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 112,5 mm auseinander. Sie sollen über ein Stirnradpaar mit dem Modul 1,5 mm und einer Untersetzung von 5 : 1 verbunden werden. Wie viele Zähne N2 muss das Rad haben?

a = 112,5 mmm = 1,5 mmi = 5
N2 =
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 25B = 36C = 40D = 72

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (25 Zähne) auf der Antriebswelle mit 2900 rpm das Rad B (36 Zähne) an. Rad C (40 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (72 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 2900 rpmA = 25B = 36C = 40D = 72
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
T = 250 N·md = 30 mmL = 2 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 = 30 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 250 N·mABC2 m0,5 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 40 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 2 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 200 N·m, und am freien Ende C, weitere 0,5 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im entgegengesetzten Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 250 N·mAB = 2 mBC = 0,5 mG = 26 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 80σy​ = −10MPaτxy​ = ?

In einem Punkt gilt σₓ = 80 MPa und σᵧ = −10 MPa. Wie groß darf die Schubspannung τxy (Betrag) werden, bevor die größte Hauptspannung 120 MPa erreicht?

σx = 80 MPaσy = −10 MPaσ1 = 120 MPa
τxy = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = −40σy​ = 100τxy​ = 20MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −40 MPa, σᵧ = 100 MPa und τₓᵧ = 20 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 = −40 MPaσy = 100 MPaτxy = 20 MPaθ = 60°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 20 mmKupfer0,5 mP = 65 kN

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

P = 65 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 30 mmKupfer2 mØ 20 mmMessing1,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNAbschnitt 1: Ø30 mm, 2 m, Kupfer (E = 117 GPa)Abschnitt 2: Ø20 mm, 1,5 m, Messing (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 m50 × 80 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 = 3 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 3 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx25 mm5 Perioden1,1 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 25 mm 5 Perioden später ein Scheitel von 1,1 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 25 mmx5 = 1,1 mmn = 5
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 20k2​ = 30m = 40 kg

Eine Masse von 40 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 20 kN/m, die untere k₂ = 30 kN/m. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen der Federn. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: N2 = 125

Zahnradgeometrie: Der Modul m legt die Zahngröße fest. Ein Zahnrad mit N Zähnen hat den Teilkreisdurchmesser d = m·N, zwei kämmende Zahnräder haben denselben Modul, und ihr Achsabstand ist a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Die Umfangsgeschwindigkeit am Teilkreis ist v = π·d·n/60, und die Umfangskraft am Zahn folgt aus dem Drehmoment: Ft = 2T/d.

Gesamtzahl der Zähne

N1 + N2 = 2a/m = 2·112,5/1,5 = 150

Nach dem Verhältnis aufteilen

N1 = 150/(1 + 5) = 25
N2 = 5·25 = 125

Antwort

N2 = 125
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 1119 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 = 2900·25/36 = 2014 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 2014·40/72 = 1119 rpm

Antwort

nout = 1119 rpm

Gesamtübersetzung = 2,592 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 9,237 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Verdrehwinkel

φ = TL/(GJ) = 250·1000·2000/(39000·79522) = 0,1612 rad
φ = 0,1612·180/π = 9,237°

Antwort

φ = 9,237°
4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 1,973 °

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 − 200 = 50 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 50000·2000/(26000·251327) = 0,0153 rad
φBC = 250000·500/(26000·251327) = 0,01913 rad

Verdrehung des Endes C

φC = 0,0153 + 0,01913 = 0,03443 rad → |φC| = 1,973°

Antwort

φC = 1,973°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τxy = 72,11 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.

Erforderlicher Radius

C = (80 + (−10))/2 = 35 MPa
R = σ1 − C = 120 − 35 = 85 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schubspannung

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(85² − 45²) = 72,11 MPa

Antwort

τxy = 72,11 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = 50,62 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 = −−70·0,866 + 20·−0,5 = 50,62 MPa

Antwort

τθ = 50,62 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 1768 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 = 65·1000/314,2 = 206,9 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Kupfer = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 206,9/117000 = 0,001768 = 1768 µε

Antwort

ε = 1768 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 5,035 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Verlängerungen der Abschnitte addieren

δ1 = σ1L1/E1 = 99,03·2000/117000 = 1,693 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 222,8·1500/100000 = 3,342 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,035 mm

Antwort

δ = 5,035 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 373 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/2100² = 373001 N = 373 kN

Antwort

Pcr = 373 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 44,76 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/10 = 210

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/210² = 44,76 MPa

Antwort

σcr = 44,76 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,09894

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 = (1/5)·ln(25/1,1) = 0,6247

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6247/√(39,48 + 0,3903) = 0,09894

Antwort

ζ = 0,09894
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 2,757 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

Federn in Reihe übertragen dieselbe Kraft, und ihre Wege addieren sich, daher werden die Kehrwerte addiert: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/30 → keq = 20·30/(20 + 30) = 12 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(12000/40) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Antwort

fn = 2,757 Hz

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