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​ = 12N2​ = 32

Ein Motor mit 5,5 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 12 Zähnen an, das mit einem Rad mit 32 Zähnen kämmt. Verluste werden vernachlässigt. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 5,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 32η = 100%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 16B = 36C = 30D = 80

Ein Motor mit 11 kW und 1450 rpm treibt Zahnrad A (16 Zähne) an, das mit Zahnrad B (36 Zähne) kämmt. Zahnrad C (30 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (80 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 97 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 11 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 36C = 30D = 80ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
do​ = ?T = 250 N·m

Eine Hohlwelle soll ein Drehmoment von 250 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 = 250 N·mdi/do = 0,75τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torsion von WellenSchwer
Td = ?

Eine Vollwelle soll 20 kW bei 750 U/min übertragen, ohne dass die Schubspannung 50 MPa überschreitet. Bestimme den kleinsten geeigneten Durchmesser d.

P = 20 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 120σy​ = 50τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 120 MPa, σᵧ = 50 MPa und τₓᵧ = 30 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = 120 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 40σy​ = 30τxy​ = −20MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 40 MPa, σᵧ = 30 MPa und τₓᵧ = −20 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 30° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 40 MPaσy = 30 MPaτxy = −20 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 20 mmStahl0,5 mP = 120 kN

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

P = 120 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 40 mmMessing2 mØ 12 mmMessing0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNAbschnitt 1: Ø40 mm, 2 m, Messing (E = 100 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 0,5 m, Messing (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 m25 × 40 mmQuerschnitt

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 1 md = 50 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 = 1 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 80 kN/mc = 800 N·s/mm = 200 kg

Eine Masse von 200 kg wird von einer Feder mit einer Steifigkeit von 80 kN/m und einem viskosen Dämpfer mit einer Dämpfungskonstante von 800 N·s/m getragen. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

m = 200 kgk = 80 kN/mc = 800 N·s/m
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 25k2​ = 50m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 25 kN/m, die untere k₂ = 50 kN/m. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 96,59 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Abtriebsdrehmoment

T2 = 36,22·32/12·1 = 96,59 N·m

Antwort

T2 = 96,59 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 409 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 = 1450·(16/36)·(30/80) = 241,7 rpm
ωout = 2π·241,7/60 = 25,31 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/25,31 = 409 N·m

Antwort

Tout = 409 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: do = 33,4 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·250000/(π·50·0,6836)) = 33,4 mm
di = 0,75·33,4 = 25,05 mm

Antwort

do = 33,4 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 29,42 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 = 20000/78,54 = 254,6 N·m

Durchmesser aus der zulässigen Spannung

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·254648/(π·50)) = 29,6 mm

Antwort

d = 29,6 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = 20,3 °

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(2·30, 120 − 50) = 40,6°

Winkel am Element

θp = 20,3°

Antwort

θp = 20,3°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = −14,33 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 = −5·0,866 + −20·0,5 = −14,33 MPa

Antwort

τθ = −14,33 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 1910 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 = 120·1000/314,2 = 382 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Stahl = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 382/200000 = 0,00191 = 1910 µε

Antwort

ε = 1910 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 397,9 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 35,81 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 397,9 MPa

Antwort

σmax = 397,9 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 182,8 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/750² = 182770 N = 182,8 kN

Antwort

Pcr = 182,8 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 26,99 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/160² = 26,99 MPa

Antwort

σcr = 26,99 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,1

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·√(80000·200) = 8000 N·s/m

Dämpfungsgrad

ζ = c/cc = 800/8000 = 0,1

Antwort

ζ = 0,1

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

12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 16,67 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 = 1/25 + 1/50 → keq = 25·50/(25 + 50) = 16,67 kN/m

Antwort

keq = 16,67 kN/m

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