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​ = 25N2​ = 30

Silnik o mocy 11 kW pracujący z prędkością 960 rpm napędza zębnik o 25 zębach, który zazębia się z kołem o 30 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 25N2 = 30η = 100%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 16B = 40C = 20D = 36

W przekładni dwustopniowej koło A (16 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 3000 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (20 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (36 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 3000 rpmA = 16B = 40C = 20D = 36
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 12 mmT = 40 N·m200 mmφ = 5,77°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 12 mm jest skręcana momentem 40 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 200 mm obracają się względem siebie o 5,77° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 40 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 5,77°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?10 kW, 1800 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 10 kW przy 1800 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,8 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 10 kWN = 1800 rpmdi/do = 0,8τallow = 80 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −20σy​ = 70τxy​ = 50MPa

W punkcie σₓ = −20 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 15° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = −20 MPaσy = 70 MPaτxy = 50 MPaθ = 15°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
30°D = 1200 mm, t = 15 mm, p = 1,5 MPap

Cienkościenny zbiornik cylindryczny o średnicy wewnętrznej 1200 mm i grubości ścianki 15 mm zawiera gaz pod nadciśnieniem 1,5 MPa. Wykonano go z blachy spawanej wzdłuż spoiny śrubowej nachylonej pod kątem 30° do osi walca. Wyznacz naprężenie normalne σn działające w poprzek spoiny.

D = 1200 mmt = 15 mmp = 1,5 MPaα = 30°
σn = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
150 kNØ25100 GPaØ100/70800 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 25 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 150 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 150 kNpręt: Ø25 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmAluminium0,5 mØ 12 mmAluminium1 mP = 20 kN

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

P = 20 kNodcinek 1: Ø35 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 m20 × 50 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 = 4 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 1 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1 mE = 200 GPa (stal)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 25 kN/mc = 1500 N·s/mm = 250 kg

Masa 250 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 25 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 1500 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 250 kgk = 25 kN/mc = 1500 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 80k2​ = 80m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 80 kN/m, a dolna k₂ = 80 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 131,3 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 109,4·30/25·1 = 131,3 N·m

Odpowiedź

T2 = 131,3 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 666,7 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 = 3000·16/40 = 1200 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1200·20/36 = 666,7 rpm

Odpowiedź

nout = 666,7 rpm

przełożenie całkowite = 4,5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 39,02 GPa

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 i kąt

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 5,77·π/180 = 0,1007 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(2036·0,1007) = 39022 MPa
G = 39,02 GPa

Odpowiedź

G = 39,02 GPa

Porównaj: stal ≈ 80 GPa, mosiądz ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 17,88 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 10000/188,5 = 53,05 N·m

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 53,05 N·m = 53052 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·53052/(π·80·0,5904)) = 17,88 mm
di = 0,8·17,88 = 14,31 mm

Odpowiedź

do = 17,88 mm

Wał pełny wymagałby d = 15 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 38,97 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 dla ścianki y′

σy′ = 25 − (−45)·0,866 − 50·0,5 = 38,97 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 11,03 MPa, σx′ + σy′ = 50 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 38,97 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σn = 52,5 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 = 1200/2 = 600 mm
σh = pr/t = 1,5·600/15 = 60 MPa
σa = pr/(2t) = 30 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 = 30·sin²30° + 60·cos²30° = 52,5 MPa

Odpowiedź

σn = 52,5 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,2406 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·4006 = 4,987 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 150000·800/4,987 × 10⁸ = 0,2406 mm

Odpowiedź

δ = 0,2406 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,675 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 20,79 MPa
σ2 = 176,8 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 20,79·500/70000 = 0,1485 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 176,8·1000/70000 = 2,526 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,675 mm

Odpowiedź

δ = 2,675 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 4,112 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·4000 = 4000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·33333/4000² = 4112 N = 4,112 kN

Odpowiedź

Pcr = 4,112 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 226,6 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 = 0,7·1000 = 700 mm
KL/r = 700/7,5 = 93,33

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/93,33² = 226,6 MPa

Odpowiedź

σcr = 226,6 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,3

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·√(25000·250) = 5000 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 1500/5000 = 0,3

Odpowiedź

ζ = 0,3

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

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 7,118 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 = 1/80 + 1/80 → keq = 80·80/(80 + 80) = 40 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(40000/20) = 44,72 rad/s
fn = 44,72/(2π) = 7,118 Hz

Odpowiedź

fn = 7,118 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design