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​ = 16N2​ = 30

Ein Motor mit 5,5 kW und 960 rpm treibt ein Ritzel mit 16 Zähnen an, das mit einem Rad mit 30 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 95 %. Bestimme das Drehmoment T1 an der Motorwelle.

P = 5,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 16N2 = 30η = 95%
T1 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 32B = 36C = 30D = 80

Ein Motor mit 7,5 kW und 1450 rpm treibt Zahnrad A (32 Zähne) an, das mit Zahnrad B (36 Zähne) kämmt. Zahnrad C (30 Zähne) auf derselben Welle wie B treibt Zahnrad D (80 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Jeder Zahneingriff hat einen Wirkungsgrad von 96 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment Tout.

P = 7,5 kWnin = 1450 rpmA = 32B = 36C = 30D = 80ηmesh = 96%
Tout = N·m
3.Torsion von WellenMittel
do​ = 30, di​ = 15 mmT = 200 N·mL = 0,8 m

Eine Hohlwelle aus Stahl (Außendurchmesser 30 mm, Innendurchmesser 15 mm, Länge 0,8 m) ist an einem Ende eingespannt und wird am anderen durch ein Drehmoment von 200 N·m verdreht. Bestimme den Verdrehwinkel φ in Grad.

T = 200 N·mdo = 30 mmdi = 15 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
Tdo​ = 80 mm, di​ = 60 mm

Eine Hohlwelle überträgt 75 kW bei 3000 U/min. Bestimme die maximale Schubspannung τmax in der Welle.

P = 75 kWN = 3000 rpmdo = 80 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 70σy​ = −30τxy​ = 50MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 70 MPa, σᵧ = −30 MPa und τₓᵧ = 50 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = 70 MPaσy = −30 MPaτxy = 50 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = 50σy​ = 20τxy​ = 10MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 50 MPa, σᵧ = 20 MPa und τₓᵧ = 10 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 50° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = 50 MPaσy = 20 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 10 mmStahl3 mP = 55 kN

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

P = 55 kNd = 10 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
100 kN12500 mm300 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Ein Segment aus Stahl (Durchmesser 40 mm, Länge 500 mm, E = 200 GPa) und ein Segment aus Bronze (Durchmesser 40 mm, Länge 300 mm, E = 110 GPa) sind stumpf verbunden und zwischen zwei starren Wänden eingespannt. Am Übergang wirkt eine axiale Last von 100 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: Bronze, Ø40 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 m30 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 6 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 5 md = 30 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
tx15 mm1 Periode10,3 mm

Beim Ausschwingversuch an einem gedämpften Feder-Masse-System folgt auf einen Auslenkungsscheitel von 15 mm eine Periode später ein Scheitel von 10,3 mm. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

x0 = 15 mmx1 = 10,3 mmn = 1
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 20k2​ = 15k3​ = 100m = 100 kg

Eine Masse von 100 kg hängt an der Feder k₃ = 100 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 20 kN/m und k₂ = 15 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 = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T1 = 54,71 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/100,5 = 54,71 N·m

Antwort

T1 = 54,71 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: Tout = 136,6 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.

Abtriebsdrehzahl

nout = 1450·(32/36)·(30/80) = 483,3 rpm
ωout = 2π·483,3/60 = 50,61 rad/s

Abtriebsleistung und Drehmoment

Pout = 7500·0,96² = 6912 W
Tout = Pout/ωout = 6912/50,61 = 136,6 N·m

Antwort

Tout = 136,6 N·m
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 1,537 °

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.

Polares Flächenträgheitsmoment

J = π(30⁴ − 15⁴)/32 = 74551 mm⁴

Verdrehwinkel

T = 200 N·m = 200000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 200000·800/(80000·74551) = 0,02683 rad
φ = 0,02683·180/π = 1,537°

Antwort

φ = 1,537°
4.Torsion von Wellen

Antwort: τmax = 3,474 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.

Drehmoment

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 75000/314,2 = 238,7 N·m

Polares Flächenträgheitsmoment

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2,749 × 10⁶ mm⁴

Maximale Schubspannung

τmax = T·(do/2)/J = 238732·40/2,749 × 10⁶ = 3,474 MPa

Antwort

τmax = 3,474 MPa
5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 70,71 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 = √(((70 − −30)/2)² + 50²) = 70,71 MPa

Antwort

τmax = 70,71 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = −16,51 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

τθ = −15·0,9848 + 10·−0,1736 = −16,51 MPa

Antwort

τθ = −16,51 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 10,5 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 55·1000/78,54 = 700,3 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Stahl = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 700,3/200000 = 0,003501 = 3501 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,003501·3000 mm = 10,5 mm

Antwort

δ = 10,5 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σ2 = 38,06 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 = 110000·1257/300 = 460767 N/mm

Anteil von Segment 2

F2 = 100000·460767/963422 = 47826 N

Spannung

σ2 = 47826/1257 = 38,06 MPa (Druck)

Antwort

σ2 = 38,06 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 9,87 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·6000 = 6000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/6000² = 9870 N = 9,87 kN

Antwort

Pcr = 9,87 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 17,77 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/7,5 = 333,3

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/333,3² = 17,77 MPa

Antwort

σcr = 17,77 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,05972

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 = (1/1)·ln(15/10,3) = 0,3759

Dämpfungsgrad

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3759/√(39,48 + 0,1413) = 0,05972

Antwort

ζ = 0,05972
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 2,563 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 = 20 + 15 = 35 kN/m
keq = 35·100/(35 + 100) = 25,93 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(25926/100) = 16,1 rad/s
fn = 16,1/(2π) = 2,563 Hz

Antwort

fn = 2,563 Hz

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