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​ = 30, m = 3 mm

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 30 zębach i module 3 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 3 kWn = 1450 rpmN1 = 30m = 3 mm
Ft = N
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 25B = 45C = 36D = 60

W przekładni dwustopniowej koło A (25 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 1450 rpm, napędza koło B (45 zębów). Koło C (36 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (60 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 1450 rpmA = 25B = 45C = 36D = 60
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
T = 100 N·md = 40 mmL = 1 mφ = ?

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

T = 100 N·md = 40 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Skręcanie wałówTrudny
d = 50 mmT0​ = 500 N·mACBa = 1 mb = 1,2 m

Pełny wał (mosiądz) o średnicy 50 mm jest utwierdzony w sztywnych ścianach na obu końcach A i B. W C, w odległości 1 m od A i 1,2 m od B, przyłożono moment skręcający 500 N·m. Wyznacz moment reakcji TA w ścianie A.

d = 50 mmT0 = 500 N·ma = 1 mb = 1,2 m
TA = N·m
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 150σy​ = 90τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 150 MPa, σᵧ = 90 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

σx = 150 MPaσy = 90 MPaτxy = 50 MPa
τmax = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​górna powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 40 mm przenosi moment zginający 500 N·m wraz z momentem skręcającym 400 N·m. Na górnej powierzchni, gdzie naprężenie od zginania jest rozciągające i największe, wyznacz maksymalne naprężenie styczne w płaszczyźnie τmax.

d = 40 mmM = 500 N·mT = 400 N·m
τmax = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmMosiądz0,5 mP = 110 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (mosiądz) pod obciążeniem osiowym.

P = 110 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 30 mmMosiądz1 mØ 16 mmStal0,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNodcinek 1: Ø30 mm, 1 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø16 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1 m25 × 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 = 1 mE = 200 GPa (stal)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 1,5 md = 25 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 = 1,5 mE = 200 GPa (stal)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 12 kN/mc = 220 N·s/mm = 100 kg

Masa 100 kg jest podparta na sprężynie o sztywności 12 kN/m i tłumiku wiskotycznym o współczynniku tłumienia 220 N·s/m. Wyznacz współczynnik tłumienia względnego ζ.

m = 100 kgk = 12 kN/mc = 220 N·s/m
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 30k2​ = 25m = 100 kg

Masa 100 kg wisi na dwóch sprężynach obok siebie (równolegle) o sztywnościach k₁ = 30 kN/m i k₂ = 25 kN/m. Masa pozostaje pozioma. Wyznacz sztywność zastępczą keq układu sprężyn w kN/m.

m = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 439 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Moment na zębniku

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 3000/151,8 = 19,76 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 3·30 = 90 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·19,76/0,09 = 439 N

Odpowiedź

Ft = 439 N
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 483,3 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 = 1450·25/45 = 805,6 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 805,6·36/60 = 483,3 rpm

Odpowiedź

nout = 483,3 rpm

przełożenie całkowite = 3 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: φ = 0,8768 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Kąt skręcenia

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1000/(26000·251327) = 0,0153 rad
φ = 0,0153·180/π = 0,8768°

Odpowiedź

φ = 0,8768°
4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: TA = 272,7 N·m

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. Gdy oba końce są utwierdzone, sama statyka daje tylko TA + TB = T₀; drugim równaniem jest warunek zgodności (równy kąt skręcenia obu części w obciążonym przekroju).

Równowaga i zgodność

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·1,2/2,2 = 272,7 N·m
TB = 500·1/2,2 = 227,3 N·m

Odpowiedź

TA = 272,7 N·m
5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 58,31 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.

στxyCτmax​

Promień koła Mohra

τmax = R = √(((150 − 90)/2)² + 50²) = 58,31 MPa

Odpowiedź

τmax = 58,31 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τmax = 50,95 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 = 32M/(πd³) = 32·500000/(π·40³) = 79,58 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
στxyCτmax​

Koło Mohra

C = σ/2 = 39,79 MPa
R = √(39,79² + 31,83²) = 50,95 MPa

Odpowiedź

τmax = 50,95 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 7,003 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 110·1000/78,54 = 1401 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for mosiądz = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1401/100000 = 0,01401 = 14006 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,01401·500 mm = 7,003 mm

Odpowiedź

δ = 7,003 mm
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 2,525 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 = 134,4 MPa
σ2 = 472,5 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 134,4·1000/100000 = 1,344 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 472,5·500/200000 = 1,181 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,525 mm

Odpowiedź

δ = 2,525 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 205,6 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1000 = 1000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/1000² = 205617 N = 205,6 kN

Odpowiedź

Pcr = 205,6 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 137,1 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·1500 = 750 mm
KL/r = 750/6,25 = 120

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/120² = 137,1 MPa

Odpowiedź

σcr = 137,1 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,1004

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.

Tłumienie krytyczne

cc = 2·√(k·m) = 2·√(12000·100) = 2191 N·s/m

Współczynnik tłumienia

ζ = c/cc = 220/2191 = 0,1004

Odpowiedź

ζ = 0,1004

ζ < 1, więc tłumienie jest podkrytyczne, a układ drga z malejącą amplitudą.

12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: keq = 55 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 obok siebie mają to samo ugięcie, a ich siły się sumują, więc ich sztywności po prostu się dodaje: k = k1 + k2.

keq = 30 + 25 = 55 kN/m

Odpowiedź

keq = 55 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design