Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và Thiết kế chi tiết máy: Phần 1

Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và Thiết kế chi tiết máy: Phần 1 Cơ sở Thiết kế máy gồm 12 chương trình bày về phương pháp tính toán thiết kế các chi tiết máy. Mời các bạn cùng tham khảo!

PGS.TS LÊ VĂN UYỂN GIÁO TRÌNH CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY Hà nội tháng 1-2023 PGS.TS LÊ VĂN UYỂN PHẦN THỨ NHẤT CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Hà nội tháng 1-2023 Lời nói đầu Giáo trình “Cơ sở Thiết kế máy Thiết kế Chi tiết máy “ biên soạn dựa sở sách Cơ sở Thiết kế máy nhà xuất GIÁO DỤC VIỆT NAM xuất tháng 12 năm 2011 có sửa chữa bổ sung thêm phần Thiết kế chi tiết máy bao gồm hai phần: Phần I: Cơ sở Thiết kế máy gồm 12 chương trình bày phương pháp tính tốn thiết kế chi tiết máy Phần II: Thiết kế Chi tiết máy gồm chương trình bày thiết kế chi tiết máy hệ dẫn động khí nhằm phục vụ cho sinh viên làm ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY Trong phần này, tác giả đưa vào nội dung tự động thiết kế chi tiết phần mềm thiết kế Autodest Inventor Sách biên soạn nhằm trang bị kiến thức tính tốn thiết kế chi tiết máy làm sở cho việc thiết kế máy cơng tác Ngồi sách cịn làm tài liệu để rèn luyện kỹ tư phân tích hệ thống làm việc máy công tác, khả áp dụng kiến thức trang bị vào công việc thiết kế, kiểm tra thẩm định.Trong tài liệu bổ sung thêm chi tiết máy mà tài liệu khác chưa đề cập đề cập chưa đầy đủ Cuốn sách tài liệu tham khảo để học lý thuyết làm Đồ án môn học chi tiết máy cho bạn sinh viên theo học trường Đại học Cao đẳng, cho các cán trẻ giảng dạy môn học Cơ sở Thiết kế máy trường Đại học Cao đẳng Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đồng nghiệp bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi tác giả theo điạ chỉ: vanuyenle1949@gmail.com Tác giả MỤC LỤC PHẦN I CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 Khái niệm thiết kế máy chi tiết máy 1.2 Nội dung trình thiết kế máy chi tiết máy 1.3 Tải trọng ứng suất 1.4 Chỉ tiêu khả làm việc phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy 1.5 Ứng suất cho phép chi tiết… .……………………… 12 1.6 Vật liệu sử dụng khí 21 1.7 Tiêu chuẩn hóa tính cơng nghệ thiết kế 25 Câu hỏi ôn tập Chương BỘ TRUYỀN ĐAI 2.1 Khái niệm chung 28 2.2 Cơ sở tính tốn truyền đai .28 2.3 Tính truyền đai 34 2.4 Kết cấu bánh đai 39 2.5 Các bước thiết kế truyền đai 47 Câu hỏi ơn tập Chương BỘ TRUYỀN XÍCH 3.1 Khái niệm chung 52 3.2 Cơ sở tính tốn truyền xích 54 3.3 Tính truyền xích 60 3.4 Các bước thiết kế truyền xích 60 3.5 Kết cấu đĩa xích 60 3.6 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng 60 Câu hỏi ôn tập Chương BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG 4.1 Khái niệm chung………………………………………………………62 4.2 Cơ sở tính tốn thiết kế bánh răng…………………………………… 76 4.3 Tính tốn truyền bánh trụ…………………………………… 90 4.4 Tính tốn truyền bánh côn………………………………… 102 4.5 Các bước thiết kế bánh 104 4.6 Kết cấu bánh 110 4.7 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng 110 4.8 Bộ truyền bánh sóng 111 Câu hỏi ôn tập Chương BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT 5.1 Khái niệm chung……………………………………………………115 5.2 Cơ sở tính tốn truyền trục vít………………………………… 120 5.3 Tính tốn truyền trục vít……………………………………… 128 5.4 Các bước thiết kế truyền trục vít……………………………… 132 5.5 Kết cấu trục vít bánh vít 133 5.6 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng 133 Câu hỏi ôn tập Chương TRUYỀN