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​ = 20

Ein Motor mit 1,5 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 12 Zähnen an, das mit einem Rad mit 20 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 98 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 20η = 98%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 12B = 72C = 48D = 50

Ein Motor mit 15 kW und 2900 rpm treibt Zahnrad A (12 Zähne) an, das mit Zahnrad B (72 Zähne) kämmt. Zahnrad C (48 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (50 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 97 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 15 kWnin = 2900 rpmA = 12B = 72C = 48D = 50ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
T = 400 N·md = 50 mmL = 2,5 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 = 400 N·md = 50 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
do​ = ?30 kW, 300 rpm

Eine Hohlwelle soll 30 kW bei 300 rpm übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,8-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 60 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

P = 30 kWN = 300 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σy​ = 90τxy​ = −40MPa

In einem Punkt gilt σₓ = 0 MPa, σᵧ = 90 MPa und τₓᵧ = −40 MPa (Zug positiv). Das Element wird um 45° im Uhrzeigersinn gedreht. Bestimme die Normalspannung σy′ auf den Flächen des gedrehten Elements, die senkrecht zur gedrehten y′-Achse stehen.

σx = 0 MPaσy = 90 MPaτxy = −40 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 90σy​ = −80τxy​ = −10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 90 MPa, σᵧ = −80 MPa und τₓᵧ = −10 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 45° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 90 MPaσy = −80 MPaτxy = −10 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
P = ?12500 mm500 mmØ20Ø40δ = 0,5 mm

Ein Stab besteht aus einem Segment aus Stahl (Durchmesser 20 mm, Länge 500 mm, E = 200 GPa), das stumpf mit einem Segment aus Bronze (Durchmesser 40 mm, Länge 500 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 0,5 mm dehnt.

Segment 1: Stahl, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPaSegment 2: Bronze, Ø40 mm, 500 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 25 mmAluminium1,5 mØ 12 mmKupfer0,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNAbschnitt 1: Ø25 mm, 1,5 m, Aluminium (E = 70 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 0,5 m, Kupfer (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m40 × 50 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 = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 3 md = 50 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 25 kN/mζ = 0,35m = 15 kg

Eine Masse von 15 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 25 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,35 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 15 kgk = 25 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 10k2​ = 25m = 25 kg

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

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

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 16,14 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

Abtriebsdrehmoment

T2 = 9,879·20/12·0,98 = 16,14 N·m

Antwort

T2 = 16,14 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 290,5 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 = 2900·(12/72)·(48/50) = 464 rpm
ωout = 2π·464/60 = 48,59 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 15000·0,97² = 14114 W
Tout = Pout/ωout = 14114/48,59 = 290,5 N·m

Antwort

Tout = 290,5 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 2,394 °

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) = 400·1000·2500/(39000·613592) = 0,04179 rad
φ = 0,04179·180/π = 2,394°

Antwort

φ = 2,394°
4.Torsion von Wellen

Antwort: do = 51,59 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 = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 954,9 N·m = 954930 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·954930/(π·60·0,5904)) = 51,59 mm
di = 0,8·51,59 = 41,27 mm

Antwort

do = 51,59 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 43,28 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σy′ = 5 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 für die y′-Fläche

σy′ = 45 − (−45)·0 − (−40)·(−1) = 5 MPa

Probe

Die Summe der Normalspannungen ändert sich bei einer Drehung nicht.

σx′ = 85 MPa, σx′ + σy′ = 90 = σx + σy

Antwort

σy′ = 5 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = −85 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 = −85·1 + −10·0 = −85 MPa

Antwort

τθ = −85 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: P = 43,2 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

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Nachgiebigkeiten

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·314,2) = 7,958 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(110000·1257) = 3,617 × 10⁻⁶ mm/N

Last

P = 0,5/1,157 × 10⁻⁵ = 43197 N = 43,2 kN

Antwort

P = 43,2 kN
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 928,4 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 = 213,9 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 928,4 MPa

Antwort

σmax = 928,4 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 171,9 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·266667/1750² = 171879 N = 171,9 kN

Antwort

Pcr = 171,9 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 137,1 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 = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/12,5 = 120

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/120² = 137,1 MPa

Antwort

σcr = 137,1 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 6,087 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 = √(25000/15) = 40,82 rad/s
fn = 40,82/(2π) = 6,497 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,497·√(1 − 0,35²) = 6,087 Hz

Antwort

fd = 6,087 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 7,143 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 = 1/10 + 1/25 → keq = 10·25/(10 + 25) = 7,143 kN/m

Antwort

keq = 7,143 kN/m

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