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​ = 125 mmd2​ = 200 mm1500 rpmT1​ = 400 NT2​ = 120 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 125 mm z prędkością 1500 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 400 N, a w cięgnie biernym 120 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmT1 = 400 NT2 = 120 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 32B = 40C = 16D = 32

W przekładni dwustopniowej koło A (32 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1500 rpm, napędza koło B (40 zębów). Koło C (16 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (32 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1500 rpmA = 32B = 40C = 16D = 32
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 750 N·md = 25 mmL = 0,8 mφ = ?

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

T = 750 N·md = 25 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 30 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 400 N·mABC3 m2 m

Pełny wał (stal) o średnicy 30 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 3 m od A, a moment 400 N·m o przeciwnym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 2 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 30 mmTB = 1500 N·mTC = 400 N·mAB = 3 mBC = 2 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = −60τxy​ = −20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = −60 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 30 MPaσy = −60 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −50σy​ = 50τxy​ = −60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −50 MPa, σᵧ = 50 MPa i τₓᵧ = −60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 35° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 50 MPaτxy = −60 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 20 mmStal0,5 mP = 40 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (stal) pod obciążeniem osiowym.

P = 40 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø25100 GPaØ100/70600 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 25 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 200 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: mosiądz, średnica zewnętrzna 100 mm, średnica wewnętrzna 70 mm, E = 100 GPa, naprężenie dopuszczalne 80 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MParura: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m40 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 4 md = 80 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 = 4 mE = 200 GPa (stal)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx40 mmLiczba cykli: 221,3 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 40 mm po 2 cyklach następuje maksimum 21,3 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 40 mmx2 = 21,3 mmn = 2
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 25m = 5 kg

Masa 5 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 30 kN/m, a dolna k₂ = 25 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 2,749 kW

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 pasa

v = 9,817 m/s

Moc

P = (400 − 120)·9,817 = 2749 W = 2,749 kW

Odpowiedź

P = 2,749 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 600 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 = 1500·32/40 = 1200 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1200·16/32 = 600 rpm

Odpowiedź

nout = 600 rpm

przełożenie całkowite = 2,5 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 11,21 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 750·1000·800/(80000·38350) = 0,1956 rad
φ = 0,1956·180/π = 11,21°

Odpowiedź

φ = 11,21°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 22,52 °

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 = 400 N·m
TAB = TC − TB = 400 − 1500 = −1100 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = −1,1 × 10⁶·3000/(80000·79522) = −0,5187 rad
φBC = 400000·2000/(80000·79522) = 0,1258 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = −0,5187 + 0,1258 = −0,393 rad → |φC| = 22,52°

Odpowiedź

φC = 22,52°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 49,24 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.

στxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((30 − −60)/2)² + −20²) = 49,24 MPa

Odpowiedź

τmax = 49,24 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 26,46 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 = −−50·0,9397 + −60·0,342 = 26,46 MPa

Odpowiedź

τθ = 26,46 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,3183 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 = 40·1000/314,2 = 127,3 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for stal = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 127,3/200000 = 0,0006366 = 636,6 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,0006366·500 mm = 0,3183 mm

Odpowiedź

δ = 0,3183 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 399 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 − 70²)/4 = 4006 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·4006 = 4,987 × 10⁸ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,001, 0,0008) = 0,0008 (mosiądz)

Największe obciążenie

Pmax = 0,0008·4,987 × 10⁸ = 398982 N = 399 kN

Odpowiedź

Pmax = 399 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 24,56 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·1500 = 3000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/3000² = 24564 N = 24,56 kN

Odpowiedź

Pcr = 24,56 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 197,4 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 = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/20 = 100

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa

Odpowiedź

σcr = 197,4 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,05008

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(40/21,3) = 0,3151

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3151/√(39,48 + 0,09928) = 0,05008

Odpowiedź

ζ = 0,05008
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 13,64 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/25 → keq = 30·25/(30 + 25) = 13,64 kN/m

Odpowiedź

keq = 13,64 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design