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​ = 160 mmd2​ = 250 mm1500 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 160 mm obracające się z prędkością 1500 obr/min napędza przez pas koło 250 mm z poślizgiem 2,5 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 1500 rpmd1 = 160 mmd2 = 250 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm1450 rpmC = 800 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 120 mm i koło 450 mm, których środki są oddalone o 800 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 120 mmd2 = 450 mmC = 800 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 80, di​ = 60 mmT = 400 N·mL = 1 m

Drążony wał (aluminium) (średnica zewnętrzna 80 mm, wewnętrzna 60 mm, długość 1 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 400 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 400 N·mdo = 80 mmdi = 60 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 1500 N·mABC1,5 m3 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 100 N·m działa w B, w odległości 1,5 m od A, a moment 1500 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 3 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 50 mmTB = 100 N·mTC = 1500 N·mAB = 1,5 mBC = 3 mG = 39 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 60σy​ = 100τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 60 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 60 MPaσy = 100 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −70σy​ = −60τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −70 MPa, σᵧ = −60 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 40° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −70 MPaσy = −60 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = 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 = ?Ø40100 GPaØ100/60800 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 250 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 100 GPa, naprężenie dopuszczalne 100 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MParura: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m30 × 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 1 md = 25 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 4 kN/mζ = 0,4m = 5 kg

Masa 5 kg na sprężynie o sztywności 4 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,4. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 5 kgk = 4 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 80k3​ = 50m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na sprężynie k₃ = 50 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 30 kN/m i k₂ = 80 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 936 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

1500·160/250 = 960 rpm

Z poślizgiem

n2 = 960·0,975 = 936 rpm

Odpowiedź

n2 = 936 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 156,2 °

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(0,2062) = 11,9°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·11,9 = 156,2°

Odpowiedź

θ = 156,2°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,3207 °

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.

Biegunowy moment bezwładności

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2,749 × 10⁶ mm⁴

Kąt skręcenia

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 400000·1000/(26000·2,749 × 10⁶) = 0,005597 rad
φ = 0,005597·180/π = 0,3207°

Odpowiedź

φ = 0,3207°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 15,8 °

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 = 1500 N·m
TAB = TC − TB = 1500 − 100 = 1400 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 1,4 × 10⁶·1500/(39000·613592) = 0,08776 rad
φBC = 1,5 × 10⁶·3000/(39000·613592) = 0,188 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,08776 + 0,188 = 0,2758 rad → |φC| = 15,8°

Odpowiedź

φC = 15,8°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 36,06 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 = √(((60 − 100)/2)² + 30²) = 36,06 MPa

Odpowiedź

τmax = 36,06 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −36,32 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

σθ = −65 + −5·0,1736 + 30·0,9848 = −36,32 MPa

Odpowiedź

σθ = −36,32 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 = 754 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(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·5027 = 7,54 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,00125, 0,001) = 0,001 (mosiądz)

Największe obciążenie

Pmax = 0,001·7,54 × 10⁸ = 753982 N = 754 kN

Odpowiedź

Pmax = 754 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 7,106 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·2500 = 5000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/5000² = 7106 N = 7,106 kN

Odpowiedź

Pcr = 7,106 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 26,99 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/6,25 = 160

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/160² = 26,99 MPa

Odpowiedź

σcr = 26,99 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 4,126 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 = √(4000/5) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,4²) = 4,126 Hz

Odpowiedź

fd = 4,126 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,951 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 + 80 = 110 kN/m
keq = 110·50/(110 + 50) = 34,38 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(34375/100) = 18,54 rad/s
fn = 18,54/(2π) = 2,951 Hz

Odpowiedź

fn = 2,951 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design