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​ = 20N2​ = 24

Ein Motor mit 2,2 kW und 1500 rpm treibt ein Ritzel mit 20 Zähnen an, das mit einem Rad mit 24 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 96 %. Bestimme das Drehmoment T1 an der Motorwelle.

P = 2,2 kWn1 = 1500 rpmN1 = 20N2 = 24η = 96%
T1 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Ein offener Riemen verbindet eine treibende Scheibe mit 120 mm bei 960 rpm mit einer Scheibe mit 400 mm; die Mittelpunkte sind 600 mm voneinander entfernt. Der Reibungskoeffizient beträgt 0,25, und die Zugkraft im Lasttrum darf 1500 N nicht überschreiten. Bestimme die größte Leistung P, die der Riemen ohne Durchrutschen übertragen kann, in kW (Fliehkrafteffekte vernachlässigen).

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 1000 N·mL = 1,5 m

Eine Vollwelle aus Stahl mit 1,5 m Länge überträgt ein Drehmoment von 1000 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 0,5° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 1000 N·mL = 1,5 mG = 80 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
d = 40 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 200 N·mABC2 m2,5 m

Eine Vollwelle aus Messing mit 40 mm Durchmesser ist in A eingespannt. In B, 2 m von A entfernt, wirkt ein Drehmoment von 1500 N·m, und am freien Ende C, weitere 2,5 m entfernt, wirkt ein Drehmoment von 200 N·m im entgegengesetzten Drehsinn. Bestimme den Betrag des Verdrehwinkels φC des Endes C in Grad.

d = 40 mmTB = 1500 N·mTC = 200 N·mAB = 2 mBC = 2,5 mG = 39 GPa
φC = °
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 0σy​ = 20τxy​ = 60MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 0 MPa, σᵧ = 20 MPa und τₓᵧ = 60 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = 0 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 60σy​ = −50τxy​ = 60MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 60 MPa, σᵧ = −50 MPa und τₓᵧ = 60 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 40° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 60 MPaσy = −50 MPaτxy = 60 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 10 mmAluminium2 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 10 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 35 mmAluminium1 mØ 12 mmAluminium1 mP = 55 kN

Der abgesetzte Stab ist an der Wand eingespannt und an seinem freien Ende belastet. Bestimme die größte Normalspannung σmax im Stab.

P = 55 kNAbschnitt 1: Ø35 mm, 1 m, Aluminium (E = 70 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 1 m, Aluminium (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 md = 25 mmQuerschnitt

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 125 kNL = 1,5 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 125 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 125 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 20 kN/mζ = 0,5m = 5 kg

Eine Masse von 5 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 20 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,5 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

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

Eine Masse von 20 kg hängt an zwei nebeneinander (parallel) angeordneten Federn mit den Steifigkeiten k₁ = 25 kN/m und k₂ = 20 kN/m. Die Masse bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen der Federn. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

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

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T1 = 14,01 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/157,1 = 14,01 N·m

Antwort

T1 = 14,01 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 4,407 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.

Umschlingungswinkel

θ = 2,671 rad

Zugkraft im Leertrum

eμθ = e0,6676 = 1,95, T₂ = 1500/1,95 = 769,4 N

Leistung

P = (1500 − 769,4)·6,032 = 4,407 kW

Antwort

P = 4,407 kW
3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 68,4 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 = 1,5 m = 1500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·1500/(80000·0,008727) = 2,149 × 10⁶ mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 68,4 mm

Antwort

d = 68,4 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: φC = 12,28 °

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 = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 1500 = −1300 N·m

Verdrehung jedes Abschnitts

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −1,3 × 10⁶·2000/(39000·251327) = −0,2653 rad
φBC = 200000·2500/(39000·251327) = 0,05101 rad

Verdrehung des Endes C

φC = −0,2653 + 0,05101 = −0,2142 rad → |φC| = 12,28°

Antwort

φC = 12,28°
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 60,83 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 = √(((0 − 20)/2)² + 60²) = 60,83 MPa

Antwort

τmax = 60,83 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 73,64 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 = 5 + 55·0,1736 + 60·0,9848 = 73,64 MPa

Antwort

σθ = 73,64 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: ε = 16370 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 90·1000/78,54 = 1146 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 1146/70000 = 0,01637 = 16370 µε

Antwort

ε = 16370 µε
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 486,3 MPa

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 = 57,17 MPa
σ2 = 486,3 MPa

Größte Spannung

Der dünnere Abschnitt hat die kleinere Fläche, daher trägt er die größere Spannung.

σmax = 486,3 MPa

Antwort

σmax = 486,3 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 23,55 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/750² = 23551 N = 23,55 kN

Antwort

Pcr = 23,55 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 43,42 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 = 2,5·125000 = 312500 N
KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·312500·1050²/(π³·200000))^(1/4) = 43,42 mm

Antwort

d = 43,42 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 96,72, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 8,717 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 = √(20000/5) = 63,25 rad/s
fn = 63,25/(2π) = 10,07 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 10,07·√(1 − 0,5²) = 8,717 Hz

Antwort

fd = 8,717 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 7,549 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

Nebeneinander angeordnete Federn haben denselben Weg, und ihre Kräfte addieren sich, daher addieren sich ihre Steifigkeiten einfach: k = k1 + k2.

keq = 25 + 20 = 45 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(45000/20) = 47,43 rad/s
fn = 47,43/(2π) = 7,549 Hz

Antwort

fn = 7,549 Hz

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