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 0.75 kW ที่ 1450 rpm ขับเฟืองตัวหนอนที่มี 2 เกลียว เฟืองหนอนมี 50 ฟัน และระบบขับมีประสิทธิภาพ 85% จงหาแรงบิดขาออก T_w ที่เพลาของเฟืองหนอน

z = 2N_w = 50n = 1450 rpmP = 0.75 kWη = 85%

T_w = N·m

2.เฟืองและชุดเฟืองยาก

ในขบวนเฟืองผสม เฟือง A (15 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 1440 rpm และขับเฟือง B (48 ฟัน) เฟือง C (20 ฟัน) ยึดติดกับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D บนเพลาขาออก เพลาขาออกต้องหมุนที่ 300 rpm เฟือง D ต้องมีกี่ฟัน N_D

n_in = 1440 rpmA = 15B = 48C = 20n_out = 300 rpm

N_D =

3.การบิดของเพลาปานกลาง

เพลา อะลูมิเนียม ตัน ยาว 3 m รับแรงบิด 1000 N·m มุมบิดระหว่างปลายทั้งสองต้องไม่เกิน 1° จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางที่น้อยที่สุด d ที่ตรงตามขีดจำกัดนี้

T = 1000 N·mL = 3 mG = 26 GPaφ_allow = 1°

d = mm

4.การบิดของเพลายาก

เพลา เหล็กกล้า ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 mm ยึดที่ A แรงบิด 100 N·m กระทำที่ B ห่างจาก A 1.5 m และแรงบิด 1000 N·m ในทิศทางเดียวกันกระทำที่ปลายอิสระ C ซึ่งอยู่ถัดไปอีก 0.8 m จงหาขนาดของมุมบิด φ_C ของปลาย C ในหน่วยองศา

d = 40 mmT_B = 100 N·mT_C = 1000 N·mAB = 1.5 mBC = 0.8 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง

จุดหนึ่งมี σₓ = 60 MPa และ σᵧ = 50 MPa ความเค้นเฉือน τ_xy (ขนาด) เพิ่มได้มากที่สุดเท่าใดก่อนที่ความเค้นหลักตัวใหญ่ที่สุดจะถึง 100 MPa

σ_x = 60 MPaσ_y = 50 MPaσ₁ = 100 MPa

τ_xy = MPa

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก

เพลาตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 mm รับ แรงอัดตามแนวแกน 190 kN ร่วมกับแรงบิด 750 N·m ที่ผิวของเพลา จงหาความเค้นหลักตัวใหญ่ที่สุด σ₁

d = 25 mmF = −190 kNT = 750 N·m

σ₁ = MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง

หาความเครียดตามแนวแกน ε ในแท่งเหล็กกล้า ในหน่วยไมโครสเตรน (µε = 10⁻⁶)

P = 105 kNd = 10 mmL = 1.5 mE = 200 GPa

ε = µε

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก

ท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 25 mm, ยาว 400 mm, E = 200 GPa) และท่อนที่ทำจากอะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 60 mm, ยาว 200 mm, E = 70 GPa) ต่อปลายชนปลายและยึดระหว่างผนังแข็งสองด้าน โหลดตามแนวแกน 80 kN กระทำที่รอยต่อไปทางท่อนที่ 2 จงหาขนาดของความเค้น σ₂ ในท่อนที่ 2

ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: อะลูมิเนียม, Ø60 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 80 kN

σ₂ = MPa

9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ P_cr

L = 5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)d = 20 mm

P_cr = kN

10.การโก่งเดาะของเสายาก

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ต้องรับ 95 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 95 kNn = 3L = 4 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)

d = mm

11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง

มวล 25 kg บนสปริงที่มีค่าความแข็ง 10 kN/m มีตัวหน่วงหนืดให้อัตราส่วนการหน่วง 0.3 หาความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง f_d ของการสั่นอิสระใน Hz

m = 25 kgk = 10 kN/mζ = 0.3

f_d = Hz

12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก

มวล 10 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่วางเคียงกัน (ขนาน) ที่มีค่าความแข็ง k₁ = 25 kN/m และ k₂ = 100 kN/m มวลอยู่ในแนวระดับ ไม่ต้องคำนึงถึงการหน่วงและมวลของสปริง จงหาความถี่ธรรมชาติ f_n ของการสั่นในแนวดิ่งในหน่วย Hz

m = 10 kgk₁ = 25 kN/mk₂ = 100 kN/m

f_n = Hz

3สารละลาย

1.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T_w = 105 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

