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​ = 150 mmd2​ = 450 mm1450 rpmT1​ = 800 NT2​ = 200 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 150 mm с частотой 1450 rpm. Натяжение равно 800 N на ведущей ветви и 200 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 150 mmn1 = 1450 rpmT1 = 800 NT2 = 200 N
P = kW
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 200 mm и шкив 250 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 200 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
d = ?T = 500 N·mL = 1,2 m

Сплошной вал (латунь) длиной 1,2 m передаёт крутящий момент 500 N·m. Угол закручивания между его концами не должен превышать 1°. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий этому условию.

T = 500 N·mL = 1,2 mG = 39 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 20 kW при 3000 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 20 kWN = 3000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 20σy​ = −10τxy​ = 40MPa

В точке σₓ = 20 MPa, σᵧ = −10 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Элемент повёрнут на 45° по часовой стрелке. Найдите нормальное напряжение σy′ на гранях повёрнутого элемента, перпендикулярных повёрнутой оси y′.

σx = 20 MPaσy = −10 MPaτxy = 40 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 90σy​ = −10τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 90 MPa, σᵧ = −10 MPa и τₓᵧ = −30 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 35° против часовой стрелки от оси x.

σx = 90 MPaσy = −10 MPaτxy = −30 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12400 mm200 mmØ20Ø40δ = 0,25 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 20 mm, длиной 400 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (латунь) диаметром 40 mm, длиной 200 mm и E = 100 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,25 mm.

участок 1: сталь, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaучасток 2: латунь, Ø40 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmЛатунь1 mØ 20 mmАлюминий1,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNучасток 1: Ø40 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø20 mm, 1,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1,5 m20 × 80 mmпоперечное сечение

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 135 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. Она должна выдерживать 135 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 135 kNn = 2,5L = 4 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 15 kN/mζ = 0,35m = 8 kg

Груз массой 8 kg на пружине жёсткостью 15 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,35. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 8 kgk = 15 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 50k3​ = 30m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на пружине k₃ = 30 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 12 kN/m и k₂ = 50 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 6,833 kW

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.

Скорость ремня

v = 11,39 m/s

Мощность

P = (800 − 200)·11,39 = 6833 W = 6,833 kW

Ответ

P = 6,833 kW
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 174,3 °

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(0,05) = 2,866°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·2,866 = 174,3°

Ответ

θ = 174,3°
3.Кручение валов

Ответ: d = 54,74 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·1200/(39000·0,01745) = 881474 mm⁴

Диаметр

d = (32J/π)1/4 = 54,74 mm

Ответ

d = 54,74 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

4.Кручение валов

Ответ: d = 15,94 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 20000/314,2 = 63,66 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·63662/(π·80)) = 15,94 mm

Ответ

d = 15,94 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σy′ = 45 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′ = 5 − 15·0 − 40·(−1) = 45 MPa

Проверка

Сумма нормальных напряжений не меняется при повороте.

σx′ = −35 MPa, σx′ + σy′ = 10 = σx + σy

Ответ

σy′ = 45 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 28,91 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 = 40 + 50·0,342 + −30·0,9397 = 28,91 MPa

Ответ

σθ = 28,91 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 31,42 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 = 1257 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1257) = 1,592 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,25/7,958 × 10⁻⁶ = 31416 N = 31,42 kN

Ответ

P = 31,42 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 4,57 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 47,75 MPa
σ2 = 191 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 47,75·1000/100000 = 0,4775 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 191·1500/70000 = 4,093 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,57 mm

Ответ

δ = 4,57 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 4,094 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1500 = 3000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/3000² = 4094 N = 4,094 kN

Ответ

Pcr = 4,094 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 79,43 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 = 2,5·135000 = 337500 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·337500·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 79,43 mm

Ответ

d = 79,43 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 100,7, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: fd = 6,456 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 = √(15000/8) = 43,3 rad/s
fn = 43,3/(2π) = 6,892 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,892·√(1 − 0,35²) = 6,456 Hz

Ответ

fd = 6,456 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 4,526 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 = 12 + 50 = 62 kN/m
keq = 62·30/(62 + 30) = 20,22 kN/m

Собственная частота

ωn = √(20217/25) = 28,44 rad/s
fn = 28,44/(2π) = 4,526 Hz

Ответ

fn = 4,526 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design