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 72 mm auseinander. Sie sollen über ein Stirnradpaar mit dem Modul 2 mm und einer Untersetzung von 3 : 1 verbunden werden. Wie viele Zähne N1 muss das Ritzel haben?

a = 72 mmm = 2 mmi = 3
N1 =
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 36B = 48C = 24D = 50

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (36 Zähne) auf der Antriebswelle mit 1500 rpm das Rad B (48 Zähne) an. Rad C (24 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (50 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 1500 rpmA = 36B = 48C = 24D = 50
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d1​ = 50 mmd2​ = 30 mmT = 750 N·mABC1,2 m1 m

Eine abgesetzte Vollwelle aus Messing ist in A eingespannt. Abschnitt AB hat 50 mm Durchmesser und 1,2 m Länge; Abschnitt BC hat 30 mm Durchmesser und 1 m Länge. Am freien Ende C wirkt ein Drehmoment von 750 N·m. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

T = 750 N·md1 = 50 mm, L1 = 1,2 md2 = 30 mm, L2 = 1 m
τmax = MPa
4.Torsion von WellenSchwer
d = 40 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 250 N·mABC0,8 m2 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 40 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 0,8 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 1500 N·m, und am freien Ende C, weitere 2 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im gleichen Drehsinn. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

d = 40 mmTB = 1500 N·mTC = 250 N·mAB = 0,8 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 60σy​ = 40τxy​ = 20MPa

In einem Punkt gilt σₓ = 60 MPa, σᵧ = 40 MPa und τₓᵧ = 20 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θs zwischen −90° und 90° von der x-Achse zur Normalen der Ebene, in der die Schubspannung ihren größten positiven Wert +R hat (Schub positiv im gleichen Sinn wie τₓᵧ).

σx = 60 MPaσy = 40 MPaτxy = 20 MPa
θs = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 70σy​ = 80τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 70 MPa, σᵧ = 80 MPa und τₓᵧ = 30 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 60° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 70 MPaσy = 80 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
100 kNØ40100 GPaØ120/50600 mmδ = ?

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 40 mm, E = 200 GPa) steckt in einem Rohr aus Messing (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 100 GPa). Beide sind 600 mm lang und werden zwischen starren Platten mit 100 kN zusammengedrückt. Bestimme die Verkürzung δ.

P = 100 kNStab: Ø40 mm, E = 200 GPaRohr: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø30110 GPaØ120/50600 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 30 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Bronze (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 110 GPa, zulässige Spannung 100 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaRohr: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 m25 × 40 mmQuerschnitt

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 6 md = 60 mmQuerschnitt

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

L = 6 mE = 200 GPa (Stahl)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 5 kN/mζ = 0,3m = 15 kg

Eine Masse von 15 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 5 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,3 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 15 kgk = 5 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 40k2​ = 50k3​ = 30m = 5 kg

Eine Masse von 5 kg hängt an der Feder k₃ = 30 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 40 kN/m und k₂ = 50 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 = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: N1 = 18

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 = 2·72/2 = 72

Nach dem Verhältnis aufteilen

N1 = 72/(1 + 3) = 18

Antwort

N1 = 18
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 540 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 = 1500·36/48 = 1125 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 1125·24/50 = 540 rpm

Antwort

nout = 540 rpm

Gesamtübersetzung = 2,778 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 141,5 MPa

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.

Spannung in jedem Abschnitt

T = 750 N·m = 750000 N·mm
τAB = 16·750000/(π·50³) = 30,56 MPa
τBC = 16·750000/(π·30³) = 141,5 MPa

Antwort

τmax = 141,5 MPa
4.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 139,3 MPa

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 = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 1500 = 1750 N·m

Maximale Schubspannung

Der Abschnitt mit dem größten inneren Drehmoment hat die größte Spannung (gleicher Durchmesser).

|T|max = 1750 N·m
τmax = 16·1,75 × 10⁶/(π·40³) = 139,3 MPa

Antwort

τmax = 139,3 MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θs = −13,28 °

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.

στxyCτmax​

Winkel am Kreis

Im Mohrschen Kreis liegt der höchste Punkt (+R) 90° vom Hauptspannungspunkt σ₁ entfernt; am Element sind das 45°.

cos 2θs = 20/22,36 = 0,8944, sin 2θs = −10/22,36 = −0,4472
2θs = atan2(−10, 20) = −26,57°

Winkel am Element

θs = −13,28°
Probe: θs − θp = −13,28 − 31,72 = −45°

Antwort

θs = −13,28°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = −10,67 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 + 30·−0,5 = −10,67 MPa

Antwort

τθ = −10,67 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,05059 mm

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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·9346 = 1,186 × 10⁹ N

Verkürzung

δ = 100000·600/1,186 × 10⁹ = 0,05059 mm

Antwort

δ = 0,05059 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 877,1 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 − 50²)/4 = 9346 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·9346 = 1,169 × 10⁹ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0009091) = 0,00075 (Stahl)

Größte Last

Pmax = 0,00075·1,169 × 10⁹ = 877093 N = 877,1 kN

Antwort

Pmax = 877,1 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 15,99 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 = 1·1500 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/1500² = 15992 N = 15,99 kN

Antwort

Pcr = 15,99 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 49,35 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Antwort

σcr = 49,35 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 2,772 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 = √(5000/15) = 18,26 rad/s
fn = 18,26/(2π) = 2,906 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,906·√(1 − 0,3²) = 2,772 Hz

Antwort

fd = 2,772 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 10,68 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 = 40 + 50 = 90 kN/m
keq = 90·30/(90 + 30) = 22,5 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(22500/5) = 67,08 rad/s
fn = 67,08/(2π) = 10,68 Hz

Antwort

fn = 10,68 Hz

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