การออกแบบเครื่องจักรกล: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 12 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

เฟืองและชุดเฟือง

เฟืองขบกัน
n1·N1 = n2·N2
แรงบิด
T2 = T1·(N2/N1)·η
กำลัง
P = T·ω, ω = 2π·n/60
ชุดเฟืองประกอบ
อัตราทดรวม = ผลคูณของอัตราทดแต่ละขั้น

การบิดของเพลา

ความเค้นเฉือน
τ = T·r/J
เพลาตัน
J = πd⁴/32
เพลากลวง
J = π(D⁴ − d⁴)/32
มุมบิด
φ = TL/(GJ)
กำลัง
P = T·ω = 2πnT/60

วิธีการ

  1. หาโมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว: J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน
  2. ความเค้นเฉือนที่ผิว: τ = T·r/J โดย r คือรัศมีภายนอก
  3. มุมบิด: φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน
  4. ถ้าโจทย์ให้กำลัง ให้หาแรงบิดก่อนด้วย P = T·ω, ω = 2πn/60

วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

ศูนย์กลาง
C = (σx + σy)/2
รัศมี
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
ความเค้นหลัก
σ1,2 = C ± R
ทิศทางหลัก
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
พื้นเอียง
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

วิธีการ

  1. คำนวณศูนย์กลางของวงกลมมอร์: C = (σx + σy)/2
  2. คำนวณรัศมี: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
  3. ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R
  4. มุมบนวงกลมเป็นสองเท่าของมุมบนชิ้นส่วน: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)

ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

ความเค้นแนวฉาก
σ = F/A
ความเครียด
ε = ΔL/L
กฎของฮุก
σ = E·ε
ความยืด
ΔL = FL/(EA)
ความเครียดจากความร้อน
εT = α·ΔT

การโก่งเดาะของเสา

น้ำหนักวิกฤตของออยเลอร์
Pcr = π²EI/(KL)²
ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล
K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
ความเค้นวิกฤต
σcr = Pcr/A
ความเพรียว
λ = KL/r, r = √(I/A)

การสั่นสะเทือนเชิงกล

ความถี่ธรรมชาติ
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
จากระยะแอ่นสถิต
ωn = √(g/δst)
การหน่วงวิกฤต
cc = 2√(km) = 2mωn
อัตราส่วนการหน่วง
ζ = c/cc
ความถี่ที่ถูกหน่วง
ωd = ωn√(1 − ζ²)
ลอการิทึมดีเครเมนต์
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
สปริงต่อขนาน
k = k1 + k2
สปริงต่ออนุกรม
1/k = 1/k1 + 1/k2

2โจทย์ฝึก

1.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 240 NP = ?

สายพานวิ่งบนพูลเลย์ขับ 125 mm ที่ 1500 rpm แรงตึงคือ 800 N ที่ด้านตึงและ 240 N ที่ด้านหย่อน จงหากำลัง P ที่ส่ง ในหน่วย kW

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 240 N
P = kW
2.เฟืองและชุดเฟืองยาก
A = 24B = 45C = 30D = 80

ในชุดเฟืองประกอบ เฟือง A (24 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 1440 rpm ขับเฟือง B (45 ฟัน) เฟือง C (30 ฟัน) ติดอยู่กับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D (80 ฟัน) บนเพลาขาออก หาความเร็วรอบขาออก nout

nin = 1440 rpmA = 24B = 45C = 30D = 80
nout = rpm
3.การบิดของเพลาปานกลาง
T = 1000 N·md = 20 mmL = 0.5 mφ = ?

เพลาตันเหล็กกล้าถูกยึดติดกับผนังและถูกบิดด้วยแรงบิด T ที่ปลายอิสระ หามุมบิด φ ของปลายอิสระ ในหน่วยองศา

T = 1000 N·md = 20 mmL = 0.5 mG = 80 GPa
φ = °
4.การบิดของเพลายาก
d = 30 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 400 N·mABC1.2 m1 m

เพลา เหล็กกล้า ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm ยึดที่ A แรงบิด 500 N·m กระทำที่ B ห่างจาก A 1.2 m และแรงบิด 400 N·m ในทิศทางเดียวกันกระทำที่ปลายอิสระ C ซึ่งอยู่ถัดไปอีก 1 m จงหาขนาดของมุมบิด φC ของปลาย C ในหน่วยองศา

d = 30 mmTB = 500 N·mTC = 400 N·mAB = 1.2 mBC = 1 mG = 80 GPa
φC = °
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
σx​ = 40σy​ = 80τxy​ = 20MPa

