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​ = 18N2​ = 72

Silnik o mocy 4 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 18 zębach, który zazębia się z kołem o 72 zębach. Sprawność pary kół wynosi 98%. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 72η = 98%
T2 = N·m
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 1200 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Pas otwarty łączy koło napędzające 200 mm o prędkości 2880 obr/min z kołem 315 mm; środki są oddalone o 1200 mm. Współczynnik tarcia wynosi 0,3, a siła w cięgnie czynnym nie może przekroczyć 600 N. Wyznacz największą moc P, jaką pas może przenieść bez poślizgu, w kW (pomiń efekty odśrodkowe).

d1 = 200 mmn1 = 2880 rpmd2 = 315 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 600 N
P = kW
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 20 mmT = 50 N·m250 mmφ = 1,17°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 20 mm jest skręcana momentem 50 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 250 mm obracają się względem siebie o 1,17° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 50 N·md = 20 mmL = 250 mmφ = 1,17°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 30 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 750 N·mABC1,2 m2 m

Pełny wał (stal) o średnicy 30 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 1500 N·m działa w B, w odległości 1,2 m od A, a moment 750 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 = 750 N·mAB = 1,2 mBC = 2 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = −10σy​ = 40τxy​ = −10MPa

W punkcie σₓ = −10 MPa, σᵧ = 40 MPa i τₓᵧ = −10 MPa (rozciąganie dodatnie). Element obrócono o 50° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wyznacz naprężenie normalne σy′ na ściankach obróconego elementu prostopadłych do obróconej osi y′.

σx = −10 MPaσy = 40 MPaτxy = −10 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 60 mm przenosi osiową siłę ściskającą 200 kN wraz z momentem skręcającym 750 N·m. Na powierzchni wału, wyznacz największe naprężenie główne σ1.

d = 60 mmF = −200 kNT = 750 N·m
σ1 = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 20 mmMosiądz2 mP = 25 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (mosiądz) pod obciążeniem osiowym.

P = 25 kNd = 20 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
40 kN12300 mm300 mmØ40Ø50σ2​ = ?

Odcinek (materiał: stal, średnica 40 mm, długość 300 mm, E = 200 GPa) i odcinek (materiał: miedź, średnica 50 mm, długość 300 mm, E = 120 GPa) są połączone końcami i zamocowane między dwiema sztywnymi ścianami. W miejscu połączenia działa obciążenie osiowe 40 kN skierowane ku odcinkowi 2. Wyznacz wartość naprężenia σ2 w odcinku 2.

odcinek 1: stal, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPaodcinek 2: miedź, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1 m20 × 40 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 = 1 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 120 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 120 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 120 kNn = 3L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx50 mmLiczba cykli: 218,2 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 50 mm po 2 cyklach następuje maksimum 18,2 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 50 mmx2 = 18,2 mmn = 2
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 40k2​ = 5k3​ = 50m = 50 kg

Masa 50 kg wisi na sprężynie k₃ = 50 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 40 kN/m i k₂ = 5 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: T2 = 103,3 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Moment wyjściowy

T2 = 26,34·72/18·0,98 = 103,3 N·m

Odpowiedź

T2 = 103,3 N·m
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 10,84 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.

Kąt opasania

θ = 3,046 rad

Siła w cięgnie biernym

eμθ = e0,9137 = 2,494, T₂ = 600/2,494 = 240,6 N

Moc

P = (600 − 240,6)·30,16 = 10,84 kW

Odpowiedź

P = 10,84 kW
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 38,97 GPa

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 i kąt

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 1,17·π/180 = 0,02042 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 50 N·m = 50000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 50000·250/(15708·0,02042) = 38970 MPa
G = 38,97 GPa

Odpowiedź

G = 38,97 GPa

Porównaj: stal ≈ 80 GPa, mosiądz ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 5,404 °

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 = 750 N·m
TAB = TC − TB = 750 − 1500 = −750 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = −750000·1200/(80000·79522) = −0,1415 rad
φBC = 750000·2000/(80000·79522) = 0,2358 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = −0,1415 + 0,2358 = 0,09431 rad → |φC| = 5,404°

Odpowiedź

φC = 5,404°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σy′ = 20,51 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′ = 15 − (−25)·(−0,1736) − (−10)·0,9848 = 20,51 MPa

Sprawdzenie

Suma naprężeń normalnych nie zmienia się przy obrocie.

σx′ = 9,493 MPa, σx′ + σy′ = 30 = σx + σy

Odpowiedź

σy′ = 20,51 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σ1 = 4,175 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.

Naprężenia na powierzchni

σ = F/A = −200000/(π·60²/4) = −200000/2827 = −70,74 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·60³) = 17,68 MPa
στxyCσ1​σ2​

Koło Mohra

C = σ/2 = −35,37 MPa
R = √((−35,37)² + 17,68²) = 39,54 MPa
σ1 = C + R = 4,175 MPa
σ2 = C − R = −74,91 MPa

Odpowiedź

σ1 = 4,175 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 25·1000/314,2 = 79,58 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 79,58/100000 = 0,0007958 = 795,8 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,0007958·2000 mm = 1,592 mm

Odpowiedź

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

Odpowiedź: σ2 = 9,857 MPa

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.

Sztywności

k₁ = 200000·1257/300 = 837758 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Udział odcinka 2

F2 = 40000·785398/1,623 × 10⁶ = 19355 N

Naprężenie

σ2 = 19355/1963 = 9,857 MPa (ściskanie)

Odpowiedź

σ2 = 9,857 MPa
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 52,64 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1000 = 1000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/1000² = 52638 N = 52,64 kN

Odpowiedź

Pcr = 52,64 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 114,2 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 = 3·120000 = 360000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·4000²/(π³·70000))^(1/4) = 114,2 mm

Odpowiedź

d = 114,2 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 140,2, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,08016

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(50/18,2) = 0,5053

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5053/√(39,48 + 0,2553) = 0,08016

Odpowiedź

ζ = 0,08016
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 3,464 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 = 40 + 5 = 45 kN/m
keq = 45·50/(45 + 50) = 23,68 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(23684/50) = 21,76 rad/s
fn = 21,76/(2π) = 3,464 Hz

Odpowiedź

fn = 3,464 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design