Projektowanie maszyn: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 12 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Koła i przekładnie zębate

Zazębione koła
n1·N1 = n2·N2
Moment skręcający
T2 = T1·(N2/N1)·η
Moc
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Przekładnia wielostopniowa
przełożenie całkowite = iloczyn przełożeń poszczególnych stopni

Skręcanie wałów

Naprężenie styczne
τ = T·r/J
Wał pełny
J = πd⁴/32
Wał drążony
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Kąt skręcenia
φ = TL/(GJ)
Moc
P = T·ω = 2πnT/60

Metoda

  1. Wyznacz biegunowy moment bezwładności: J = πd⁴/32 dla wału pełnego.
  2. Naprężenie styczne na powierzchni: τ = T·r/J, gdzie r to promień zewnętrzny.
  3. Kąt skręcenia: φ = TL/(GJ) w radianach.
  4. Jeśli podana jest moc, najpierw wyznacz moment z P = T·ω, ω = 2πn/60.

Koło Mohra i transformacja naprężeń

Środek
C = (σx + σy)/2
Promień
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Naprężenia główne
σ1,2 = C ± R
Kierunek główny
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Płaszczyzna ukośna
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metoda

  1. Oblicz środek koła Mohra: C = (σx + σy)/2.
  2. Oblicz promień: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.
  4. Kąty na kole są dwa razy większe niż kąty na elemencie: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Naprężenie i odkształcenie osiowe

Naprężenie normalne
σ = F/A
Odkształcenie
ε = ΔL/L
Prawo Hooke’a
σ = E·ε
Wydłużenie
ΔL = FL/(EA)
Odkształcenie termiczne
εT = α·ΔT

Wyboczenie słupów

Siła krytyczna Eulera
Pcr = π²EI/(KL)²
Współczynnik długości wyboczeniowej
K = 1 przegub–przegub, 0,5 utwierdzenie–utwierdzenie, 0,7 utwierdzenie–przegub, 2 utwierdzenie–wolny koniec
Naprężenie krytyczne
σcr = Pcr/A
Smukłość
λ = KL/r, r = √(I/A)

Drgania mechaniczne

Częstotliwość drgań własnych
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Z ugięcia statycznego
ωn = √(g/δst)
Tłumienie krytyczne
cc = 2√(km) = 2mωn
Współczynnik tłumienia
ζ = c/cc
Częstotliwość drgań tłumionych
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logarytmiczny dekrement tłumienia
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Sprężyny połączone równolegle
k = k1 + k2
Sprężyny połączone szeregowo
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Zadania do ćwiczenia

1.Koła i przekładnie zębateŚredni
N1​ = 30N2​ = 80

Silnik o mocy 1,5 kW pracujący z prędkością 1500 rpm napędza zębnik o 30 zębach, który zazębia się z kołem o 80 zębach. Sprawność pary kół wynosi 98%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 1,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 30N2 = 80η = 98%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 40C = 36D = 80

W przekładni dwustopniowej koło A (20 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1440 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (36 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (80 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1440 rpmA = 20B = 40C = 36D = 80
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 750 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

Pełny wał (aluminium) jest utwierdzony w ścianie i skręcany momentem T na swobodnym końcu. Wyznacz kąt skręcenia φ swobodnego końca w stopniach.

T = 750 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 750 N·mABC3 m0,8 m

Pełny wał (stal) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1000 N·m działa w B, w odległości 3 m od A, a moment 750 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 0,8 m dalej. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

d = 50 mmTB = 1000 N·mTC = 750 N·mAB = 3 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 80σy​ = −70τxy​ = 50MPa

W punkcie σₓ = 80 MPa, σᵧ = −70 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 45° zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = 80 MPaσy = −70 MPaτxy = 50 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 90σy​ = 110τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 90 MPa, σᵧ = 110 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 90 MPaσy = 110 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12300 mm200 mmØ25Ø60δ = 0,3 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 25 mm, długość 300 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: brąz, średnica 60 mm, długość 200 mm, E = 110 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,3 mm.

odcinek 1: stal, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPaodcinek 2: brąz, Ø60 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
100 kN12400 mm300 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 25 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: brąz, średnica 40 mm, długość 300 mm, E = 110 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 100 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: brąz, Ø40 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 m50 × 100 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (stal)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 6 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i przegubowo podparty u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 6 mE = 200 GPa (stal)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 50 kN/mζ = 0,7m = 50 kg

Masa 50 kg na sprężynie o sztywności 50 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,7. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 50 kgk = 50 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 10m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 40 kN/m i k₂ = 10 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 9,549 N·m

Przekładnie zębate: zazębione koła mają tę samą prędkość na zębach, więc n₁·N₁ = n₂·N₂: koło o mniejszej liczbie zębów obraca się szybciej. Koła na jednym wale obracają się z tą samą prędkością obrotową. Moc jest przekazywana dalej (minus straty), więc moment obrotowy rośnie, gdy prędkość obrotowa maleje: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, a P = T·ω, gdzie ω = 2π·n/60.

