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​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 500 NT2​ = 250 NP = ?

Tali sawat berjalan pada takal pemacu 80 mm pada 1500 rpm. Tegangannya ialah 500 N pada sisi kencang dan 250 N pada sisi kendur. Cari kuasa P yang dipindahkan, dalam kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 500 NT2 = 250 N
P = kW
2.Gear & rangkaian gearSukar
A = 18B = 60C = 15D = 80

Sebuah motor 4 kW pada 1450 rpm menggerakkan gear A (18 gigi), yang bersalingan dengan gear B (60 gigi). Gear C (15 gigi) pada aci yang sama dengan B menggerakkan gear D (80 gigi) pada aci keluaran. Setiap persalingan gear mempunyai kecekapan 95%. Cari tork keluaran Tout.

P = 4 kWnin = 1450 rpmA = 18B = 60C = 15D = 80ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Kilasan aciSederhana
T = 400 N·md = 25 mmL = 0.8 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 25 mmL = 0.8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Kilasan aciSukar
Td = ?

Satu aci pejal mesti menghantar 30 kW pada 1000 rpm tanpa tegasan ricih melebihi 75 MPa. Cari diameter terkecil d yang berfungsi.

P = 30 kWN = 1000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSederhana
σx​ = 20σy​ = −60τxy​ = −60MPa

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = 20 MPa, σᵧ = −60 MPa dan τₓᵧ = −60 MPa (tegangan positif). Cari tegasan ricih maksimum dalam satah τmax.

σx = 20 MPaσy = −60 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSukar
σx​τxy​permukaan atas aci

Aci pepejal berdiameter 40 mm membawa momen lentur 100 N·m bersama-sama dengan tork 1000 N·m. Pada permukaan atas, di mana tegasan lentur ialah tegangan dan paling besar, cari tegasan utama terbesar σ1.

d = 40 mmM = 100 N·mT = 1000 N·m
σ1 = MPa
7.Tegasan & terikan paksiSederhana
P = ?12600 mm200 mmØ40Ø50δ = 0.25 mm

Bar dibuat daripada segmen keluli (diameter 40 mm, panjang 600 mm, E = 200 GPa) yang bercantum hujung ke hujung dengan segmen diperbuat daripada loyang (diameter 50 mm, panjang 200 mm, E = 100 GPa). Ia dipegang tetap pada satu hujung dan ditarik pada hujung yang lain. Cari beban paksi P yang meregangkannya sebanyak 0.25 mm secara keseluruhan.

segmen 1: keluli, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPasegmen 2: loyang, Ø50 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0.25 mm
P = kN
8.Tegasan & terikan paksiSukar
P = ?Ø3070 GPaØ80/50600 mm

Rod keluli (diameter 30 mm, E = 200 GPa, tegasan dibenarkan 150 MPa) berada di dalam tiub diperbuat daripada aluminium (diameter luar 80 mm, diameter dalam 50 mm, E = 70 GPa, tegasan dibenarkan 80 MPa). Kedua-duanya dimampatkan bersama antara plat tegar. Cari beban terbesar Pmax.

rod: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatiub: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Lengkokan tiangSederhana
PL = 1 md = 40 mmkeratan rentas

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada keluli dan dengan pin pada kedua-dua hujung. Dengan formula Euler, cari beban lengkokan kritikal Pcrnya.

L = 1 mE = 200 GPa (keluli)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Lengkokan tiangSukar
PL = 1 md = 25 mmkeratan rentas

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada keluli dan dengan pangkal tetap dan bahagian atas berpin. Cari kelangsingannya dan tegasan lengkokan kritikal σcr daripada formula Euler.

L = 1 mE = 200 GPa (keluli)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Getaran mekanikalSederhana
k = 2 kN/mc = 50 N·s/mm = 12 kg

Jisim 12 kg disokong oleh spring berkekakuan 2 kN/m dan peredam likat dengan pekali redaman 50 N·s/m. Cari nisbah redaman ζ.

m = 12 kgk = 2 kN/mc = 50 N·s/m
ζ =
12.Getaran mekanikalSukar
k1​ = 15k2​ = 15m = 20 kg

Jisim 20 kg tergantung pada dua spring bersebelahan (selari), dengan kekakuan k₁ = 15 kN/m dan k₂ = 15 kN/m. Jisim kekal mendatar. Cari kekakuan setara keq sistem spring dalam kN/m.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Larutan

