เฟืองและชุดเฟือง
- เฟืองขบกัน
- n1·N1 = n2·N2
- แรงบิด
- T2 = T1·(N2/N1)·η
- กำลัง
- P = T·ω, ω = 2π·n/60
- ชุดเฟืองประกอบ
- อัตราทดรวม = ผลคูณของอัตราทดแต่ละขั้น
การออกแบบเครื่องจักรกล: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 12 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
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 = (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
- 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
- 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
มอเตอร์ 11 kW หมุนที่ 960 rpm ขับเฟืองเล็กที่มี 12 ฟัน ซึ่งขบกับเฟืองที่มี 15 ฟัน คู่เฟืองมีประสิทธิภาพ 98% หาแรงบิดขาออก T2 บนเพลาของเฟือง
P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 15η = 98%
T2 = N·m
2.เฟืองและชุดเฟืองยาก
สายพานเปิดเชื่อมพูลเลย์ 200 mm กับพูลเลย์ 315 mm ซึ่งศูนย์กลางห่างกัน 600 mm จงหามุมโอบ θ บนพูลเลย์ที่เล็กกว่า ในหน่วยองศา
d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 600 mm
θ = °
3.การบิดของเพลาปานกลาง
เพลากลวง เหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 50 mm ภายใน 38 mm ยาว 0.8 m) ถูกยึดที่ปลายหนึ่งและถูกบิดด้วยแรงบิด 250 N·m ที่อีกปลาย จงหามุมบิด φ ในหน่วยองศา
T = 250 N·mdo = 50 mmdi = 38 mmL = 0.8 mG = 80 GPa
φ = °
4.การบิดของเพลายาก
เพลากลวงต้องส่งกำลัง 50 kW ที่ 1800 rpm เส้นผ่านศูนย์กลางภายในต้องเป็น 0.75 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก และความเค้นเฉือนต้องไม่เกิน 50 MPa จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่น้อยที่สุด do
P = 50 kWN = 1800 rpmdi/do = 0.75τallow = 50 MPa
do = mm
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
จุดหนึ่งมี σₓ = 160 MPa, σᵧ = −30 MPa และ τₓᵧ = 30 MPa (แรงดึงเป็นบวก) ชิ้นส่วนย่อยถูกหมุน 45° ตามเข็มนาฬิกา จงหาความเค้นตั้งฉาก σy′ บนหน้าของชิ้นส่วนย่อยที่หมุนแล้วซึ่งตั้งฉากกับแกน y′ ที่หมุนแล้ว
σx = 160 MPaσy = −30 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
จุดหนึ่งในแผ่นบางอยู่ในสภาวะความเค้นระนาบ: σₓ = 60 MPa, σᵧ = −60 MPa และ τₓᵧ = −30 MPa (σz = 0) วัสดุมีความเค้นคราก 300 MPa จงหาตัวประกอบความปลอดภัย n ต่อการครากตามเกณฑ์เทรสกา (ความเค้นเฉือนสูงสุด)
σx = 60 MPaσy = −60 MPaτxy = −30 MPaσY = 300 MPa
n =
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
หาความเครียดตามแนวแกน ε ในแท่งทองแดง ในหน่วยไมโครสเตรน (µε = 10⁻⁶)
P = 95 kNd = 12 mmL = 2.5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
แท่งขั้นบันไดถูกยึดติดกับผนังและรับแรงที่ปลายอิสระ หาความยืดรวม δ
P = 10 kNช่วงที่ 1: Ø30 mm, 0.5 m, ทองแดง (E = 117 GPa)ช่วงที่ 2: Ø20 mm, 1 m, ทองแดง (E = 117 GPa)
δ = mm
9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr
L = 4 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.การโก่งเดาะของเสายาก
เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ต้องรับ 150 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d
P = 150 kNn = 3L = 6 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)
d = mm
11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
ในการทดสอบการสั่นอิสระของระบบมวล–สปริงที่มีการหน่วง ยอดการกระจัด 15 mm ตามด้วยยอด 3.3 mm หลังจากนั้น 2 รอบ หาอัตราส่วนการหน่วง ζ
x0 = 15 mmx2 = 3.3 mmn = 2
ζ =
12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
มวล 100 kg แขวนจากสปริง k₃ = 25 kN/m ปลายบนของ k₃ ติดกับคานแข็งที่แขวนจากสปริงสองตัวเคียงกัน k₁ = 12 kN/m และ k₂ = 40 kN/m คานอยู่ในแนวระดับ ไม่คิดการหน่วงและมวลของสปริงและคาน หาความถี่ธรรมชาติ fn ของการสั่นแนวดิ่งใน Hz
m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz
3สารละลาย
1.เฟืองและชุดเฟือง
คำตอบ: T2 = 134 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
แรงบิดของมอเตอร์
ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100.5 = 109.4 N·m
แรงบิดขาออก
T2 = 109.4·15/12·0.98 = 134 N·m
คำตอบ
T2 = 134 N·m
2.เฟืองและชุดเฟือง
คำตอบ: θ = 169 °
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
มุมของสายพาน
asin(0.09583) = 5.499°
มุมโอบ
θ = 180 − 2·5.499 = 169°
คำตอบ
θ = 169°
3.การบิดของเพลา
คำตอบ: φ = 0.3503 °
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(50⁴ − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴
มุมบิด
