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​ = 20, m = 2,5 mm

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 20 зубьями и модулем 2,5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 15 kWn = 960 rpmN1 = 20m = 2,5 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 125 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 125 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 200 N·md = 25 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 25 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = 40 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 500 N·mABC3 m2 m

Сплошной вал (сталь) диаметром 40 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 3 m от A действует крутящий момент 250 N·m, а на свободном конце C, ещё на 2 m дальше, — крутящий момент 500 N·m того же направления. Найдите величину угла закручивания φC конца C в градусах.

d = 40 mmTB = 250 N·mTC = 500 N·mAB = 3 mBC = 2 mG = 80 GPa
φC = °
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 70σy​ = 50MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 70 MPa и σᵧ = 50 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 95 MPa?

σx = 70 MPaσy = 50 MPaσ1 = 95 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 150σy​ = 90τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 150 MPa, σᵧ = 90 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 50° против часовой стрелки от оси x.

σx = 150 MPaσy = 90 MPaτxy = 50 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12600 mm300 mmØ20Ø60δ = 0,5 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 20 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (алюминий) диаметром 60 mm, длиной 300 mm и E = 70 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,5 mm.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: алюминий, Ø60 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmМедь0,5 mØ 20 mmМедь2 mP = 115 kN

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

P = 115 kNучасток 1: Ø40 mm, 0,5 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø20 mm, 2 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 5 md = 60 mmпоперечное сечение

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

L = 5 mE = 200 GPa (сталь)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 1 md = 20 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx40 mmЦиклов: 50,9 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 40 mm через 5 циклов следует пик 0,9 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 40 mmx5 = 0,9 mmn = 5
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 30k2​ = 25m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 30 kN/m, у нижней k₂ = 25 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 5968 N

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.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 15000/100,5 = 149,2 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2,5·20 = 50 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·149,2/0,05 = 5968 N

Ответ

Ft = 5968 N
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 = 5,603 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1500/(80000·38350) = 0,09778 rad
φ = 0,09778·180/π = 5,603°

Ответ

φ = 5,603°
4.Кручение валов

Ответ: φC = 9,261 °

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 = 500 N·m
TAB = TC + TB = 500 + 250 = 750 N·m

Угол закручивания каждого участка

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·3000/(80000·251327) = 0,1119 rad
φBC = 500000·2000/(80000·251327) = 0,04974 rad

Угол закручивания конца C

φC = 0,1119 + 0,04974 = 0,1616 rad → |φC| = 9,261°

Ответ

φC = 9,261°
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 33,54 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 = (70 + 50)/2 = 60 MPa
R = σ1 − C = 95 − 60 = 35 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(35² − 10²) = 33,54 MPa

Ответ

τxy = 33,54 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 164 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 = 120 + 30·−0,1736 + 50·0,9848 = 164 MPa

Ответ

σθ = 164 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 45,19 kN

Два материала: при последовательном соединении (один за другим) каждый участок воспринимает одну и ту же силу, а удлинения складываются: δ = P·Σ L/(E·A). При параллельном соединении (рядом между жёсткими плитами) обе части укорачиваются на одну и ту же величину, поэтому их деформации равны: более жёсткая часть берёт большую долю, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стержень, зажатый между двумя жёсткими стенами с нагрузкой в месте стыка, статически неопределим: два участка делят нагрузку пропорционально своей жёсткости k = EA/L.

Площади

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 2827 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·314,2) = 9,549 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·2827) = 1,516 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,5/1,107 × 10⁻⁵ = 45187 N = 45,19 kN

Ответ

P = 45,19 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 366,1 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 91,51 MPa
σ2 = 366,1 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 366,1 MPa

Ответ

σmax = 366,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 50,23 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·5000 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/5000² = 50230 N = 50,23 kN

Ответ

Pcr = 50,23 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 12,34 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/5 = 400

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Ответ

σcr = 12,34 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,1199

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 = (1/5)·ln(40/0,9) = 0,7588

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7588/√(39,48 + 0,5759) = 0,1199

Ответ

ζ = 0,1199
12.Механические колебания

Ответ: keq = 13,64 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 + 1/25 → keq = 30·25/(30 + 25) = 13,64 kN/m

Ответ

keq = 13,64 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design