Mašinų elementai: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 12 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Sukibę krumpliaračiai
n1·N1 = n2·N2
Sukimo momentas
T2 = T1·(N2/N1)·η
Galia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Daugiapakopė pavara
bendras perdavimo skaičius = pakopų perdavimo skaičių sandauga

Velenų sukimas

Tangentinis įtempis
τ = T·r/J
Pilnaviduris velenas
J = πd⁴/32
Tuščiaviduris velenas
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Sukimo kampas
φ = TL/(GJ)
Galia
P = T·ω = 2πnT/60

Metodas

  1. Raskite polinį inercijos momentą: pilnaviduriam velenui J = πd⁴/32.
  2. Tangentinis įtempis paviršiuje: τ = T·r/J, kur r – išorinis spindulys.
  3. Sukimo kampas: φ = TL/(GJ) radianais.
  4. Jei duota galia, pirmiausia raskite sukimo momentą pagal P = T·ω, ω = 2πn/60.

Moro apskritimas ir įtempių transformacija

Centras
C = (σx + σy)/2
Spindulys
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Pagrindiniai įtempiai
σ1,2 = C ± R
Pagrindinė kryptis
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Pasvirasis pjūvis
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metodas

  1. Apskaičiuokite Moro apskritimo centrą: C = (σx + σy)/2.
  2. Apskaičiuokite spindulį: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Pagrindiniai įtempiai yra C ± R, o didžiausias tangentinis įtempis plokštumoje lygus R.
  4. Kampai apskritime dvigubai didesni už kampus elemente: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Ašinis įtempis ir deformacija

Normalinis įtempis
σ = F/A
Deformacija
ε = ΔL/L
Huko dėsnis
σ = E·ε
Pailgėjimas
ΔL = FL/(EA)
Šiluminė deformacija
εT = α·ΔT

Kolonų klupimas

Oilerio kritinė jėga
Pcr = π²EI/(KL)²
Skaičiuojamojo ilgio koeficientas
K = 1 šarnyras–šarnyras, 0,5 įtvirtinimas–įtvirtinimas, 0,7 įtvirtinimas–šarnyras, 2 įtvirtinimas–laisvas galas
Kritinis įtempis
σcr = Pcr/A
Liaunis
λ = KL/r, r = √(I/A)

Mechaniniai virpesiai

Savasis dažnis
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Iš statinio įlinkio
ωn = √(g/δst)
Kritinis slopinimas
cc = 2√(km) = 2mωn
Slopinimo koeficientas
ζ = c/cc
Slopinamųjų virpesių dažnis
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logaritminis slopinimo dekrementas
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Lygiagrečiai sujungtos spyruoklės
k = k1 + k2
Nuosekliai sujungtos spyruoklės
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Uždaviniai

1.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 320 NP = ?

Diržas juda ant 100 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 720 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 800 N, laisvosios – 320 N. Raskite perduodamą galią P kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 320 N
P = kW
2.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
A = 15B = 40C = 25D = 50

Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (15 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 3000 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (40 dantų). Krumpliaratis C (25 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (50 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.

nin = 3000 rpmA = 15B = 40C = 25D = 50
nout = rpm
3.Velenų sukimasVidutinis
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mφ = ?

Pilnaviduris velenas (aliuminis) įtvirtintas sienoje ir laisvajame gale sukamas momentu T. Raskite laisvojo galo sukimo kampą φ laipsniais.

T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Velenų sukimasSunkus
d = 20 mmT0​ = 500 N·mACBa = 1 mb = 2,5 m

Pilnaviduris velenas (plienas), kurio skersmuo 20 mm, abiem galais A ir B įtvirtintas standžiose sienose. Taške C, 1 m atstumu nuo A ir 2,5 m atstumu nuo B, pridėtas 500 N·m sukimo momentas. Raskite skerspjūvio C posūkio kampą φC laipsniais.

d = 20 mmT0 = 500 N·ma = 1 mb = 2,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Moro apskritimas ir įtempių transformacijaVidutinis
σx​ = 50σy​ = 0τxy​ = −20MPa

Apkrautos detalės taške σₓ = 50 MPa, σᵧ = 0 MPa ir τₓᵧ = −20 MPa (tempimas teigiamas). Raskite didžiausią tangentinį įtempį plokštumoje τmax.

σx = 50 MPaσy = 0 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Moro apskritimas ir įtempių transformacijaSunkus
σx​ = 10σy​ = −20τxy​ = 10MPa

Plonos plokštės taškas yra plokščiajame įtempių būvyje: σₓ = 10 MPa, σᵧ = −20 MPa ir τₓᵧ = 10 MPa (σz = 0). Medžiagos takumo riba 420 MPa. Raskite atsargos koeficientą n takumo atžvilgiu pagal Treskos (didžiausio tangentinio įtempio) kriterijų.

