Maschinenelemente: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 12 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Zahnräder & Zahnradgetriebe

Kämmende Zahnräder
n1·N1 = n2·N2
Drehmoment
T2 = T1·(N2/N1)·η
Leistung
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Mehrstufiges Getriebe
Gesamtübersetzung = Produkt der Stufenübersetzungen

Torsion von Wellen

Schubspannung
τ = T·r/J
Vollwelle
J = πd⁴/32
Hohlwelle
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Verdrehwinkel
φ = TL/(GJ)
Leistung
P = T·ω = 2πnT/60

Methode

  1. Bestimme das polare Flächenträgheitsmoment: J = πd⁴/32 für eine Vollwelle.
  2. Schubspannung am Rand: τ = T·r/J, mit dem Außenradius r.
  3. Verdrehwinkel: φ = TL/(GJ) im Bogenmaß.
  4. Ist die Leistung gegeben, bestimme zuerst das Drehmoment mit P = T·ω, ω = 2πn/60.

Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Mittelpunkt
C = (σx + σy)/2
Radius
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Hauptspannungen
σ1,2 = C ± R
Hauptrichtung
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Geneigter Schnitt
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Methode

  1. Berechne den Mittelpunkt des Mohrschen Kreises: C = (σx + σy)/2.
  2. Berechne den Radius: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.
  4. Winkel im Kreis sind doppelt so groß wie die Winkel am Element: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Normalspannung und Dehnung

Normalspannung
σ = F/A
Dehnung
ε = ΔL/L
Hookesches Gesetz
σ = E·ε
Verlängerung
ΔL = FL/(EA)
Wärmedehnung
εT = α·ΔT

Knicken von Stützen

Eulersche Knicklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Knicklängenbeiwert
K = 1 gelenkig–gelenkig, 0,5 eingespannt–eingespannt, 0,7 eingespannt–gelenkig, 2 eingespannt–frei
Kritische Spannung
σcr = Pcr/A
Schlankheit
λ = KL/r, r = √(I/A)

Mechanische Schwingungen

Eigenfrequenz
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Aus der statischen Durchbiegung
ωn = √(g/δst)
Kritische Dämpfung
cc = 2√(km) = 2mωn
Dämpfungsgrad
ζ = c/cc
Gedämpfte Eigenfrequenz
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logarithmisches Dekrement
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Federn parallel
k = k1 + k2
Federn in Reihe
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Übungsaufgaben

1.Zahnräder & ZahnradgetriebeMittel
N1​ = 12N2​ = 32

Ein Motor mit 3 kW und 1500 rpm treibt ein Ritzel mit 12 Zähnen an, das mit einem Rad mit 32 Zähnen kämmt. Verluste werden vernachlässigt. Bestimme das Drehmoment T1 an der Motorwelle.

P = 3 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 32η = 100%
T1 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 1200 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Ein offener Riemen verbindet eine treibende Scheibe mit 200 mm bei 960 rpm mit einer Scheibe mit 500 mm; die Mittelpunkte sind 1200 mm voneinander entfernt. Der Reibungskoeffizient beträgt 0,25, und die Zugkraft im Lasttrum darf 800 N nicht überschreiten. Bestimme die größte Leistung P, die der Riemen ohne Durchrutschen übertragen kann, in kW (Fliehkrafteffekte vernachlässigen).

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmd2 = 500 mmC = 1200 mmμ = 0,25T1 = 800 N
P = kW
3.Torsion von WellenMittel
do​ = ?T = 100 N·m

Eine Hohlwelle soll ein Drehmoment von 100 N·m übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,7-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 60 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

T = 100 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Torsion von WellenSchwer
d = 40 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 200 N·mABC0,8 m1 m

Eine Vollwelle aus Stahl mit 40 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 0,8 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 1500 N·m, und am freien Ende C, weitere 1 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 200 N·m im gleichen Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 40 mmTB = 1500 N·mTC = 200 N·mAB = 0,8 mBC = 1 mG = 80 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 70σy​ = −30τxy​ = −10MPa

In einem Punkt gilt σₓ = 70 MPa, σᵧ = −30 MPa und τₓᵧ = −10 MPa (Zug positiv). Das Element wird um 50° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Bestimme die Normalspannung σy′ auf den Flächen des gedrehten Elements, die senkrecht zur gedrehten y′-Achse stehen.

