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​ = 100 mmd2​ = 500 mm1450 rpmn2​ = ?

Takal 100 mm pada 1450 rpm memacu takal 500 mm melalui tali sawat dengan gelinciran 4 %. Cari laju n2 takal yang dipacu.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 500 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Gear & rangkaian gearSukar
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Tali sawat terbuka menyambungkan takal pemacu 125 mm pada 1500 rpm kepada takal 200 mm; pusatnya berjarak 500 mm. Pekali geseran ialah 0.35 dan tegangan sisi kencang tidak boleh melebihi 1500 N. Cari kuasa terbesar P yang dapat dipindahkan oleh tali sawat tanpa tergelincir, dalam kW (abaikan kesan emparan).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0.35T1 = 1500 N
P = kW
3.Kilasan aciSederhana
T = 750 N·md = 40 mmL = 0.5 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 40 mmL = 0.5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Kilasan aciSukar
do​ = ?15 kW, 1450 rpm

Aci berongga mesti memindahkan 15 kW pada 1450 rpm. Diameter dalamnya ialah 0.5 kali diameter luarnya, dan tegasan ricih tidak boleh melebihi 40 MPa. Cari diameter luar terkecil do.

P = 15 kWN = 1450 rpmdi/do = 0.5τallow = 40 MPa
do = mm
5.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSederhana
σx​ = −30σy​ = 80τxy​ = 50MPa

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = −30 MPa, σᵧ = 80 MPa dan τₓᵧ = 50 MPa (tegangan positif). Cari sudut θp dari paksi-x ke arah tegasan utama terbesar, antara −90° dan 90°.

σx = −30 MPaσy = 80 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSukar
σx​ = 120σy​ = −70τxy​ = 30MPa

Satu titik dalam plat nipis berada dalam tegasan satah: σₓ = 120 MPa, σᵧ = −70 MPa dan τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Bahan itu mempunyai kekuatan alah 460 MPa. Cari faktor keselamatan n terhadap alah mengikut kriteria von Mises (tenaga herotan).

σx = 120 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tegasan & terikan paksiSederhana
Ø 12 mmKuprum0.5 mP = 50 kN

Cari pemanjangan δ bagi bar kuprum di bawah beban paksi itu.

P = 50 kNd = 12 mmL = 0.5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tegasan & terikan paksiSukar
Ø 35 mmKeluli2 mØ 20 mmKeluli0.5 mP = 15 kN

Bar berperingkat itu dipasang tetap pada dinding dan dibebankan pada hujung bebasnya. Cari jumlah pemanjangan δ.

P = 15 kNsegmen 1: Ø35 mm, 2 m, keluli (E = 200 GPa)segmen 2: Ø20 mm, 0.5 m, keluli (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Lengkokan tiangSederhana
PL = 3 md = 80 mmkeratan rentas

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Lengkokan tiangSukar
PL = 1 md = 40 mmkeratan rentas

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

L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Getaran mekanikalSederhana
tx30 mm5 kitaran8.5 mm

Dalam ujian getaran bebas sistem jisim–spring teredam, puncak sesaran 30 mm diikuti 5 kitaran kemudian oleh puncak 8.5 mm. Cari nisbah redaman ζ.

x0 = 30 mmx5 = 8.5 mmn = 5
ζ =
12.Getaran mekanikalSukar
k1​ = 60k2​ = 20m = 25 kg

Jisim 25 kg tergantung pada dua spring bersebelahan (selari), dengan kekakuan k₁ = 60 kN/m dan k₂ = 20 kN/m. Jisim kekal mendatar. Abaikan redaman dan jisim spring. Cari frekuensi tabii fn bagi getaran menegak dalam Hz.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Larutan

1.Gear & rangkaian gear

Jawapan: n2 = 278.4 rpm

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 tanpa gelinciran

1450·100/500 = 290 rpm

Dengan gelinciran

n2 = 290·0.96 = 278.4 rpm

Jawapan

n2 = 278.4 rpm
2.Gear & rangkaian gear

Jawapan: P = 9.558 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 = 2.991 rad

