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​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

Шкив 100 mm с частотой 1440 rpm приводит ремнём шкив 250 mm при проскальзывании 2,5 %. Найдите частоту вращения n2 ведомого шкива.

n1 = 1440 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 15B = 60C = 45D = 80

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (15 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1450 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (45 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (80 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1450 rpmA = 15B = 60C = 45D = 80
nout = rpm
3.Кручение валовСредняя
do​ = 75, di​ = 56 mmT = 1500 N·mL = 0,5 m

Полый вал (латунь; наружный диаметр 75 mm, внутренний диаметр 56 mm, длина 0,5 m) заделан с одного конца и закручивается моментом 1500 N·m на другом. Найдите угол закручивания φ в градусах.

T = 1500 N·mdo = 75 mmdi = 56 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
Td = ?

Сплошной вал должен передавать 20 kW при 1500 об/мин, а касательное напряжение не должно превышать 40 MPa. Найдите наименьший подходящий диаметр d.

P = 20 kWN = 1500 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
σx​ = 100MPaτxy​ = ?

В точке σₓ = 100 MPa и σᵧ = 0 MPa. До какой величины может возрасти касательное напряжение τxy (по модулю), прежде чем наибольшее главное напряжение достигнет 155 MPa?

σx = 100 MPaσy = 0 MPaσ1 = 155 MPa
τxy = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​ = 160σy​ = −20τxy​ = −10MPa

В точке нагруженной детали σₓ = 160 MPa, σᵧ = −20 MPa и τₓᵧ = −10 MPa (растяжение положительно). Найдите касательное напряжение τθ на площадке, нормаль к которой повёрнута на 60° против часовой стрелки от оси x (положительное в том же смысле, что и τₓᵧ).

σx = 160 MPaσy = −20 MPaτxy = −10 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
250 kNØ30110 GPaØ100/60500 mmδ = ?

Стержень (сталь) диаметром 30 mm и E = 200 GPa находится внутри трубы (бронза) с наружным диаметром 100 mm, внутренним диаметром 60 mm и E = 110 GPa. Длина обоих — 500 mm, и они вместе сжимаются между жёсткими плитами силой 250 kN. Найдите укорочение δ.

P = 250 kNстержень: Ø30 mm, E = 200 GPaтруба: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
P = ?Ø40100 GPaØ80/50500 mm

Стержень (сталь) диаметром 40 mm с E = 200 GPa и допускаемым напряжением 200 MPa находится внутри трубы (латунь) с наружным диаметром 80 mm, внутренним диаметром 50 mm, E = 100 GPa и допускаемым напряжением 50 MPa. Они вместе сжимаются между жёсткими плитами. Найдите наибольшую нагрузку Pmax.

стержень: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaтруба: Ø80/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 md = 50 mmпоперечное сечение

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 6 md = 60 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и шарнирно оперта вверху. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 6 mE = 70 GPa (алюминий)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 40 kN/mc = 680 N·s/mm = 8 kg

Груз массой 8 kg опирается на пружину жёсткостью 40 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 680 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 8 kgk = 40 kN/mc = 680 N·s/m
ζ =
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 60k2​ = 30m = 5 kg

Груз массой 5 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 60 kN/m, у нижней k₂ = 30 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: n2 = 561,6 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

1440·100/250 = 576 rpm

С проскальзыванием

n2 = 576·0,975 = 561,6 rpm

Ответ

n2 = 561,6 rpm
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 203,9 rpm

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Первая ступень

nB = 1450·15/60 = 362,5 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 362,5·45/80 = 203,9 rpm

Ответ

nout = 203,9 rpm

общее передаточное отношение = 7,111 : 1

3.Кручение валов

Ответ: φ = 0,5147 °

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(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Угол закручивания

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1,5 × 10⁶·500/(39000·2,141 × 10⁶) = 0,008983 rad
φ = 0,008983·180/π = 0,5147°

Ответ

φ = 0,5147°
4.Кручение валов

Ответ: d = 25,31 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 20000/157,1 = 127,3 N·m

Диаметр по допускаемому напряжению

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·40)) = 25,31 mm

Ответ

d = 25,31 mm

На практике округляют до ближайшего большего стандартного размера.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τxy = 92,33 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 = (100 + 0)/2 = 50 MPa
R = σ1 − C = 155 − 50 = 105 MPa
στxyCσ1​σ2​

Касательное напряжение

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(105² − 50²) = 92,33 MPa

Ответ

τxy = 92,33 MPa
6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τθ = −72,94 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

τθ = −90·0,866 + −10·−0,5 = −72,94 MPa

Ответ

τθ = −72,94 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: δ = 0,18 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·5027 = 6,943 × 10⁸ N

Укорочение

δ = 250000·500/6,943 × 10⁸ = 0,18 mm

Ответ

δ = 0,18 mm
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: Pmax = 278,8 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Суммарная осевая жёсткость

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·3063 = 5,576 × 10⁸ N

Определяющая деформация

ε = min(0,001, 0,0005) = 0,0005 (латунь)

Наибольшая нагрузка

Pmax = 0,0005·5,576 × 10⁸ = 278816 N = 278,8 kN

Ответ

Pmax = 278,8 kN
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 197,7 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Расчётная длина

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1750² = 197744 N = 197,7 kN

Ответ

Pcr = 197,7 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 8,812 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 = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/15 = 280

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/280² = 8,812 MPa

Ответ

σcr = 8,812 MPa
11.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,601

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·√(40000·8) = 1131 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 680/1131 = 0,601

Ответ

ζ = 0,601

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

12.Механические колебания

Ответ: keq = 20 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 = 1/60 + 1/30 → keq = 60·30/(60 + 30) = 20 kN/m

Ответ

keq = 20 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design