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​ = 32N2​ = 40

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 960 rpm napędza zębnik o 32 zębach, który zazębia się z kołem o 40 zębach. Sprawność pary kół wynosi 98%. Wyznacz moment obrotowy T1 na wale silnika.

P = 3 kWn1 = 960 rpmN1 = 32N2 = 40η = 98%
T1 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 100 mm i koło 400 mm, których środki są oddalone o 600 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 100 mmd2 = 400 mmC = 600 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 40, di​ = 30 mmT = 1000 N·mL = 1,5 m

Drążony wał (aluminium) (średnica zewnętrzna 40 mm, wewnętrzna 30 mm, długość 1,5 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 1000 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 1000 N·mdo = 40 mmdi = 30 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 50 kW przy 1800 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 75 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 50 kWN = 1800 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 110σy​ = 110τxy​ = 60MPa

Punkt cienkiej płyty jest w płaskim stanie naprężenia: σₓ = 110 MPa, σᵧ = 110 MPa i τₓᵧ = 60 MPa, przy σz = 0. Wyznacz bezwzględne maksymalne naprężenie styczne τabs w tym punkcie (z uwzględnieniem wszystkich płaszczyzn w trzech wymiarach).

σx = 110 MPaσy = 110 MPaτxy = 60 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 120σy​ = −40τxy​ = −20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 120 MPa, σᵧ = −40 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 25° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 120 MPaσy = −40 MPaτxy = −20 MPaθ = 25°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 20 mmMiedź1,5 mP = 120 kN

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

P = 120 kNd = 20 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
100 kN12400 mm200 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 20 mm, długość 400 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: mosiądz, średnica 60 mm, długość 200 mm, E = 100 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 100 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaodcinek 2: mosiądz, Ø60 mm, 200 mm, E = 100 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 5 md = 40 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 5 mE = 200 GPa (stal)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx25 mmLiczba cykli: 215,1 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 25 mm po 2 cyklach następuje maksimum 15,1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 25 mmx2 = 15,1 mmn = 2
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 12m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 5 kN/m i k₂ = 12 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T1 = 29,84 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/100,5 = 29,84 N·m

Odpowiedź

T1 = 29,84 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 151 °

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(0,25) = 14,48°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·14,48 = 151°

Odpowiedź

θ = 151°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 19,24 °

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 − 30⁴)/32 = 171806 mm⁴

Kąt skręcenia

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·1500/(26000·171806) = 0,3358 rad
φ = 0,3358·180/π = 19,24°

Odpowiedź

φ = 19,24°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 26,21 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 50000/188,5 = 265,3 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·265258/(π·75)) = 26,21 mm

Odpowiedź

d = 26,21 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τabs = 85 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. W trzech wymiarach bezwzględne maksymalne naprężenie styczne wynosi (σmax − σmin)/2 ze wszystkich trzech naprężeń głównych; w płaskim stanie naprężenia trzecie jest równe zeru.

στxyCσ1​σ2​

Naprężenia główne w płaszczyźnie

C = 110 MPa, R = √(0² + 60²) = 60 MPa
σ1 = 170 MPa, σ2 = 50 MPa, σz = 0

Największe z trzech kół

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(120, 170, 50)/2 = 85 MPa

Odpowiedź

τabs = 85 MPa

Tutaj decyduje koło spoza płaszczyzny: maksimum bezwzględne jest większe niż maksimum w płaszczyźnie R.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = −74,14 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 = −80·0,766 + −20·0,6428 = −74,14 MPa

Odpowiedź

τθ = −74,14 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 3265 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 120·1000/314,2 = 382 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 382/117000 = 0,003265 = 3265 µε

Odpowiedź

ε = 3265 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σ2 = 31,83 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 = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 100000·2827/200 = 1,414 × 10⁶ N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 100000·1,414 × 10⁶/1,571 × 10⁶ = 90000 N

Naprężenie

σ2 = 90000/2827 = 31,83 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 31,83 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 225 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1050² = 224989 N = 225 kN

Odpowiedź

Pcr = 225 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 31,58 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 = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31,58 MPa

Odpowiedź

σcr = 31,58 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,04009

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 = (1/2)·ln(25/15,1) = 0,2521

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2521/√(39,48 + 0,06355) = 0,04009

Odpowiedź

ζ = 0,04009
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 17 kN/m

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 = 5 + 12 = 17 kN/m

Odpowiedź

keq = 17 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design