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​ = 24N2​ = 45

Silnik o mocy 4 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 24 zębach, który zazębia się z kołem o 45 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 45η = 100%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 40C = 25D = 40

W przekładni dwustopniowej koło A (20 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 3000 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (25 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (40 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 3000 rpmA = 20B = 40C = 25D = 40
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 50 mmd2​ = 25 mmT = 250 N·mABC0,5 m2 m

Pełny wał schodkowy (mosiądz) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 50 mm i długość 0,5 m; odcinek BC ma średnicę 25 mm i długość 2 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 250 N·m. Wyznacz kąt skręcenia φC końca C w stopniach.

T = 250 N·md1 = 50 mm, L1 = 0,5 md2 = 25 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 80 mm, di​ = 40 mm

Wał drążony przenosi 75 kW przy 1450 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 75 kWN = 1450 rpmdo = 80 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 60σy​ = −20τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 60 MPa, σᵧ = −20 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 60 MPaσy = −20 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −40σy​ = 30τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −40 MPa, σᵧ = 30 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −40 MPaσy = 30 MPaτxy = 10 MPaθ = -30°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 16 mmAluminium0,5 mP = 35 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (aluminium) pod obciążeniem osiowym.

P = 35 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 40 mmStal2 mØ 12 mmMosiądz1 mP = 110 kN

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

P = 110 kNodcinek 1: Ø40 mm, 2 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1 m, mosiądz (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1 md = 20 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 = 1 mE = 70 GPa (aluminium)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 65 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 65 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 65 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 20 kN/mζ = 0,7m = 15 kg

Masa 15 kg na sprężynie o sztywności 20 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,7. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 15 kgk = 20 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 50k3​ = 25m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na sprężynie k₃ = 25 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 30 kN/m i k₂ = 50 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 49,74 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 = 4000/150,8 = 26,53 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 26,53·45/24·1 = 49,74 N·m

Odpowiedź

T2 = 49,74 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 937,5 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 = 3000·20/40 = 1500 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1500·25/40 = 937,5 rpm

Odpowiedź

nout = 937,5 rpm

przełożenie całkowite = 3,2 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 19,45 °

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.

Biegunowe momenty bezwładności

J1 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Kąt skręcenia każdego odcinka

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 250000·500/(39000·613592) = 0,005224 rad
φBC = 250000·2000/(39000·38350) = 0,3343 rad

Całkowity kąt skręcenia

φC = 0,005224 + 0,3343 = 0,3395 rad = 19,45°

Odpowiedź

φC = 19,45°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 5,241 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(80⁴ − 40⁴)/32 = 3,77 × 10⁶ mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 493929·40/3,77 × 10⁶ = 5,241 MPa

Odpowiedź

τmax = 5,241 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 18,43 °

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(2·30, 60 − −20) = 36,87°

Kąt na elemencie

θp = 18,43°

Odpowiedź

θp = 18,43°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = −25,31 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 = −−35·−0,866 + 10·0,5 = −25,31 MPa

Odpowiedź

τθ = −25,31 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 1,243 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 35·1000/201,1 = 174,1 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 174,1/70000 = 0,002487 = 2487 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,002487·500 mm = 1,243 mm

Odpowiedź

δ = 1,243 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 10,6 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 87,54 MPa
σ2 = 972,6 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 87,54·2000/200000 = 0,8754 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 972,6·1000/100000 = 9,726 mm
δ = δ1 + δ2 = 10,6 mm

Odpowiedź

δ = 10,6 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 11,07 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/700² = 11074 N = 11,07 kN

Odpowiedź

Pcr = 11,07 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 71,97 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 = 2,5·65000 = 162500 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·162500·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 71,97 mm

Odpowiedź

d = 71,97 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 222,3, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 4,15 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 = √(20000/15) = 36,51 rad/s
fn = 36,51/(2π) = 5,812 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,812·√(1 − 0,7²) = 4,15 Hz

Odpowiedź

fd = 4,15 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,393 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 + 50 = 80 kN/m
keq = 80·25/(80 + 25) = 19,05 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(19048/25) = 27,6 rad/s
fn = 27,6/(2π) = 4,393 Hz

Odpowiedź

fn = 4,393 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design