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
Tw​ = ?z = 3, 2900 rpm

Silnik o mocy 3 kW i prędkości 2900 rpm napędza ślimak o liczbie zwojów 3. Ślimacznica ma 30 zębów, a sprawność przekładni wynosi 75 %. Wyznacz moment wyjściowy Tw na wale ślimacznicy.

z = 3Nw = 30n = 2900 rpmP = 3 kWη = 75%
Tw = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 16B = 40C = 15D = 18

W przekładni dwustopniowej koło A (16 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1440 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (15 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (18 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1440 rpmA = 16B = 40C = 15D = 18
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 750 N·md = 40 mmL = 2,5 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 40 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 80 mm, di​ = 60 mm

Wał drążony przenosi 50 kW przy 1000 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 50 kWN = 1000 rpmdo = 80 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 150σy​ = 30τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 150 MPa, σᵧ = 30 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 150 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
35°D = 1000 mm, t = 10 mm, p = 2,5 MPap

Cienkościenny zbiornik cylindryczny o średnicy wewnętrznej 1000 mm i grubości ścianki 10 mm zawiera gaz pod nadciśnieniem 2,5 MPa. Wykonano go z blachy spawanej wzdłuż spoiny śrubowej nachylonej pod kątem 35° do osi walca. Wyznacz naprężenie normalne σn działające w poprzek spoiny.

D = 1000 mmt = 10 mmp = 2,5 MPaα = 35°
σn = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
200 kNØ30100 GPaØ100/70800 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 30 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 70 mm, E = 100 GPa). Oba mają długość 800 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 200 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 200 kNpręt: Ø30 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmStal2 mØ 16 mmAluminium1,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNodcinek 1: Ø35 mm, 2 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m40 × 100 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 5 kNL = 2 md = ?przekrój poprzeczny

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

P = 5 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 15 kN/mζ = 0,7m = 50 kg

Masa 50 kg na sprężynie o sztywności 15 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,7. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 50 kgk = 15 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 20k2​ = 50k3​ = 100m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na sprężynie k₃ = 100 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 20 kN/m i k₂ = 50 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tw = 74,09 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.

Prędkość ślimacznicy

nw = n·z/Nw = 2900·3/30 = 290 rpm

Moment wyjściowy

ωw = 2π·290/60 = 30,37 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,75·3000/30,37 = 74,09 N·m

Odpowiedź

Tw = 74,09 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 480 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 = 1440·16/40 = 576 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 576·15/18 = 480 rpm

Odpowiedź

nout = 480 rpm

przełożenie całkowite = 3 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 5,343 °

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) = 750·1000·2500/(80000·251327) = 0,09325 rad
φ = 0,09325·180/π = 5,343°

Odpowiedź

φ = 5,343°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 6,948 MPa

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

Biegunowy moment bezwładności

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2,749 × 10⁶ mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 477465·40/2,749 × 10⁶ = 6,948 MPa

Odpowiedź

τmax = 6,948 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 13,28 °

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(2·30, 150 − 30) = 26,57°

Kąt na elemencie

θp = 13,28°

Odpowiedź

θp = 13,28°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σn = 104,4 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. Cylinder cienkościenny: naprężenie obwodowe σh = pr/t i naprężenie osiowe σa = pr/(2t); są to naprężenia główne w ściance.

Naprężenia w ściance

r = 1000/2 = 500 mm
σh = pr/t = 2,5·500/10 = 125 MPa
σa = pr/(2t) = 62,5 MPa

Transformacja na kierunek spoiny

Przyjmij oś x wzdłuż osi walca (σa), a oś y po obwodzie (σh). Normalna spoiny tworzy z osią kąt 90° − α.

σn = 62,5·sin²35° + 125·cos²35° = 104,4 MPa

Odpowiedź

σn = 104,4 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,2952 mm

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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·4006 = 5,419 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 200000·800/5,419 × 10⁸ = 0,2952 mm

Odpowiedź

δ = 0,2952 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 11,11 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 98,74 MPa
σ2 = 472,5 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 98,74·2000/200000 = 0,9874 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 472,5·1500/70000 = 10,12 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,11 mm

Odpowiedź

δ = 11,11 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 168,4 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·2500 = 2500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2500² = 168441 N = 168,4 kN

Odpowiedź

Pcr = 168,4 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 37,9 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 = 2,5·5000 = 12500 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 37,9 mm

Odpowiedź

d = 37,9 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 422,1, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 1,969 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 = √(15000/50) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,757·√(1 − 0,7²) = 1,969 Hz

Odpowiedź

fd = 1,969 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 5,106 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

Tylko k1 i k2 są połączone równolegle. Ta para jest szeregowo z k3, więc połącz je przez odwrotności.

k12 = 20 + 50 = 70 kN/m
keq = 70·100/(70 + 100) = 41,18 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(41176/40) = 32,08 rad/s
fn = 32,08/(2π) = 5,106 Hz

Odpowiedź

fn = 5,106 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design