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​ = 30, m = 3 mm

Silnik o mocy 2,2 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 30 zębach i module 3 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 2,2 kWn = 1440 rpmN1 = 30m = 3 mm
Ft = N
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 25B = 30C = 12D = 16

Silnik o mocy 4 kW i prędkości 960 rpm napędza koło A (25 zębów), które współpracuje z kołem B (30 zębów). Koło C (12 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (16 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 98 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 4 kWnin = 960 rpmA = 25B = 30C = 12D = 16ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 40, di​ = 20 mmT = 200 N·mL = 1,2 m

Drążony wał (stal) (średnica zewnętrzna 40 mm, wewnętrzna 20 mm, długość 1,2 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 200 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 200 N·mdo = 40 mmdi = 20 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 10 kW przy 750 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 10 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 90σy​ = −50τxy​ = 30MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 90 MPa, σᵧ = −50 MPa i τₓᵧ = 30 MPa, przy σz = 0. Wyznacz bezwzględne maksymalne naprężenie styczne τabs w tym punkcie (z uwzględnieniem wszystkich płaszczyzn w trzech wymiarach).

σx = 90 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −70σy​ = 100τxy​ = −50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −70 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = −50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −70 MPaσy = 100 MPaτxy = −50 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
200 kNØ30110 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 30 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 200 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 200 kNpręt: Ø30 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmMiedź0,5 mØ 16 mmMosiądz1,5 mP = 70 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz największe naprężenie normalne σmax w pręcie.

P = 70 kNodcinek 1: Ø30 mm, 0,5 m, miedź (E = 117 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 60 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 = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 1,5 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (stal)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 43,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 4 cyklach następuje maksimum 3,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx4 = 3,3 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 10k2​ = 10m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 10 kN/m i k₂ = 10 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 324,2 N

Geometria kół zębatych: moduł m określa wielkość zęba. Koło o N zębach ma średnicę podziałową d = m·N, dwa współpracujące koła mają ten sam moduł, a ich odległość osi wynosi a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Prędkość obwodowa na średnicy podziałowej to v = π·d·n/60, a siła obwodowa na zębie wynika z momentu: Ft = 2T/d.

Moment na zębniku

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 2200/150,8 = 14,59 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 3·30 = 90 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·14,59/0,09 = 324,2 N

Odpowiedź

Ft = 324,2 N
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 61,14 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.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 960·(25/30)·(12/16) = 600 rpm
ωout = 2π·600/60 = 62,83 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 4000·0,98² = 3842 W
Tout = Pout/ωout = 3842/62,83 = 61,14 N·m

Odpowiedź

Tout = 61,14 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,7295 °

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(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Kąt skręcenia

T = 200 N·m = 200000 N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 200000·1200/(80000·235619) = 0,01273 rad
φ = 0,01273·180/π = 0,7295°

Odpowiedź

φ = 0,7295°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 20,09 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.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·80)) = 20,09 mm

Odpowiedź

d = 20,09 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τabs = 76,16 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. W trzech wymiarach bezwzględne maksymalne naprężenie styczne wynosi (σmax − σmin)/2 ze wszystkich trzech naprężeń głównych; w płaskim stanie naprężenia trzecie jest równe zeru.

στxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne w płaszczyźnie

C = 20 MPa, R = √(70² + 30²) = 76,16 MPa
σ1 = 96,16 MPa, σ2 = −56,16 MPa, σz = 0

Największe z trzech kół

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(152,3, 96,16, 56,16)/2 = 76,16 MPa

Odpowiedź

τabs = 76,16 MPa

Tutaj σ₁ i σ₂ mają przeciwne znaki, więc maksimum w płaszczyźnie R jest też maksimum bezwzględnym.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −82,25 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 = 15 + −85·0,766 + −50·0,6428 = −82,25 MPa

Odpowiedź

σθ = −82,25 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,07601 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·5890 = 7,893 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 200000·300/7,893 × 10⁸ = 0,07601 mm

Odpowiedź

δ = 0,07601 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 348,2 MPa

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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 348,2 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 348,2 MPa

Odpowiedź

σmax = 348,2 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 99,66 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/2100² = 99663 N = 99,66 kN

Odpowiedź

Pcr = 99,66 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 137,1 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·1500 = 1500 mm
KL/r = 1500/12,5 = 120

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/120² = 137,1 MPa

Odpowiedź

σcr = 137,1 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,06014

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.

Logarytmiczny dekrement tłumienia

δ = (1/4)·ln(15/3,3) = 0,3785

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3785/√(39,48 + 0,1433) = 0,06014

Odpowiedź

ζ = 0,06014
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,559 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 = 10 + 10 = 20 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(20000/40) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Odpowiedź

fn = 3,559 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design