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 5,5 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 15 zębach, który zazębia się z kołem o 80 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 5,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 80η = 100%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 80 mm i koło 500 mm, których środki są oddalone o 1200 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 80 mmd2 = 500 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 40 mmd2​ = 25 mmT = 500 N·mABC0,5 m0,5 m

Pełny wał schodkowy (stal) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 40 mm i długość 0,5 m; odcinek BC ma średnicę 25 mm i długość 0,5 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 500 N·m. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

T = 500 N·md1 = 40 mm, L1 = 0,5 md2 = 25 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?20 kW, 300 rpm

Pełny wał (aluminium) przenosi moc 20 kW przy 300 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 50 MPa, a kąt skręcenia 0,75° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 20 kWN = 300 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,75°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 120σy​ = 80τxy​ = 20MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 120 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = 20 MPa, przy σz = 0. Wyznacz bezwzględne maksymalne naprężenie styczne τabs w tym punkcie (z uwzględnieniem wszystkich płaszczyzn w trzech wymiarach).

σx = 120 MPaσy = 80 MPaτxy = 20 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −50σy​ = 100τxy​ = 60MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = −50 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (σz = 0). Granica plastyczności materiału wynosi 420 MPa. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa n względem uplastycznienia według hipotezy Tresci (maksymalnego naprężenia stycznego).

σx = −50 MPaσy = 100 MPaτxy = 60 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12400 mm200 mmØ40Ø40δ = 0,4 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 40 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: aluminium, średnica 40 mm, długość 200 mm, E = 70 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,4 mm.

odcinek 1: stal, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: aluminium, Ø40 mm, 200 mm, E = 70 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø30110 GPaØ80/50800 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 30 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 120 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: brąz, średnica zewnętrzna 80 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 110 GPa, naprężenie dopuszczalne 50 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MParura: Ø80/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 6 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 27 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 2 cyklach następuje maksimum 7 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx2 = 7 mmn = 2
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 50k2​ = 10k3​ = 20m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na sprężynie k₃ = 20 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 50 kN/m i k₂ = 10 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 36,22 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Odpowiedź

T1 = 36,22 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 159,8 °

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(0,175) = 10,08°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·10,08 = 159,8°

Odpowiedź

θ = 159,8°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 163 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.

Naprężenie w każdym odcinku

T = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa
τBC = 16·500000/(π·25³) = 163 MPa

Odpowiedź

τmax = 163 MPa
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 66,07 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 20000/31,42 = 636,6 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 636,6 N·m = 636620 N·mm
dτ = ∛(16·636620/(π·50)) = 40,18 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·636620/(π·26000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 66,07 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(40,18, 66,07) = 66,07 mm

Odpowiedź

d = 66,07 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τabs = 64,14 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. W trzech wymiarach bezwzględne maksymalne naprężenie styczne wynosi (σmax − σmin)/2 ze wszystkich trzech naprężeń głównych; w płaskim stanie naprężenia trzecie jest równe zeru.

σxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne w płaszczyźnie

C = 100 MPa, R = √(20² + 20²) = 28,28 MPa
σ1 = 128,3 MPa, σ2 = 71,72 MPa, σz = 0

Największe z trzech kół

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(56,57, 128,3, 71,72)/2 = 64,14 MPa

Odpowiedź

τabs = 64,14 MPa

Tutaj decyduje koło spoza płaszczyzny: maksimum bezwzględne jest większe niż maksimum w płaszczyźnie R.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: n = 2,186

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. Hipotezy wytężeniowe: według hipotezy Hubera-Misesa uplastycznienie następuje, gdy σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) osiąga σY; według hipotezy Tresci, gdy bezwzględne maksymalne naprężenie styczne osiąga σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne

C = 25 MPa, R = 96,05 MPa
σ1 = 121 MPa, σ2 = −71,05 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 192,1 MPa
n = 420/192,1 = 2,186

Odpowiedź

n = 2,186

n > 1 oznacza, że punkt się nie uplastycznia; hipoteza Tresci jest nieco bardziej zachowawcza niż hipoteza Hubera-Misesa.

7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 103,5 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 = 1257 mm², A₂ = 1257 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·1257) = 1,592 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(70000·1257) = 2,274 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,4/3,865 × 10⁻⁶ = 103488 N = 103,5 kN

Odpowiedź

P = 103,5 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 217,4 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

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·3063 = 4,783 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,0006, 0,0004545) = 0,0004545 (brąz)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0004545·4,783 × 10⁸ = 217412 N = 217,4 kN

Odpowiedź

Pmax = 217,4 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 17,58 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1250² = 17581 N = 17,58 kN

Odpowiedź

Pcr = 17,58 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 7,676 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 = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Odpowiedź

σcr = 7,676 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,06054

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 = (1/2)·ln(15/7) = 0,3811

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3811/√(39,48 + 0,1452) = 0,06054

Odpowiedź

ζ = 0,06054
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,757 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

Tylko k1 i k2 są połączone równolegle. Ta para jest szeregowo z k3, więc połącz je przez odwrotności.

k12 = 50 + 10 = 60 kN/m
keq = 60·20/(60 + 20) = 15 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(15000/50) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Odpowiedź

fn = 2,757 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design