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​ = 18N2​ = 25

Een motor van 1,1 kW die met 960 rpm draait, drijft een rondsel met 18 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 25 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 98%. Bereken het uitgaande koppel T2 op de as van het tandwiel.

P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 18N2 = 25η = 98%
T2 = N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1440 rpmC = 1000 mmθ = ?

Een open riem verbindt een schijf van 120 mm en een schijf van 500 mm waarvan de hartafstand 1000 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Torsie van assenGemiddeld
do​ = ?T = 100 N·m

Een holle as moet een wringend moment van 100 N·m dragen. De binnendiameter moet 0,7 keer de buitendiameter zijn, en de schuifspanning mag niet groter zijn dan 60 MPa. Vind de kleinste buitendiameter do.

T = 100 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Torsie van assenMoeilijk
d = ?30 kW, 300 rpm

Een massieve as van staal brengt 30 kW over bij 300 rpm. De schuifspanning mag niet groter zijn dan 75 MPa en de wringhoek niet groter dan 0,5° per m lengte. Vind de kleinste diameter d die aan beide eisen voldoet.

P = 30 kWN = 300 rpmτallow = 75 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieGemiddeld
σx​ = 100σy​ = 30MPaτxy​ = ?

In een punt is σₓ = 100 MPa en σᵧ = 30 MPa. Hoe groot mag de schuifspanning τxy (grootte) worden voordat de grootste hoofdspanning 145 MPa bereikt?

σx = 100 MPaσy = 30 MPaσ1 = 145 MPa
τxy = MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieMoeilijk
σx​ = −70σy​ = −60τxy​ = 40MPa

Een punt in een dunne plaat verkeert in een vlakke spanningstoestand: σₓ = −70 MPa, σᵧ = −60 MPa en τₓᵧ = 40 MPa (σz = 0). Vind de vergelijkingsspanning volgens Von Mises σvM.

σx = −70 MPaσy = −60 MPaτxy = 40 MPa
σvM = MPa
7.Axiale spanning en rekGemiddeld
Ø 25 mmKoper2 mP = 50 kN

Vind de verlenging δ van de staaf van koper onder de axiale belasting.

P = 50 kNd = 25 mmL = 2 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Axiale spanning en rekMoeilijk
80 kN12300 mm300 mmØ20Ø40σ2​ = ?

Een segment van staal (diameter 20 mm, lengte 300 mm, E = 200 GPa) en een segment van aluminium (diameter 40 mm, lengte 300 mm, E = 70 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: aluminium, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Knik van kolommenGemiddeld
PL = 5 md = 50 mmdoorsnede

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
PL = 2 md = 30 mmdoorsnede

Een kolom met lengte L van staal is onderaan ingeklemd en bovenaan vrij. Vind de slankheid en de kritieke knikspanning σcr met de formule van Euler.

L = 2 mE = 200 GPa (staal)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Mechanische trillingenGemiddeld
k = 20 kN/mζ = 0,7m = 150 kg

Een massa van 150 kg aan een veer met een stijfheid van 20 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 = 150 kgk = 20 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Mechanische trillingenMoeilijk
k1​ = 10k2​ = 10k3​ = 30m = 25 kg

Een massa van 25 kg hangt aan veer k₃ = 30 kN/m. De bovenkant van k₃ zit vast aan een starre balk die aan twee veren naast elkaar hangt, k₁ = 10 kN/m en k₂ = 10 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 = 10 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Oplossingen

1.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T2 = 14,89 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Uitgaand koppel

T2 = 10,94·25/18·0,98 = 14,89 N·m

Antwoord

T2 = 14,89 N·m
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: θ = 158,1 °

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(0,19) = 10,95°

Omspanningshoek

θ = 180 − 2·10,95 = 158,1°

Antwoord

θ = 158,1°
3.Torsie van assen

Antwoord: do = 22,35 mm

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.

Buitendiameter uit de toelaatbare spanning

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·60·0,7599)) = 22,35 mm
di = 0,7·22,35 = 15,65 mm

Antwoord

do = 22,35 mm

Een massieve as zou d = 20,4 mm nodig hebben; de holle is iets groter maar veel lichter.

4.Torsie van assen

Antwoord: d = 61,1 mm

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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Diameter op sterkte

T = 954,9 N·m = 954930 N·mm
dτ = ∛(16·954930/(π·75)) = 40,18 mm

Diameter op stijfheid

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·954930/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 61,1 mm

Maatgevende diameter

Beide eisen moeten gelden, dus de grootste diameter is maatgevend.

d = max(40,18, 61,1) = 61,1 mm

Antwoord

d = 61,1 mm

Hier is de stijfheid maatgevend.

5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: τxy = 71,94 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.

Benodigde straal

C = (100 + 30)/2 = 65 MPa
R = σ1 − C = 145 − 65 = 80 MPa
στxyCσ1​σ2​

Schuifspanning

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(80² − 35²) = 71,94 MPa

Antwoord

τxy = 71,94 MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: σvM = 95,39 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. 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 = −65 MPa, R = 40,31 MPa
σ1 = −24,69 MPa, σ2 = −105,3 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √((−24,69)² − (−24,69)·(−105,3) + (−105,3)²) = 95,39 MPa

Antwoord

σvM = 95,39 MPa
7.Axiale spanning en rek

Antwoord: δ = 1,741 mm

Wet van Hooke: in het elastische gebied geldt σ = E·ε. Samen met σ = P/A en ε = δ/L geeft dat δ = PL/(AE).

Spanning

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 50·1000/490,9 = 101,9 MPa

Rek (wet van Hooke)

E for koper = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 101,9/117000 = 0,0008706 = 870,6 µε

Verlenging

δ = ε·L = 0,0008706·2000 mm = 1,741 mm

Antwoord

δ = 1,741 mm
8.Axiale spanning en rek

Antwoord: σ2 = 37,14 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 = 70000·1257/300 = 293215 N/mm

Aandeel van segment 2

F2 = 80000·293215/502655 = 46667 N

Spanning

σ2 = 46667/1257 = 37,14 MPa (druk)

Antwoord

σ2 = 37,14 MPa
9.Knik van kolommen

Antwoord: Pcr = 33,91 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Kniklengte

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Kritieke belasting

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2500² = 33913 N = 33,91 kN

Antwoord

Pcr = 33,91 kN
10.Knik van kolommen

Antwoord: σcr = 6,94 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Traagheidsstraal en slankheid

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/7,5 = 533,3

Kritieke spanning

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/533,3² = 6,94 MPa

Antwoord

σcr = 6,94 MPa
11.Mechanische trillingen

Antwoord: fd = 1,312 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 = √(20000/150) = 11,55 rad/s
fn = 11,55/(2π) = 1,838 Hz

Gedempte eigenfrequentie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,838·√(1 − 0,7²) = 1,312 Hz

Antwoord

fd = 1,312 Hz
12.Mechanische trillingen

Antwoord: fn = 3,487 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 = 10 + 10 = 20 kN/m
keq = 20·30/(20 + 30) = 12 kN/m

Eigenfrequentie

ωn = √(12000/25) = 21,91 rad/s
fn = 21,91/(2π) = 3,487 Hz

Antwoord

fn = 3,487 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design