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​ = 36N2​ = 40

Silnik o mocy 0,75 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 36 zębach, który zazębia się z kołem o 40 zębach. Sprawność pary kół wynosi 97%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 0,75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 36N2 = 40η = 97%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 36B = 80C = 50D = 72

Silnik o mocy 5,5 kW i prędkości 2900 rpm napędza koło A (36 zębów), które współpracuje z kołem B (80 zębów). Koło C (50 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (72 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 5,5 kWnin = 2900 rpmA = 36B = 80C = 50D = 72ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
d = ?T = 750 N·mL = 2 m

Pełny wał (stal) o długości 2 m przenosi moment skręcający 750 N·m. Kąt skręcenia między jego końcami nie może przekroczyć 1°. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia ten warunek.

T = 750 N·mL = 2 mG = 80 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?10 kW, 1500 rpm

Pełny wał (mosiądz) przenosi moc 10 kW przy 1500 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa, a kąt skręcenia 0,25° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 10 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,25°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σy​ = −30τxy​ = −60MPa

W punkcie σₓ = 0 MPa, σᵧ = −30 MPa i τₓᵧ = −60 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 40° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = 0 MPaσy = −30 MPaτxy = −60 MPaθ = 40°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 60σy​ = 100τxy​ = −40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 60 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = −40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 60° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 60 MPaσy = 100 MPaτxy = −40 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmMosiądz0,5 mP = 95 kN

Wyznacz odkształcenie osiowe ε w pręcie (mosiądz), w mikroodkształceniach (µε = 10⁻⁶).

P = 95 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 40 mmAluminium0,5 mØ 20 mmStal0,5 mP = 65 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz największe naprężenie normalne σmax w pręcie.

P = 65 kNodcinek 1: Ø40 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m30 × 50 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 = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 15 kN/mζ = 0,45m = 10 kg

Masa 10 kg na sprężynie o sztywności 15 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,45. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 10 kgk = 15 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 25k2​ = 10m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 25 kN/m, a dolna k₂ = 10 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 10 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 4,974 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/150,8 = 4,974 N·m

Odpowiedź

T1 = 4,974 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 52,3 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 2900·(36/80)·(50/72) = 906,3 rpm
ωout = 2π·906,3/60 = 94,9 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 5500·0,95² = 4964 W
Tout = Pout/ωout = 4964/94,9 = 52,3 N·m

Odpowiedź

Tout = 52,3 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 57,51 mm

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.

Wymagany biegunowy moment bezwładności

T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·2000/(80000·0,01745) = 1,074 × 10⁶ mm⁴

Średnica

d = (32J/π)1/4 = 57,51 mm

Odpowiedź

d = 57,51 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 44,18 mm

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.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 10000/157,1 = 63,66 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
dτ = ∛(16·63662/(π·80)) = 15,94 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·63662/(π·39000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 44,18 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(15,94, 44,18) = 44,18 mm

Odpowiedź

d = 44,18 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 41,48 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′ = −15 − 15·0,1736 − (−60)·0,9848 = 41,48 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = −71,48 MPa, σx′ + σy′ = −30 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 41,48 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 55,36 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

σθ = 80 + −20·−0,5 + −40·0,866 = 55,36 MPa

Odpowiedź

σθ = 55,36 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 12096 µε

Prawo Hooke’a: w zakresie sprężystym σ = E·ε. Łącząc to z σ = P/A i ε = δ/L, dostajemy δ = PL/(AE).

Naprężenie

A = π·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 95·1000/78,54 = 1210 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1210/100000 = 0,0121 = 12096 µε

Odpowiedź

ε = 12096 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 206,9 MPa

Pręty obciążone osiowo: każdy pryzmatyczny odcinek spełnia δ = PL/(AE). Dla odcinków połączonych szeregowo wydłużenia się sumują.

Ta sama siła w obu odcinkach

Swobodny koniec przenosi P, więc każdy przekrój pręta przenosi tę samą siłę osiową P. Zmieniają się tylko pola przekroju i materiały.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 51,73 MPa
σ2 = 206,9 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 206,9 MPa

Odpowiedź

σmax = 206,9 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 8,883 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·2500 = 5000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/5000² = 8883 N = 8,883 kN

Odpowiedź

Pcr = 8,883 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 17,27 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/20 = 200

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Odpowiedź

σcr = 17,27 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 5,505 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 = √(15000/10) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,164·√(1 − 0,45²) = 5,505 Hz

Odpowiedź

fd = 5,505 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 7,143 kN/m

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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/10 → keq = 25·10/(25 + 10) = 7,143 kN/m

Odpowiedź

keq = 7,143 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design