σx = 10 MPaσy = −20 MPaτxy = 10 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Ašinis įtempis ir deformacijaVidutinis
P = ?12300 mm200 mmØ40Ø60δ = 0,4 mm

Strypą sudaro plienas atkarpa (skersmuo 40 mm, ilgis 300 mm, E = 200 GPa), galais sujungta su atkarpa iš bronza (skersmuo 60 mm, ilgis 200 mm, E = 110 GPa). Vienas galas įtvirtintas, kitas traukiamas. Raskite ašinę apkrovą P, kuri jį iš viso pailgina 0,4 mm.

1 atkarpa: plienas, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPa2 atkarpa: bronza, Ø60 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Ašinis įtempis ir deformacijaSunkus
Ø 25 mmPlienas2 mØ 16 mmŽalvaris2 mP = 60 kN

Laiptuotas strypas įtvirtintas sienoje ir apkrautas laisvajame gale. Raskite bendrą pailgėjimą δ.

P = 60 kN1 ruožas: Ø25 mm, 2 m, plienas (E = 200 GPa)2 ruožas: Ø16 mm, 2 m, žalvaris (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Kolonų klupimasVidutinis
PL = 1 m25 × 100 mmskerspjūvis

L ilgio kolona iš medžiagos (plienas) yra įtvirtinta apačioje ir laisva viršuje. Pagal Oilerio formulę raskite jos kritinę klupimo jėgą Pcr.

L = 1 mE = 200 GPa (plienas)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Kolonų klupimasSunkus
P = 15 kNL = 1,5 md = ?skerspjūvis

Pilnavidurė apvali L ilgio kolona iš medžiagos (plienas) yra įtvirtinta apačioje ir laisva viršuje. Ji turi atlaikyti 15 kN su 2 atsargos koeficientu klupimui. Raskite mažiausią skersmenį d.

P = 15 kNn = 2L = 1,5 mE = 200 GPa (plienas)
d = mm
11.Mechaniniai virpesiaiVidutinis
k = 150 kN/mζ = 0,45m = 250 kg

250 kg masė ant spyruoklės, kurios standumas 150 kN/m, turi klampųjį slopintuvą, kurio santykinis slopinimo koeficientas 0,45. Raskite jos laisvųjų slopinamųjų virpesių savąjį dažnį fd Hz.

m = 250 kgk = 150 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Mechaniniai virpesiaiSunkus
k1​ = 60k2​ = 40m = 10 kg

10 kg masė kabo ant dviejų greta esančių (lygiagrečiai sujungtų) spyruoklių, kurių standumai k₁ = 60 kN/m ir k₂ = 40 kN/m. Masė lieka horizontali. Raskite spyruoklių sistemos ekvivalentinį standumą keq kN/m.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Tirpalai

1.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Atsakymas: P = 1,81 kW

Diržinės pavaros: be slydimo abiejų skriemulių lanko greitis vienodas, v = π·d·n/60, todėl n₁·d₁ = n₂·d₂, o greičių santykis yra d₂/d₁. Slydimas s varomąjį skriemulį šiek tiek sulėtina: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Perduodama galia P = (T₁ − T₂)·v, kai T₁ yra įtemptosios, o T₂ – laisvosios šakos įtempimas. Trintis riboja įtempimų santykį: T₁/T₂ = eμθ, kai θ yra apkabos kampas radianais ant mažesniojo skriemulio; atviram diržui θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), kai ašių atstumas C.

Diržo greitis

v = 3,77 m/s

Galia

P = (800 − 320)·3,77 = 1810 W = 1,81 kW

Atsakymas

P = 1,81 kW
2.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Atsakymas: nout = 562,5 rpm

Krumpliaratinės pavaros: sukibusių krumpliaračių dantų greitis vienodas, todėl n₁·N₁ = n₂·N₂: krumpliaratis su mažiau dantų sukasi greičiau. Ant vieno veleno esantys krumpliaračiai sukasi vienodu greičiu. Galia perduodama toliau (atėmus nuostolius), todėl mažėjant sukimosi greičiui sukimo momentas didėja: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, o P = T·ω, kur ω = 2π·n/60.

