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​ = 200 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 200 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 1 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 200 mmd2 = 250 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
Ns​ = 20коронное колесо неподвижноNp​ = 12nc​ = ?

В планетарной передаче солнечная шестерня имеет 20 зубьев, а каждый сателлит — 12 зубьев. Коронное колесо закреплено, солнечная шестерня вращается с частотой 1500 rpm. Найдите частоту вращения nc водила.

Ns = 20Np = 12ns = 1500 rpm
nc = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 30 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 30 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
do​ = ?30 kW, 1500 rpm

Полый вал должен передавать 30 kW при 1500 rpm. Его внутренний диаметр должен составлять 0,8 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

P = 30 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 10MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 10 MPa и σᵧ = 0 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 35 MPa?

σx = 10 MPaσy = 0 MPaσ1 = 35 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −20σy​ = 60τxy​ = −20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −20 MPa, σᵧ = 60 MPa и τₓᵧ = −20 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 = −20 MPaσy = 60 MPaτxy = −20 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 12 mmСталь2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 12 mmL = 2 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø25100 GPaØ100/70600 mm

Стержень (сталь) диаметром 25 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 160 MPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 70 mm, E = 100 GPa и допускаемым напряжением 80 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPaтруба: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 m20 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2,5 md = 25 mmпоперечное сечение

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 12 kN/mc = 120 N·s/mm = 50 kg

Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 12 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 120 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 50 kgk = 12 kN/mc = 120 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 15k3​ = 20m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 20 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 5 kN/m и k₂ = 15 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 1148 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

1450·200/250 = 1160 rpm

С проскальзыванием

n2 = 1160·0,99 = 1148 rpm

Ответ

n2 = 1148 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nc = 468,8 rpm

Планетарные передачи: частоты вращения солнечной шестерни, коронного колеса и водила связаны формулой Виллиса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: относительно водила передача — обычная рядовая, а сателлиты играют роль паразитных колёс. Закрепление одного звена превращает её в редуктор с одним передаточным отношением.

Число зубьев коронного колеса

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·12 = 44

Формула Виллиса при неподвижном коронном колесе

Положите nr = 0 и найдите частоту вращения водила.

(1500 − nc)/(0 − nc) = −44/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·20/64 = 468,8 rpm

Ответ

nc = 468,8 rpm

Водило вращается в том же направлении, что и солнечная шестерня.

3.Кручение валов

Ответ: φ = 10,39 °

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) = 750·1000·500/(26000·79522) = 0,1814 rad
φ = 0,1814·180/π = 10,39°

Ответ

φ = 10,39°
4.Кручение валов

Ответ: do = 30,17 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 30000/157,1 = 191 N·m

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 191 N·m = 190986 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·190986/(π·60·0,5904)) = 30,17 mm
di = 0,8·30,17 = 24,14 mm

Ответ

do = 30,17 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 25,31 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 29,58 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 = (10 + 0)/2 = 5 MPa
R = σ1 − C = 35 − 5 = 30 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(30² − 5²) = 29,58 MPa

Ответ

τxy = 29,58 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = 30,75 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 = −−40·0,9397 + −20·0,342 = 30,75 MPa

Ответ

τθ = 30,75 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 4863 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 110·1000/113,1 = 972,6 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 972,6/200000 = 0,004863 = 4863 µε

Ответ

ε = 4863 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 399 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 − 70²)/4 = 4006 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·4006 = 4,987 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,0008, 0,0008) = 0,0008 (латунь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0008·4,987 × 10⁸ = 398982 N = 399 kN

Ответ

Pmax = 399 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,29 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·4000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/4000² = 3290 N = 3,29 kN

Ответ

Pcr = 3,29 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 4,318 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/6,25 = 400

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Ответ

σcr = 4,318 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07746

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·√(12000·50) = 1549 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 120/1549 = 0,07746

Ответ

ζ = 0,07746

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,183 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

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 5 + 15 = 20 kN/m
keq = 20·20/(20 + 20) = 10 kN/m

Собственная частота

ωn = √(10000/25) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Ответ

fn = 3,183 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design