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
मशीन डिज़ाइन: क्रैम पैक
सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।
1सूत्र और विधियाँ
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 = (σx + σy)/2
- त्रिज्या
- R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
- मुख्य प्रतिबल
- σ1,2 = C ± R
- मुख्य दिशा
- tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
- झुका हुआ तल
- σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·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
- εT = α·ΔT
स्तंभ बकलिंग
- ऑयलर भार
- Pcr = π²EI/(KL)²
- प्रभावी लंबाई गुणांक
- K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
- क्रांतिक प्रतिबल
- σcr = Pcr/A
- पतलापन अनुपात
- λ = KL/r, r = √(I/A)
यांत्रिक कंपन
- प्राकृतिक आवृत्ति
- ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
- स्थैतिक विक्षेप से
- ωn = √(g/δst)
- क्रांतिक अवमंदन
- cc = 2√(km) = 2mωn
- अवमंदन अनुपात
- ζ = c/cc
- अवमंदित आवृत्ति
- ωd = ωn√(1 − ζ²)
- लघुगणकीय ह्रास
- δ = (1/n)·ln(x0/xn), 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
दो समांतर शाफ़्ट 60 mm दूर हैं। इन्हें 2 mm मॉड्यूल और 2 : 1 चाल अपचयन वाले स्पर गियरों की एक जोड़ी से जोड़ना है। पिनियन में कितने दाँत N1 होने चाहिए?
a = 60 mmm = 2 mmi = 2
N1 =
2.गियर और गियर ट्रेनकठिन
1440 rpm पर एक 7.5 kW मोटर गियर A (16 दाँत) को चलाती है, जो गियर B (32 दाँत) से जुड़ा है। B के ही शाफ़्ट पर लगा गियर C (12 दाँत) निर्गम शाफ़्ट पर गियर D (60 दाँत) को चलाता है। हर गियर जोड़ की दक्षता 95% है। निर्गम बलाघूर्ण Tout ज्ञात कीजिए।
P = 7.5 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 32C = 12D = 60ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
एक मरोड़ परीक्षण में 15 mm व्यास वाला एक ठोस नमूना 100 N·m के बलाघूर्ण से मरोड़ा जाता है। 400 mm की गेज लंबाई के दोनों सिरे एक-दूसरे के सापेक्ष 5.76° घूमते हैं (पदार्थ अभी प्रत्यास्थ है)। पदार्थ का अपरूपण गुणांक G ज्ञात कीजिए।
T = 100 N·md = 15 mmL = 400 mmφ = 5.76°
G = GPa
4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
40 mm व्यास वाला एक ठोस स्टील शाफ़्ट A पर स्थिर है। A से 1 m पर B पर 250 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है, और 0.5 m और आगे मुक्त सिरे C पर उसी दिशा में 500 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C के मरोड़ कोण φC का परिमाण डिग्री में ज्ञात कीजिए।
d = 40 mmTB = 250 N·mTC = 500 N·mAB = 1 mBC = 0.5 mG = 80 GPa
φC = °
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 130 MPa, σᵧ = 80 MPa और τₓᵧ = 10 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τmax ज्ञात कीजिए।
σx = 130 MPaσy = 80 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
1000 mm भीतरी व्यास और 6 mm दीवार मोटाई वाली एक पतली दीवार की बेलनाकार टंकी में 3 MPa गेज दाब पर गैस है। यह बेलन की अक्ष से 35° पर एक सर्पिल सीवन के साथ वेल्ड की गई प्लेट से बनी है। वेल्ड सीवन के आर-पार कार्य करने वाला अभिलंब प्रतिबल σn ज्ञात कीजिए।
D = 1000 mmt = 6 mmp = 3 MPaα = 35°
σn = MPa
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
एक स्टील छड़ (व्यास 25 mm, E = 200 GPa) ताँबा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 100 mm, भीतरी व्यास 60 mm, E = 120 GPa) के भीतर है। दोनों 300 mm लंबे हैं और दृढ़ प्लेटों के बीच 100 kN से साथ-साथ संपीडित किए जाते हैं। संकुचन δ ज्ञात कीजिए।
P = 100 kNछड़: Ø25 mm, E = 200 GPaनलिका: Ø100/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। कुल दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।
P = 25 kNखंड 1: Ø30 mm, 2 m, पीतल (E = 100 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 1 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)
δ = mm
9.स्तंभ बकलिंगमध्यम
एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार Pcr ज्ञात कीजिए।
L = 3 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 20 mm
Pcr = kN
10.स्तंभ बकलिंगकठिन
एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 140 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।
P = 140 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)
d = mm
11.यांत्रिक कंपनमध्यम
एक 2 kg द्रव्यमान 50 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 320 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।
m = 2 kgk = 50 kN/mc = 320 N·s/m
ζ =
12.यांत्रिक कंपनकठिन
एक 20 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 100 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 25 kN/m और k₂ = 50 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति fn Hz में ज्ञात कीजिए।
m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz
3विलयन
1.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: N1 = 20
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
दाँतों की कुल संख्या
N1 + N2 = 2a/m = 2·60/2 = 60
अनुपात से बाँटें
N1 = 60/(1 + 2) = 20
उत्तर
N1 = 20
2.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: Tout = 448.9 N·m
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.
