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​ = 12N2​ = 60

Silnik o mocy 11 kW pracujący z prędkością 960 rpm napędza zębnik o 12 zębach, który zazębia się z kołem o 60 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 60η = 100%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 18B = 24C = 48D = 60

W przekładni dwustopniowej koło A (18 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 960 rpm, napędza koło B (24 zębów). Koło C (48 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (60 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 960 rpmA = 18B = 24C = 48D = 60
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 500 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 500 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,7 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 60 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 500 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?5 kW, 1000 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 5 kW przy 1000 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,75 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 75 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 5 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,75τallow = 75 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −10σy​ = −40τxy​ = −40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −10 MPa, σᵧ = −40 MPa i τₓᵧ = −40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = −10 MPaσy = −40 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
35°D = 400 mm, t = 12 mm, p = 2 MPap

Cienkościenny zbiornik cylindryczny o średnicy wewnętrznej 400 mm i grubości ścianki 12 mm zawiera gaz pod nadciśnieniem 2 MPa. Wykonano go z blachy spawanej wzdłuż spoiny śrubowej nachylonej pod kątem 35° do osi walca. Wyznacz wartość naprężenia stycznego |τn| działającego wzdłuż spoiny.

D = 400 mmt = 12 mmp = 2 MPaα = 35°
|τn| = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
200 kNØ20120 GPaØ120/60600 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 20 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: miedź, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 120 GPa). Oba mają długość 600 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 200 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 200 kNpręt: Ø20 mm, E = 200 GParura: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMiedź1 mØ 12 mmMosiądz1,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNodcinek 1: Ø25 mm, 1 m, miedź (E = 117 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 md = 40 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 = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 5 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 40 kN/mc = 800 N·s/mm = 100 kg

Masa 100 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 40 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 800 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 100 kgk = 40 kN/mc = 800 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 15m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 40 kN/m, a dolna k₂ = 15 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 547,1 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 109,4·60/12·1 = 547,1 N·m

Odpowiedź

T2 = 547,1 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 576 rpm

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.

Pierwszy stopień

nB = 960·18/24 = 720 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 720·48/60 = 576 rpm

Odpowiedź

nout = 576 rpm

przełożenie całkowite = 1,667 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 38,22 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·60·0,7599)) = 38,22 mm
di = 0,7·38,22 = 26,76 mm

Odpowiedź

do = 38,22 mm

Wał pełny wymagałby d = 34,88 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 16,8 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 5000/104,7 = 47,75 N·m

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 47,75 N·m = 47746 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·47746/(π·75·0,6836)) = 16,8 mm
di = 0,75·16,8 = 12,6 mm

Odpowiedź

do = 16,8 mm

Wał pełny wymagałby d = 14,8 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = −34,72 °

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·−40, −10 − −40) = −69,44°

Kąt na elemencie

θp = −34,72°

Odpowiedź

θp = −34,72°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: |τn| = 7,831 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. Cylinder cienkościenny: naprężenie obwodowe σh = pr/t i naprężenie osiowe σa = pr/(2t); są to naprężenia główne w ściance.

Naprężenia w ściance

r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 2·200/12 = 33,33 MPa
σa = pr/(2t) = 16,67 MPa

Transformacja na kierunek spoiny

Przyjmij oś x wzdłuż osi walca (σa), a oś y po obwodzie (σh). Normalna spoiny tworzy z osią kąt 90° − α.

|τn| = (33,33 − 16,67)·sin 35°·cos 35° = 7,831 MPa

Odpowiedź

|τn| = 7,831 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,111 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(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·8482 = 1,081 × 10⁹ N

Skrócenie

δ = 200000·600/1,081 × 10⁹ = 0,111 mm

Odpowiedź

δ = 0,111 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 663,1 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 152,8 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 663,1 MPa

Odpowiedź

σmax = 663,1 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 7,087 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/3500² = 7087 N = 7,087 kN

Odpowiedź

Pcr = 7,087 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 11,05 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/250² = 11,05 MPa

Odpowiedź

σcr = 11,05 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,2

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.

Tłumienie krytyczne

cc = 2·√(k·m) = 2·√(40000·100) = 4000 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 800/4000 = 0,2

Odpowiedź

ζ = 0,2

ζ < 1, więc tłumienie jest podkrytyczne, a układ drga z malejącą amplitudą.

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,351 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/40 + 1/15 → keq = 40·15/(40 + 15) = 10,91 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(10909/50) = 14,77 rad/s
fn = 14,77/(2π) = 2,351 Hz

Odpowiedź

fn = 2,351 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design