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​ = 12N2​ = 16

Een motor van 0,75 kW die met 1450 rpm draait, drijft een rondsel met 12 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 16 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 97%. Bereken het koppel T1 op de motoras.

P = 0,75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 16η = 97%
T1 = N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Een open riem verbindt een aandrijvende schijf van 160 mm met 1500 rpm met een schijf van 400 mm; de hartafstand is 600 mm. De wrijvingscoëfficiënt is 0,3 en de spanning in het trekkende deel mag niet meer dan 600 N zijn. Bepaal het grootste vermogen P dat de riem kan overbrengen zonder te slippen, in kW (verwaarloos centrifugaaleffecten).

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
3.Torsie van assenGemiddeld
T = 100 N·md = 30 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 = 100 N·md = 30 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsie van assenMoeilijk
Tdo​ = 75 mm, di​ = 56 mm

Een holle as brengt 100 kW over bij 750 omw/min. Vind de maximale schuifspanning τmax in de as.

P = 100 kWN = 750 rpmdo = 75 mmdi = 56 mm
τmax = MPa
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieGemiddeld
σx​ = 80σy​ = 10τxy​ = 30MPa

Een punt in een belast onderdeel heeft σₓ = 80 MPa, σᵧ = 10 MPa en τₓᵧ = 30 MPa (trek positief). Bereken de maximale schuifspanning in het vlak τmax.

σx = 80 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieMoeilijk
σx​ = 160σy​ = 120τxy​ = −50MPa

Een punt in een dunne plaat verkeert in een vlakke spanningstoestand: σₓ = 160 MPa, σᵧ = 120 MPa en τₓᵧ = −50 MPa (σz = 0). Het materiaal heeft een vloeigrens van 355 MPa. Vind de veiligheidsfactor n tegen vloeien volgens het criterium van Von Mises (vormveranderingsenergie).

σx = 160 MPaσy = 120 MPaτxy = −50 MPaσY = 355 MPa
n =
7.Axiale spanning en rekGemiddeld
150 kNØ20120 GPaØ100/70800 mmδ = ?

Een staaf van staal (diameter 20 mm, E = 200 GPa) zit in een buis van koper (buitendiameter 100 mm, binnendiameter 70 mm, E = 120 GPa). Beide zijn 800 mm lang en worden samen tussen stijve platen met 150 kN op druk belast. Bepaal de verkorting δ.

P = 150 kNstaaf: Ø20 mm, E = 200 GPabuis: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Axiale spanning en rekMoeilijk
Ø 25 mmStaal2 mØ 16 mmMessing0,5 mP = 15 kN

De getrapte staaf is ingeklemd in de muur en belast aan het vrije uiteinde. Vind de grootste normaalspanning σmax in de staaf.

P = 15 kNdeel 1: Ø25 mm, 2 m, staal (E = 200 GPa)deel 2: Ø16 mm, 0,5 m, messing (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Knik van kolommenGemiddeld
PL = 2 md = 20 mmdoorsnede

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

L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
P = 125 kNL = 2,5 md = ?doorsnede

Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden scharnierend. Hij moet 125 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.

P = 125 kNn = 2L = 2,5 mE = 200 GPa (staal)
d = mm
11.Mechanische trillingenGemiddeld
k = 150 kN/mζ = 0,7m = 10 kg

Een massa van 10 kg aan een veer met een stijfheid van 150 kN/m heeft een viskeuze demper die een dempingsverhouding van 0,7 geeft. Vind de gedempte eigenfrequentie fd van de vrije trilling in Hz.

m = 10 kgk = 150 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Mechanische trillingenMoeilijk
k1​ = 50k2​ = 25k3​ = 25m = 25 kg

Een massa van 25 kg hangt aan veer k₃ = 25 kN/m. De bovenkant van k₃ zit vast aan een starre balk die aan twee veren naast elkaar hangt, k₁ = 50 kN/m en k₂ = 25 kN/m; de balk blijft horizontaal. Verwaarloos demping en de massa’s van de veren en de balk. Vind de eigenfrequentie fn van de verticale trilling in Hz.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Oplossingen

1.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T1 = 4,939 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/151,8 = 4,939 N·m

Antwoord

T1 = 4,939 N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 4,225 kW

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.

