تصميم الآلات: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و12 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

التروس ومجموعات التروس

تروس متعشّقة
n1·N1 = n2·N2
العزم
T2 = T1·(N2/N1)·η
القدرة
P = T·ω, ω = 2π·n/60
مجموعة تروس مركّبة
النسبة الكلية = حاصل ضرب نسب المراحل

التواء الأعمدة

إجهاد القص
τ = T·r/J
عمود مصمت
J = πd⁴/32
عمود مجوّف
J = π(D⁴ − d⁴)/32
زاوية الالتواء
φ = TL/(GJ)
القدرة
P = T·ω = 2πnT/60

الطريقة

  1. أوجد عزم القصور القطبي للمساحة: J = πd⁴/32 لعمود مصمت.
  2. إجهاد القص عند السطح: τ = T·r/J، حيث r نصف القطر الخارجي.
  3. زاوية الالتواء: φ = TL/(GJ) بالراديان.
  4. إذا أُعطيت القدرة، أوجد العزم أولًا من P = T·ω، حيث ω = 2πn/60.

دائرة مور وتحويل الإجهاد

المركز
C = (σx + σy)/2
نصف القطر
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
الإجهادات الرئيسية
σ1,2 = C ± R
الاتجاه الرئيسي
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
مستوى مائل
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

الطريقة

  1. احسب مركز دائرة مور: C = (σx + σy)/2.
  2. احسب نصف القطر: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. الإجهادان الرئيسيان هما C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R.
  4. الزوايا على الدائرة ضعف الزوايا على العنصر: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

الإجهاد والانفعال المحوري

الإجهاد العمودي
σ = F/A
الانفعال
ε = ΔL/L
قانون هوك
σ = E·ε
الاستطالة
ΔL = FL/(EA)
الانفعال الحراري
εT = α·ΔT

انبعاج الأعمدة

حمل أويلر
Pcr = π²EI/(KL)²
معامل الطول الفعّال
K = 1 مفصلي–مفصلي، 0,5 مثبَّت–مثبَّت، 0,7 مثبَّت–مفصلي، 2 مثبَّت–حرّ
الإجهاد الحرج
σcr = Pcr/A
النحافة
λ = KL/r, r = √(I/A)

الاهتزازات الميكانيكية

التردد الطبيعي
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
من الانحراف الاستاتيكي
ωn = √(g/δst)
التخميد الحرج
cc = 2√(km) = 2mωn
نسبة التخميد
ζ = c/cc
التردد المخمَّد
ωd = ωn√(1 − ζ²)
التناقص اللوغاريتمي
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
نوابض على التوازي
k = k1 + k2
نوابض على التوالي
1/k = 1/k1 + 1/k2

2مسائل تدريبية

1.التروس ومجموعات التروسمتوسطة
N1​ = 25, m = 4 mm

محرّك قدرته 22 kW يعمل بسرعة 960 rpm يدير ترسًا صغيرًا له 25 سنًّا وموديول 4 mm. أوجد القوة المماسية Ft على أسنان الترس الصغير.

P = 22 kWn = 960 rpmN1 = 25m = 4 mm
Ft = N
2.التروس ومجموعات التروسصعبة
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 1200 mmθ = ?

يصل سير مفتوح بين بكرة قطرها 80 mm وبكرة قطرها 315 mm والمسافة بين مركزيهما 1200 mm. أوجد زاوية الالتفاف θ على البكرة الأصغر بالدرجات.

d1 = 80 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
3.التواء الأعمدةمتوسطة
T = 400 N·md = 50 mmL = 2,5 mφ = ?

عمود مصمت من النحاس الأصفر مثبَّت في الجدار ويُلوى بعزم T عند طرفه الحر. أوجد زاوية التواء φ الطرف الحر بالدرجات.

T = 400 N·md = 50 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.التواء الأعمدةصعبة
Td = ?

يجب أن ينقل عمود مصمت 50 kW عند 1000 rpm دون أن يتجاوز إجهاد القص 60 MPa. أوجد أصغر قطر مناسب d.

