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​ = 120 mmd2​ = 500 mm2880 rpmn2​ = ?

Takal 120 mm pada 2880 rpm memacu takal 500 mm melalui tali sawat dengan gelinciran 3 %. Cari laju n2 takal yang dipacu.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 500 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Gear & rangkaian gearSukar
A = 24B = 50C = 24D = ?

Dalam alur gear majmuk, gear A (24 gigi) pada aci masukan berputar pada 960 rpm dan menggerakkan gear B (50 gigi). Gear C (24 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan menggerakkan gear D pada aci keluaran. Keluaran mesti berputar pada 153.6 rpm. Berapakah bilangan gigi ND yang mesti dimiliki oleh gear D?

nin = 960 rpmA = 24B = 50C = 24nout = 153.6 rpm
ND =
3.Kilasan aciSederhana
T = 400 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 = 400 N·md = 25 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Kilasan aciSukar
d = ?10 kW, 1450 rpm

Aci keluli pepejal memindahkan 10 kW pada 1450 rpm. Tegasan ricih tidak boleh melebihi 40 MPa dan kilasan tidak boleh melebihi 1° bagi setiap m panjang. Cari diameter terkecil d yang memenuhi kedua-dua had.

P = 10 kWN = 1450 rpmτallow = 40 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSederhana
σx​ = 90σy​ = 40τxy​ = −60MPa

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = 90 MPa, σᵧ = 40 MPa dan τₓᵧ = −60 MPa (tegangan positif). Cari tegasan ricih maksimum dalam satah τmax.

σx = 90 MPaσy = 40 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSukar
σx​τxy​permukaan atas aci

Aci pepejal berdiameter 30 mm membawa momen lentur 750 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 = 30 mmM = 750 N·mT = 1000 N·m
σ1 = MPa
7.Tegasan & terikan paksiSederhana
150 kNØ30100 GPaØ120/50400 mmδ = ?

Rod keluli (diameter 30 mm, E = 200 GPa) berada di dalam tiub diperbuat daripada loyang (diameter luar 120 mm, diameter dalam 50 mm, E = 100 GPa). Kedua-duanya sepanjang 400 mm dan dimampatkan bersama antara plat tegar oleh 150 kN. Cari pemendekan δ.

P = 150 kNrod: Ø30 mm, E = 200 GPatiub: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tegasan & terikan paksiSukar
40 kN12300 mm400 mmØ25Ø60σ2​ = ?

Segmen keluli (diameter 25 mm, panjang 300 mm, E = 200 GPa) dan segmen diperbuat daripada loyang (diameter 60 mm, panjang 400 mm, E = 100 GPa) dicantumkan hujung ke hujung dan dipegang tetap antara dua dinding tegar. Beban paksi 40 kN bertindak pada sambungan, ke arah segmen 2. Cari magnitud tegasan σ2 dalam segmen 2.

segmen 1: keluli, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPasegmen 2: loyang, Ø60 mm, 400 mm, E = 100 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Lengkokan tiangSederhana
PL = 2 md = 30 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Lengkokan tiangSukar
P = 30 kNL = 1 md = ?keratan rentas

Satu tiang bulat pejal sepanjang L diperbuat daripada aluminium dan dengan pin pada kedua-dua hujung. Ia mesti menanggung 30 kN dengan faktor keselamatan 2 terhadap lengkokan. Cari diameter terkecil d.

P = 30 kNn = 2L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Getaran mekanikalSederhana
k = 20 kN/mζ = 0.5m = 25 kg

Jisim 25 kg pada spring berkekakuan 20 kN/m mempunyai peredam likat yang memberikan nisbah redaman 0.5. Cari frekuensi tabii teredam fd bagi getaran bebasnya dalam Hz.

m = 25 kgk = 20 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
12.Getaran mekanikalSukar
k1​ = 60k2​ = 10k3​ = 30m = 10 kg

Jisim 10 kg tergantung pada spring k₃ = 30 kN/m. Bahagian atas k₃ dipasang pada bar tegar yang tergantung pada dua spring bersebelahan, k₁ = 60 kN/m dan k₂ = 10 kN/m; bar kekal mendatar. Abaikan redaman dan jisim spring serta bar. Cari frekuensi tabii fn getaran menegak dalam Hz.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Larutan

