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​ = 24N2​ = 80

Silnik o mocy 1,5 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 24 zębach, który zazębia się z kołem o 80 zębach. Sprawność pary kół wynosi 95%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 1,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 24N2 = 80η = 95%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm2880 rpmC = 500 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 160 mm i koło 300 mm, których środki są oddalone o 500 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 160 mmd2 = 300 mmC = 500 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 60, di​ = 45 mmT = 2000 N·mL = 0,8 m

Drążony wał (stal) (średnica zewnętrzna 60 mm, wewnętrzna 45 mm, długość 0,8 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 2000 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 2000 N·mdo = 60 mmdi = 45 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
do​ = ?15 kW, 3000 rpm

Wał drążony ma przenosić moc 15 kW przy 3000 rpm. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,5 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 50 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

P = 15 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,5τallow = 50 MPa
do = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = 80τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 30 MPaσy = 80 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −50σy​ = 30τxy​ = 60MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = −50 MPa, σᵧ = 30 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (σz = 0). Wyznacz naprężenie zastępcze σvM według hipotezy Hubera-Misesa.

σx = −50 MPaσy = 30 MPaτxy = 60 MPa
σvM = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
P = ?12600 mm400 mmØ25Ø40δ = 0,25 mm

Pręt składa się z odcinka (materiał: stal, średnica 25 mm, długość 600 mm, E = 200 GPa) połączonego końcami z odcinkiem (materiał: mosiądz, średnica 40 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 0,25 mm.

odcinek 1: stal, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø40 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmMosiądz2 mØ 12 mmAluminium1,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNodcinek 1: Ø25 mm, 2 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2 md = 20 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 4 md = 40 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 = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 100 kN/mc = 270 N·s/mm = 8 kg

Masa 8 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 100 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 270 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 8 kgk = 100 kN/mc = 270 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 10k2​ = 20k3​ = 15m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na sprężynie k₃ = 15 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 10 kN/m i k₂ = 20 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 10 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 31,28 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/151,8 = 9,879 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 9,879·80/24·0,95 = 31,28 N·m

Odpowiedź

T2 = 31,28 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 163,9 °

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(0,14) = 8,048°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·8,048 = 163,9°

Odpowiedź

θ = 163,9°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 1,317 °

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(60⁴ − 45⁴)/32 = 869767 mm⁴

Kąt skręcenia

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·800/(80000·869767) = 0,02299 rad
φ = 0,02299·180/π = 1,317°

Odpowiedź

φ = 1,317°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 17,31 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 15000/314,2 = 47,75 N·m

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 47,75 N·m = 47746 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·47746/(π·50·0,9375)) = 17,31 mm
di = 0,5·17,31 = 8,656 mm

Odpowiedź

do = 17,31 mm

Wał pełny wymagałby d = 16,94 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 65 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.

στxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((30 − 80)/2)² + 60²) = 65 MPa

Odpowiedź

τmax = 65 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σvM = 125,3 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. 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 = −10 MPa, R = 72,11 MPa
σ1 = 62,11 MPa, σ2 = −82,11 MPa, σ3 = 0

Huber-Mises

σvM = √(62,11² − 62,11·(−82,11) + (−82,11)²) = 125,3 MPa

Odpowiedź

σvM = 125,3 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: P = 26,9 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 = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Podatności

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490,9) = 6,112 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·1257) = 3,183 × 10⁻⁶ mm/N

Obciążenie

P = 0,25/9,295 × 10⁻⁶ = 26897 N = 26,9 kN

Odpowiedź

P = 26,9 kN
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 10,36 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 91,67 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 91,67·2000/100000 = 1,833 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 397,9·1500/70000 = 8,526 mm
δ = δ1 + δ2 = 10,36 mm

Odpowiedź

δ = 10,36 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 5,426 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

Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1000² = 5426 N = 5,426 kN

Odpowiedź

Pcr = 5,426 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 25,18 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/10 = 280

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/280² = 25,18 MPa

Odpowiedź

σcr = 25,18 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1509

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·√(100000·8) = 1789 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 270/1789 = 0,1509

Odpowiedź

ζ = 0,1509

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

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 5,033 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 = 10 + 20 = 30 kN/m
keq = 30·15/(30 + 15) = 10 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(10000/10) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Odpowiedź

fn = 5,033 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design