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
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm2880 rpmT1​ = 400 NT2​ = 160 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 160 mm z prędkością 2880 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 400 N, a w cięgnie biernym 160 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 72B = 80C = 16D = 50

W przekładni dwustopniowej koło A (72 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1500 rpm, napędza koło B (80 zębów). Koło C (16 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (50 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1500 rpmA = 72B = 80C = 16D = 50
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 1000 N·md = 30 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 1000 N·md = 30 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?20 kW, 1000 rpm

Pełny wał (aluminium) przenosi moc 20 kW przy 1000 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa, a kąt skręcenia 0,5° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 20 kWN = 1000 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 60τxy​ = 40MPa

W punkcie σₓ = 60 MPa, σᵧ = 0 MPa i τₓᵧ = 40 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 = 60 MPaσy = 0 MPaτxy = 40 MPa
θs = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −20σy​ = 80τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −20 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −20 MPaσy = 80 MPaτxy = 10 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
150 kNØ4070 GPaØ80/60400 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 80 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 70 GPa). Oba mają długość 400 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 150 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 150 kNpręt: Ø40 mm, E = 200 GParura: Ø80/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
30 kN12400 mm500 mmØ40Ø30σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 40 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: mosiądz, średnica 30 mm, długość 500 mm, E = 100 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 30 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø30 mm, 500 mm, E = 100 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 m40 × 80 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2,5 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mm1 cykl10,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm jeden cykl później następuje maksimum 10,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx1 = 10,3 mmn = 1
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 10k2​ = 40m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 10 kN/m, a dolna k₂ = 40 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 5,791 kW

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.

Prędkość pasa

v = 24,13 m/s

Moc

P = (400 − 160)·24,13 = 5791 W = 5,791 kW

Odpowiedź

P = 5,791 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 432 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 = 1500·72/80 = 1350 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1350·16/50 = 432 rpm

Odpowiedź

nout = 432 rpm

przełożenie całkowite = 3,472 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 18,01 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2000/(80000·79522) = 0,3144 rad
φ = 0,3144·180/π = 18,01°

Odpowiedź

φ = 18,01°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 54,11 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 20000/104,7 = 191 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·80)) = 22,99 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·190986/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 54,11 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(22,99, 54,11) = 54,11 mm

Odpowiedź

d = 54,11 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θs = −18,43 °

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 = 40/50 = 0,8, sin 2θs = −30/50 = −0,6
2θs = atan2(−30, 40) = −36,87°

Kąt na elemencie

θs = −18,43°
sprawdzenie: θs − θp = −18,43 − 26,57 = −45°

Odpowiedź

θs = −18,43°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −1,874 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 = 30 + −50·0,766 + 10·0,6428 = −1,874 MPa

Odpowiedź

σθ = −1,874 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,1481 mm

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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·2199 = 4,053 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 150000·400/4,053 × 10⁸ = 0,1481 mm

Odpowiedź

δ = 0,1481 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 7,795 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 = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 100000·706,9/500 = 141372 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 30000·141372/769690 = 5510 N

Naprężenie

σ2 = 5510/706,9 = 7,795 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 7,795 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 24,06 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/3500² = 24063 N = 24,06 kN

Odpowiedź

Pcr = 24,06 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 31,58 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31,58 MPa

Odpowiedź

σcr = 31,58 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,05972

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(15/10,3) = 0,3759

Współczynnik tłumienia

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

Odpowiedź

ζ = 0,05972
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 1,424 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 = 1/10 + 1/40 → keq = 10·40/(10 + 40) = 8 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(8000/100) = 8,944 rad/s
fn = 8,944/(2π) = 1,424 Hz

Odpowiedź

fn = 1,424 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design