Machineontwerp: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 12 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Ingrijpende tandwielen
n1·N1 = n2·N2
Koppel
T2 = T1·(N2/N1)·η
Vermogen
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Meertraps overbrenging
totale overbrengingsverhouding = product van de trapverhoudingen

Torsie van assen

Schuifspanning
τ = T·r/J
Massieve as
J = πd⁴/32
Holle as
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Wringhoek
φ = TL/(GJ)
Vermogen
P = T·ω = 2πnT/60

Methode

  1. Bereken het polair traagheidsmoment: J = πd⁴/32 voor een massieve as.
  2. Schuifspanning aan het oppervlak: τ = T·r/J, met r de buitenstraal.
  3. Wringhoek: φ = TL/(GJ) in radialen.
  4. Als het vermogen gegeven is, bereken dan eerst het koppel met P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Middelpunt
C = (σx + σy)/2
Straal
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Hoofdspanningen
σ1,2 = C ± R
Hoofdrichting
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Schuin vlak
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Methode

  1. Bereken het middelpunt van de cirkel van Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Bereken de straal: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. De hoofdspanningen zijn C ± R en de grootste schuifspanning in het vlak is R.
  4. Hoeken op de cirkel zijn het dubbele van de hoeken op het element: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Axiale spanning en rek

Normaalspanning
σ = F/A
Rek
ε = ΔL/L
Wet van Hooke
σ = E·ε
Verlenging
ΔL = FL/(EA)
Thermische rek
εT = α·ΔT

Knik van kolommen

Eulerse kniklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Kniklengtefactor
K = 1 scharnierend–scharnierend, 0,5 ingeklemd–ingeklemd, 0,7 ingeklemd–scharnierend, 2 ingeklemd–vrij
Kritieke spanning
σcr = Pcr/A
Slankheid
λ = KL/r, r = √(I/A)

Mechanische trillingen

Eigenfrequentie
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Uit de statische doorbuiging
ωn = √(g/δst)
Kritische demping
cc = 2√(km) = 2mωn
Dempingsverhouding
ζ = c/cc
Gedempte eigenfrequentie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logaritmisch decrement
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Veren parallel
k = k1 + k2
Veren in serie
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Oefenopgaven

1.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = 25N2​ = 50

Een motor van 1,5 kW die met 1500 rpm draait, drijft een rondsel met 25 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 50 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 96%. Bereken het koppel T1 op de motoras.

P = 1,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 50η = 96%
T1 = N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 1000 mmθ = ?

Een open riem verbindt een schijf van 125 mm en een schijf van 200 mm waarvan de hartafstand 1000 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.

d1 = 125 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Torsie van assenGemiddeld
T = 400 N·md = 40 mmL = 2 mφ = ?

Een massieve as van messing is ingeklemd in de muur en wordt aan het vrije uiteinde getordeerd door een koppel T. Vind de wringhoek φ van het vrije uiteinde, in graden.

T = 400 N·md = 40 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsie van assenMoeilijk
d = 30 mmT0​ = 100 N·mACBa = 1,5 mb = 1,2 m

Een massieve as van staal met diameter 30 mm is aan beide uiteinden A en B ingeklemd in starre wanden. Een wringend moment van 100 N·m werkt in C, op 1,5 m van A en 1,2 m van B. Vind het reactiemoment TA bij wand A.

d = 30 mmT0 = 100 N·ma = 1,5 mb = 1,2 m
TA = N·m
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieGemiddeld
σx​ = −40σy​ = 110τxy​ = −60MPa

In een punt is σₓ = −40 MPa, σᵧ = 110 MPa en τₓᵧ = −60 MPa (trek positief). Het element wordt 20° rechtsom gedraaid. Vind de normaalspanning σy′ op de vlakken van het gedraaide element die loodrecht staan op de gedraaide y′-as.

σx = −40 MPaσy = 110 MPaτxy = −60 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieMoeilijk
σx​ = −30σy​ = −40τxy​ = 50MPa

Een punt in een belast onderdeel heeft σₓ = −30 MPa, σᵧ = −40 MPa en τₓᵧ = 50 MPa (trek positief). Bereken de normaalspanning σθ op een vlak waarvan de normaal 35° tegen de klok in gedraaid is ten opzichte van de x-as.

σx = −30 MPaσy = −40 MPaτxy = 50 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Axiale spanning en rekGemiddeld
P = ?12300 mm200 mmØ25Ø40δ = 0,3 mm

Een staaf bestaat uit een segment van staal (diameter 25 mm, lengte 300 mm, E = 200 GPa) dat kop aan kop is verbonden met een segment van aluminium (diameter 40 mm, lengte 200 mm, E = 70 GPa). Hij is aan één uiteinde ingeklemd en wordt aan het andere uiteinde getrokken. Bepaal de axiale belasting P die hem in totaal 0,3 mm laat uitrekken.

