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

มอเตอร์ 2.2 kW หมุนที่ 1450 rpm ขับเฟืองเล็กที่มี 15 ฟัน ซึ่งขบกับเฟืองที่มี 32 ฟัน ไม่คิดการสูญเสีย หาแรงบิดขาออก T₂ บนเพลาของเฟือง

P = 2.2 kWn₁ = 1450 rpmN₁ = 15N₂ = 32η = 100%

T₂ = N·m

2.เฟืองและชุดเฟืองยาก

ในขบวนเฟืองผสม เฟือง A (45 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 3000 rpm และขับเฟือง B (50 ฟัน) เฟือง C (15 ฟัน) ยึดติดกับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D บนเพลาขาออก เพลาขาออกต้องหมุนที่ 1013 rpm เฟือง D ต้องมีกี่ฟัน N_D

n_in = 3000 rpmA = 45B = 50C = 15n_out = 1013 rpm

N_D =

3.การบิดของเพลาปานกลาง

เพลาตันทองเหลืองถูกยึดติดกับผนังและถูกบิดด้วยแรงบิด T ที่ปลายอิสระ หามุมบิด φ ของปลายอิสระ ในหน่วยองศา

T = 100 N·md = 25 mmL = 0.5 mG = 39 GPa

φ = °

4.การบิดของเพลายาก

เพลา เหล็กกล้า ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm ยึดที่ A แรงบิด 200 N·m กระทำที่ B ห่างจาก A 2.5 m และแรงบิด 500 N·m ในทิศทางเดียวกันกระทำที่ปลายอิสระ C ซึ่งอยู่ถัดไปอีก 0.5 m จงหาขนาดของมุมบิด φ_C ของปลาย C ในหน่วยองศา

d = 30 mmT_B = 200 N·mT_C = 500 N·mAB = 2.5 mBC = 0.5 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง

จุดหนึ่งในแผ่นบางอยู่ในสภาวะความเค้นระนาบ: σₓ = 70 MPa, σᵧ = 50 MPa และ τₓᵧ = 50 MPa โดย σ_z = 0 จงหาความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์ τ_abs ที่จุดนั้น (พิจารณาทุกระนาบในสามมิติ)

σ_x = 70 MPaσ_y = 50 MPaτ_xy = 50 MPaσ_z = 0

τ_abs = MPa

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = −70 MPa, σᵧ = 100 MPa และ τₓᵧ = −60 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นเฉือน τ_θ บนระนาบที่เส้นตั้งฉากหมุนไป 45° ทวนเข็มนาฬิกาจากแกน x (เป็นบวกในทิศเดียวกับ τₓᵧ)

σ_x = −70 MPaσ_y = 100 MPaτ_xy = −60 MPaθ = 45°

τ_θ = MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง

แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 20 mm, E = 200 GPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากบรอนซ์ (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 120 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 60 mm, E = 110 GPa) ทั้งสองยาว 300 mm และถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็งด้วยแรง 50 kN จงหาระยะหด δ

P = 50 kNแท่ง: Ø20 mm, E = 200 GPaท่อ: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 300 mm

δ = mm

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก

ท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 400 mm, E = 200 GPa) และท่อนที่ทำจากบรอนซ์ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 60 mm, ยาว 200 mm, E = 110 GPa) ต่อปลายชนปลายและยึดระหว่างผนังแข็งสองด้าน โหลดตามแนวแกน 30 kN กระทำที่รอยต่อไปทางท่อนที่ 2 จงหาขนาดของความเค้น σ₂ ในท่อนที่ 2

ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: บรอนซ์, Ø60 mm, 200 mm, E = 110 GPaP = 30 kN

σ₂ = MPa

9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ P_cr

L = 3 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 40 × 100 mm

P_cr = kN

10.การโก่งเดาะของเสายาก

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ต้องรับ 55 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 55 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)

d = mm

11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง

มวล 50 kg ถูกรองรับด้วยสปริงที่มีค่าความแข็ง 50 kN/m และตัวหน่วงหนืดที่มีสัมประสิทธิ์การหน่วง 1260 N·s/m หาอัตราส่วนการหน่วง ζ

m = 50 kgk = 50 kN/mc = 1260 N·s/m

ζ =

12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก

มวล 10 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่ต่อปลายต่อปลาย (อนุกรม): สปริงบนมี k₁ = 100 kN/m และสปริงล่างมี k₂ = 60 kN/m ไม่ต้องคำนึงถึงการหน่วงและมวลของสปริง จงหาความถี่ธรรมชาติ f_n ของการสั่นในแนวดิ่งในหน่วย Hz

m = 10 kgk₁ = 100 kN/mk₂ = 60 kN/m

f_n = Hz

3สารละลาย

1.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T₂ = 30.91 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·1450/60 = 151.8 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 2200/151.8 = 14.49 N·m

