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​ = 18N2​ = 60

Silnik o mocy 5,5 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 18 zębach, który zazębia się z kołem o 60 zębach. Sprawność pary kół wynosi 96%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 18N2 = 60η = 96%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
Ns​ = 30koło koronowe nieruchomeNp​ = 12nc​ = ?

W przekładni planetarnej koło słoneczne ma 30 zębów, a każdy satelita 12 zębów. Koło koronowe jest unieruchomione, a koło słoneczne napędzane z prędkością 1500 rpm. Wyznacz prędkość obrotową nc jarzma.

Ns = 30Np = 12ns = 1500 rpm
nc = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 200 N·md = 30 mmL = 0,5 mφ = ?

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

T = 200 N·md = 30 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?15 kW, 750 rpm

Pełny wał (mosiądz) przenosi moc 15 kW przy 750 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 40 MPa, a kąt skręcenia 0,25° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 15 kWN = 750 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,25°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 130σy​ = 100τxy​ = −20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 130 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 130 MPaσy = 100 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​górna powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 60 mm przenosi moment zginający 750 N·m wraz z momentem skręcającym 1000 N·m. Na górnej powierzchni, gdzie naprężenie od zginania jest rozciągające i największe, wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

d = 60 mmM = 750 N·mT = 1000 N·m
τmax = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmStal1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø4070 GPaØ100/60600 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 200 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 70 GPa, naprężenie dopuszczalne 80 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MParura: Ø100/Ø60 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 md = 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 1,5 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx20 mmLiczba cykli: 412,1 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 20 mm po 4 cyklach następuje maksimum 12,1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 20 mmx4 = 12,1 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 60k2​ = 25m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 60 kN/m, a dolna k₂ = 25 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 60 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 116,7 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 = 5500/150,8 = 36,47 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 36,47·60/18·0,96 = 116,7 N·m

Odpowiedź

T2 = 116,7 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nc = 535,7 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 = 30 + 2·12 = 54

Wzór Willisa przy nieruchomym kole koronowym

Podstaw nr = 0 i wyznacz prędkość jarzma.

(1500 − nc)/(0 − nc) = −54/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·30/84 = 535,7 rpm

Odpowiedź

nc = 535,7 rpm

Jarzmo obraca się w tym samym kierunku co koło słoneczne.

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 1,847 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 200·1000·500/(39000·79522) = 0,03224 rad
φ = 0,03224·180/π = 1,847°

Odpowiedź

φ = 1,847°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 58,15 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 15000/78,54 = 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 = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·190986/(π·39000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 58,15 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(28,97, 58,15) = 58,15 mm

Odpowiedź

d = 58,15 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 25 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.

σxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((130 − 100)/2)² + −20²) = 25 MPa

Odpowiedź

τmax = 25 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 29,47 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) = 32·750000/(π·60³) = 35,37 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·60³) = 23,58 MPa
στxyCτmax​

Koło Mohra

C = σ/2 = 17,68 MPa
R = √(17,68² + 23,58²) = 29,47 MPa

Odpowiedź

τmax = 29,47 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 5730 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 90·1000/78,54 = 1146 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for stal = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 1146/200000 = 0,00573 = 5730 µε

Odpowiedź

ε = 5730 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 603,2 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·5027 = 6,032 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,001, 0,001143) = 0,001 (stal)

Największe obciążenie

Pmax = 0,001·6,032 × 10⁸ = 603186 N = 603,2 kN

Odpowiedź

Pmax = 603,2 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 19,62 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·4000 = 8000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/8000² = 19621 N = 19,62 kN

Odpowiedź

Pcr = 19,62 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 4,318 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Odpowiedź

σcr = 4,318 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,01999

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 = (1/4)·ln(20/12,1) = 0,1256

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1256/√(39,48 + 0,01578) = 0,01999

Odpowiedź

ζ = 0,01999
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,99 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 = 1/60 + 1/25 → keq = 60·25/(60 + 25) = 17,65 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(17647/50) = 18,79 rad/s
fn = 18,79/(2π) = 2,99 Hz

Odpowiedź

fn = 2,99 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design