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​N2​ = ?

Zwei parallele Wellen liegen 112,5 mm auseinander. Sie sollen über ein Stirnradpaar mit dem Modul 2,5 mm und einer Untersetzung von 2 : 1 verbunden werden. Wie viele Zähne N2 muss das Rad haben?

a = 112,5 mmm = 2,5 mmi = 2
N2 =
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 60B = 72C = 24D = 32

Ein Motor mit 7,5 kW und 1440 rpm treibt Zahnrad A (60 Zähne) an, das mit Zahnrad B (72 Zähne) kämmt. Zahnrad C (24 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (32 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 98 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 7,5 kWnin = 1440 rpmA = 60B = 72C = 24D = 32ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
do​ = 40, di​ = 20 mmT = 100 N·mL = 1,2 m

Eine Hohlwelle aus Stahl (Außendurchmesser 40 mm, Innendurchmesser 20 mm, Länge 1,2 m) ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen durch ein Drehmoment von 100 N·m verdreht. Bestimme den Verdrehwinkel φ in Grad.

T = 100 N·mdo = 40 mmdi = 20 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
Td = ?

Eine Vollwelle soll 5 kW bei 3000 U/min übertragen, ohne dass die Schubspannung 50 MPa überschreitet. Bestimme den kleinsten geeigneten Durchmesser d.

P = 5 kWN = 3000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = −20σy​ = −20τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −20 MPa, σᵧ = −20 MPa und τₓᵧ = 30 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = −20 MPaσy = −20 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 60σy​ = 10τxy​ = 20MPa

Ein Punkt in einer dünnen Platte steht unter ebenem Spannungszustand: σₓ = 60 MPa, σᵧ = 10 MPa und τₓᵧ = 20 MPa (σz = 0). Bestimme die Vergleichsspannung nach von Mises σvM.

σx = 60 MPaσy = 10 MPaτxy = 20 MPa
σvM = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 20 mmAluminium1 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 20 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø25120 GPaØ120/50400 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 25 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 160 MPa) steckt in einem Rohr aus Kupfer (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 120 GPa, zulässige Spannung 70 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPaRohr: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m25 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 1 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx50 mm3 Perioden7,5 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 50 mm 3 Perioden später ein Scheitel von 7,5 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 50 mmx3 = 7,5 mmn = 3
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 10k2​ = 30m = 25 kg

Eine Masse von 25 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 = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: N2 = 60

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Gesamtzahl der Zähne

N1 + N2 = 2a/m = 2·112,5/2,5 = 90

Nach dem Verhältnis aufteilen

N1 = 90/(1 + 2) = 30
N2 = 2·30 = 60

Antwort

N2 = 60
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 76,43 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Abtriebsdrehzahl

nout = 1440·(60/72)·(24/32) = 900 rpm
ωout = 2π·900/60 = 94,25 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 7500·0,98² = 7203 W
Tout = Pout/ωout = 7203/94,25 = 76,43 N·m

Antwort

Tout = 76,43 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 0,3648 °

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(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Verdrehwinkel

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 100000·1200/(80000·235619) = 0,006366 rad
φ = 0,006366·180/π = 0,3648°

Antwort

φ = 0,3648°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 11,75 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.

Drehmoment

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 5000/314,2 = 15,92 N·m

Durchmesser aus der zulässigen Spannung

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·15915/(π·50)) = 11,75 mm

Antwort

d = 11,75 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 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.

στxyCτmax​

Radius des Mohrschen Kreises

τmax = R = √(((−20 − −20)/2)² + 30²) = 30 MPa

Antwort

τmax = 30 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σvM = 65,57 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. Fließkriterien: Nach von Mises tritt Fließen ein, wenn σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) die Streckgrenze σY erreicht; nach Tresca, wenn die absolut größte Schubspannung σY/2 erreicht.

στxyCσ1​σ2​

Hauptspannungen

C = 35 MPa, R = 32,02 MPa
σ1 = 67,02 MPa, σ2 = 2,984 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(67,02² − 67,02·2,984 + 2,984²) = 65,57 MPa

Antwort

σvM = 65,57 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 4093 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 90·1000/314,2 = 286,5 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 286,5/70000 = 0,004093 = 4093 µε

Antwort

ε = 4093 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 711,5 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·9346 = 1,22 × 10⁹ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,0008, 0,0005833) = 0,0005833 (Kupfer)

Größte Last

Pmax = 0,0005833·1,22 × 10⁹ = 711505 N = 711,5 kN

Antwort

Pmax = 711,5 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 131,6 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 Rechteck knickt um seine schwache Achse, mit der kleineren Abmessung hoch drei.

Imin = h·b³/12 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/1250² = 131595 N = 131,6 kN

Antwort

Pcr = 131,6 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 197,4 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa

Antwort

σcr = 197,4 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,1001

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 = (1/3)·ln(50/7,5) = 0,6324

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6324/√(39,48 + 0,3999) = 0,1001

Antwort

ζ = 0,1001
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 6,366 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 = √(40000/25) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Antwort

fn = 6,366 Hz

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