ĐỘNG VIT ĐAI ỐC 6.1Khái niệm chung ………………………………………………… 135 6.2 Cơ sở tính tốn truyền động vít đai ốc…………………………… 137 6.3 Tính tốn truyền động vít me ma sát trượt………………………….140 6.4 Tính tốn truyền động vít me ma sát lăn……………………………143 Câu hỏi ôn tập Chương TRỤC 7.1 Khái niệm chung………………………………………………… 149 7.2 Cơ sở thiết kế trục ………………………………………………… 154 7.3 Các bước thiết kế trục……………………………………………….165 Câu hỏi gợi ý Chương Ổ TRƯỢT Gối đỡ trục 8.1 Khái niệm chung…………………………………………………….169 8.2 Cơ sở tính tốn ổ trượt………………………………………………176 8.3 Tính ổ trượt………………………………………………………….176 Câu hỏi ôn tập Chương Ổ LĂN 9.1 Khái niệm chung…………………………………………………….184 9.2 Cơ sở tính tốn ổ lăn……………………………………………… 186 9.3 Chọn ổ lăn………………………………………………………… 192 9.4 Các bước chọn ổ lăn……………………………………………… 195 9.5 So sánh ổ trượt ổ lăn…………………………………………… 197 Câu hỏi ôn tập Chương 11 KHỚP NỐI 11.1 Khái niệm chung………………………………………………… 198 11.2 Nối trục…………………………………………………………….199 11.3 Ly hợp…………………………………………………………… 205 11.4 Ly hợp tự động…………………………………………………… 207 Câu hỏi ôn tập Chương 12 CHI TIẾT MÁY GHÉP 12.1 Khái niệm chung………………………………………………… 212 12.2 Kết cấu phương pháp tính toán mối ghép…………………… 213 12.2.1 Ghép hàn………………………………………………… 213 12.2.2 Ghép độ dôi…………………….… .221 12.2.3 Mối ghép then then hoa…………….… 225 12.2.4 Mối ghép ren …………………….… 231 Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1.1 Khái niệm máy Chi tiết máy Trong đời sống bắt gặp nhiều sản phẩm khí thiết kế chế tạo Các sản phẩm thuộc lĩnh vực khác sản phẩm gia dụng: máy cắt cỏ, máy điều hòa, máy chế biến thức ăn…; Các sản phẩm thuộc hệ thống sản xuất: máy gia công kim loại, máy nâng vận chuyển, thiết bị đóng gói, Rơbốt cơng nghiệp, máy điều khiển số máy CNC …; Máy móc thiết bị ngành xây dựng, khai khống, máy nông nghiệp, máy vận tải thiết bị phục vụ nghiên cứu khơng gian… Hình 1.1 Hình 1.1 hộp giảm tốc (HGT) cấp bánh trụ nghiêng dây chuyền sản xuất Axit Sunphuric thuộc nhà máy phân đạm Bánh dẫn có z1 = 30 làm liền trục, bánh bị dẫn có z2 = 78 lắp với trục mối ghép độ dôi Đầu vào lắp với turbin khí quay với tốc độ 17077vg/ph; công suất P1 = 2304KW (tương đương T1 = 1288470Nmm), đầu trục lắp quạt nén khí, quay với tốc độ n2 = 6568vg/ph Trục đỡ bánh lắp gối (ổ trượt) ổ lắp lên vỏ (thân HGT) Tại gối đỡ trục lắp thiết bị để kiểm tra nhiệt độ độ rung; độ di dọc trục áp lực dầu bôi trơn Như vậy, Máy Bộ phận máy cấu tạo từ nhiều chi tiết khác để thực cơng hữu ích nhằm thay lao động chân tay có suất thấp lao động máy móc có suất chất lượng cao 1.1.2 Phân loại chi tiết máy Chi tiết máy thực chức định phận hay cấu máy Chi tiết chi tiết hồn chỉnh (bánh răng, trục, then, lị xo ), cụm chi tiết liên kết với để tạo thành chi tiết hồn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích…) Chi tiết máy phân thành hai loại: - Chi tiết cơng dụng chung chi tiết có hình dạng kết cấu, chức gặp loại máy công tác loại ốc vít, bánh răng, đai, xích, trục, ổ lăn… - Chi tiết công dụng riêng chi tiết xuất số máy công tác trục khuỷu, trục mềm, cam… 1.2 NỘI DUNG VÀ QUÁ TRÌNH THIÊT KẾ MÁY, CHI TIẾT MÁY 1.2.1 Nội dung yêu cầu thiết kế máy chi tiết máy Máy thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật (yêu cầu khách hàng) phải có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế thực tế chế tạo Ngồi cịn số yêu cầu khác kiểu dáng, thay có tính thân thiện với mơi trường (sử dụng nguồn lượng vật liệu, không ồn, không gây ô nhiễm…) Vì việc thiết kế máy để đảm bảo yêu cầu vấn đề phức tạp