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​ = 30N2​ = 36

Silnik o mocy 1,5 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 30 zębach, który zazębia się z kołem o 36 zębach. Sprawność pary kół wynosi 97%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 1,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 30N2 = 36η = 97%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
Ns​ = 15nr​ = ?Np​ = 24jarzmo nieruchome

W przekładni planetarnej koło słoneczne ma 15 zębów, a każdy satelita 24 zębów. Jarzmo jest unieruchomione, a koło słoneczne napędzane z prędkością 900 rpm. Wyznacz prędkość obrotową nr koła koronowego (wartość bezwzględną).

Ns = 15Np = 24ns = 900 rpm
nr = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 200 N·md = 40 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 40 mmL = 2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 1500 N·mABC1 m1,2 m

Pełny wał (stal) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 200 N·m działa w B, w odległości 1 m od A, a moment 1500 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1,2 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 1500 N·mAB = 1 mBC = 1,2 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −10σy​ = 80τxy​ = −20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −10 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = −10 MPaσy = 80 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 150σy​ = −10τxy​ = 30MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 150 MPa, σᵧ = −10 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Granica plastyczności materiału wynosi 460 MPa. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa n względem uplastycznienia według hipotezy Tresci (maksymalnego naprężenia stycznego).

σx = 150 MPaσy = −10 MPaτxy = 30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 25 mmMosiądz1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 25 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMosiądz0,5 mØ 20 mmStal1,5 mP = 85 kN

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

P = 85 kNodcinek 1: Ø25 mm, 0,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 6 m50 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 6 mE = 200 GPa (stal)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 115 kNL = 5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 115 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 115 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 38,5 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 3 cyklach następuje maksimum 8,5 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx3 = 8,5 mmn = 3
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 5m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 40 kN/m i k₂ = 5 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 9,947 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 = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Odpowiedź

T1 = 9,947 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nr = 214,3 rpm

Przekładnie planetarne: prędkości koła słonecznego, koronowego i jarzma wiąże wzór Willisa (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: widziana z jarzma przekładnia jest zwykłą przekładnią z satelitami jako kołami pośredniczącymi. Unieruchomienie jednego członu zamienia ją w reduktor o jednym przełożeniu.

Liczba zębów koła koronowego

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·24 = 63

Wzór Willisa przy nieruchomym jarzmie

Przy nc = 0 koło słoneczne napędza koło koronowe przez satelity, które działają jak koła pośredniczące.

nr = −ns·Ns/Nr = −900·15/63 = −214,3 rpm
|nr| = 214,3 rpm

Odpowiedź

nr = 214,3 rpm

Koło koronowe obraca się przeciwnie do koła słonecznego.

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 3,507 °

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) = 200·1000·2000/(26000·251327) = 0,06121 rad
φ = 0,06121·180/π = 3,507°

Odpowiedź

φ = 3,507°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 9,974 °

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 + 200 = 1700 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 1,7 × 10⁶·1000/(80000·251327) = 0,08455 rad
φBC = 1,5 × 10⁶·1200/(80000·251327) = 0,08952 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,08455 + 0,08952 = 0,1741 rad → |φC| = 9,974°

Odpowiedź

φC = 9,974°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = −78,02 °

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.

στxyCσ1​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·−20, −10 − 80) = −156°

Kąt na elemencie

θp = −78,02°

Odpowiedź

θp = −78,02°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: n = 2,692

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 = 70 MPa, R = 85,44 MPa
σ1 = 155,4 MPa, σ2 = −15,44 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 170,9 MPa
n = 460/170,9 = 2,692

Odpowiedź

n = 2,692

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

7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 1528 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 = 75·1000/490,9 = 152,8 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 152,8/100000 = 0,001528 = 1528 µε

Odpowiedź

ε = 1528 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,895 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 173,2 MPa
σ2 = 270,6 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 173,2·500/100000 = 0,8658 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 270,6·1500/200000 = 2,029 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,895 mm

Odpowiedź

δ = 2,895 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 34,27 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·6000 = 6000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/6000² = 34269 N = 34,27 kN

Odpowiedź

Pcr = 34,27 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 65,62 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 = 2,5·115000 = 287500 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·287500·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 65,62 mm

Odpowiedź

d = 65,62 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 152,4, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,03012

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(15/8,5) = 0,1893

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1893/√(39,48 + 0,03585) = 0,03012

Odpowiedź

ζ = 0,03012
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 45 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 obok siebie mają to samo ugięcie, a ich siły się sumują, więc ich sztywności po prostu się dodaje: k = k1 + k2.

keq = 40 + 5 = 45 kN/m

Odpowiedź

keq = 45 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design