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 4 kW मोटर 40 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 48 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 97% है। मोटर शाफ़्ट पर बलाघूर्ण T1 ज्ञात कीजिए।
P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 40N2 = 48η = 97%
T1 = N·m
2.गियर और गियर ट्रेनकठिन
एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 2900 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (25 दाँत) गियर B (40 दाँत) को चलाता है। गियर C (48 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (72 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल nout ज्ञात कीजिए।
nin = 2900 rpmA = 25B = 40C = 48D = 72
nout = rpm
3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
एक खोखला पीतल शाफ़्ट (बाहरी व्यास 60 mm, भीतरी व्यास 36 mm, लंबाई 1.5 m) एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे सिरे पर 750 N·m के बलाघूर्ण से मरोड़ा जाता है। मरोड़ कोण φ डिग्री में ज्ञात कीजिए।
T = 750 N·mdo = 60 mmdi = 36 mmL = 1.5 mG = 39 GPa
φ = °
4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
एक ठोस शाफ़्ट को 1800 rpm पर 100 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 40 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।
P = 100 kWN = 1800 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = −20 MPa, σᵧ = 90 MPa और τₓᵧ = 10 MPa, σz = 0 के साथ। बिंदु पर निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τabs ज्ञात कीजिए (तीन विमाओं में सभी तलों पर विचार करते हुए)।
σx = −20 MPaσy = 90 MPaτxy = 10 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 20 MPa, σᵧ = 120 MPa और τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0)। पदार्थ का पराभव सामर्थ्य 250 MPa है। ट्रेस्का (अधिकतम अपरूपण प्रतिबल) मानदंड से पराभव के विरुद्ध सुरक्षा गुणक n ज्ञात कीजिए।
σx = 20 MPaσy = 120 MPaτxy = −20 MPaσY = 250 MPa
n =
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
एक स्टील छड़ (व्यास 40 mm, E = 200 GPa) पीतल की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 100 GPa) के भीतर है। दोनों 300 mm लंबे हैं और दृढ़ प्लेटों के बीच 300 kN से साथ-साथ संपीडित किए जाते हैं। संकुचन δ ज्ञात कीजिए।
P = 300 kNछड़: Ø40 mm, E = 200 GPaनलिका: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
एक स्टील छड़ (व्यास 30 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 160 MPa) ताँबा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 120 GPa, अनुमेय प्रतिबल 50 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार Pmax ज्ञात कीजिए।
छड़: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPaनलिका: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
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 Pcr ज्ञात कीजिए।
L = 1 mE = 200 GPa (स्टील)d = 60 mm
Pcr = kN
10.स्तंभ बकलिंगकठिन
स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σcr ज्ञात कीजिए।
L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)d = 30 mm
σcr = MPa
11.यांत्रिक कंपनमध्यम
एक 40 kg द्रव्यमान 5 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 180 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।
m = 40 kgk = 5 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
12.यांत्रिक कंपनकठिन
एक 25 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 40 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 100 kN/m और k₂ = 25 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 = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz
3विलयन
1.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: T1 = 26.34 N·m
गियर ट्रेन: परस्पर जुड़े गियरों के दाँतों पर चाल समान होती है, इसलिए n₁·N₁ = n₂·N₂: कम दाँतों वाला गियर तेज़ घूमता है। एक ही शाफ़्ट पर लगे गियर समान चाल से घूमते हैं। शक्ति आगे पहुँचती है (हानियों को घटाकर), इसलिए चाल घटने पर बलाघूर्ण बढ़ता है: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, और P = T·ω, जहाँ ω = 2π·n/60।
मोटर बलाघूर्ण
ω₁ = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151.8 = 26.34 N·m
उत्तर
T1 = 26.34 N·m
2.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: nout = 1208 rpm