निर्गत चाल
nout = 1440·(16/32)·(12/60) = 144 rpm
ωout = 2π·144/60 = 15.08 rad/s
निर्गम शक्ति और बलाघूर्ण
Pout = 7500·0.95² = 6769 W
Tout = Pout/ωout = 6769/15.08 = 448.9 N·m
उत्तर
Tout = 448.9 N·m
3.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: G = 80.06 GPa
वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τmax = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(do⁴ − di⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।
ध्रुवीय आघूर्ण और कोण
J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 5.76·π/180 = 0.1005 rad
अपरूपण गुणांक
T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 100000·400/(4970·0.1005) = 80056 MPa
G = 80.06 GPa
उत्तर
G = 80.06 GPa
तुलना करें: इस्पात ≈ 80 GPa, पीतल ≈ 39 GPa, ऐलुमिनियम ≈ 26 GPa।
4.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: φC = 2.85 °
वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τmax = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(do⁴ − di⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।
आंतरिक बलाघूर्ण
TC की दिशा धनात्मक ली गई है।
TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC + TB = 500 + 250 = 750 N·m
हर खंड का मरोड़
J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·1000/(80000·251327) = 0.0373 rad
φBC = 500000·500/(80000·251327) = 0.01243 rad
सिरे C का मरोड़
φC = 0.0373 + 0.01243 = 0.04974 rad → |φC| = 2.85°
उत्तर
φC = 2.85°
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: τmax = 26.93 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।
मोर वृत्त की त्रिज्या
τmax = R = √(((130 − 80)/2)² + 10²) = 26.93 MPa
उत्तर
τmax = 26.93 MPa
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: σn = 208.9 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। पतली दीवार का बेलन: परिधीय प्रतिबल σh = pr/t और अक्षीय प्रतिबल σa = pr/(2t); ये दीवार में मुख्य प्रतिबल हैं।
दीवार के प्रतिबल
r = 1000/2 = 500 mm
σh = pr/t = 3·500/6 = 250 MPa
σa = pr/(2t) = 125 MPa
सीवन पर रूपांतरित करें
x को अक्ष के साथ (σa) और y को परिधि के साथ (σh) लें। सीवन का अभिलंब अक्ष से 90° − α बनाता है।
σn = 125·sin²35° + 250·cos²35° = 208.9 MPa
उत्तर
σn = 208.9 MPa
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: δ = 0.04277 mm
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, Pi = P·EiAi/ΣEA, और σi = Ei·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
Ar = π·25²/4 = 490.9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²
संयुक्त अक्षीय कठोरता
ΣEA = 200·10³·490.9 + 120·10³·5027 = 7.014 × 10⁸ N
संकुचन
δ = 100000·300/7.014 × 10⁸ = 0.04277 mm
उत्तर
δ = 0.04277 mm
8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: δ = 2.484 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·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 35.37 MPa
σ2 = 124.3 MPa
खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें
δ1 = σ1L1/E1 = 35.37·2000/100000 = 0.7074 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 124.3·1000/70000 = 1.776 mm
δ = δ1 + δ2 = 2.484 mm
उत्तर
δ = 2.484 mm
9.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: Pcr = 2.412 kN
ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴
प्रभावी लंबाई
KL = 0.5·3000 = 1500 mm
क्रांतिक भार
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1500² = 2412 N = 2.412 kN
उत्तर
Pcr = 2.412 kN
10.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: d = 84.76 mm
ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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।
आवश्यक क्रांतिक भार
Pcr = n·P = 2·140000 = 280000 N
KL = 0.5·5000 = 2500 mm
व्यास के लिए हल करें
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·280000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 84.76 mm
उत्तर
d = 84.76 mm
जाँच: तनुता KL/r = 118 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।
11.यांत्रिक कंपन
उत्तर: ζ = 0.506
द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ωn = √(k/m) है, और Hz में fn = ωn/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/cc देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ωd = ωn·√(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।
क्रांतिक अवमंदन
cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·2) = 632.5 N·s/m
अवमंदन अनुपात
ζ = c/cc = 320/632.5 = 0.506
उत्तर
ζ = 0.506
ζ < 1, इसलिए तंत्र अल्प-अवमंदित है और क्षीण होते हुए दोलन करता है।
12.यांत्रिक कंपन
उत्तर: fn = 7.367 Hz
द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ωn = √(k/m) है, और Hz में fn = ωn/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/cc देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ωd = ωn·√(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।
तुल्य दृढ़ता
केवल k1 और k2 समांतर में हैं। वह जोड़ी k3 के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।
k12 = 25 + 50 = 75 kN/m
keq = 75·100/(75 + 100) = 42.86 kN/m
प्राकृतिक आवृत्ति
ωn = √(42857/20) = 46.29 rad/s
fn = 46.29/(2π) = 7.367 Hz
उत्तर
fn = 7.367 Hz
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