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​ = 40N2​ = 45

Ein Motor mit 3 kW und 1450 rpm treibt ein Ritzel mit 40 Zähnen an, das mit einem Rad mit 45 Zähnen kämmt. Das Zahnradpaar hat einen Wirkungsgrad von 97 %. Bestimme das Abtriebsdrehmoment T2 an der Radwelle.

P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 40N2 = 45η = 97%
T2 = N·m
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 18B = 25C = 16D = ?

In einem mehrstufigen Rädergetriebe dreht sich Zahnrad A (18 Zähne) auf der Antriebswelle mit 3000 rpm und treibt Zahnrad B (25 Zähne) an. Zahnrad C (16 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Zahnrad D auf der Abtriebswelle an. Der Abtrieb soll sich mit 1382 rpm drehen. Wie viele Zähne ND muss Zahnrad D haben?

nin = 3000 rpmA = 18B = 25C = 16nout = 1382 rpm
ND =
3.Torsion von WellenMittel
T = 200 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

Eine Vollwelle aus Aluminium ist an der Wand eingespannt und wird an ihrem freien Ende durch ein Drehmoment T verdreht. Bestimme den Verdrehwinkel φ des freien Endes in Grad.

T = 200 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsion von WellenSchwer
Td = ?

Eine Vollwelle soll 20 kW bei 750 U/min übertragen, ohne dass die Schubspannung 50 MPa überschreitet. Bestimme den kleinsten geeigneten Durchmesser d.

P = 20 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 20σy​ = −70τxy​ = −50MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 20 MPa, σᵧ = −70 MPa und τₓᵧ = −50 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = 20 MPaσy = −70 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​ = −60σy​ = 80τxy​ = 60MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = −60 MPa, σᵧ = 80 MPa und τₓᵧ = 60 MPa (Zug positiv). Bestimme die Schubspannung τθ in einem Schnitt, dessen Normale um 35° gegen den Uhrzeigersinn aus der x-Achse gedreht ist (positiv im selben Sinn wie τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = 80 MPaτxy = 60 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 16 mmStahl0,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
P = ?Ø2570 GPaØ100/50800 mm

Ein Stab aus Stahl (Durchmesser 25 mm, E = 200 GPa, zulässige Spannung 150 MPa) steckt in einem Rohr aus Aluminium (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 50 mm, E = 70 GPa, zulässige Spannung 60 MPa). Sie werden zwischen starren Platten zusammengedrückt. Bestimme die größte Last Pmax.

Stab: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPaRohr: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 md = 50 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 = 6 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 30 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 100 kN/mζ = 0,3m = 25 kg

Eine Masse von 25 kg an einer Feder mit einer Steifigkeit von 100 kN/m hat einen viskosen Dämpfer, der einen Dämpfungsgrad von 0,3 ergibt. Bestimme die gedämpfte Eigenfrequenz fd ihrer freien Schwingung in Hz.

m = 25 kgk = 100 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 30k2​ = 10k3​ = 25m = 10 kg

Eine Masse von 10 kg hängt an der Feder k₃ = 25 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 30 kN/m und k₂ = 10 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 = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: T2 = 21,56 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151,8 = 19,76 N·m

Abtriebsdrehmoment

T2 = 19,76·45/40·0,97 = 21,56 N·m

Antwort

T2 = 21,56 N·m
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: ND = 25

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Drehzahl der Zwischenwelle

nB = nC = 3000·18/25 = 2160 rpm

Zähne von Zahnrad D

ND = C·nC/nout = 16·2160/1382 = 25

Antwort

ND = 25
3.Torsion von Wellen

Antwort: φ = 8,314 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Verdrehwinkel

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1500/(26000·79522) = 0,1451 rad
φ = 0,1451·180/π = 8,314°

Antwort

φ = 8,314°
4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 29,6 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 20000/78,54 = 254,6 N·m

Durchmesser aus der zulässigen Spannung

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·254648/(π·50)) = 29,6 mm

Antwort

d = 29,6 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 67,27 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 = √(((20 − −70)/2)² + −50²) = 67,27 MPa

Antwort

τmax = 67,27 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τθ = 86,3 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 = −−70·0,9397 + 60·0,342 = 86,3 MPa

Antwort

τθ = 86,3 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 0,746 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 60·1000/201,1 = 298,4 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Stahl = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 298,4/200000 = 0,001492 = 1492 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,001492·500 mm = 0,746 mm

Antwort

δ = 0,746 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: Pmax = 382,9 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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Gemeinsame axiale Steifigkeit

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·5890 = 5,105 × 10⁸ N

Maßgebende Dehnung

ε = min(0,00075, 0,0008571) = 0,00075 (Stahl)

Größte Last

Pmax = 0,00075·5,105 × 10⁸ = 382882 N = 382,9 kN

Antwort

Pmax = 382,9 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 34,33 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/4200² = 34331 N = 34,33 kN

Antwort

Pcr = 34,33 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 14,16 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 = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/7,5 = 373,3

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/373,3² = 14,16 MPa

Antwort

σcr = 14,16 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: fd = 9,602 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 = √(100000/25) = 63,25 rad/s
fn = 63,25/(2π) = 10,07 Hz

Gedämpfte Eigenfrequenz

fd = fn·√(1 − ζ²) = 10,07·√(1 − 0,3²) = 9,602 Hz

Antwort

fd = 9,602 Hz
12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 6,243 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 = 30 + 10 = 40 kN/m
keq = 40·25/(40 + 25) = 15,38 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(15385/10) = 39,22 rad/s
fn = 39,22/(2π) = 6,243 Hz

Antwort

fn = 6,243 Hz

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