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​N2​ = ?

Два параллельных вала расположены на расстоянии 150 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 2,5 mm и передаточным отношением 3 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N2 должно иметь колесо?

a = 150 mmm = 2,5 mmi = 3
N2 =
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1500 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 80 mm и шкив 200 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 500 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 1000 N·md = 40 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 = 1000 N·md = 40 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 40 mm, di​ = 24 mm

Полый вал передаёт 75 kW при 500 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 75 kWN = 500 rpmdo = 40 mmdi = 24 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −60σy​ = 0τxy​ = 10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = 0 MPa и τₓᵧ = 10 MPa (растяжение положительно). Найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

σx = −60 MPaσy = 0 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −60σy​ = −20τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −60 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 50° против часовой стрелки от оси x.

σx = −60 MPaσy = −20 MPaτxy = −10 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12600 mm400 mmØ40Ø40δ = 0,5 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 40 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 40 mm, длиной 400 mm и E = 120 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, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø40 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmАлюминий1 mØ 12 mmЛатунь0,5 mP = 80 kN

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

P = 80 kNучасток 1: Ø30 mm, 1 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø12 mm, 0,5 m, латунь (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 md = 80 mmпоперечное сечение

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 6 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 6 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
tx15 mm1 цикл12,4 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 15 mm через один цикл следует пик 12,4 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 15 mmx1 = 12,4 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 100k3​ = 50m = 20 kg

Груз массой 20 kg висит на пружине k₃ = 50 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 12 kN/m и k₂ = 100 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: N2 = 90

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.

Суммарное число зубьев

N1 + N2 = 2a/m = 2·150/2,5 = 120

Делим по передаточному отношению

N1 = 120/(1 + 3) = 30
N2 = 3·30 = 90

Ответ

N2 = 90
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 166,2 °

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(0,12) = 6,892°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·6,892 = 166,2°

Ответ

θ = 166,2°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 11,69 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2000/(39000·251327) = 0,204 rad
φ = 0,204·180/π = 11,69°

Ответ

φ = 11,69°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 131 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 75000/52,36 = 1432 N·m

Полярный момент инерции

J = π(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 1,432 × 10⁶·20/218755 = 131 MPa

Ответ

τmax = 131 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 31,62 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.

στxyCτmax​

Радиус круга Мора

τmax = R = √(((−60 − 0)/2)² + 10²) = 31,62 MPa

Ответ

τmax = 31,62 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −46,38 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 + −20·−0,1736 + −10·0,9848 = −46,38 MPa

Ответ

σθ = −46,38 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 99,21 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 = 1257 mm², A₂ = 1257 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·1257) = 2,653 × 10⁻⁶ mm/N

Нагрузка

P = 0,5/5,04 × 10⁻⁶ = 99208 N = 99,21 kN

Ответ

P = 99,21 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 5,154 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 113,2 MPa
σ2 = 707,4 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 113,2·1000/70000 = 1,617 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 707,4·500/100000 = 3,537 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,154 mm

Ответ

δ = 5,154 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 55,56 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·2500 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/5000² = 55563 N = 55,56 kN

Ответ

Pcr = 55,56 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 34,27 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/12,5 = 240

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/240² = 34,27 MPa

Ответ

σcr = 34,27 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,03028

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 = (1/1)·ln(15/12,4) = 0,1904

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1904/√(39,48 + 0,03623) = 0,03028

Ответ

ζ = 0,03028
12.Механические колебания

Ответ: fn = 6,617 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 + 100 = 112 kN/m
keq = 112·50/(112 + 50) = 34,57 kN/m

Собственная частота

ωn = √(34568/20) = 41,57 rad/s
fn = 41,57/(2π) = 6,617 Hz

Ответ

fn = 6,617 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design