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​ = ?N2​

Dwa równoległe wały są oddalone o 180 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 5 mm i przełożeniu redukującym 3,5 : 1. Ile zębów N1 musi mieć zębnik?

a = 180 mmm = 5 mmi = 3,5
N1 =
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 36B = 60C = 24D = 36

W przekładni dwustopniowej koło A (36 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (60 zębów). Koło C (24 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (36 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 2900 rpmA = 36B = 60C = 24D = 36
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 20 mmL = 1,2 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 = 20 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 10 kW przy 300 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 75 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 10 kWN = 300 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −60σy​ = −60τxy​ = −60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −60 MPa, σᵧ = −60 MPa i τₓᵧ = −60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = −60 MPaσy = −60 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 160σy​ = −10τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 160 MPa, σᵧ = −10 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 160 MPaσy = −10 MPaτxy = 10 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12500 mm300 mmØ30Ø30δ = 0,2 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 30 mm, długość 500 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: aluminium, średnica 30 mm, długość 300 mm, E = 70 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,2 mm.

odcinek 1: stal, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPaodcinek 2: aluminium, Ø30 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø25100 GPaØ120/50600 mm

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

pręt: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MParura: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 4 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 = 4 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 100 kN/mζ = 0,45m = 2 kg

Masa 2 kg na sprężynie o sztywności 100 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,45. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 2 kgk = 100 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 100m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 5 kN/m i k₂ = 100 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: N1 = 16

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Łączna liczba zębów

N1 + N2 = 2a/m = 2·180/5 = 72

Podział według przełożenia

N1 = 72/(1 + 3,5) = 16

Odpowiedź

N1 = 16
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 1160 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 = 2900·36/60 = 1740 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1740·24/36 = 1160 rpm

Odpowiedź

nout = 1160 rpm

przełożenie całkowite = 2,5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 13,68 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1200/(80000·15708) = 0,2387 rad
φ = 0,2387·180/π = 13,68°

Odpowiedź

φ = 13,68°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 27,86 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 = 10000/31,42 = 318,3 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·318310/(π·75)) = 27,86 mm

Odpowiedź

d = 27,86 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 60 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 = √(((−60 − −60)/2)² + −60²) = 60 MPa

Odpowiedź

τmax = 60 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 126,2 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 = 75 + 85·0,5 + 10·0,866 = 126,2 MPa

Odpowiedź

σθ = 126,2 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 20,83 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 = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·706,9) = 6,063 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,2/9,6 × 10⁻⁶ = 20834 N = 20,83 kN

Odpowiedź

P = 20,83 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 516,4 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·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(0,0006, 0,0005) = 0,0005 (mosiądz)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0005·1,033 × 10⁹ = 516399 N = 516,4 kN

Odpowiedź

Pmax = 516,4 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 14,02 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 = 0,7·2000 = 1400 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1400² = 14015 N = 14,02 kN

Odpowiedź

Pcr = 14,02 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 4,318 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 = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/10 = 400

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Odpowiedź

σcr = 4,318 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 31,78 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 = √(100000/2) = 223,6 rad/s
fn = 223,6/(2π) = 35,59 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 35,59·√(1 − 0,45²) = 31,78 Hz

Odpowiedź

fd = 31,78 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 11,53 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

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

keq = 5 + 100 = 105 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(105000/20) = 72,46 rad/s
fn = 72,46/(2π) = 11,53 Hz

Odpowiedź

fn = 11,53 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design