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​ = 200 mmd2​ = 400 mm960 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 500 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 200 mm z prędkością 960 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 1000 N, a w cięgnie biernym 500 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
Ns​ = 20nr​ = ?Np​ = 15jarzmo nieruchome

W przekładni planetarnej koło słoneczne ma 20 zębów, a każdy satelita 15 zębów. Jarzmo jest unieruchomione, a koło słoneczne napędzane z prędkością 600 rpm. Wyznacz prędkość obrotową nr koła koronowego (wartość bezwzględną).

Ns = 20Np = 15ns = 600 rpm
nr = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 400 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?100 kW, 3000 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 100 kW przy 3000 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,75 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 60 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 100 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,75τallow = 60 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 160σy​ = 70τxy​ = 20MPa

W punkcie σₓ = 160 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = 20 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 30° zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = 160 MPaσy = 70 MPaτxy = 20 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 20σy​ = 110τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 20 MPa, σᵧ = 110 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 20 MPaσy = 110 MPaτxy = 60 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 25 mmAluminium1 mP = 120 kN

Wyznacz odkształcenie osiowe ε w pręcie (aluminium), w mikroodkształceniach (µε = 10⁻⁶).

P = 120 kNd = 25 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMiedź1 mØ 20 mmMosiądz1,5 mP = 70 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz całkowite wydłużenie δ.

P = 70 kNodcinek 1: Ø25 mm, 1 m, miedź (E = 117 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 m50 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 40 kNL = 3 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i przegubowo podparty u góry. Ma przenieść 40 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 40 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 12 kN/mζ = 0,5m = 15 kg

Masa 15 kg na sprężynie o sztywności 12 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,5. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 15m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 30 kN/m i k₂ = 15 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 = 15 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 5,027 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.

Prędkość pasa

v = 10,05 m/s

Moc

P = (1000 − 500)·10,05 = 5027 W = 5,027 kW

Odpowiedź

P = 5,027 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nr = 240 rpm

Przekładnie planetarne: prędkości koła słonecznego, koronowego i jarzma wiąże wzór Willisa (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: widziana z jarzma przekładnia jest zwykłą przekładnią z satelitami jako kołami pośredniczącymi. Unieruchomienie jednego członu zamienia ją w reduktor o jednym przełożeniu.

Liczba zębów koła koronowego

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·15 = 50

Wzór Willisa przy nieruchomym jarzmie

Przy nc = 0 koło słoneczne napędza koło koronowe przez satelity, które działają jak koła pośredniczące.

nr = −ns·Ns/Nr = −600·20/50 = −240 rpm
|nr| = 240 rpm

Odpowiedź

nr = 240 rpm

Koło koronowe obraca się przeciwnie do koła słonecznego.

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 1,149 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1200/(39000·613592) = 0,02006 rad
φ = 0,02006·180/π = 1,149°

Odpowiedź

φ = 1,149°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 34,06 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 100000/314,2 = 318,3 N·m

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 318,3 N·m = 318310 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·318310/(π·60·0,6836)) = 34,06 mm
di = 0,75·34,06 = 25,55 mm

Odpowiedź

do = 34,06 mm

Wał pełny wymagałby d = 30,01 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 109,8 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 dla ścianki y′

σy′ = 115 − 45·0,5 − 20·(−0,866) = 109,8 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 120,2 MPa, σx′ + σy′ = 230 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 109,8 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 94,46 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 + −45·0,5 + 60·0,866 = 94,46 MPa

Odpowiedź

σθ = 94,46 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 3492 µε

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 120·1000/490,9 = 244,5 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 244,5/70000 = 0,003492 = 3492 µε

Odpowiedź

ε = 3492 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 4,561 mm

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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 142,6 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 142,6·1000/117000 = 1,219 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 222,8·1500/100000 = 3,342 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,561 mm

Odpowiedź

δ = 4,561 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 4,318 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·5000 = 10000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/10000² = 4318 N = 4,318 kN

Odpowiedź

Pcr = 4,318 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 43,68 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 = 2·40000 = 80000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·80000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 43,68 mm

Odpowiedź

d = 43,68 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 192,3, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 3,898 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 = √(12000/15) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,5²) = 3,898 Hz

Odpowiedź

fd = 3,898 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,775 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 + 15 = 45 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(45000/50) = 30 rad/s
fn = 30/(2π) = 4,775 Hz

Odpowiedź

fn = 4,775 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design