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​ = 25N2​ = 45

Silnik o mocy 1,1 kW pracujący z prędkością 1500 rpm napędza zębnik o 25 zębach, który zazębia się z kołem o 45 zębach. Sprawność pary kół wynosi 96%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 45η = 96%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 32B = 60C = 30D = 50

W przekładni dwustopniowej koło A (32 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1440 rpm, napędza koło B (60 zębów). Koło C (30 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (50 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1440 rpmA = 32B = 60C = 30D = 50
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
d = ?T = 1500 N·mL = 0,8 m

Pełny wał (stal) o długości 0,8 m przenosi moment skręcający 1500 N·m. Kąt skręcenia między jego końcami nie może przekroczyć 3°. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia ten warunek.

T = 1500 N·mL = 0,8 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 750 N·mABC1 m2 m

Pełny wał (stal) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 100 N·m działa w B, w odległości 1 m od A, a moment 750 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 2 m dalej. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

d = 50 mmTB = 100 N·mTC = 750 N·mAB = 1 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −40σy​ = 70MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = −40 MPa i σᵧ = 70 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 105 MPa?

σx = −40 MPaσy = 70 MPaσ1 = 105 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 150σy​ = 90τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 150 MPa, σᵧ = 90 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 = 150 MPaσy = 90 MPaτxy = 50 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmMosiądz1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
60 kN12400 mm400 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 40 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: aluminium, średnica 40 mm, długość 400 mm, E = 70 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 60 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: aluminium, Ø40 mm, 400 mm, E = 70 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m20 × 40 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 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 2 mE = 200 GPa (stal)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 4 kN/mζ = 0,7m = 25 kg

Masa 25 kg na sprężynie o sztywności 4 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,7. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 25 kgk = 4 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 20k2​ = 60m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 20 kN/m i k₂ = 60 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 7,003 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/157,1 = 7,003 N·m

Odpowiedź

T1 = 7,003 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 460,8 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 = 1440·32/60 = 768 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 768·30/50 = 460,8 rpm

Odpowiedź

nout = 460,8 rpm

przełożenie całkowite = 3,125 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 41,33 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 = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·800/(80000·0,05236) = 286479 mm⁴

Średnica

d = (32J/π)1/4 = 41,33 mm

Odpowiedź

d = 41,33 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 30,56 MPa

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 = 750 N·m
TAB = TC − TB = 750 − 100 = 650 N·m

Maksymalne naprężenie styczne

Największe naprężenie ma odcinek z największym momentem wewnętrznym (ta sama średnica).

|T|max = 750 N·m
τmax = 16·750000/(π·50³) = 30,56 MPa

Odpowiedź

τmax = 30,56 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 71,24 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.

Wymagany promień

C = (−40 + 70)/2 = 15 MPa
R = σ1 − C = 105 − 15 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 55²) = 71,24 MPa

Odpowiedź

τxy = 71,24 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 19,02 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 = −30·0,6428 + 50·0,766 = 19,02 MPa

Odpowiedź

τθ = 19,02 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 1273 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 90·1000/706,9 = 127,3 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 127,3/100000 = 0,001273 = 1273 µε

Odpowiedź

ε = 1273 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 12,38 MPa

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.

Sztywności

k₁ = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 70000·1257/400 = 219911 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 60000·219911/848230 = 15556 N

Naprężenie

σ2 = 15556/1257 = 12,38 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 12,38 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 5,849 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·1500 = 3000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/3000² = 5849 N = 5,849 kN

Odpowiedź

Pcr = 5,849 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 49,35 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/20 = 200

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Odpowiedź

σcr = 49,35 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 1,438 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 = √(4000/25) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,013·√(1 − 0,7²) = 1,438 Hz

Odpowiedź

fd = 1,438 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 9,003 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 = 20 + 60 = 80 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(80000/25) = 56,57 rad/s
fn = 56,57/(2π) = 9,003 Hz

Odpowiedź

fn = 9,003 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design