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
N1​ = 15N2​ = 18

มอเตอร์ 1.1 kW หมุนที่ 2900 rpm ขับเฟืองเล็กที่มี 15 ฟัน ซึ่งขบกับเฟืองที่มี 18 ฟัน คู่เฟืองมีประสิทธิภาพ 98% หาแรงบิดขาออก T2 บนเพลาของเฟือง

P = 1.1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 15N2 = 18η = 98%
T2 = N·m
2.เฟืองและชุดเฟืองยาก
Ns​ = 12เฟืองวงแหวนถูกยึดNp​ = 24nc​ = ?

ในชุดเฟืองดาวเคราะห์ เฟืองดวงอาทิตย์มี 12 ฟัน และเฟืองดาวเคราะห์แต่ละตัวมี 24 ฟัน เฟืองวงแหวนถูกยึดอยู่กับที่ และเฟืองดวงอาทิตย์ถูกขับที่ 1500 rpm จงหาความเร็ว nc ของโครงพาเฟืองดาวเคราะห์

Ns = 12Np = 24ns = 1500 rpm
nc = rpm
3.การบิดของเพลาปานกลาง
do​ = 30, di​ = 15 mmT = 1000 N·mL = 0.8 m

เพลากลวง อะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 30 mm ภายใน 15 mm ยาว 0.8 m) ถูกยึดที่ปลายหนึ่งและถูกบิดด้วยแรงบิด 1000 N·m ที่อีกปลาย จงหามุมบิด φ ในหน่วยองศา

T = 1000 N·mdo = 30 mmdi = 15 mmL = 0.8 mG = 26 GPa
φ = °
4.การบิดของเพลายาก
Tdo​ = 80 mm, di​ = 60 mm

เพลากลวงส่งกำลัง 75 kW ที่ 750 rpm หาความเค้นเฉือนสูงสุด τmax ในเพลา

P = 75 kWN = 750 rpmdo = 80 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
σx​ = −10σy​ = 20MPaτxy​ = ?

จุดหนึ่งมี σₓ = −10 MPa และ σᵧ = 20 MPa ความเค้นเฉือน τxy (ขนาด) เพิ่มได้มากที่สุดเท่าใดก่อนที่ความเค้นหลักตัวใหญ่ที่สุดจะถึง 30 MPa

σx = −10 MPaσy = 20 MPaσ1 = 30 MPa
τxy = MPa
6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
σx​ = 110σy​ = 20τxy​ = 50MPa

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = 110 MPa, σᵧ = 20 MPa และ τₓᵧ = 50 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นแนวฉาก σθ บนระนาบที่เส้นตั้งฉากหมุนไป 50° ทวนเข็มนาฬิกาจากแกน x

σx = 110 MPaσy = 20 MPaτxy = 50 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
250 kNØ25120 GPaØ120/70600 mmδ = ?

แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 25 mm, E = 200 GPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากทองแดง (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 120 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 70 mm, E = 120 GPa) ทั้งสองยาว 600 mm และถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็งด้วยแรง 250 kN จงหาระยะหด δ

P = 250 kNแท่ง: Ø25 mm, E = 200 GPaท่อ: Ø120/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
Ø 25 mmทองเหลือง2 mØ 16 mmเหล็กกล้า2 mP = 90 kN

แท่งขั้นบันไดถูกยึดติดกับผนังและรับแรงที่ปลายอิสระ หาความยืดรวม δ

P = 90 kNช่วงที่ 1: Ø25 mm, 2 m, ทองเหลือง (E = 100 GPa)ช่วงที่ 2: Ø16 mm, 2 m, เหล็กกล้า (E = 200 GPa)
δ = mm
9.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 5 m40 × 100 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.การโก่งเดาะของเสายาก
PL = 6 md = 40 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย หาค่าความเพรียวและความเค้นวิกฤต σcr จากสูตรของออยเลอร์

L = 6 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)d = 40 mm
σcr = MPa
11.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
k = 20 kN/mc = 1070 N·s/mm = 40 kg

มวล 40 kg ถูกรองรับด้วยสปริงที่มีค่าความแข็ง 20 kN/m และตัวหน่วงหนืดที่มีสัมประสิทธิ์การหน่วง 1070 N·s/m หาอัตราส่วนการหน่วง ζ

m = 40 kgk = 20 kN/mc = 1070 N·s/m
ζ =
12.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
k1​ = 25k2​ = 40m = 5 kg

มวล 5 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่วางเคียงกัน (ขนาน) ที่มีค่าความแข็ง k₁ = 25 kN/m และ k₂ = 40 kN/m มวลอยู่ในแนวระดับ หาค่าความแข็งสมมูล keq ของระบบสปริงใน kN/m