1.Gear & rangkaian gear

Jawapan: n2 = 670.5 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

2880·120/500 = 691.2 rpm

Dengan gelinciran

n2 = 691.2·0.97 = 670.5 rpm

Jawapan

n2 = 670.5 rpm
2.Gear & rangkaian gear

Jawapan: ND = 72

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 aci perantaraan

nB = nC = 960·24/50 = 460.8 rpm

Gigi pada gear D

ND = C·nC/nout = 24·460.8/153.6 = 72

Jawapan

ND = 72
3.Kilasan aci

Jawapan: φ = 7.47 °

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) = 400·1000·1000/(80000·38350) = 0.1304 rad
φ = 0.1304·180/π = 7.47°

Jawapan

φ = 7.47°
4.Kilasan aci

Jawapan: d = 26.33 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 = 10000/151.8 = 65.86 N·m

Diameter untuk kekuatan

T = 65.86 N·m = 65857 N·mm
dτ = ∛(16·65857/(π·40)) = 20.32 mm

Diameter untuk kekukuhan

θ = 1·π/180/1000 = 1.745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·65857/(π·80000·1.745 × 10⁻⁵))1/4 = 26.33 mm

Diameter penentu

Kedua-dua had mesti dipenuhi, maka diameter yang lebih besar menentukan.

d = max(20.32, 26.33) = 26.33 mm

Jawapan

d = 26.33 mm

Di sini kekukuhan menentukan.

5.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: τmax = 65 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 = √(((90 − 40)/2)² + −60²) = 65 MPa

Jawapan

τmax = 65 MPa
6.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: σ1 = 377.3 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) = 32·750000/(π·30³) = 282.9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·30³) = 188.6 MPa
στxyCσ1​σ2​

Bulatan Mohr

C = σ/2 = 141.5 MPa
R = √(141.5² + 188.6²) = 235.8 MPa
σ1 = C + R = 377.3 MPa
σ2 = C − R = −94.31 MPa

Jawapan

σ1 = 377.3 MPa
7.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: δ = 0.05576 mm

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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Kekakuan paksi gabungan

ΣEA = 200·10³·706.9 + 100·10³·9346 = 1.076 × 10⁹ N

Pemendekan

δ = 150000·400/1.076 × 10⁹ = 0.05576 mm

Jawapan

δ = 0.05576 mm
8.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: σ2 = 9.67 MPa

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.

Kekakuan

k₁ = 200000·490.9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 100000·2827/400 = 706858 N/mm

Bahagian segmen 2

F2 = 40000·706858/1.034 × 10⁶ = 27342 N

Tegasan

σ2 = 27342/2827 = 9.67 MPa (mampatan)

Jawapan

σ2 = 9.67 MPa
9.Lengkokan tiang

Jawapan: Pcr = 14.02 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Panjang berkesan

KL = 0.7·2000 = 1400 mm

Beban kritikal

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1400² = 14015 N = 14.02 kN

Jawapan

Pcr = 14.02 kN
10.Lengkokan tiang

Jawapan: d = 36.47 mm

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.

Beban kritikal yang diperlukan

Pcr = n·P = 2·30000 = 60000 N
KL = 1·1000 = 1000 mm

Selesaikan untuk diameter

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·60000·1000²/(π³·70000))^(1/4) = 36.47 mm

Jawapan

d = 36.47 mm

Semak: kelangsingan KL/r ialah 109.7, jadi tiang itu langsing dan Euler terpakai.

11.Getaran mekanikal

Jawapan: fd = 3.898 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.

Frekuensi tabii tanpa redaman

ωn = √(20000/25) = 28.28 rad/s
fn = 28.28/(2π) = 4.502 Hz

Frekuensi tabii teredam

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4.502·√(1 − 0.5²) = 3.898 Hz

Jawapan

fd = 3.898 Hz
12.Getaran mekanikal

Jawapan: fn = 7.293 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

Hanya k1 dan k2 yang selari. Pasangan itu bersiri dengan k3, jadi gabungkannya sebagai salingan.

k12 = 60 + 10 = 70 kN/m
keq = 70·30/(70 + 30) = 21 kN/m

Frekuensi tabii

ωn = √(21000/10) = 45.83 rad/s
fn = 45.83/(2π) = 7.293 Hz

Jawapan

fn = 7.293 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design