Pirmoji pakopa

nB = 3000·15/40 = 1125 rpm = nC

Antroji pakopa

nout = 1125·25/50 = 562,5 rpm

Atsakymas

nout = 562,5 rpm

bendras perdavimo skaičius = 5,333 : 1

3.Velenų sukimas

Atsakymas: φ = 3,288 °

Apvalių velenų sukimas: tangentinis įtempis tiesiškai didėja nuo nulio centre iki τmax = T·r/J paviršiuje, kur J = πd⁴/32 pilnaviduriam velenui ir J = π(do⁴ − di⁴)/32 tuščiaviduriam. Sukimo kampas φ = TL/(GJ) radianais. Galią ir sukimo momentą sieja P = T·ω.

Polinis inercijos momentas

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Sukimo kampas

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(26000·251327) = 0,05739 rad
φ = 0,05739·180/π = 3,288°

Atsakymas

φ = 3,288°
4.Velenų sukimas

Atsakymas: φC = 16,28 °

Apvalių velenų sukimas: tangentinis įtempis tiesiškai didėja nuo nulio centre iki τmax = T·r/J paviršiuje, kur J = πd⁴/32 pilnaviduriam velenui ir J = π(do⁴ − di⁴)/32 tuščiaviduriam. Sukimo kampas φ = TL/(GJ) radianais. Galią ir sukimo momentą sieja P = T·ω. Kai abu galai įtvirtinti, vien statika duoda tik TA + TB = T₀; antroji lygtis yra suderinamumas (abiejų dalių vienodas sukimo kampas apkrautame skerspjūvyje).

Pusiausvyra ir suderinamumas

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·2,5/3,5 = 357,1 N·m
TB = 500·1/3,5 = 142,9 N·m

C posūkio kampas

Naudokite ruožą AC: jis įtvirtintas ties A ir perduoda TA.

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 357143·1000/(80000·15708) = 0,2842 rad = 16,28°

Atsakymas

φC = 16,28°
5.Moro apskritimas ir įtempių transformacija

Atsakymas: τmax = 32,02 MPa

Plokščiojo įtempių būvio transformacija: pjūvyje, pasuktame kampu θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Moro apskritimas parodo visus pjūvius iš karto: jo centras C = (σₓ + σᵧ)/2, o spindulys R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Pagrindiniai įtempiai lygūs C ± R, o didžiausias tangentinis įtempis plokštumoje lygus R.

στxyCτmax​

Moro apskritimo spindulys

τmax = R = √(((50 − 0)/2)² + −20²) = 32,02 MPa

Atsakymas

τmax = 32,02 MPa
6.Moro apskritimas ir įtempių transformacija

Atsakymas: n = 11,65

Plokščiojo įtempių būvio transformacija: pjūvyje, pasuktame kampu θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Moro apskritimas parodo visus pjūvius iš karto: jo centras C = (σₓ + σᵧ)/2, o spindulys R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Pagrindiniai įtempiai lygūs C ± R, o didžiausias tangentinis įtempis plokštumoje lygus R. Takumo kriterijai: pagal fon Mizesą takumas prasideda, kai σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) pasiekia σY; pagal Treską – kai absoliutusis didžiausias tangentinis įtempis pasiekia σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Pagrindiniai įtempiai

C = −5 MPa, R = 18,03 MPa
σ1 = 13,03 MPa, σ2 = −23,03 MPa, σ3 = 0

Treska

σmax − σmin = 36,06 MPa
n = 420/36,06 = 11,65

Atsakymas

n = 11,65

n > 1 reiškia, kad taške takumas neprasideda; Treskos kriterijus kiek konservatyvesnis nei fon Mizeso.

7.Ašinis įtempis ir deformacija

Atsakymas: P = 217,8 kN

Dvi medžiagos: nuosekliai (viena po kitos) kiekvieną atkarpą veikia ta pati jėga, o pailgėjimai sudedami: δ = P·Σ L/(E·A). Lygiagrečiai (greta tarp standžių plokščių) abi dalys sutrumpėja vienodai, todėl jų deformacijos lygios: standesnė dalis priima didesnę dalį, Pi = P·EiAi/ΣEA, o σi = Ei·ε. Strypas, įtvirtintas tarp dviejų standžių sienų ir apkrautas sandūroje, yra statiškai neišsprendžiamas: abi atkarpos apkrovą dalijasi proporcingai savo standumui k = EA/L.

Plotai

A₁ = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Lankstumai

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1,194 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·2827) = 6,431 × 10⁻⁷ mm/N

Apkrova

P = 0,4/1,837 × 10⁻⁶ = 217780 N = 217,8 kN

Atsakymas

P = 217,8 kN
8.Ašinis įtempis ir deformacija

Atsakymas: δ = 7,191 mm

Ašiškai apkrauti elementai: kiekvienas prizminis ruožas tenkina δ = PL/(AE). Nuosekliai sujungtų ruožų pailgėjimai sumuojami.