Thiết kế máy chi tiết máy (được xây dựng sở yêu cầu cụ thể máy thiết kế) bao gồm nội dung sau: 1.2.1.1 Nội dung thiết kế máy Nội dung việc thiết kế máy đáp ứng tối đa yêu cầu khách hàng sở tìm hiểu thị trường để đưa loại sản phẩm Cần ý sản phẩm thiết kế phải đáp ứng tối đa nhu cầu kỳ vọng khách hàng vấn đề không phần quan trọng vấn đề bảo dưỡng, thay suốt chu kỳ tuổi thọ cần cân nhắc đến việc sản phẩm giải sau hết thời gian sử dụng Dựa vào yêu cầu sở phân tích, xác định chức năng, yêu cầu tiêu chuẩn đánh giá máy thiết kế đòi hỏi người thiết kế phải biết phân tích, tổng hợp động lực học máy khả công nghệ thực để đưa sơ đồ nguyên lý hợp lý (chọn phương án thiết kế cuối cùng) Mặt khác người thiết kế phải có kỹ thiết kế chi tiết việc lựa chọn vật liệu công nghệ để chế tạo, lắp ráp chi tiết để nâng cao tính hiệu độ tin cậy làm việc chi tiết phận máy Và nội dung cuối trình thiết kế máy lập hồ sơ máy dẫn vận hành, bảo dưỡng, thay chi tiết 1.2.1.2 Nội dung thiết kế chi tiết máy Thiết kế chi tiết máy phần thiếu trình thiết kế máy, trình thiết kế chi tiết máy tiến hành theo bước sau: a) Xác lập sơ đồ nguyên lý làm việc chi tiết máy để xác định thông số động lực học chế độ làm việc chi tiết b) Chọn vật liệu khả công nghệ để gia công chi tiết xuất phát từ yêu cầu làm việc chi tiết việc cung ứng vật tư c) Tính thiết kế (tính sơ bộ) để xác định kích thước chi tiết theo tiêu khả làm việc Trên sở tiến hành thiết kế kết cấu chi tiết thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện công nghệ ( công nghệ chế tạo, công nghệ lắp ghép ý đến vấn đề thay chi tiết hỏng hóc) d) Tính tốn kiểm nghiệm theo tiêu khả làm việc theo hệ số an tồn đảm bảo chi tiết khơng hỏng hóc q trình vận hành e) Hồn thiện thiết kế kỹ thuật chi tiết để chế tạo chi tiết 1.2.2 Những kỹ cần có thiết kế khí Thiết kế sản phẩm nói chung thiết kế khí nói riêng cần có kỹ (kỹ cứng kỹ mềm), bao gồm: a) Kỹ xây dựng vẽ phác, vẽ kỹ thuật thiết kế với trợ giúp máy tính (CAD) b) Nắm bắt đặc trưng vật liệu, xử lý vật liệu công nghệ chế tạo chi tiết c) Các kiến thức môn học Cơ học, Sức bền, Dung sai, Lý thuyết cấu, Cơ học chất lỏng, Thủy lực, Kỹ thuật truyền nhiệt, Kỹ thuật điều khiển, Khai thác sử dụng phần mềm tính tốn thiết kế, Các phương pháp dự đốn hư hỏng, Cơ sở thiết kế máy (Chi tiết máy), kiến thức thiết bị, phương pháp gia công chi tiết… d) Khả xây dựng thực kế hoạch Sự sáng tạo, giải vấn đề quản lý chương trình, dự án e) Các kỹ giao tiếp, lắng nghe khả làm việc theo nhóm f) Thích ứng nhanh với mơi trường điều kiện làm việc 1.3 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT 1.3.1 Tải trọng Tải trọng thường ký hiệu chung Q: lực F(N), mơ men T(Nmm) tác dụng lên chi tiết hay phận máy trình làm việc Cần phân biệt loại tải trọng sau: a) Tải trọng tác dụng lên chi tiết phận máy trình làm việc, bao gồm: Tải trọng tĩnh giá trị thay đổi không thay đổi theo thời gian Tải trọng thay đổi phương chiều cường độ thay đổi theo thời gian Hình 1.2 trường hợp tải trọng thay đổi theo bậc Hình 12.14 Kết cấu đai ốc phân bố áp lực vòng ren đai ốc 12.2.4.2 Các phương pháp phòng lỏng mối ghép ren Do có tương tự nới lỏng đai ốc đặc biệt chiụ tải trọng va đập rung động Khi tượng xảy mối ghép khả làm việc, nguy hiểm, để mối ghép làm việc an tồn cần chống tượng tháo lỏng đai ốc, gọi phương pháp phịng lỏng mối ghép ren Có thể chọn phương pháp phòng lỏng sau thiết kế kết cấu mối ghép ren: - Cố định chuyển động tương đối đai ốc bu lông: sử dụng chốt chẻ hàn đính; làm dập