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​ = 32N2​ = 50

Двигатель мощностью 11 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 32, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 50. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 11 kWn1 = 1500 rpmN1 = 32N2 = 50η = 98%
T1 = N·m
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 150 mm и шкив 450 mm, центры которых находятся на расстоянии 600 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 150 mmd2 = 450 mmC = 600 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 1000 N·mL = 0,5 m

Сплошной вал (сталь) длиной 0,5 m передаёт крутящий момент 1000 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 1,5°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 1000 N·mL = 0,5 mG = 80 GPaφallow = 1,5°
d = mm
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 60 mm, di​ = 36 mm

Полый вал передаёт 75 kW при 1500 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 75 kWN = 1500 rpmdo = 60 mmdi = 36 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 160σy​ = −40τxy​ = −30MPa

В точке σₓ = 160 MPa, σᵧ = −40 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 60° против часовой стрелки. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 160 MPaσy = −40 MPaτxy = −30 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
35°D = 1500 mm, t = 6 mm, p = 0,8 MPap

Тонкостенный цилиндрический резервуар с внутренним диаметром 1500 mm и толщиной стенки 6 mm содержит газ под избыточным давлением 0,8 MPa. Он изготовлен из листа, сваренного по винтовому шву под углом 35° к оси цилиндра. Найдите нормальное напряжение σn, действующее поперёк сварного шва.

D = 1500 mmt = 6 mmp = 0,8 MPaα = 35°
σn = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmСталь0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmСталь0,5 mØ 12 mmАлюминий0,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNучасток 1: Ø30 mm, 0,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø12 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 20 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 50 kNL = 6 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. Она должна выдерживать 50 kN с коэффициентом запаса устойчивости 3. Найдите наименьший диаметр d.

P = 50 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 315,6 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 3 циклов следует пик 15,6 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx3 = 15,6 mmn = 3
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 5m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 12 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 70,03 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/157,1 = 70,03 N·m

Ответ

T1 = 70,03 N·m
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: d = 39,49 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.

Требуемый полярный момент инерции

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 1,5·π/180 = 0,02618 rad
J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·500/(80000·0,02618) = 238732 mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 39,49 mm

Ответ

d = 39,49 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: τmax = 12,93 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 75000/157,1 = 477,5 N·m

Полярный момент инерции

J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1,107 × 10⁶ mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 477465·30/1,107 × 10⁶ = 12,93 MPa

Ответ

τmax = 12,93 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 136 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′ = 60 − 100·(−0,5) − (−30)·0,866 = 136 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −15,98 MPa, σx′ + σy′ = 120 = σx + σy

Ответ

σy′ = 136 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σn = 83,55 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. Тонкостенный цилиндр: окружное напряжение σh = pr/t и осевое напряжение σa = pr/(2t); это главные напряжения в стенке.

Напряжения в стенке

r = 1500/2 = 750 mm
σh = pr/t = 0,8·750/6 = 100 MPa
σa = pr/(2t) = 50 MPa

Преобразование к шву

Направьте x вдоль оси (σa), а y по окружности (σh). Нормаль к шву составляет с осью угол 90° − α.

σn = 50·sin²35° + 100·cos²35° = 83,55 MPa

Ответ

σn = 83,55 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 1,432 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 45·1000/78,54 = 573 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 573/200000 = 0,002865 = 2865 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,002865·500 mm = 1,432 mm

Ответ

δ = 1,432 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 4,002 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 84,88 MPa
σ2 = 530,5 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 84,88·500/200000 = 0,2122 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 530,5·500/70000 = 3,789 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,002 mm

Ответ

δ = 4,002 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 62,01 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·1000 = 500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/500² = 62013 N = 62,01 kN

Ответ

Pcr = 62,01 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 158,9 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 = 3·50000 = 150000 N
KL = 2·6000 = 12000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 158,9 mm

Ответ

d = 158,9 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 302,1, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,04989

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(40/15,6) = 0,3139

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3139/√(39,48 + 0,09851) = 0,04989

Ответ

ζ = 0,04989
12.Механические колебания

Ответ: fn = 4,228 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 = 1/12 + 1/5 → keq = 12·5/(12 + 5) = 3,529 kN/m

Собственная частота

ωn = √(3529/5) = 26,57 rad/s
fn = 26,57/(2π) = 4,228 Hz

Ответ

fn = 4,228 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design