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​ = 15N2​ = 60

Silnik o mocy 7,5 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 15 zębach, który zazębia się z kołem o 60 zębach. Sprawność pary kół wynosi 96%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 60η = 96%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 25B = 40C = 15D = 48

W przekładni dwustopniowej koło A (25 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1500 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (15 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (48 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1500 rpmA = 25B = 40C = 15D = 48
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 100 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 = 100 N·md = 30 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 1000 N·mABC1 m1 m

Pełny wał (aluminium) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 200 N·m działa w B, w odległości 1 m od A, a moment 1000 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 1000 N·mAB = 1 mBC = 1 mG = 26 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 70σy​ = 120τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 70 MPa, σᵧ = 120 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 70 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
35°D = 800 mm, t = 8 mm, p = 1 MPap

Cienkościenny zbiornik cylindryczny o średnicy wewnętrznej 800 mm i grubości ścianki 8 mm zawiera gaz pod nadciśnieniem 1 MPa. Wykonano go z blachy spawanej wzdłuż spoiny śrubowej nachylonej pod kątem 35° do osi walca. Wyznacz wartość naprężenia stycznego |τn| działającego wzdłuż spoiny.

D = 800 mmt = 8 mmp = 1 MPaα = 35°
|τn| = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmMosiądz3 mP = 40 kN

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

P = 40 kNd = 12 mmL = 3 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMosiądz1,5 mØ 16 mmStal1 mP = 100 kN

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

P = 100 kNodcinek 1: Ø25 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 m25 × 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 135 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 135 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 135 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx40 mmLiczba cykli: 53,2 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 40 mm po 5 cyklach następuje maksimum 3,2 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 40 mmx5 = 3,2 mmn = 5
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 100k2​ = 10m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 100 kN/m, a dolna k₂ = 10 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 49,74 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 = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Odpowiedź

T1 = 49,74 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 293 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 = 1500·25/40 = 937,5 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 937,5·15/48 = 293 rpm

Odpowiedź

nout = 293 rpm

przełożenie całkowite = 5,12 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,9237 °

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) = 100·1000·500/(39000·79522) = 0,01612 rad
φ = 0,01612·180/π = 0,9237°

Odpowiedź

φ = 0,9237°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 15,78 °

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.

Momenty wewnętrzne

Zwrot TC przyjęty jako dodatni.

TBC = TC = 1000 N·m
TAB = TC − TB = 1000 − 200 = 800 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 800000·1000/(26000·251327) = 0,1224 rad
φBC = 1 × 10⁶·1000/(26000·251327) = 0,153 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,1224 + 0,153 = 0,2755 rad → |φC| = 15,78°

Odpowiedź

φC = 15,78°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 79,1 °

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.

σxyCσ1​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(2·10, 70 − 120) = 158,2°

Kąt na elemencie

θp = 79,1°

Odpowiedź

θp = 79,1°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: |τn| = 11,75 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 = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 1·400/8 = 50 MPa
σa = pr/(2t) = 25 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.

|τn| = (50 − 25)·sin 35°·cos 35° = 11,75 MPa

Odpowiedź

|τn| = 11,75 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 3537 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 40·1000/113,1 = 353,7 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 353,7/100000 = 0,003537 = 3537 µε

Odpowiedź

ε = 3537 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 5,543 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 203,7 MPa
σ2 = 497,4 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 203,7·1500/100000 = 3,056 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 497,4·1000/200000 = 2,487 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,543 mm

Odpowiedź

δ = 5,543 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 4,59 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/2800² = 4590 N = 4,59 kN

Odpowiedź

Pcr = 4,59 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 75,12 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 = 2·135000 = 270000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 75,12 mm

Odpowiedź

d = 75,12 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 106,5, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,08014

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(40/3,2) = 0,5051

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5051/√(39,48 + 0,2552) = 0,08014

Odpowiedź

ζ = 0,08014
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 9,091 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 = 1/100 + 1/10 → keq = 100·10/(100 + 10) = 9,091 kN/m

Odpowiedź

keq = 9,091 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design