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

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

วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

ศูนย์กลาง: C = (σ_x + σ_y)/2
รัศมี: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
ความเค้นหลัก: σ_1,2 = C ± R
ทิศทางหลัก: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
พื้นเอียง: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

วิธีการ

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

ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

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

การโก่งเดาะของเสา

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

การสั่นสะเทือนเชิงกล

ความถี่ธรรมชาติ: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
จากระยะแอ่นสถิต: ω_n = √(g/δ_st)
การหน่วงวิกฤต: c_c = 2√(km) = 2mω_n
อัตราส่วนการหน่วง: ζ = c/c_c
ความถี่ที่ถูกหน่วง: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
ลอการิทึมดีเครเมนต์: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
สปริงต่อขนาน: k = k₁ + k₂
สปริงต่ออนุกรม: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

2โจทย์ฝึก

1.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง

เพลาขนานสองเพลาห่างกัน 150 mm ต้องต่อกันด้วยเฟืองตรงคู่หนึ่งที่มีโมดูล 2 mm และอัตราทดความเร็ว 4 : 1 เฟืองใหญ่ต้องมีกี่ฟัน N₂

a = 150 mmm = 2 mmi = 4

N₂ =

2.เฟืองและชุดเฟืองยาก

มอเตอร์ 1.5 kW ที่ 1440 rpm ขับเฟือง A (12 ฟัน) ซึ่งขบกับเฟือง B (32 ฟัน) เฟือง C (32 ฟัน) บนเพลาเดียวกับ B ขับเฟือง D (60 ฟัน) บนเพลาขาออก การขบของเฟืองแต่ละคู่มีประสิทธิภาพ 96% จงหาแรงบิดขาออก T_out

P = 1.5 kWn_in = 1440 rpmA = 12B = 32C = 32D = 60η_mesh = 96%

T_out = N·m

3.การบิดของเพลาปานกลาง

เพลา ทองเหลือง ตัน ยาว 0.8 m รับแรงบิด 1500 N·m มุมบิดระหว่างปลายทั้งสองต้องไม่เกิน 1° จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางที่น้อยที่สุด d ที่ตรงตามขีดจำกัดนี้

T = 1500 N·mL = 0.8 mG = 39 GPaφ_allow = 1°

d = mm

4.การบิดของเพลายาก

เพลา เหล็กกล้า ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 mm ยึดที่ A แรงบิด 200 N·m กระทำที่ B ห่างจาก A 0.5 m และแรงบิด 1500 N·m ในทิศทางตรงข้ามกระทำที่ปลายอิสระ C ซึ่งอยู่ถัดไปอีก 1 m จงหาขนาดของมุมบิด φ_C ของปลาย C ในหน่วยองศา

d = 60 mmT_B = 200 N·mT_C = 1500 N·mAB = 0.5 mBC = 1 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง

จุดหนึ่งมี σₓ = −10 MPa, σᵧ = 80 MPa และ τₓᵧ = 60 MPa (แรงดึงเป็นบวก) ชิ้นส่วนย่อยถูกหมุน 20° ตามเข็มนาฬิกา จงหาความเค้นตั้งฉาก σ_y′ บนหน้าของชิ้นส่วนย่อยที่หมุนแล้วซึ่งตั้งฉากกับแกน y′ ที่หมุนแล้ว

σ_x = −10 MPaσ_y = 80 MPaτ_xy = 60 MPaθ = -20°

σ_y′ = MPa

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = 20 MPa, σᵧ = −70 MPa และ τₓᵧ = −20 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นแนวฉาก σ_θ บนระนาบที่เส้นตั้งฉากหมุนไป 20° ตามเข็มนาฬิกาจากแกน x