T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 0.8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·800/(80000·408885) = 0.006114 rad
φ = 0.006114·180/π = 0.3503°
คำตอบ
φ = 0.3503°
4.การบิดของเพลา
คำตอบ: do = 34.06 mm
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
แรงบิด
ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188.5 rad/s
T = P/ω = 50000/188.5 = 265.3 N·m
เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจากความเค้นที่ยอมให้
T = 265.3 N·m = 265258 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.75⁴ = 0.6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·265258/(π·50·0.6836)) = 34.06 mm
di = 0.75·34.06 = 25.55 mm
คำตอบ
do = 34.06 mm
เพลาตันต้องมี d = 30.01 mm เพลากลวงใหญ่กว่าเล็กน้อยแต่เบากว่ามาก
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
คำตอบ: σy′ = 95 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′
σy′ = 65 − 95·0 − 30·(−1) = 95 MPa
ตรวจสอบ
ผลรวมของความเค้นตั้งฉากไม่เปลี่ยนเมื่อหมุน
σx′ = 35 MPa, σx′ + σy′ = 130 = σx + σy
คำตอบ
σy′ = 95 MPa
6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
คำตอบ: n = 2.236
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 เกณฑ์การคราก: ฟอน มิเซสทำนายว่าเกิดการครากเมื่อ σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) ถึง σY ส่วนเทรสกาเมื่อความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์ถึง σY/2
ความเค้นหลัก
C = 0 MPa, R = 67.08 MPa
σ1 = 67.08 MPa, σ2 = −67.08 MPa, σ3 = 0
เทรสกา
σmax − σmin = 134.2 MPa
n = 300/134.2 = 2.236
คำตอบ
n = 2.236
n > 1 หมายความว่าจุดนั้นไม่คราก เกณฑ์เทรสกาอนุรักษ์นิยมกว่าฟอน มิเซสเล็กน้อย
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน
คำตอบ: ε = 7179 µε
กฎของฮุก: ในช่วงยืดหยุ่น σ = E·ε เมื่อรวมกับ σ = P/A และ ε = δ/L จะได้ δ = PL/(AE)
ความเค้น
A = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 95·1000/113.1 = 840 MPa
ความเครียด (กฎของฮุก)
E for ทองแดง = 117 GPa = 117000 MPa.
ε = σ/E = 840/117000 = 0.007179 = 7179 µε
คำตอบ
ε = 7179 µε
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน
คำตอบ: δ = 0.3325 mm
ชิ้นส่วนรับแรงตามแนวแกน: แต่ละช่วงที่มีหน้าตัดคงที่เป็นไปตาม δ = PL/(AE) สำหรับชิ้นส่วนที่ต่ออนุกรมกัน ความยืดจะบวกกัน
แรงเท่ากันทั้งสองช่วง
ปลายอิสระรับแรง P ดังนั้นทุกส่วนของแท่งมีแรงตามแนวแกน P เท่ากัน มีเพียงพื้นที่และวัสดุที่เปลี่ยนไป
A1 = π·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 14.15 MPa
σ2 = 31.83 MPa
รวมความยืดของแต่ละช่วง
δ1 = σ1L1/E1 = 14.15·500/117000 = 0.06046 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 31.83·1000/117000 = 0.2721 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.3325 mm
คำตอบ
δ = 0.3325 mm
9.การโก่งเดาะของเสา
คำตอบ: Pcr = 26.23 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
สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม
Imin = h·b³/12 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴
ความยาวประสิทธิผล
KL = 0.7·4000 = 2800 mm
น้ำหนักวิกฤต
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/2800² = 26227 N = 26.23 kN
คำตอบ
Pcr = 26.23 kN
10.การโก่งเดาะของเสา
คำตอบ: d = 80.41 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 = 3·150000 = 450000 N
KL = 0.5·6000 = 3000 mm
แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·450000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 80.41 mm
คำตอบ
d = 80.41 mm
ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 149.2 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้
11.การสั่นสะเทือนเชิงกล
คำตอบ: ζ = 0.1196
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
ลอการิทึมดีเครเมนต์
δ = (1/2)·ln(15/3.3) = 0.7571
อัตราส่วนการหน่วง
ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.7571/√(39.48 + 0.5731) = 0.1196
คำตอบ
ζ = 0.1196
12.การสั่นสะเทือนเชิงกล
คำตอบ: fn = 2.068 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
มีเพียง k1 และ k2 ที่ขนานกัน คู่นั้นต่ออนุกรมกับ k3 จึงรวมแบบส่วนกลับ
k12 = 12 + 40 = 52 kN/m
keq = 52·25/(52 + 25) = 16.88 kN/m
ความถี่ธรรมชาติ
ωn = √(16883/100) = 12.99 rad/s
fn = 12.99/(2π) = 2.068 Hz
คำตอบ
fn = 2.068 Hz
ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design