segment 1: staal, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPasegment 2: aluminium, Ø40 mm, 200 mm, E = 70 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Axiale spanning en rekMoeilijk
80 kN12300 mm400 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Een segment van staal (diameter 20 mm, lengte 300 mm, E = 200 GPa) en een segment van messing (diameter 60 mm, lengte 400 mm, E = 100 GPa) zijn kop aan kop verbonden en tussen twee stijve wanden ingeklemd. Een axiale belasting van 80 kN werkt op de verbinding, in de richting van segment 2. Bepaal de grootte van de spanning σ2 in segment 2.

segment 1: staal, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPasegment 2: messing, Ø60 mm, 400 mm, E = 100 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Knik van kolommenGemiddeld
PL = 3 m20 × 80 mmdoorsnede

Een kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden scharnierend. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (staal)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
PL = 5 md = 80 mmdoorsnede

Een kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden ingeklemd. Vind de slankheid en de kritieke knikspanning σcr met de formule van Euler.

L = 5 mE = 200 GPa (staal)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Mechanische trillingenGemiddeld
tx20 mm5 perioden4,1 mm

Bij een uitslingerproef van een gedempt massa-veersysteem volgt op een uitwijkingspiek van 20 mm 5 perioden later een piek van 4,1 mm. Vind de dempingsverhouding ζ.

x0 = 20 mmx5 = 4,1 mmn = 5
ζ =
12.Mechanische trillingenMoeilijk
k1​ = 5k2​ = 25m = 20 kg

Een massa van 20 kg hangt aan twee veren naast elkaar (parallel), met stijfheden k₁ = 5 kN/m en k₂ = 25 kN/m. De massa blijft horizontaal. Vind de vervangende stijfheid keq van het verensysteem in kN/m.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Oplossingen

1.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T1 = 9,549 N·m

Tandwieloverbrengingen: ingrijpende tandwielen hebben dezelfde snelheid bij de tanden, dus n₁·N₁ = n₂·N₂: het tandwiel met minder tanden draait sneller. Tandwielen op één as draaien met hetzelfde toerental. Het vermogen wordt doorgegeven (min verliezen), dus het koppel stijgt als het toerental daalt: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, en P = T·ω met ω = 2π·n/60.

Motorkoppel

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/157,1 = 9,549 N·m

Antwoord

T1 = 9,549 N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: θ = 175,7 °

Riemaandrijvingen: zonder slip hebben beide schijven dezelfde omtreksnelheid v = π·d·n/60, dus n₁·d₁ = n₂·d₂ en de overbrengingsverhouding is d₂/d₁. Slip s maakt de aangedreven schijf iets langzamer: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Het overgebrachte vermogen is P = (T₁ − T₂)·v, met T₁ de spanning in het trekkende deel en T₂ in het slappe deel. Wrijving beperkt de verhouding van de spanningen: T₁/T₂ = eμθ, waarbij θ de omspanningshoek in radialen op de kleinere schijf is; voor een open riem is θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) met hartafstand C.

Riemhoek

asin(0,0375) = 2,149°

Omspanningshoek

θ = 180 − 2·2,149 = 175,7°

Antwoord

θ = 175,7°
3.Torsie van assen

Antwoord: φ = 4,676 °

Torsie van ronde assen: de schuifspanning neemt lineair toe van nul in het midden tot τmax = T·r/J aan het oppervlak, met J = πd⁴/32 voor een massieve as en J = π(do⁴ − di⁴)/32 voor een holle. De wringhoek is φ = TL/(GJ) in radialen. Vermogen en koppel hangen samen via P = T·ω.

Polair traagheidsmoment

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Wringhoek

φ = TL/(GJ) = 400·1000·2000/(39000·251327) = 0,08162 rad
φ = 0,08162·180/π = 4,676°

Antwoord

φ = 4,676°
4.Torsie van assen

Antwoord: TA = 44,44 N·m

Torsie van ronde assen: de schuifspanning neemt lineair toe van nul in het midden tot τmax = T·r/J aan het oppervlak, met J = πd⁴/32 voor een massieve as en J = π(do⁴ − di⁴)/32 voor een holle. De wringhoek is φ = TL/(GJ) in radialen. Vermogen en koppel hangen samen via P = T·ω. Als beide uiteinden zijn ingeklemd, geeft de statica alleen TA + TB = T₀; de tweede vergelijking is de vormveranderingsvoorwaarde (gelijke wringhoek van beide delen bij de belaste doorsnede).

Evenwicht en vormveranderingsvoorwaarde

TA + TB = 100
TA·a = TB·b
TA = 100·1,2/2,7 = 44,44 N·m
TB = 100·1,5/2,7 = 55,56 N·m

Antwoord

TA = 44,44 N·m
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: σy′ = 53,89 MPa

Transformatie van een vlakke spanningstoestand: op een vlak dat over θ gedraaid is, geldt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. De cirkel van Mohr toont alle vlakken tegelijk: het middelpunt ligt bij C = (σₓ + σᵧ)/2 en de straal is R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). De hoofdspanningen zijn C ± R, en de grootste schuifspanning in het vlak is R.

