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​ = 150 mmd2​ = 400 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 200 NP = ?

Pas biegnie na kole napędzającym 150 mm z prędkością 720 obr/min. Siła w cięgnie czynnym wynosi 800 N, a w cięgnie biernym 200 N. Wyznacz przenoszoną moc P w kW.

d1 = 150 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 200 N
P = kW
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 1000 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 150 mm i koło 300 mm, których środki są oddalone o 1000 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 150 mmd2 = 300 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = 75, di​ = 56 mmT = 500 N·mL = 2 m

Drążony wał (mosiądz) (średnica zewnętrzna 75 mm, wewnętrzna 56 mm, długość 2 m) jest utwierdzony na jednym końcu i skręcany momentem 500 N·m na drugim. Wyznacz kąt skręcenia φ w stopniach.

T = 500 N·mdo = 75 mmdi = 56 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
Tdo​ = 50 mm, di​ = 38 mm

Wał drążony przenosi 15 kW przy 500 obr/min. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

P = 15 kWN = 500 rpmdo = 50 mmdi = 38 mm
τmax = MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = −80τxy​ = 30MPa

W punkcie σₓ = 30 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 60° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = 30 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 100σy​ = 30τxy​ = −50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 100 MPa, σᵧ = 30 MPa i τₓᵧ = −50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 25° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 100 MPaσy = 30 MPaτxy = −50 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 30 mmStal2,5 mP = 90 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (stal) pod obciążeniem osiowym.

P = 90 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
P = ?Ø40120 GPaØ120/70600 mm

Pręt (materiał: stal, średnica 40 mm, E = 200 GPa, naprężenie dopuszczalne 150 MPa) znajduje się wewnątrz rury (materiał: miedź, średnica zewnętrzna 120 mm, średnica wewnętrzna 70 mm, E = 120 GPa, naprężenie dopuszczalne 100 MPa). Są razem ściskane między sztywnymi płytami. Wyznacz największe obciążenie Pmax.

pręt: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MParura: Ø120/Ø70 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2,5 m50 × 60 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 6 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 6 mE = 200 GPa (stal)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 5 kN/mζ = 0,45m = 40 kg

Masa 40 kg na sprężynie o sztywności 5 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,45. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 40 kgk = 5 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 50k2​ = 80m = 5 kg

Masa 5 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 50 kN/m i k₂ = 80 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 3,393 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 = 5,655 m/s

Moc

P = (800 − 200)·5,655 = 3393 W = 3,393 kW

Odpowiedź

P = 3,393 kW
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 171,4 °

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(0,075) = 4,301°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Odpowiedź

θ = 171,4°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,6862 °

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(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Kąt skręcenia

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 500000·2000/(39000·2,141 × 10⁶) = 0,01198 rad
φ = 0,01198·180/π = 0,6862°

Odpowiedź

φ = 0,6862°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 17,52 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Biegunowy moment bezwładności

J = π(50⁴ − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴

Maksymalne naprężenie styczne

τmax = T·(do/2)/J = 286479·25/408885 = 17,52 MPa

Odpowiedź

τmax = 17,52 MPa
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = −23,48 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 dla ścianki y′

σy′ = −25 − 55·(−0,5) − 30·0,866 = −23,48 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = −26,52 MPa, σx′ + σy′ = −50 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = −23,48 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 49,2 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 = 65 + 35·0,6428 + −50·0,766 = 49,2 MPa

Odpowiedź

σθ = 49,2 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 1,592 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 90·1000/706,9 = 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 = 0,0006366·2500 mm = 1,592 mm

Odpowiedź

δ = 1,592 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: Pmax = 860 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Łączna sztywność osiowa

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·7461 = 1,147 × 10⁹ N

Decydujące odkształcenie

ε = min(0,00075, 0,0008333) = 0,00075 (stal)

Największe obciążenie

Pmax = 0,00075·1,147 × 10⁹ = 860011 N = 860 kN

Odpowiedź

Pmax = 860 kN
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 49,35 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 2·2500 = 5000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/5000² = 49348 N = 49,35 kN

Odpowiedź

Pcr = 49,35 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 2,142 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·6000 = 12000 mm
KL/r = 12000/12,5 = 960

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/960² = 2,142 MPa

Odpowiedź

σcr = 2,142 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 1,589 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 = √(5000/40) = 11,18 rad/s
fn = 11,18/(2π) = 1,779 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,779·√(1 − 0,45²) = 1,589 Hz

Odpowiedź

fd = 1,589 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 25,66 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 = 50 + 80 = 130 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(130000/5) = 161,2 rad/s
fn = 161,2/(2π) = 25,66 Hz

Odpowiedź

fn = 25,66 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design