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​ = 36N2​ = 48

Silnik o mocy 7,5 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 36 zębach, który zazębia się z kołem o 48 zębach. Sprawność pary kół wynosi 96%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 36N2 = 48η = 96%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 72C = 20D = 30

Silnik o mocy 3 kW i prędkości 960 rpm napędza koło A (20 zębów), które współpracuje z kołem B (72 zębów). Koło C (20 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (30 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 3 kWnin = 960 rpmA = 20B = 72C = 20D = 30ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 500 N·md = 25 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 500 N·md = 25 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 60 mmT0​ = 200 N·mACBa = 3 mb = 2,5 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 60 mm jest utwierdzony w sztywnych ścianach na obu końcach A i B. W C, w odległości 3 m od A i 2,5 m od B, przyłożono moment skręcający 200 N·m. Wyznacz kąt obrotu φC przekroju C w stopniach.

d = 60 mmT0 = 200 N·ma = 3 mb = 2,5 mG = 39 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 130σy​ = 10τxy​ = 40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 130 MPa, σᵧ = 10 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 = 130 MPaσy = 10 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​górna powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 20 mm przenosi moment zginający 100 N·m wraz z momentem skręcającym 250 N·m. Na górnej powierzchni, gdzie naprężenie od zginania jest rozciągające i największe, wyznacz największe naprężenie główne σ1.

d = 20 mmM = 100 N·mT = 250 N·m
σ1 = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12400 mm300 mmØ40Ø50δ = 0,3 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 40 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: miedź, średnica 50 mm, długość 300 mm, E = 120 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,3 mm.

odcinek 1: stal, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmAluminium1,5 mØ 20 mmStal1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNodcinek 1: Ø30 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 15 kNL = 5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 15 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 15 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 15 kN/mc = 260 N·s/mm = 50 kg

Masa 50 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 15 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 260 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 50 kgk = 15 kN/mc = 260 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 60m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 40 kN/m, a dolna k₂ = 60 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 63,66 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 49,74·48/36·0,96 = 63,66 N·m

Odpowiedź

T2 = 63,66 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 145,4 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 960·(20/72)·(20/30) = 177,8 rpm
ωout = 2π·177,8/60 = 18,62 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 3000·0,95² = 2708 W
Tout = Pout/ωout = 2708/18,62 = 145,4 N·m

Odpowiedź

Tout = 145,4 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 18,68 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 500·1000·2000/(80000·38350) = 0,3259 rad
φ = 0,3259·180/π = 18,68°

Odpowiedź

φ = 18,68°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 0,3149 °

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. Gdy oba końce są utwierdzone, sama statyka daje tylko TA + TB = T₀; drugim równaniem jest warunek zgodności (równy kąt skręcenia obu części w obciążonym przekroju).

Równowaga i zgodność

TA + TB = 200
TA·a = TB·b
TA = 200·2,5/5,5 = 90,91 N·m
TB = 200·3/5,5 = 109,1 N·m

Obrót przekroju C

Użyj odcinka AC: jest utwierdzony w A i przenosi TA.

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 90909·3000/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,005496 rad = 0,3149°

Odpowiedź

φC = 0,3149°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 16,85 °

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, 130 − 10) = 33,69°

Kąt na elemencie

θp = 16,85°

Odpowiedź

θp = 16,85°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σ1 = 235,1 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.

Naprężenia na powierzchni

σ = 32M/(πd³) = 32·100000/(π·20³) = 127,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa
στxyCσ1​σ2​

Koło Mohra

C = σ/2 = 63,66 MPa
R = √(63,66² + 159,2²) = 171,4 MPa
σ1 = C + R = 235,1 MPa
σ2 = C − R = −107,8 MPa

Odpowiedź

σ1 = 235,1 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 104,7 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 = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·1257) = 1,592 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·1963) = 1,273 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,3/2,865 × 10⁻⁶ = 104720 N = 104,7 kN

Odpowiedź

P = 104,7 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 4,877 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 = 127,3 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 127,3·1500/70000 = 2,728 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 286,5·1500/200000 = 2,149 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,877 mm

Odpowiedź

δ = 4,877 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 50,23 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1250² = 50230 N = 50,23 kN

Odpowiedź

Pcr = 50,23 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 37,3 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 = 2·15000 = 30000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 37,3 mm

Odpowiedź

d = 37,3 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 268,1, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1501

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·√(15000·50) = 1732 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 260/1732 = 0,1501

Odpowiedź

ζ = 0,1501

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

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,487 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 + 1/60 → keq = 40·60/(40 + 60) = 24 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(24000/50) = 21,91 rad/s
fn = 21,91/(2π) = 3,487 Hz

Odpowiedź

fn = 3,487 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design