تصميم الآلات: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدة العودة 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

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

دائرة مور وتحويل الإجهاد

المركز: C = (σ_x + σ_y)/2
نصف القطر: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
الإجهادات الرئيسية: σ_1,2 = C ± R
الاتجاه الرئيسي: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
مستوى مائل: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

الطريقة

احسب مركز دائرة مور: C = (σx + σy)/2.
احسب نصف القطر: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
الإجهادان الرئيسيان هما C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R.
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: ε_T = α·ΔT

انبعاج الأعمدة

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

الاهتزازات الميكانيكية

التردد الطبيعي: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
من الانحراف الاستاتيكي: ω_n = √(g/δ_st)
التخميد الحرج: c_c = 2√(km) = 2mω_n
نسبة التخميد: ζ = c/c_c
التردد المخمَّد: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
التناقص اللوغاريتمي: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), 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

محرك قدرته 7,5 kW يعمل بسرعة 1500 rpm يدير ترسًا صغيرًا (بنيون) له 50 سنًّا، يتعشّق مع ترس له 72 سنًّا. كفاءة زوج التروس 97%. أوجد عزم الخرج T₂ على عمود الترس.

P = 7,5 kWn₁ = 1500 rpmN₁ = 50N₂ = 72η = 97%

T₂ = N·m

2.التروس ومجموعات التروسصعبة

في مجموعة تروس مركّبة، يدير الترس A (45 سنًّا) المثبّت على عمود الدخل الدائر بسرعة 1450 rpm الترسَ B (80 سنًّا). الترس C (40 سنًّا) مثبّت على عمود B نفسه ويدير الترس D (72 سنًّا) على عمود الخرج. أوجد سرعة الخرج n_out.

n_in = 1450 rpmA = 45B = 80C = 40D = 72

n_out = rpm

3.التواء الأعمدةمتوسطة

عمود مجوّف من الفولاذ (قطره الخارجي 80 mm، وقطره الداخلي 60 mm، وطوله 1,2 m) مثبَّت عند أحد طرفيه ويُلوى بعزم 1000 N·m عند الطرف الآخر. أوجد زاوية الالتواء φ بالدرجات.

T = 1000 N·md_o = 80 mmd_i = 60 mmL = 1,2 mG = 80 GPa

φ = °

4.التواء الأعمدةصعبة

عمود مجوّف ينقل 100 kW عند 1450 rpm. أوجد أقصى إجهاد قص τ_max في العمود.

P = 100 kWN = 1450 rpmd_o = 80 mmd_i = 56 mm

τ_max = MPa

5.دائرة مور وتحويل الإجهادمتوسطة

عند نقطة σₓ = 110 MPa و σᵧ = −30 MPa. إلى أيّ حد يمكن أن يكبر إجهاد القص τ_xy (مقداره) قبل أن يبلغ أكبر إجهاد رئيسي 135 MPa؟

σ_x = 110 MPaσ_y = −30 MPaσ₁ = 135 MPa

τ_xy = MPa

6.دائرة مور وتحويل الإجهادصعبة

نقطة في جزء محمَّل فيها σₓ = 120 MPa و σᵧ = 20 MPa و τₓᵧ = 20 MPa (الشدّ موجب). أوجد الإجهاد العمودي σ_θ على مستوى يدور العمودي عليه بزاوية 60° عكس عقارب الساعة من المحور x.

σ_x = 120 MPaσ_y = 20 MPaτ_xy = 20 MPaθ = 60°

σ_θ = MPa

7.الإجهاد والانفعال المحوريمتوسطة

أوجد استطالة δ قضيب الفولاذ تحت الحمل المحوري.

P = 95 kNd = 25 mmL = 3 mE = 200 GPa

δ = mm

8.الإجهاد والانفعال المحوريصعبة

مقطع الفولاذ (القطر 20 mm والطول 400 mm وE = 200 GPa) ومقطع من النحاس الأصفر (القطر 30 mm والطول 300 mm وE = 100 GPa) موصولان طرفًا بطرف ومثبتان بين جدارين صلبين. يؤثر حمل محوري 60 kN عند الوصلة باتجاه المقطع 2. أوجد مقدار الإجهاد σ₂ في المقطع 2.

المقطع 1: الفولاذ, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaالمقطع 2: النحاس الأصفر, Ø30 mm, 300 mm, E = 100 GPaP = 60 kN

σ₂ = MPa

9.انبعاج الأعمدةمتوسطة

عمود طوله L من الفولاذ مثبَّت عند القاعدة ومفصلي عند القمة. باستخدام صيغة أويلر أوجد حمل الانبعاج الحرج P_cr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (الفولاذ)b × h = 20 × 60 mm

P_cr = kN

10.انبعاج الأعمدةصعبة

عمود طوله L من الألومنيوم مثبَّت عند القاعدة وحرّ عند القمة. أوجد نحافته وإجهاد الانبعاج الحرج σ_cr من صيغة أويلر.

L = 2 mE = 70 GPa (الألومنيوم)d = 40 mm

σ_cr = MPa

11.الاهتزازات الميكانيكيةمتوسطة

كتلة 8 kg يحملها نابض جساءته 100 kN/m ومخمِّد لزج معامل تخميده 1070 N·s/m. أوجد نسبة التخميد ζ.

m = 8 kgk = 100 kN/mc = 1070 N·s/m

ζ =

12.الاهتزازات الميكانيكيةصعبة

كتلة 100 kg معلّقة بنابضين موصولين طرفًا بطرف (على التوالي): النابض العلوي k₁ = 12 kN/m والسفلي k₂ = 25 kN/m. أهمل التخميد وكتل النوابض. أوجد التردد الطبيعي f_n للاهتزاز الرأسي بالـ Hz.

m = 100 kgk₁ = 12 kN/mk₂ = 25 kN/m

f_n = Hz

3المحاليل

1.التروس ومجموعات التروس

الإجابة: T₂ = 66,69 N·m

مجموعات التروس: للتروس المتعشّقة السرعة نفسها عند الأسنان، لذا n₁·N₁ = n₂·N₂: الترس ذو الأسنان الأقل يدور أسرع. التروس المثبّتة على عمود واحد تدور بالسرعة نفسها. تُنقل القدرة (مطروحًا منها الفواقد)، لذا يرتفع العزم عندما تنخفض السرعة: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η، و P = T·ω حيث ω = 2π·n/60.

