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​ = 200 mmd2​ = 500 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 200 mm z prędkością 1500 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 800 N, a w cięgnie biernym 160 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 200 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 18B = 48C = 16D = ?

W przekładni wielostopniowej koło A (18 zębów) na wale wejściowym obraca się z prędkością 3000 rpm i napędza koło B (48 zębów). Koło C (16 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D na wale wyjściowym. Wał wyjściowy ma się obracać z prędkością 375 rpm. Ile zębów ND musi mieć koło D?

nin = 3000 rpmA = 18B = 48C = 16nout = 375 rpm
ND =
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 200 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 200 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,7 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 60 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 200 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 500 N·mABC1,2 m2 m

Pełny wał (stal) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 400 N·m działa w B, w odległości 1,2 m od A, a moment 500 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 2 m dalej. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

d = 40 mmTB = 400 N·mTC = 500 N·mAB = 1,2 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −80σy​ = −20τxy​ = 30MPa

W punkcie σₓ = −80 MPa, σᵧ = −20 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = −80 MPaσy = −20 MPaτxy = 30 MPaθ = 30°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 110σy​ = 0τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 110 MPa, σᵧ = 0 MPa i τₓᵧ = 60 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 = 110 MPaσy = 0 MPaτxy = 60 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmMosiądz0,5 mP = 120 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (mosiądz) pod obciążeniem osiowym.

P = 120 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø40120 GPaØ120/50400 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 200 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: miedź, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 120 GPa, naprężenie dopuszczalne 50 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MParura: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 m25 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 4 mE = 200 GPa (stal)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 3 md = 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 3 mE = 200 GPa (stal)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 150 kN/mζ = 0,35m = 100 kg

Masa 100 kg na sprężynie o sztywności 150 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,35. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 100 kgk = 150 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 5m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 5 kN/m, a dolna k₂ = 5 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 10,05 kW

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 pasa

v = 15,71 m/s

Moc

P = (800 − 160)·15,71 = 10053 W = 10,05 kW

Odpowiedź

P = 10,05 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: ND = 48

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 wału pośredniego

nB = nC = 3000·18/48 = 1125 rpm

Liczba zębów koła D

ND = C·nC/nout = 16·1125/375 = 48

Odpowiedź

ND = 48
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 28,16 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.

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 200 N·m = 200000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·200000/(π·60·0,7599)) = 28,16 mm
di = 0,7·28,16 = 19,71 mm

Odpowiedź

do = 28,16 mm

Wał pełny wymagałby d = 25,7 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 39,79 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.

Momenty wewnętrzne

Zwrot TC przyjęty jako dodatni.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 400 = 100 N·m

Maksymalne naprężenie styczne

Największe naprężenie ma odcinek z największym momentem wewnętrznym (ta sama średnica).

|T|max = 500 N·m
τmax = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa

Odpowiedź

τmax = 39,79 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = −60,98 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 dla ścianki y′

σy′ = −50 − (−30)·0,5 − 30·0,866 = −60,98 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = −39,02 MPa, σx′ + σy′ = −100 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = −60,98 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 55 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 = −55·−1 + 60·0 = 55 MPa

Odpowiedź

τθ = 55 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,8488 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 = 120·1000/706,9 = 169,8 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 169,8/100000 = 0,001698 = 1698 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,001698·500 mm = 0,8488 mm

Odpowiedź

δ = 0,8488 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 572 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·9346 = 1,373 × 10⁹ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,001, 0,0004167) = 0,0004167 (miedź)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0004167·1,373 × 10⁹ = 572032 N = 572 kN

Odpowiedź

Pmax = 572 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 38,55 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/2000² = 38553 N = 38,55 kN

Odpowiedź

Pcr = 38,55 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 100,7 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/15 = 140

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Odpowiedź

σcr = 100,7 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 5,774 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 = √(150000/100) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,164·√(1 − 0,35²) = 5,774 Hz

Odpowiedź

fd = 5,774 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 2,5 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 = 1/5 + 1/5 → keq = 5·5/(5 + 5) = 2,5 kN/m

Odpowiedź

keq = 2,5 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design