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​ = 16, m = 5 mm

Ein Motor mit 5,5 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 16 Zähnen und dem Modul 5 mm an. Bestimme die Umfangskraft Ft an den Zähnen des Ritzels.

P = 5,5 kWn = 1450 rpmN1 = 16m = 5 mm
Ft = N
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 60B = 72C = 32D = 36

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (60 Zähne) auf der Antriebswelle mit 2900 rpm das Rad B (72 Zähne) an. Rad C (32 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (36 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 2900 rpmA = 60B = 72C = 32D = 36
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
do​ = ?T = 400 N·m

Eine Hohlwelle soll ein Drehmoment von 400 N·m übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,6-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 80 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

T = 400 N·mdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
4.Torsion von WellenSchwer
d = 50 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 1000 N·mABC3 m1 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 50 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 3 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 500 N·m, und am freien Ende C, weitere 1 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 1000 N·m im entgegengesetzten Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 50 mmTB = 500 N·mTC = 1000 N·mAB = 3 mBC = 1 mG = 26 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 110σy​ = 30τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 110 MPa, σᵧ = 30 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 = 110 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 100σy​ = −20τxy​ = −20MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 100 MPa, σᵧ = −20 MPa und τₓᵧ = −20 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 45° im Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 100 MPaσy = −20 MPaτxy = −20 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 20 mmKupfer2,5 mP = 20 kN

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

P = 20 kNd = 20 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø30100 GPaØ120/70300 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 200 MPa) steckt in einem Rohr aus Messing (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 70 mm, E = 100 GPa, zulässige Spannung 70 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaRohr: Ø120/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 5 md = 50 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 5 md = 80 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 100 kN/mζ = 0,3m = 20 kg

Eine Masse von 20 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 100 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,3 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 20 kgk = 100 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 5k2​ = 5m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 5 kN/m und k₂ = 5 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Ft = 905,5 N

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.

Drehmoment am Ritzel

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Teilkreisdurchmesser

d = m·N = 5·16 = 80 mm

Umfangskraft

Ft = 2T/d = 2·36,22/0,08 = 905,5 N

Antwort

Ft = 905,5 N
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 2148 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 = 2900·60/72 = 2417 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 2417·32/36 = 2148 rpm

Antwort

nout = 2148 rpm

Gesamtübersetzung = 1,35 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: do = 30,81 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 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·400000/(π·80·0,8704)) = 30,81 mm
di = 0,6·30,81 = 18,49 mm

Antwort

do = 30,81 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 29,42 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 8,979 °

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.

Innere Drehmomente

Drehsinn von TC als positiv angenommen.

TBC = TC = 1000 N·m
TAB = TC − TB = 1000 − 500 = 500 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 500000·3000/(26000·613592) = 0,09402 rad
φBC = 1 × 10⁶·1000/(26000·613592) = 0,06268 rad

Verdrehung des Endes C

φC = 0,09402 + 0,06268 = 0,1567 rad → |φC| = 8,979°

Antwort

φC = 8,979°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = 18,43 °

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, 110 − 30) = 36,87°

Winkel am Element

θp = 18,43°

Antwort

θp = 18,43°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 60 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 = 40 + 60·0 + −20·−1 = 60 MPa

Antwort

σθ = 60 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 544,1 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 = 20·1000/314,2 = 63,66 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Kupfer = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 63,66/117000 = 0,0005441 = 544,1 µε

Antwort

ε = 544,1 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 621,2 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·7461 = 8,875 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,001, 0,0007) = 0,0007 (Messing)

Größte Last

Pmax = 0,0007·8,875 × 10⁸ = 621250 N = 621,2 kN

Antwort

Pmax = 621,2 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 24,22 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·5000 = 5000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/5000² = 24224 N = 24,22 kN

Antwort

Pcr = 24,22 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 22,56 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,7·5000 = 3500 mm
KL/r = 3500/20 = 175

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/175² = 22,56 MPa

Antwort

σcr = 22,56 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 10,74 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 = √(100000/20) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11,25·√(1 − 0,3²) = 10,74 Hz

Antwort

fd = 10,74 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 10 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 = 5 + 5 = 10 kN/m

Antwort

keq = 10 kN/m

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