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​ = 25N2​ = 80

Двигатель мощностью 7,5 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 80. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 7,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 80η = 98%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 250 mm2880 rpmC = 1200 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 120 mm с частотой 2880 rpm со шкивом 250 mm; расстояние между центрами 1200 mm. Коэффициент трения равен 0,35, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 2000 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 120 mmn1 = 2880 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,35T1 = 2000 N
P = kW
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 20 mmL = 2,5 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 20 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 40 mm, di​ = 32 mm

Полый вал передаёт 75 kW при 750 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 75 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 32 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 80σy​ = 70τxy​ = 20MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 80 MPa, σᵧ = 70 MPa и τₓᵧ = 20 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 80 MPaσy = 70 MPaτxy = 20 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 80σy​ = 60τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 80 MPa, σᵧ = 60 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 50° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 80 MPaσy = 60 MPaτxy = −30 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmЛатунь0,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
50 kN12600 mm200 mmØ20Ø40σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 20 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa и участок (латунь) диаметром 40 mm, длиной 200 mm и E = 100 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 50 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: латунь, Ø40 mm, 200 mm, E = 100 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 50 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 50 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 50 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 224,2 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 2 циклов следует пик 24,2 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx2 = 24,2 mmn = 2
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 15m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 60 kN/m и k₂ = 15 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 60 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 149,7 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157,1 = 47,75 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 47,75·80/25·0,98 = 149,7 N·m

Ответ

T2 = 149,7 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 23,67 kW

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.

Угол обхвата

θ = 3,033 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e1,062 = 2,891, T₂ = 2000/2,891 = 691,8 N

Мощность

P = (2000 − 691,8)·18,1 = 23,67 kW

Ответ

P = 23,67 kW
3.Кручение валов

Ответ: φ = 22,8 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 200·1000·2500/(80000·15708) = 0,3979 rad
φ = 0,3979·180/π = 22,8°

Ответ

φ = 22,8°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 128,7 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 75000/78,54 = 954,9 N·m

Полярный момент инерции

J = π(40⁴ − 32⁴)/32 = 148384 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 954930·20/148384 = 128,7 MPa

Ответ

τmax = 128,7 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 20,62 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.

σxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((80 − 70)/2)² + 20²) = 20,62 MPa

Ответ

τmax = 20,62 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −4,639 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 = −10·0,9848 + −30·−0,1736 = −4,639 MPa

Ответ

τθ = −4,639 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,2122 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 30·1000/706,9 = 42,44 MPa

Деформация (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 42,44/100000 = 0,0004244 = 424,4 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,0004244·500 mm = 0,2122 mm

Ответ

δ = 0,2122 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 34,1 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 = 200000·314,2/600 = 104720 N/mm
k₂ = 100000·1257/200 = 628319 N/mm

Доля участка 2

F2 = 50000·628319/733038 = 42857 N

Напряжение

σ2 = 42857/1257 = 34,1 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 34,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 8,478 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·2500 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/5000² = 8478 N = 8,478 kN

Ответ

Pcr = 8,478 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 53,29 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 = 2,5·50000 = 125000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·125000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 53,29 mm

Ответ

d = 53,29 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 187,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03996

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 = (1/2)·ln(40/24,2) = 0,2513

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2513/√(39,48 + 0,06313) = 0,03996

Ответ

ζ = 0,03996
12.Механические колебания

Ответ: fn = 6,164 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 60 + 15 = 75 kN/m

Собственная частота

ωn = √(75000/50) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Ответ

fn = 6,164 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design