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​ = 30N2​ = 48

Ein Motor mit 1,5 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 30 Zähnen an, das mit einem Rad mit 48 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 97 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 30N2 = 48η = 97%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 12B = 50C = 12D = ?

In einem mehrstufigen Rädergetriebe dreht sich Zahnrad A (12 Zähne) auf der Antriebswelle mit 3000 rpm und treibt Zahnrad B (50 Zähne) an. Zahnrad C (12 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Zahnrad D auf der Abtriebswelle an. Der Abtrieb soll sich mit 270 rpm drehen. Wie viele Zähne ND muss Zahnrad D haben?

nin = 3000 rpmA = 12B = 50C = 12nout = 270 rpm
ND =
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 250 N·mL = 0,5 m

Eine Vollwelle aus Messing mit 0,5 m Länge überträgt ein Drehmoment von 250 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 2° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 250 N·mL = 0,5 mG = 39 GPaφallow = 2°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
do​ = ?30 kW, 1500 rpm

Eine Hohlwelle soll 30 kW bei 1500 rpm übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,6-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 50 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

P = 30 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,6τallow = 50 MPa
do = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = −50σy​ = 90τxy​ = −20MPa

In einem Punkt gilt σₓ = −50 MPa, σᵧ = 90 MPa und τₓᵧ = −20 MPa (Zug positiv). Das Element wird um 40° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Bestimme die Normalspannung σy′ auf den Flächen des gedrehten Elements, die senkrecht zur gedrehten y′-Achse stehen.

σx = −50 MPaσy = 90 MPaτxy = −20 MPaθ = 40°
σy′ = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​τxy​Oberseite der Welle

Eine Vollwelle mit 40 mm Durchmesser überträgt ein Biegemoment von 1000 N·m zusammen mit einem Drehmoment von 1000 N·m. Bestimme an der Oberseite, wo die Biegespannung eine Zugspannung und am größten ist, die größte Hauptspannung σ1.

d = 40 mmM = 1000 N·mT = 1000 N·m
σ1 = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
300 kNØ20120 GPaØ120/50500 mmδ = ?

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 20 mm, E = 200 GPa) steckt in einem Rohr aus Kupfer (Außendurchmesser 120 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 120 GPa). Beide sind 500 mm lang und werden zwischen starren Platten mit 300 kN zusammengedrückt. Bestimme die Verkürzung δ.

P = 300 kNStab: Ø20 mm, E = 200 GPaRohr: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
50 kN12500 mm500 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Ein Segment aus Stahl (Durchmesser 40 mm, Länge 500 mm, E = 200 GPa) und ein Segment aus Kupfer (Durchmesser 40 mm, Länge 500 mm, E = 120 GPa) sind stumpf verbunden und zwischen zwei starren Wänden eingespannt. Am Übergang wirkt eine axiale Last von 50 kN in Richtung Segment 2. Bestimme den Betrag der Spannung σ2 in Segment 2.

Segment 1: Stahl, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPaSegment 2: Kupfer, Ø40 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m20 × 50 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 140 kNL = 4 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 140 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 140 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 15 kN/mc = 240 N·s/mm = 150 kg

Eine Masse von 150 kg wird von einer Feder mit einer Steifigkeit von 15 kN/m und einem viskosen Dämpfer mit einer Dämpfungskonstante von 240 N·s/m getragen. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

m = 150 kgk = 15 kN/mc = 240 N·s/m
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 25k2​ = 60m = 40 kg

Eine Masse von 40 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 25 kN/m und k₂ = 60 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Bestimme die Ersatzsteifigkeit keq des Federsystems in kN/m.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 15,33 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 = 9,879·48/30·0,97 = 15,33 N·m

Antwort

T2 = 15,33 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: ND = 32

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 der Zwischenwelle

nB = nC = 3000·12/50 = 720 rpm

Zähne von Zahnrad D

ND = C·nC/nout = 12·720/270 = 32

Antwort

ND = 32
3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 31,1 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.

Erforderliches polares Flächenträgheitsmoment

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 2·π/180 = 0,03491 rad
J = TL/(Gφ) = 250000·500/(39000·0,03491) = 91820 mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 31,1 mm

Antwort

d = 31,1 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: do = 28,17 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 = 30000/157,1 = 191 N·m

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 191 N·m = 190986 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·190986/(π·50·0,8704)) = 28,17 mm
di = 0,6·28,17 = 16,9 mm

Antwort

do = 28,17 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 26,89 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σy′ = 51,85 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 für die y′-Fläche

σy′ = 20 − (−70)·0,1736 − (−20)·0,9848 = 51,85 MPa

Probe

Die Summe der Normalspannungen ändert sich bei einer Drehung nicht.

σx′ = −11,85 MPa, σx′ + σy′ = 40 = σx + σy

Antwort

σy′ = 51,85 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σ1 = 192,1 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.

Spannungen an der Oberfläche

σ = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·40³) = 159,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·40³) = 79,58 MPa
στxyCσ1​σ2​

Mohrscher Spannungskreis

C = σ/2 = 79,58 MPa
R = √(79,58² + 79,58²) = 112,5 MPa
σ1 = C + R = 192,1 MPa
σ2 = C − R = −32,96 MPa

Antwort

σ1 = 192,1 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,1266 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·9346 = 1,184 × 10⁹ N

Verkürzung

δ = 300000·500/1,184 × 10⁹ = 0,1266 mm

Antwort

δ = 0,1266 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σ2 = 14,92 MPa

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.

Steifigkeiten

k₁ = 200000·1257/500 = 502655 N/mm
k₂ = 120000·1257/500 = 301593 N/mm

Anteil von Segment 2

F2 = 50000·301593/804248 = 18750 N

Spannung

σ2 = 18750/1257 = 14,92 MPa (Druck)

Antwort

σ2 = 14,92 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 10,53 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·2500 = 2500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·33333/2500² = 10528 N = 10,53 kN

Antwort

Pcr = 10,53 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 107,2 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 = 2·140000 = 280000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·280000·4000²/(π³·70000))^(1/4) = 107,2 mm

Antwort

d = 107,2 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 149,2, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,08

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.

Kritische Dämpfung

cc = 2·√(k·m) = 2·√(15000·150) = 3000 N·s/m

Dämpfungsgrad

ζ = c/cc = 240/3000 = 0,08

Antwort

ζ = 0,08

ζ < 1, also ist das System unterkritisch gedämpft und schwingt beim Abklingen.

12.Mechanische Schwingungen

Antwort: keq = 85 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 = 25 + 60 = 85 kN/m

Antwort

keq = 85 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design