σx = 70 MPaσy = −30 MPaτxy = −10 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = −40σy​ = 30τxy​ = −30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −40 MPa, σᵧ = 30 MPa und τₓᵧ = −30 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 20° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = −40 MPaσy = 30 MPaτxy = −30 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
P = ?12400 mm400 mmØ20Ø30δ = 0,3 mm

Ein Stab besteht aus einem Segment aus Stahl (Durchmesser 20 mm, Länge 400 mm, E = 200 GPa), das stumpf mit einem Segment aus Messing (Durchmesser 30 mm, Länge 400 mm, E = 100 GPa) verbunden ist. Er ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen gezogen. Bestimme die axiale Last P, die ihn insgesamt um 0,3 mm dehnt.

Segment 1: Stahl, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaSegment 2: Messing, Ø30 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø20100 GPaØ80/60600 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 20 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 250 MPa) steckt in einem Rohr aus Messing (Außendurchmesser 80 mm, Innendurchmesser 60 mm, E = 100 GPa, zulässige Spannung 60 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPaRohr: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 md = 60 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 125 kNL = 5 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 125 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 125 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx25 mm2 Perioden7,1 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 25 mm 2 Perioden später ein Scheitel von 7,1 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 25 mmx2 = 7,1 mmn = 2
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 10k2​ = 50m = 5 kg

Eine Masse von 5 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 10 kN/m und k₂ = 50 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen der Federn. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T1 = 19,1 N·m

Zahnradgetriebe: Kämmende Zahnräder haben an den Zähnen dieselbe Geschwindigkeit, also n₁·N₁ = n₂·N₂: Das Rad mit weniger Zähnen dreht schneller. Räder auf derselben Welle drehen gleich schnell. Die Leistung wird (abzüglich der Verluste) weitergegeben, daher steigt das Drehmoment, wenn die Drehzahl sinkt: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, und P = T·ω mit ω = 2π·n/60.

Motordrehmoment

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/157,1 = 19,1 N·m

Antwort

T1 = 19,1 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 4,138 kW

Riemenantriebe: Ohne Schlupf haben beide Scheiben dieselbe Umfangsgeschwindigkeit v = π·d·n/60, also n₁·d₁ = n₂·d₂, und das Übersetzungsverhältnis ist d₂/d₁. Schlupf s macht die getriebene Scheibe etwas langsamer: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Die übertragene Leistung ist P = (T₁ − T₂)·v, mit der Zugkraft T₁ im Lasttrum und T₂ im Leertrum. Die Reibung begrenzt das Verhältnis der Zugkräfte: T₁/T₂ = eμθ, wobei θ der Umschlingungswinkel im Bogenmaß an der kleineren Scheibe ist; für einen offenen Riemen gilt θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) mit dem Achsabstand C.

Umschlingungswinkel

θ = 2,891 rad

Zugkraft im Leertrum

eμθ = e0,7227 = 2,06, T₂ = 800/2,06 = 388,3 N

Leistung

P = (800 − 388,3)·10,05 = 4,138 kW

Antwort

P = 4,138 kW
3.Torsion von Wellen

Antwort: do = 22,35 mm

Torsion kreisförmiger Wellen: Die Schubspannung wächst linear von null in der Mitte bis τmax = T·r/J an der Oberfläche, mit J = πd⁴/32 für eine Vollwelle und J = π(do⁴ − di⁴)/32 für eine Hohlwelle. Der Verdrehwinkel ist φ = TL/(GJ) im Bogenmaß. Leistung und Drehmoment hängen über P = T·ω zusammen.

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·60·0,7599)) = 22,35 mm
di = 0,7·22,35 = 15,65 mm

Antwort

do = 22,35 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 20,4 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 4,445 °

Torsion kreisförmiger Wellen: Die Schubspannung wächst linear von null in der Mitte bis τmax = T·r/J an der Oberfläche, mit J = πd⁴/32 für eine Vollwelle und J = π(do⁴ − di⁴)/32 für eine Hohlwelle. Der Verdrehwinkel ist φ = TL/(GJ) im Bogenmaß. Leistung und Drehmoment hängen über P = T·ω zusammen.

Innere Drehmomente

Drehsinn von TC als positiv angenommen.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC + TB = 200 + 1500 = 1700 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 1,7 × 10⁶·800/(80000·251327) = 0,06764 rad
φBC = 200000·1000/(80000·251327) = 0,009947 rad

Verdrehung des Endes C

φC = 0,06764 + 0,009947 = 0,07759 rad → |φC| = 4,445°

Antwort

φC = 4,445°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σy′ = 38,53 MPa

Spannungstransformation im ebenen Spannungszustand: In einem um θ gedrehten Schnitt gilt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Der Mohrsche Spannungskreis zeigt alle Schnitte auf einmal: Sein Mittelpunkt liegt bei C = (σₓ + σᵧ)/2, und sein Radius ist R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.

