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​ = 120 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

Шкив 120 mm с частотой 960 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 3 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 120 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d = 10 mmT = 30 N·m400 mmφ = 8,75°

При испытании на кручение сплошной образец диаметром 10 mm закручивается моментом 30 N·m. Концы расчётной длины 400 mm поворачиваются друг относительно друга на 8,75° (материал ещё работает упруго). Найдите модуль сдвига G материала.

T = 30 N·md = 10 mmL = 400 mmφ = 8,75°
G = GPa
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Полый вал передаёт 50 kW при 300 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 50 kWN = 300 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 20σy​ = 60τxy​ = −60MPa

В точке σₓ = 20 MPa, σᵧ = 60 MPa и τₓᵧ = −60 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 40° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 20 MPaσy = 60 MPaτxy = −60 MPaθ = 40°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 140σy​ = 120τxy​ = 30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 140 MPa, σᵧ = 120 MPa и τₓᵧ = 30 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 60° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 140 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmСталь2,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 10 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmМедь1 mØ 16 mmАлюминий0,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNучасток 1: Ø30 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 m40 × 80 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 80 kNL = 2 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Она должна выдерживать 80 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 80 kNn = 2L = 2 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 322,7 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 3 циклов следует пик 22,7 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx3 = 22,7 mmn = 3
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 15k2​ = 30k3​ = 12m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 12 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 15 kN/m и k₂ = 30 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 15 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 372,5 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

960·120/300 = 384 rpm

С проскальзыванием

n2 = 384·0,97 = 372,5 rpm

Ответ

n2 = 372,5 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 143,1 °

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(0,3167) = 18,46°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·18,46 = 143,1°

Ответ

θ = 143,1°
3.Кручение валов

Ответ: G = 80,04 GPa

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 и угол

J = π·10⁴/32 = 981,7 mm⁴
φ = 8,75·π/180 = 0,1527 rad

Модуль сдвига

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·400/(981,7·0,1527) = 80038 MPa
G = 80,04 GPa

Ответ

G = 80,04 GPa

Для сравнения: сталь ≈ 80 GPa, латунь ≈ 39 GPa, алюминий ≈ 26 GPa.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 22,07 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Полярный момент инерции

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 1,592 × 10⁶·37,5/2,704 × 10⁶ = 22,07 MPa

Ответ

τmax = 22,07 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 102,6 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′ = 40 − (−20)·0,1736 − (−60)·0,9848 = 102,6 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −22,56 MPa, σx′ + σy′ = 80 = σx + σy

Ответ

σy′ = 102,6 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −23,66 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 = −10·0,866 + 30·−0,5 = −23,66 MPa

Ответ

τθ = −23,66 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 1910 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 30·1000/78,54 = 382 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 382/200000 = 0,00191 = 1910 µε

Ответ

ε = 1910 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 298,4 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 84,88 MPa
σ2 = 298,4 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 298,4 MPa

Ответ

σmax = 298,4 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 16,71 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/4200² = 16710 N = 16,71 kN

Ответ

Pcr = 16,71 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 65,91 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 = 2·80000 = 160000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·160000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 65,91 mm

Ответ

d = 65,91 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 121,4, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03004

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 = (1/3)·ln(40/22,7) = 0,1888

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1888/√(39,48 + 0,03566) = 0,03004

Ответ

ζ = 0,03004
12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,098 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 = 15 + 30 = 45 kN/m
keq = 45·12/(45 + 12) = 9,474 kN/m

Собственная частота

ωn = √(9474/25) = 19,47 rad/s
fn = 19,47/(2π) = 3,098 Hz

Ответ

fn = 3,098 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design