मशीन डिज़ाइन: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

नए प्रश्न कोर्स पर वापस जाएँ

प्रिंट विंडो में “PDF के रूप में सहेजें” चुनें, ताकि एक प्रति आपके डिवाइस पर रहे।

1सूत्र और विधियाँ

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

2अभ्यास प्रश्न

1.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

एक पट्टा 200 mm की चालक घिरनी पर 1440 rpm पर चलता है। कसी हुई ओर तनाव 1000 N और ढीली ओर 300 N है। संचरित शक्ति P kW में ज्ञात कीजिए।

d₁ = 200 mmn₁ = 1440 rpmT₁ = 1000 NT₂ = 300 N

P = kW

2.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में निवेश शाफ़्ट पर गियर A (25 दाँत) 3000 rpm पर घूमता है और गियर B (40 दाँत) को चलाता है। गियर C (16 दाँत) B के ही शाफ़्ट पर लगा है और निर्गम शाफ़्ट पर गियर D को चलाता है। निर्गम को 750 rpm पर घूमना है। गियर D में कितने दाँत N_D होने चाहिए?

n_in = 3000 rpmA = 25B = 40C = 16n_out = 750 rpm

N_D =

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक सोपानी ठोस पीतल शाफ़्ट A पर स्थिर है। खंड AB का व्यास 75 mm और लंबाई 1 m है; खंड BC का व्यास 40 mm और लंबाई 1.2 m है। मुक्त सिरे C पर 1000 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C का मरोड़ कोण φ_C डिग्री में ज्ञात कीजिए।

T = 1000 N·md₁ = 75 mm, L₁ = 1 md₂ = 40 mm, L₂ = 1.2 mG = 39 GPa

φ_C = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 300 rpm पर 100 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 100 kWN = 300 rpmd_o = 60 mmd_i = 30 mm

τ_max = MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −60 MPa, σᵧ = 30 MPa और τₓᵧ = 40 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θ_p, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σ_x = −60 MPaσ_y = 30 MPaτ_xy = 40 MPa

θ_p = °

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = −30 MPa, σᵧ = 0 MPa और τₓᵧ = −40 MPa (σ_z = 0)। वॉन मीज़ेस तुल्य प्रतिबल σ_vM ज्ञात कीजिए।

σ_x = −30 MPaσ_y = 0 MPaτ_xy = −40 MPa

σ_vM = MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो काँसा के बने खंड (व्यास 50 mm, लंबाई 300 mm, E = 110 GPa) से सिरे से सिरा जोड़कर जुड़ा है। वह एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे पर खींची जाती है। वह अक्षीय भार P ज्ञात कीजिए जो उसे कुल 0.25 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: काँसा, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0.25 mm

P = kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। कुल दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।

P = 85 kNखंड 1: Ø25 mm, 2 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 0.5 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)

δ = mm

9.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)d = 60 mm

P_cr = kN

10.स्तंभ बकलिंगकठिन

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 90 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 90 kNn = 2L = 3 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)

d = mm

11.यांत्रिक कंपनमध्यम

25 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 15 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.5 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति f_d Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 15 kgk = 25 kN/mζ = 0.5

f_d = Hz

12.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 50 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 80 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 60 kN/m और k₂ = 15 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 50 kgk₁ = 60 kN/mk₂ = 15 kN/mk₃ = 80 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: P = 10.56 kW

पट्टा चालन: फिसलन के बिना दोनों घिरनियों की कोर की चाल समान होती है v = π·d·n/60, इसलिए n₁·d₁ = n₂·d₂ और गति अनुपात d₂/d₁ है। फिसलन s चालित घिरनी को थोड़ा धीमा कर देती है: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)। संचरित शक्ति P = (T₁ − T₂)·v है, जहाँ T₁ कसी हुई ओर का तनाव और T₂ ढीली ओर का। घर्षण तनावों के अनुपात को सीमित करता है: T₁/T₂ = e^μθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।

पट्टे की चाल

v = 15.08 m/s

शक्ति

P = (1000 − 300)·15.08 = 10556 W = 10.56 kW

उत्तर

P = 10.56 kW

2.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: N_D = 40

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.

