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​ = 160 mmd2​ = 400 mm2880 rpmn2​ = ?

Eine Scheibe mit 160 mm bei 2880 rpm treibt über einen Riemen mit 3 % Schlupf eine Scheibe mit 400 mm an. Bestimme die Drehzahl n2 der getriebenen Scheibe.

n1 = 2880 rpmd1 = 160 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
Ns​ = 18nr​ = ?Np​ = 20Steg fest

In einem Planetengetriebe hat das Sonnenrad 18 Zähne und jedes Planetenrad 20 Zähne. Der Planetenträger wird festgehalten, und das Sonnenrad wird mit 1800 rpm angetrieben. Bestimme die Drehzahl nr des Hohlrads (Betrag).

Ns = 18Np = 20ns = 1800 rpm
nr = rpm
3.Torsion von WellenMittel
T = 500 N·md = 50 mmL = 3 mφ = ?

Eine Vollwelle aus Aluminium 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 = 50 mmL = 3 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = ?10 kW, 750 rpm

Eine Vollwelle aus Stahl überträgt 10 kW bei 750 rpm. Die Schubspannung darf 80 MPa nicht überschreiten, und die Verdrehung darf 0,5° pro m Länge nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der beide Grenzen einhält.

P = 10 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 70σy​ = −50MPaτxy​ = ?

In einem Punkt gilt σₓ = 70 MPa und σᵧ = −50 MPa. Wie groß darf die Schubspannung τxy (Betrag) werden, bevor die größte Hauptspannung 110 MPa erreicht?

σx = 70 MPaσy = −50 MPaσ1 = 110 MPa
τxy = MPa
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 Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 50° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 50 MPaσy = −50 MPaτxy = 60 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
P = ?12600 mm300 mmØ30Ø50δ = 0,2 mm

Ein Stab besteht aus einem Segment aus Stahl (Durchmesser 30 mm, Länge 600 mm, E = 200 GPa), das stumpf mit einem Segment aus Bronze (Durchmesser 50 mm, Länge 300 mm, E = 110 GPa) verbunden ist. Er ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen gezogen. Bestimme die axiale Last P, die ihn insgesamt um 0,2 mm dehnt.

Segment 1: Stahl, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaSegment 2: Bronze, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø25120 GPaØ120/50300 mm

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

Stab: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaRohr: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 m30 × 100 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 = 3 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 70 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 70 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 70 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 50 kN/mc = 570 N·s/mm = 40 kg

Eine Masse von 40 kg wird von einer Feder mit einer Steifigkeit von 50 kN/m und einem viskosen Dämpfer mit einer Dämpfungskonstante von 570 N·s/m getragen. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

m = 40 kgk = 50 kN/mc = 570 N·s/m
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 5k2​ = 100m = 50 kg

Eine Masse von 50 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 5 kN/m, die untere k₂ = 100 kN/m. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 50 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: n2 = 1117 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

2880·160/400 = 1152 rpm

Mit Schlupf

n2 = 1152·0,97 = 1117 rpm

Antwort

n2 = 1117 rpm
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nr = 558,6 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 = 18 + 2·20 = 58

Willis-Gleichung bei festem Planetenträger

Mit nc = 0 treibt das Sonnenrad das Hohlrad über die Planeten an, die als Zwischenräder wirken.

nr = −ns·Ns/Nr = −1800·18/58 = −558,6 rpm
|nr| = 558,6 rpm

Antwort

nr = 558,6 rpm

Das Hohlrad dreht sich entgegen dem Sonnenrad.

3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 5,387 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Verdrehwinkel

φ = TL/(GJ) = 500·1000·3000/(26000·613592) = 0,09402 rad
φ = 0,09402·180/π = 5,387°

Antwort

φ = 5,387°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 36,92 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 = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Durchmesser aus der Festigkeit

T = 127,3 N·m = 127324 N·mm
dτ = ∛(16·127324/(π·80)) = 20,09 mm

Durchmesser aus der Steifigkeit

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·127324/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 36,92 mm

Maßgebender Durchmesser

Beide Grenzen müssen eingehalten werden, daher ist der größere Durchmesser maßgebend.

d = max(20,09, 36,92) = 36,92 mm

Antwort

d = 36,92 mm

Hier ist die Steifigkeit maßgebend.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τxy = 80 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 = (70 + (−50))/2 = 10 MPa
R = σ1 − C = 110 − 10 = 100 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schubspannung

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(100² − 60²) = 80 MPa

Antwort

τxy = 80 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 50,41 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

σθ = 0 + 50·−0,1736 + 60·0,9848 = 50,41 MPa

Antwort

σθ = 50,41 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: P = 35,5 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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Nachgiebigkeiten

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1963) = 1,389 × 10⁻⁶ mm/N

Last

P = 0,2/5,633 × 10⁻⁶ = 35504 N = 35,5 kN

Antwort

P = 35,5 kN
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 508,2 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(0,001, 0,0004167) = 0,0004167 (Kupfer)

Größte Last

Pmax = 0,0004167·1,22 × 10⁹ = 508218 N = 508,2 kN

Antwort

Pmax = 508,2 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 100,7 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/2100² = 100710 N = 100,7 kN

Antwort

Pcr = 100,7 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 42,46 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 = 2·70000 = 140000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·140000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 42,46 mm

Antwort

d = 42,46 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 141,3, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,2015

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·√(50000·40) = 2828 N·s/m

Dämpfungsgrad

ζ = c/cc = 570/2828 = 0,2015

Antwort

ζ = 0,2015

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

12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 4,762 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

Federn in Reihe übertragen dieselbe Kraft, und ihre Wege addieren sich, daher werden die Kehrwerte addiert: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/5 + 1/100 → keq = 5·100/(5 + 100) = 4,762 kN/m

Antwort

keq = 4,762 kN/m

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