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 = 2,5 mm

Silnik o mocy 7,5 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 30 zębach i module 2,5 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 7,5 kWn = 1450 rpmN1 = 30m = 2,5 mm
Ft = N
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1440 rpmC = 500 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Pas otwarty łączy koło napędzające 80 mm o prędkości 1440 obr/min z kołem 250 mm; środki są oddalone o 500 mm. Współczynnik tarcia wynosi 0,35, a siła w cięgnie czynnym nie może przekroczyć 1500 N. Wyznacz największą moc P, jaką pas może przenieść bez poślizgu, w kW (pomiń efekty odśrodkowe).

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 250 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 1500 N
P = kW
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 250 N·md = 20 mmL = 1,5 mφ = ?

Pełny wał (stal) jest utwierdzony w ścianie i skręcany momentem T na swobodnym końcu. Wyznacz kąt skręcenia φ swobodnego końca w stopniach.

T = 250 N·md = 20 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 400 N·mABC0,5 m0,8 m

Pełny wał (stal) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 200 N·m działa w B, w odległości 0,5 m od A, a moment 400 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 0,8 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 400 N·mAB = 0,5 mBC = 0,8 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 70σy​ = −30MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = 70 MPa i σᵧ = −30 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 115 MPa?

σx = 70 MPaσy = −30 MPaσ1 = 115 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 10σy​ = −80τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 10 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 10 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
80 kNØ20100 GPaØ100/50500 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 20 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 50 mm, E = 100 GPa). Oba mają długość 500 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 80 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 80 kNpręt: Ø20 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
60 kN12300 mm300 mmØ30Ø40σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 30 mm, długość 300 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: miedź, średnica 40 mm, długość 300 mm, E = 120 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 60 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø40 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m25 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 4 md = 30 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 = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 80 kN/mζ = 0,5m = 40 kg

Masa 40 kg na sprężynie o sztywności 80 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,5. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 40 kgk = 80 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 100k2​ = 60k3​ = 30m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na sprężynie k₃ = 30 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 100 kN/m i k₂ = 60 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 = 100 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 1317 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Moment na zębniku

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 2,5·30 = 75 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·49,39/0,075 = 1317 N

Odpowiedź

Ft = 1317 N
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 5,652 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.

Kąt opasania

θ = 2,8 rad

Siła w cięgnie biernym

eμθ = e0,98 = 2,664, T₂ = 1500/2,664 = 563 N

Moc

P = (1500 − 563)·6,032 = 5,652 kW

Odpowiedź

P = 5,652 kW
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 17,1 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(80000·15708) = 0,2984 rad
φ = 0,2984·180/π = 17,1°

Odpowiedź

φ = 17,1°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 1,767 °

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 = 400 N·m
TAB = TC + TB = 400 + 200 = 600 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 600000·500/(80000·251327) = 0,01492 rad
φBC = 400000·800/(80000·251327) = 0,01592 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,01492 + 0,01592 = 0,03084 rad → |φC| = 1,767°

Odpowiedź

φC = 1,767°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 80,78 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.

Wymagany promień

C = (70 + (−30))/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 115 − 20 = 95 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(95² − 50²) = 80,78 MPa

Odpowiedź

τxy = 80,78 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = −23,97 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 = −45·0,866 + 30·0,5 = −23,97 MPa

Odpowiedź

τθ = −23,97 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,06136 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·5890 = 6,519 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 80000·500/6,519 × 10⁸ = 0,06136 mm

Odpowiedź

δ = 0,06136 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 24,64 MPa

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.

Sztywności

k₁ = 200000·706,9/300 = 471239 N/mm
k₂ = 120000·1257/300 = 502655 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 60000·502655/973894 = 30968 N

Naprężenie

σ2 = 30968/1257 = 24,64 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 24,64 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 24,67 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 = 1·2500 = 2500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/2500² = 24674 N = 24,67 kN

Odpowiedź

Pcr = 24,67 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 6,94 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/7,5 = 533,3

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/533,3² = 6,94 MPa

Odpowiedź

σcr = 6,94 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 6,164 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 = √(80000/40) = 44,72 rad/s
fn = 44,72/(2π) = 7,118 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,118·√(1 − 0,5²) = 6,164 Hz

Odpowiedź

fd = 6,164 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,53 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 = 100 + 60 = 160 kN/m
keq = 160·30/(160 + 30) = 25,26 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(25263/100) = 15,89 rad/s
fn = 15,89/(2π) = 2,53 Hz

Odpowiedź

fn = 2,53 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design