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
Nw​ = 36z = 1, 1440 rpm

Ślimak o liczbie zwojów 1 obraca się z prędkością 1440 rpm i napędza ślimacznicę o 36 zębach. Wyznacz prędkość obrotową nw ślimacznicy.

z = 1Nw = 36n = 1440 rpm
nw = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 48C = 24D = 50

W przekładni dwustopniowej koło A (20 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (48 zębów). Koło C (24 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 = 2900 rpmA = 20B = 48C = 24D = 50
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 15 mmT = 40 N·m250 mmφ = 1,44°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 15 mm jest skręcana momentem 40 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 250 mm obracają się względem siebie o 1,44° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 40 N·md = 15 mmL = 250 mmφ = 1,44°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 75 mm, di​ = 56 mm

Wał drążony przenosi 15 kW przy 300 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 15 kWN = 300 rpmdo = 75 mmdi = 56 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 20σy​ = −50τxy​ = −10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 20 MPa, σᵧ = −50 MPa i τₓᵧ = −10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 20 MPaσy = −50 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 90σy​ = 70τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 90 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 45° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x.

σx = 90 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmStal2,5 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmMosiądz2 mØ 16 mmStal1,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNodcinek 1: Ø35 mm, 2 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 25 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 = 25 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 3 md = 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 33,3 mm

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

x0 = 15 mmx3 = 3,3 mmn = 3
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 60k2​ = 100k3​ = 15m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na sprężynie k₃ = 15 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 60 kN/m i k₂ = 100 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nw = 40 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.

Prędkość ślimacznicy

nw = n·z/Nw = 1440·1/36 = 40 rpm

Odpowiedź

nw = 40 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 580 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 = 2900·20/48 = 1208 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1208·24/50 = 580 rpm

Odpowiedź

nout = 580 rpm

przełożenie całkowite = 5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 80,06 GPa

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 i kąt

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 1,44·π/180 = 0,02513 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·250/(4970·0,02513) = 80056 MPa
G = 80,06 GPa

Odpowiedź

G = 80,06 GPa

Porównaj: stal ≈ 80 GPa, mosiądz ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 8,364 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.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 15000/31,42 = 477,5 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 477465·37,5/2,141 × 10⁶ = 8,364 MPa

Odpowiedź

τmax = 8,364 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 36,4 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.

στxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((20 − −50)/2)² + −10²) = 36,4 MPa

Odpowiedź

τmax = 36,4 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 50 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 + 10·0 + 30·−1 = 50 MPa

Odpowiedź

σθ = 50 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 442,1 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 10·1000/113,1 = 88,42 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for stal = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 88,42/200000 = 0,0004421 = 442,1 µε

Odpowiedź

ε = 442,1 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,904 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 51,97 MPa
σ2 = 248,7 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 51,97·2000/100000 = 1,039 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 248,7·1500/200000 = 1,865 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,904 mm

Odpowiedź

δ = 2,904 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 8,583 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2100² = 8583 N = 8,583 kN

Odpowiedź

Pcr = 8,583 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Naprężenie krytyczne

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

Odpowiedź

σcr = 17,27 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,08007

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(15/3,3) = 0,5047

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5047/√(39,48 + 0,2547) = 0,08007

Odpowiedź

ζ = 0,08007
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,947 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 = 60 + 100 = 160 kN/m
keq = 160·15/(160 + 15) = 13,71 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(13714/40) = 18,52 rad/s
fn = 18,52/(2π) = 2,947 Hz

Odpowiedź

fn = 2,947 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design