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​ = 160 mmd2​ = 450 mm720 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 160 mm obracające się z prędkością 720 obr/min napędza przez pas koło 450 mm z poślizgiem 1,5 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 20B = 25C = 40D = 45

Silnik o mocy 3 kW i prędkości 960 rpm napędza koło A (20 zębów), które współpracuje z kołem B (25 zębów). Koło C (40 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (45 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.

P = 3 kWnin = 960 rpmA = 20B = 25C = 40D = 45ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 12 mmT = 50 N·m300 mmφ = 10,82°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 12 mm jest skręcana momentem 50 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 300 mm obracają się względem siebie o 10,82° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 50 N·md = 12 mmL = 300 mmφ = 10,82°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?10 kW, 1000 rpm

Pełny wał (stal) przenosi moc 10 kW przy 1000 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 40 MPa, a kąt skręcenia 0,25° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 10 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,25°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −20MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = −20 MPa i σᵧ = 0 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 50 MPa?

σx = −20 MPaσy = 0 MPaσ1 = 50 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 140σy​ = 10τxy​ = −60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 140 MPa, σᵧ = 10 MPa i τₓᵧ = −60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 25° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 140 MPaσy = 10 MPaτxy = −60 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
80 kNØ3070 GPaØ100/60800 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 30 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: aluminium, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 70 GPa). Oba mają długość 800 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 80 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 80 kNpręt: Ø30 mm, E = 200 GParura: Ø100/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø25100 GPaØ100/60800 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 25 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 250 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 100 GPa, naprężenie dopuszczalne 60 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MParura: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 m20 × 80 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 3 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 100 kNL = 6 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 100 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 100 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 40,7 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 4 cyklach następuje maksimum 0,7 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx4 = 0,7 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 20k2​ = 10k3​ = 100m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na sprężynie k₃ = 100 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 20 kN/m i k₂ = 10 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 252,2 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

720·160/450 = 256 rpm

Z poślizgiem

n2 = 256·0,985 = 252,2 rpm

Odpowiedź

n2 = 252,2 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Tout = 37,87 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Prędkość obrotowa wyjściowa

nout = 960·(20/25)·(40/45) = 682,7 rpm
ωout = 2π·682,7/60 = 71,49 rad/s

Moc i moment wyjściowy

Pout = 3000·0,95² = 2708 W
Tout = Pout/ωout = 2708/71,49 = 37,87 N·m

Odpowiedź

Tout = 37,87 N·m
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 39,02 GPa

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 i kąt

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 10,82·π/180 = 0,1888 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 50 N·m = 50000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 50000·300/(2036·0,1888) = 39018 MPa
G = 39,02 GPa

Odpowiedź

G = 39,02 GPa

Porównaj: stal ≈ 80 GPa, mosiądz ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 40,86 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 warunku wytrzymałości

T = 95,49 N·m = 95493 N·mm
dτ = ∛(16·95493/(π·40)) = 22,99 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·95493/(π·80000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 40,86 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(22,99, 40,86) = 40,86 mm

Odpowiedź

d = 40,86 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 59,16 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 = (−20 + 0)/2 = −10 MPa
R = σ1 − C = 50 − (−10) = 60 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(60² − 10²) = 59,16 MPa

Odpowiedź

τxy = 59,16 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 70,82 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

σθ = 75 + 65·0,6428 + −60·0,766 = 70,82 MPa

Odpowiedź

σθ = 70,82 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,1298 mm

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

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·5027 = 4,932 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 80000·800/4,932 × 10⁸ = 0,1298 mm

Odpowiedź

δ = 0,1298 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 360,5 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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·5027 = 6,008 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,00125, 0,0006) = 0,0006 (mosiądz)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0006·6,008 × 10⁸ = 360498 N = 360,5 kN

Odpowiedź

Pmax = 360,5 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 46,79 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/1500² = 46789 N = 46,79 kN

Odpowiedź

Pcr = 46,79 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 120,7 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 = 2·100000 = 200000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 120,7 mm

Odpowiedź

d = 120,7 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 198,8, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,121

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(15/0,7) = 0,7662

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7662/√(39,48 + 0,587) = 0,121

Odpowiedź

ζ = 0,121
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,835 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 = 20 + 10 = 30 kN/m
keq = 30·100/(30 + 100) = 23,08 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(23077/25) = 30,38 rad/s
fn = 30,38/(2π) = 4,835 Hz

Odpowiedź

fn = 4,835 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design