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​ = 300 mm1500 rpmn2​ = ?

Шкив 200 mm с частотой 1500 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 1 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1500 rpmd1 = 200 mmd2 = 300 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 48C = 15D = 50

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (12 зуб.) на входном валу вращается с частотой 2900 rpm и приводит колесо B (48 зуб.). Колесо C (15 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (50 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 2900 rpmA = 12B = 48C = 15D = 50
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
T = 500 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 = 500 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = 50 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 750 N·mABC2,5 m1,5 m

Сплошной вал (алюминий) диаметром 50 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 2,5 m от A действует крутящий момент 1500 N·m, а на свободном конце C, ещё на 1,5 m дальше, — крутящий момент 750 N·m того же направления. Найдите величину угла закручивания φC конца C в градусах.

d = 50 mmTB = 1500 N·mTC = 750 N·mAB = 2,5 mBC = 1,5 mG = 26 GPa
φC = °
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 10σy​ = 50τxy​ = −60MPa

В точке σₓ = 10 MPa, σᵧ = 50 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 30° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 10 MPaσy = 50 MPaτxy = −60 MPaθ = 30°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​верхняя поверхность вала

Сплошной вал диаметром 30 mm нагружен изгибающим моментом 750 N·m вместе с крутящим моментом 400 N·m. На верхней поверхности, где нормальное напряжение от изгиба растягивающее и наибольшее, найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

d = 30 mmM = 750 N·mT = 400 N·m
τmax = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12500 mm400 mmØ25Ø50δ = 0,4 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 25 mm, длиной 500 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 50 mm, длиной 400 mm и E = 120 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,4 mm.

участок 1: сталь, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
100 kN12400 mm500 mmØ20Ø30σ2​ = ?

Участок (сталь) диаметром 20 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa и участок (медь) диаметром 30 mm, длиной 500 mm и E = 120 GPa соединены встык и зажаты между двумя жёсткими стенами. В месте стыка действует осевая нагрузка 100 kN в сторону участка 2. Найдите модуль напряжения σ2 на участке 2.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 30 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 = 30 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2,5 md = 25 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. 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 = 10 kN/mc = 80 N·s/mm = 2 kg

Груз массой 2 kg опирается на пружину жёсткостью 10 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 80 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 2 kgk = 10 kN/mc = 80 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 60k3​ = 30m = 100 kg

Груз массой 100 kg висит на пружине k₃ = 30 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 40 kN/m и k₂ = 60 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 990 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

1500·200/300 = 1000 rpm

С проскальзыванием

n2 = 1000·0,99 = 990 rpm

Ответ

n2 = 990 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 217,5 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 = 2900·12/48 = 725 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 725·15/50 = 217,5 rpm

Ответ

nout = 217,5 rpm

общее передаточное отношение = 13,33 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,137 °

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) = 500·1000·1500/(80000·251327) = 0,0373 rad
φ = 0,0373·180/π = 2,137°

Ответ

φ = 2,137°
4.Кручение валов

Ответ: φC = 24,24 °

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 = 750 N·m
TAB = TC + TB = 750 + 1500 = 2250 N·m

Угол закручивания каждого участка

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 2,25 × 10⁶·2500/(26000·613592) = 0,3526 rad
φBC = 750000·1500/(26000·613592) = 0,07052 rad

Угол закручивания конца C

φC = 0,3526 + 0,07052 = 0,4231 rad → |φC| = 24,24°

Ответ

φC = 24,24°
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 91,96 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 для грани y′

σy′ = 30 − (−20)·0,5 − (−60)·0,866 = 91,96 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −31,96 MPa, σx′ + σy′ = 60 = σx + σy

Ответ

σy′ = 91,96 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 160,3 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.

Напряжения на поверхности

σ = 32M/(πd³) = 32·750000/(π·30³) = 282,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·30³) = 75,45 MPa
στxyCτmax​

Круг Мора

C = σ/2 = 141,5 MPa
R = √(141,5² + 75,45²) = 160,3 MPa

Ответ

τmax = 160,3 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 58,9 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

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·1963) = 1,698 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,4/6,791 × 10⁻⁶ = 58905 N = 58,9 kN

Ответ

P = 58,9 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σ2 = 73,46 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 = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 120000·706,9/500 = 169646 N/mm

Доля участка 2

F2 = 100000·169646/326726 = 51923 N

Напряжение

σ2 = 51923/706,9 = 73,46 MPa (сжатие)

Ответ

σ2 = 73,46 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 27,47 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·1000 = 1000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1000² = 27470 N = 27,47 kN

Ответ

Pcr = 27,47 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 8,812 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 = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/6,25 = 280

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/280² = 8,812 MPa

Ответ

σcr = 8,812 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,2828

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·√(10000·2) = 282,8 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 80/282,8 = 0,2828

Ответ

ζ = 0,2828

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

12.Механические колебания

Ответ: fn = 2,418 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 = 40 + 60 = 100 kN/m
keq = 100·30/(100 + 30) = 23,08 kN/m

Собственная частота

ωn = √(23077/100) = 15,19 rad/s
fn = 15,19/(2π) = 2,418 Hz

Ответ

fn = 2,418 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design