bề mặt ren (phương án dùng mối ghép tháo lắp lần) Dùng đệm gập (hình 12.15c) Hình 12.15 Các phương pháp phịng lỏng mối ghép ren - Tạo ma sát phụ bề mặt ren: dùng đệm đàn hồi (hình 12.15a) dùng hai đai ốc (hình 12.15h) 232 12.2.4.3 Các loại tiết diện ren thông số ren tam giác D d d D Trong mối ghép ren sử dụng loại tiết diện ren khác nhau: ren tam giác, ren chữ nhật ren hình thang (hình 12.16) Trong ren kẹp chặt thI ường dùng ren tam giác bước nhỏ, l1 h l S ren truyền a) động dùng ren vuông hay ren thang (hiện l2 l1 dùng) l H S d1 233 d d2 b) c) Và kích I 60° thước bu lơng (hình 12.16), bao gồm: p d đường kính đỉnh ren đồng Hình 12.16 Bu lơng, vít , đai ốc kích thước thời đường kính danh nghĩa tiêu chuẩn hóa Với ren hệ mét ký hiệu Md d1 đường kính chân ren d2 đường kính trung bình ren (đường kính chứa đường xoắn ốc d  d1 hình thành mặt ren) Gần d  p bước ren px bước đường xoắn ốc px = z.p với z số đầu mối p z.p  góc nâng ren tan   x  .d .d  góc tiết diện ren với ren tam giác  = 600 Các kích thước chiều dài l; l1 l2 lấy theo kết cấu, cịn kích thước D, S, h H xác định sở điều kiện sức bền tra theo tiêu chuẩn phụ thuộc vào đường kính bu lơng d (bảng 12.20) Ren hệ mét có hai loại: Ren hệ mét bước lớn ký hiệu chữ M tiếp sau đường kính, ví dụ M12, cịn ren hệ mét bước nhỏ thêm p, ví dụ: M12x1,25 Ren trái cần thêm chữ LH, ví dụ ren hệ mét đường kính d =12mm, p = 1,25, ren trái: M12x1,25LH Bảng 12.20 Kích thước chủ yếu ren hệ mét Đường kính danh nghĩa ren 10 12 16 18 20 24 30 36 42 48 Ren bước lớn, p d Đường kính ren d2 d1 Ren bước nhỏ p 0,8 1,25 1,5 1,75 2,5 2,5 3,5 4,5 5 10 12 16 18 20 24 30 36 42 48 4,48 5,35 7,188 9,026 10,863 14,701 16,376 18,397 22,051 27,727 33,402 39,077 44,752 4,134 4,917 6,647 8,376 9,853 13,876 15,294 17,294 20,752 26,211 31,670 37,129 42,587 0,5 0,75;0,5 1;0,75;0,5 1,25;1;0,75;0,5 1,5; 1,25;1;0,75;0,5 1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75 2;1,5;1;0,75 3;2;1,5;1 3;2;1,5;1 3;2;1,5;1 12.2.4.4 Tính bu lông a) Một số điểm cần lưu ý Dạng hỏng chi tiết mối ghép bu lông đa dạng tải tác dụng kết cấu mối ghép bu lông phong phú Nhưng tựu chung thường gặp bu lông bị đứt chân ren, phần tiếp giáp thân bu lông đầu bu lơng Ngồi thân bu lơng bị dập, bề mặt ren bị cắt Các dạng hỏng độ bền tĩnh độ bền mỏi gây Mặt khác thực tế, bu lông thường bố trí theo nhóm bu lơng có đường kính, đồng thời kích thước đai ốc bu lơng tiêu chuẩn hóa nên phương diện tính tốn thiết kế 234 cần xác định kích thước cịn kích thước khác tra theo tiêu chuẩn Để thuận tiện cho việc khảo sát tính tốn trước hết ta xét trường hợp mối ghép có bu lơng gọi mối ghép bu lông đơn b) Tinh bu lông đơn Xét trường hợp chịu lực sau đây: - Bu lông ghép lỏng chịu lực dọc F Trường hợp không cần xiết chặt đai ốc nhờ đai ốc nên kết cấu đơn giản thuận tiện lắp phận Ví dụ kết cấu móc cần cẩu Khi chịu lực dọc trục F, bu lông bị cắt chân ren điều kiện bền có dạng: k  F 4F    k  A d12 (12.13a) 4.F (12.13b) . k  A diện tích chịu ứng suất kéo tiết diện bu lơng, tính Hoặc cơng thức thiết kế d  sau: A .d12  0,7854.d  0,9382.p - Bu lông xiết chặt không chịu ngoại lực dọc trục F Trường hợp yêu cầu mối ghép (cần đảm bảo độ kín) nên cần xiết chặt bu lơng lực xiết V (hình 12.18) Trong q trình xiết chặt, bu lơng chịu kéo lực xiết V chịu thêm mô men xoắn ma sát bề mặt ren gây p >0 Mơ men xoắn Tr xác định theo công thức sau: p=0 V tan(   , ).d , Tr  với  2 góc ma sát tương đương D0 , ,   arctan f Lực kéo lực xiết chặt V Hình 12.18 Bu lơng