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​ = 20N2​ = 36

Silnik o mocy 0,75 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 20 zębach, który zazębia się z kołem o 36 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 0,75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 20N2 = 36η = 100%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 80 mm i koło 200 mm, których środki są oddalone o 500 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 500 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 20 mmT = 75 N·m200 mmφ = 1,4°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 20 mm jest skręcana momentem 75 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 200 mm obracają się względem siebie o 1,4° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 75 N·md = 20 mmL = 200 mmφ = 1,4°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 75 kW przy 1000 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 50 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −50σy​ = 20τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −50 MPa, σᵧ = 20 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = −50 MPaσy = 20 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −20σy​ = 50τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −20 MPa, σᵧ = 50 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 = −20 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmAluminium0,5 mP = 40 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (aluminium) pod obciążeniem osiowym.

P = 40 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø2070 GPaØ120/70600 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 20 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 160 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 70 mm, E = 70 GPa, naprężenie dopuszczalne 50 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MParura: Ø120/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 6 md = 40 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 = 6 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 80 kNL = 1,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 80 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 80 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 2 kN/mc = 20 N·s/mm = 12 kg

Masa 12 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 2 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 20 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 12 kgk = 2 kN/mc = 20 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 15k2​ = 80m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 15 kN/m, a dolna k₂ = 80 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 25 kgk1 = 15 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 4,974 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 = 750/150,8 = 4,974 N·m

Odpowiedź

T1 = 4,974 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 166,2 °

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.

Kąt pasa

asin(0,12) = 6,892°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·6,892 = 166,2°

Odpowiedź

θ = 166,2°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 39,08 GPa

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 i kąt

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 1,4·π/180 = 0,02443 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 75 N·m = 75000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 75000·200/(15708·0,02443) = 39081 MPa
G = 39,08 GPa

Odpowiedź

G = 39,08 GPa

Porównaj: stal ≈ 80 GPa, mosiądz ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 41,78 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·716197/(π·50)) = 41,78 mm

Odpowiedź

d = 41,78 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 82,03 °

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(2·10, −50 − 20) = 164,1°

Kąt na elemencie

θp = 82,03°

Odpowiedź

θp = 82,03°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 38,47 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 + −35·0,1736 + 30·0,9848 = 38,47 MPa

Odpowiedź

σθ = 38,47 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,4042 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 40·1000/706,9 = 56,59 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 56,59/70000 = 0,0008084 = 808,4 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,0008084·500 mm = 0,4042 mm

Odpowiedź

δ = 0,4042 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 417,9 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(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·7461 = 5,851 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,0008, 0,0007143) = 0,0007143 (aluminium)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0007143·5,851 × 10⁸ = 417944 N = 417,9 kN

Odpowiedź

Pmax = 417,9 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 4,922 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/4200² = 4922 N = 4,922 kN

Odpowiedź

Pcr = 4,922 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 57,08 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 = 2·80000 = 160000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·160000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 57,08 mm

Odpowiedź

d = 57,08 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 105,1, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,06455

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.

Tłumienie krytyczne

cc = 2·√(k·m) = 2·√(2000·12) = 309,8 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 20/309,8 = 0,06455

Odpowiedź

ζ = 0,06455

ζ < 1, więc tłumienie jest podkrytyczne, a układ drga z malejącą amplitudą.

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 12,63 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 = 1/15 + 1/80 → keq = 15·80/(15 + 80) = 12,63 kN/m

Odpowiedź

keq = 12,63 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design