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​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 720 rpm приводит ремнём шкив 300 mm при проскальзывании 2,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 300 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 120 mm с частотой 720 rpm со шкивом 300 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,35, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmd2 = 300 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 500 N
P = kW
3.Кручение валовСредняя
d1​ = 50 mmd2​ = 40 mmT = 750 N·mABC1,5 m0,8 m

Ступенчатый сплошной вал (латунь) заделан в A. Участок AB имеет диаметр 50 mm и длину 1,5 m; участок BC — диаметр 40 mm и длину 0,8 m. На свободном конце C действует крутящий момент 750 N·m. Найдите угол закручивания φC конца C в градусах.

T = 750 N·md1 = 50 mm, L1 = 1,5 md2 = 40 mm, L2 = 0,8 mG = 39 GPa
φC = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 30 kW при 1450 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 80 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 30 kWN = 1450 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = −40σy​ = −20τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −40 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите угол θp от оси x до направления наибольшего главного напряжения в пределах от −90° до 90°.

σx = −40 MPaσy = −20 MPaτxy = −10 MPa
θp = °
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −50σy​ = −60τxy​ = −30MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −50 MPa, σᵧ = −60 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 = −50 MPaσy = −60 MPaτxy = −30 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 10 mmСталь0,5 mP = 95 kN

Найдите осевую деформацию ε в стержне (сталь) в микродеформациях (µε = 10⁻⁶).

P = 95 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 35 mmСталь1,5 mØ 16 mmАлюминий2 mP = 75 kN

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

P = 75 kNучасток 1: Ø35 mm, 1,5 m, сталь (E = 200 GPa)участок 2: Ø16 mm, 2 m, алюминий (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 4 md = 80 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)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 125 kNL = 5 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 125 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2. Найдите наименьший диаметр d.

P = 125 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (алюминий)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
tx50 mm1 цикл26,6 mm

При испытании системы «масса–пружина» с демпфированием на свободные колебания за пиком смещения 50 mm через один цикл следует пик 26,6 mm. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

x0 = 50 mmx1 = 26,6 mmn = 1
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 30k3​ = 5m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на пружине k₃ = 5 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 5 kN/m и k₂ = 30 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 234 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

720·100/300 = 240 rpm

С проскальзыванием

n2 = 240·0,975 = 234 rpm

Ответ

n2 = 234 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 1,407 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.

Угол обхвата

θ = 2,78 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,9729 = 2,646, T₂ = 500/2,646 = 189 N

Мощность

P = (500 − 189)·4,524 = 1,407 kW

Ответ

P = 1,407 kW
3.Кручение валов

Ответ: φC = 6,201 °

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.

Полярные моменты инерции

J1 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания каждого участка

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 750000·1500/(39000·613592) = 0,04701 rad
φBC = 750000·800/(39000·251327) = 0,06121 rad

Полный угол закручивания

φC = 0,04701 + 0,06121 = 0,1082 rad = 6,201°

Ответ

φC = 6,201°
4.Кручение валов

Ответ: d = 23,26 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 30000/151,8 = 197,6 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·197572/(π·80)) = 23,26 mm

Ответ

d = 23,26 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: θp = −67,5 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Угол на круге

На круге Мора точка x лежит под углом 2θp к оси σ; четверть определяется знаками σₓ − σᵧ и τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−10, −40 − −20) = −135°

Угол на элементе

θp = −67,5°

Ответ

θp = −67,5°

Положительные углы отсчитываются против часовой стрелки.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = −81,48 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 = −55 + 5·0,342 + −30·0,9397 = −81,48 MPa

Ответ

σθ = −81,48 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: ε = 6048 µε

Закон Гука: в упругой области σ = E·ε. Вместе с σ = P/A и ε = δ/L это даёт δ = PL/(AE).

Напряжение

A = π·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 95·1000/78,54 = 1210 MPa

Деформация (закон Гука)

E for сталь = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 1210/200000 = 0,006048 = 6048 µε

Ответ

ε = 6048 µε
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 11,24 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 77,95 MPa
σ2 = 373 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 77,95·1500/200000 = 0,5847 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 373·2000/70000 = 10,66 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,24 mm

Ответ

δ = 11,24 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 248,1 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 = 1·4000 = 4000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/4000² = 248050 N = 248,1 kN

Ответ

Pcr = 248,1 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 97,48 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 = 2·125000 = 250000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·3500²/(π³·70000))^(1/4) = 97,48 mm

Ответ

d = 97,48 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 143,6, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,09994

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(50/26,6) = 0,6311

Коэффициент демпфирования

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6311/√(39,48 + 0,3983) = 0,09994

Ответ

ζ = 0,09994
12.Механические колебания

Ответ: fn = 4,708 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 = 5 + 30 = 35 kN/m
keq = 35·5/(35 + 5) = 4,375 kN/m

Собственная частота

ωn = √(4375/5) = 29,58 rad/s
fn = 29,58/(2π) = 4,708 Hz

Ответ

fn = 4,708 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design