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
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 200 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 150 mm z prędkością 1440 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 1000 N, a w cięgnie biernym 200 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 200 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 120 mm i koło 500 mm, których środki są oddalone o 500 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 500 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
d = ?T = 750 N·mL = 2 m

Pełny wał (mosiądz) o długości 2 m przenosi moment skręcający 750 N·m. Kąt skręcenia między jego końcami nie może przekroczyć 1,5°. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia ten warunek.

T = 750 N·mL = 2 mG = 39 GPaφallow = 1,5°
d = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 10 kW przy 1000 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 10 kWN = 1000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = −80τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = −80 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 = 30 MPaσy = −80 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 20σy​ = −80τxy​ = −30MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 20 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = −30 MPa (σz = 0). Granica plastyczności materiału wynosi 350 MPa. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa n względem uplastycznienia według hipotezy Hubera-Misesa (energii odkształcenia postaciowego).

σx = 20 MPaσy = −80 MPaτxy = −30 MPaσY = 350 MPa
n =
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmMosiądz0,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNd = 12 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmAluminium2 mØ 20 mmStal1 mP = 40 kN

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

P = 40 kNodcinek 1: Ø25 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 1 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m30 × 60 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 4 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 32,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 3 cyklach następuje maksimum 2,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx3 = 2,3 mmn = 3
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 60k2​ = 25k3​ = 12m = 40 kg

Masa 40 kg wisi na sprężynie k₃ = 12 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 60 kN/m i k₂ = 25 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 = 60 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 9,048 kW

Przekładnie pasowe: bez poślizgu oba koła pasowe mają tę samą prędkość obwodową v = π·d·n/60, więc n₁·d₁ = n₂·d₂, a przełożenie wynosi d₂/d₁. Poślizg s sprawia, że koło napędzane obraca się nieco wolniej: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Przenoszona moc to P = (T₁ − T₂)·v, gdzie T₁ to siła w cięgnie czynnym, a T₂ w biernym. Tarcie ogranicza stosunek sił: T₁/T₂ = eμθ, gdzie θ jest kątem opasania w radianach na mniejszym kole; dla pasa otwartego θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) przy rozstawie osi C.

Prędkość pasa

v = 11,31 m/s

Moc

P = (1000 − 200)·11,31 = 9048 W = 9,048 kW

Odpowiedź

P = 9,048 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 135,3 °

Przekładnie pasowe: bez poślizgu oba koła pasowe mają tę samą prędkość obwodową v = π·d·n/60, więc n₁·d₁ = n₂·d₂, a przełożenie wynosi d₂/d₁. Poślizg s sprawia, że koło napędzane obraca się nieco wolniej: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Przenoszona moc to P = (T₁ − T₂)·v, gdzie T₁ to siła w cięgnie czynnym, a T₂ w biernym. Tarcie ogranicza stosunek sił: T₁/T₂ = eμθ, gdzie θ jest kątem opasania w radianach na mniejszym kole; dla pasa otwartego θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) przy rozstawie osi C.

Kąt pasa

asin(0,38) = 22,33°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·22,33 = 135,3°

Odpowiedź

θ = 135,3°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 62,2 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1,5·π/180 = 0,02618 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·2000/(39000·0,02618) = 1,469 × 10⁶ mm⁴

Średnica

d = (32J/π)1/4 = 62,2 mm

Odpowiedź

d = 62,2 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 18,25 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 10000/104,7 = 95,49 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·95493/(π·80)) = 18,25 mm

Odpowiedź

d = 18,25 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 5,152 °

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(2·10, 30 − −80) = 10,3°

Kąt na elemencie

θp = 5,152°

Odpowiedź

θp = 5,152°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: n = 3,322

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. Hipotezy wytężeniowe: według hipotezy Hubera-Misesa uplastycznienie następuje, gdy σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) osiąga σY; według hipotezy Tresci, gdy bezwzględne maksymalne naprężenie styczne osiąga σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne

C = −30 MPa, R = 58,31 MPa
σ1 = 28,31 MPa, σ2 = −88,31 MPa, σ3 = 0

Huber-Mises

σvM = √(28,31² − 28,31·(−88,31) + (−88,31)²) = 105,4 MPa
n = 350/105,4 = 3,322

Odpowiedź

n = 3,322

n > 1 oznacza, że punkt się nie uplastycznia; hipoteza Tresci jest nieco bardziej zachowawcza niż hipoteza Hubera-Misesa.

7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 8400 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 = 95·1000/113,1 = 840 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 840/100000 = 0,0084 = 8400 µε

Odpowiedź

ε = 8400 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,965 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 81,49 MPa
σ2 = 127,3 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 81,49·2000/70000 = 2,328 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 127,3·1000/200000 = 0,6366 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,965 mm

Odpowiedź

δ = 2,965 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 30,45 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 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·135000/1750² = 30455 N = 30,45 kN

Odpowiedź

Pcr = 30,45 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 19,28 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/12,5 = 320

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19,28 MPa

Odpowiedź

σcr = 19,28 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,09899

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(15/2,3) = 0,625

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,625/√(39,48 + 0,3907) = 0,09899

Odpowiedź

ζ = 0,09899
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,581 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 = 60 + 25 = 85 kN/m
keq = 85·12/(85 + 12) = 10,52 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(10515/40) = 16,21 rad/s
fn = 16,21/(2π) = 2,581 Hz

Odpowiedź

fn = 2,581 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design