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
1450 rpm पर चल रही एक 1.1 kW मोटर 20 दाँतों और 2 mm मॉड्यूल वाले पिनियन को चलाती है। पिनियन के दाँतों पर स्पर्शरेखीय बल Ft ज्ञात कीजिए।
P = 1.1 kWn = 1450 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
2.गियर और गियर ट्रेनकठिन
1440 rpm पर एक 1.5 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 (50 दाँत) निर्गम शाफ़्ट पर गियर D (72 दाँत) को चलाता है। हर गियर जोड़ की दक्षता 98% है। निर्गम बलाघूर्ण Tout ज्ञात कीजिए।
P = 1.5 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 32C = 50D = 72ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
एक सोपानी ठोस स्टील शाफ़्ट A पर स्थिर है। खंड AB का व्यास 40 mm और लंबाई 1.2 m है; खंड BC का व्यास 20 mm और लंबाई 0.8 m है। मुक्त सिरे C पर 200 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C का मरोड़ कोण φC डिग्री में ज्ञात कीजिए।
T = 200 N·md1 = 40 mm, L1 = 1.2 md2 = 20 mm, L2 = 0.8 mG = 80 GPa
φC = °
4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
एक खोखला शाफ़्ट 300 rpm पर 15 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τmax ज्ञात कीजिए।
P = 15 kWN = 300 rpmdo = 80 mmdi = 56 mm
τmax = MPa
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 100 MPa, σᵧ = −50 MPa और τₓᵧ = 30 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θp, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।
σx = 100 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 20 MPa, σᵧ = 20 MPa और τₓᵧ = 60 MPa (σz = 0)। वॉन मीज़ेस तुल्य प्रतिबल σvM ज्ञात कीजिए।
σx = 20 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPa
σvM = MPa
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
एक स्टील छड़ (व्यास 30 mm, E = 200 GPa) पीतल की बनी नलिका (बाहरी व्यास 100 mm, भीतरी व्यास 70 mm, E = 100 GPa) के भीतर है। दोनों 300 mm लंबे हैं और दृढ़ प्लेटों के बीच 250 kN से साथ-साथ संपीडित किए जाते हैं। संकुचन δ ज्ञात कीजिए।
P = 250 kNछड़: Ø30 mm, E = 200 GPaनलिका: Ø100/Ø70 mm, E = 100 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 = 75 kNखंड 1: Ø30 mm, 2 m, स्टील (E = 200 GPa)खंड 2: Ø12 mm, 1.5 m, ताँबा (E = 117 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 = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.स्तंभ बकलिंगकठिन
स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σcr ज्ञात कीजिए।
L = 1.5 mE = 200 GPa (स्टील)d = 40 mm
σcr = MPa
11.यांत्रिक कंपनमध्यम
10 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 80 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.45 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति fd Hz में ज्ञात कीजिए।
m = 80 kgk = 10 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
12.यांत्रिक कंपनकठिन
एक 5 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 20 kN/m और निचला k₂ = 50 kN/m है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति fn Hz में ज्ञात कीजिए।
m = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz
3विलयन
1.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: Ft = 362.2 N
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.
पिनियन पर बलाघूर्ण
ω = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T = P/ω = 1100/151.8 = 7.244 N·m
पिच व्यास
d = m·N = 2·20 = 40 mm
स्पर्शरेखीय बल
Ft = 2T/d = 2·7.244/0.04 = 362.2 N
उत्तर
Ft = 362.2 N
2.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: Tout = 27.51 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)·(50/72) = 500 rpm
ωout = 2π·500/60 = 52.36 rad/s
निर्गम शक्ति और बलाघूर्ण
Pout = 1500·0.98² = 1441 W
Tout = Pout/ωout = 1441/52.36 = 27.51 N·m
उत्तर
Tout = 27.51 N·m
3.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: φC = 7.979 °
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
J1 = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
J2 = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
हर खंड का मरोड़
T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 200000·1200/(80000·251327) = 0.01194 rad
φBC = 200000·800/(80000·15708) = 0.1273 rad
कुल मरोड़
φC = 0.01194 + 0.1273 = 0.1393 rad = 7.979°
उत्तर
φC = 7.979°
4.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: τmax = 6.25 MPa
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।
बलाघूर्ण
ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31.42 rad/s
T = P/ω = 15000/31.42 = 477.5 N·m
ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण
J = π(80⁴ − 56⁴)/32 = 3.056 × 10⁶ mm⁴
अधिकतम अपरूपण प्रतिबल
τmax = T·(do/2)/J = 477465·40/3.056 × 10⁶ = 6.25 MPa
उत्तर
τmax = 6.25 MPa
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: θp = 10.9 °
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।
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।
2θp = atan2(2·30, 100 − −50) = 21.8°
अवयव पर कोण
θp = 10.9°
उत्तर
θp = 10.9°
धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: σvM = 105.8 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 σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²), σY तक पहुँचे; ट्रेस्का के अनुसार तब जब निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल σY/2 तक पहुँचे।
मुख्य प्रतिबल
C = 20 MPa, R = 60 MPa
σ1 = 80 MPa, σ2 = −40 MPa, σ3 = 0
वॉन मीज़ेस
σvM = √(80² − 80·(−40) + (−40)²) = 105.8 MPa
उत्तर
σvM = 105.8 MPa
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: δ = 0.1384 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·30²/4 = 706.9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²
संयुक्त अक्षीय कठोरता
ΣEA = 200·10³·706.9 + 100·10³·4006 = 5.419 × 10⁸ N
संकुचन
δ = 250000·300/5.419 × 10⁸ = 0.1384 mm
उत्तर
δ = 0.1384 mm
8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: δ = 9.563 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·12²/4 = 113.1 mm²
σ1 = 106.1 MPa
σ2 = 663.1 MPa
खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें
δ1 = σ1L1/E1 = 106.1·2000/200000 = 1.061 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 663.1·1500/117000 = 8.502 mm
δ = δ1 + δ2 = 9.563 mm
उत्तर
δ = 9.563 mm
9.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: Pcr = 81.88 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
आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।
Imin = h·b³/12 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴
प्रभावी लंबाई
KL = 0.5·1500 = 750 mm
क्रांतिक भार
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·66667/750² = 81881 N = 81.88 kN
उत्तर
Pcr = 81.88 kN
10.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: σcr = 21.93 MPa
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·40⁴/64 = 125664 mm⁴
परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता
A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300
क्रांतिक प्रतिबल
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/300² = 21.93 MPa
उत्तर
σcr = 21.93 MPa
11.यांत्रिक कंपन
उत्तर: fd = 1.589 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।
अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति
ωn = √(10000/80) = 11.18 rad/s
fn = 11.18/(2π) = 1.779 Hz
अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति
fd = fn·√(1 − ζ²) = 1.779·√(1 − 0.45²) = 1.589 Hz
उत्तर
fd = 1.589 Hz
12.यांत्रिक कंपन
उत्तर: fn = 8.507 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
श्रेणी में स्प्रिंग समान बल साझा करते हैं और उनके विक्षेप जुड़ते हैं, इसलिए वे व्युत्क्रम के रूप में मिलते हैं: 1/k = 1/k1 + 1/k2।
1/keq = 1/20 + 1/50 → keq = 20·50/(20 + 50) = 14.29 kN/m
प्राकृतिक आवृत्ति
ωn = √(14286/5) = 53.45 rad/s
fn = 53.45/(2π) = 8.507 Hz
उत्तर
fn = 8.507 Hz
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