ความเร็วของเฟืองหนอน

n_w = n·z/N_w = 1450·2/50 = 58 rpm

แรงบิดขาออก

ω_w = 2π·58/60 = 6.074 rad/s

T_w = η·P/ω_w = 0.85·750/6.074 = 105 N·m

คำตอบ

T_w = 105 N·m

2.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: N_D = 30

ความเร็วของเพลากลาง

n_B = n_C = 1440·15/48 = 450 rpm

จำนวนฟันของเฟือง D

N_D = C·n_C/n_out = 20·450/300 = 30

คำตอบ

N_D = 30

3.การบิดของเพลา

คำตอบ: d = 90.59 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 = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm

L = 3 m = 3000 mm

G = 26 GPa = 26000 MPa

φ = 1·π/180 = 0.01745 rad

J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·3000/(26000·0.01745) = 6.611 × 10⁶ mm⁴

เส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (32J/π)^1/4 = 90.59 mm

คำตอบ

d = 90.59 mm

ในทางปฏิบัติควรปัดขึ้นเป็นขนาดมาตรฐานถัดไป

4.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ_C = 6.982 °

แรงบิดภายใน

ให้ทิศของ T_C เป็นบวก

T_BC = T_C = 1000 N·m

T_AB = T_C + T_B = 1000 + 100 = 1100 N·m

มุมบิดของแต่ละท่อน

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = 1.1 × 10⁶·1500/(80000·251327) = 0.08206 rad

φ_BC = 1 × 10⁶·800/(80000·251327) = 0.03979 rad

มุมบิดของปลาย C

φ_C = 0.08206 + 0.03979 = 0.1219 rad → |φ_C| = 6.982°

คำตอบ

φ_C = 6.982°

5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: τ_xy = 44.72 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

รัศมีที่ต้องการ

C = (60 + 50)/2 = 55 MPa

R = σ₁ − C = 100 − 55 = 45 MPa

ความเค้นเฉือน

τ_xy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(45² − 5²) = 44.72 MPa

คำตอบ

τ_xy = 44.72 MPa

6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σ₁ = 118.3 MPa

ความเค้นที่ผิว

σ = F/A = −190000/(π·25²/4) = −190000/490.9 = −387.1 MPa

τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·25³) = 244.5 MPa

วงกลมของมอร์

C = σ/2 = −193.5 MPa

R = √((−193.5)² + 244.5²) = 311.8 MPa

σ₁ = C + R = 118.3 MPa

σ₂ = C − R = −505.3 MPa

คำตอบ

σ₁ = 118.3 MPa

7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: ε = 6685 µε

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 = 105·1000/78.54 = 1337 MPa

ความเครียด (กฎของฮุก)

E for เหล็กกล้า = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 1337/200000 = 0.006685 = 6685 µε

คำตอบ

ε = 6685 µε

8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: σ₂ = 22.67 MPa

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

ความแข็ง

k₁ = 200000·490.9/400 = 245437 N/mm

k₂ = 70000·2827/200 = 989602 N/mm

ส่วนแบ่งของท่อนที่ 2

F₂ = 80000·989602/1.235 × 10⁶ = 64102 N

ความเค้น

σ₂ = 64102/2827 = 22.67 MPa (แรงอัด)

คำตอบ

σ₂ = 22.67 MPa

9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: P_cr = 2.481 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

หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 0.5·5000 = 2500 mm

น้ำหนักวิกฤต

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/2500² = 2481 N = 2.481 kN

คำตอบ

P_cr = 2.481 kN

10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 58.57 mm

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

P_cr = n·P = 3·95000 = 285000 N

KL = 0.5·4000 = 2000 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·285000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 58.57 mm

คำตอบ

d = 58.57 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 136.6 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

11.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: f_d = 3.036 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 = √(10000/25) = 20 rad/s

f_n = 20/(2π) = 3.183 Hz

ความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 3.183·√(1 − 0.3²) = 3.036 Hz

คำตอบ

f_d = 3.036 Hz

12.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: f_n = 17.79 Hz

ค่าความแข็งสมมูล

สปริงที่วางเคียงกันมีระยะแอ่นเท่ากันและแรงบวกกัน ค่าความแข็งจึงบวกกันตรง ๆ: k = k₁ + k₂

k_eq = 25 + 100 = 125 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ω_n = √(125000/10) = 111.8 rad/s

f_n = 111.8/(2π) = 17.79 Hz

คำตอบ

f_n = 17.79 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design