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
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm2880 rpmn2​ = ?

Eine Scheibe mit 150 mm bei 2880 rpm treibt über einen Riemen mit 2,5 % Schlupf eine Scheibe mit 500 mm an. Bestimme die Drehzahl n2 der getriebenen Scheibe.

n1 = 2880 rpmd1 = 150 mmd2 = 500 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 20B = 72C = 16D = 25

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (20 Zähne) auf der Antriebswelle mit 2900 rpm das Rad B (72 Zähne) an. Rad C (16 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (25 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 2900 rpmA = 20B = 72C = 16D = 25
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 1000 N·mL = 0,8 m

Eine Vollwelle aus Messing mit 0,8 m Länge überträgt ein Drehmoment von 1000 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 2° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 1000 N·mL = 0,8 mG = 39 GPaφallow = 2°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
d = 50 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 250 N·mABC1,2 m0,8 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 50 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 1,2 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 500 N·m, und am freien Ende C, weitere 0,8 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 250 N·m im entgegengesetzten Drehsinn. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

d = 50 mmTB = 500 N·mTC = 250 N·mAB = 1,2 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 90σy​ = −70τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 90 MPa, σᵧ = −70 MPa und τₓᵧ = 30 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = 90 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​τxy​Oberseite der Welle

Eine Vollwelle mit 25 mm Durchmesser überträgt ein Biegemoment von 300 N·m zusammen mit einem Drehmoment von 400 N·m. Bestimme an der Oberseite, wo die Biegespannung eine Zugspannung und am größten ist, die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

d = 25 mmM = 300 N·mT = 400 N·m
τmax = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 16 mmAluminium1,5 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 40 mmAluminium1,5 mØ 16 mmAluminium1 mP = 65 kN

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

P = 65 kNAbschnitt 1: Ø40 mm, 1,5 m, Aluminium (E = 70 GPa)Abschnitt 2: Ø16 mm, 1 m, Aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 m25 × 40 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 × 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 3 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 8 kN/mζ = 0,45m = 5 kg

Eine Masse von 5 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 8 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,45 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 5 kgk = 8 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 15k2​ = 25m = 20 kg

Eine Masse von 20 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 15 kN/m, die untere k₂ = 25 kN/m. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen der Federn. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: n2 = 842,4 rpm

Riemenantriebe: Ohne Schlupf haben beide Scheiben dieselbe Umfangsgeschwindigkeit v = π·d·n/60, also n₁·d₁ = n₂·d₂, und das Übersetzungsverhältnis ist d₂/d₁. Schlupf s macht die getriebene Scheibe etwas langsamer: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Die übertragene Leistung ist P = (T₁ − T₂)·v, mit der Zugkraft T₁ im Lasttrum und T₂ im Leertrum. Die Reibung begrenzt das Verhältnis der Zugkräfte: T₁/T₂ = eμθ, wobei θ der Umschlingungswinkel im Bogenmaß an der kleineren Scheibe ist; für einen offenen Riemen gilt θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) mit dem Achsabstand C.

Drehzahl ohne Schlupf

2880·150/500 = 864 rpm

Mit Schlupf

n2 = 864·0,975 = 842,4 rpm

Antwort

n2 = 842,4 rpm
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 515,6 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 = 2900·20/72 = 805,6 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 805,6·16/25 = 515,6 rpm

Antwort

nout = 515,6 rpm

Gesamtübersetzung = 5,625 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 49,46 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 = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 2·π/180 = 0,03491 rad
J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·800/(39000·0,03491) = 587649 mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 49,46 mm

Antwort

d = 49,46 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 10,19 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 − 500 = −250 N·m

Maximale Schubspannung

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

|T|max = 250 N·m
τmax = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa

Antwort

τmax = 10,19 MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = 10,28 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Winkel am Kreis

Punkt x liegt im Mohrschen Kreis unter dem Winkel 2θp zur σ-Achse; der Quadrant ergibt sich aus den Vorzeichen von σₓ − σᵧ und τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, 90 − −70) = 20,56°

Winkel am Element

θp = 10,28°

Antwort

θp = 10,28°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 163 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) = 32·300000/(π·25³) = 195,6 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·25³) = 130,4 MPa
στxyCτmax​

Mohrscher Spannungskreis

C = σ/2 = 97,78 MPa
R = √(97,78² + 130,4²) = 163 MPa

Antwort

τmax = 163 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 7105 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 100·1000/201,1 = 497,4 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 497,4/70000 = 0,007105 = 7105 µε

Antwort

ε = 7105 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 5,727 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 51,73 MPa
σ2 = 323,3 MPa

Verlängerungen der Abschnitte addieren

δ1 = σ1L1/E1 = 51,73·1500/70000 = 1,108 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 323,3·1000/70000 = 4,618 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,727 mm

Antwort

δ = 5,727 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 2,04 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 = 0,7·6000 = 4200 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/4200² = 2040 N = 2,04 kN

Antwort

Pcr = 2,04 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 5,483 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 = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/10 = 600

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/600² = 5,483 MPa

Antwort

σcr = 5,483 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 5,685 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 = √(8000/5) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,366·√(1 − 0,45²) = 5,685 Hz

Antwort

fd = 5,685 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 3,446 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 = 1/15 + 1/25 → keq = 15·25/(15 + 25) = 9,375 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(9375/20) = 21,65 rad/s
fn = 21,65/(2π) = 3,446 Hz

Antwort

fn = 3,446 Hz

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