मध्यवर्ती शाफ़्ट की चाल

n_B = n_C = 3000·25/40 = 1875 rpm

गियर D के दाँत

N_D = C·n_C/n_out = 16·1875/750 = 40

उत्तर

N_D = 40

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ_C = 7.487 °

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

ध्रुवीय आघूर्ण

J₁ = π·75⁴/32 = 3.106 × 10⁶ mm⁴

J₂ = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

हर खंड का मरोड़

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm

G = 39 GPa = 39000 MPa

φ_AB = 1 × 10⁶·1000/(39000·3.106 × 10⁶) = 0.008254 rad

φ_BC = 1 × 10⁶·1200/(39000·251327) = 0.1224 rad

कुल मरोड़

φ_C = 0.008254 + 0.1224 = 0.1307 rad = 7.487°

उत्तर

φ_C = 7.487°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 80.06 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31.42 rad/s

T = P/ω = 100000/31.42 = 3183 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(60⁴ − 30⁴)/32 = 1.193 × 10⁶ mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 3.183 × 10⁶·30/1.193 × 10⁶ = 80.06 MPa

उत्तर

τ_max = 80.06 MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θ_p = 69.18 °

वृत्त पर कोण

मोर वृत्त पर बिंदु x, σ-अक्ष से 2θp कोण पर होता है; चतुर्थांश σₓ − σᵧ और τₓᵧ के चिह्नों से तय होता है।

2θ_p = atan2(2·40, −60 − 30) = 138.4°

अवयव पर कोण

θ_p = 69.18°

उत्तर

θ_p = 69.18°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_vM = 75.5 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है। पराभव मानदंड: वॉन मीज़ेस के अनुसार पराभव तब होता है जब σ_vM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²), σ_Y तक पहुँचे; ट्रेस्का के अनुसार तब जब निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल σ_Y/2 तक पहुँचे।

मुख्य प्रतिबल

C = −15 MPa, R = 42.72 MPa

σ₁ = 27.72 MPa, σ₂ = −57.72 MPa, σ₃ = 0

वॉन मीज़ेस

σ_vM = √(27.72² − 27.72·(−57.72) + (−57.72)²) = 75.5 MPa

उत्तर

σ_vM = 75.5 MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 96.8 kN

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, और σ_i = E_i·ε। दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़ी छड़, जिसके जोड़ पर भार लगा है, स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य है: दोनों खंड भार को अपनी कठोरता k = EA/L के अनुपात में बाँटते हैं।

क्षेत्रफल

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1.194 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1963) = 1.389 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.25/2.583 × 10⁻⁶ = 96800 N = 96.8 kN

उत्तर

P = 96.8 kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 7.967 mm

अक्षीय भारित अवयव: हर प्रिज़्मीय खंड δ = PL/(AE) का पालन करता है। श्रेणी में अवयवों के दीर्घीकरण जुड़ते हैं।

दोनों खंडों में समान बल

मुक्त सिरा P वहन करता है, इसलिए छड़ का हर खंड वही अक्षीय बल P वहन करता है। केवल क्षेत्रफल और पदार्थ बदलते हैं।

A₁ = π·25²/4 = 490.9 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 173.2 MPa

σ₂ = 422.8 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 173.2·2000/70000 = 4.947 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 422.8·500/70000 = 3.02 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 7.967 mm

उत्तर

δ = 7.967 mm

9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 8.721 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·6000 = 12000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/12000² = 8721 N = 8.721 kN

उत्तर

P_cr = 8.721 kN

10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 83.14 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·90000 = 180000 N

KL = 1·3000 = 3000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·180000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 83.14 mm

उत्तर

d = 83.14 mm

जाँच: तनुता KL/r = 144.3 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

11.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 5.627 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(25000/15) = 40.82 rad/s

f_n = 40.82/(2π) = 6.497 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 6.497·√(1 − 0.5²) = 5.627 Hz

उत्तर

f_d = 5.627 Hz

12.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 4.428 Hz

तुल्य दृढ़ता

केवल k₁ और k₂ समांतर में हैं। वह जोड़ी k₃ के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।

k₁₂ = 60 + 15 = 75 kN/m

k_eq = 75·80/(75 + 80) = 38.71 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(38710/50) = 27.82 rad/s

f_n = 27.82/(2π) = 4.428 Hz

उत्तर

f_n = 4.428 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design