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 mm

Двигатель мощностью 5,5 kW с частотой вращения 1450 rpm приводит шестерню с 20 зубьями и модулем 2 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 5,5 kWn = 1450 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm1500 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 100 mm и шкив 200 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 100 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 50 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 50 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Полый вал передаёт 75 kW при 1450 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 75 kWN = 1450 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −20σy​ = 60MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = −20 MPa и σᵧ = 60 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 115 MPa?

σx = −20 MPaσy = 60 MPaσ1 = 115 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −50σy​ = 0τxy​ = 50MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −50 MPa, σᵧ = 0 MPa и τₓᵧ = 50 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 30° против часовой стрелки от оси x.

σx = −50 MPaσy = 0 MPaτxy = 50 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
80 kNØ40120 GPaØ100/70400 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 40 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (медь) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 70 mm и E = 120 GPa. Длина обоих — 400 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 80 kN. Найдите укорочение δ.

P = 80 kNстержень: Ø40 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmМедь1,5 mØ 20 mmАлюминий2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNучасток 1: Ø40 mm, 1,5 m, медь (E = 117 GPa)участок 2: Ø20 mm, 2 m, алюминий (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 1 md = 25 mmпоперечное сечение

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

L = 1 mE = 70 GPa (алюминий)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 6 md = 25 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 = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 10 kN/mc = 1070 N·s/mm = 80 kg

Груз массой 80 kg опирается на пружину жёсткостью 10 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 1070 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 80 kgk = 10 kN/mc = 1070 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 15m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 25 kN/m, у нижней k₂ = 15 kN/m. Пренебрегите демпфированием и массами пружин. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 1811 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2·20 = 40 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·36,22/0,04 = 1811 N

Ответ

Ft = 1811 N
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: φ = 3,591 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 750·1000·2000/(39000·613592) = 0,06268 rad
φ = 0,06268·180/π = 3,591°

Ответ

φ = 3,591°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 6,851 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Полярный момент инерции

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 493929·37,5/2,704 × 10⁶ = 6,851 MPa

Ответ

τmax = 6,851 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 86,17 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 = (−20 + 60)/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 115 − 20 = 95 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(95² − 40²) = 86,17 MPa

Ответ

τxy = 86,17 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 5,801 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 = −25 + −25·0,5 + 50·0,866 = 5,801 MPa

Ответ

σθ = 5,801 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,04372 mm

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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·4006 = 7,32 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 80000·400/7,32 × 10⁸ = 0,04372 mm

Ответ

δ = 0,04372 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 11,13 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 = 87,54 MPa
σ2 = 350,1 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 87,54·1500/117000 = 1,122 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 350,1·2000/70000 = 10 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,13 mm

Ответ

δ = 11,13 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,312 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·1000 = 2000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/2000² = 3312 N = 3,312 kN

Ответ

Pcr = 3,312 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 4,371 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/6,25 = 672

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/672² = 4,371 MPa

Ответ

σcr = 4,371 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,5981

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.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(10000·80) = 1789 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 1070/1789 = 0,5981

Ответ

ζ = 0,5981

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

12.Механические колебания

Ответ: fn = 2,179 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 = 1/25 + 1/15 → keq = 25·15/(25 + 15) = 9,375 kN/m

Собственная частота

ωn = √(9375/50) = 13,69 rad/s
fn = 13,69/(2π) = 2,179 Hz

Ответ

fn = 2,179 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design