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​ = 36N2​ = 50

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с числом зубьев 36, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 36N2 = 50η = 97%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 32B = 40C = 40D = 48

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (32 зуб.) на входном валу вращается с частотой 3000 rpm и приводит колесо B (40 зуб.). Колесо C (40 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (48 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 3000 rpmA = 32B = 40C = 40D = 48
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 750 N·mL = 0,8 m

Сплошной вал (алюминий) длиной 0,8 m передаёт крутящий момент 750 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 1°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 750 N·mL = 0,8 mG = 26 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Кручение валовСложная
d = 40 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 1500 N·mABC1,2 m1 m

Сплошной вал (сталь) диаметром 40 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 1,2 m от A действует крутящий момент 750 N·m, а на свободном конце C, ещё на 1 m дальше, — крутящий момент 1500 N·m противоположного направления. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

d = 40 mmTB = 750 N·mTC = 1500 N·mAB = 1,2 mBC = 1 m
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 0σy​ = 10τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 0 MPa, σᵧ = 10 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 0 MPaσy = 10 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −10σy​ = 20τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −10 MPa, σᵧ = 20 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 35° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −10 MPaσy = 20 MPaτxy = −10 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
150 kNØ4070 GPaØ100/50800 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 40 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 50 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 800 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 150 kN. Найдите укорочение δ.

P = 150 kNстержень: Ø40 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmМедь1,5 mØ 12 mmМедь2 mP = 75 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите наибольшее нормальное напряжение σmax в стержне.

P = 75 kNучасток 1: Ø40 mm, 1,5 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø12 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 40 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 15 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 15 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 15 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,4m = 200 kg

Груз массой 200 kg на пружине жёсткостью 40 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,4. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 200 kgk = 40 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 10k2​ = 5m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 10 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 14,74 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 10,94·50/36·0,97 = 14,74 N·m

Ответ

T2 = 14,74 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 2000 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 = 3000·32/40 = 2400 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 2400·40/48 = 2000 rpm

Ответ

nout = 2000 rpm

общее передаточное отношение = 1,5 : 1

3.Кручение валов

Ответ: d = 60,58 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·800/(26000·0,01745) = 1,322 × 10⁶ mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 60,58 mm

Ответ

d = 60,58 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 119,4 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.

Внутренние крутящие моменты

Направление TC принято положительным.

TBC = TC = 1500 N·m
TAB = TC − TB = 1500 − 750 = 750 N·m

Наибольшее касательное напряжение

Участок с наибольшим внутренним моментом имеет наибольшее напряжение (диаметр одинаков).

|T|max = 1500 N·m
τmax = 16·1,5 × 10⁶/(π·40³) = 119,4 MPa

Ответ

τmax = 119,4 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 40,31 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 = √(((0 − 10)/2)² + 40²) = 40,31 MPa

Ответ

τmax = 40,31 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 10,68 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 = −−15·0,9397 + −10·0,342 = 10,68 MPa

Ответ

τθ = 10,68 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,1808 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·5890 = 6,637 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 150000·800/6,637 × 10⁸ = 0,1808 mm

Ответ

δ = 0,1808 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 663,1 MPa

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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 59,68 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Наибольшее напряжение

У более тонкого участка меньше площадь, поэтому напряжение в нём больше.

σmax = 663,1 MPa

Ответ

σmax = 663,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 86,82 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 = 1·1000 = 1000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/1000² = 86818 N = 86,82 kN

Ответ

Pcr = 86,82 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 41,74 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 = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 41,74 mm

Ответ

d = 41,74 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 268,4, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 2,063 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 = √(40000/200) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,4²) = 2,063 Hz

Ответ

fd = 2,063 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 3,333 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 = 1/10 + 1/5 → keq = 10·5/(10 + 5) = 3,333 kN/m

Ответ

keq = 3,333 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design