σ_x = 20 MPaσ_y = −70 MPaτ_xy = −20 MPaθ = -20°

σ_θ = MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง

หาความยืด δ ของแท่งทองเหลืองภายใต้แรงตามแนวแกน

P = 90 kNd = 10 mmL = 2.5 mE = 100 GPa

δ = mm

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก

แท่งขั้นบันไดถูกยึดติดกับผนังและรับแรงที่ปลายอิสระ หาความเค้นแนวฉากสูงสุด σ_max ในแท่ง

P = 15 kNช่วงที่ 1: Ø30 mm, 1.5 m, เหล็กกล้า (E = 200 GPa)ช่วงที่ 2: Ø16 mm, 1 m, ทองเหลือง (E = 100 GPa)

σ_max = MPa

9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ P_cr

L = 6 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 20 × 60 mm

P_cr = kN

10.การโก่งเดาะของเสายาก

เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน หาค่าความเพรียวและความเค้นวิกฤต σ_cr จากสูตรของออยเลอร์

L = 5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)d = 50 mm

σ_cr = MPa

11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง

มวล 8 kg บนสปริงที่มีค่าความแข็ง 15 kN/m มีตัวหน่วงหนืดให้อัตราส่วนการหน่วง 0.45 หาความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง f_d ของการสั่นอิสระใน Hz

m = 8 kgk = 15 kN/mζ = 0.45

f_d = Hz

12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก

มวล 5 kg แขวนจากสปริง k₃ = 10 kN/m ปลายบนของ k₃ ติดกับคานแข็งที่แขวนจากสปริงสองตัวเคียงกัน k₁ = 12 kN/m และ k₂ = 15 kN/m คานอยู่ในแนวระดับ ไม่คิดการหน่วงและมวลของสปริงและคาน หาความถี่ธรรมชาติ f_n ของการสั่นแนวดิ่งใน Hz

m = 5 kgk₁ = 12 kN/mk₂ = 15 kN/mk₃ = 10 kN/m

f_n = Hz

3สารละลาย

1.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: N₂ = 120

เรขาคณิตของเฟือง: โมดูล m กำหนดขนาดฟัน เฟืองที่มี N ฟันมีเส้นผ่านศูนย์กลางพิตช์ d = m·N เฟืองสองตัวที่ขบกันมีโมดูลเท่ากัน และระยะห่างระหว่างศูนย์กลางคือ a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2 ความเร็วที่เส้นพิตช์คือ v = π·d·n/60 และแรงสัมผัสที่ฟันได้จากแรงบิด: F_t = 2T/d

จำนวนฟันทั้งหมด

N₁ + N₂ = 2a/m = 2·150/2 = 150

แบ่งตามอัตราส่วน

N₁ = 150/(1 + 4) = 30

N₂ = 4·30 = 120

คำตอบ

N₂ = 120

2.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T_out = 45.84 N·m

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

ความเร็วรอบขาออก

n_out = 1440·(12/32)·(32/60) = 288 rpm

ω_out = 2π·288/60 = 30.16 rad/s

กำลังและแรงบิดขาออก

P_out = 1500·0.96² = 1382 W

T_out = P_out/ω_out = 1382/30.16 = 45.84 N·m

คำตอบ

T_out = 45.84 N·m

3.การบิดของเพลา

คำตอบ: d = 65.1 mm

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τ_max = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วที่ต้องการ

T = 1500 N·m = 1.5 × 10⁶ N·mm

L = 0.8 m = 800 mm

G = 39 GPa = 39000 MPa

φ = 1·π/180 = 0.01745 rad

J = TL/(Gφ) = 1.5 × 10⁶·800/(39000·0.01745) = 1.763 × 10⁶ mm⁴

เส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (32J/π)^1/4 = 65.1 mm

คำตอบ

d = 65.1 mm

ในทางปฏิบัติควรปัดขึ้นเป็นขนาดมาตรฐานถัดไป

4.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ_C = 1.21 °

แรงบิดภายใน

ให้ทิศของ T_C เป็นบวก

T_BC = T_C = 1500 N·m

T_AB = T_C − T_B = 1500 − 200 = 1300 N·m

มุมบิดของแต่ละท่อน

J = π·60⁴/32 = 1.272 × 10⁶ mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = 1.3 × 10⁶·500/(80000·1.272 × 10⁶) = 0.006386 rad