Transformationsgleichung für die y′-Fläche

σy′ = 20 − 50·(−0,1736) − (−10)·0,9848 = 38,53 MPa

Probe

Die Summe der Normalspannungen ändert sich bei einer Drehung nicht.

σx′ = 1,47 MPa, σx′ + σy′ = 40 = σx + σy

Antwort

σy′ = 38,53 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = −51,1 MPa

Spannungstransformation im ebenen Spannungszustand: In einem um θ gedrehten Schnitt gilt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Der Mohrsche Spannungskreis zeigt alle Schnitte auf einmal: Sein Mittelpunkt liegt bei C = (σₓ + σᵧ)/2, und sein Radius ist R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.

Transformationsgleichung

σθ = −5 + −35·0,766 + −30·0,6428 = −51,1 MPa

Antwort

σθ = −51,1 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: P = 24,95 kN

Zwei Werkstoffe: In Reihe (hintereinander) trägt jedes Segment dieselbe Kraft, und die Längenänderungen addieren sich: δ = P·Σ L/(E·A). Parallel (nebeneinander zwischen starren Platten) verkürzen sich beide Teile um denselben Betrag, ihre Dehnungen sind also gleich: Das steifere Teil übernimmt den größeren Anteil, Pi = P·EiAi/ΣEA, und σi = Ei·ε. Ein Stab, der zwischen zwei starren Wänden eingespannt ist und am Übergang belastet wird, ist statisch unbestimmt: Die beiden Segmente teilen sich die Last im Verhältnis ihrer Steifigkeit k = EA/L.

Flächen

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 706,9 mm²

Nachgiebigkeiten

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·706,9) = 5,659 × 10⁻⁶ mm/N

Last

P = 0,3/1,203 × 10⁻⁵ = 24948 N = 24,95 kN

Antwort

P = 24,95 kN
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 169,6 kN

Zwei Werkstoffe: In Reihe (hintereinander) trägt jedes Segment dieselbe Kraft, und die Längenänderungen addieren sich: δ = P·Σ L/(E·A). Parallel (nebeneinander zwischen starren Platten) verkürzen sich beide Teile um denselben Betrag, ihre Dehnungen sind also gleich: Das steifere Teil übernimmt den größeren Anteil, Pi = P·EiAi/ΣEA, und σi = Ei·ε. Ein Stab, der zwischen zwei starren Wänden eingespannt ist und am Übergang belastet wird, ist statisch unbestimmt: Die beiden Segmente teilen sich die Last im Verhältnis ihrer Steifigkeit k = EA/L.

Flächen

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·2199 = 2,827 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00125, 0,0006) = 0,0006 (Messing)

Größte Last

Pmax = 0,0006·2,827 × 10⁸ = 169646 N = 169,6 kN

Antwort

Pmax = 169,6 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 558,1 kN

Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·1500 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/1500² = 558113 N = 558,1 kN

Antwort

Pcr = 558,1 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 89,62 mm

Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.

Erforderliche kritische Last

Pcr = n·P = 2·125000 = 250000 N
KL = 1·5000 = 5000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 89,62 mm

Antwort

d = 89,62 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 223,2, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,09967

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Logarithmisches Dekrement

δ = (1/2)·ln(25/7,1) = 0,6294

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6294/√(39,48 + 0,3961) = 0,09967

Antwort

ζ = 0,09967
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 17,43 Hz

Freie Schwingung eines Feder-Masse-Systems: Die ungedämpfte Eigenkreisfrequenz ist ωn = √(k/m) in rad/s, und fn = ωn/(2π) in Hz. Ein viskoser Dämpfer c ergibt den Dämpfungsgrad ζ = c/cc, mit der kritischen Dämpfung cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Ein unterkritisch gedämpftes System (ζ < 1) schwingt mit ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallele Federn addieren sich, k = k₁ + k₂; bei Federn in Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Ersatzsteifigkeit

Nebeneinander angeordnete Federn haben denselben Weg, und ihre Kräfte addieren sich, daher addieren sich ihre Steifigkeiten einfach: k = k1 + k2.

keq = 10 + 50 = 60 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(60000/5) = 109,5 rad/s
fn = 109,5/(2π) = 17,43 Hz

Antwort

fn = 17,43 Hz

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