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​ = 20N2​ = 80

Silnik o mocy 2,2 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 20 zębach, który zazębia się z kołem o 80 zębach. Sprawność pary kół wynosi 97%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 2,2 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 80η = 97%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 40B = 48C = 12D = 15

W przekładni dwustopniowej koło A (40 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 960 rpm, napędza koło B (48 zębów). Koło C (12 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (15 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 960 rpmA = 40B = 48C = 12D = 15
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 500 N·md = 40 mmL = 2 mφ = ?

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

T = 500 N·md = 40 mmL = 2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 30 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 250 N·mABC0,8 m1 m

Pełny wał (stal) o średnicy 30 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 0,8 m od A, a moment 250 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 30 mmTB = 1500 N·mTC = 250 N·mAB = 0,8 mBC = 1 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 100σy​ = 80τxy​ = −20MPa

W punkcie σₓ = 100 MPa, σᵧ = 80 MPa i τₓᵧ = −20 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 = 100 MPaσy = 80 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 60σy​ = 70τxy​ = −20MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 60 MPa, σᵧ = 70 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0). Granica plastyczności materiału wynosi 275 MPa. Wyznacz współczynnik bezpieczeństwa n względem uplastycznienia według hipotezy Hubera-Misesa (energii odkształcenia postaciowego).

σx = 60 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 20 mmMosiądz1 mP = 15 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (mosiądz) pod obciążeniem osiowym.

P = 15 kNd = 20 mmL = 1 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 40 mmAluminium0,5 mØ 12 mmStal1 mP = 115 kN

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

P = 115 kNodcinek 1: Ø40 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m20 × 100 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 6 md = 30 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 80 kN/mζ = 0,5m = 250 kg

Masa 250 kg na sprężynie o sztywności 80 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,5. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 250 kgk = 80 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 60k2​ = 50m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 60 kN/m i k₂ = 50 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 56,22 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 = 2200/151,8 = 14,49 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 14,49·80/20·0,97 = 56,22 N·m

Odpowiedź

T2 = 56,22 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 640 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 = 960·40/48 = 800 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 800·12/15 = 640 rpm

Odpowiedź

nout = 640 rpm

przełożenie całkowite = 1,5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 8,768 °

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) = 500·1000·2000/(26000·251327) = 0,153 rad
φ = 0,153·180/π = 8,768°

Odpowiedź

φ = 8,768°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 14,86 °

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 = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 1500 = 1750 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 1,75 × 10⁶·800/(80000·79522) = 0,2201 rad
φBC = 250000·1000/(80000·79522) = 0,0393 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,2201 + 0,0393 = 0,2594 rad → |φC| = 14,86°

Odpowiedź

φC = 14,86°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θs = −76,72 °

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.

σxyCτmax​

Kąt na kole

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

cos 2θs = −20/22,36 = −0,8944, sin 2θs = −10/22,36 = −0,4472
2θs = atan2(−10, −20) = −153,4°

Kąt na elemencie

θs = −76,72°
sprawdzenie: θs − θp = −76,72 − (−31,72) = −45°

Odpowiedź

θs = −76,72°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: n = 3,708

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.

σxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne

C = 65 MPa, R = 20,62 MPa
σ1 = 85,62 MPa, σ2 = 44,38 MPa, σ3 = 0

Huber-Mises

σvM = √(85,62² − 85,62·44,38 + 44,38²) = 74,16 MPa
n = 275/74,16 = 3,708

Odpowiedź

n = 3,708

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

7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,4775 mm

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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 15·1000/314,2 = 47,75 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 47,75/100000 = 0,0004775 = 477,5 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,0004775·1000 mm = 0,4775 mm

Odpowiedź

δ = 0,4775 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 5,738 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 91,51 MPa
σ2 = 1017 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 91,51·500/70000 = 0,6537 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 1017·1000/200000 = 5,084 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,738 mm

Odpowiedź

δ = 5,738 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 14,62 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·1500 = 3000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/3000² = 14622 N = 14,62 kN

Odpowiedź

Pcr = 14,62 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 4,318 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 = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Odpowiedź

σcr = 4,318 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 2,466 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.

Częstotliwość drgań własnych nietłumionych

ωn = √(80000/250) = 17,89 rad/s
fn = 17,89/(2π) = 2,847 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,847·√(1 − 0,5²) = 2,466 Hz

Odpowiedź

fd = 2,466 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 16,69 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 obok siebie mają to samo ugięcie, a ich siły się sumują, więc ich sztywności po prostu się dodaje: k = k1 + k2.

keq = 60 + 50 = 110 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(110000/10) = 104,9 rad/s
fn = 104,9/(2π) = 16,69 Hz

Odpowiedź

fn = 16,69 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design