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​ = 150 mmd2​ = 250 mm720 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 150 mm obracające się z prędkością 720 obr/min napędza przez pas koło 250 mm z poślizgiem 3 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 250 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 24B = 32C = 15D = 32

Silnik o mocy 15 kW i prędkości 1440 rpm napędza koło A (24 zębów), które współpracuje z kołem B (32 zębów). Koło C (15 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (32 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 24B = 32C = 15D = 32ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 100 N·mABC1 m0,5 m

Pełny wał schodkowy (mosiądz) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 30 mm i długość 1 m; odcinek BC ma średnicę 25 mm i długość 0,5 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 100 N·m. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

T = 100 N·md1 = 30 mm, L1 = 1 md2 = 25 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?75 kW, 1000 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 75 kW przy 1000 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,7 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 75 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,7τallow = 80 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 120σy​ = 110τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 120 MPa, σᵧ = 110 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 120 MPaσy = 110 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 40 mm przenosi osiową siłę ściskającą 160 kN wraz z momentem skręcającym 1500 N·m. Na powierzchni wału, wyznacz największe naprężenie główne σ1.

d = 40 mmF = −160 kNT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
100 kNØ3070 GPaØ100/60500 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 30 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 70 GPa). Oba mają długość 500 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 100 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 100 kNpręt: Ø30 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 40 mmMosiądz1,5 mØ 20 mmMiedź1 mP = 35 kN

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

P = 35 kNodcinek 1: Ø40 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1 m, miedź (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 60 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 60 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 60 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx25 mm1 cykl9,6 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 25 mm jeden cykl później następuje maksimum 9,6 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 25 mmx1 = 9,6 mmn = 1
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 20k3​ = 15m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na sprężynie k₃ = 15 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 30 kN/m i k₂ = 20 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 419 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

720·150/250 = 432 rpm

Z poślizgiem

n2 = 432·0,97 = 419 rpm

Odpowiedź

n2 = 419 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 255,4 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 = 1440·(24/32)·(15/32) = 506,3 rpm
ωout = 2π·506,3/60 = 53,01 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 15000·0,95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/53,01 = 255,4 N·m

Odpowiedź

Tout = 255,4 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 32,59 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.

Naprężenie w każdym odcinku

T = 100 N·m = 100000 N·mm
τAB = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa
τBC = 16·100000/(π·25³) = 32,59 MPa

Odpowiedź

τmax = 32,59 MPa
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 39,15 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 zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 716,2 N·m = 716197 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·716197/(π·80·0,7599)) = 39,15 mm
di = 0,7·39,15 = 27,4 mm

Odpowiedź

do = 39,15 mm

Wał pełny wymagałby d = 35,72 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 60,21 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 = √(((120 − 110)/2)² + 60²) = 60,21 MPa

Odpowiedź

τmax = 60,21 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σ1 = 71,62 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.

Naprężenia na powierzchni

σ = F/A = −160000/(π·40²/4) = −160000/1257 = −127,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·40³) = 119,4 MPa
στxyCσ1​σ2​

Koło Mohra

C = σ/2 = −63,66 MPa
R = √((−63,66)² + 119,4²) = 135,3 MPa
σ1 = C + R = 71,62 MPa
σ2 = C − R = −198,9 MPa

Odpowiedź

σ1 = 71,62 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,1014 mm

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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·5027 = 4,932 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 100000·500/4,932 × 10⁸ = 0,1014 mm

Odpowiedź

δ = 0,1014 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 1,37 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 27,85 MPa
σ2 = 111,4 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 27,85·1500/100000 = 0,4178 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111,4·1000/117000 = 0,9522 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,37 mm

Odpowiedź

δ = 1,37 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 506,2 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/2800² = 506225 N = 506,2 kN

Odpowiedź

Pcr = 506,2 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 122,7 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 = 2·60000 = 120000 N
KL = 2·4000 = 8000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·8000²/(π³·70000))^(1/4) = 122,7 mm

Odpowiedź

d = 122,7 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 260,9, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1506

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.

Logarytmiczny dekrement tłumienia

δ = (1/1)·ln(25/9,6) = 0,9571

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9571/√(39,48 + 0,9161) = 0,1506

Odpowiedź

ζ = 0,1506
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 5,406 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

Tylko k1 i k2 są połączone równolegle. Ta para jest szeregowo z k3, więc połącz je przez odwrotności.

k12 = 30 + 20 = 50 kN/m
keq = 50·15/(50 + 15) = 11,54 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(11538/10) = 33,97 rad/s
fn = 33,97/(2π) = 5,406 Hz

Odpowiedź

fn = 5,406 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design