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​ = 12N2​ = 18

Двигатель мощностью 4 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с числом зубьев 12, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 18. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 18η = 96%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 48B = 72C = 16D = 72

Двигатель мощностью 2,2 kW с частотой 960 rpm приводит колесо A (48 зубьев), которое зацепляется с колесом B (72 зубьев). Колесо C (16 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 2,2 kWnin = 960 rpmA = 48B = 72C = 16D = 72ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 30 mmL = 0,8 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 30 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Полый вал передаёт 100 kW при 1500 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 100 kWN = 1500 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 40MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 40 MPa и σᵧ = 0 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 80 MPa?

σx = 40 MPaσy = 0 MPaσ1 = 80 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 70σy​ = 80τxy​ = 50MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = 70 MPa, σᵧ = 80 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (σz = 0). Найдите эквивалентное напряжение по Мизесу σvM.

σx = 70 MPaσy = 80 MPaτxy = 50 MPa
σvM = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12600 mm500 mmØ30Ø50δ = 0,5 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 30 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 50 mm, длиной 500 mm и E = 120 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,5 mm.

участок 1: сталь, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
60 kN12300 mm500 mmØ30Ø40σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 30 mm, длиной 300 mm и E = 200 GPa и участок (бронза) диаметром 40 mm, длиной 500 mm и E = 110 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, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPaучасток 2: бронза, Ø40 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 m30 × 100 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 1 md = 40 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 1 mE = 200 GPa (сталь)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx25 mmЦиклов: 49,1 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 25 mm через 4 циклов следует пик 9,1 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 25 mmx4 = 9,1 mmn = 4
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 30m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 80 kN/m, у нижней k₂ = 30 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 37,93 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 26,34·18/12·0,96 = 37,93 N·m

Ответ

T2 = 37,93 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 141,9 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 = 960·(48/72)·(16/72) = 142,2 rpm
ωout = 2π·142,2/60 = 14,89 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 2200·0,98² = 2113 W
Tout = Pout/ωout = 2113/14,89 = 141,9 N·m

Ответ

Tout = 141,9 N·m
3.Кручение валов

Ответ: φ = 4,434 °

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) = 200·1000·800/(26000·79522) = 0,07739 rad
φ = 0,07739·180/π = 4,434°

Ответ

φ = 4,434°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 8,83 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 100000/157,1 = 636,6 N·m

Полярный момент инерции

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 636620·37,5/2,704 × 10⁶ = 8,83 MPa

Ответ

τmax = 8,83 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 56,57 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.

Требуемый радиус

C = (40 + 0)/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 80 − 20 = 60 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(60² − 20²) = 56,57 MPa

Ответ

τxy = 56,57 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σvM = 114,9 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. 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 = 75 MPa, R = 50,25 MPa
σ1 = 125,2 MPa, σ2 = 24,75 MPa, σ3 = 0

Мизес

σvM = √(125,2² − 125,2·24,75 + 24,75²) = 114,9 MPa

Ответ

σvM = 114,9 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 78,54 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 = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·1963) = 2,122 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,5/6,366 × 10⁻⁶ = 78540 N = 78,54 kN

Ответ

P = 78,54 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 17,65 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 = 200000·706,9/300 = 471239 N/mm
k₂ = 110000·1257/500 = 276460 N/mm

Доля участка 2

F2 = 60000·276460/747699 = 22185 N

Напряжение

σ2 = 22185/1257 = 17,65 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 17,65 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 4,318 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/6000² = 4318 N = 4,318 kN

Ответ

Pcr = 4,318 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 197,4 MPa

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

Радиус инерции и гибкость

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa

Ответ

σcr = 197,4 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,04018

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 = (1/4)·ln(25/9,1) = 0,2527

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2527/√(39,48 + 0,06383) = 0,04018

Ответ

ζ = 0,04018
12.Механические колебания

Ответ: keq = 21,82 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 = 1/80 + 1/30 → keq = 80·30/(80 + 30) = 21,82 kN/m

Ответ

keq = 21,82 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design