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​ = 160 mmd2​ = 250 mm720 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Ein Riemen läuft auf einer treibenden Scheibe mit 160 mm bei 720 rpm. Die Zugkraft beträgt 600 N im Lasttrum und 150 N im Leertrum. Bestimme die übertragene Leistung P in kW.

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 24B = 60C = 20D = 72

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (24 Zähne) auf der Antriebswelle mit 3000 rpm das Rad B (60 Zähne) an. Rad C (20 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (72 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 3000 rpmA = 24B = 60C = 20D = 72
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 750 N·mL = 1 m

Eine Vollwelle aus Stahl mit 1 m Länge überträgt ein Drehmoment von 750 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 3° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 750 N·mL = 1 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
do​ = ?15 kW, 1000 rpm

Eine Hohlwelle soll 15 kW bei 1000 rpm übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,6-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 80 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

P = 15 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = −50σy​ = 90τxy​ = 40MPa

In einem Punkt gilt σₓ = −50 MPa, σᵧ = 90 MPa und τₓᵧ = 40 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 = 40 MPaθ = 40°
σy′ = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 130σy​ = 80τxy​ = −50MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 130 MPa, σᵧ = 80 MPa und τₓᵧ = −50 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 20° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 130 MPaσy = 80 MPaτxy = −50 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 25 mmAluminium1,5 mP = 10 kN

Bestimme die Verlängerung δ des Stabs aus Aluminium unter der axialen Last.

P = 10 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
50 kN12600 mm500 mmØ20Ø30σ2​ = ?

Ein Segment aus Stahl (Durchmesser 20 mm, Länge 600 mm, E = 200 GPa) und ein Segment aus Aluminium (Durchmesser 30 mm, Länge 500 mm, E = 70 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, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPaSegment 2: Aluminium, Ø30 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1 md = 30 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 = 1 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2,5 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx10 mm5 Perioden2,1 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 10 mm 5 Perioden später ein Scheitel von 2,1 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 10 mmx5 = 2,1 mmn = 5
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 25k2​ = 25m = 50 kg

Eine Masse von 50 kg hängt an zwei hintereinander (in Reihe) geschalteten Federn: Die obere Feder hat k₁ = 25 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 = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 2,714 kW

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.

Riemengeschwindigkeit

v = 6,032 m/s

Leistung

P = (600 − 150)·6,032 = 2714 W = 2,714 kW

Antwort

P = 2,714 kW
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 333,3 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 = 3000·24/60 = 1200 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 1200·20/72 = 333,3 rpm

Antwort

nout = 333,3 rpm

Gesamtübersetzung = 9 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 36,75 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·1000/(80000·0,05236) = 179049 mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 36,75 mm

Antwort

d = 36,75 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: do = 21,88 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 143,2 N·m = 143239 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·143239/(π·80·0,8704)) = 21,88 mm
di = 0,6·21,88 = 13,13 mm

Antwort

do = 21,88 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 20,89 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σy′ = −7,237 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 − 40·0,9848 = −7,237 MPa

Probe

Die Summe der Normalspannungen ändert sich bei einer Drehung nicht.

σx′ = 47,24 MPa, σx′ + σy′ = 40 = σx + σy

Antwort

σy′ = −7,237 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 92,01 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

σθ = 105 + 25·0,766 + −50·0,6428 = 92,01 MPa

Antwort

σθ = 92,01 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,4365 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 10·1000/490,9 = 20,37 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 20,37/70000 = 0,000291 = 291 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,000291·1500 mm = 0,4365 mm

Antwort

δ = 0,4365 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σ2 = 34,37 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 = 200000·314,2/600 = 104720 N/mm
k₂ = 70000·706,9/500 = 98960 N/mm

Anteil von Segment 2

F2 = 50000·98960/203680 = 24293 N

Spannung

σ2 = 24293/706,9 = 34,37 MPa (Druck)

Antwort

σ2 = 34,37 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 160,2 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 runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/700² = 160173 N = 160,2 kN

Antwort

Pcr = 160,2 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 11,05 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 = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/250² = 11,05 MPa

Antwort

σcr = 11,05 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,04962

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(10/2,1) = 0,3121

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3121/√(39,48 + 0,09742) = 0,04962

Antwort

ζ = 0,04962
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 2,516 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 = 1/25 + 1/25 → keq = 25·25/(25 + 25) = 12,5 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(12500/50) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Antwort

fn = 2,516 Hz

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