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = 40 MPa, σᵧ = 80 MPa และ τₓᵧ = 20 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หามุม θp จากแกน x ไปยังทิศทางของความเค้นหลักที่มากที่สุด ระหว่าง −90° ถึง 90°

σx = 40 MPaσy = 80 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
σx​ = −60σy​ = 40τxy​ = −60MPa

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = −60 MPa, σᵧ = 40 MPa และ τₓᵧ = −60 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นแนวฉาก σθ บนระนาบที่เส้นตั้งฉากหมุนไป 45° ทวนเข็มนาฬิกาจากแกน x

σx = −60 MPaσy = 40 MPaτxy = −60 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
P = ?12600 mm300 mmØ25Ø30δ = 0.5 mm

แท่งหนึ่งประกอบด้วยท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 25 mm, ยาว 600 mm, E = 200 GPa) ต่อปลายชนปลายกับท่อนที่ทำจากอะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 300 mm, E = 70 GPa) ยึดปลายหนึ่งและดึงอีกปลาย จงหาโหลดตามแนวแกน P ที่ทำให้มันยืดทั้งหมด 0.5 mm

ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: อะลูมิเนียม, Ø30 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0.5 mm
P = kN
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
Ø 25 mmเหล็กกล้า2 mØ 16 mmทองเหลือง1.5 mP = 105 kN

แท่งขั้นบันไดถูกยึดติดกับผนังและรับแรงที่ปลายอิสระ หาความเค้นแนวฉากสูงสุด σmax ในแท่ง

P = 105 kNช่วงที่ 1: Ø25 mm, 2 m, เหล็กกล้า (E = 200 GPa)ช่วงที่ 2: Ø16 mm, 1.5 m, ทองเหลือง (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 4 md = 25 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 4 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)d = 25 mm
Pcr = kN
10.การโก่งเดาะของเสายาก
P = 105 kNL = 2 md = ?หน้าตัด

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ต้องรับ 105 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 105 kNn = 3L = 2 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)
d = mm
11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
k = 40 kN/mζ = 0.7m = 200 kg

มวล 200 kg บนสปริงที่มีค่าความแข็ง 40 kN/m มีตัวหน่วงหนืดให้อัตราส่วนการหน่วง 0.7 หาความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง fd ของการสั่นอิสระใน Hz

m = 200 kgk = 40 kN/mζ = 0.7
fd = Hz
12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
k1​ = 10k2​ = 80m = 100 kg

มวล 100 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่ต่อปลายต่อปลาย (อนุกรม): สปริงบนมี k₁ = 10 kN/m และสปริงล่างมี k₂ = 80 kN/m ไม่ต้องคำนึงถึงการหน่วงและมวลของสปริง จงหาความถี่ธรรมชาติ fn ของการสั่นในแนวดิ่งในหน่วย Hz

m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3สารละลาย

1.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: P = 5.498 kW

ระบบขับด้วยสายพาน: เมื่อไม่มีการลื่น พูลเลย์ทั้งสองมีความเร็วที่ขอบเท่ากัน v = π·d·n/60 ดังนั้น n₁·d₁ = n₂·d₂ และอัตราส่วนความเร็วคือ d₂/d₁ การลื่น s ทำให้พูลเลย์ตามช้าลงเล็กน้อย: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s) กำลังที่ส่งคือ P = (T₁ − T₂)·v โดย T₁ คือแรงตึงด้านตึง และ T₂ ด้านหย่อน แรงเสียดทานจำกัดอัตราส่วนของแรงตึง: T₁/T₂ = eμθ โดย θ คือมุมโอบเป็นเรเดียนบนพูลเลย์ที่เล็กกว่า สำหรับสายพานเปิด θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) โดย C คือระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง

ความเร็วสายพาน

v = 9.817 m/s

กำลัง

P = (800 − 240)·9.817 = 5498 W = 5.498 kW

คำตอบ

P = 5.498 kW
2.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: nout = 288 rpm

ชุดเฟือง: เฟืองที่ขบกันมีความเร็วที่ฟันเท่ากัน ดังนั้น n₁·N₁ = n₂·N₂ เฟืองที่มีฟันน้อยกว่าหมุนเร็วกว่า เฟืองบนเพลาเดียวกันหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน กำลังถูกส่งต่อ (หักการสูญเสีย) แรงบิดจึงเพิ่มเมื่อความเร็วลดลง: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η และ P = T·ω โดย ω = 2π·n/60

