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​ = 18N2​ = 36

Silnik o mocy 1,1 kW pracujący z prędkością 2900 rpm napędza zębnik o 18 zębach, który zazębia się z kołem o 36 zębach. Sprawność pary kół wynosi 95%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 36η = 95%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 12B = 48C = 25D = 48

W przekładni dwustopniowej koło A (12 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (48 zębów). Koło C (25 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (48 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 2900 rpmA = 12B = 48C = 25D = 48
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 250 N·mABC0,5 m1,5 m

Pełny wał schodkowy (aluminium) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 75 mm i długość 0,5 m; odcinek BC ma średnicę 50 mm i długość 1,5 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 250 N·m. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

T = 250 N·md1 = 75 mm, L1 = 0,5 md2 = 50 mm, L2 = 1,5 m
τmax = MPa
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 40 mm, di​ = 24 mm

Wał drążony przenosi 10 kW przy 1500 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 10 kWN = 1500 rpmdo = 40 mmdi = 24 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −60σy​ = 60τxy​ = −20MPa

W punkcie σₓ = −60 MPa, σᵧ = 60 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θs z przedziału od −90° do 90°, mierzony od osi x do normalnej płaszczyzny, na której naprężenie styczne osiąga maksymalną wartość dodatnią +R (naprężenie styczne dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = 60 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 110σy​ = 10τxy​ = 20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 110 MPa, σᵧ = 10 MPa i τₓᵧ = 20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 110 MPaσy = 10 MPaτxy = 20 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
300 kNØ20110 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 20 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: brąz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 110 GPa). Oba mają długość 300 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 300 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 300 kNpręt: Ø20 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 40 mmAluminium0,5 mØ 20 mmMosiądz1 mP = 60 kN

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

P = 60 kNodcinek 1: Ø40 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1 m, mosiądz (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 200 GPa (stal)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 2 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 50 kN/mζ = 0,45m = 5 kg

Masa 5 kg na sprężynie o sztywności 50 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,45. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 5 kgk = 50 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 20k2​ = 40m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 20 kN/m, a dolna k₂ = 40 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 6,882 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 3,622·36/18·0,95 = 6,882 N·m

Odpowiedź

T2 = 6,882 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 377,6 rpm

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.

Pierwszy stopień

nB = 2900·12/48 = 725 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 725·25/48 = 377,6 rpm

Odpowiedź

nout = 377,6 rpm

przełożenie całkowite = 7,68 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 10,19 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·75³) = 3,018 MPa
τBC = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa

Odpowiedź

τmax = 10,19 MPa
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 5,82 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 10000/157,1 = 63,66 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 63662·20/218755 = 5,82 MPa

Odpowiedź

τmax = 5,82 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θs = 54,22 °

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​

Kąt na kole

Na kole Mohra najwyższy punkt (+R) jest odległy o 90° od punktu głównego σ₁; na elemencie odpowiada to 45°.

cos 2θs = −20/63,25 = −0,3162, sin 2θs = −(−60)/63,25 = 0,9487
2θs = atan2(60, −20) = 108,4°

Kąt na elemencie

θs = 54,22°
sprawdzenie: θs − θp = 54,22 − (−80,78) = 135°

Odpowiedź

θs = 54,22°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = −16,82 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 = −50·0,6428 + 20·0,766 = −16,82 MPa

Odpowiedź

τθ = −16,82 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,1266 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·5890 = 7,108 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 300000·300/7,108 × 10⁸ = 0,1266 mm

Odpowiedź

δ = 0,1266 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,251 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 = 47,75 MPa
σ2 = 191 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 47,75·500/70000 = 0,341 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 191·1000/100000 = 1,91 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,251 mm

Odpowiedź

δ = 2,251 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 12,56 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2500² = 12558 N = 12,56 kN

Odpowiedź

Pcr = 12,56 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 12,34 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/10 = 400

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Odpowiedź

σcr = 12,34 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 14,21 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 = √(50000/5) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15,92·√(1 − 0,45²) = 14,21 Hz

Odpowiedź

fd = 14,21 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,109 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 = 1/20 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13,33 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(13333/20) = 25,82 rad/s
fn = 25,82/(2π) = 4,109 Hz

Odpowiedź

fn = 4,109 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design