Omspanningshoek

θ = 2,739 rad

Spanning in het slappe deel

eμθ = e0,8217 = 2,274, T₂ = 600/2,274 = 263,8 N

Vermogen

P = (600 − 263,8)·12,57 = 4,225 kW

Antwoord

P = 4,225 kW
3.Torsie van assen

Antwoord: φ = 3,695 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Wringhoek

φ = TL/(GJ) = 100·1000·2000/(39000·79522) = 0,06449 rad
φ = 0,06449·180/π = 3,695°

Antwoord

φ = 3,695°
4.Torsie van assen

Antwoord: τmax = 22,3 MPa

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.

Koppel

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 100000/78,54 = 1273 N·m

Polair traagheidsmoment

J = π(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Maximale schuifspanning

τmax = T·(do/2)/J = 1,273 × 10⁶·37,5/2,141 × 10⁶ = 22,3 MPa

Antwoord

τmax = 22,3 MPa
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: τmax = 46,1 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.

στxyCτmax​

Straal van de cirkel van Mohr

τmax = R = √(((80 − 10)/2)² + 30²) = 46,1 MPa

Antwoord

τmax = 46,1 MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: n = 2,11

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. Vloeicriteria: Von Mises voorspelt vloeien als σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) de waarde σY bereikt; Tresca als de absoluut maximale schuifspanning σY/2 bereikt.

στxyCσ1​σ2​

Hoofdspanningen

C = 140 MPa, R = 53,85 MPa
σ1 = 193,9 MPa, σ2 = 86,15 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(193,9² − 193,9·86,15 + 86,15²) = 168,2 MPa
n = 355/168,2 = 2,11

Antwoord

n = 2,11

n > 1 betekent dat het punt niet vloeit; Tresca is iets conservatiever dan Von Mises.

7.Axiale spanning en rek

Antwoord: δ = 0,2208 mm

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

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Gecombineerde axiale stijfheid

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·4006 = 5,435 × 10⁸ N

Verkorting

δ = 150000·800/5,435 × 10⁸ = 0,2208 mm

Antwoord

δ = 0,2208 mm
8.Axiale spanning en rek

Antwoord: σmax = 74,6 MPa

Axiaal belaste staven: elk prismatisch deel volgt δ = PL/(AE). Voor delen in serie tellen de verlengingen op.

Dezelfde kracht in beide delen

Het vrije uiteinde draagt P, dus elke doorsnede van de staaf draagt dezelfde axiale kracht P. Alleen de oppervlakken en materialen veranderen.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 30,56 MPa
σ2 = 74,6 MPa

Grootste spanning

Het dunnere deel heeft het kleinere oppervlak, dus het draagt de grotere spanning.

σmax = 74,6 MPa

Antwoord

σmax = 74,6 MPa
9.Knik van kolommen

Antwoord: Pcr = 5,426 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 ronde doorsnede heeft om elke as dezelfde I.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Kniklengte

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Kritieke belasting

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1000² = 5426 N = 5,426 kN

Antwoord

Pcr = 5,426 kN
10.Knik van kolommen

Antwoord: d = 63,37 mm

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.

Benodigde kritieke belasting

Pcr = n·P = 2·125000 = 250000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Los op naar de diameter

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 63,37 mm

Antwoord

d = 63,37 mm

Controle: de slankheid KL/r is 157,8, dus de kolom is slank en Euler geldt.

11.Mechanische trillingen

Antwoord: fd = 13,92 Hz

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.

Ongedempte eigenfrequentie

ωn = √(150000/10) = 122,5 rad/s
fn = 122,5/(2π) = 19,49 Hz

Gedempte eigenfrequentie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 19,49·√(1 − 0,7²) = 13,92 Hz

Antwoord

fd = 13,92 Hz
12.Mechanische trillingen

Antwoord: fn = 4,359 Hz

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

Alleen k1 en k2 staan parallel. Dat paar staat in serie met k3, dus combineer ze via hun omgekeerde.

k12 = 50 + 25 = 75 kN/m
keq = 75·25/(75 + 25) = 18,75 kN/m

Eigenfrequentie

ωn = √(18750/25) = 27,39 rad/s
fn = 27,39/(2π) = 4,359 Hz

Antwoord

fn = 4,359 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design