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​ = 80 mmd2​ = 400 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 80 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 400 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 80 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 40B = 45C = 12D = 18

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (40 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (45 зуб.). Колесо C (12 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (18 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1450 rpmA = 40B = 45C = 12D = 18
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 1500 N·mL = 1 m

Сплошной вал (алюминий) длиной 1 m передаёт крутящий момент 1500 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 3°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 1500 N·mL = 1 mG = 26 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 60 mm, di​ = 48 mm

Полый вал передаёт 5 kW при 300 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 5 kWN = 300 rpmdo = 60 mmdi = 48 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −70σy​ = −20τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −70 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −70 MPaσy = −20 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 100σy​ = −30τxy​ = 10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 100 MPa, σᵧ = −30 MPa и τₓᵧ = 10 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 50° против часовой стрелки от оси x.

σx = 100 MPaσy = −30 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmМедь0,5 mP = 85 kN

Найдите осевую деформацию ε в стержне (медь) в микродеформациях (µε = 10⁻⁶).

P = 85 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø20100 GPaØ80/60400 mm

Стержень (сталь) диаметром 20 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 120 MPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 80 mm, внутренним диаметром 60 mm, E = 100 GPa и допускаемым напряжением 50 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPaтруба: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 m25 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2 md = 50 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и свободна вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 2 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 1580 N·s/mm = 100 kg

Груз массой 100 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 1580 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 100 kgk = 100 kN/mc = 1580 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 5m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 60 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 60 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 281,3 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

1450·80/400 = 290 rpm

С проскальзыванием

n2 = 290·0,97 = 281,3 rpm

Ответ

n2 = 281,3 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 859,3 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 = 1450·40/45 = 1289 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1289·12/18 = 859,3 rpm

Ответ

nout = 859,3 rpm

общее передаточное отношение = 1,688 : 1

3.Кручение валов

Ответ: d = 57,88 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 = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·1000/(26000·0,05236) = 1,102 × 10⁶ mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 57,88 mm

Ответ

d = 57,88 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 6,356 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 5000/31,42 = 159,2 N·m

Полярный момент инерции

J = π(60⁴ − 48⁴)/32 = 751193 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 159155·30/751193 = 6,356 MPa

Ответ

τmax = 6,356 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = −61 °

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.

στxyCσ1​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·−40, −70 − −20) = −122°

Угол на элементе

θp = −61°

Ответ

θp = −61°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 33,56 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 = 35 + 65·−0,1736 + 10·0,9848 = 33,56 MPa

Ответ

σθ = 33,56 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 9250 µε

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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 85·1000/78,54 = 1082 MPa

Деформация (закон Гука)

E for медь = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 1082/117000 = 0,00925 = 9250 µε

Ответ

ε = 9250 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 141,4 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·2199 = 2,827 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,0006, 0,0005) = 0,0005 (латунь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0005·2,827 × 10⁸ = 141372 N = 141,4 kN

Ответ

Pmax = 141,4 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 8,996 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/2000² = 8996 N = 8,996 kN

Ответ

Pcr = 8,996 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 19,28 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/12,5 = 320

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19,28 MPa

Ответ

σcr = 19,28 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2498

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.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(100000·100) = 6325 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 1580/6325 = 0,2498

Ответ

ζ = 0,2498

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

12.Механические колебания

Ответ: fn = 1,529 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/60 + 1/5 → keq = 60·5/(60 + 5) = 4,615 kN/m

Собственная частота

ωn = √(4615/50) = 9,608 rad/s
fn = 9,608/(2π) = 1,529 Hz

Ответ

fn = 1,529 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design