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 112,5 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 5 mm i przełożeniu redukującym 1,5 : 1. Ile zębów N2 musi mieć koło?

a = 112,5 mmm = 5 mmi = 1,5
N2 =
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 48B = 80C = 32D = 40

Silnik o mocy 1,1 kW i prędkości 1450 rpm napędza koło A (48 zębów), które współpracuje z kołem B (80 zębów). Koło C (32 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (40 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 97 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 1,1 kWnin = 1450 rpmA = 48B = 80C = 32D = 40ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 50 mmL = 0,8 mφ = ?

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

T = 250 N·md = 50 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 25 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 200 N·mABC1,5 m1,2 m

Pełny wał (aluminium) o średnicy 25 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 500 N·m działa w B, w odległości 1,5 m od A, a moment 200 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1,2 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 25 mmTB = 500 N·mTC = 200 N·mAB = 1,5 mBC = 1,2 mG = 26 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 150σy​ = −70τxy​ = 40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 150 MPa, σᵧ = −70 MPa i τₓᵧ = 40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 150 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −30σy​ = 50τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −30 MPa, σᵧ = 50 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 45° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −30 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmAluminium1 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 10 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmStal2 mØ 20 mmMiedź0,5 mP = 105 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz całkowite wydłużenie δ.

P = 105 kNodcinek 1: Ø25 mm, 2 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 0,5 m, miedź (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1 m25 × 40 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 60 kNL = 2,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 60 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 60 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 4 kN/mc = 40 N·s/mm = 12 kg

Masa 12 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 4 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 40 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 12 kgk = 4 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 12m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 30 kN/m, a dolna k₂ = 12 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: N2 = 27

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 = 2·112,5/5 = 45

Podział według przełożenia

N1 = 45/(1 + 1,5) = 18
N2 = 1,5·18 = 27

Odpowiedź

N2 = 27
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 14,2 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 1450·(48/80)·(32/40) = 696 rpm
ωout = 2π·696/60 = 72,88 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 1100·0,97² = 1035 W
Tout = Pout/ωout = 1035/72,88 = 14,2 N·m

Odpowiedź

Tout = 14,2 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,4789 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 250·1000·800/(39000·613592) = 0,008358 rad
φ = 0,008358·180/π = 0,4789°

Odpowiedź

φ = 0,4789°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 12,07 °

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 = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 500 = −300 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = −300000·1500/(26000·38350) = −0,4513 rad
φBC = 200000·1200/(26000·38350) = 0,2407 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = −0,4513 + 0,2407 = −0,2106 rad → |φC| = 12,07°

Odpowiedź

φC = 12,07°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 9,992 °

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(2·40, 150 − −70) = 19,98°

Kąt na elemencie

θp = 9,992°

Odpowiedź

θp = 9,992°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = −40 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

τθ = −−40·−1 + 30·0 = −40 MPa

Odpowiedź

τθ = −40 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 19099 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 105·1000/78,54 = 1337 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 1337/70000 = 0,0191 = 19099 µε

Odpowiedź

ε = 19099 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 3,567 mm

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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 213,9 MPa
σ2 = 334,2 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 213,9·2000/200000 = 2,139 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 334,2·500/117000 = 1,428 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,567 mm

Odpowiedź

δ = 3,567 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 35,98 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1000 = 1000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/1000² = 35983 N = 35,98 kN

Odpowiedź

Pcr = 35,98 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 51,27 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 = 2,5·60000 = 150000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·1250²/(π³·70000))^(1/4) = 51,27 mm

Odpowiedź

d = 51,27 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 97,52, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,09129

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·√(4000·12) = 438,2 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 40/438,2 = 0,09129

Odpowiedź

ζ = 0,09129

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

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,33 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 = 1/30 + 1/12 → keq = 30·12/(30 + 12) = 8,571 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(8571/40) = 14,64 rad/s
fn = 14,64/(2π) = 2,33 Hz

Odpowiedź

fn = 2,33 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design