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​ = 15N2​ = 24

Двигатель мощностью 3 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 15, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 24. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 3 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 24η = 96%
T2 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 800 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 200 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 800 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 200 mmd2 = 500 mmC = 800 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 30 mmL = 3 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 30 mmL = 3 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 5 kW при 500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 5 kWN = 500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 40σy​ = 100τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 40 MPa, σᵧ = 100 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = 40 MPaσy = 100 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 90σy​ = −40τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 90 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 20° по часовой стрелке от оси x.

σx = 90 MPaσy = −40 MPaτxy = −10 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 30 mmМедь2,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmСталь1,5 mØ 16 mmАлюминий2 mP = 70 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите полное удлинение δ.

P = 70 kNучасток 1: Ø25 mm, 1,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø16 mm, 2 m, алюминий (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 m25 × 100 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 55 kNL = 6 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 55 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 55 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 50 kN/mζ = 0,35m = 20 kg

Груз массой 20 kg на пружине жёсткостью 50 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,35. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 20 kgk = 50 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 40m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 30 kN/m, у нижней k₂ = 40 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 30,56 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 19,89·24/15·0,96 = 30,56 N·m

Ответ

T2 = 30,56 N·m
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 158,4 °

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(0,1875) = 10,81°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·10,81 = 158,4°

Ответ

θ = 158,4°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 16,63 °

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) = 200·1000·3000/(26000·79522) = 0,2902 rad
φ = 0,2902·180/π = 16,63°

Ответ

φ = 16,63°
4.Кручение валов

Ответ: d = 18,25 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 5000/52,36 = 95,49 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·95493/(π·80)) = 18,25 mm

Ответ

d = 18,25 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 50 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.

στxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((40 − 100)/2)² + 40²) = 50 MPa

Ответ

τmax = 50 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 81,22 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 = 25 + 65·0,766 + −10·−0,6428 = 81,22 MPa

Ответ

σθ = 81,22 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,511 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 = 50·1000/706,9 = 70,74 MPa

Деформация (закон Гука)

E for медь = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 70,74/117000 = 0,0006046 = 604,6 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,0006046·2500 mm = 1,511 mm

Ответ

δ = 1,511 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 11,02 mm

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 142,6 MPa
σ2 = 348,2 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 142,6·1500/200000 = 1,07 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 348,2·2000/70000 = 9,947 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,02 mm

Ответ

δ = 11,02 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 22,49 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·130208/2000² = 22489 N = 22,49 kN

Ответ

Pcr = 22,49 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 104 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 = 2·55000 = 110000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 104 mm

Ответ

d = 104 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 230,9, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 7,454 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 = √(50000/20) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,35²) = 7,454 Hz

Ответ

fd = 7,454 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 17,14 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 = 1/30 + 1/40 → keq = 30·40/(30 + 40) = 17,14 kN/m

Ответ

keq = 17,14 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design