mối ghép nắp bình với p = 4.V sinh ứng suất    .d1 o 235 d 13 Tr Mô xoắn Tr gây ứng suất    , với W o   16 W Ứng suất tương đương xác định theo thuyết bền với ren tiêu chuẩn lấy d2 =1,1d1 ;  = 2030  = 0,2, kết ta có: tđ  1,3 v Vậy kích thước bu lơng là: d1  1,3.4.V  k  (12.14) - Bu lông xiết chặt chịu ngoại lực dọc trục F Đây trường hợp hay gặp thực tế, ví dụ mối ghép bu lơng đường ống dẫn khí hay chất lỏng, vít mối ghép nắp ổ với thân ổ đỡ chặn, ghép nắp hộp giảm tốc với thân hộp… bu lơng chịu ngoại lực dọc trục F Để đảm bảo cho kết cấu làm việc ban đầu cần xiết chặt bu lơng lực xiết V cho chịu tải trọng ngồi F bề mặt ghép (bề mặt tiếp xúc chi tiết ghép) kín (áp suất dư bề mặt ghép dương) Xác tải trọng tác dụng lên bu lơng tốn phức tạp phụ thuộc vào kết cấu ghép (vật liệu, chiều dày) kết cấu bu lông (chiều dài bu lông; bu lơng có đường kính khơng đổi hay thay đổi) Các yếu tố đặc trưng hệ số giảm tải , thường   0,15…0,2 (nếu bạn đọc quan tâm nên tìm đọc [4]) Như lực xiết ban đầu cần thiết để bề mặt ghép không bị tách hở là: V  k 1   .F (12.15) Tải trọng tác dụng lên bu lông (xiết chặt đặt tải ngoài): Fb = 1,3V + .F (12.16) Trong k hệ số an Khi F = const k = 1,3…1,5 k = 1,5…4,0 F thay đổi va đập Xác định kích thước bu lơng + Khi tải trọng tác dụng không đổi, từ điều kiện bền kéo suy ra: 236 d1  4.Fo  k  (12.17) Fo tải trọng tác dụng lên bu lông Fo = Fb = 1,3V +F = [1,3k(1 - ) + ]F + Khi F thay đổi: Khi tải trọng ngồi thay đổi tải trọng tác dụng lên bu lông (Fb) thay đổi thay đổi từ V đến V + F nên bu lông chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ không đối xứng với a, m max min Mặt khác có tượng tập trung ứng suất chân ren bu lông thường bị phá hỏng tượng mỏi Trong trường hợp sau xác định kích thước theo độ bền tĩnh cần kiểm nghiệm bu lông theo độ bền mỏi thơng qua hệ số an tồn mỏi Điều kiện để bu lơng khơng hỏng mỏi có dạng sau:     1 1  m  b   (12.18) S   S  a k  Trong đó: k hệ số tập trung ứng suất chân ren phụ thuộc vật liệu phương pháp gia công ren, bảng 12.21 σ-1 ứng suất giới hạn mỏi chu trình đối xứng, bảng 12.21 [S] = 2,5 hệ số an toàn cho phép Nếu điều kiện (12.18) khơng thỏa mãn tăng đường kính bu lơng giảm tập trung ứng suất chân ren cách chọn phương pháp gia công ren phù hợp - Bu lông lệch tâm Trong thực tế gặp kết cấu hình 12.19 Khi chịu ngoại lực F, bu lông bị kéo chịu thêm mô men uốn M = F.e Đường kính bu lơng xác định sau  8e  F d  1,13 1   (12.19)  d   k  Từ (12.19) cho thấy e tăng d1 tăng nên tránh dùng bu lông lệch tâm chịu kéo F e F Hình 13.19 Bu lơng chịu lực lệch tâm 237 Bảng 12.21 Ứng suất giới hạn mỏi hệ số tập trung ứng suất bu lông Vật liệu Ứng suất giới hạn mỏi σ-1, MPa Thép C35 Thép C35 38CrA 30CrMnA 40CrNiMnA 18Cr2Ni4 MnA 180 220 300 300 440 450 Hệ số tập trung ứng suất, kσ Cắt ren Cán ren 3,6 3,7 4,0 4,0 4,6 4,5 2,8 2,8 3,0 3,0 3,5 3,5 - Bu lông chịu lực ngang Khi tải trọng F tác dụng mặt phẳng ghép ( vng góc đường tâm bu lơng), kết cấu mối ghép thực theo hai phương án sau đây: + Mối ghép không khe hở (giữa thân bu lông lỗ ghép khơng có khe hở, nghĩa phải gia cơng tinh bu lơng lỗ ghép), hình 12.20a d V F a) p s1 F s2 s2 s1 F F b) V Hình 12.20ab Bu lơng chịu lực ngang a) bu lông lắp không khe hở b) bu lông lắp có khe hở Trong trường hợp khơng cần xiết chặt bu lơng chịu lực F thân bu lông bị cắt; bu lông lỗ ghép bị dập Vì vậy: Theo điều kiện bền cắt thân bu lơng có dạng: d 4F i c  (12.20a) Theo điều kiện bền dập bulông ghép F d s d  238 (12.20b) Trong đó: - i số bề mặt ghép s = min(s1 s2) - [c] ứng suất cắt cho phép [σ d] = min([σdb], [σdt]) ứng suất dập cho phép vật liệu bu lông ghép, bảng 12.22 Sau xác định đường kính bu lông theo (12.20a) (12.20b), cần chọn giá trị lớn theo tiêu chuẩn + Mối ghép có khe hở (giữa thân bu lơng lỗ ghép tồn khe hở), hình 13.20b Lúc cần xiết chặt bu lông lực xiết V để ép ghép sinh lực ma sát giữ ghép tránh trượt ngang chịu lực F Từ điều kiện Fms > F, suy lực xiết V sau: V kF if (12.21) Nếu lấy k = 1,5 , i = f = 0,2 V = 7,5F Như để tránh tách hở cần xiết chặt bu lông lực xiết lớn Trong thực tế, mối ghép bu lơng có khe hở có kết cấu đơn giản tính cơng nghệ cao, lực xiết lớn dẫn đến kích thước bu lơng lớn Để giảm lực xiết ban đầu, tăng số bề mặt ghép, tăng hệ số ma sát sử dụng thêm chi tiết phụ đặt bề mặt ghép Biết V xác định đường kính bu lơng d1  1,3.4.V  k  (12.22) Trong đó: f hệ số ma sát bề mặt tiếp xúc Với ghép thép gang f = 0,15…0,2 Khi thép (gang) ghép với đế bê tơng f = 0,3…0,35 k hệ số an toàn xiết chặt, thường k = 1,3…1,5 c) Tính mối ghép bu lơng nhóm Trong thực tế sử dụng, đa số bu lông ghép theo nhóm Việc tính tốn bu lơng nhóm thường tiến hành theo bước sau: Bước Chọn phương án bố trí bu lơng (chọn số bu lơng vị trí bu lơng) Phương án hợp lý phương án cho số bu lông chịu tải lớn nhiều tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn nhỏ Thơng thường kết cấu có tính đối xứng bu lơng thường bố trí đối xứng 239 Bước Xác định tải trọng tác dụng lên bu lông tìm bu lơng chịu tải lớn Bước Tùy thuộc vào kết cấu mà đưa dạng để tính kích thước bu lơng, sau tra tiêu chuẩn để biết kích thước khác 12.2.4.5 Vật liệu ứng suất cho phép Vật liệu chế tạo bu lơng (vit, vít cấy) thép bon thường, thép bon chất lượng tốt thép hợp kim Chọn vật liệu phải vào điều kiện chịu tải, khả chế tạo, yêu cầu kích thước kết cấu…Tiêu chuẩn qui định 12 cấp bền bu lông gồm: 3.6; 4.6…12.9 14.9 (Cấp bền bu lông biểu diễn hai số: số đầu nhân với 100 cho cho giá trị giới hạn bền nhỏ nhất, số thứ hai chia cho 10 tỷ số  ch ) Bảng 12.22 giới thiệu vật liệu bu lơng (vít, vít cấy), cấp bền b ứng suất giới hạn tương ứng Bảng 12.22 Cơ tính số vật liệu chế tạo bu lông đai ốc Cấp bền 3.6 4.8 5.8 8.8 9.8 10.9 12.9 Kích cỡ bu lông M5…M36 M1,6…M16 M5…M24 M17…M36 M1,6…M16 M6…M36 M1,6…M36 Mác thép σb(MPa) σch(MPa) CT3; CT10 C20 C30; C35 C35; C45 35Cr; 38CrA 40Mn2; 40Cr 40Mn2; 40Cr 400 420 520 830 900 1040 1220 240 340* 415* 660 720* 940 1100 Độ bền thử kéo [σk] 225 310 380 600 650 830 970 Bảng 12.23 hệ số an tồn khơng kiểm tra lực xiết Vật liệu bu lông Thép Các bon Thép hợp kim M6…M16 4…3 5…4 Tải trọng tĩnh M16…M30 M30…M60 3…2 2…1,3 4…2,5 2,5 240 Tải trọng thay đổi M6…M16 M16…M30 10…6,5 6,5 7,5….5 Bảng 12.24 Ứng suất cho phép hệ số an toàn Loại tải trọng ngồi Lực dọc trục - Khơng xiết chặt - Có xiết chặt Ứng suất cho phép [σk] = 0,6 σch Tải trọng tĩnh: [σk] = σch / [S] Tải thay đổi [σk] = σch / [S] Lực ngang -Bu lơng khơng khe hở - Bu lơng có khe hở Cho loại tải trọng [σk] = σch / [S] - Tải trọng tĩnh: [] = 0,4σch - Tải trọng động: []= (0,2…0,3)σch [σd]= 0,8σch với thép [σd]= 0,8σb với gang Hệ số an toàn [S] tra bảng 12.23 khơng kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S]=2,5…4,0 Khi không kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S] tra bảng 12.17b khơng kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S] tra bảng 12.23 không kiểm tra lực xiết [S]=1,2…1,5 Khi có kiểm tra lực xiết Sau xét số ví dụ tính tốn thiết kế mối ghép