1.Gear & rangkaian gear

Jawapan: P = 1.571 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 = 6.283 m/s

Kuasa

P = (500 − 250)·6.283 = 1571 W = 1.571 kW

Jawapan

P = 1.571 kW
2.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Tout = 422.7 N·m

Rangkaian gear: gear yang bertaut mempunyai laju yang sama pada gigi, jadi n₁·N₁ = n₂·N₂: gear dengan gigi lebih sedikit berputar lebih laju. Gear pada satu aci berputar pada laju yang sama. Kuasa disalurkan (tolak kehilangan), jadi tork meningkat apabila laju menurun: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, dan P = T·ω dengan ω = 2π·n/60.

Laju keluaran

nout = 1450·(18/60)·(15/80) = 81.56 rpm
ωout = 2π·81.56/60 = 8.541 rad/s

Kuasa dan tork keluaran

Pout = 4000·0.95² = 3610 W
Tout = Pout/ωout = 3610/8.541 = 422.7 N·m

Jawapan

Tout = 422.7 N·m
3.Kilasan aci

Jawapan: φ = 12.26 °

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) = 400·1000·800/(39000·38350) = 0.214 rad
φ = 0.214·180/π = 12.26°

Jawapan

φ = 12.26°
4.Kilasan aci

Jawapan: d = 26.89 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·1000/60 = 104.7 rad/s
T = P/ω = 30000/104.7 = 286.5 N·m

Diameter daripada tegasan dibenarkan

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·286479/(π·75)) = 26.89 mm

Jawapan

d = 26.89 mm

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

5.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: τmax = 72.11 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 = √(((20 − −60)/2)² + −60²) = 72.11 MPa

Jawapan

τmax = 72.11 MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: σ1 = 87.93 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.

Tegasan pada permukaan

σ = 32M/(πd³) = 32·100000/(π·40³) = 15.92 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·40³) = 79.58 MPa
στxyCσ1​σ2​

Bulatan Mohr

C = σ/2 = 7.958 MPa
R = √(7.958² + 79.58²) = 79.97 MPa
σ1 = C + R = 87.93 MPa
σ2 = C − R = −72.02 MPa

Jawapan

σ1 = 87.93 MPa
7.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: P = 73.4 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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Kelenturan

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2.387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1963) = 1.019 × 10⁻⁶ mm/N

Beban

P = 0.25/3.406 × 10⁻⁶ = 73402 N = 73.4 kN

Jawapan

P = 73.4 kN
8.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: Pmax = 266.8 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·30²/4 = 706.9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Kekakuan paksi gabungan

ΣEA = 200·10³·706.9 + 70·10³·3063 = 3.558 × 10⁸ N

Terikan penentu

ε = min(0.00075, 0.001143) = 0.00075 (keluli)

Beban terbesar

Pmax = 0.00075·3.558 × 10⁸ = 266839 N = 266.8 kN

Jawapan

Pmax = 266.8 kN
9.Lengkokan tiang

Jawapan: Pcr = 248.1 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

Keratan bulat mempunyai I yang sama pada setiap paksi.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Panjang berkesan

KL = 1·1000 = 1000 mm

Beban kritikal

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1000² = 248050 N = 248.1 kN

Jawapan

Pcr = 248.1 kN
10.Lengkokan tiang

Jawapan: σcr = 157.4 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Jejari legaran dan kelangsingan

A = 490.9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490.9) = 6.25 mm
KL = 0.7·1000 = 700 mm
KL/r = 700/6.25 = 112

Tegasan kritikal

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/112² = 157.4 MPa

Jawapan

σcr = 157.4 MPa
11.Getaran mekanikal

Jawapan: ζ = 0.1614

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.

Redaman genting

cc = 2·√(k·m) = 2·√(2000·12) = 309.8 N·s/m

Nisbah redaman

ζ = c/cc = 50/309.8 = 0.1614

Jawapan

ζ = 0.1614

ζ < 1, jadi sistem kurang teredam dan berayun semasa susut.

12.Getaran mekanikal

Jawapan: keq = 30 kN/m

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 bersebelahan berkongsi pesongan dan menambah dayanya, jadi kekakuannya hanya ditambah: k = k1 + k2.

keq = 15 + 15 = 30 kN/m

Jawapan

keq = 30 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design