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​ = 150 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 150 mm z prędkością 960 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 800 N, a w cięgnie biernym 160 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 150 mmn1 = 960 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 36B = 45C = 25D = 50

W przekładni dwustopniowej koło A (36 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1450 rpm, napędza koło B (45 zębów). Koło C (25 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 = 1450 rpmA = 36B = 45C = 25D = 50
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 30 mmL = 1 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 30 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?10 kW, 1500 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 10 kW przy 1500 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,7 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 50 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 10 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,7τallow = 50 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −50σy​ = −70τxy​ = 10MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = −50 MPa, σᵧ = −70 MPa i τₓᵧ = 10 MPa, przy σz = 0. Wyznacz bezwzględne maksymalne naprężenie styczne τabs w tym punkcie (z uwzględnieniem wszystkich płaszczyzn w trzech wymiarach).

σx = −50 MPaσy = −70 MPaτxy = 10 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 60σy​ = 10τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 60 MPa, σᵧ = 10 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 45° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 60 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmMiedź0,5 mP = 70 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (miedź) pod obciążeniem osiowym.

P = 70 kNd = 12 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø25100 GPaØ120/50800 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 25 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 150 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 100 GPa, naprężenie dopuszczalne 100 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MParura: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2,5 md = 40 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 40 kN/mζ = 0,45m = 50 kg

Masa 50 kg na sprężynie o sztywności 40 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,45. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 50 kgk = 40 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 12k2​ = 15m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 12 kN/m, a dolna k₂ = 15 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 4,825 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 = 7,54 m/s

Moc

P = (800 − 160)·7,54 = 4825 W = 4,825 kW

Odpowiedź

P = 4,825 kW
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 = 1450·36/45 = 1160 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1160·25/50 = 580 rpm

Odpowiedź

nout = 580 rpm

przełożenie całkowite = 2,5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 2,252 °

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) = 250·1000·1000/(80000·79522) = 0,0393 rad
φ = 0,0393·180/π = 2,252°

Odpowiedź

φ = 2,252°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 20,43 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 10000/157,1 = 63,66 N·m

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·63662/(π·50·0,7599)) = 20,43 mm
di = 0,7·20,43 = 14,3 mm

Odpowiedź

do = 20,43 mm

Wał pełny wymagałby d = 18,65 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τabs = 37,07 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 = −60 MPa, R = √(10² + 10²) = 14,14 MPa
σ1 = −45,86 MPa, σ2 = −74,14 MPa, σz = 0

Największe z trzech kół

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(28,28, 45,86, 74,14)/2 = 37,07 MPa

Odpowiedź

τabs = 37,07 MPa

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

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 65 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 = 35 + 25·0 + 30·1 = 65 MPa

Odpowiedź

σθ = 65 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,645 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 70·1000/113,1 = 618,9 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 618,9/117000 = 0,00529 = 5290 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,00529·500 mm = 2,645 mm

Odpowiedź

δ = 2,645 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 774,6 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·9346 = 1,033 × 10⁹ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,00075, 0,001) = 0,00075 (stal)

Największe obciążenie

Pmax = 0,00075·1,033 × 10⁹ = 774599 N = 774,6 kN

Odpowiedź

Pmax = 774,6 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 62,01 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/2000² = 62013 N = 62,01 kN

Odpowiedź

Pcr = 62,01 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 11,05 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 = π²·70000/250² = 11,05 MPa

Odpowiedź

σcr = 11,05 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 4,02 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.

Częstotliwość drgań własnych nietłumionych

ωn = √(40000/50) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,45²) = 4,02 Hz

Odpowiedź

fd = 4,02 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 6,667 kN/m

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 = 1/12 + 1/15 → keq = 12·15/(12 + 15) = 6,667 kN/m

Odpowiedź

keq = 6,667 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design