Tegangan sisi kendur

eμθ = e1.047 = 2.849, T₂ = 1500/2.849 = 526.5 N

Kuasa

P = (1500 − 526.5)·9.817 = 9.558 kW

Jawapan

P = 9.558 kW
3.Kilasan aci

Jawapan: φ = 3.288 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Sudut piuhan

φ = TL/(GJ) = 750·1000·500/(26000·251327) = 0.05739 rad
φ = 0.05739·180/π = 3.288°

Jawapan

φ = 3.288°
4.Kilasan aci

Jawapan: do = 23.76 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 = 15000/151.8 = 98.79 N·m

Diameter luar daripada tegasan yang dibenarkan

T = 98.79 N·m = 98786 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.5⁴ = 0.9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·98786/(π·40·0.9375)) = 23.76 mm
di = 0.5·23.76 = 11.88 mm

Jawapan

do = 23.76 mm

Aci pepejal memerlukan d = 23.26 mm; yang berongga sedikit lebih besar tetapi jauh lebih ringan.

5.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: θp = 68.86 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Sudut pada bulatan

Titik x berada pada sudut 2θp dari paksi-σ pada bulatan Mohr; sukuan diperoleh daripada tanda σₓ − σᵧ dan τₓᵧ.

2θp = atan2(2·50, −30 − 80) = 137.7°

Sudut pada unsur

θp = 68.86°

Jawapan

θp = 68.86°

Sudut positif ialah lawan arah jam.

6.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: n = 2.638

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. Kriteria alah: von Mises meramalkan alah apabila σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) mencapai σY; Tresca apabila tegasan ricih maksimum mutlak mencapai σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tegasan utama

C = 25 MPa, R = 99.62 MPa
σ1 = 124.6 MPa, σ2 = −74.62 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(124.6² − 124.6·(−74.62) + (−74.62)²) = 174.4 MPa
n = 460/174.4 = 2.638

Jawapan

n = 2.638

n > 1 bermaksud titik itu tidak alah; Tresca sedikit lebih konservatif daripada von Mises.

7.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: δ = 1.889 mm

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

Tegasan

A = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 50·1000/113.1 = 442.1 MPa

Terikan (hukum Hooke)

E for kuprum = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 442.1/117000 = 0.003779 = 3779 µε

Pemanjangan

δ = ε·L = 0.003779·500 mm = 1.889 mm

Jawapan

δ = 1.889 mm
8.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: δ = 0.2753 mm

Anggota dibebankan secara paksi: setiap segmen prismatik mematuhi δ = PL/(AE). Bagi anggota secara bersiri, pemanjangan ditambah.

Daya yang sama dalam kedua-dua segmen

Hujung bebas membawa P, jadi setiap keratan bar membawa daya paksi P yang sama. Hanya luas dan bahan yang berubah.

A1 = π·35²/4 = 962.1 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 15.59 MPa
σ2 = 47.75 MPa

Tambah pemanjangan segmen

δ1 = σ1L1/E1 = 15.59·2000/200000 = 0.1559 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 47.75·500/200000 = 0.1194 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.2753 mm

Jawapan

δ = 0.2753 mm
9.Lengkokan tiang

Jawapan: Pcr = 38.59 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·80⁴/64 = 2.011 × 10⁶ mm⁴

Panjang berkesan

KL = 2·3000 = 6000 mm

Beban kritikal

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2.011 × 10⁶/6000² = 38586 N = 38.59 kN

Jawapan

Pcr = 38.59 kN
10.Lengkokan tiang

Jawapan: σcr = 17.27 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 = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/10 = 200

Tegasan kritikal

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17.27 MPa

Jawapan

σcr = 17.27 MPa
11.Getaran mekanikal

Jawapan: ζ = 0.04011

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 = (1/5)·ln(30/8.5) = 0.2522

Nisbah redaman

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2522/√(39.48 + 0.06362) = 0.04011

Jawapan

ζ = 0.04011
12.Getaran mekanikal

Jawapan: fn = 9.003 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 bersebelahan berkongsi pesongan dan menambah dayanya, jadi kekakuannya hanya ditambah: k = k1 + k2.

keq = 60 + 20 = 80 kN/m

Frekuensi tabii

ωn = √(80000/25) = 56.57 rad/s
fn = 56.57/(2π) = 9.003 Hz

Jawapan

fn = 9.003 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design