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​ = 20N2​ = 48

Ein Motor mit 15 kW und 1440 rpm treibt ein Ritzel mit 20 Zähnen an, das mit einem Rad mit 48 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 98 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 15 kWn1 = 1440 rpmN1 = 20N2 = 48η = 98%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Ein offener Riemen verbindet eine Scheibe mit 120 mm und eine Scheibe mit 500 mm, deren Mittelpunkte 600 mm voneinander entfernt sind. Bestimme den Umschlingungswinkel θ an der kleineren Scheibe in Grad.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torsion von WellenMittel
T = 1000 N·md = 25 mmL = 1,2 mφ = ?

Eine Vollwelle aus Stahl ist an der Wand eingespannt und wird an ihrem freien Ende durch ein Drehmoment T verdreht. Bestimme den Verdrehwinkel φ des freien Endes in Grad.

T = 1000 N·md = 25 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = 20 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 250 N·mABC1,5 m0,8 m

Eine Vollwelle aus Messing mit 20 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 1,5 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 500 N·m, und am freien Ende C, weitere 0,8 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im entgegengesetzten Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 20 mmTB = 500 N·mTC = 250 N·mAB = 1,5 mBC = 0,8 mG = 39 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 40σy​ = −30MPaτxy​ = ?

In einem Punkt gilt σₓ = 40 MPa und σᵧ = −30 MPa. Wie groß darf die Schubspannung τxy (Betrag) werden, bevor die größte Hauptspannung 90 MPa erreicht?

σx = 40 MPaσy = −30 MPaσ1 = 90 MPa
τxy = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​τxy​Oberfläche der Welle

Eine Vollwelle mit 50 mm Durchmesser überträgt eine axiale Druckkraft von 90 kN zusammen mit einem Drehmoment von 250 N·m. Bestimme an der Oberfläche der Welle die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

d = 50 mmF = −90 kNT = 250 N·m
τmax = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 12 mmKupfer3 mP = 115 kN

Bestimme die Verlängerung δ des Stabs aus Kupfer unter der axialen Last.

P = 115 kNd = 12 mmL = 3 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 40 mmKupfer2 mØ 12 mmMessing1,5 mP = 55 kN

Der abgesetzte Stab ist an der Wand eingespannt und an seinem freien Ende belastet. Bestimme die größte Normalspannung σmax im Stab.

P = 55 kNAbschnitt 1: Ø40 mm, 2 m, Kupfer (E = 117 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 1,5 m, Messing (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 5 md = 30 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 80 kNL = 4 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 80 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 80 kNn = 3L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 200 kN/mc = 1130 N·s/mm = 40 kg

Eine Masse von 40 kg wird von einer Feder mit einer Steifigkeit von 200 kN/m und einem viskosen Dämpfer mit einer Dämpfungskonstante von 1130 N·s/m getragen. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

m = 40 kgk = 200 kN/mc = 1130 N·s/m
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 10k2​ = 30m = 20 kg

Eine Masse von 20 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 10 kN/m und k₂ = 30 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen der Federn. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 234 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/150,8 = 99,47 N·m

Abtriebsdrehmoment

T2 = 99,47·48/20·0,98 = 234 N·m

Antwort

T2 = 234 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: θ = 143,1 °

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.

Riemenwinkel

asin(0,3167) = 18,46°

Umschlingungswinkel

θ = 180 − 2·18,46 = 143,1°

Antwort

θ = 143,1°
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 22,41 °

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.

Polares Flächenträgheitsmoment

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Verdrehwinkel

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·1200/(80000·38350) = 0,3911 rad
φ = 0,3911·180/π = 22,41°

Antwort

φ = 22,41°
4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 16,37 °

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 − 500 = −250 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −250000·1500/(39000·15708) = −0,6121 rad
φBC = 250000·800/(39000·15708) = 0,3265 rad

Verdrehung des Endes C

φC = −0,6121 + 0,3265 = −0,2857 rad → |φC| = 16,37°

Antwort

φC = 16,37°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τxy = 77,46 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.

Erforderlicher Radius

C = (40 + (−30))/2 = 5 MPa
R = σ1 − C = 90 − 5 = 85 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schubspannung

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(85² − 35²) = 77,46 MPa

Antwort

τxy = 77,46 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 25,08 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.

Spannungen an der Oberfläche

σ = F/A = −90000/(π·50²/4) = −90000/1963 = −45,84 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa
στxyCτmax​

Mohrscher Spannungskreis

C = σ/2 = −22,92 MPa
R = √((−22,92)² + 10,19²) = 25,08 MPa

Antwort

τmax = 25,08 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 26,07 mm

Hookesches Gesetz: Im elastischen Bereich gilt σ = E·ε. Zusammen mit σ = P/A und ε = δ/L folgt δ = PL/(AE).

Spannung

A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 115·1000/113,1 = 1017 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Kupfer = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 1017/117000 = 0,008691 = 8691 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,008691·3000 mm = 26,07 mm

Antwort

δ = 26,07 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 486,3 MPa

Axial belastete Bauteile: Jeder prismatische Abschnitt folgt δ = PL/(AE). Bei hintereinanderliegenden Abschnitten addieren sich die Verlängerungen.

Gleiche Kraft in beiden Abschnitten

Am freien Ende greift P an, daher überträgt jeder Querschnitt des Stabs dieselbe Normalkraft P. Nur Flächen und Werkstoffe ändern sich.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 43,77 MPa
σ2 = 486,3 MPa

Größte Spannung

Der dünnere Abschnitt hat die kleinere Fläche, daher trägt er die größere Spannung.

σmax = 486,3 MPa

Antwort

σmax = 486,3 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 2,242 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/3500² = 2242 N = 2,242 kN

Antwort

Pcr = 2,242 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 103,2 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 = 3·80000 = 240000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·240000·4000²/(π³·70000))^(1/4) = 103,2 mm

Antwort

d = 103,2 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 155,1, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,1998

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.

Kritische Dämpfung

cc = 2·√(k·m) = 2·√(200000·40) = 5657 N·s/m

Dämpfungsgrad

ζ = c/cc = 1130/5657 = 0,1998

Antwort

ζ = 0,1998

ζ < 1, also ist das System unterkritisch gedämpft und schwingt beim Abklingen.

12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 7,118 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 + 30 = 40 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(40000/20) = 44,72 rad/s
fn = 44,72/(2π) = 7,118 Hz

Antwort

fn = 7,118 Hz

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