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 360 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 4 mm i przełożeniu redukującym 5 : 1. Ile zębów N2 musi mieć koło?

a = 360 mmm = 4 mmi = 5
N2 =
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 800 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Pas otwarty łączy koło napędzające 125 mm o prędkości 1500 obr/min z kołem 315 mm; środki są oddalone o 800 mm. Współczynnik tarcia wynosi 0,3, a siła w cięgnie czynnym nie może przekroczyć 800 N. Wyznacz największą moc P, jaką pas może przenieść bez poślizgu, w kW (pomiń efekty odśrodkowe).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 315 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 800 N
P = kW
3.Skręcanie wałówŚredni
d = 12 mmT = 20 N·m250 mmφ = 3,61°

W próbie skręcania pełna próbka o średnicy 12 mm jest skręcana momentem 20 N·m. Końce odcinka pomiarowego o długości 250 mm obracają się względem siebie o 3,61° (materiał jest jeszcze w zakresie sprężystym). Wyznacz moduł sprężystości postaciowej G materiału.

T = 20 N·md = 12 mmL = 250 mmφ = 3,61°
G = GPa
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 60 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 750 N·mABC2,5 m1,5 m

Pełny wał (stal) o średnicy 60 mm jest utwierdzony w A. Moment skręcający 250 N·m działa w B, w odległości 2,5 m od A, a moment 750 N·m o tym samym kierunku działa na swobodnym końcu C, o 1,5 m dalej. Wyznacz wartość kąta skręcenia φC końca C w stopniach.

d = 60 mmTB = 250 N·mTC = 750 N·mAB = 2,5 mBC = 1,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 110σy​ = 10MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = 110 MPa i σᵧ = 10 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 140 MPa?

σx = 110 MPaσy = 10 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −70σy​ = −50τxy​ = 30MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −70 MPa, σᵧ = −50 MPa i τₓᵧ = 30 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 35° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −70 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 25 mmStal1 mP = 95 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (stal) pod obciążeniem osiowym.

P = 95 kNd = 25 mmL = 1 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmAluminium1,5 mØ 12 mmStal2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNodcinek 1: Ø25 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 2 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 6 m20 × 60 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 = 6 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 5 md = 60 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 5 mE = 200 GPa (stal)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx20 mmLiczba cykli: 45,7 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 20 mm po 4 cyklach następuje maksimum 5,7 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 20 mmx4 = 5,7 mmn = 4
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 20k2​ = 30m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 20 kN/m, a dolna k₂ = 30 kN/m. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: N2 = 150

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 = 2·360/4 = 180

Podział według przełożenia

N1 = 180/(1 + 5) = 30
N2 = 5·30 = 150

Odpowiedź

N2 = 150
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: P = 4,567 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 = 2,904 rad

Siła w cięgnie biernym

eμθ = e0,8711 = 2,389, T₂ = 800/2,389 = 334,8 N

Moc

P = (800 − 334,8)·9,817 = 4,567 kW

Odpowiedź

P = 4,567 kW
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: G = 38,98 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·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 3,61·π/180 = 0,06301 rad

Moduł sprężystości poprzecznej

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·250/(2036·0,06301) = 38982 MPa
G = 38,98 GPa

Odpowiedź

G = 38,98 GPa

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

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φC = 2,04 °

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 + 250 = 1000 N·m

Kąt skręcenia każdego odcinka

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 1 × 10⁶·2500/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,02456 rad
φBC = 750000·1500/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,01105 rad

Kąt skręcenia końca C

φC = 0,02456 + 0,01105 = 0,03561 rad → |φC| = 2,04°

Odpowiedź

φC = 2,04°
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 62,45 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 = (110 + 10)/2 = 60 MPa
R = σ1 − C = 140 − 60 = 80 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(80² − 50²) = 62,45 MPa

Odpowiedź

τxy = 62,45 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = −35,23 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 = −60 + −10·0,342 + 30·0,9397 = −35,23 MPa

Odpowiedź

σθ = −35,23 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,9677 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 95·1000/490,9 = 193,5 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for stal = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 193,5/200000 = 0,0009677 = 967,7 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,0009677·1000 mm = 0,9677 mm

Odpowiedź

δ = 0,9677 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 14,53 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 224,1 MPa
σ2 = 972,6 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 224,1·1500/70000 = 4,802 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 972,6·2000/200000 = 9,726 mm
δ = δ1 + δ2 = 14,53 mm

Odpowiedź

δ = 14,53 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 4,476 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/4200² = 4476 N = 4,476 kN

Odpowiedź

Pcr = 4,476 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 71,06 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166,7

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/166,7² = 71,06 MPa

Odpowiedź

σcr = 71,06 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,04988

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(20/5,7) = 0,3138

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3138/√(39,48 + 0,09848) = 0,04988

Odpowiedź

ζ = 0,04988
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 12 kN/m

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 = 1/20 + 1/30 → keq = 20·30/(20 + 30) = 12 kN/m

Odpowiedź

keq = 12 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design