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​ = 150 mmd2​ = 400 mm2880 rpmn2​ = ?

Eine Scheibe mit 150 mm bei 2880 rpm treibt über einen Riemen mit 1 % Schlupf eine Scheibe mit 400 mm an. Bestimme die Drehzahl n2 der getriebenen Scheibe.

n1 = 2880 rpmd1 = 150 mmd2 = 400 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 15B = 40C = 36D = 80

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (15 Zähne) auf der Antriebswelle mit 2900 rpm das Rad B (40 Zähne) an. Rad C (36 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (80 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 2900 rpmA = 15B = 40C = 36D = 80
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
T = 500 N·md = 25 mmL = 1,2 mφ = ?

Eine Vollwelle aus Messing 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 = 500 N·md = 25 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
Tdo​ = 60 mm, di​ = 36 mm

Eine Hohlwelle überträgt 50 kW bei 300 U/min. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

P = 50 kWN = 300 rpmdo = 60 mmdi = 36 mm
τmax = MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 60MPaτxy​ = ?

In einem Punkt gilt σₓ = 60 MPa und σᵧ = 0 MPa. Wie groß darf die Schubspannung τxy (Betrag) werden, bevor die größte Hauptspannung 120 MPa erreicht?

σx = 60 MPaσy = 0 MPaσ1 = 120 MPa
τxy = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
55°D = 500 mm, t = 10 mm, p = 2,5 MPap

Ein dünnwandiger zylindrischer Behälter mit 500 mm Innendurchmesser und 10 mm Wanddicke enthält Gas mit einem Überdruck von 2,5 MPa. Er ist aus Blech gefertigt, das entlang einer schraubenförmigen Naht unter 55° zur Zylinderachse verschweißt ist. Bestimme die Normalspannung σn, die quer zur Schweißnaht wirkt.

D = 500 mmt = 10 mmp = 2,5 MPaα = 55°
σn = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
80 kNØ3070 GPaØ120/60300 mmδ = ?

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa) steckt in einem Rohr aus Aluminium (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 60 mm, E = 70 GPa). Beide sind 300 mm lang und werden zwischen starren Platten mit 80 kN zusammengedrückt. Bestimme die Verkürzung δ.

P = 80 kNStab: Ø30 mm, E = 200 GPaRohr: Ø120/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 40 mmKupfer2 mØ 20 mmStahl2 mP = 115 kN

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

P = 115 kNAbschnitt 1: Ø40 mm, 2 m, Kupfer (E = 117 GPa)Abschnitt 2: Ø20 mm, 2 m, Stahl (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 md = 25 mmQuerschnitt

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 75 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Sie muss 75 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 75 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx10 mm2 Perioden5,3 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 10 mm 2 Perioden später ein Scheitel von 5,3 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 10 mmx2 = 5,3 mmn = 2
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 12k2​ = 50k3​ = 5m = 100 kg

Eine Masse von 100 kg hängt an der Feder k₃ = 5 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 12 kN/m und k₂ = 50 kN/m; der Balken bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen von Federn und Balken. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: n2 = 1069 rpm

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.

Drehzahl ohne Schlupf

2880·150/400 = 1080 rpm

Mit Schlupf

n2 = 1080·0,99 = 1069 rpm

Antwort

n2 = 1069 rpm
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 489,4 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 = 2900·15/40 = 1088 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 1088·36/80 = 489,4 rpm

Antwort

nout = 489,4 rpm

Gesamtübersetzung = 5,926 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 22,99 °

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) = 500·1000·1200/(39000·38350) = 0,4012 rad
φ = 0,4012·180/π = 22,99°

Antwort

φ = 22,99°
4.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 43,11 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.

Drehmoment

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Polares Flächenträgheitsmoment

J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1,107 × 10⁶ mm⁴

Maximale Schubspannung

τmax = T·(do/2)/J = 1,592 × 10⁶·30/1,107 × 10⁶ = 43,11 MPa

Antwort

τmax = 43,11 MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τxy = 84,85 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 = (60 + 0)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 120 − 30 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schubspannung

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 30²) = 84,85 MPa

Antwort

τxy = 84,85 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σn = 41,53 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. Dünnwandiger Zylinder: Umfangsspannung σh = pr/t und Längsspannung σa = pr/(2t); das sind die Hauptspannungen in der Wand.

Spannungen in der Wand

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 2,5·250/10 = 62,5 MPa
σa = pr/(2t) = 31,25 MPa

Auf die Naht transformieren

Lege x entlang der Achse (σa) und y in Umfangsrichtung (σh). Die Normale der Naht bildet mit der Achse den Winkel 90° − α.

σn = 31,25·sin²55° + 62,5·cos²55° = 41,53 MPa

Antwort

σn = 41,53 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,03265 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·8482 = 7,351 × 10⁸ N

Verkürzung

δ = 80000·300/7,351 × 10⁸ = 0,03265 mm

Antwort

δ = 0,03265 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 366,1 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 91,51 MPa
σ2 = 366,1 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 366,1 MPa

Antwort

σmax = 366,1 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 5,888 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·1500 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/1500² = 5888 N = 5,888 kN

Antwort

Pcr = 5,888 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 95,62 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 = 3·75000 = 225000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 95,62 mm

Antwort

d = 95,62 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 251, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,05046

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(10/5,3) = 0,3174

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3174/√(39,48 + 0,1008) = 0,05046

Antwort

ζ = 0,05046
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 1,083 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

Nur k1 und k2 liegen parallel. Dieses Paar liegt in Reihe mit k3, also addiere die Kehrwerte.

k12 = 12 + 50 = 62 kN/m
keq = 62·5/(62 + 5) = 4,627 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(4627/100) = 6,802 rad/s
fn = 6,802/(2π) = 1,083 Hz

Antwort

fn = 1,083 Hz

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