แรงบิดขาออก

T₂ = 14.49·32/15·1 = 30.91 N·m

คำตอบ

T₂ = 30.91 N·m

2.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: N_D = 40

ความเร็วของเพลากลาง

n_B = n_C = 3000·45/50 = 2700 rpm

จำนวนฟันของเฟือง D

N_D = C·n_C/n_out = 15·2700/1013 = 40

คำตอบ

N_D = 40

3.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ = 1.915 °

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

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วของพื้นที่

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

มุมบิด

φ = TL/(GJ) = 100·1000·500/(39000·38350) = 0.03343 rad

φ = 0.03343·180/π = 1.915°

คำตอบ

φ = 1.915°

4.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ_C = 18.01 °

แรงบิดภายใน

ให้ทิศของ T_C เป็นบวก

T_BC = T_C = 500 N·m

T_AB = T_C + T_B = 500 + 200 = 700 N·m

มุมบิดของแต่ละท่อน

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = 700000·2500/(80000·79522) = 0.2751 rad

φ_BC = 500000·500/(80000·79522) = 0.0393 rad

มุมบิดของปลาย C

φ_C = 0.2751 + 0.0393 = 0.3144 rad → |φ_C| = 18.01°

คำตอบ

φ_C = 18.01°

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: τ_abs = 55.5 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 ในสามมิติ ความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์คือ (σ_max − σ_min)/2 จากความเค้นหลักทั้งสาม ในความเค้นระนาบ ตัวที่สามเป็นศูนย์

ความเค้นหลักในระนาบ

C = 60 MPa, R = √(10² + 50²) = 50.99 MPa

σ₁ = 111 MPa, σ₂ = 9.01 MPa, σ_z = 0

วงกลมที่ใหญ่ที่สุดในสามวง

τ = max(|σ₁ − σ₂|, |σ₁|, |σ₂|)/2 = max(102, 111, 9.01)/2 = 55.5 MPa

คำตอบ

τ_abs = 55.5 MPa

ในที่นี้วงกลมนอกระนาบเป็นตัวกำหนด: ค่าสูงสุดสัมบูรณ์มากกว่าค่าสูงสุดในระนาบ R

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: τ_θ = 85 MPa

สมการการแปลง

τ_θ = −−85·1 + −60·0 = 85 MPa

คำตอบ

τ_θ = 85 MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 0.01506 mm

วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า P_i = P·E_iA_i/ΣEA และ σ_i = E_i·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L

พื้นที่

A_r = π·20²/4 = 314.2 mm²

A_t = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

ความแข็งตามแนวแกนรวม

ΣEA = 200·10³·314.2 + 110·10³·8482 = 9.959 × 10⁸ N

ระยะหด

δ = 50000·300/9.959 × 10⁸ = 0.01506 mm

คำตอบ

δ = 0.01506 mm

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: σ₂ = 8.645 MPa

ความแข็ง

k₁ = 200000·706.9/400 = 353429 N/mm

k₂ = 110000·2827/200 = 1.555 × 10⁶ N/mm

ส่วนแบ่งของท่อนที่ 2

F₂ = 30000·1.555 × 10⁶/1.909 × 10⁶ = 24444 N

ความเค้น

σ₂ = 24444/2827 = 8.645 MPa (แรงอัด)

คำตอบ

σ₂ = 8.645 MPa

9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: P_cr = 238.7 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

น้ำหนักวิกฤต

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2100² = 238721 N = 238.7 kN

คำตอบ

P_cr = 238.7 kN

10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 67.58 mm

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

P_cr = n·P = 3·55000 = 165000 N

KL = 0.7·5000 = 3500 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 67.58 mm

คำตอบ

d = 67.58 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 207.2 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

11.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: ζ = 0.3984

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

การหน่วงวิกฤต

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(50000·50) = 3162 N·s/m

อัตราส่วนการหน่วง

ζ = c/c_c = 1260/3162 = 0.3984

คำตอบ

ζ = 0.3984

ζ < 1 ระบบจึงหน่วงน้อยกว่าวิกฤตและสั่นขณะที่ลดลง

12.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: f_n = 9.746 Hz

ค่าความแข็งสมมูล

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

1/k_eq = 1/100 + 1/60 → k_eq = 100·60/(100 + 60) = 37.5 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ω_n = √(37500/10) = 61.24 rad/s

f_n = 61.24/(2π) = 9.746 Hz

คำตอบ

f_n = 9.746 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design