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​ = 32N2​ = 60

Ein Motor mit 11 kW und 960 rpm treibt ein Ritzel mit 32 Zähnen an, das mit einem Rad mit 60 Zähnen kämmt. Verluste werden vernachlässigt. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 32N2 = 60η = 100%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 32B = 50C = 45D = 72

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (32 Zähne) auf der Antriebswelle mit 3000 rpm das Rad B (50 Zähne) an. Rad C (45 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (72 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 3000 rpmA = 32B = 50C = 45D = 72
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 500 N·mABC1,2 m1,5 m

Eine abgesetzte Vollwelle aus Messing ist in A eingespannt. Abschnitt AB hat 75 mm Durchmesser und 1,2 m Länge; Abschnitt BC hat 50 mm Durchmesser und 1,5 m Länge. Am freien Ende C wirkt ein Drehmoment von 500 N·m. Bestimme den Verdrehwinkel φC des Endes C in Grad.

T = 500 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,2 md2 = 50 mm, L2 = 1,5 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = 60 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 250 N·mABC1,2 m0,5 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 60 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 1,2 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 400 N·m, und am freien Ende C, weitere 0,5 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im gleichen Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 60 mmTB = 400 N·mTC = 250 N·mAB = 1,2 mBC = 0,5 mG = 26 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = −80σy​ = −70τxy​ = 40MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −80 MPa, σᵧ = −70 MPa und τₓᵧ = 40 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = −80 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 50σy​ = 50τxy​ = −60MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 50 MPa, σᵧ = 50 MPa und τₓᵧ = −60 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 60° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 50 MPaσy = 50 MPaτxy = −60 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 10 mmKupfer0,5 mP = 70 kN

Bestimme die Dehnung ε im Stab aus Kupfer, in Mikrodehnung (µε = 10⁻⁶).

P = 70 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø3070 GPaØ100/50500 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Aluminium (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 70 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: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 md = 80 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 30 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 12 kN/mζ = 0,5m = 80 kg

Eine Masse von 80 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 12 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,5 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 80 kgk = 12 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 12k2​ = 80m = 20 kg

Eine Masse von 20 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 12 kN/m und k₂ = 80 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 = 12 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 205,2 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Abtriebsdrehmoment

T2 = 109,4·60/32·1 = 205,2 N·m

Antwort

T2 = 205,2 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 1200 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 = 3000·32/50 = 1920 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 1920·45/72 = 1200 rpm

Antwort

nout = 1200 rpm

Gesamtübersetzung = 2,5 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 2,079 °

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·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Verdrehung jedes Abschnitts

T = 500 N·m = 500000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 500000·1200/(39000·3,106 × 10⁶) = 0,004953 rad
φBC = 500000·1500/(39000·613592) = 0,03134 rad

Gesamtverdrehung

φC = 0,004953 + 0,03134 = 0,03629 rad = 2,079°

Antwort

φC = 2,079°
4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 1,567 °

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 + 400 = 650 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 650000·1200/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,02358 rad
φBC = 250000·500/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,003779 rad

Verdrehung des Endes C

φC = 0,02358 + 0,003779 = 0,02736 rad → |φC| = 1,567°

Antwort

φC = 1,567°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = 48,56 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Winkel am Kreis

Punkt x liegt im Mohrschen Kreis unter dem Winkel 2θp zur σ-Achse; der Quadrant ergibt sich aus den Vorzeichen von σₓ − σᵧ und τₓᵧ.

2θp = atan2(2·40, −80 − −70) = 97,13°

Winkel am Element

θp = 48,56°

Antwort

θp = 48,56°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = 30 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

τθ = −0·0,866 + −60·−0,5 = 30 MPa

Antwort

τθ = 30 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 7618 µε

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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 70·1000/78,54 = 891,3 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Kupfer = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 891,3/117000 = 0,007618 = 7618 µε

Antwort

ε = 7618 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 415,3 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(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·5890 = 5,537 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0008571) = 0,00075 (Stahl)

Größte Last

Pmax = 0,00075·5,537 × 10⁸ = 415279 N = 415,3 kN

Antwort

Pmax = 415,3 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 992,2 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/2000² = 992201 N = 992,2 kN

Antwort

Pcr = 992,2 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 38,86 MPa

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

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·2000 = 1000 mm
KL/r = 1000/7,5 = 133,3

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/133,3² = 38,86 MPa

Antwort

σcr = 38,86 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 1,688 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.

Ungedämpfte Eigenfrequenz

ωn = √(12000/80) = 12,25 rad/s
fn = 12,25/(2π) = 1,949 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,949·√(1 − 0,5²) = 1,688 Hz

Antwort

fd = 1,688 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 10,79 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 = 12 + 80 = 92 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(92000/20) = 67,82 rad/s
fn = 67,82/(2π) = 10,79 Hz

Antwort

fn = 10,79 Hz

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