Reka Bentuk Mesin: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 12 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Gear & rangkaian gear

Gear bergigi bertaut
n1·N1 = n2·N2
Tork
T2 = T1·(N2/N1)·η
Kuasa
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rangkaian gear gubahan
nisbah keseluruhan = hasil darab nisbah peringkat

Kilasan aci

Tegasan ricih
τ = T·r/J
Aci pejal
J = πd⁴/32
Aci berongga
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Sudut piuhan
φ = TL/(GJ)
Kuasa
P = T·ω = 2πnT/60

Kaedah

  1. Cari momen luas kutub: J = πd⁴/32 untuk aci pejal.
  2. Tegasan ricih pada permukaan: τ = T·r/J, dengan r ialah jejari luar.
  3. Sudut piuhan: φ = TL/(GJ) dalam radian.
  4. Jika kuasa diberi, cari tork dahulu dengan P = T·ω, ω = 2πn/60.

Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Pusat
C = (σx + σy)/2
Jejari
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tegasan utama
σ1,2 = C ± R
Arah utama
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Satah condong
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Kaedah

  1. Kira pusat bulatan Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Kira jejari: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Tegasan utama ialah C ± R dan tegasan ricih dalam satah terbesar ialah R.
  4. Sudut pada bulatan adalah dua kali ganda sudut pada unsur: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tegasan & terikan paksi

Tegasan normal
σ = F/A
Terikan
ε = ΔL/L
Hukum Hooke
σ = E·ε
Pemanjangan
ΔL = FL/(EA)
Terikan terma
εT = α·ΔT

Lengkokan tiang

Beban Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Faktor panjang berkesan
K = 1 pin–pin, 0.5 tetap–tetap, 0.7 tetap–pin, 2 tetap–bebas
Tegasan kritikal
σcr = Pcr/A
Kelangsingan
λ = KL/r, r = √(I/A)

Getaran mekanikal

Frekuensi tabii
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Daripada pesongan statik
ωn = √(g/δst)
Redaman genting
cc = 2√(km) = 2mωn
Nisbah redaman
ζ = c/cc
Frekuensi teredam
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Penyusutan logaritma
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Spring secara selari
k = k1 + k2
Spring secara bersiri
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Soalan latihan

1.Gear & rangkaian gearSederhana
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 200 NP = ?

Tali sawat berjalan pada takal pemacu 150 mm pada 1440 rpm. Tegangannya ialah 1000 N pada sisi kencang dan 200 N pada sisi kendur. Cari kuasa P yang dipindahkan, dalam kW.

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 200 N
P = kW
2.Gear & rangkaian gearSukar
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Tali sawat terbuka menyambungkan takal pemacu 125 mm pada 1450 rpm kepada takal 200 mm; pusatnya berjarak 1000 mm. Pekali geseran ialah 0.35 dan tegangan sisi kencang tidak boleh melebihi 2000 N. Cari kuasa terbesar P yang dapat dipindahkan oleh tali sawat tanpa tergelincir, dalam kW (abaikan kesan emparan).

d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmd2 = 200 mmC = 1000 mmμ = 0.35T1 = 2000 N
P = kW
3.Kilasan aciSederhana
T = 1000 N·md = 25 mmL = 1 mφ = ?

Satu aci keluli pejal dipasang tetap pada dinding dan dipiuh oleh tork T pada hujung bebasnya. Cari sudut piuhan φ hujung bebas, dalam darjah.

T = 1000 N·md = 25 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Kilasan aciSukar
Td = ?

Satu aci pejal mesti menghantar 100 kW pada 1450 rpm tanpa tegasan ricih melebihi 75 MPa. Cari diameter terkecil d yang berfungsi.

P = 100 kWN = 1450 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSederhana
σx​ = 40σy​ = −10τxy​ = 50MPa

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = 40 MPa, σᵧ = −10 MPa dan τₓᵧ = 50 MPa (tegangan positif). Cari tegasan ricih maksimum dalam satah τmax.

σx = 40 MPaσy = −10 MPaτxy = 50 MPa
τmax = MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSukar
σx​ = 30σy​ = 50τxy​ = −10MPa

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = 30 MPa, σᵧ = 50 MPa dan τₓᵧ = −10 MPa (tegangan positif). Cari tegasan ricih τθ pada satah yang normalnya diputar 45° lawan arah jam dari paksi-x (positif dalam arah yang sama dengan τₓᵧ).

σx = 30 MPaσy = 50 MPaτxy = −10 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Tegasan & terikan paksiSederhana
Ø 10 mmLoyang3 mP = 70 kN

Cari terikan paksi ε dalam bar loyang, dalam mikroterikan (µε = 10⁻⁶).

