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​ = 40N2​ = 60

Ein Motor mit 1,5 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 40 Zähnen an, das mit einem Rad mit 60 Zähnen kämmt. Verluste werden vernachlässigt. Bestimme das Drehmoment T1 an der Motorwelle.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 40N2 = 60η = 100%
T1 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 40B = 45C = 36D = 72

Ein Motor mit 1,1 kW und 960 rpm treibt Zahnrad A (40 Zähne) an, das mit Zahnrad B (45 Zähne) kämmt. Zahnrad C (36 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (72 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 95 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 1,1 kWnin = 960 rpmA = 40B = 45C = 36D = 72ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mφ = ?

Eine Vollwelle aus Messing 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 = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = ?75 kW, 1450 rpm

Eine Vollwelle aus Aluminium überträgt 75 kW bei 1450 rpm. Die Schubspannung darf 75 MPa nicht überschreiten, und die Verdrehung darf 0,5° pro m Länge nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der beide Grenzen einhält.

P = 75 kWN = 1450 rpmτallow = 75 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 120σy​ = −10τxy​ = −40MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 120 MPa, σᵧ = −10 MPa und τₓᵧ = −40 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = 120 MPaσy = −10 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 140σy​ = 30τxy​ = −10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 140 MPa, σᵧ = 30 MPa und τₓᵧ = −10 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 20° im Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 140 MPaσy = 30 MPaτxy = −10 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 16 mmMessing2 mP = 105 kN

Bestimme die Verlängerung δ des Stabs aus Messing unter der axialen Last.

P = 105 kNd = 16 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø40120 GPaØ80/50500 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 40 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Kupfer (Außendurchmesser 80 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 120 GPa, zulässige Spannung 60 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaRohr: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 m20 × 100 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 80 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 = 80 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 100 kN/mζ = 0,35m = 250 kg

Eine Masse von 250 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 100 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,35 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 250 kgk = 100 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 12k2​ = 30k3​ = 100m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg hängt an der Feder k₃ = 100 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 12 kN/m und k₂ = 30 kN/m; der Balken bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen von Federn und Balken. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T1 = 9,879 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 = 1500/151,8 = 9,879 N·m

Antwort

T1 = 9,879 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 22,22 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 = 960·(40/45)·(36/72) = 426,7 rpm
ωout = 2π·426,7/60 = 44,68 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 1100·0,95² = 992,8 W
Tout = Pout/ωout = 992,8/44,68 = 22,22 N·m

Antwort

Tout = 22,22 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 2,192 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Verdrehwinkel

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(39000·251327) = 0,03826 rad
φ = 0,03826·180/π = 2,192°

Antwort

φ = 2,192°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 68,62 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Durchmesser aus der Festigkeit

T = 493,9 N·m = 493929 N·mm
dτ = ∛(16·493929/(π·75)) = 32,25 mm

Durchmesser aus der Steifigkeit

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·493929/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 68,62 mm

Maßgebender Durchmesser

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

d = max(32,25, 68,62) = 68,62 mm

Antwort

d = 68,62 mm

Hier ist die Steifigkeit maßgebend.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = −15,8 °

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·−40, 120 − −10) = −31,61°

Winkel am Element

θp = −15,8°

Antwort

θp = −15,8°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 133,6 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 = 85 + 55·0,766 + −10·−0,6428 = 133,6 MPa

Antwort

σθ = 133,6 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 10,44 mm

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 105·1000/201,1 = 522,2 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Messing = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 522,2/100000 = 0,005222 = 5222 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,005222·2000 mm = 10,44 mm

Antwort

δ = 10,44 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 309,4 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·3063 = 6,189 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0005) = 0,0005 (Kupfer)

Größte Last

Pmax = 0,0005·6,189 × 10⁸ = 309447 N = 309,4 kN

Antwort

Pmax = 309,4 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 32,9 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/2000² = 32899 N = 32,9 kN

Antwort

Pcr = 32,9 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 17,27 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 = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/20 = 200

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Antwort

σcr = 17,27 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 2,982 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 = √(100000/250) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,35²) = 2,982 Hz

Antwort

fd = 2,982 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 8,656 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.

Ersatzsteifigkeit

Nur k1 und k2 liegen parallel. Dieses Paar liegt in Reihe mit k3, also addiere die Kehrwerte.

k12 = 12 + 30 = 42 kN/m
keq = 42·100/(42 + 100) = 29,58 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(29577/10) = 54,39 rad/s
fn = 54,39/(2π) = 8,656 Hz

Antwort

fn = 8,656 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design