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 144 mm auseinander. Sie sollen über ein Stirnradpaar mit dem Modul 3 mm und einer Untersetzung von 3 : 1 verbunden werden. Wie viele Zähne N2 muss das Rad haben?

a = 144 mmm = 3 mmi = 3
N2 =
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 15B = 45C = 18D = 50

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (15 Zähne) auf der Antriebswelle mit 960 rpm das Rad B (45 Zähne) an. Rad C (18 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (50 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 960 rpmA = 15B = 45C = 18D = 50
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 200 N·mABC3 m1,2 m

Eine abgesetzte Vollwelle aus Aluminium ist in A eingespannt. Abschnitt AB hat 75 mm Durchmesser und 3 m Länge; Abschnitt BC hat 50 mm Durchmesser und 1,2 m Länge. Am freien Ende C wirkt ein Drehmoment von 200 N·m. Bestimme den Verdrehwinkel φC des Endes C in Grad.

T = 200 N·md1 = 75 mm, L1 = 3 md2 = 50 mm, L2 = 1,2 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = ?20 kW, 300 rpm

Eine Vollwelle aus Aluminium überträgt 20 kW bei 300 rpm. Die Schubspannung darf 60 MPa nicht überschreiten, und die Verdrehung darf 0,25° pro m Länge nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der beide Grenzen einhält.

P = 20 kWN = 300 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,25°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 110σy​ = −50MPaτxy​ = ?

In einem Punkt gilt σₓ = 110 MPa und σᵧ = −50 MPa. Wie groß darf die Schubspannung τxy (Betrag) werden, bevor die größte Hauptspannung 155 MPa erreicht?

σx = 110 MPaσy = −50 MPaσ1 = 155 MPa
τxy = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 40σy​ = 50τxy​ = 10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 40 MPa, σᵧ = 50 MPa und τₓᵧ = 10 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 20° im Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 40 MPaσy = 50 MPaτxy = 10 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 10 mmAluminium2 mP = 40 kN

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

P = 40 kNd = 10 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 25 mmMessing1 mØ 12 mmMessing0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNAbschnitt 1: Ø25 mm, 1 m, Messing (E = 100 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 0,5 m, Messing (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 50 kNL = 5 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 50 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 50 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx25 mm2 Perioden3,7 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 25 mm 2 Perioden später ein Scheitel von 3,7 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 25 mmx2 = 3,7 mmn = 2
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 100k2​ = 80m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 100 kN/m, die untere k₂ = 80 kN/m. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: N2 = 72

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 = 2·144/3 = 96

Nach dem Verhältnis aufteilen

N1 = 96/(1 + 3) = 24
N2 = 3·24 = 72

Antwort

N2 = 72
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 115,2 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 = 960·15/45 = 320 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 320·18/50 = 115,2 rpm

Antwort

nout = 115,2 rpm

Gesamtübersetzung = 8,333 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 1,288 °

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.

Polare Flächenträgheitsmomente

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Verdrehung jedes Abschnitts

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 200000·3000/(26000·3,106 × 10⁶) = 0,007429 rad
φBC = 200000·1200/(26000·613592) = 0,01504 rad

Gesamtverdrehung

φC = 0,007429 + 0,01504 = 0,02247 rad = 1,288°

Antwort

φC = 1,288°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 86,95 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 20000/31,42 = 636,6 N·m

Durchmesser aus der Festigkeit

T = 636,6 N·m = 636620 N·mm
dτ = ∛(16·636620/(π·60)) = 37,81 mm

Durchmesser aus der Steifigkeit

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·636620/(π·26000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 86,95 mm

Maßgebender Durchmesser

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

d = max(37,81, 86,95) = 86,95 mm

Antwort

d = 86,95 mm

Hier ist die Steifigkeit maßgebend.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τxy = 96,05 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 = (110 + (−50))/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 155 − 30 = 125 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schubspannung

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(125² − 80²) = 96,05 MPa

Antwort

τxy = 96,05 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = 4,447 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·−0,6428 + 10·0,766 = 4,447 MPa

Antwort

τθ = 4,447 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 7276 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 40·1000/78,54 = 509,3 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 509,3/70000 = 0,007276 = 7276 µε

Antwort

ε = 7276 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 618,9 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 142,6 MPa
σ2 = 618,9 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 618,9 MPa

Antwort

σmax = 618,9 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 3,876 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·4000 = 8000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/8000² = 3876 N = 3,876 kN

Antwort

Pcr = 3,876 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 63,05 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 = 2,5·50000 = 125000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·125000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 63,05 mm

Antwort

d = 63,05 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 222, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,1503

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(25/3,7) = 0,9553

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9553/√(39,48 + 0,9125) = 0,1503

Antwort

ζ = 0,1503
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 44,44 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 = 1/100 + 1/80 → keq = 100·80/(100 + 80) = 44,44 kN/m

Antwort

keq = 44,44 kN/m

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