P = 70 kNd = 10 mmL = 3 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tegasan & terikan paksiSukar
P = ?Ø20110 GPaØ100/70600 mm

Rod keluli (diameter 20 mm, E = 200 GPa, tegasan dibenarkan 200 MPa) berada di dalam tiub diperbuat daripada gangsa (diameter luar 100 mm, diameter dalam 70 mm, E = 110 GPa, tegasan dibenarkan 60 MPa). Kedua-duanya dimampatkan bersama antara plat tegar. Cari beban terbesar Pmax.

rod: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatiub: Ø100/Ø70 mm, E = 110 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Lengkokan tiangSederhana
PL = 6 m40 × 80 mmkeratan rentas

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada aluminium dan dengan pangkal tetap dan bahagian atas berpin. Dengan formula Euler, cari beban lengkokan kritikal Pcrnya.

L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Lengkokan tiangSukar
PL = 5 md = 40 mmkeratan rentas

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada aluminium dan dengan pin pada kedua-dua hujung. Cari kelangsingannya dan tegasan lengkokan kritikal σcr daripada formula Euler.

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Getaran mekanikalSederhana
tx20 mm4 kitaran1 mm

Dalam ujian getaran bebas sistem jisim–spring teredam, puncak sesaran 20 mm diikuti 4 kitaran kemudian oleh puncak 1 mm. Cari nisbah redaman ζ.

x0 = 20 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
12.Getaran mekanikalSukar
k1​ = 30k2​ = 80m = 40 kg

Jisim 40 kg tergantung pada dua spring yang disambung hujung ke hujung (bersiri): spring atas k₁ = 30 kN/m dan spring bawah k₂ = 80 kN/m. Abaikan redaman dan jisim spring. Cari frekuensi tabii fn bagi getaran menegak dalam Hz.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Larutan

1.Gear & rangkaian gear

Jawapan: P = 9.048 kW

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Laju tali sawat

v = 11.31 m/s

Kuasa

P = (1000 − 200)·11.31 = 9048 W = 9.048 kW

Jawapan

P = 9.048 kW
2.Gear & rangkaian gear

Jawapan: P = 12.49 kW

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Sudut lilitan

θ = 3.067 rad

Tegangan sisi kendur

eμθ = e1.073 = 2.925, T₂ = 2000/2.925 = 683.8 N

Kuasa

P = (2000 − 683.8)·9.49 = 12.49 kW

Jawapan

P = 12.49 kW
3.Kilasan aci

Jawapan: φ = 18.68 °

Kilasan aci bulat: tegasan ricih bertambah secara linear daripada sifar di pusat kepada τmax = T·r/J pada permukaan, dengan J = πd⁴/32 bagi aci pejal dan J = π(do⁴ − di⁴)/32 bagi aci berongga. Sudut piuhan ialah φ = TL/(GJ) dalam radian. Kuasa dan tork dihubungkan oleh P = T·ω.

Momen luas kutub kedua

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Sudut piuhan

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·1000/(80000·38350) = 0.3259 rad
φ = 0.3259·180/π = 18.68°

Jawapan

φ = 18.68°
4.Kilasan aci

Jawapan: d = 35.5 mm

Kilasan aci bulat: tegasan ricih bertambah secara linear daripada sifar di pusat kepada τmax = T·r/J pada permukaan, dengan J = πd⁴/32 bagi aci pejal dan J = π(do⁴ − di⁴)/32 bagi aci berongga. Sudut piuhan ialah φ = TL/(GJ) dalam radian. Kuasa dan tork dihubungkan oleh P = T·ω.

Tork

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T = P/ω = 100000/151.8 = 658.6 N·m

Diameter daripada tegasan dibenarkan

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·658572/(π·75)) = 35.5 mm

Jawapan

d = 35.5 mm

Dalam amalan anda akan membundarkan ke atas kepada saiz piawai yang seterusnya.

5.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: τmax = 55.9 MPa

Transformasi tegasan satah: pada satah yang diputar sebanyak θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Bulatan Mohr menunjukkan semua satah sekali gus: pusatnya pada C = (σₓ + σᵧ)/2 dan jejarinya R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Tegasan utama ialah C ± R, dan tegasan ricih dalam satah terbesar ialah R.

στxyCτmax​

Jejari bulatan Mohr

τmax = R = √(((40 − −10)/2)² + 50²) = 55.9 MPa

Jawapan

τmax = 55.9 MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: τθ = 10 MPa

Transformasi tegasan satah: pada satah yang diputar sebanyak θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Bulatan Mohr menunjukkan semua satah sekali gus: pusatnya pada C = (σₓ + σᵧ)/2 dan jejarinya R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Tegasan utama ialah C ± R, dan tegasan ricih dalam satah terbesar ialah R.

