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​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Koło pasowe 150 mm obracające się z prędkością 1450 obr/min napędza przez pas koło 250 mm z poślizgiem 1,5 %. Wyznacz prędkość obrotową n2 koła napędzanego.

n1 = 1450 rpmd1 = 150 mmd2 = 250 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm720 rpmC = 500 mmθ = ?

Pas otwarty łączy koło 80 mm i koło 250 mm, których środki są oddalone o 500 mm. Wyznacz kąt opasania θ na mniejszym kole, w stopniach.

d1 = 80 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 400 N·md = 30 mmL = 2 mφ = ?

Pełny wał (stal) 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 = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 30 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 400 N·mABC1,5 m2 m

Pełny wał (aluminium) o średnicy 30 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 1,5 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 = 1,5 mBC = 2 mG = 26 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −30σy​ = 90τxy​ = 30MPa

W punkcie σₓ = −30 MPa, σᵧ = 90 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 35° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = −30 MPaσy = 90 MPaτxy = 30 MPaθ = 35°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −80σy​ = 90τxy​ = 10MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −80 MPa, σᵧ = 90 MPa i τₓᵧ = 10 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie styczne τθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 15° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x (dodatnie w tym samym sensie co τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = 90 MPaτxy = 10 MPaθ = 15°
τθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 12 mmMiedź2,5 mP = 115 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (miedź) pod obciążeniem osiowym.

P = 115 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmMosiądz2 mØ 12 mmMosiądz1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNodcinek 1: Ø30 mm, 2 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 3 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (stal)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 40 kNL = 2 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 40 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 40 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx15 mmLiczba cykli: 50,6 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 15 mm po 5 cyklach następuje maksimum 0,6 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 15 mmx5 = 0,6 mmn = 5
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 80k3​ = 50m = 10 kg

Masa 10 kg wisi na sprężynie k₃ = 50 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 5 kN/m i k₂ = 80 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: n2 = 856,9 rpm

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 bez poślizgu

1450·150/250 = 870 rpm

Z poślizgiem

n2 = 870·0,985 = 856,9 rpm

Odpowiedź

n2 = 856,9 rpm
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: θ = 160,4 °

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(0,17) = 9,788°

Kąt opasania

θ = 180 − 2·9,788 = 160,4°

Odpowiedź

θ = 160,4°
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 7,205 °

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) = 400·1000·2000/(80000·79522) = 0,1258 rad
φ = 0,1258·180/π = 7,205°

Odpowiedź

φ = 7,205°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 23,56 °

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 = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = −1,1 × 10⁶·1500/(26000·79522) = −0,798 rad
φBC = 400000·2000/(26000·79522) = 0,3869 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = −0,798 + 0,3869 = −0,4111 rad → |φC| = 23,56°

Odpowiedź

φC = 23,56°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 22,33 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′ = 30 − (−60)·0,342 − 30·0,9397 = 22,33 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 37,67 MPa, σx′ + σy′ = 60 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 22,33 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τθ = 51,16 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 = −−85·0,5 + 10·0,866 = 51,16 MPa

Odpowiedź

τθ = 51,16 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 21,73 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 115·1000/113,1 = 1017 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 1017/117000 = 0,008691 = 8691 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,008691·2500 mm = 21,73 mm

Odpowiedź

δ = 21,73 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 14,48 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 127,3 MPa
σ2 = 795,8 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 127,3·2000/100000 = 2,546 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 795,8·1500/100000 = 11,94 mm
δ = δ1 + δ2 = 14,48 mm

Odpowiedź

δ = 14,48 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 441 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·3000 = 3000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/3000² = 440978 N = 441 kN

Odpowiedź

Pcr = 441 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 61,34 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 = 3·40000 = 120000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 61,34 mm

Odpowiedź

d = 61,34 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 130,4, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1019

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 = (1/5)·ln(15/0,6) = 0,6438

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6438/√(39,48 + 0,4144) = 0,1019

Odpowiedź

ζ = 0,1019
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 8,93 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

Tylko k1 i k2 są połączone równolegle. Ta para jest szeregowo z k3, więc połącz je przez odwrotności.

k12 = 5 + 80 = 85 kN/m
keq = 85·50/(85 + 50) = 31,48 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(31481/10) = 56,11 rad/s
fn = 56,11/(2π) = 8,93 Hz

Odpowiedź

fn = 8,93 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design