φ_BC = 1.5 × 10⁶·1000/(80000·1.272 × 10⁶) = 0.01474 rad

มุมบิดของปลาย C

φ_C = 0.006386 + 0.01474 = 0.02112 rad → |φ_C| = 1.21°

คำตอบ

φ_C = 1.21°

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σ_y′ = 108 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

สมการการแปลงสำหรับหน้า y′

σ_y′ = 35 − (−45)·0.766 − 60·(−0.6428) = 108 MPa

ตรวจสอบ

ผลรวมของความเค้นตั้งฉากไม่เปลี่ยนเมื่อหมุน

σ_x′ = −38.04 MPa, σ_x′ + σ_y′ = 70 = σ_x + σ_y

คำตอบ

σ_y′ = 108 MPa

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σ_θ = 22.33 MPa

สมการการแปลง

σ_θ = −25 + 45·0.766 + −20·−0.6428 = 22.33 MPa

คำตอบ

σ_θ = 22.33 MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 28.65 mm

กฎของฮุก: ในช่วงยืดหยุ่น σ = E·ε เมื่อรวมกับ σ = P/A และ ε = δ/L จะได้ δ = PL/(AE)

ความเค้น

A = π·10²/4 = 78.54 mm²

σ = P/A = 90·1000/78.54 = 1146 MPa

ความเครียด (กฎของฮุก)

E for ทองเหลือง = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1146/100000 = 0.01146 = 11459 µε

ความยืด

δ = ε·L = 0.01146·2500 mm = 28.65 mm

คำตอบ

δ = 28.65 mm

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: σ_max = 74.6 MPa

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

แรงเท่ากันทั้งสองช่วง

ปลายอิสระรับแรง P ดังนั้นทุกส่วนของแท่งมีแรงตามแนวแกน P เท่ากัน มีเพียงพื้นที่และวัสดุที่เปลี่ยนไป

A₁ = π·30²/4 = 706.9 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 21.22 MPa

σ₂ = 74.6 MPa

ความเค้นสูงสุด

ช่วงที่บางกว่ามีพื้นที่น้อยกว่า จึงรับความเค้นมากกว่า

σ_max = 74.6 MPa

คำตอบ

σ_max = 74.6 MPa

9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: P_cr = 8.773 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ P_cr = 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

สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม

I_min = h·b³/12 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 0.5·6000 = 3000 mm

น้ำหนักวิกฤต

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/3000² = 8773 N = 8.773 kN

คำตอบ

P_cr = 8.773 kN

10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: σ_cr = 8.812 MPa

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

รัศมีไจเรชันและความเพรียว

A = 1963 mm²

r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm

KL = 0.7·5000 = 3500 mm

KL/r = 3500/12.5 = 280

ความเค้นวิกฤต

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/280² = 8.812 MPa

คำตอบ

σ_cr = 8.812 MPa

11.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: f_d = 6.154 Hz

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

ความถี่ธรรมชาติแบบไม่หน่วง

ω_n = √(15000/8) = 43.3 rad/s

f_n = 43.3/(2π) = 6.892 Hz

ความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 6.892·√(1 − 0.45²) = 6.154 Hz

คำตอบ

f_d = 6.154 Hz

12.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: f_n = 6.08 Hz

ค่าความแข็งสมมูล

มีเพียง k₁ และ k₂ ที่ขนานกัน คู่นั้นต่ออนุกรมกับ k₃ จึงรวมแบบส่วนกลับ

k₁₂ = 12 + 15 = 27 kN/m

k_eq = 27·10/(27 + 10) = 7.297 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ω_n = √(7297/5) = 38.2 rad/s

f_n = 38.2/(2π) = 6.08 Hz

คำตอบ

f_n = 6.08 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design