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
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm720 rpmT1​ = 600 NT2​ = 180 NP = ?

Ein Riemen läuft auf einer treibenden Scheibe mit 100 mm bei 720 rpm. Die Zugkraft beträgt 600 N im Lasttrum und 180 N im Leertrum. Bestimme die übertragene Leistung P in kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 180 N
P = kW
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 30B = 72C = 45D = 80

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (30 Zähne) auf der Antriebswelle mit 1450 rpm das Rad B (72 Zähne) an. Rad C (45 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (80 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 1450 rpmA = 30B = 72C = 45D = 80
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 250 N·mABC1,5 m0,8 m

Eine abgesetzte Vollwelle aus Stahl ist in A eingespannt. Abschnitt AB hat 30 mm Durchmesser und 1,5 m Länge; Abschnitt BC hat 25 mm Durchmesser und 0,8 m Länge. Am freien Ende C wirkt ein Drehmoment von 250 N·m. Bestimme den Verdrehwinkel φC des Endes C in Grad.

T = 250 N·md1 = 30 mm, L1 = 1,5 md2 = 25 mm, L2 = 0,8 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = 20 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 250 N·mABC1 m0,8 m

Eine Vollwelle aus Messing mit 20 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 1 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 200 N·m, und am freien Ende C, weitere 0,8 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im gleichen Drehsinn. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

d = 20 mmTB = 200 N·mTC = 250 N·mAB = 1 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 60σy​ = −80τxy​ = −20MPa

Ein Punkt in einer dünnen Platte steht unter ebenem Spannungszustand: σₓ = 60 MPa, σᵧ = −80 MPa und τₓᵧ = −20 MPa, mit σz = 0. Bestimme die absolut größte Schubspannung τabs im Punkt (unter Berücksichtigung aller Ebenen im Raum).

σx = 60 MPaσy = −80 MPaτxy = −20 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 120σy​ = −20τxy​ = 60MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 120 MPa, σᵧ = −20 MPa und τₓᵧ = 60 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 60° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 120 MPaσy = −20 MPaτxy = 60 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
100 kNØ25120 GPaØ100/60600 mmδ = ?

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 25 mm, E = 200 GPa) steckt in einem Rohr aus Kupfer (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 60 mm, E = 120 GPa). Beide sind 600 mm lang und werden zwischen starren Platten mit 100 kN zusammengedrückt. Bestimme die Verkürzung δ.

P = 100 kNStab: Ø25 mm, E = 200 GPaRohr: Ø100/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø30120 GPaØ80/50800 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Kupfer (Außendurchmesser 80 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 120 GPa, zulässige Spannung 60 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaRohr: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 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 = 6 mE = 200 GPa (Stahl)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 115 kNL = 6 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 115 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 115 kNn = 2,5L = 6 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx25 mm4 Perioden0,6 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 25 mm 4 Perioden später ein Scheitel von 0,6 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 25 mmx4 = 0,6 mmn = 4
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 50k2​ = 50m = 25 kg

Eine Masse von 25 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 50 kN/m und k₂ = 50 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 1,583 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.

Riemengeschwindigkeit

v = 3,77 m/s

Leistung

P = (600 − 180)·3,77 = 1583 W = 1,583 kW

Antwort

P = 1,583 kW
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 339,8 rpm

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.

Erste Stufe

nB = 1450·30/72 = 604,2 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 604,2·45/80 = 339,8 rpm

Antwort

nout = 339,8 rpm

Gesamtübersetzung = 4,267 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 7,112 °

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.

Polare Flächenträgheitsmomente

J1 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Verdrehung jedes Abschnitts

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 250000·1500/(80000·79522) = 0,05895 rad
φBC = 250000·800/(80000·38350) = 0,06519 rad

Gesamtverdrehung

φC = 0,05895 + 0,06519 = 0,1241 rad = 7,112°

Antwort

φC = 7,112°
4.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 286,5 MPa

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 = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 200 = 450 N·m

Maximale Schubspannung

Der Abschnitt mit dem größten inneren Drehmoment hat die größte Spannung (gleicher Durchmesser).

|T|max = 450 N·m
τmax = 16·450000/(π·20³) = 286,5 MPa

Antwort

τmax = 286,5 MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τabs = 72,8 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. Im Raum ist die absolut größte Schubspannung (σmax − σmin)/2 über alle drei Hauptspannungen; im ebenen Spannungszustand ist die dritte null.

στxyCσ1​σ2​

Hauptspannungen in der Ebene

C = −10 MPa, R = √(70² + (−20)²) = 72,8 MPa
σ1 = 62,8 MPa, σ2 = −82,8 MPa, σz = 0

Größter der drei Kreise

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(145,6, 62,8, 82,8)/2 = 72,8 MPa

Antwort

τabs = 72,8 MPa

Hier haben σ₁ und σ₂ entgegengesetzte Vorzeichen, das Maximum R in der Ebene ist also auch das absolute Maximum.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 66,96 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 = 50 + 70·−0,5 + 60·0,866 = 66,96 MPa

Antwort

σθ = 66,96 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,08555 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·5027 = 7,014 × 10⁸ N

Verkürzung

δ = 100000·600/7,014 × 10⁸ = 0,08555 mm

Antwort

δ = 0,08555 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 254,5 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·3063 = 5,089 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0005) = 0,0005 (Kupfer)

Größte Last

Pmax = 0,0005·5,089 × 10⁸ = 254469 N = 254,5 kN

Antwort

Pmax = 254,5 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 34,88 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 = 1·6000 = 6000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/6000² = 34882 N = 34,88 kN

Antwort

Pcr = 34,88 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 85,06 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 = 2,5·115000 = 287500 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·287500·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 85,06 mm

Antwort

d = 85,06 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 197,5, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,1468

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 = (1/4)·ln(25/0,6) = 0,9324

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9324/√(39,48 + 0,8694) = 0,1468

Antwort

ζ = 0,1468
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 100 kN/m

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 = 50 + 50 = 100 kN/m

Antwort

keq = 100 kN/m

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