ขั้นแรก

nB = 1440·24/45 = 768 rpm = nC

ขั้นที่สอง

nout = 768·30/80 = 288 rpm

คำตอบ

nout = 288 rpm

อัตราทดรวม = 5 : 1

3.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ = 22.8 °

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วของพื้นที่

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

มุมบิด

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·500/(80000·15708) = 0.3979 rad
φ = 0.3979·180/π = 22.8°

คำตอบ

φ = 22.8°
4.การบิดของเพลา

คำตอบ: φC = 13.33 °

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

แรงบิดภายใน

ให้ทิศของ TC เป็นบวก

TBC = TC = 400 N·m
TAB = TC + TB = 400 + 500 = 900 N·m

มุมบิดของแต่ละท่อน

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 900000·1200/(80000·79522) = 0.1698 rad
φBC = 400000·1000/(80000·79522) = 0.06288 rad

มุมบิดของปลาย C

φC = 0.1698 + 0.06288 = 0.2326 rad → |φC| = 13.33°

คำตอบ

φC = 13.33°
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: θp = 67.5 °

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R

στxyCσ1​σ2​

มุมบนวงกลม

จุด x อยู่ที่มุม 2θp จากแกน σ บนวงกลมของมอร์ ควอดรันต์ได้จากเครื่องหมายของ σₓ − σᵧ และ τₓᵧ

2θp = atan2(2·20, 40 − 80) = 135°

มุมบนชิ้นส่วน

θp = 67.5°

คำตอบ

θp = 67.5°

มุมบวกคือทวนเข็มนาฬิกา

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σθ = −70 MPa

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R

สมการการแปลง

σθ = −10 + −50·0 + −60·1 = −70 MPa

คำตอบ

σθ = −70 MPa
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: P = 41.07 kN

วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า Pi = P·EiAi/ΣEA และ σi = Ei·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L

พื้นที่

A₁ = 490.9 mm², A₂ = 706.9 mm²

ความอ่อนตัว

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490.9) = 6.112 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·706.9) = 6.063 × 10⁻⁶ mm/N

โหลด

P = 0.5/1.217 × 10⁻⁵ = 41069 N = 41.07 kN

คำตอบ

P = 41.07 kN
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: σmax = 522.2 MPa

ชิ้นส่วนรับแรงตามแนวแกน: แต่ละช่วงที่มีหน้าตัดคงที่เป็นไปตาม δ = PL/(AE) สำหรับชิ้นส่วนที่ต่ออนุกรมกัน ความยืดจะบวกกัน

แรงเท่ากันทั้งสองช่วง

ปลายอิสระรับแรง P ดังนั้นทุกส่วนของแท่งมีแรงตามแนวแกน P เท่ากัน มีเพียงพื้นที่และวัสดุที่เปลี่ยนไป

A1 = π·25²/4 = 490.9 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 213.9 MPa
σ2 = 522.2 MPa

ความเค้นสูงสุด

ช่วงที่บางกว่ามีพื้นที่น้อยกว่า จึงรับความเค้นมากกว่า

σmax = 522.2 MPa

คำตอบ

σmax = 522.2 MPa
9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 2.366 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 1·4000 = 4000 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/4000² = 2366 N = 2.366 kN

คำตอบ

Pcr = 2.366 kN
10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 50.24 mm

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

Pcr = n·P = 3·105000 = 315000 N
KL = 0.7·2000 = 1400 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·315000·1400²/(π³·200000))^(1/4) = 50.24 mm

คำตอบ

d = 50.24 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 111.5 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

11.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fd = 1.607 Hz

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ความถี่ธรรมชาติแบบไม่หน่วง

ωn = √(40000/200) = 14.14 rad/s
fn = 14.14/(2π) = 2.251 Hz

ความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.251·√(1 − 0.7²) = 1.607 Hz

คำตอบ

fd = 1.607 Hz
12.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fn = 1.501 Hz

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ค่าความแข็งสมมูล

สปริงที่ต่ออนุกรมรับแรงเท่ากันและระยะแอ่นบวกกัน จึงรวมกันแบบส่วนกลับ: 1/k = 1/k1 + 1/k2

1/keq = 1/10 + 1/80 → keq = 10·80/(10 + 80) = 8.889 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ωn = √(8889/100) = 9.428 rad/s
fn = 9.428/(2π) = 1.501 Hz

คำตอบ

fn = 1.501 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design