Transformatievergelijking voor het y′-vlak

σy′ = 35 − (−75)·0,766 − (−60)·(−0,6428) = 53,89 MPa

Controle

De som van de normaalspanningen verandert niet bij rotatie.

σx′ = 16,11 MPa, σx′ + σy′ = 70 = σx + σy

Antwoord

σy′ = 53,89 MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: σθ = 13,69 MPa

Transformatie van een vlakke spanningstoestand: op een vlak dat over θ gedraaid is, geldt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. De cirkel van Mohr toont alle vlakken tegelijk: het middelpunt ligt bij C = (σₓ + σᵧ)/2 en de straal is R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). De hoofdspanningen zijn C ± R, en de grootste schuifspanning in het vlak is R.

Transformatieformule

σθ = −35 + 5·0,342 + 50·0,9397 = 13,69 MPa

Antwoord

σθ = 13,69 MPa
7.Axiale spanning en rek

Antwoord: P = 56,29 kN

Twee materialen: bij serie (na elkaar) draagt elk segment dezelfde kracht en de verlengingen tellen op: δ = P·Σ L/(E·A). Bij parallel (naast elkaar tussen stijve platen) worden beide delen evenveel korter, dus hun rekken zijn gelijk: het stijvere deel neemt het grotere aandeel op, Pi = P·EiAi/ΣEA, en σi = Ei·ε. Een staaf die tussen twee stijve wanden is ingeklemd met een belasting op de overgang is statisch onbepaald: de twee segmenten delen de belasting naar verhouding van hun stijfheid k = EA/L.

Oppervlakken

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Soepelheden

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(70000·1257) = 2,274 × 10⁻⁶ mm/N

Belasting

P = 0,3/5,329 × 10⁻⁶ = 56291 N = 56,29 kN

Antwoord

P = 56,29 kN
8.Axiale spanning en rek

Antwoord: σ2 = 21,83 MPa

Twee materialen: bij serie (na elkaar) draagt elk segment dezelfde kracht en de verlengingen tellen op: δ = P·Σ L/(E·A). Bij parallel (naast elkaar tussen stijve platen) worden beide delen evenveel korter, dus hun rekken zijn gelijk: het stijvere deel neemt het grotere aandeel op, Pi = P·EiAi/ΣEA, en σi = Ei·ε. Een staaf die tussen twee stijve wanden is ingeklemd met een belasting op de overgang is statisch onbepaald: de twee segmenten delen de belasting naar verhouding van hun stijfheid k = EA/L.

Stijfheden

k₁ = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 100000·2827/400 = 706858 N/mm

Aandeel van segment 2

F2 = 80000·706858/916298 = 61714 N

Spanning

σ2 = 61714/2827 = 21,83 MPa (druk)

Antwoord

σ2 = 21,83 MPa
9.Knik van kolommen

Antwoord: Pcr = 11,7 kN

Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.

Kleinste traagheidsmoment

Een rechthoek knikt om zijn zwakke as, met de kleinste afmeting tot de derde macht.

Imin = h·b³/12 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Kniklengte

KL = 1·3000 = 3000 mm

Kritieke belasting

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/3000² = 11697 N = 11,7 kN

Antwoord

Pcr = 11,7 kN
10.Knik van kolommen

Antwoord: σcr = 126,3 MPa

Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.

Kleinste traagheidsmoment

Een ronde doorsnede heeft om elke as dezelfde I.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Traagheidsstraal en slankheid

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/20 = 125

Kritieke spanning

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/125² = 126,3 MPa

Antwoord

σcr = 126,3 MPa
11.Mechanische trillingen

Antwoord: ζ = 0,05038

Vrije trilling van een massa-veersysteem: de ongedempte eigenhoekfrequentie is ωn = √(k/m) in rad/s, en fn = ωn/(2π) in Hz. Een viskeuze demper c geeft de dempingsverhouding ζ = c/cc, met kritische demping cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Een ondergedempt systeem (ζ < 1) trilt met ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallelle veren tellen op, k = k₁ + k₂; veren in serie tellen op via hun omgekeerde, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Logaritmisch decrement

δ = (1/5)·ln(20/4,1) = 0,3169

Dempingsverhouding

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3169/√(39,48 + 0,1005) = 0,05038

Antwoord

ζ = 0,05038
12.Mechanische trillingen

Antwoord: keq = 30 kN/m

Vrije trilling van een massa-veersysteem: de ongedempte eigenhoekfrequentie is ωn = √(k/m) in rad/s, en fn = ωn/(2π) in Hz. Een viskeuze demper c geeft de dempingsverhouding ζ = c/cc, met kritische demping cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Een ondergedempt systeem (ζ < 1) trilt met ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallelle veren tellen op, k = k₁ + k₂; veren in serie tellen op via hun omgekeerde, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Vervangende stijfheid

Veren naast elkaar hebben dezelfde doorbuiging en hun krachten tellen op, dus hun stijfheden tellen gewoon op: k = k1 + k2.

keq = 5 + 25 = 30 kN/m

Antwoord

keq = 30 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design