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​ = 24N2​ = 32

Silnik o mocy 2,2 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 24 zębach, który zazębia się z kołem o 32 zębach. Sprawność pary kół wynosi 97%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 2,2 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 32η = 97%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 36B = 80C = 30D = 48

Silnik o mocy 2,2 kW i prędkości 1440 rpm napędza koło A (36 zębów), które współpracuje z kołem B (80 zębów). Koło C (30 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (48 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 96 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 2,2 kWnin = 1440 rpmA = 36B = 80C = 30D = 48ηmesh = 96%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 250 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 250 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,75 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 40 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 250 N·mdi/do = 0,75τallow = 40 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?10 kW, 500 rpm

Pełny wał (aluminium) przenosi moc 10 kW przy 500 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 40 MPa, a kąt skręcenia 0,5° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 10 kWN = 500 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 80σy​ = 90MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = 80 MPa i σᵧ = 90 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 120 MPa?

σx = 80 MPaσy = 90 MPaσ1 = 120 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −30σy​ = 120τxy​ = 40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −30 MPa, σᵧ = 120 MPa i τₓᵧ = 40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −30 MPaσy = 120 MPaτxy = 40 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12300 mm400 mmØ25Ø60δ = 0,3 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 25 mm, długość 300 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: miedź, średnica 60 mm, długość 400 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, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø60 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
30 kN12400 mm500 mmØ30Ø30σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 30 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: mosiądz, średnica 30 mm, długość 500 mm, E = 100 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 30 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø30 mm, 500 mm, E = 100 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 m30 × 50 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 145 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 145 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 145 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx50 mmLiczba cykli: 510,4 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 50 mm po 5 cyklach następuje maksimum 10,4 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 50 mmx5 = 10,4 mmn = 5
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 12k2​ = 15m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 12 kN/m i k₂ = 15 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 40 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 18,87 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 = 2200/150,8 = 14,59 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 14,59·32/24·0,97 = 18,87 N·m

Odpowiedź

T2 = 18,87 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 47,81 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 = 1440·(36/80)·(30/48) = 405 rpm
ωout = 2π·405/60 = 42,41 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 2200·0,96² = 2028 W
Tout = Pout/ωout = 2028/42,41 = 47,81 N·m

Odpowiedź

Tout = 47,81 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 35,98 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·250000/(π·40·0,6836)) = 35,98 mm
di = 0,75·35,98 = 26,98 mm

Odpowiedź

do = 35,98 mm

Wał pełny wymagałby d = 31,69 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 54,11 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 10000/52,36 = 191 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·40)) = 28,97 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·190986/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 54,11 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(28,97, 54,11) = 54,11 mm

Odpowiedź

d = 54,11 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 34,64 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.

Wymagany promień

C = (80 + 90)/2 = 85 MPa
R = σ1 − C = 120 − 85 = 35 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(35² − 5²) = 34,64 MPa

Odpowiedź

τxy = 34,64 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 42,14 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 + −75·0,5 + 40·0,866 = 42,14 MPa

Odpowiedź

σθ = 42,14 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 70,84 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 = 490,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·2827) = 1,179 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,3/4,235 × 10⁻⁶ = 70843 N = 70,84 kN

Odpowiedź

P = 70,84 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 12,13 MPa

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.

Sztywności

k₁ = 200000·706,9/400 = 353429 N/mm
k₂ = 100000·706,9/500 = 141372 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 30000·141372/494801 = 8571 N

Naprężenie

σ2 = 8571/706,9 = 12,13 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 12,13 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 18,13 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/3500² = 18128 N = 18,13 kN

Odpowiedź

Pcr = 18,13 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 124,4 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 = 2,5·145000 = 362500 N
KL = 2·4000 = 8000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·362500·8000²/(π³·200000))^(1/4) = 124,4 mm

Odpowiedź

d = 124,4 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 257,2, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,04992

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(50/10,4) = 0,314

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,314/√(39,48 + 0,09862) = 0,04992

Odpowiedź

ζ = 0,04992
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 27 kN/m

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 = 12 + 15 = 27 kN/m

Odpowiedź

keq = 27 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design