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​ = 16

Silnik o mocy 2,2 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 15 zębach, który zazębia się z kołem o 16 zębach. Sprawność pary kół wynosi 98%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 2,2 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 16η = 98%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 150 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 150 mm i koło 200 mm, których środki są oddalone o 500 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 150 mmd2 = 200 mmC = 500 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,5 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 = 40 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 1500 N·mABC1,2 m1,2 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1000 N·m działa w B, w odległości 1,2 m od A, a moment 1500 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1,2 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 50 mmTB = 1000 N·mTC = 1500 N·mAB = 1,2 mBC = 1,2 mG = 39 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 120σy​ = 110τxy​ = −40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 120 MPa, σᵧ = 110 MPa i τₓᵧ = −40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 120 MPaσy = 110 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −10σy​ = −80τxy​ = −50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −10 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = −50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 15° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −10 MPaσy = −80 MPaτxy = −50 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 25 mmMiedź2,5 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 25 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
20 kN12600 mm500 mmØ25Ø30σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 25 mm, długość 600 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: miedź, średnica 30 mm, długość 500 mm, E = 120 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 20 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m20 × 80 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 = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 35 kNL = 3 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 35 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 35 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx25 mmLiczba cykli: 38,1 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 25 mm po 3 cyklach następuje maksimum 8,1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 25 mmx3 = 8,1 mmn = 3
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 15k2​ = 40m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 15 kN/m, a dolna k₂ = 40 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 14,59 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 = 2200/150,8 = 14,59 N·m

Odpowiedź

T1 = 14,59 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 174,3 °

Przekładnie pasowe: bez poślizgu oba koła pasowe mają tę samą prędkość obwodową v = π·d·n/60, więc n₁·d₁ = n₂·d₂, a przełożenie wynosi d₂/d₁. Poślizg s sprawia, że koło napędzane obraca się nieco wolniej: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Przenoszona moc to P = (T₁ − T₂)·v, gdzie T₁ to siła w cięgnie czynnym, a T₂ w biernym. Tarcie ogranicza stosunek sił: T₁/T₂ = eμθ, gdzie θ jest kątem opasania w radianach na mniejszym kole; dla pasa otwartego θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) przy rozstawie osi C.

Kąt pasa

asin(0,05) = 2,866°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·2,866 = 174,3°

Odpowiedź

θ = 174,3°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 3,288 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(26000·251327) = 0,05739 rad
φ = 0,05739·180/π = 3,288°

Odpowiedź

φ = 3,288°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 5,746 °

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 = 1500 N·m
TAB = TC − TB = 1500 − 1000 = 500 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 500000·1200/(39000·613592) = 0,02507 rad
φBC = 1,5 × 10⁶·1200/(39000·613592) = 0,07522 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,02507 + 0,07522 = 0,1003 rad → |φC| = 5,746°

Odpowiedź

φC = 5,746°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = −41,44 °

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.

σxyCσ1​σ2​

Kąt na kole

Na kole Mohra punkt x leży pod kątem 2θp od osi σ; ćwiartka wynika ze znaków σₓ − σᵧ i τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−40, 120 − 110) = −82,87°

Kąt na elemencie

θp = −41,44°

Odpowiedź

θp = −41,44°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −39,69 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 = −45 + 35·0,866 + −50·0,5 = −39,69 MPa

Odpowiedź

σθ = −39,69 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 174,1 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 10·1000/490,9 = 20,37 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 20,37/117000 = 0,0001741 = 174,1 µε

Odpowiedź

ε = 174,1 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 14,4 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 = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 120000·706,9/500 = 169646 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 20000·169646/333271 = 10181 N

Naprężenie

σ2 = 10181/706,9 = 14,4 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 14,4 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 34,38 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/1750² = 34376 N = 34,38 kN

Odpowiedź

Pcr = 34,38 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 55,88 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 = 3·35000 = 105000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·105000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 55,88 mm

Odpowiedź

d = 55,88 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 214,7, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,05968

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 = (1/3)·ln(25/8,1) = 0,3757

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3757/√(39,48 + 0,1411) = 0,05968

Odpowiedź

ζ = 0,05968
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,717 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/15 + 1/40 → keq = 15·40/(15 + 40) = 10,91 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(10909/20) = 23,35 rad/s
fn = 23,35/(2π) = 3,717 Hz

Odpowiedź

fn = 3,717 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design