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​ = 18, m = 4 mm

Een motor van 4 kW die met 960 rpm draait, drijft een rondsel aan met 18 tanden en een module van 4 mm. Vind de tangentiële kracht Ft op de tanden van het rondsel.

P = 4 kWn = 960 rpmN1 = 18m = 4 mm
Ft = N
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 1000 mmθ = ?

Een open riem verbindt een schijf van 160 mm en een schijf van 500 mm waarvan de hartafstand 1000 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.

d1 = 160 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Torsie van assenGemiddeld
do​ = ?T = 750 N·m

Een holle as moet een wringend moment van 750 N·m dragen. De binnendiameter moet 0,7 keer de buitendiameter zijn, en de schuifspanning mag niet groter zijn dan 75 MPa. Vind de kleinste buitendiameter do.

T = 750 N·mdi/do = 0,7τallow = 75 MPa
do = mm
4.Torsie van assenMoeilijk
d = 40 mmT0​ = 200 N·mACBa = 2 mb = 1,5 m

Een massieve as van staal met diameter 40 mm is aan beide uiteinden A en B ingeklemd in starre wanden. Een wringend moment van 200 N·m werkt in C, op 2 m van A en 1,5 m van B. Vind het reactiemoment TA bij wand A.

d = 40 mmT0 = 200 N·ma = 2 mb = 1,5 m
TA = N·m
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieGemiddeld
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = 30MPa

Een punt in een belast onderdeel heeft σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa en τₓᵧ = 30 MPa (trek positief). Bereken de maximale schuifspanning in het vlak τmax.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieMoeilijk
σx​ = −10σy​ = 80τxy​ = −10MPa

Een punt in een dunne plaat verkeert in een vlakke spanningstoestand: σₓ = −10 MPa, σᵧ = 80 MPa en τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Het materiaal heeft een vloeigrens van 460 MPa. Vind de veiligheidsfactor n tegen vloeien volgens het criterium van Tresca (maximale schuifspanning).

σx = −10 MPaσy = 80 MPaτxy = −10 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Axiale spanning en rekGemiddeld
P = ?12300 mm200 mmØ40Ø60δ = 0,5 mm

Een staaf bestaat uit een segment van staal (diameter 40 mm, lengte 300 mm, E = 200 GPa) dat kop aan kop is verbonden met een segment van brons (diameter 60 mm, lengte 200 mm, E = 110 GPa). Hij is aan één uiteinde ingeklemd en wordt aan het andere uiteinde getrokken. Bepaal de axiale belasting P die hem in totaal 0,5 mm laat uitrekken.

segment 1: staal, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPasegment 2: brons, Ø60 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Axiale spanning en rekMoeilijk
Ø 25 mmStaal0,5 mØ 12 mmKoper1 mP = 45 kN

De getrapte staaf is ingeklemd in de muur en belast aan het vrije uiteinde. Vind de totale verlenging δ.

P = 45 kNdeel 1: Ø25 mm, 0,5 m, staal (E = 200 GPa)deel 2: Ø12 mm, 1 m, koper (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Knik van kolommenGemiddeld
PL = 2 md = 25 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 = 25 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
PL = 2,5 md = 60 mmdoorsnede

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Mechanische trillingenGemiddeld
tx30 mm1 periode20,6 mm

Bij een uitslingerproef van een gedempt massa-veersysteem volgt op een uitwijkingspiek van 30 mm één periode later een piek van 20,6 mm. Vind de dempingsverhouding ζ.

x0 = 30 mmx1 = 20,6 mmn = 1
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. Verwaarloos demping en de massa’s van de veren. Vind de eigenfrequentie fn van de verticale trilling in Hz.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Oplossingen

1.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: Ft = 1105 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Koppel op het rondsel

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Steekcirkeldiameter

d = m·N = 4·18 = 72 mm

Tangentiële kracht

Ft = 2T/d = 2·39,79/0,072 = 1105 N

Antwoord

Ft = 1105 N
2.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: θ = 160,4 °

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(0,17) = 9,788°

Omspanningshoek

θ = 180 − 2·9,788 = 160,4°

Antwoord

θ = 160,4°
3.Torsie van assen

Antwoord: do = 40,62 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·750000/(π·75·0,7599)) = 40,62 mm
di = 0,7·40,62 = 28,43 mm

Antwoord

do = 40,62 mm

Een massieve as zou d = 37,07 mm nodig hebben; de holle is iets groter maar veel lichter.

4.Torsie van assen

Antwoord: TA = 85,71 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 = 200
TA·a = TB·b
TA = 200·1,5/3,5 = 85,71 N·m
TB = 200·2/3,5 = 114,3 N·m

Antwoord

TA = 85,71 N·m
5.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: τmax = 33,54 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 = √(((60 − 30)/2)² + 30²) = 33,54 MPa

Antwoord

τmax = 33,54 MPa
6.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie

Antwoord: n = 4,989

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 = 35 MPa, R = 46,1 MPa
σ1 = 81,1 MPa, σ2 = −11,1 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 92,2 MPa
n = 460/92,2 = 4,989

Antwoord

n = 4,989

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

7.Axiale spanning en rek

Antwoord: P = 272,2 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 = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Soepelheden

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1,194 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·2827) = 6,431 × 10⁻⁷ mm/N

Belasting

P = 0,5/1,837 × 10⁻⁶ = 272226 N = 272,2 kN

Antwoord

P = 272,2 kN
8.Axiale spanning en rek

Antwoord: δ = 3,63 mm

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 91,67 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Tel de verlengingen van de delen op

δ1 = σ1L1/E1 = 91,67·500/200000 = 0,2292 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 397,9·1000/117000 = 3,401 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,63 mm

Antwoord

δ = 3,63 mm
9.Knik van kolommen

Antwoord: Pcr = 13,25 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Kniklengte

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Kritieke belasting

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/1000² = 13247 N = 13,25 kN

Antwoord

Pcr = 13,25 kN
10.Knik van kolommen

Antwoord: σcr = 6,218 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Traagheidsstraal en slankheid

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·2500 = 5000 mm
KL/r = 5000/15 = 333,3

Kritieke spanning

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/333,3² = 6,218 MPa

Antwoord

σcr = 6,218 MPa
11.Mechanische trillingen

Antwoord: ζ = 0,05972

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 = (1/1)·ln(30/20,6) = 0,3759

Dempingsverhouding

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3759/√(39,48 + 0,1413) = 0,05972

Antwoord

ζ = 0,05972
12.Mechanische trillingen

Antwoord: fn = 6,164 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

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

Eigenfrequentie

ωn = √(30000/20) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Antwoord

fn = 6,164 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design