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​ = 125 mmd2​ = 400 mm1500 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 125 mm obracające się z prędkością 1500 obr/min napędza przez pas koło 400 mm z poślizgiem 2,5 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 1500 rpmd1 = 125 mmd2 = 400 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
Ns​ = 15nr​ = ?Np​ = 12jarzmo nieruchome

W przekładni planetarnej koło słoneczne ma 15 zębów, a każdy satelita 12 zębów. Jarzmo jest unieruchomione, a koło słoneczne napędzane z prędkością 1440 rpm. Wyznacz prędkość obrotową nr koła koronowego (wartość bezwzględną).

Ns = 15Np = 12ns = 1440 rpm
nr = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 1000 N·md = 40 mmL = 0,8 mφ = ?

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

T = 1000 N·md = 40 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 50 kW przy 500 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 80 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 50 kWN = 500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 140σy​ = −80τxy​ = 40MPa

W punkcie σₓ = 140 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = 40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θs z przedziału od −90° do 90°, mierzony od osi x do normalnej płaszczyzny, na której naprężenie styczne osiąga maksymalną wartość dodatnią +R (naprężenie styczne dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 140 MPaσy = −80 MPaτxy = 40 MPa
θs = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 70σy​ = 20τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 70 MPa, σᵧ = 20 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 20° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 70 MPaσy = 20 MPaτxy = 50 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12600 mm400 mmØ30Ø30δ = 0,2 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 30 mm, długość 600 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: mosiądz, średnica 30 mm, długość 400 mm, E = 100 GPa). Jest zamocowany na jednym końcu i rozciągany na drugim. Wyznacz obciążenie osiowe P, które wydłuża go łącznie o 0,2 mm.

odcinek 1: stal, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø30 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmAluminium1 mØ 20 mmAluminium0,5 mP = 65 kN

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

P = 65 kNodcinek 1: Ø30 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 4 m25 × 50 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 = 4 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 60 kNL = 5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 60 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 60 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx10 mmLiczba cykli: 42,2 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 10 mm po 4 cyklach następuje maksimum 2,2 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 10 mmx4 = 2,2 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 25k2​ = 60k3​ = 40m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na sprężynie k₃ = 40 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 25 kN/m i k₂ = 60 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 457 rpm

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 bez poślizgu

1500·125/400 = 468,8 rpm

Z poślizgiem

n2 = 468,8·0,975 = 457 rpm

Odpowiedź

n2 = 457 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nr = 553,8 rpm

Przekładnie planetarne: prędkości koła słonecznego, koronowego i jarzma wiąże wzór Willisa (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: widziana z jarzma przekładnia jest zwykłą przekładnią z satelitami jako kołami pośredniczącymi. Unieruchomienie jednego członu zamienia ją w reduktor o jednym przełożeniu.

Liczba zębów koła koronowego

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·12 = 39

Wzór Willisa przy nieruchomym jarzmie

Przy nc = 0 koło słoneczne napędza koło koronowe przez satelity, które działają jak koła pośredniczące.

nr = −ns·Ns/Nr = −1440·15/39 = −553,8 rpm
|nr| = 553,8 rpm

Odpowiedź

nr = 553,8 rpm

Koło koronowe obraca się przeciwnie do koła słonecznego.

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 7,015 °

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) = 1000·1000·800/(26000·251327) = 0,1224 rad
φ = 0,1224·180/π = 7,015°

Odpowiedź

φ = 7,015°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 39,32 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 50000/52,36 = 954,9 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·80)) = 39,32 mm

Odpowiedź

d = 39,32 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θs = −35,01 °

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.

στxyCτmax​

Kąt na kole

Na kole Mohra najwyższy punkt (+R) jest odległy o 90° od punktu głównego σ₁; na elemencie odpowiada to 45°.

cos 2θs = 40/117 = 0,3417, sin 2θs = −110/117 = −0,9398
2θs = atan2(−110, 40) = −70,02°

Kąt na elemencie

θs = −35,01°
sprawdzenie: θs − θp = −35,01 − 9,992 = −45°

Odpowiedź

θs = −35,01°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 22,23 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 = −25·0,6428 + 50·0,766 = 22,23 MPa

Odpowiedź

τθ = 22,23 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 20,2 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 = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·706,9) = 5,659 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,2/9,903 × 10⁻⁶ = 20196 N = 20,2 kN

Odpowiedź

P = 20,2 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,792 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 91,96 MPa
σ2 = 206,9 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 91,96·1000/70000 = 1,314 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 206,9·500/70000 = 1,478 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,792 mm

Odpowiedź

δ = 2,792 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 2,811 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·4000 = 4000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/4000² = 2811 N = 2,811 kN

Odpowiedź

Pcr = 2,811 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 151,8 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 = 3·60000 = 180000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·180000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 151,8 mm

Odpowiedź

d = 151,8 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 263,5, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,06014

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 = (1/4)·ln(10/2,2) = 0,3785

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3785/√(39,48 + 0,1433) = 0,06014

Odpowiedź

ζ = 0,06014
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,625 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 = 25 + 60 = 85 kN/m
keq = 85·40/(85 + 40) = 27,2 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(27200/100) = 16,49 rad/s
fn = 16,49/(2π) = 2,625 Hz

Odpowiedź

fn = 2,625 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design