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​ = ?N2​

Dwa równoległe wały są oddalone o 270 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 5 mm i przełożeniu redukującym 5 : 1. Ile zębów N1 musi mieć zębnik?

a = 270 mmm = 5 mmi = 5
N1 =
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 25B = 60C = 15D = 45

W przekładni dwustopniowej koło A (25 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1450 rpm, napędza koło B (60 zębów). Koło C (15 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (45 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1450 rpmA = 25B = 60C = 15D = 45
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 400 N·md = 30 mmL = 1,2 mφ = ?

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

T = 400 N·md = 30 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 40 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 500 N·mABC2 m2 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 40 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 100 N·m działa w B, w odległości 2 m od A, a moment 500 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 2 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 40 mmTB = 100 N·mTC = 500 N·mAB = 2 mBC = 2 mG = 39 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 50σy​ = 70MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = 50 MPa i σᵧ = 70 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 130 MPa?

σx = 50 MPaσy = 70 MPaσ1 = 130 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −80σy​ = −60τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −80 MPa, σᵧ = −60 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −80 MPaσy = −60 MPaτxy = 60 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
250 kNØ40120 GPaØ120/60300 mmδ = ?

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: miedź, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 60 mm, E = 120 GPa). Oba mają długość 300 mm i są razem ściskane między sztywnymi płytami siłą 250 kN. Wyznacz skrócenie δ.

P = 250 kNpręt: Ø40 mm, E = 200 GParura: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmMosiądz2 mØ 16 mmMosiądz1,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNodcinek 1: Ø30 mm, 2 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 25 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 = 3 mE = 200 GPa (stal)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 115 kNL = 1,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 115 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 115 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx20 mmLiczba cykli: 41 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 20 mm po 4 cyklach następuje maksimum 1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 20 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 15k2​ = 30m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 15 kN/m i k₂ = 30 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 15 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: N1 = 18

Geometria kół zębatych: moduł m określa wielkość zęba. Koło o N zębach ma średnicę podziałową d = m·N, dwa współpracujące koła mają ten sam moduł, a ich odległość osi wynosi a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. Prędkość obwodowa na średnicy podziałowej to v = π·d·n/60, a siła obwodowa na zębie wynika z momentu: Ft = 2T/d.

Łączna liczba zębów

N1 + N2 = 2a/m = 2·270/5 = 108

Podział według przełożenia

N1 = 108/(1 + 5) = 18

Odpowiedź

N1 = 18
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 201,4 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 = 1450·25/60 = 604,2 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 604,2·15/45 = 201,4 rpm

Odpowiedź

nout = 201,4 rpm

przełożenie całkowite = 7,2 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 8,868 °

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) = 400·1000·1200/(39000·79522) = 0,1548 rad
φ = 0,1548·180/π = 8,868°

Odpowiedź

φ = 8,868°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 12,86 °

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 = 500 N·m
TAB = TC + TB = 500 + 100 = 600 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 600000·2000/(39000·251327) = 0,1224 rad
φBC = 500000·2000/(39000·251327) = 0,102 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,1224 + 0,102 = 0,2244 rad → |φC| = 12,86°

Odpowiedź

φC = 12,86°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 69,28 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 = (50 + 70)/2 = 60 MPa
R = σ1 − C = 130 − 60 = 70 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(70² − 10²) = 69,28 MPa

Odpowiedź

τxy = 69,28 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −23,04 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 = −70 + −10·0,5 + 60·0,866 = −23,04 MPa

Odpowiedź

σθ = −23,04 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,05909 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·8482 = 1,269 × 10⁹ N

Skrócenie

δ = 250000·300/1,269 × 10⁹ = 0,05909 mm

Odpowiedź

δ = 0,05909 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 3,087 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 42,44 MPa
σ2 = 149,2 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 42,44·2000/100000 = 0,8488 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 149,2·1500/100000 = 2,238 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,087 mm

Odpowiedź

δ = 3,087 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 8,583 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2100² = 8583 N = 8,583 kN

Odpowiedź

Pcr = 8,583 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 88,39 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 = 2·115000 = 230000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·230000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 88,39 mm

Odpowiedź

d = 88,39 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 135,8, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1184

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(20/1) = 0,7489

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7489/√(39,48 + 0,5609) = 0,1184

Odpowiedź

ζ = 0,1184
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 4,775 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 = 15 + 30 = 45 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(45000/50) = 30 rad/s
fn = 30/(2π) = 4,775 Hz

Odpowiedź

fn = 4,775 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design