bu lơng Ví dụ 12.4 Cho kết cấu mối ghép bu lông, biết: a = 450mm; a = 420mm; b1 = 300mm; b = 270mm; s = 20mm; l = 350mm; R = 8000N Dùng bu lông đánh số 1, 2, Bu lơng thép C30 có ch = 360Mpa; hệ số ma sát giá đỡ bê tông f = 0,15; ứng suất dập cho phép bê tông [d] = 1,80Mpa hệ số an toàn s xiết chặt với tải trọng tĩnh k = 1,5 Tâm bu lông: a = 420 b = 270 1) Xác định đường kính bu lơng cho phương án: bu lơng lắp khơng khe hở bu lơng lắp có khe hở b2 b1 R b 3) Xác định tải trọng lớn tác dụng lên mối ghép sử dụng bu lơng lắp có khe hở l a2 a a1 4) a) Khi tải trọng thay đổi từ Rmin đến Rmax < R có cần tính lại kích thước bu lơng khơng? Tại sao? 241 Hình 12.21 b).Trong trường hợp cần kiểm tra bu lông theo độ bền mỏi? Dãy tiêu chuẩn đường kính bu lơng: (dãy 1): M8p; M10p; M12p; M16p; M18p; M20p; M30p…) Bài giải a) Xác định đường kính bu lơng - Xác định ngoại lực tác dụng lên bu lông chịu tải lớn Fmax: Dời lực R trọng tâm mối ghép ta lực ngang R mô men M = R.l = 8000.350 = 2.800.000Nmm Do R đặt trọng tâm mối ghép nên bu lông chịu lực ngang F R nhau: FR = R/4 = 8000/4 = 2000N Do bu lông phân bố đối xứng nên M tác dụng lên bu lông FM nhau: FM = M/4r = 2800000 / 4*249,6 = 2805N Trong r khoảng cách từ trọng tâm đến tâm bu lông: r  x12  y12  210  135  249 ,6mm Vậy tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn (bu lông số 4): F (FR2  FM2  2FR FM cos )  4235N Với  = 57,260 - Xác định đường kính bu lơng Phương án bu lơng khơng khe hở Đường kính bu lơng xác định từ điều kiện bền cắt: 4.F 4.4235   5,859mm [ c ] .120 d Sử dụng bu lông tinh M6 (a) Kiểm tra điều kiện bền dập thân bu lông: d  F 4235   35,2MPa  [ d ]  280MPa bu lông đủ độ bền dập s.d 20.6 Phương án bu lơng có khe hở Khi cần xiết chặt bu lơng lực xiết tương ứng là: kF 1,5.4235 V   42350N f 0,15 Đường kính bu lơng xác định từ điều kiện bền kéo: d1  1,3.4.V 1,3.4.42350   17,09mm .[ k ] .240 Tính d =1,1d1 = 18,79mm Theo tiêu chuẩn bu lông, chọn bu lông M20x1,5 242 (b) Từ (a) (b) thấy sử dụng bu lơng tinh đường kính bu lơng nhỏ u cầu chế tạo xác bu lơng lỗ giá, đồng thời ví trí bu lơng phải xác Điều khó thực nên sử dụng phương án bu lơng có khe hở Nếu tăng hệ số ma sát lên f = 0,2 lực xiết V v = 31762N d = 14,8mm Sử dụng bu lông M18x1,5 Trong đó: k   ch  360  240MPa S 1,5 [c]= 0,4σch = 120MPa [σd] = 280MPa 2) Kiểm tra độ bền dập bệ ( bê tông) Khi xiết chặt, bề mặt tiếp xúc bê tông giá chịu áp lực phân bố (coi giá có độ cứng lớn) Điều kiện bền dập bê tơng có dạng: z.F 4.4235 d    4,09MPa  [ d ]  1,8MPa A d 41400 Trong Ad diện tích tiếp xúc giá (kể diện tích lỗ bu lơng), xác định theo kích thước cho: Ad = a1.b1 – a2b2 = 41400mm2 Do d > [d] nên cần tăng diện tích tiếp xúc bề mặt ghép lên Ad, xác định từ điều kiện: z.V 4.42350 A ,d    94111mm [ d ] 1,8 Trong trường hợp kích thước bề mặt ghép thay đổi sau: - Giảm kích thước a2 b2 phía xuống 100mm, a2 = 140mm b2 = 100mm Khi diện tích mặt ghép 94400mm2 - Tăng kích thước ngồi a1 b1 tăng a1 b1 đồng thời giảm a2 b2 Rõ ràng giải pháp thứ khơng hợp lý giải pháp thứ làm tăng kích thước giá 3) Xác định tải trọng lớn mà mối ghép chịu dùng bu lơng lắp có khe hở - Điều kiện bền dập bệ, suy ra: d = [d] Vmax =[d].Ad/z = 1,8 94400/4 = 42480N - Điều kiện bền kéo bu lông (phương án dùng bu lông M20) Vmax  [ k ] .d 12 .18,376  240  48937N 4.1,3 4.1,3 (a) (b) Để thỏa mãn đồng thời (a) (b) thấy ứng với V = min(V a;Vb) tải trọng tác dụng lên mối ghép là: R = 8000N 4) a) Khi tải trọng thay đổi từ Rmin đến Rmax < R = 8000N, cần