P = 50 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.دائرة مور وتحويل الإجهادمتوسطة
σx​ = −10σy​ = −40τxy​ = 30MPa

عند نقطة σₓ = −10 MPa، σᵧ = −40 MPa و τₓᵧ = 30 MPa (الشد موجب). يُدار العنصر 30° باتجاه عقارب الساعة. أوجد الإجهاد العمودي σy′ على أوجه العنصر المُدار العمودية على المحور المُدار y′.

σx = −10 MPaσy = −40 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.دائرة مور وتحويل الإجهادصعبة
35°D = 500 mm, t = 6 mm, p = 2,5 MPap

خزان أسطواني رقيق الجدار قطره الداخلي 500 mm وسُمك جداره 6 mm يحتوي غازًا عند ضغط مقيس 2,5 MPa. وهو مصنوع من لوح ملحوم على طول درز حلزوني يميل بزاوية 35° عن محور الأسطوانة. أوجد الإجهاد العمودي σn المؤثّر عبر درز اللحام.

D = 500 mmt = 6 mmp = 2,5 MPaα = 35°
σn = MPa
7.الإجهاد والانفعال المحوريمتوسطة
Ø 25 mmالنحاس الأصفر1,5 mP = 15 kN

أوجد الانفعال المحوري ε في قضيب النحاس الأصفر، بوحدة الميكرو انفعال (µε = 10⁻⁶).

P = 15 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.الإجهاد والانفعال المحوريصعبة
P = ?Ø30120 GPaØ100/70500 mm

قضيب من الفولاذ (القطر 30 mm وE = 200 GPa والإجهاد المسموح 150 MPa) داخل أنبوب من النحاس (القطر الخارجي 100 mm والقطر الداخلي 70 mm وE = 120 GPa والإجهاد المسموح 100 MPa). يُضغطان معًا بين لوحين صلبين. أوجد أكبر حمل Pmax.

القضيب: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaالأنبوب: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.انبعاج الأعمدةمتوسطة
PL = 1,5 md = 50 mmالمقطع العرضي

عمود طوله L من الألومنيوم مفصلي الطرفين. باستخدام صيغة أويلر أوجد حمل الانبعاج الحرج Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (الألومنيوم)d = 50 mm
Pcr = kN
10.انبعاج الأعمدةصعبة
P = 15 kNL = 3 md = ?المقطع العرضي

عمود دائري مصمت طوله L من الفولاذ مثبَّت الطرفين. يجب أن يحمل 15 kN بمعامل أمان 2,5 ضد الانبعاج. أوجد أصغر قطر d.

P = 15 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (الفولاذ)
d = mm
11.الاهتزازات الميكانيكيةمتوسطة
k = 40 kN/mζ = 0,3m = 80 kg

كتلة 80 kg على نابض جساءته 40 kN/m لها مخمِّد لزج يعطي نسبة تخميد 0,3. أوجد التردد الطبيعي المخمَّد fd لاهتزازها الحر بالـ Hz.

m = 80 kgk = 40 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.الاهتزازات الميكانيكيةصعبة
k1​ = 100k2​ = 40m = 100 kg

كتلة 100 kg معلّقة بنابضين متجاورين (على التوازي)، جساءتاهما k₁ = 100 kN/m و k₂ = 40 kN/m. تبقى الكتلة أفقية. أوجد الجساءة المكافئة keq لنظام النوابض بالـ kN/m.

m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3المحاليل

1.التروس ومجموعات التروس

الإجابة: Ft = 4377 N

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.

العزم على الترس الصغير

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 22000/100,5 = 218,8 N·m

قطر الخطوة

d = m·N = 4·25 = 100 mm

القوة المماسية

Ft = 2T/d = 2·218,8/0,1 = 4377 N

الإجابة

Ft = 4377 N
2.التروس ومجموعات التروس

الإجابة: θ = 168,8 °

نقل الحركة بالسيور: من دون انزلاق يكون لبكرتين سرعة الحافة نفسها v = π·d·n/60، إذن n₁·d₁ = n₂·d₂ ونسبة السرعة d₂/d₁. يجعل الانزلاق s البكرة المقودة أبطأ قليلًا: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). والقدرة المنقولة P = (T₁ − T₂)·v، حيث T₁ الشد في الجانب المشدود وT₂ في الجانب المرتخي. يحدّ الاحتكاك نسبة الشدّين: T₁/T₂ = eμθ، حيث θ زاوية التفاف السير بالراديان على البكرة الأصغر؛ ولسير مفتوح θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) حيث C المسافة بين المركزين.

