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​ = 200 mm720 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 160 mm obracające się z prędkością 720 obr/min napędza przez pas koło 200 mm z poślizgiem 4 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 200 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 15B = 60C = 20D = 45

Silnik o mocy 3 kW i prędkości 1450 rpm napędza koło A (15 zębów), które współpracuje z kołem B (60 zębów). Koło C (20 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (45 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 97 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 3 kWnin = 1450 rpmA = 15B = 60C = 20D = 45ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 100 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 100 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,7 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 100 N·mdi/do = 0,7τallow = 80 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 1500 N·mABC0,5 m3 m

Pełny wał (stal) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 0,5 m od A, a moment 1500 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 3 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 40 mmTB = 1500 N·mTC = 1500 N·mAB = 0,5 mBC = 3 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −10σy​ = 10MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = −10 MPa i σᵧ = 10 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 50 MPa?

σx = −10 MPaσy = 10 MPaσ1 = 50 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 10σy​ = 60τxy​ = −40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 10 MPa, σᵧ = 60 MPa i τₓᵧ = −40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 45° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x.

σx = 10 MPaσy = 60 MPaτxy = −40 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmStal2,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmStal1 mØ 12 mmMiedź1,5 mP = 20 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz największe naprężenie normalne σmax w pręcie.

P = 20 kNodcinek 1: Ø35 mm, 1 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1,5 m, miedź (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 md = 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 10 kNL = 6 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 10 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 10 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 100 kN/mζ = 0,6m = 8 kg

Masa 8 kg na sprężynie o sztywności 100 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,6. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 8 kgk = 100 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 10m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 40 kN/m, a dolna k₂ = 10 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 553 rpm

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 bez poślizgu

720·160/200 = 576 rpm

Z poślizgiem

n2 = 576·0,96 = 553 rpm

Odpowiedź

n2 = 553 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 167,3 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.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 1450·(15/60)·(20/45) = 161,1 rpm
ωout = 2π·161,1/60 = 16,87 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 3000·0,97² = 2823 W
Tout = Pout/ωout = 2823/16,87 = 167,3 N·m

Odpowiedź

Tout = 167,3 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 20,31 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.

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·80·0,7599)) = 20,31 mm
di = 0,7·20,31 = 14,22 mm

Odpowiedź

do = 20,31 mm

Wał pełny wymagałby d = 18,53 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 17,1 °

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 + 1500 = 3000 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 3 × 10⁶·500/(80000·251327) = 0,0746 rad
φBC = 1,5 × 10⁶·3000/(80000·251327) = 0,2238 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,0746 + 0,2238 = 0,2984 rad → |φC| = 17,1°

Odpowiedź

φC = 17,1°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 48,99 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.

Wymagany promień

C = (−10 + 10)/2 = 0 MPa
R = σ1 − C = 50 − 0 = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 10²) = 48,99 MPa

Odpowiedź

τxy = 48,99 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 75 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 + −40·−1 = 75 MPa

Odpowiedź

σθ = 75 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 4642 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 = 105·1000/113,1 = 928,4 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for stal = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 928,4/200000 = 0,004642 = 4642 µε

Odpowiedź

ε = 4642 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 176,8 MPa

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 20,79 MPa
σ2 = 176,8 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 176,8 MPa

Odpowiedź

σmax = 176,8 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 50,23 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·2500 = 5000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/5000² = 50230 N = 50,23 kN

Odpowiedź

Pcr = 50,23 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 73,84 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 = 2·10000 = 20000 N
KL = 2·6000 = 12000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·12000²/(π³·200000))^(1/4) = 73,84 mm

Odpowiedź

d = 73,84 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 650,1, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 14,24 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 = √(100000/8) = 111,8 rad/s
fn = 111,8/(2π) = 17,79 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 17,79·√(1 − 0,6²) = 14,24 Hz

Odpowiedź

fd = 14,24 Hz
12.Drgania mechaniczne

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

Odpowiedź

keq = 8 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design