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​ = 80 mmd2​ = 400 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 200 NP = ?

Ein Riemen läuft auf einer treibenden Scheibe mit 80 mm bei 1440 rpm. Die Zugkraft beträgt 1000 N im Lasttrum und 200 N im Leertrum. Bestimme die übertragene Leistung P in kW.

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 200 N
P = kW
2.Zahnräder & ZahnradgetriebeSchwer
A = 45B = 72C = 15D = 25

In einem mehrstufigen Zahnradgetriebe treibt Rad A (45 Zähne) auf der Antriebswelle mit 1450 rpm das Rad B (72 Zähne) an. Rad C (15 Zähne) sitzt fest auf derselben Welle wie B und treibt Rad D (25 Zähne) auf der Abtriebswelle an. Bestimme die Abtriebsdrehzahl nout.

nin = 1450 rpmA = 45B = 72C = 15D = 25
nout = rpm
3.Torsion von WellenMittel
d = ?T = 400 N·mL = 2 m

Eine Vollwelle aus Aluminium mit 2 m Länge überträgt ein Drehmoment von 400 N·m. Der Verdrehwinkel zwischen ihren Enden darf 1,5° nicht überschreiten. Bestimme den kleinsten Durchmesser d, der diese Grenze einhält.

T = 400 N·mL = 2 mG = 26 GPaφallow = 1,5°
d = mm
4.Torsion von WellenSchwer
Td = ?

Eine Vollwelle soll 100 kW bei 1500 U/min übertragen, ohne dass die Schubspannung 80 MPa überschreitet. Bestimme den kleinsten geeigneten Durchmesser d.

P = 100 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationMittel
σx​ = 70σy​ = 90τxy​ = −30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 70 MPa, σᵧ = 90 MPa und τₓᵧ = −30 MPa (Zug positiv). Bestimme die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

σx = 70 MPaσy = 90 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & SpannungstransformationSchwer
σx​τxy​Oberseite der Welle

Eine Vollwelle mit 60 mm Durchmesser überträgt ein Biegemoment von 750 N·m zusammen mit einem Drehmoment von 1000 N·m. Bestimme an der Oberseite, wo die Biegespannung eine Zugspannung und am größten ist, die maximale Schubspannung in der Ebene τmax.

d = 60 mmM = 750 N·mT = 1000 N·m
τmax = MPa
7.Normalspannung und DehnungMittel
Ø 25 mmAluminium2 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 25 mmL = 2 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Normalspannung und DehnungSchwer
Ø 30 mmStahl1,5 mØ 20 mmAluminium0,5 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, 1,5 m, Stahl (E = 200 GPa)Abschnitt 2: Ø20 mm, 0,5 m, Aluminium (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 20 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 = 2 mE = 200 GPa (Stahl)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Mechanische SchwingungenMittel
k = 8 kN/mc = 120 N·s/mm = 5 kg

Eine Masse von 5 kg wird von einer Feder mit einer Steifigkeit von 8 kN/m und einem viskosen Dämpfer mit einer Dämpfungskonstante von 120 N·s/m getragen. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

m = 5 kgk = 8 kN/mc = 120 N·s/m
ζ =
12.Mechanische SchwingungenSchwer
k1​ = 60k2​ = 80k3​ = 12m = 100 kg

Eine Masse von 100 kg hängt an der Feder k₃ = 12 kN/m. Das obere Ende von k₃ ist an einem starren Balken befestigt, der an zwei nebeneinander angeordneten Federn hängt, k₁ = 60 kN/m und k₂ = 80 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 = 60 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Lösungen

1.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: P = 4,825 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 = (1000 − 200)·6,032 = 4825 W = 4,825 kW

Antwort

P = 4,825 kW
2.Zahnräder & Zahnradgetriebe

Antwort: nout = 543,8 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 = 1450·45/72 = 906,3 rpm = nC

Zweite Stufe

nout = 906,3·15/25 = 543,8 rpm

Antwort

nout = 543,8 rpm

Gesamtübersetzung = 2,667 : 1

3.Torsion von Wellen

Antwort: d = 58,82 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 = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 1,5·π/180 = 0,02618 rad
J = TL/(Gφ) = 400000·2000/(26000·0,02618) = 1,175 × 10⁶ mm⁴

Durchmesser

d = (32J/π)1/4 = 58,82 mm

Antwort

d = 58,82 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

4.Torsion von Wellen

Antwort: d = 34,35 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

Durchmesser aus der zulässigen Spannung

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·636620/(π·80)) = 34,35 mm

Antwort

d = 34,35 mm

In der Praxis würdest du auf die nächste Normgröße aufrunden.

5.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 31,62 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 − 90)/2)² + −30²) = 31,62 MPa

Antwort

τmax = 31,62 MPa
6.Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

Antwort: τmax = 29,47 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.

Spannungen an der Oberfläche

σ = 32M/(πd³) = 32·750000/(π·60³) = 35,37 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·60³) = 23,58 MPa
στxyCτmax​

Mohrscher Spannungskreis

C = σ/2 = 17,68 MPa
R = √(17,68² + 23,58²) = 29,47 MPa

Antwort

τmax = 29,47 MPa
7.Normalspannung und Dehnung

Antwort: δ = 5,238 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 = 90·1000/490,9 = 183,3 MPa

Dehnung (hookesches Gesetz)

E for Aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 183,3/70000 = 0,002619 = 2619 µε

Verlängerung

δ = ε·L = 0,002619·2000 mm = 5,238 mm

Antwort

δ = 5,238 mm
8.Normalspannung und Dehnung

Antwort: σmax = 334,2 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 148,5 MPa
σ2 = 334,2 MPa

Größte Spannung

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

σmax = 334,2 MPa

Antwort

σmax = 334,2 MPa
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 110,2 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·1500 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1500² = 110245 N = 110,2 kN

Antwort

Pcr = 110,2 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 25,18 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
KL/r = 1400/5 = 280

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/280² = 25,18 MPa

Antwort

σcr = 25,18 MPa
11.Mechanische Schwingungen

Antwort: ζ = 0,3

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.

Kritische Dämpfung

cc = 2·√(k·m) = 2·√(8000·5) = 400 N·s/m

Dämpfungsgrad

ζ = c/cc = 120/400 = 0,3

Antwort

ζ = 0,3

ζ < 1, also ist das System unterkritisch gedämpft und schwingt beim Abklingen.

12.Mechanische Schwingungen

Antwort: fn = 1,673 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 = 60 + 80 = 140 kN/m
keq = 140·12/(140 + 12) = 11,05 kN/m

Eigenfrequenz

ωn = √(11053/100) = 10,51 rad/s
fn = 10,51/(2π) = 1,673 Hz

Antwort

fn = 1,673 Hz

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