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​ = 18, m = 4 mm

Двигатель мощностью 4 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 18 зубьями и модулем 4 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 4 kWn = 960 rpmN1 = 18m = 4 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 150 mm и шкив 400 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 150 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = 20 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 400 N·mABC3 m3 m

Сплошной вал (латунь) диаметром 20 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 3 m от A действует крутящий момент 100 N·m, а на свободном конце C, ещё на 3 m дальше, — крутящий момент 400 N·m противоположного направления. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

d = 20 mmTB = 100 N·mTC = 400 N·mAB = 3 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −70σy​ = −50τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −70 MPa, σᵧ = −50 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −70 MPaσy = −50 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = −70τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = −70 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
150 kNØ2570 GPaØ100/70500 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 25 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 500 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 150 kN. Найдите укорочение δ.

P = 150 kNстержень: Ø25 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmАлюминий0,5 mØ 20 mmМедь0,5 mP = 110 kN

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

P = 110 kNучасток 1: Ø25 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø20 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 3 m25 × 50 mmпоперечное сечение

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

L = 3 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 65 kNL = 2,5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 65 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 65 kNn = 3L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mζ = 0,4m = 50 kg

Груз массой 50 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 = 50 kgk = 40 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 80k2​ = 40m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 80 kN/m, у нижней k₂ = 40 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 1105 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 4·18 = 72 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·39,79/0,072 = 1105 N

Ответ

Ft = 1105 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 151 °

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 ремня

asin(0,25) = 14,48°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·14,48 = 151°

Ответ

θ = 151°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 1,069 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(80000·251327) = 0,01865 rad
φ = 0,01865·180/π = 1,069°

Ответ

φ = 1,069°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 254,6 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 = 400 N·m
TAB = TC − TB = 400 − 100 = 300 N·m

Наибольшее касательное напряжение

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

|T|max = 400 N·m
τmax = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa

Ответ

τmax = 254,6 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = 50,65 °

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(2·50, −70 − −50) = 101,3°

Угол на элементе

θp = 50,65°

Ответ

θp = 50,65°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −5 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 = −5·1 + 40·0 = −5 MPa

Ответ

τθ = −5 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,1981 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·4006 = 3,786 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 150000·500/3,786 × 10⁸ = 0,1981 mm

Ответ

δ = 0,1981 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 350,1 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 224,1 MPa
σ2 = 350,1 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 350,1 MPa

Ответ

σmax = 350,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 57,12 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/1500² = 57116 N = 57,12 kN

Ответ

Pcr = 57,12 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 49,83 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 = 3·65000 = 195000 N
KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·195000·1750²/(π³·200000))^(1/4) = 49,83 mm

Ответ

d = 49,83 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 140,5, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 4,126 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 = √(40000/50) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,4²) = 4,126 Hz

Ответ

fd = 4,126 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 26,67 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 = 1/80 + 1/40 → keq = 80·40/(80 + 40) = 26,67 kN/m

Ответ

keq = 26,67 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design