زاوية السير

asin(0,09792) = 5,619°

زاوية الالتفاف

θ = 180 − 2·5,619 = 168,8°

الإجابة

θ = 168,8°
3.التواء الأعمدة

الإجابة: φ = 2,394 °

التواء الأعمدة الدائرية: يزداد إجهاد القص خطيًا من الصفر في المركز إلى τmax = T·r/J عند السطح، مع J = πd⁴/32 للعمود المصمت و J = π(do⁴ − di⁴)/32 للمجوّف. زاوية الالتواء φ = TL/(GJ) بالراديان. ترتبط القدرة والعزم بـ P = T·ω.

عزم القصور القطبي

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

زاوية الالتواء

φ = TL/(GJ) = 400·1000·2500/(39000·613592) = 0,04179 rad
φ = 0,04179·180/π = 2,394°

الإجابة

φ = 2,394°
4.التواء الأعمدة

الإجابة: d = 34,35 mm

التواء الأعمدة الدائرية: يزداد إجهاد القص خطيًا من الصفر في المركز إلى τmax = T·r/J عند السطح، مع J = πd⁴/32 للعمود المصمت و J = π(do⁴ − di⁴)/32 للمجوّف. زاوية الالتواء φ = TL/(GJ) بالراديان. ترتبط القدرة والعزم بـ P = T·ω.

العزم

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 50000/104,7 = 477,5 N·m

القطر من الإجهاد المسموح

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·477465/(π·60)) = 34,35 mm

الإجابة

d = 34,35 mm

عمليًا تقرّب إلى المقاس القياسي التالي.

5.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: σy′ = −6,519 MPa

تحويل الإجهاد المستوي: على مستوى مُدار بزاوية θ، σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. تُظهر دائرة مور جميع المستويات معًا: مركزها عند C = (σₓ + σᵧ)/2 ونصف قطرها R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). الإجهادات الرئيسية هي C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R.

معادلة التحويل للوجه y′

σy′ = −25 − 15·0,5 − 30·(−0,866) = −6,519 MPa

تحقّق

مجموع الإجهادات العمودية لا يتغيّر مع الدوران.

σx′ = −43,48 MPa, σx′ + σy′ = −50 = σx + σy

الإجابة

σy′ = −6,519 MPa
6.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: σn = 87,03 MPa

تحويل الإجهاد المستوي: على مستوى مُدار بزاوية θ، σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. تُظهر دائرة مور جميع المستويات معًا: مركزها عند C = (σₓ + σᵧ)/2 ونصف قطرها R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). الإجهادات الرئيسية هي C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R. الأسطوانة الرقيقة الجدار: الإجهاد المحيطي σh = pr/t والإجهاد المحوري σa = pr/(2t)؛ وهما الإجهادان الرئيسيان في الجدار.

إجهادات الجدار

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 2,5·250/6 = 104,2 MPa
σa = pr/(2t) = 52,08 MPa

التحويل إلى الدرز

خذ x على امتداد المحور (σa) و y على امتداد المحيط (σh). العمودي على الدرز يصنع 90° − α مع المحور.

σn = 52,08·sin²35° + 104,2·cos²35° = 87,03 MPa

الإجابة

σn = 87,03 MPa
7.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: ε = 305,6 µε

قانون هوك: في المدى المرن σ = E·ε. وبالجمع مع σ = P/A و ε = δ/L نحصل على δ = PL/(AE).

الإجهاد

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 15·1000/490,9 = 30,56 MPa

الانفعال (قانون هوك)

E for النحاس الأصفر = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 30,56/100000 = 0,0003056 = 305,6 µε

الإجابة

ε = 305,6 µε
8.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: Pmax = 466,5 kN

مادتان: على التوالي (الواحدة بعد الأخرى) يحمل كل مقطع القوة نفسها وتُجمع الاستطالات: δ = P·Σ L/(E·A). وعلى التوازي (جنبًا إلى جنب بين لوحين صلبين) ينضغط الجزآن بالمقدار نفسه، فتتساوى انفعالاتهما: الجزء الأكثر صلابة يأخذ حصة أكبر، Pi = P·EiAi/ΣEA، وσi = Ei·ε. القضيب المثبت بين جدارين صلبين مع حمل عند الوصلة غير محدد استاتيكيًا: يتقاسم المقطعان الحمل بنسبة صلابتيهما k = EA/L.

