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​N2​ = ?

Два параллельных вала расположены на расстоянии 180 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 5 mm и передаточным отношением 3,5 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N2 должно иметь колесо?

a = 180 mmm = 5 mmi = 3,5
N2 =
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 800 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 300 mm, центры которых находятся на расстоянии 800 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 800 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
do​ = ?T = 1000 N·m

Полый вал должен передавать крутящий момент 1000 N·m. Его внутренний диаметр должен составлять 0,7 от наружного, а касательное напряжение не должно превышать 60 MPa. Найдите наименьший наружный диаметр do.

T = 1000 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Кручение валовСложная
d = 40 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 250 N·mABC2,5 m1,2 m

Сплошной вал (латунь) диаметром 40 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 2,5 m от A действует крутящий момент 750 N·m, а на свободном конце C, ещё на 1,2 m дальше, — крутящий момент 250 N·m того же направления. Найдите величину угла закручивания φC конца C в градусах.

d = 40 mmTB = 750 N·mTC = 250 N·mAB = 2,5 mBC = 1,2 mG = 39 GPa
φC = °
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 120σy​ = −10MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 120 MPa и σᵧ = −10 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 155 MPa?

σx = 120 MPaσy = −10 MPaσ1 = 155 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 90σy​ = 120τxy​ = −40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 90 MPa, σᵧ = 120 MPa и τₓᵧ = −40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 15° против часовой стрелки от оси x.

σx = 90 MPaσy = 120 MPaτxy = −40 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmАлюминий3 mP = 60 kN

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

P = 60 kNd = 30 mmL = 3 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 35 mmСталь2 mØ 12 mmАлюминий0,5 mP = 40 kN

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

P = 40 kNучасток 1: Ø35 mm, 2 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø12 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 md = 80 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 1 md = 25 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 200 GPa (сталь)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,7m = 25 kg

Груз массой 25 kg на пружине жёсткостью 150 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,7. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 25 kgk = 150 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 40k2​ = 15m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 40 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: N2 = 56

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.

Суммарное число зубьев

N1 + N2 = 2a/m = 2·180/5 = 72

Делим по передаточному отношению

N1 = 72/(1 + 3,5) = 16
N2 = 3,5·16 = 56

Ответ

N2 = 56
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 165,6 °

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(0,125) = 7,181°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Ответ

θ = 165,6°
3.Кручение валов

Ответ: do = 48,16 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.

Наружный диаметр по допускаемому напряжению

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1 × 10⁶/(π·60·0,7599)) = 48,16 mm
di = 0,7·48,16 = 33,71 mm

Ответ

do = 48,16 mm

Сплошному валу потребовался бы d = 43,95 mm; полый немного больше, но гораздо легче.

4.Кручение валов

Ответ: φC = 16,37 °

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 = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 750 = 1000 N·m

Угол закручивания каждого участка

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 1 × 10⁶·2500/(39000·251327) = 0,2551 rad
φBC = 250000·1200/(39000·251327) = 0,03061 rad

Угол закручивания конца C

φC = 0,2551 + 0,03061 = 0,2857 rad → |φC| = 16,37°

Ответ

φC = 16,37°
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 75,99 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 = (120 + (−10))/2 = 55 MPa
R = σ1 − C = 155 − 55 = 100 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(100² − 65²) = 75,99 MPa

Ответ

τxy = 75,99 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 72,01 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

σθ = 105 + −15·0,866 + −40·0,5 = 72,01 MPa

Ответ

σθ = 72,01 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 1213 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 60·1000/706,9 = 84,88 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 84,88/70000 = 0,001213 = 1213 µε

Ответ

ε = 1213 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 353,7 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 41,58 MPa
σ2 = 353,7 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 353,7 MPa

Ответ

σmax = 353,7 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 110,2 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/6000² = 110245 N = 110,2 kN

Ответ

Pcr = 110,2 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 77,11 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 = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/6,25 = 160

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Ответ

σcr = 77,11 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 8,804 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 = √(150000/25) = 77,46 rad/s
fn = 77,46/(2π) = 12,33 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 12,33·√(1 − 0,7²) = 8,804 Hz

Ответ

fd = 8,804 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 7,434 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

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/40 + 1/15 → keq = 40·15/(40 + 15) = 10,91 kN/m

Собственная частота

ωn = √(10909/5) = 46,71 rad/s
fn = 46,71/(2π) = 7,434 Hz

Ответ

fn = 7,434 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design