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​ = 450 mm960 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 125 mm obracające się z prędkością 960 obr/min napędza przez pas koło 450 mm z poślizgiem 2 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 450 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 12B = 15C = 12D = 60

Silnik o mocy 11 kW i prędkości 1440 rpm napędza koło A (12 zębów), które współpracuje z kołem B (15 zębów). Koło C (12 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (60 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 97 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 12B = 15C = 12D = 60ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 50, di​ = 30 mmT = 1000 N·mL = 1,5 m

Drążony wał (mosiądz) (średnica zewnętrzna 50 mm, wewnętrzna 30 mm, długość 1,5 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 1000 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 1000 N·mdo = 50 mmdi = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmT0​ = 750 N·mACBa = 2 mb = 1,5 m

Pełny wał (stal) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w sztywnych ścianach na obu końcach A i B. W C, w odległości 2 m od A i 1,5 m od B, przyłożono moment skręcający 750 N·m. Wyznacz kąt obrotu φC przekroju C w stopniach.

d = 50 mmT0 = 750 N·ma = 2 mb = 1,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 90σy​ = 70τxy​ = 20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 90 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = 20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 90 MPaσy = 70 MPaτxy = 20 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −40σy​ = 70τxy​ = −30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −40 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = −30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 40° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −40 MPaσy = 70 MPaτxy = −30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmMosiądz1,5 mP = 55 kN

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

P = 55 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø2070 GPaØ100/50300 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 20 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 200 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 70 GPa, naprężenie dopuszczalne 80 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MParura: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 md = 25 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)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 2 mE = 200 GPa (stal)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 100 kN/mζ = 0,6m = 150 kg

Masa 150 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 = 150 kgk = 100 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 12k2​ = 12m = 5 kg

Masa 5 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 12 kN/m, a dolna k₂ = 12 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 261,3 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

960·125/450 = 266,7 rpm

Z poślizgiem

n2 = 266,7·0,98 = 261,3 rpm

Odpowiedź

n2 = 261,3 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 429 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 = 1440·(12/15)·(12/60) = 230,4 rpm
ωout = 2π·230,4/60 = 24,13 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/24,13 = 429 N·m

Odpowiedź

Tout = 429 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 4,126 °

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(50⁴ − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

Kąt skręcenia

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·1500/(39000·534071) = 0,07202 rad
φ = 0,07202·180/π = 4,126°

Odpowiedź

φ = 4,126°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 0,7504 °

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. Gdy oba końce są utwierdzone, sama statyka daje tylko TA + TB = T₀; drugim równaniem jest warunek zgodności (równy kąt skręcenia obu części w obciążonym przekroju).

Równowaga i zgodność

TA + TB = 750
TA·a = TB·b
TA = 750·1,5/3,5 = 321,4 N·m
TB = 750·2/3,5 = 428,6 N·m

Obrót przekroju C

Użyj odcinka AC: jest utwierdzony w A i przenosi TA.

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 321429·2000/(80000·613592) = 0,0131 rad = 0,7504°

Odpowiedź

φC = 0,7504°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 22,36 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.

σxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((90 − 70)/2)² + 20²) = 22,36 MPa

Odpowiedź

τmax = 22,36 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −24,09 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 = 15 + −55·0,1736 + −30·0,9848 = −24,09 MPa

Odpowiedź

σθ = −24,09 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 778,1 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 55·1000/706,9 = 77,81 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 77,81/100000 = 0,0007781 = 778,1 µε

Odpowiedź

ε = 778,1 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 475,2 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·5890 = 4,752 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,001, 0,001143) = 0,001 (stal)

Największe obciążenie

Pmax = 0,001·4,752 × 10⁸ = 475166 N = 475,2 kN

Odpowiedź

Pmax = 475,2 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 16,82 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1500 = 1500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/1500² = 16822 N = 16,82 kN

Odpowiedź

Pcr = 16,82 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 77,11 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Odpowiedź

σcr = 77,11 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 3,287 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 = √(100000/150) = 25,82 rad/s
fn = 25,82/(2π) = 4,109 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,109·√(1 − 0,6²) = 3,287 Hz

Odpowiedź

fd = 3,287 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 5,513 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 = 1/12 + 1/12 → keq = 12·12/(12 + 12) = 6 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(6000/5) = 34,64 rad/s
fn = 34,64/(2π) = 5,513 Hz

Odpowiedź

fn = 5,513 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design