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​ = 120 mmd2​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 120 mm obracające się z prędkością 2880 obr/min napędza przez pas koło 450 mm z poślizgiem 1,5 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 800 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Pas otwarty łączy koło napędzające 80 mm o prędkości 1500 obr/min z kołem 250 mm; środki są oddalone o 800 mm. Współczynnik tarcia wynosi 0,3, a siła w cięgnie czynnym nie może przekroczyć 500 N. Wyznacz największą moc P, jaką pas może przenieść bez poślizgu, w kW (pomiń efekty odśrodkowe).

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 750 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 750 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,8 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 40 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 750 N·mdi/do = 0,8τallow = 40 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 60 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 200 N·mABC2,5 m0,8 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 60 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1000 N·m działa w B, w odległości 2,5 m od A, a moment 200 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 0,8 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 60 mmTB = 1000 N·mTC = 200 N·mAB = 2,5 mBC = 0,8 mG = 39 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −30σy​ = −30τxy​ = 20MPa

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

σx = −30 MPaσy = −30 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 40σy​ = 80τxy​ = −10MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Granica plastyczności materiału wynosi 250 MPa. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa n względem uplastycznienia według hipotezy Tresci (maksymalnego naprężenia stycznego).

σx = 40 MPaσy = 80 MPaτxy = −10 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmAluminium3 mP = 70 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (aluminium) pod obciążeniem osiowym.

P = 70 kNd = 30 mmL = 3 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMiedź0,5 mØ 16 mmMosiądz1 mP = 20 kN

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

P = 20 kNodcinek 1: Ø25 mm, 0,5 m, miedź (E = 117 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1 m, mosiądz (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 m30 × 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 20 kNL = 3 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) 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 = 3 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx25 mmLiczba cykli: 513,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 25 mm po 5 cyklach następuje maksimum 13,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 25 mmx5 = 13,3 mmn = 5
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 50m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 30 kN/m i k₂ = 50 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

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

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 756,5 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

2880·120/450 = 768 rpm

Z poślizgiem

n2 = 768·0,985 = 756,5 rpm

Odpowiedź

n2 = 756,5 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 1,837 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 = 2,929 rad

Siła w cięgnie biernym

eμθ = e0,8786 = 2,408, T₂ = 500/2,408 = 207,7 N

Moc

P = (500 − 207,7)·6,283 = 1,837 kW

Odpowiedź

P = 1,837 kW
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 54,48 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.

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 750 N·m = 750000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·750000/(π·40·0,5904)) = 54,48 mm
di = 0,8·54,48 = 43,59 mm

Odpowiedź

do = 54,48 mm

Wał pełny wymagałby d = 45,71 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 2,125 °

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 = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 1000 = −800 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −800000·2500/(39000·1,272 × 10⁶) = −0,04031 rad
φBC = 200000·800/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,003224 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = −0,04031 + 0,003224 = −0,03708 rad → |φC| = 2,125°

Odpowiedź

φC = 2,125°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 45 °

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(2·20, −30 − −30) = 90°

Kąt na elemencie

θp = 45°

Odpowiedź

θp = 45°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: n = 3,035

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. Hipotezy wytężeniowe: według hipotezy Hubera-Misesa uplastycznienie następuje, gdy σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) osiąga σY; według hipotezy Tresci, gdy bezwzględne maksymalne naprężenie styczne osiąga σY/2.

σxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne

C = 60 MPa, R = 22,36 MPa
σ1 = 82,36 MPa, σ2 = 37,64 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 82,36 MPa
n = 250/82,36 = 3,035

Odpowiedź

n = 3,035

n > 1 oznacza, że punkt się nie uplastycznia; hipoteza Tresci jest nieco bardziej zachowawcza niż hipoteza Hubera-Misesa.

7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 4,244 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 = 70·1000/706,9 = 99,03 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 99,03/70000 = 0,001415 = 1415 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,001415·3000 mm = 4,244 mm

Odpowiedź

δ = 4,244 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 99,47 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 40,74 MPa
σ2 = 99,47 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 99,47 MPa

Odpowiedź

σmax = 99,47 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 28,42 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 = 0,5·5000 = 2500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/2500² = 28424 N = 28,42 kN

Odpowiedź

Pcr = 28,42 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 46,42 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 = 1·3000 = 3000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·50000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 46,42 mm

Odpowiedź

d = 46,42 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 258,5, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,02008

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 = (1/5)·ln(25/13,3) = 0,1262

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1262/√(39,48 + 0,01593) = 0,02008

Odpowiedź

ζ = 0,02008
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 6,366 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 = 30 + 50 = 80 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(80000/50) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Odpowiedź

fn = 6,366 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design