Persamaan transformasi

τθ = −−10·1 + −10·0 = 10 MPa

Jawapan

τθ = 10 MPa
7.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: ε = 8913 µε

Hukum Hooke: dalam julat kenyal σ = E·ε. Menggabungkannya dengan σ = P/A dan ε = δ/L memberikan δ = PL/(AE).

Tegasan

A = π·10²/4 = 78.54 mm²
σ = P/A = 70·1000/78.54 = 891.3 MPa

Terikan (hukum Hooke)

E for loyang = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 891.3/100000 = 0.008913 = 8913 µε

Jawapan

ε = 8913 µε
8.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: Pmax = 274.6 kN

Dua bahan: secara siri (satu selepas satu) setiap segmen membawa daya yang sama dan pemanjangan bertambah: δ = P·Σ L/(E·A). Secara selari (bersebelahan antara plat tegar) kedua-dua bahagian memendek sebanyak yang sama, jadi terikannya sama: bahagian yang lebih kaku menanggung bahagian yang lebih besar, Pi = P·EiAi/ΣEA, dan σi = Ei·ε. Bar yang dipegang antara dua dinding tegar dengan beban pada sambungan ialah tak boleh ditentu secara statik: kedua-dua segmen berkongsi beban mengikut kekakuan k = EA/L.

Luas

Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Kekakuan paksi gabungan

ΣEA = 200·10³·314.2 + 110·10³·4006 = 5.034 × 10⁸ N

Terikan penentu

ε = min(0.001, 0.0005455) = 0.0005455 (gangsa)

Beban terbesar

Pmax = 0.0005455·5.034 × 10⁸ = 274604 N = 274.6 kN

Jawapan

Pmax = 274.6 kN
9.Lengkokan tiang

Jawapan: Pcr = 16.71 kN

Lengkokan Euler: tiang langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL ialah panjang berkesan: K = 1 bagi pin–pin, 2 bagi tetap–bebas, 0.7 bagi tetap–pin dan 0.5 bagi tetap–tetap. Ia melengkok pada paksi yang mempunyai I terkecil. Formula ini sah bagi tiang langsing, yang tegasan kritikalnya kekal di bawah tegasan alah.

Momen luas kedua terkecil

Segi empat tepat melengkok pada paksi lemahnya, menggunakan dimensi yang lebih kecil dikuasa tiga.

Imin = h·b³/12 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Panjang berkesan

KL = 0.7·6000 = 4200 mm

Beban kritikal

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/4200² = 16710 N = 16.71 kN

Jawapan

Pcr = 16.71 kN
10.Lengkokan tiang

Jawapan: σcr = 2.763 MPa

Lengkokan Euler: tiang langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL ialah panjang berkesan: K = 1 bagi pin–pin, 2 bagi tetap–bebas, 0.7 bagi tetap–pin dan 0.5 bagi tetap–tetap. Ia melengkok pada paksi yang mempunyai I terkecil. Formula ini sah bagi tiang langsing, yang tegasan kritikalnya kekal di bawah tegasan alah.

Momen luas kedua terkecil

Keratan bulat mempunyai I yang sama pada setiap paksi.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Jejari legaran dan kelangsingan

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/10 = 500

Tegasan kritikal

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/500² = 2.763 MPa

Jawapan

σcr = 2.763 MPa
11.Getaran mekanikal

Jawapan: ζ = 0.1184

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Penyusutan logaritma

δ = (1/4)·ln(20/1) = 0.7489

Nisbah redaman

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7489/√(39.48 + 0.5609) = 0.1184

Jawapan

ζ = 0.1184
12.Getaran mekanikal

Jawapan: fn = 3.717 Hz

Getaran bebas sistem jisim–spring: frekuensi tabii tanpa redaman ialah ωn = √(k/m) dalam rad/s, dan fn = ωn/(2π) dalam Hz. Peredam likat c memberikan nisbah redaman ζ = c/cc, dengan redaman genting cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Sistem kurang teredam (ζ < 1) berayun pada ωd = ωn·√(1 − ζ²). Spring secara selari ditambah, k = k₁ + k₂; spring secara bersiri ditambah sebagai salingan, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Kekakuan setara

Spring secara bersiri berkongsi daya yang sama dan menambah pesongannya, jadi ia bergabung sebagai salingan: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/80 → keq = 30·80/(30 + 80) = 21.82 kN/m

Frekuensi tabii

ωn = √(21818/40) = 23.35 rad/s
fn = 23.35/(2π) = 3.717 Hz

Jawapan

fn = 3.717 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design