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​ = 12N2​ = 15

Silnik o mocy 2,2 kW pracujący z prędkością 2900 rpm napędza zębnik o 12 zębach, który zazębia się z kołem o 15 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 2,2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 15η = 100%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 600 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 125 mm i koło 500 mm, których środki są oddalone o 600 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 125 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 100 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

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

T = 100 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 80 mm, di​ = 40 mm

Wał drążony przenosi 30 kW przy 750 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 30 kWN = 750 rpmdo = 80 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = 20τxy​ = 40MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = 20 MPa i τₓᵧ = 40 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 30 MPaσy = 20 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 20σy​ = 100τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 20 MPa, σᵧ = 100 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 40° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = 20 MPaσy = 100 MPaτxy = 50 MPaθ = 40°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
150 kNØ30110 GPaØ120/70300 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 30 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: brąz, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 70 mm, E = 110 GPa). Oba mają długość 300 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 150 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 150 kNpręt: Ø30 mm, E = 200 GParura: Ø120/Ø70 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmAluminium2 mØ 12 mmMiedź0,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNodcinek 1: Ø35 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 0,5 m, miedź (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2 md = 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 35 kNL = 2,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 35 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 35 kNn = 2L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 5 kN/mζ = 0,7m = 50 kg

Masa 50 kg na sprężynie o sztywności 5 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,7. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 50 kgk = 5 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 25k2​ = 60m = 20 kg

Masa 20 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 25 kN/m, a dolna k₂ = 60 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

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

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 9,055 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/303,7 = 7,244 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 7,244·15/12·1 = 9,055 N·m

Odpowiedź

T2 = 9,055 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 143,6 °

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(0,3125) = 18,21°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·18,21 = 143,6°

Odpowiedź

θ = 143,6°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 2,771 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(39000·79522) = 0,04837 rad
φ = 0,04837·180/π = 2,771°

Odpowiedź

φ = 2,771°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 4,053 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.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(80⁴ − 40⁴)/32 = 3,77 × 10⁶ mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 381972·40/3,77 × 10⁶ = 4,053 MPa

Odpowiedź

τmax = 4,053 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 41,44 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Kąt na kole

Na kole Mohra punkt x leży pod kątem 2θp od osi σ; ćwiartka wynika ze znaków σₓ − σᵧ i τₓᵧ.

2θp = atan2(2·40, 30 − 20) = 82,87°

Kąt na elemencie

θp = 41,44°

Odpowiedź

θp = 41,44°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 48,07 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 = −−40·0,9848 + 50·0,1736 = 48,07 MPa

Odpowiedź

τθ = 48,07 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,04677 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(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·7461 = 9,621 × 10⁸ N

Skrócenie

δ = 150000·300/9,621 × 10⁸ = 0,04677 mm

Odpowiedź

δ = 0,04677 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 3,374 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 51,97 MPa
σ2 = 442,1 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 51,97·2000/70000 = 1,485 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 442,1·500/117000 = 1,889 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,374 mm

Odpowiedź

δ = 3,374 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 27,47 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·2000 = 4000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/4000² = 27470 N = 27,47 kN

Odpowiedź

Pcr = 27,47 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 32,6 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 = 2·35000 = 70000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·70000·1250²/(π³·200000))^(1/4) = 32,6 mm

Odpowiedź

d = 32,6 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 153,4, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 1,137 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 = √(5000/50) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,7²) = 1,137 Hz

Odpowiedź

fd = 1,137 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,728 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 szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/60 → keq = 25·60/(25 + 60) = 17,65 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(17647/20) = 29,7 rad/s
fn = 29,7/(2π) = 4,728 Hz

Odpowiedź

fn = 4,728 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design