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​ = 20, m = 2,5 mm

Silnik o mocy 3 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 20 zębach i module 2,5 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 3 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 2,5 mm
Ft = N
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 15B = 32C = 40D = 60

W przekładni dwustopniowej koło A (15 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 2900 rpm, napędza koło B (32 zębów). Koło C (40 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 = 2900 rpmA = 15B = 32C = 40D = 60
nout = rpm
3.Skręcanie wałówŚredni
do​ = ?T = 100 N·m

Wał drążony ma przenosić moment skręcający 100 N·m. Jego średnica wewnętrzna ma wynosić 0,8 średnicy zewnętrznej, a naprężenie styczne nie może przekroczyć 75 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę zewnętrzną do.

T = 100 N·mdi/do = 0,8τallow = 75 MPa
do = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
d = ?30 kW, 750 rpm

Pełny wał (stal) przenosi moc 30 kW przy 750 rpm. Naprężenie styczne nie może przekroczyć 80 MPa, a kąt skręcenia 1° na m długości. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia oba warunki.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = −80τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = −80 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 30 MPaσy = −80 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = −40σy​ = 10τxy​ = 60MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = −40 MPa, σᵧ = 10 MPa i τₓᵧ = 60 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 35° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = −40 MPaσy = 10 MPaτxy = 60 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 16 mmMiedź0,5 mP = 10 kN

Wyznacz odkształcenie osiowe ε w pręcie (miedź), w mikroodkształceniach (µε = 10⁻⁶).

P = 10 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmMosiądz1,5 mØ 20 mmMiedź2 mP = 15 kN

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

P = 15 kNodcinek 1: Ø35 mm, 1,5 m, mosiądz (E = 100 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 2 m, miedź (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

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

L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 55 kNL = 4 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 55 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 55 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Drgania mechaniczneŚredni
k = 80 kN/mζ = 0,35m = 100 kg

Masa 100 kg na sprężynie o sztywności 80 kN/m ma tłumik wiskotyczny dający współczynnik tłumienia 0,35. Wyznacz częstotliwość drgań swobodnych tłumionych fd w Hz.

m = 100 kgk = 80 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 80k2​ = 80k3​ = 60m = 5 kg

Masa 5 kg wisi na sprężynie k₃ = 60 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 80 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 = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 795,8 N

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.

Moment na zębniku

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 2,5·20 = 50 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·19,89/0,05 = 795,8 N

Odpowiedź

Ft = 795,8 N
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 906,3 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 = 2900·15/32 = 1359 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 1359·40/60 = 906,3 rpm

Odpowiedź

nout = 906,3 rpm

przełożenie całkowite = 3,2 : 1

3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: do = 22,57 mm

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.

Średnica zewnętrzna z naprężenia dopuszczalnego

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·75·0,5904)) = 22,57 mm
di = 0,8·22,57 = 18,06 mm

Odpowiedź

do = 22,57 mm

Wał pełny wymagałby d = 18,94 mm; drążony jest nieco większy, ale znacznie lżejszy.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 40,86 mm

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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Średnica z warunku wytrzymałości

T = 382 N·m = 381972 N·mm
dτ = ∛(16·381972/(π·80)) = 28,97 mm

Średnica z warunku sztywności

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·381972/(π·80000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 40,86 mm

Średnica decydująca

Oba warunki muszą być spełnione, więc decyduje większa średnica.

d = max(28,97, 40,86) = 40,86 mm

Odpowiedź

d = 40,86 mm

Tutaj decyduje sztywność.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = 21,14 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Kąt na kole

Na kole Mohra punkt x leży pod kątem 2θp od osi σ; ćwiartka wynika ze znaków σₓ − σᵧ i τₓᵧ.

2θp = atan2(2·50, 30 − −80) = 42,27°

Kąt na elemencie

θp = 21,14°

Odpowiedź

θp = 21,14°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 32,83 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 = −15 + −25·0,342 + 60·0,9397 = 32,83 MPa

Odpowiedź

σθ = 32,83 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 425,1 µε

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 10·1000/201,1 = 49,74 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 49,74/117000 = 0,0004251 = 425,1 µε

Odpowiedź

ε = 425,1 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 1,05 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 15,59 MPa
σ2 = 47,75 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 15,59·1500/100000 = 0,2339 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 47,75·2000/117000 = 0,8162 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,05 mm

Odpowiedź

δ = 1,05 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 347,3 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 = 2·1000 = 2000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2000² = 347270 N = 347,3 kN

Odpowiedź

Pcr = 347,3 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 60,02 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 = 2·55000 = 110000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 60,02 mm

Odpowiedź

d = 60,02 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 133,3, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fd = 4,217 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 = √(80000/100) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Częstotliwość drgań tłumionych

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,35²) = 4,217 Hz

Odpowiedź

fd = 4,217 Hz
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 14,87 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 = 80 + 80 = 160 kN/m
keq = 160·60/(160 + 60) = 43,64 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(43636/5) = 93,42 rad/s
fn = 93,42/(2π) = 14,87 Hz

Odpowiedź

fn = 14,87 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design