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​ = 16N2​ = 30

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 16 zębach, który zazębia się z kołem o 30 zębach. Sprawność pary kół wynosi 96%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 3 kWn1 = 1440 rpmN1 = 16N2 = 30η = 96%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 160 mm i koło 300 mm, których środki są oddalone o 600 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 160 mmd2 = 300 mmC = 600 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 60 mmd2​ = 40 mmT = 400 N·mABC2 m1,2 m

Pełny wał schodkowy (stal) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 60 mm i długość 2 m; odcinek BC ma średnicę 40 mm i długość 1,2 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 400 N·m. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

T = 400 N·md1 = 60 mm, L1 = 2 md2 = 40 mm, L2 = 1,2 m
τmax = MPa
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 80 mm, di​ = 64 mm

Wał drążony przenosi 10 kW przy 500 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 10 kWN = 500 rpmdo = 80 mmdi = 64 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −70σy​ = 60τxy​ = 60MPa

W punkcie σₓ = −70 MPa, σᵧ = 60 MPa i τₓᵧ = 60 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 = −70 MPaσy = 60 MPaτxy = 60 MPaθ = 30°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 50 mm przenosi osiową siłę rozciągającą 120 kN wraz z momentem skręcającym 1500 N·m. Na powierzchni wału, wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

d = 50 mmF = 120 kNT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmAluminium1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 30 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmAluminium1 mØ 20 mmStal0,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNodcinek 1: Ø35 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 m30 × 60 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 = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 20 kNL = 5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 20 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 20 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 40 kN/mζ = 0,5m = 12 kg

Masa 12 kg na sprężynie o sztywności 40 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,5. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

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

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 40 kN/m i k₂ = 12 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 35,81 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 = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 19,89·30/16·0,96 = 35,81 N·m

Odpowiedź

T2 = 35,81 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 166,6 °

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.

Kąt pasa

asin(0,1167) = 6,7°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·6,7 = 166,6°

Odpowiedź

θ = 166,6°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 31,83 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 = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·60³) = 9,431 MPa
τBC = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa

Odpowiedź

τmax = 31,83 MPa
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 3,218 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 10000/52,36 = 191 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(80⁴ − 64⁴)/32 = 2,374 × 10⁶ mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 190986·40/2,374 × 10⁶ = 3,218 MPa

Odpowiedź

τmax = 3,218 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = −24,46 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′ = −5 − (−65)·0,5 − 60·0,866 = −24,46 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 14,46 MPa, σx′ + σy′ = −10 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = −24,46 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 68,33 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 = 120000/(π·50²/4) = 120000/1963 = 61,12 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCτmax​

Koło Mohra

C = σ/2 = 30,56 MPa
R = √(30,56² + 61,12²) = 68,33 MPa

Odpowiedź

τmax = 68,33 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 1516 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 75·1000/706,9 = 106,1 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 106,1/70000 = 0,001516 = 1516 µε

Odpowiedź

ε = 1516 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,6842 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 31,18 MPa
σ2 = 95,49 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 31,18·1000/70000 = 0,4454 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 95,49·500/200000 = 0,2387 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,6842 mm

Odpowiedź

δ = 0,6842 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 3,731 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 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·5000 = 5000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·135000/5000² = 3731 N = 3,731 kN

Odpowiedź

Pcr = 3,731 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 77,92 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 = 2,5·20000 = 50000 N
KL = 1·5000 = 5000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·50000·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 77,92 mm

Odpowiedź

d = 77,92 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 256,7, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 7,958 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 = √(40000/12) = 57,74 rad/s
fn = 57,74/(2π) = 9,189 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 9,189·√(1 − 0,5²) = 7,958 Hz

Odpowiedź

fd = 7,958 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 8,115 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 obok siebie mają to samo ugięcie, a ich siły się sumują, więc ich sztywności po prostu się dodaje: k = k1 + k2.

keq = 40 + 12 = 52 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(52000/20) = 50,99 rad/s
fn = 50,99/(2π) = 8,115 Hz

Odpowiedź

fn = 8,115 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design