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
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm960 rpmT1​ = 600 NT2​ = 180 NP = ?

Ein Riemen läuft auf einer treibenden Scheibe mit 125 mm bei 960 rpm. Die Zugkraft beträgt 600 N im Lasttrum und 180 N im Leertrum. Bestimme die übertragene Leistung P in kW.

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 600 NT2 = 180 N
P = kW
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 40B = 80C = 15D = 48

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (40 Zähne) auf der Antriebswelle mit 2900 rpm das Rad B (80 Zähne) an. Rad C (15 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (48 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 2900 rpmA = 40B = 80C = 15D = 48
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 200 N·mL = 0,8 m

Eine Vollwelle aus Stahl mit 0,8 m Länge überträgt ein Drehmoment von 200 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 3° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 200 N·mL = 0,8 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
do​ = ?100 kW, 1500 rpm

Eine Hohlwelle soll 100 kW bei 1500 rpm übertragen. Ihr Innendurchmesser soll das 0,75-Fache ihres Außendurchmessers betragen, und die Schubspannung darf 60 MPa nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Außendurchmesser do.

P = 100 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,75τallow = 60 MPa
do = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 110σy​ = −20τxy​ = −50MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 110 MPa, σᵧ = −20 MPa und τₓᵧ = −50 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = 110 MPaσy = −20 MPaτxy = −50 MPa
θp = °
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 80σy​ = 70τxy​ = 30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 80 MPa, σᵧ = 70 MPa und τₓᵧ = 30 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σθ in einem Schnitt, dessen Normale um 25° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist.

σx = 80 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
P = ?12600 mm200 mmØ40Ø30δ = 0,5 mm

Ein Stab besteht aus einem Segment aus Stahl (Durchmesser 40 mm, Länge 600 mm, E = 200 GPa), das stumpf mit einem Segment aus Aluminium (Durchmesser 30 mm, Länge 200 mm, E = 70 GPa) verbunden ist. Er ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen gezogen. Bestimme die axiale Last P, die ihn insgesamt um 0,5 mm dehnt.

Segment 1: Stahl, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPaSegment 2: Aluminium, Ø30 mm, 200 mm, E = 70 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 30 mmAluminium2 mØ 12 mmKupfer1 mP = 105 kN

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

P = 105 kNAbschnitt 1: Ø30 mm, 2 m, Aluminium (E = 70 GPa)Abschnitt 2: Ø12 mm, 1 m, Kupfer (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 m25 × 100 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 80 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx20 mm2 Perioden12,1 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 20 mm 2 Perioden später ein Scheitel von 12,1 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 20 mmx2 = 12,1 mmn = 2
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 10k2​ = 50k3​ = 40m = 40 kg

Eine Masse von 40 kg hängt an der Feder k₃ = 40 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 10 kN/m und k₂ = 50 kN/m; der Balken bleibt waagerecht. Vernachlässige die Dämpfung und die Massen von Federn und Balken. Bestimme die Eigenfrequenz fn der vertikalen Schwingung in Hz.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 2,639 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 = 6,283 m/s

Leistung

P = (600 − 180)·6,283 = 2639 W = 2,639 kW

Antwort

P = 2,639 kW
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 453,1 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 = 2900·40/80 = 1450 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 1450·15/48 = 453,1 rpm

Antwort

nout = 453,1 rpm

Gesamtübersetzung = 6,4 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 24,98 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 = 200 N·m = 200000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 200000·800/(80000·0,05236) = 38197 mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 24,98 mm

Antwort

d = 24,98 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: do = 42,92 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 = 100000/157,1 = 636,6 N·m

Außendurchmesser aus der zulässigen Spannung

T = 636,6 N·m = 636620 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·636620/(π·60·0,6836)) = 42,92 mm
di = 0,75·42,92 = 32,19 mm

Antwort

do = 42,92 mm

Eine Vollwelle bräuchte d = 37,81 mm; die Hohlwelle ist etwas größer, aber viel leichter.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: θp = −18,78 °

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·−50, 110 − −20) = −37,57°

Winkel am Element

θp = −18,78°

Antwort

θp = −18,78°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: σθ = 101,2 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 = 75 + 5·0,6428 + 30·0,766 = 101,2 MPa

Antwort

σθ = 101,2 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: P = 77,77 kN

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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 706,9 mm²

Nachgiebigkeiten

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(70000·706,9) = 4,042 × 10⁻⁶ mm/N

Last

P = 0,5/6,429 × 10⁻⁶ = 77768 N = 77,77 kN

Antwort

P = 77,77 kN
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 928,4 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 148,5 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 928,4 MPa

Antwort

σmax = 928,4 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 39,98 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·130208/1500² = 39981 N = 39,98 kN

Antwort

Pcr = 39,98 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 197,4 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/20 = 100

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa

Antwort

σcr = 197,4 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,03996

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 = (1/2)·ln(20/12,1) = 0,2513

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2513/√(39,48 + 0,06313) = 0,03996

Antwort

ζ = 0,03996
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 3,898 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

Nur k1 und k2 liegen parallel. Dieses Paar liegt in Reihe mit k3, also addiere die Kehrwerte.

k12 = 10 + 50 = 60 kN/m
keq = 60·40/(60 + 40) = 24 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(24000/40) = 24,49 rad/s
fn = 24,49/(2π) = 3,898 Hz

Antwort

fn = 3,898 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design