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​ = 15N2​ = 20

Silnik o mocy 1,1 kW pracujący z prędkością 960 rpm napędza zębnik o 15 zębach, który zazębia się z kołem o 20 zębach. Sprawność pary kół wynosi 95%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 15N2 = 20η = 95%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 12B = 15C = 25D = 40

W przekładni dwustopniowej koło A (12 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (15 zębów). Koło C (25 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (40 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 2900 rpmA = 12B = 15C = 25D = 40
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 1000 N·md = 40 mmL = 2,5 mφ = ?

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

T = 1000 N·md = 40 mmL = 2,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?50 kW, 1000 rpm

Pełny wał (mosiądz) przenosi moc 50 kW przy 1000 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 60 MPa, a kąt skręcenia 0,75° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 50 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,75°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −30σy​ = 0τxy​ = −10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −30 MPa, σᵧ = 0 MPa i τₓᵧ = −10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = −30 MPaσy = 0 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 10σy​ = 80τxy​ = −10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 10 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = −10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x.

σx = 10 MPaσy = 80 MPaτxy = −10 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12300 mm300 mmØ20Ø40δ = 0,2 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 20 mm, długość 300 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: mosiądz, średnica 40 mm, długość 300 mm, E = 100 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,2 mm.

odcinek 1: stal, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø40 mm, 300 mm, E = 100 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmAluminium2 mØ 20 mmMiedź2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNodcinek 1: Ø30 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 2 m, miedź (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 40 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 = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 35 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 35 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 35 kNn = 3L = 4 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 1 kN/mζ = 0,35m = 2 kg

Masa 2 kg na sprężynie o sztywności 1 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,35. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 2 kgk = 1 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 10k2​ = 20m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 10 kN/m i k₂ = 20 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 13,86 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 = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 10,94·20/15·0,95 = 13,86 N·m

Odpowiedź

T2 = 13,86 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 1450 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 = 2900·12/15 = 2320 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 2320·25/40 = 1450 rpm

Odpowiedź

nout = 1450 rpm

przełożenie całkowite = 2 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 21,92 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2500/(26000·251327) = 0,3826 rad
φ = 0,3826·180/π = 21,92°

Odpowiedź

φ = 21,92°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 55,56 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 = 50000/104,7 = 477,5 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 477,5 N·m = 477465 N·mm
dτ = ∛(16·477465/(π·60)) = 34,35 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·477465/(π·39000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 55,56 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(34,35, 55,56) = 55,56 mm

Odpowiedź

d = 55,56 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 18,03 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.

στxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((−30 − 0)/2)² + −10²) = 18,03 MPa

Odpowiedź

τmax = 18,03 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 24,62 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 = 45 + −35·0,766 + −10·−0,6428 = 24,62 MPa

Odpowiedź

σθ = 24,62 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 27,93 kN

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

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·314,2) = 4,775 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(100000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,2/7,162 × 10⁻⁶ = 27925 N = 27,93 kN

Odpowiedź

P = 27,93 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 10,43 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 155,6 MPa
σ2 = 350,1 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 155,6·2000/70000 = 4,446 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 350,1·2000/117000 = 5,985 mm
δ = δ1 + δ2 = 10,43 mm

Odpowiedź

δ = 10,43 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 2,412 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 = 2·3000 = 6000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/6000² = 2412 N = 2,412 kN

Odpowiedź

Pcr = 2,412 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 64,53 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 = 3·35000 = 105000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·105000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 64,53 mm

Odpowiedź

d = 64,53 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 248, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 3,334 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 = √(1000/2) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,35²) = 3,334 Hz

Odpowiedź

fd = 3,334 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,757 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 + 20 = 30 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(30000/100) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Odpowiedź

fn = 2,757 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design