Maschinenelemente: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 12 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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 96 mm auseinander. Sie sollen über ein Stirnradpaar mit dem Modul 2 mm und einer Untersetzung von 3 : 1 verbunden werden. Wie viele Zähne N1 muss das Ritzel haben?

a = 96 mmm = 2 mmi = 3
N1 =
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
Ns​ = 20Hohlrad festNp​ = 20nc​ = ?

In einem Planetengetriebe hat das Sonnenrad 20 Zähne und jedes Planetenrad 20 Zähne. Das Hohlrad wird festgehalten, und das Sonnenrad wird mit 1200 rpm angetrieben. Bestimme die Drehzahl nc des Planetenträgers.

Ns = 20Np = 20ns = 1200 rpm
nc = rpm
3.Torsion von WellenMittel
do​ = ?T = 400 N·m

Eine Hohlwelle soll ein Drehmoment von 400 N·m übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,75-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 50 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

T = 400 N·mdi/do = 0,75τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torsion von WellenSchwer
Td = ?

Eine Vollwelle soll 30 kW bei 750 U/min übertragen, ohne dass die Schubspannung 75 MPa überschreitet. Bestimme den kleinsten geeigneten Durchmesser d.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = −70σy​ = 30τxy​ = −50MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −70 MPa, σᵧ = 30 MPa und τₓᵧ = −50 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = −70 MPaσy = 30 MPaτxy = −50 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = −70σy​ = 30τxy​ = −10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −70 MPa, σᵧ = 30 MPa und τₓᵧ = −10 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 35° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 30 MPaτxy = −10 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
50 kNØ2570 GPaØ100/60400 mmδ = ?

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 25 mm, E = 200 GPa) steckt in einem Rohr aus Aluminium (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 60 mm, E = 70 GPa). Beide sind 400 mm lang und werden zwischen starren Platten mit 50 kN zusammengedrückt. Bestimme die Verkürzung δ.

P = 50 kNStab: Ø25 mm, E = 200 GPaRohr: Ø100/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø30110 GPaØ80/60400 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Bronze (Außendurchmesser 80 mm, Innendurchmesser 60 mm, E = 110 GPa, zulässige Spannung 80 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaRohr: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m30 × 40 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 40 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 1 kN/mζ = 0,5m = 2 kg

Eine Masse von 2 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 1 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,5 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 2 kgk = 1 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 20k2​ = 30m = 40 kg

Eine Masse von 40 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 20 kN/m und k₂ = 30 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: N1 = 24

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 = 2·96/2 = 96

Nach dem Verhältnis aufteilen

N1 = 96/(1 + 3) = 24

Antwort

N1 = 24
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nc = 300 rpm

Planetengetriebe: Die Drehzahlen von Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger sind über die Willis-Gleichung (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns verknüpft: Vom Planetenträger aus gesehen ist es ein gewöhnliches Rädergetriebe mit den Planeten als Zwischenrädern. Hält man ein Glied fest, wird daraus ein Getriebe mit einer festen Übersetzung.

Zähne des Hohlrads

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·20 = 60

Willis-Gleichung bei festem Hohlrad

Setze nr = 0 und löse nach der Drehzahl des Planetenträgers auf.

(1200 − nc)/(0 − nc) = −60/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1200·20/80 = 300 rpm

Antwort

nc = 300 rpm

Der Planetenträger dreht sich in dieselbe Richtung wie das Sonnenrad.

3.Torsion von Wellen

Antwort: do = 39,06 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.

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 400 N·m = 400000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·400000/(π·50·0,6836)) = 39,06 mm
di = 0,75·39,06 = 29,3 mm

Antwort

do = 39,06 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 34,41 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 29,6 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Durchmesser aus der zulässigen Spannung

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·75)) = 29,6 mm

Antwort

d = 29,6 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = −67,5 °

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·−50, −70 − 30) = −135°

Winkel am Element

θp = −67,5°

Antwort

θp = −67,5°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = 43,56 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 = −−50·0,9397 + −10·0,342 = 43,56 MPa

Antwort

τθ = 43,56 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,04444 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 + 70·10³·5027 = 4,5 × 10⁸ N

Verkürzung

δ = 50000·400/4,5 × 10⁸ = 0,04444 mm

Antwort

δ = 0,04444 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 278,7 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 − 60²)/4 = 2199 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·2199 = 3,833 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0007273) = 0,0007273 (Bronze)

Größte Last

Pmax = 0,0007273·3,833 × 10⁸ = 278745 N = 278,7 kN

Antwort

Pmax = 278,7 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 58,01 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/1750² = 58009 N = 58,01 kN

Antwort

Pcr = 58,01 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 4,318 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 = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/10 = 400

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Antwort

σcr = 4,318 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 3,082 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 = √(1000/2) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,5²) = 3,082 Hz

Antwort

fd = 3,082 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 50 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 = 20 + 30 = 50 kN/m

Antwort

keq = 50 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design