عزم المحرك

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 7500/157,1 = 47,75 N·m

عزم الخرج

T₂ = 47,75·72/50·0,97 = 66,69 N·m

الإجابة

T₂ = 66,69 N·m

2.التروس ومجموعات التروس

الإجابة: n_out = 453,1 rpm

المرحلة الأولى

n_B = 1450·45/80 = 815,6 rpm = n_C

المرحلة الثانية

n_out = 815,6·40/72 = 453,1 rpm

الإجابة

n_out = 453,1 rpm

النسبة الكلية = 3,2 : 1

3.التواء الأعمدة

الإجابة: φ = 0,3126 °

التواء الأعمدة الدائرية: يزداد إجهاد القص خطيًا من الصفر في المركز إلى τ_max = T·r/J عند السطح، مع J = πd⁴/32 للعمود المصمت و J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32 للمجوّف. زاوية الالتواء φ = TL/(GJ) بالراديان. ترتبط القدرة والعزم بـ P = T·ω.

عزم القصور القطبي

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2,749 × 10⁶ mm⁴

زاوية الالتواء

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm

L = 1,2 m = 1200 mm

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·1200/(80000·2,749 × 10⁶) = 0,005457 rad

φ = 0,005457·180/π = 0,3126°

الإجابة

φ = 0,3126°

4.التواء الأعمدة

الإجابة: τ_max = 8,621 MPa

العزم

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s

T = P/ω = 100000/151,8 = 658,6 N·m

عزم القصور القطبي

J = π(80⁴ − 56⁴)/32 = 3,056 × 10⁶ mm⁴

أقصى إجهاد قص

τ_max = T·(d_o/2)/J = 658572·40/3,056 × 10⁶ = 8,621 MPa

الإجابة

τ_max = 8,621 MPa

5.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: τ_xy = 64,23 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.

نصف القطر المطلوب

C = (110 + (−30))/2 = 40 MPa

R = σ₁ − C = 135 − 40 = 95 MPa

إجهاد القص

τ_xy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(95² − 70²) = 64,23 MPa

الإجابة

τ_xy = 64,23 MPa

6.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: σ_θ = 62,32 MPa

معادلة التحويل

σ_θ = 70 + 50·−0,5 + 20·0,866 = 62,32 MPa

الإجابة

σ_θ = 62,32 MPa

7.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: δ = 2,903 mm

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 = 95·1000/490,9 = 193,5 MPa

الانفعال (قانون هوك)

E for الفولاذ = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 193,5/200000 = 0,0009677 = 967,7 µε

الاستطالة

δ = ε·L = 0,0009677·3000 mm = 2,903 mm

الإجابة

δ = 2,903 mm

8.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: σ₂ = 50,93 MPa

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، P_i = P·E_iA_i/ΣEA، وσ_i = E_i·ε. القضيب المثبت بين جدارين صلبين مع حمل عند الوصلة غير محدد استاتيكيًا: يتقاسم المقطعان الحمل بنسبة صلابتيهما k = EA/L.

الصلابات

k₁ = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm

k₂ = 100000·706,9/300 = 235619 N/mm

حصة المقطع 2

F₂ = 60000·235619/392699 = 36000 N

الإجهاد

σ₂ = 36000/706,9 = 50,93 MPa (ضغط)

الإجابة

σ₂ = 50,93 MPa

9.انبعاج الأعمدة

الإجابة: P_cr = 71,62 kN

انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند P_cr = 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

ينبعج المستطيل حول محوره الضعيف، باستخدام مكعّب البُعد الأصغر.

I_min = h·b³/12 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

الطول الفعّال

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

الحمل الحرج

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/1050² = 71616 N = 71,62 kN

الإجابة

P_cr = 71,62 kN

10.انبعاج الأعمدة

الإجابة: σ_cr = 4,318 MPa

أصغر عزم قصور ذاتي

للمقطع الدائري I نفسه حول أي محور.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

نصف قطر الدوران والنحافة

A = 1257 mm²

r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm

KL = 2·2000 = 4000 mm

KL/r = 4000/10 = 400

الإجهاد الحرج

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

الإجابة

σ_cr = 4,318 MPa

11.الاهتزازات الميكانيكية

الإجابة: ζ = 0,5981

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

التخميد الحرج

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(100000·8) = 1789 N·s/m

نسبة التخميد

ζ = c/c_c = 1070/1789 = 0,5981

الإجابة

ζ = 0,5981

ζ < 1، لذا النظام تحت المخمَّد ويهتزّ وهو يضمحلّ.

12.الاهتزازات الميكانيكية

الإجابة: f_n = 1,433 Hz

الجساءة المكافئة

النوابض على التوالي تتشارك القوة نفسها وتُجمع انحرافاتها، لذا تُدمج بمقلوباتها: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

1/k_eq = 1/12 + 1/25 → k_eq = 12·25/(12 + 25) = 8,108 kN/m

التردد الطبيعي

ω_n = √(8108/100) = 9,005 rad/s

f_n = 9,005/(2π) = 1,433 Hz

الإجابة

f_n = 1,433 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design