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
Nw​ = 50z = 1, 2900 rpm

Червяк с числом заходов 1 вращается с частотой 2900 rpm и приводит червячное колесо с 50 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 1Nw = 50n = 2900 rpm
nw = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm2880 rpmC = 1200 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 120 mm и шкив 300 mm, центры которых находятся на расстоянии 1200 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 120 mmd2 = 300 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 500 N·md = 30 mmL = 0,8 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 = 30 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?50 kW, 750 rpm

Сплошной вал (сталь) передаёт 50 kW при 750 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 50 MPa, а угол закручивания — 0,5° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 50 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −80σy​ = 90τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −80 MPa, σᵧ = 90 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −80 MPaσy = 90 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​верхняя поверхность вала

Сплошной вал диаметром 40 mm нагружен изгибающим моментом 300 N·m вместе с крутящим моментом 400 N·m. На верхней поверхности, где нормальное напряжение от изгиба растягивающее и наибольшее, найдите наибольшее главное напряжение σ1.

d = 40 mmM = 300 N·mT = 400 N·m
σ1 = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 25 mmСталь1,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 25 mmСталь1 mØ 12 mmМедь1 mP = 70 kN

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

P = 70 kNучасток 1: Ø25 mm, 1 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø12 mm, 1 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 6 m30 × 50 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)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 3 md = 50 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 3 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 150 kN/mζ = 0,3m = 200 kg

Груз массой 200 kg на пружине жёсткостью 150 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,3. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 200 kgk = 150 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 50k2​ = 100m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на двух пружинах, расположенных рядом (параллельно), с жёсткостями k₁ = 50 kN/m и k₂ = 100 kN/m. Груз остаётся горизонтальным. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 58 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Частота вращения колеса

nw = n·z/Nw = 2900·1/50 = 58 rpm

Ответ

nw = 58 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 171,4 °

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(0,075) = 4,301°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Ответ

θ = 171,4°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 3,603 °

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) = 500·1000·800/(80000·79522) = 0,06288 rad
φ = 0,06288·180/π = 3,603°

Ответ

φ = 3,603°
4.Кручение валов

Ответ: d = 55,21 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 50000/78,54 = 636,6 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 636,6 N·m = 636620 N·mm
dτ = ∛(16·636620/(π·50)) = 40,18 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·636620/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 55,21 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(40,18, 55,21) = 55,21 mm

Ответ

d = 55,21 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = −80,28 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Угол на круге

На круге Мора точка x лежит под углом 2θp к оси σ; четверть определяется знаками σₓ − σᵧ и τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, −80 − 90) = −160,6°

Угол на элементе

θp = −80,28°

Ответ

θp = −80,28°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σ1 = 63,66 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.

Напряжения на поверхности

σ = 32M/(πd³) = 32·300000/(π·40³) = 47,75 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
στxyCσ1​σ2​

Круг Мора

C = σ/2 = 23,87 MPa
R = √(23,87² + 31,83²) = 39,79 MPa
σ1 = C + R = 63,66 MPa
σ2 = C − R = −15,92 MPa

Ответ

σ1 = 63,66 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,6875 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 45·1000/490,9 = 91,67 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 91,67/200000 = 0,0004584 = 458,4 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,0004584·1500 mm = 0,6875 mm

Ответ

δ = 0,6875 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 618,9 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 142,6 MPa
σ2 = 618,9 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 618,9 MPa

Ответ

σmax = 618,9 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 6,169 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/6000² = 6169 N = 6,169 kN

Ответ

Pcr = 6,169 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 69,94 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/12,5 = 168

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/168² = 69,94 MPa

Ответ

σcr = 69,94 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 4,158 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 = √(150000/200) = 27,39 rad/s
fn = 27,39/(2π) = 4,359 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,359·√(1 − 0,3²) = 4,158 Hz

Ответ

fd = 4,158 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 150 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

Расположенные рядом пружины имеют одинаковую деформацию, а их силы складываются, поэтому жёсткости просто складываются: k = k1 + k2.

keq = 50 + 100 = 150 kN/m

Ответ

keq = 150 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design