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​ = 80 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Шкив 80 mm с частотой 1450 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 1,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1450 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 250 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 750 N·md = 50 mmL = 0,5 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 = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Tdo​ = 80 mm, di​ = 48 mm

Полый вал передаёт 30 kW при 500 об/мин. Найдите наибольшее касательное напряжение τmax в валу.

P = 30 kWN = 500 rpmdo = 80 mmdi = 48 mm
τmax = MPa
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 120σy​ = 100MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 120 MPa и σᵧ = 100 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 160 MPa?

σx = 120 MPaσy = 100 MPaσ1 = 160 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = −80σy​ = 20τxy​ = 60MPa

В точке нагруженной детали σₓ = −80 MPa, σᵧ = 20 MPa и τₓᵧ = 60 MPa (растяжение положительно). Найдите нормальное напряжение σθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 45° против часовой стрелки от оси x.

σx = −80 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
Ø 16 mmАлюминий2 mP = 40 kN

Найдите удлинение δ стержня (алюминий) под действием осевой нагрузки.

P = 40 kNd = 16 mmL = 2 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 30 mmАлюминий2 mØ 16 mmЛатунь2 mP = 90 kN

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

P = 90 kNучасток 1: Ø30 mm, 2 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø16 mm, 2 m, латунь (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 5 md = 20 mmпоперечное сечение

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

L = 5 mE = 200 GPa (сталь)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
P = 105 kNL = 4 md = ?поперечное сечение

Сплошная круглая колонна длиной L из материала (сталь) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Она должна выдерживать 105 kN с коэффициентом запаса устойчивости 2,5. Найдите наименьший диаметр d.

P = 105 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (сталь)
d = mm
11.Механические колебанияСредняя
k = 10 kN/mc = 70 N·s/mm = 50 kg

Груз массой 50 kg опирается на пружину жёсткостью 10 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 70 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 50 kgk = 10 kN/mc = 70 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 100m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 12 kN/m, у нижней k₂ = 100 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 457 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

1450·80/250 = 464 rpm

С проскальзыванием

n2 = 464·0,985 = 457 rpm

Ответ

n2 = 457 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 169,7 °

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(0,09) = 5,164°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·5,164 = 169,7°

Ответ

θ = 169,7°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 0,8979 °

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) = 750·1000·500/(39000·613592) = 0,01567 rad
φ = 0,01567·180/π = 0,8979°

Ответ

φ = 0,8979°
4.Кручение валов

Ответ: τmax = 6,548 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 = 30000/52,36 = 573 N·m

Полярный момент инерции

J = π(80⁴ − 48⁴)/32 = 3,5 × 10⁶ mm⁴

Наибольшее касательное напряжение

τmax = T·(do/2)/J = 572958·40/3,5 × 10⁶ = 6,548 MPa

Ответ

τmax = 6,548 MPa
5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 48,99 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 = (120 + 100)/2 = 110 MPa
R = σ1 − C = 160 − 110 = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 10²) = 48,99 MPa

Ответ

τxy = 48,99 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: σθ = 30 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 = −30 + −50·0 + 60·1 = 30 MPa

Ответ

σθ = 30 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 5,684 mm

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 40·1000/201,1 = 198,9 MPa

Деформация (закон Гука)

E for алюминий = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 198,9/70000 = 0,002842 = 2842 µε

Удлинение

δ = ε·L = 0,002842·2000 mm = 5,684 mm

Ответ

δ = 5,684 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 12,59 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 127,3 MPa
σ2 = 447,6 MPa

Сложите удлинения участков

δ1 = σ1L1/E1 = 127,3·2000/70000 = 3,638 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 447,6·2000/100000 = 8,952 mm
δ = δ1 + δ2 = 12,59 mm

Ответ

δ = 12,59 mm
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 2,481 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/2500² = 2481 N = 2,481 kN

Ответ

Pcr = 2,481 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: d = 67,89 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 = 2,5·105000 = 262500 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Выразите диаметр

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 67,89 mm

Ответ

d = 67,89 mm

Проверка: гибкость KL/r равна 165, поэтому колонна гибкая и формула Эйлера применима.

11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,0495

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·√(10000·50) = 1414 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 70/1414 = 0,0495

Ответ

ζ = 0,0495

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

12.Механические колебания

Ответ: keq = 10,71 kN/m

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 = 1/12 + 1/100 → keq = 12·100/(12 + 100) = 10,71 kN/m

Ответ

keq = 10,71 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design