المساحات

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

الصلابة المحورية المشتركة

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·4006 = 6,22 × 10⁸ N

الانفعال الحاكم

ε = min(0,00075, 0,0008333) = 0,00075 (الفولاذ)

أكبر حمل

Pmax = 0,00075·6,22 × 10⁸ = 466527 N = 466,5 kN

الإجابة

Pmax = 466,5 kN
9.انبعاج الأعمدة

الإجابة: Pcr = 94,2 kN

انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند Pcr = π²EI/(KL)²، حيث KL الطول الفعّال: K = 1 لمفصلي–مفصلي، و 2 لمثبَّت–حرّ، و 0,7 لمثبَّت–مفصلي، و 0,5 لمثبَّت–مثبَّت. ينبعج حول المحور ذي أصغر I. تصحّ الصيغة للأعمدة النحيفة التي يبقى إجهادها الحرج دون إجهاد الخضوع.

أصغر عزم قصور ذاتي

للمقطع الدائري I نفسه حول أي محور.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

الطول الفعّال

KL = 1·1500 = 1500 mm

الحمل الحرج

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/1500² = 94203 N = 94,2 kN

الإجابة

Pcr = 94,2 kN
10.انبعاج الأعمدة

الإجابة: d = 30,55 mm

انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند Pcr = π²EI/(KL)²، حيث KL الطول الفعّال: K = 1 لمفصلي–مفصلي، و 2 لمثبَّت–حرّ، و 0,7 لمثبَّت–مفصلي، و 0,5 لمثبَّت–مثبَّت. ينبعج حول المحور ذي أصغر I. تصحّ الصيغة للأعمدة النحيفة التي يبقى إجهادها الحرج دون إجهاد الخضوع.

الحمل الحرج المطلوب

Pcr = n·P = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

حلّ لإيجاد القطر

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 30,55 mm

الإجابة

d = 30,55 mm

تحقّق: النحافة KL/r تساوي 196,4، لذا العمود نحيف وتنطبق صيغة أويلر.

11.الاهتزازات الميكانيكية

الإجابة: fd = 3,395 Hz

الاهتزاز الحر لنظام كتلة–نابض: التردد الطبيعي غير المخمَّد ωn = √(k/m) بالـ rad/s، و fn = ωn/(2π) بالـ Hz. المخمِّد اللزج c يعطي نسبة التخميد ζ = c/cc، مع التخميد الحرج cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. النظام تحت المخمَّد (ζ < 1) يهتزّ عند ωd = ωn·√(1 − ζ²). النوابض على التوازي تُجمع، k = k₁ + k₂؛ والنوابض على التوالي تُجمع مقلوباتها، 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

التردد الطبيعي غير المخمَّد

ωn = √(40000/80) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

التردد الطبيعي المخمَّد

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,3²) = 3,395 Hz

الإجابة

fd = 3,395 Hz
12.الاهتزازات الميكانيكية

الإجابة: keq = 140 kN/m

الاهتزاز الحر لنظام كتلة–نابض: التردد الطبيعي غير المخمَّد ωn = √(k/m) بالـ rad/s، و fn = ωn/(2π) بالـ Hz. المخمِّد اللزج c يعطي نسبة التخميد ζ = c/cc، مع التخميد الحرج cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. النظام تحت المخمَّد (ζ < 1) يهتزّ عند ωd = ωn·√(1 − ζ²). النوابض على التوازي تُجمع، k = k₁ + k₂؛ والنوابض على التوالي تُجمع مقلوباتها، 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

الجساءة المكافئة

النوابض المتجاورة تتشارك الانحراف وتُجمع قواها، لذا تُجمع جساءاتها مباشرة: k = k1 + k2.

keq = 100 + 40 = 140 kN/m

الإجابة

keq = 140 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design