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 = 3, 1450 rpm

Двигатель мощностью 0,75 kW с частотой 1450 rpm приводит червяк с числом заходов 3. Червячное колесо имеет 40 зубьев, КПД передачи 55%. Найдите выходной вращающий момент Tw на валу колеса.

z = 3Nw = 40n = 1450 rpmP = 0,75 kWη = 55%
Tw = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 30B = 36C = 24D = 45

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (30 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (36 зуб.). Колесо C (24 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (45 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1450 rpmA = 30B = 36C = 24D = 45
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 100 N·md = 25 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 100 N·md = 25 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?15 kW, 750 rpm

Сплошной вал (алюминий) передаёт 15 kW при 750 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 80 MPa, а угол закручивания — 0,5° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 15 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 50σy​ = 30MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 50 MPa и σᵧ = 30 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 90 MPa?

σx = 50 MPaσy = 30 MPaσ1 = 90 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −70σy​ = 20τxy​ = 30MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = −70 MPa, σᵧ = 20 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Предел текучести материала равен 350 MPa. Найдите коэффициент запаса по текучести n по критерию Треска (наибольших касательных напряжений).

σx = −70 MPaσy = 20 MPaτxy = 30 MPaσY = 350 MPa
n =
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 12 mmАлюминий2,5 mP = 105 kN

Найдите удлинение δ стержня (алюминий) под действием осевой нагрузки.

P = 105 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø2570 GPaØ100/60300 mm

Стержень (сталь) диаметром 25 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 200 MPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 60 mm, E = 70 GPa и допускаемым напряжением 50 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaтруба: Ø100/Ø60 mm, E = 70 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 130 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 130 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 130 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 25 kN/mζ = 0,6m = 100 kg

Груз массой 100 kg на пружине жёсткостью 25 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,6. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 100 kgk = 25 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 60m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 50 kN/m, у нижней k₂ = 60 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tw = 36,22 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 = 1450·3/40 = 108,8 rpm

Выходной крутящий момент

ωw = 2π·108,8/60 = 11,39 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,55·750/11,39 = 36,22 N·m

Ответ

Tw = 36,22 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 644,4 rpm

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.

Первая ступень

nB = 1450·30/36 = 1208 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1208·24/45 = 644,4 rpm

Ответ

nout = 644,4 rpm

общее передаточное отношение = 2,25 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 5,746 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(39000·38350) = 0,1003 rad
φ = 0,1003·180/π = 5,746°

Ответ

φ = 5,746°
4.Кручение валов

Ответ: d = 54,11 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 15000/78,54 = 191 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·80)) = 22,99 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·190986/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 54,11 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(22,99, 54,11) = 54,11 mm

Ответ

d = 54,11 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 48,99 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 = (50 + 30)/2 = 40 MPa
R = σ1 − C = 90 − 40 = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 10²) = 48,99 MPa

Ответ

τxy = 48,99 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: n = 3,236

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 = −25 MPa, R = 54,08 MPa
σ1 = 29,08 MPa, σ2 = −79,08 MPa, σ3 = 0

Треска

σmax − σmin = 108,2 MPa
n = 350/108,2 = 3,236

Ответ

n = 3,236

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

7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 33,16 mm

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 105·1000/113,1 = 928,4 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 928,4/70000 = 0,01326 = 13263 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,01326·2500 mm = 33,16 mm

Ответ

δ = 33,16 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 321,5 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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·5027 = 4,5 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,001, 0,0007143) = 0,0007143 (алюминий)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0007143·4,5 × 10⁸ = 321452 N = 321,5 kN

Ответ

Pmax = 321,5 kN
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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·6000 = 12000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/12000² = 3052 N = 3,052 kN

Ответ

Pcr = 3,052 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 92,08 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 = 3·130000 = 390000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·390000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 92,08 mm

Ответ

d = 92,08 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 108,6, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 2,013 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 = √(25000/100) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,6²) = 2,013 Hz

Ответ

fd = 2,013 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 27,27 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 = 1/50 + 1/60 → keq = 50·60/(50 + 60) = 27,27 kN/m

Ответ

keq = 27,27 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design