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3สารละลาย

1.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T2 = 4.26 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303.7 = 3.622 N·m

แรงบิดขาออก

T2 = 3.622·18/15·0.98 = 4.26 N·m

คำตอบ

T2 = 4.26 N·m
2.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: nc = 250 rpm

ชุดเฟืองดาวเคราะห์: ความเร็วของเฟืองดวงอาทิตย์ เฟืองวงแหวน และโครงพา สัมพันธ์กันด้วยสมการวิลลิส (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: เมื่อมองจากโครงพา ชุดเฟืองนี้เป็นขบวนเฟืองธรรมดาที่เฟืองดาวเคราะห์เป็นเฟืองกลาง การยึดชิ้นส่วนหนึ่งไว้ทำให้ชุดเฟืองกลายเป็นตัวลดความเร็วที่มีอัตราส่วนเดียว

จำนวนฟันของเฟืองวงแหวน

Nr = Ns + 2·Np = 12 + 2·24 = 60

สมการวิลลิสเมื่อยึดเฟืองวงแหวน

ตั้ง nr = 0 แล้วแก้หาความเร็วของโครงพา

(1500 − nc)/(0 − nc) = −60/12
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·12/72 = 250 rpm

คำตอบ

nc = 250 rpm

โครงพาหมุนในทิศทางเดียวกับเฟืองดวงอาทิตย์

3.การบิดของเพลา

คำตอบ: φ = 23.65 °

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(30⁴ − 15⁴)/32 = 74551 mm⁴

มุมบิด

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 0.8 m = 800 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·800/(26000·74551) = 0.4127 rad
φ = 0.4127·180/π = 23.65°

คำตอบ

φ = 23.65°
4.การบิดของเพลา

คำตอบ: τmax = 13.9 MPa

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·750/60 = 78.54 rad/s
T = P/ω = 75000/78.54 = 954.9 N·m

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วของพื้นที่

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2.749 × 10⁶ mm⁴

ความเค้นเฉือนสูงสุด

τmax = T·(do/2)/J = 954930·40/2.749 × 10⁶ = 13.9 MPa

คำตอบ

τmax = 13.9 MPa
5.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: τxy = 20 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 = (−10 + 20)/2 = 5 MPa
R = σ1 − C = 30 − 5 = 25 MPa
στxyCσ1​σ2​

ความเค้นเฉือน

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(25² − 15²) = 20 MPa

คำตอบ

τxy = 20 MPa
6.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σθ = 106.4 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 = 65 + 45·−0.1736 + 50·0.9848 = 106.4 MPa

คำตอบ

σθ = 106.4 MPa
7.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 0.151 mm

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

Ar = π·25²/4 = 490.9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

ความแข็งตามแนวแกนรวม

ΣEA = 200·10³·490.9 + 120·10³·7461 = 9.935 × 10⁸ N

ระยะหด

δ = 250000·600/9.935 × 10⁸ = 0.151 mm

คำตอบ

δ = 0.151 mm
8.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 8.143 mm

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 = 183.3 MPa
σ2 = 447.6 MPa

รวมความยืดของแต่ละช่วง

δ1 = σ1L1/E1 = 183.3·2000/100000 = 3.667 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 447.6·2000/200000 = 4.476 mm
δ = δ1 + δ2 = 8.143 mm

คำตอบ

δ = 8.143 mm
9.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 168.4 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 0.5·5000 = 2500 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2500² = 168441 N = 168.4 kN

คำตอบ

Pcr = 168.4 kN
10.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: σcr = 5.483 MPa

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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

รัศมีไจเรชันและความเพรียว

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/10 = 600

ความเค้นวิกฤต

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/600² = 5.483 MPa

คำตอบ

σcr = 5.483 MPa
11.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: ζ = 0.5981

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

การหน่วงวิกฤต

cc = 2·√(k·m) = 2·√(20000·40) = 1789 N·s/m

อัตราส่วนการหน่วง

ζ = c/cc = 1070/1789 = 0.5981

คำตอบ

ζ = 0.5981

ζ < 1 ระบบจึงหน่วงน้อยกว่าวิกฤตและสั่นขณะที่ลดลง

12.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: keq = 65 kN/m

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

สปริงที่วางเคียงกันมีระยะแอ่นเท่ากันและแรงบวกกัน ค่าความแข็งจึงบวกกันตรง ๆ: k = k1 + k2

keq = 25 + 40 = 65 kN/m

คำตอบ

keq = 65 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design