phải tính lại đường kính bu lơng vì: 243 D0 M k - Khi tải trọng ngồi thay đổi hệ số an toàn xiết chặt thay đổi theo, thường chọn k = 1,8…4 - Hệ số an toàn xác định [k] lấy lớn hơn, nghĩa tải trọng ngồi thay đổi giá trị [k] nhỏ b) Trong trường không cần phải tiến hành kiểm nghiệm bu lông theo điều kiện sức bền mỏi tải trọng ngồi khơng trực tiếp tác dụng lên bu lông Bu lông chịu lực kéo mômen ren xiết chặt nên ứng suất kéo thân bu lơng khơng thay đổi Ví dụ 12.5 Cho kết cấu hình vẽ (Hình 12.23) Chi tiết ghép nối với thép chữ U (N0 = 28 ) có chiều dày s = 6mm mối ghép bu lơng có sơ đồ hình vẽ Các kích thước a =100mm h = 200mm Chịu ngoại lực dọc R = 40000N mômen T =1,75.106Nmm Xác định đường kính bu lơng (dùng bu lơng lắp có khe hở) để kẹp chặt với giá với điều kiện: Hệ số an toàn xác định lực xiết chặt k = 1,5, bu lông thép 45 có ch = 350Mpa, khơng kiểm tra lực xiết chọn hệ số an tồn xác định ứng suất cho phép s = 2,5, hệ số giảm tải  = 0,25 hệ số ma sát f = 0,15 (khơng cần tính xác lại hệ số giảm tải ) Dt D A Hình 12.24 Ví dụ 12.6 Cho kết cấu (hình 12.24), chi tiết ghép với đế mối ghép bu lơng có z = 4, tâm bu lơng nằm vịng trịn có đường kính D = 150mm Vị trí bu lơng hình vẽ Hình 12.23 Tính đường kính bu lơng sử dụng mối ghép bu lơng có khe hở Biết M = 550000Nmm; hệ số an toàn xiết chặt k = 1,5; hệ số giảm tải  = 0,2; hệ số ma sát f = 0,3 Bu lông thép có [σ]k = 140MPa hệ số an tồn cho phép không kiểm tra lực xiết [s] = 2, đế có kích thước A = 180mm 244 Các ví dụ 12.5&12.6 nững ví dụ phức tạp gặp nhiều thực tế bạn quan tâm tìm hiểu thêm [4] 245 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy, tập 1, Nhà xuất Giáo dục,1994 [2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính tốn thiết kế hệ dẫn động Cơ khí, tập 1, Nhà xuất Giáo dục,1993 [3] Lê Văn Uyển Cơ sở thiết kế máy Nhà xuất Giáo dục Việt nam, 2011 [4] Robert L.Mott Machine Elements in Machinical Design Upper Saddle River,New Jersey Columbus, Ohio, 2004 [5] Lê Văn Uyển đồng nghiệp, Đề tài B 2003 – 28 – 84: Ứng dụng công nghệ 3D thiết kế mô truyền dẫn khí [6] Lê Văn Uyển đồng nghiệp Đề tài B 2007 – 01–130: Xây dựng sở tính tốn truyền động vít me ma sát lăn chế thử truyền động vít me ma sát lăn [7] Nguyễn Hữu Lộc Cơ sở thiết kế máy Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2008 [8] Nguyễn Chung Cảng Sổ tay nhiệt luyện, tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [9] Ninh Đức Tốn Dung sai Lắp ghép Nhà xuất Giáo dục, 2003 [10] Nguyễn Đức Phú Tính tốn chế tạo truyền bánh công tác sửa chữa Nhà xuất Kỹ thuật, 1973 [11] Kohler /Rognitz Maschinenteil, teil 1, B.G Teubner Stuttgart, 1992 [12] Brandari V.B Introduction to Machine Design Tata McGraw-Hill Publishingcompany Limited New Delhi, 2001 [13] Peшeтoв д.н, Детапи мaшин Москва, 1961.2003 [15] Kohler /Rognitz Maschinenteil, teil 1, B.G Teubner Stuttgart, 1992 [16] General Catalogue SKF 1992 246 ... 0,8 0,85 0,89 0, 91 0,96 1, 0 1, 03 1, 06 1, 08 1, 11 1 ,12 1, 14 1, 15 41 Bảng 2 .11 Ảnh hưởng tỷ số truyền đến khả tải u 1, 2 1, 6 1, 8 2,2 2,4 >3 Cu 1, 07 1, 11 1 ,12 1, 13 1, 135 1, 14 Bảng 2 .12 Ảnh hưởng số... vanuyenle1949@gmail.com Tác giả MỤC LỤC PHẦN I CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1. 1 Khái niệm thiết kế máy chi tiết máy 1. 2 Nội dung trình. .. phận máy Và nội dung cuối trình thiết kế máy lập hồ sơ máy dẫn vận hành, bảo dưỡng, thay chi tiết 1. 2 .1. 2 Nội dung thiết kế chi tiết máy Thiết kế chi tiết máy phần thiếu trình thiết kế máy, trình