गियर ट्रेन: परस्पर जुड़े गियरों के दाँतों पर चाल समान होती है, इसलिए n₁·N₁ = n₂·N₂: कम दाँतों वाला गियर तेज़ घूमता है। एक ही शाफ़्ट पर लगे गियर समान चाल से घूमते हैं। शक्ति आगे पहुँचती है (हानियों को घटाकर), इसलिए चाल घटने पर बलाघूर्ण बढ़ता है: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, और P = T·ω, जहाँ ω = 2π·n/60।
पहला चरण
nB = 2900·25/40 = 1813 rpm = nC
दूसरा चरण
nout = 1813·48/72 = 1208 rpm
उत्तर
nout = 1208 rpm
कुल अनुपात = 2.4 : 1
3.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: φ = 1.492 °
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 जड़त्व आघूर्ण
J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1.107 × 10⁶ mm⁴
मरोड़ कोण
T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 1.5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 750000·1500/(39000·1.107 × 10⁶) = 0.02605 rad
φ = 0.02605·180/π = 1.492°
उत्तर
φ = 1.492°
4.शाफ़्ट का मरोड़
उत्तर: d = 40.73 mm
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·1800/60 = 188.5 rad/s
T = P/ω = 100000/188.5 = 530.5 N·m
अनुमेय प्रतिबल से व्यास
d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·530516/(π·40)) = 40.73 mm
उत्तर
d = 40.73 mm
व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।
5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: τabs = 55.9 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। तीन विमाओं में निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल तीनों मुख्य प्रतिबलों पर (σmax − σmin)/2 है; समतल प्रतिबल में तीसरा शून्य होता है।
तलीय मुख्य प्रतिबल
C = 35 MPa, R = √((−55)² + 10²) = 55.9 MPa
σ1 = 90.9 MPa, σ2 = −20.9 MPa, σz = 0
तीनों वृत्तों में सबसे बड़ा
τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(111.8, 90.9, 20.9)/2 = 55.9 MPa
उत्तर
τabs = 55.9 MPa
यहाँ σ₁ और σ₂ के चिह्न विपरीत हैं, इसलिए तलीय अधिकतम R ही निरपेक्ष अधिकतम भी है।
6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण
उत्तर: n = 2.019
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 = 70 MPa, R = 53.85 MPa
σ1 = 123.9 MPa, σ2 = 16.15 MPa, σ3 = 0
ट्रेस्का
σmax − σmin = 123.9 MPa
n = 250/123.9 = 2.019
उत्तर
n = 2.019
n > 1 का अर्थ है कि बिंदु पराभव नहीं करता; ट्रेस्का वॉन मीज़ेस से थोड़ा अधिक रूढ़िवादी (सुरक्षित पक्ष का) है।
7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: δ = 0.07589 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²
संयुक्त अक्षीय कठोरता
ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·9346 = 1.186 × 10⁹ N
संकुचन
δ = 300000·300/1.186 × 10⁹ = 0.07589 mm
उत्तर
δ = 0.07589 mm
8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति
उत्तर: Pmax = 526.2 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, 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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²
संयुक्त अक्षीय कठोरता
ΣEA = 200·10³·706.9 + 120·10³·9346 = 1.263 × 10⁹ N
निर्धारक विकृति
ε = min(0.0008, 0.0004167) = 0.0004167 (ताँबा)
सबसे बड़ा भार
Pmax = 0.0004167·1.263 × 10⁹ = 526217 N = 526.2 kN
उत्तर
Pmax = 526.2 kN
9.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: Pcr = 313.9 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴
प्रभावी लंबाई
KL = 2·1000 = 2000 mm
क्रांतिक भार
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/2000² = 313939 N = 313.9 kN
उत्तर
Pcr = 313.9 kN
10.स्तंभ बकलिंग
उत्तर: σcr = 6.294 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴
परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता
A = 706.9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706.9) = 7.5 mm
KL = 0.7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/7.5 = 560
क्रांतिक प्रतिबल
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/560² = 6.294 MPa
उत्तर
σcr = 6.294 MPa
11.यांत्रिक कंपन
उत्तर: ζ = 0.2012
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·√(5000·40) = 894.4 N·s/m
अवमंदन अनुपात
ζ = c/cc = 180/894.4 = 0.2012
उत्तर
ζ = 0.2012
ζ < 1, इसलिए तंत्र अल्प-अवमंदित है और क्षीण होते हुए दोलन करता है।
12.यांत्रिक कंपन
उत्तर: fn = 5.541 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 = 100 + 25 = 125 kN/m
keq = 125·40/(125 + 40) = 30.3 kN/m
प्राकृतिक आवृत्ति
ωn = √(30303/25) = 34.82 rad/s
fn = 34.82/(2π) = 5.541 Hz
उत्तर
fn = 5.541 Hz
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