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​ = 15N2​ = 80

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 15 zębach, który zazębia się z kołem o 80 zębach. Sprawność pary kół wynosi 98%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 3 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 80η = 98%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 24B = 25C = 15D = 40

W przekładni dwustopniowej koło A (24 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1440 rpm, napędza koło B (25 zębów). Koło C (15 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (40 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1440 rpmA = 24B = 25C = 15D = 40
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 50 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 50 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 60 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 750 N·mABC1 m2,5 m

Pełny wał (aluminium) o średnicy 60 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 1 m od A, a moment 750 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 2,5 m dalej. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

d = 60 mmTB = 1500 N·mTC = 750 N·mAB = 1 mBC = 2,5 m
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −80σy​ = −30τxy​ = −60MPa

W punkcie σₓ = −80 MPa, σᵧ = −30 MPa i τₓᵧ = −60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θs z przedziału od −90° do 90°, mierzony od osi x do normalnej płaszczyzny, na której naprężenie styczne osiąga maksymalną wartość dodatnią +R (naprężenie styczne dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = −30 MPaτxy = −60 MPa
θs = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 60 mm przenosi osiową siłę ściskającą 180 kN wraz z momentem skręcającym 500 N·m. Na powierzchni wału, wyznacz największe naprężenie główne σ1.

d = 60 mmF = −180 kNT = 500 N·m
σ1 = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmAluminium1,5 mP = 50 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (aluminium) pod obciążeniem osiowym.

P = 50 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmStal0,5 mØ 12 mmStal0,5 mP = 25 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz całkowite wydłużenie δ.

P = 25 kNodcinek 1: Ø30 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 3 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 20 kNL = 1,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 20 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 20 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx40 mm1 cykl33,1 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 40 mm jeden cykl później następuje maksimum 33,1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 40 mmx1 = 33,1 mmn = 1
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 20m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 5 kN/m i k₂ = 20 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 19,89 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 = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Odpowiedź

T1 = 19,89 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 518,4 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 = 1440·24/25 = 1382 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1382·15/40 = 518,4 rpm

Odpowiedź

nout = 518,4 rpm

przełożenie całkowite = 2,778 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,4489 °

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) = 250·1000·500/(26000·613592) = 0,007835 rad
φ = 0,007835·180/π = 0,4489°

Odpowiedź

φ = 0,4489°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 53,05 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 + 1500 = 2250 N·m

Maksymalne naprężenie styczne

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

|T|max = 2250 N·m
τmax = 16·2,25 × 10⁶/(π·60³) = 53,05 MPa

Odpowiedź

τmax = 53,05 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θs = 78,69 °

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.

στxyCτmax​

Kąt na kole

Na kole Mohra najwyższy punkt (+R) jest odległy o 90° od punktu głównego σ₁; na elemencie odpowiada to 45°.

cos 2θs = −60/65 = −0,9231, sin 2θs = −(−25)/65 = 0,3846
2θs = atan2(25, −60) = 157,4°

Kąt na elemencie

θs = 78,69°
sprawdzenie: θs − θp = 78,69 − (−56,31) = 135°

Odpowiedź

θs = 78,69°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σ1 = 2,113 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.

Naprężenia na powierzchni

σ = F/A = −180000/(π·60²/4) = −180000/2827 = −63,66 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·60³) = 11,79 MPa
στxyCσ1​σ2​

Koło Mohra

C = σ/2 = −31,83 MPa
R = √((−31,83)² + 11,79²) = 33,94 MPa
σ1 = C + R = 2,113 MPa
σ2 = C − R = −65,78 MPa

Odpowiedź

σ1 = 2,113 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 13,64 mm

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 = 50·1000/78,54 = 636,6 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 636,6/70000 = 0,009095 = 9095 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,009095·1500 mm = 13,64 mm

Odpowiedź

δ = 13,64 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,641 mm

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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 35,37 MPa
σ2 = 221 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 35,37·500/200000 = 0,08842 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 221·500/200000 = 0,5526 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,641 mm

Odpowiedź

δ = 0,641 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 56,25 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

Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/2100² = 56247 N = 56,25 kN

Odpowiedź

Pcr = 56,25 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 28,54 mm

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.

Wymagana siła krytyczna

Pcr = n·P = 2·20000 = 40000 N
KL = 0,5·1500 = 750 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·40000·750²/(π³·70000))^(1/4) = 28,54 mm

Odpowiedź

d = 28,54 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 105,1, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,03012

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.

Logarytmiczny dekrement tłumienia

δ = (1/1)·ln(40/33,1) = 0,1893

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1893/√(39,48 + 0,03585) = 0,03012

Odpowiedź

ζ = 0,03012
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,979 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 = 5 + 20 = 25 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(25000/40) = 25 rad/s
fn = 25/(2π) = 3,979 Hz

Odpowiedź

fn = 3,979 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design