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
Tw​ = ?z = 2, 1440 rpm

Ein Motor mit 1,5 kW und 1440 rpm treibt eine Schnecke mit 2 Gang/Gängen an. Das Schneckenrad hat 80 Zähne, und der Wirkungsgrad des Getriebes beträgt 65 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tw an der Welle des Schneckenrads.

z = 2Nw = 80n = 1440 rpmP = 1,5 kWη = 65%
Tw = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 24B = 36C = 32D = 40

Ein Motor mit 3 kW und 1450 rpm treibt Zahnrad A (24 Zähne) an, das mit Zahnrad B (36 Zähne) kämmt. Zahnrad C (32 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (40 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 98 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 3 kWnin = 1450 rpmA = 24B = 36C = 32D = 40ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
do​ = 30, di​ = 18 mmT = 250 N·mL = 1,2 m

Eine Hohlwelle aus Stahl (Außendurchmesser 30 mm, Innendurchmesser 18 mm, Länge 1,2 m) ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen durch ein Drehmoment von 250 N·m verdreht. Bestimme den Verdrehwinkel φ in Grad.

T = 250 N·mdo = 30 mmdi = 18 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = ?5 kW, 1500 rpm

Eine Vollwelle aus Stahl überträgt 5 kW bei 1500 rpm. Die Schubspannung darf 60 MPa nicht überschreiten, und die Verdrehung darf 0,75° pro m Länge nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der beide Grenzen einhält.

P = 5 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,75°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 40σy​ = 20τxy​ = −10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 40 MPa, σᵧ = 20 MPa und τₓᵧ = −10 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = 40 MPaσy = 20 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
40°D = 800 mm, t = 5 mm, p = 0,5 MPap

Ein dünnwandiger zylindrischer Behälter mit 800 mm Innendurchmesser und 5 mm Wanddicke enthält Gas mit einem Überdruck von 0,5 MPa. Er ist aus Blech gefertigt, das entlang einer schraubenförmigen Naht unter 40° zur Zylinderachse verschweißt ist. Bestimme die Normalspannung σn, die quer zur Schweißnaht wirkt.

D = 800 mmt = 5 mmp = 0,5 MPaα = 40°
σn = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 12 mmAluminium1 mP = 15 kN

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

P = 15 kNd = 12 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 35 mmStahl1 mØ 12 mmMessing1,5 mP = 85 kN

Der abgesetzte Stab ist an der Wand eingespannt und an seinem freien Ende belastet. Bestimme die gesamte Verlängerung δ.

P = 85 kNAbschnitt 1: Ø35 mm, 1 m, Stahl (E = 200 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 1,5 m, Messing (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 m25 × 60 mmQuerschnitt

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

L = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 80 kNL = 1,5 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Sie muss 80 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 80 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx20 mm3 Perioden6,4 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 20 mm 3 Perioden später ein Scheitel von 6,4 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 20 mmx3 = 6,4 mmn = 3
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 20k2​ = 80m = 50 kg

Eine Masse von 50 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 20 kN/m und k₂ = 80 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 50 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tw = 258,6 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.

Drehzahl des Schneckenrads

nw = n·z/Nw = 1440·2/80 = 36 rpm

Abtriebsdrehmoment

ωw = 2π·36/60 = 3,77 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,65·1500/3,77 = 258,6 N·m

Antwort

Tw = 258,6 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 35,58 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 = 1450·(24/36)·(32/40) = 773,3 rpm
ωout = 2π·773,3/60 = 80,98 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 3000·0,98² = 2881 W
Tout = Pout/ωout = 2881/80,98 = 35,58 N·m

Antwort

Tout = 35,58 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 3,104 °

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(30⁴ − 18⁴)/32 = 69216 mm⁴

Verdrehwinkel

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·1200/(80000·69216) = 0,05418 rad
φ = 0,05418·180/π = 3,104°

Antwort

φ = 3,104°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 23,59 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 5000/157,1 = 31,83 N·m

Durchmesser aus der Festigkeit

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
dτ = ∛(16·31831/(π·60)) = 13,93 mm

Durchmesser aus der Steifigkeit

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·31831/(π·80000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 23,59 mm

Maßgebender Durchmesser

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

d = max(13,93, 23,59) = 23,59 mm

Antwort

d = 23,59 mm

Hier ist die Steifigkeit maßgebend.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 14,14 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.

στxyCτmax​

Radius des Mohrschen Kreises

τmax = R = √(((40 − 20)/2)² + −10²) = 14,14 MPa

Antwort

τmax = 14,14 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σn = 31,74 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. Dünnwandiger Zylinder: Umfangsspannung σh = pr/t und Längsspannung σa = pr/(2t); das sind die Hauptspannungen in der Wand.

Spannungen in der Wand

r = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 0,5·400/5 = 40 MPa
σa = pr/(2t) = 20 MPa

Auf die Naht transformieren

Lege x entlang der Achse (σa) und y in Umfangsrichtung (σh). Die Normale der Naht bildet mit der Achse den Winkel 90° − α.

σn = 20·sin²40° + 40·cos²40° = 31,74 MPa

Antwort

σn = 31,74 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 1895 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 15·1000/113,1 = 132,6 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 132,6/70000 = 0,001895 = 1895 µε

Antwort

ε = 1895 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 11,72 mm

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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 88,35 MPa
σ2 = 751,6 MPa

Verlängerungen der Abschnitte addieren

δ1 = σ1L1/E1 = 88,35·1000/200000 = 0,4417 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 751,6·1500/100000 = 11,27 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,72 mm

Antwort

δ = 11,72 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 3,06 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/4200² = 3060 N = 3,06 kN

Antwort

Pcr = 3,06 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 65,65 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 = 2,5·80000 = 200000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 65,65 mm

Antwort

d = 65,65 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 182,8, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,06034

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 = (1/3)·ln(20/6,4) = 0,3798

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3798/√(39,48 + 0,1443) = 0,06034

Antwort

ζ = 0,06034
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 100 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 = 20 + 80 = 100 kN/m

Antwort

keq = 100 kN/m

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