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​ = 125 mmd2​ = 250 mm2880 rpmT1​ = 500 NT2​ = 125 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 125 mm z prędkością 2880 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 500 N, a w cięgnie biernym 125 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 125 mmn1 = 2880 rpmT1 = 500 NT2 = 125 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 48C = 18D = 40

Silnik o mocy 1,5 kW i prędkości 960 rpm napędza koło A (20 zębów), które współpracuje z kołem B (48 zębów). Koło C (18 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (40 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 1,5 kWnin = 960 rpmA = 20B = 48C = 18D = 40ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 750 N·md = 25 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 25 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 40 mm, di​ = 32 mm

Wał drążony przenosi 10 kW przy 300 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 10 kWN = 300 rpmdo = 40 mmdi = 32 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 120σy​ = −60τxy​ = 60MPa

W punkcie σₓ = 120 MPa, σᵧ = −60 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 20° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = 120 MPaσy = −60 MPaτxy = 60 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 80σy​ = −20τxy​ = 20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 80 MPa, σᵧ = −20 MPa i τₓᵧ = 20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 35° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 80 MPaσy = −20 MPaτxy = 20 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 16 mmMosiądz1 mP = 90 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (mosiądz) pod obciążeniem osiowym.

P = 90 kNd = 16 mmL = 1 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
30 kN12600 mm300 mmØ30Ø40σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 30 mm, długość 600 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: aluminium, średnica 40 mm, długość 300 mm, E = 70 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 30 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaodcinek 2: aluminium, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m25 × 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 = 1,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 80 kNL = 6 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 80 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 80 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 200 kN/mζ = 0,6m = 20 kg

Masa 20 kg na sprężynie o sztywności 200 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,6. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 20 kgk = 200 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 25k2​ = 50m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 25 kN/m, a dolna k₂ = 50 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 7,069 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 = 18,85 m/s

Moc

P = (500 − 125)·18,85 = 7069 W = 7,069 kW

Odpowiedź

P = 7,069 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 71,82 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 = 960·(20/48)·(18/40) = 180 rpm
ωout = 2π·180/60 = 18,85 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 1500·0,95² = 1354 W
Tout = Pout/ωout = 1354/18,85 = 71,82 N·m

Odpowiedź

Tout = 71,82 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 14,37 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 750·1000·500/(39000·38350) = 0,2507 rad
φ = 0,2507·180/π = 14,37°

Odpowiedź

φ = 14,37°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 42,9 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 = 10000/31,42 = 318,3 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(40⁴ − 32⁴)/32 = 148384 mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 318310·20/148384 = 42,9 MPa

Odpowiedź

τmax = 42,9 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = −77,51 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 dla ścianki y′

σy′ = 30 − 90·0,766 − 60·0,6428 = −77,51 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 137,5 MPa, σx′ + σy′ = 60 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = −77,51 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 65,89 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 = 30 + 50·0,342 + 20·0,9397 = 65,89 MPa

Odpowiedź

σθ = 65,89 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 4,476 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 90·1000/201,1 = 447,6 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 447,6/100000 = 0,004476 = 4476 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,004476·1000 mm = 4,476 mm

Odpowiedź

δ = 4,476 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 13,24 MPa

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.

Sztywności

k₁ = 200000·706,9/600 = 235619 N/mm
k₂ = 70000·1257/300 = 293215 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 30000·293215/528835 = 16634 N

Naprężenie

σ2 = 16634/1257 = 13,24 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 13,24 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 68,54 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1500 = 1500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/1500² = 68539 N = 68,54 kN

Odpowiedź

Pcr = 68,54 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 89,33 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 = 3·80000 = 240000 N
KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·240000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 89,33 mm

Odpowiedź

d = 89,33 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 134,3, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 12,73 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 = √(200000/20) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,6²) = 12,73 Hz

Odpowiedź

fd = 12,73 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,249 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/50 → keq = 25·50/(25 + 50) = 16,67 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(16667/40) = 20,41 rad/s
fn = 20,41/(2π) = 3,249 Hz

Odpowiedź

fn = 3,249 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design