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​ = 16, m = 5 mm

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 960 rpm napędza zębnik o 16 zębach i module 5 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 3 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 5 mm
Ft = N
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 16B = 30C = 48D = 50

W przekładni dwustopniowej koło A (16 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (30 zębów). Koło C (48 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (50 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 2900 rpmA = 16B = 30C = 48D = 50
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d = ?T = 100 N·mL = 0,5 m

Pełny wał (stal) o długości 0,5 m przenosi moment skręcający 100 N·m. Kąt skręcenia między jego końcami nie może przekroczyć 3°. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia ten warunek.

T = 100 N·mL = 0,5 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 30 kW przy 300 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 40 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 30 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 110σy​ = 0τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 110 MPa, σᵧ = 0 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 = 110 MPaσy = 0 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 80σy​ = 50τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 80 MPa, σᵧ = 50 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° zgodnie z ruchem wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 80 MPaσy = 50 MPaτxy = 50 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12400 mm500 mmØ20Ø30δ = 0,3 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 20 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: miedź, średnica 30 mm, długość 500 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, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmStal1 mØ 16 mmAluminium1,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNodcinek 1: Ø30 mm, 1 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m40 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 115 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 115 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 115 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx40 mmLiczba cykli: 32,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 40 mm po 3 cyklach następuje maksimum 2,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 40 mmx3 = 2,3 mmn = 3
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 80m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 30 kN/m, a dolna k₂ = 80 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 746 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Moment na zębniku

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 3000/100,5 = 29,84 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 5·16 = 80 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·29,84/0,08 = 746 N

Odpowiedź

Ft = 746 N
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 1485 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 = 2900·16/30 = 1547 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1547·48/50 = 1485 rpm

Odpowiedź

nout = 1485 rpm

przełożenie całkowite = 1,953 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 18,67 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.

Wymagany biegunowy moment bezwładności

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 100000·500/(80000·0,05236) = 11937 mm⁴

Średnica

d = (32J/π)1/4 = 18,67 mm

Odpowiedź

d = 18,67 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 49,54 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·40)) = 49,54 mm

Odpowiedź

d = 49,54 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 14,31 °

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, 110 − 0) = 28,61°

Kąt na elemencie

θp = 14,31°

Odpowiedź

θp = 14,31°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 47,94 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

τθ = −15·−0,6428 + 50·0,766 = 47,94 MPa

Odpowiedź

τθ = 47,94 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 24,47 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 = 706,9 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·706,9) = 5,895 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,3/1,226 × 10⁻⁵ = 24468 N = 24,47 kN

Odpowiedź

P = 24,47 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 5,114 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 63,66·1000/200000 = 0,3183 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 223,8·1500/70000 = 4,796 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,114 mm

Odpowiedź

δ = 5,114 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 98,26 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1500 = 1500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/1500² = 98257 N = 98,26 kN

Odpowiedź

Pcr = 98,26 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 144,3 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 = 2·115000 = 230000 N
KL = 2·4000 = 8000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·230000·8000²/(π³·70000))^(1/4) = 144,3 mm

Odpowiedź

d = 144,3 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 221,7, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1498

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 = (1/3)·ln(40/2,3) = 0,952

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,952/√(39,48 + 0,9063) = 0,1498

Odpowiedź

ζ = 0,1498
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 21,82 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/80 → keq = 30·80/(30 + 80) = 21,82 kN/m

Odpowiedź

keq = 21,82 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design