Ta pati jėga abiejuose ruožuose

Laisvasis galas perduoda P, todėl kiekvienas strypo skerspjūvis perduoda tą pačią ašinę jėgą P. Keičiasi tik plotai ir medžiagos.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 122,2 MPa
σ2 = 298,4 MPa

Sudėkite ruožų pailgėjimus

δ1 = σ1L1/E1 = 122,2·2000/200000 = 1,222 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 298,4·2000/100000 = 5,968 mm
δ = δ1 + δ2 = 7,191 mm

Atsakymas

δ = 7,191 mm
9.Kolonų klupimas

Atsakymas: Pcr = 64,26 kN

Oilerio klupimas: liauna kolona netenka pastovumo, kai Pcr = π²EI/(KL)², kur KL – skaičiuojamasis ilgis: K = 1 šarnyras–šarnyras, 2 įtvirtinimas–laisvas galas, 0,7 įtvirtinimas–šarnyras ir 0,5 įtvirtinimas–įtvirtinimas. Kolona klumpa ašies su mažiausiu I atžvilgiu. Formulė galioja liaunoms kolonoms, kurių kritinis įtempis mažesnis už takumo ribą.

Mažiausias inercijos momentas

Stačiakampis klumpa silpnosios ašies atžvilgiu, naudojant mažesnio matmens kubą.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Skaičiuojamasis ilgis

KL = 2·1000 = 2000 mm

Kritinė jėga

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2000² = 64255 N = 64,26 kN

Atsakymas

Pcr = 64,26 kN
10.Kolonų klupimas

Atsakymas: d = 40,86 mm

Oilerio klupimas: liauna kolona netenka pastovumo, kai Pcr = π²EI/(KL)², kur KL – skaičiuojamasis ilgis: K = 1 šarnyras–šarnyras, 2 įtvirtinimas–laisvas galas, 0,7 įtvirtinimas–šarnyras ir 0,5 įtvirtinimas–įtvirtinimas. Kolona klumpa ašies su mažiausiu I atžvilgiu. Formulė galioja liaunoms kolonoms, kurių kritinis įtempis mažesnis už takumo ribą.

Reikiama kritinė jėga

Pcr = n·P = 2·15000 = 30000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Išreiškite skersmenį

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 40,86 mm

Atsakymas

d = 40,86 mm

Patikra: liaunis KL/r yra 293,7, todėl kolona liauna ir Oilerio formulė galioja.

11.Mechaniniai virpesiai

Atsakymas: fd = 3,481 Hz

Masės ir spyruoklės sistemos laisvieji virpesiai: neslopinamų virpesių savasis dažnis ωn = √(k/m) rad/s, o fn = ωn/(2π) Hz. Klampusis slopintuvas c lemia slopinimo koeficientą ζ = c/cc, kur kritinis slopinimas cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Nepakankamai slopinama sistema (ζ < 1) virpa dažniu ωd = ωn·√(1 − ζ²). Lygiagrečiai sujungtų spyruoklių standumai sudedami, k = k₁ + k₂; nuosekliai sujungtų – sudedamos atvirkštinės vertės, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Neslopinamų virpesių savasis dažnis

ωn = √(150000/250) = 24,49 rad/s
fn = 24,49/(2π) = 3,898 Hz

Slopinamųjų virpesių savasis dažnis

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,898·√(1 − 0,45²) = 3,481 Hz

Atsakymas

fd = 3,481 Hz
12.Mechaniniai virpesiai

Atsakymas: keq = 100 kN/m

Masės ir spyruoklės sistemos laisvieji virpesiai: neslopinamų virpesių savasis dažnis ωn = √(k/m) rad/s, o fn = ωn/(2π) Hz. Klampusis slopintuvas c lemia slopinimo koeficientą ζ = c/cc, kur kritinis slopinimas cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Nepakankamai slopinama sistema (ζ < 1) virpa dažniu ωd = ωn·√(1 − ζ²). Lygiagrečiai sujungtų spyruoklių standumai sudedami, k = k₁ + k₂; nuosekliai sujungtų – sudedamos atvirkštinės vertės, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Ekvivalentinis standumas

Greta esančių spyruoklių deformacija vienoda, o jėgos sudedamos, todėl jų standumai tiesiog sudedami: k = k1 + k2.

keq = 60 + 40 = 100 kN/m

Atsakymas

keq = 100 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design