 = 450 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 36·450/337,5 = 48

Ответ

ND = 48
3.Кручение валов

Ответ: φ = 1,126 °

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) = 250·1000·500/(80000·79522) = 0,01965 rad
φ = 0,01965·180/π = 1,126°

Ответ

φ = 1,126°
4.Кручение валов

Ответ: do = 19,12 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 10000/104,7 = 95,49 N·m

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 95,49 N·m = 95493 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·95493/(π·80·0,8704)) = 19,12 mm
di = 0,6·19,12 = 11,47 mm

Ответ

do = 19,12 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 18,25 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θs = 21,26 °

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 = 60/81,39 = 0,7372, sin 2θs = −(−55)/81,39 = 0,6757
2θs = atan2(55, 60) = 42,51°

Угол на элементе

θs = 21,26°
проверка: θs − θp = 21,26 − 66,26 = −45°

Ответ

θs = 21,26°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 17,63 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 = −−55·0,866 + −60·0,5 = 17,63 MPa

Ответ

τθ = 17,63 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,08451 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·7461 = 8,875 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 150000·500/8,875 × 10⁸ = 0,08451 mm

Ответ

δ = 0,08451 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 754 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·5027 = 7,54 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,001, 0,001) = 0,001 (латунь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,001·7,54 × 10⁸ = 753982 N = 754 kN

Ответ

Pmax = 754 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,473 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 = 2·2500 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/5000² = 3473 N = 3,473 kN

Ответ

Pcr = 3,473 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 67,14 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 = 3·105000 = 315000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·315000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 67,14 mm

Ответ

d = 67,14 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 148,9, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 3,594 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 = √(2000/2) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,7²) = 3,594 Hz

Ответ

fd = 3,594 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 6,164 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 = 100 + 50 = 150 kN/m

Собственная частота

ωn = √(150000/100) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Ответ

fn = 6,164 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design