Moment silnika

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

Odpowiedź

T1 = 9,549 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 324 rpm

Przekładnie zębate: zazębione koła mają tę samą prędkość na zębach, więc n₁·N₁ = n₂·N₂: koło o mniejszej liczbie zębów obraca się szybciej. Koła na jednym wale obracają się z tą samą prędkością obrotową. Moc jest przekazywana dalej (minus straty), więc moment obrotowy rośnie, gdy prędkość obrotowa maleje: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, a P = T·ω, gdzie ω = 2π·n/60.

Pierwszy stopień

nB = 1440·20/40 = 720 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 720·36/80 = 324 rpm

Odpowiedź

nout = 324 rpm

przełożenie całkowite = 4,444 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 3,232 °

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Biegunowy moment bezwładności

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(26000·613592) = 0,05641 rad
φ = 0,05641·180/π = 3,232°

Odpowiedź

φ = 3,232°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 30,56 MPa

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Momenty wewnętrzne

Zwrot TC przyjęty jako dodatni.

TBC = TC = 750 N·m
TAB = TC − TB = 750 − 1000 = −250 N·m

Maksymalne naprężenie styczne

Największe naprężenie ma odcinek z największym momentem wewnętrznym (ta sama średnica).

|T|max = 750 N·m
τmax = 16·750000/(π·50³) = 30,56 MPa

Odpowiedź

τmax = 30,56 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 55 MPa

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

Równanie transformacji dla ścianki y′

σy′ = 5 − 75·0 − 50·(−1) = 55 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = −45 MPa, σx′ + σy′ = 10 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 55 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 16,55 MPa

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

Równanie transformacji

τθ = −−10·−0,6428 + 30·0,766 = 16,55 MPa

Odpowiedź

τθ = 16,55 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 81,11 kN

Dwa materiały: przy połączeniu szeregowym (jeden za drugim) każdy odcinek przenosi tę samą siłę, a wydłużenia się dodają: δ = P·Σ L/(E·A). Przy połączeniu równoległym (obok siebie między sztywnymi płytami) obie części skracają się o tyle samo, więc ich odkształcenia są równe: sztywniejsza część przejmuje większy udział, Pi = P·EiAi/ΣEA, a σi = Ei·ε. Pręt zamocowany między dwiema sztywnymi ścianami z obciążeniem w miejscu połączenia jest statycznie niewyznaczalny: dwa odcinki dzielą obciążenie proporcjonalnie do sztywności k = EA/L.

Pola

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·2827) = 6,431 × 10⁻⁷ mm/N

Obciążenie

P = 0,3/3,699 × 10⁻⁶ = 81107 N = 81,11 kN

Odpowiedź

P = 81,11 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 51,92 MPa

Dwa materiały: przy połączeniu szeregowym (jeden za drugim) każdy odcinek przenosi tę samą siłę, a wydłużenia się dodają: δ = P·Σ L/(E·A). Przy połączeniu równoległym (obok siebie między sztywnymi płytami) obie części skracają się o tyle samo, więc ich odkształcenia są równe: sztywniejsza część przejmuje większy udział, Pi = P·EiAi/ΣEA, a σi = Ei·ε. Pręt zamocowany między dwiema sztywnymi ścianami z obciążeniem w miejscu połączenia jest statycznie niewyznaczalny: dwa odcinki dzielą obciążenie proporcjonalnie do sztywności k = EA/L.

Sztywności

k₁ = 200000·490,9/400 = 245437 N/mm
k₂ = 110000·1257/300 = 460767 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 100000·460767/706204 = 65246 N

Naprężenie

σ2 = 65246/1257 = 51,92 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 51,92 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 57,12 kN

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Najmniejszy moment bezwładności

Prostokąt wybocza się względem słabszej osi, z mniejszym wymiarem do sześcianu.

Imin = h·b³/12 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·3000 = 6000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·1,042 × 10⁶/6000² = 57116 N = 57,12 kN

Odpowiedź

Pcr = 57,12 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 17,48 MPa

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Najmniejszy moment bezwładności

Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/12,5 = 336

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/336² = 17,48 MPa

Odpowiedź

σcr = 17,48 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 3,594 Hz

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Częstotliwość drgań własnych nietłumionych

ωn = √(50000/50) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,7²) = 3,594 Hz

Odpowiedź

fd = 3,594 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 7,958 Hz

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Sztywność zastępcza

Sprężyny obok siebie mają to samo ugięcie, a ich siły się sumują, więc ich sztywności po prostu się dodaje: k = k1 + k2.

keq = 40 + 10 = 50 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(50000/20) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Odpowiedź

fn = 7,958 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design