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​ = 250 mm720 rpmn2​ = ?

Шкив 150 mm с частотой 720 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 1,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 250 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm720 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 = 1000 N·md = 50 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 1000 N·md = 50 mmL = 0,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = 50 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 250 N·mABC1,2 m2,5 m

Сплошной вал (сталь) диаметром 50 mm заделан в A. В точке B на расстоянии 1,2 m от A действует крутящий момент 500 N·m, а на свободном конце C, ещё на 2,5 m дальше, — крутящий момент 250 N·m того же направления. Найдите величину угла закручивания φC конца C в градусах.

d = 50 mmTB = 500 N·mTC = 250 N·mAB = 1,2 mBC = 2,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −10σy​ = 50MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = −10 MPa и σᵧ = 50 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 70 MPa?

σx = −10 MPaσy = 50 MPaσ1 = 70 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 90σy​ = −80τxy​ = 40MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 90 MPa, σᵧ = −80 MPa и τₓᵧ = 40 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 15° против часовой стрелки от оси x.

σx = 90 MPaσy = −80 MPaτxy = 40 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
300 kNØ4070 GPaØ100/50500 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 40 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (алюминий) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 50 mm и E = 70 GPa. Длина обоих — 500 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 300 kN. Найдите укорочение δ.

P = 300 kNстержень: Ø40 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 35 mmЛатунь1,5 mØ 16 mmМедь1,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNучасток 1: Ø35 mm, 1,5 m, латунь (E = 100 GPa)участок 2: Ø16 mm, 1,5 m, медь (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 m20 × 40 mmпоперечное сечение

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

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 3 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) шарнирно оперта с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 3 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 4 kN/mζ = 0,4m = 25 kg

Груз массой 25 kg на пружине жёсткостью 4 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,4. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 25 kgk = 4 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 25k2​ = 12k3​ = 100m = 50 kg

Груз массой 50 kg висит на пружине k₃ = 100 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 25 kN/m и k₂ = 12 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 425,5 rpm

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.

Частота вращения без проскальзывания

720·150/250 = 432 rpm

С проскальзыванием

n2 = 432·0,985 = 425,5 rpm

Ответ

n2 = 425,5 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 = 0,5836 °

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) = 1000·1000·500/(80000·613592) = 0,01019 rad
φ = 0,01019·180/π = 0,5836°

Ответ

φ = 0,5836°
4.Кручение валов

Ответ: φC = 1,78 °

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

Угол закручивания каждого участка

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·1200/(80000·613592) = 0,01833 rad
φBC = 250000·2500/(80000·613592) = 0,01273 rad

Угол закручивания конца C

φC = 0,01833 + 0,01273 = 0,03107 rad → |φC| = 1,78°

Ответ

φC = 1,78°
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 40 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 = (−10 + 50)/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 70 − 20 = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 30²) = 40 MPa

Ответ

τxy = 40 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 98,61 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 = 5 + 85·0,866 + 40·0,5 = 98,61 MPa

Ответ

σθ = 98,61 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,226 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 − 50²)/4 = 5890 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·5890 = 6,637 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 300000·500/6,637 × 10⁸ = 0,226 mm

Ответ

δ = 0,226 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 223,8 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 46,77 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Наибольшее напряжение

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

σmax = 223,8 MPa

Ответ

σmax = 223,8 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 3,29 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 1·4000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/4000² = 3290 N = 3,29 kN

Ответ

Pcr = 3,29 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 17,27 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Ответ

σcr = 17,27 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 1,845 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 = √(4000/25) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,013·√(1 − 0,4²) = 1,845 Hz

Ответ

fd = 1,845 Hz
12.Механические колебания

Ответ: fn = 3,699 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 = 25 + 12 = 37 kN/m
keq = 37·100/(37 + 100) = 27,01 kN/m

Собственная частота

ωn = √(27007/50) = 23,24 rad/s
fn = 23,24/(2π) = 3,699 Hz

Ответ

fn = 3,699 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design