Cac chi tieu tinh toan thiet ke chi tiet may

Chöông 1 Baøi giaûng CHI TIEÁT MAÙY Chöông 1 Caùc chæ tieâu tính toaùn thieát keá chi tieát maùy Bm Thieát keá maùy TS Buøi Troïng Hieáu 1 Chöông 1 CAÙC CHÆ TIEÂU TÍNH TOAÙN THIEÁT KEÁ CHI TIEÁT MAÙY[.]

Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy Chương CÁC CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY Khả làm việc chi tiết máy đánh giá tiêu chủ yếu sau: độ bền, độ cứng, độ bền mòn, khả chịu nhiệt, độ ổn định dao động độ tin cậy Vật liệu, hình dạng kích thước chi tiết máy xác định theo nhiều tiêu, tùy theo điều kiện làm việc Ở đây, xét đến tiêu độ bền (Các tiêu độ cứng, độ bền mòn, khả chịu nhiệt, độ ổn định dao động độ tin cậy: sinh viên tự đọc tài liệu) 1.1 TẢI TRỌNG - ỨNG SUẤT Tải trọng ứng suất thông số đặc trưng cho chế độ làm việc chi tiết máy Tùy theo trạng thái chịu tải mà tải trọng tác động lên chi tiết máy thể gây ứng suất: kéo, nén, cắt, uốn, tiếp xúc … 1.1.1 TẢI TRỌNG - Tải trọng ngoại lực tác động lên chi tiết, nguyên nhân gây ứng suất Tải trọng tác dụng động lên chi tiết tải trọng tónh (tải trọng không đổi) tải trọng thay đổi  Tải trọng tónh : tải trọng không thay đổi theo thời gian  Tải trọng thay đổi: tải trọng có phương, chiều độ lớn thay đổi theo thời gian Có hai trường hợp: tải trọng thay đổi liên tục tải trọng thay đổi theo bậc  Tải trọng va đập: tải trọng tăng mạnh giảm tức khắc (thay đổi đột ngột) - Ngoài ra, tính toán chi tiết máy người ta phân biệt: tải trọng danh nghóa, tải trọng tương đương tải trọng tính toán  Tải danh nghóa Qdn : tải trọng chọn số tải trọng tác dụng lên máy chế độ làm việc ổn định (thường chọn tải trọng lớn tải trọng tác dụng lâu dài nhất)  Tải trọng tương đương Qtd : tải trọng có giá trị không đổi thay cho chế độ thay đổi liên tục thay đổi theo bậc Qtd  Qdn k N (1.1) với k N hệ số tuổi tho.ï  Tải trọng tính toán Qt : tải trọng tính toán thiết kế chi tiết máy phụ thuộc vào tính chất thay đổi tải trọng, phân bố không tải trọng bề mặt làm việc, điều kiện sử dụng, chế độ tải trọng … Qt  Qtd ktt kd kdk  Qdn k N ktt kd kdk đó: (1.2) ktt : hệ số xét đến phân bố không tải trọng bề mặt tiếp xúc, kd : hệ số tải trọng động, k dk : hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc Bm Thiết kế máy -1- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy 1.1.2 ỨNG SUẤT - Dưới tác dụng tải trọng, chi tiết máy xuất ứng suất Tùy thuộc vào tính chất tải trọng ta có ứng suất tónh ứng suất thay đổi  Ứng suất tónh: ứng suất không thay đổi theo thời gian  Ứng suất thay đổi: ứng suất có phương, chiều độ lớn thay đổi theo thời gian Tải trọng tónh Ứng suất tónh Phá hủy tónh Tải trọng thay đổi Ứng suất thay đổi Phá hủy mỏi - Ứng suất thay đổi đặc trưng chu kỳ ứng suất Năm đặc trưng chu kỳ ứng suất là:   max m  t Hình 1.1 Chu kỳ ứng suất không đổi theo thời gian  Ứng suất cực đại :  max  Ứng suất cực tiểu :   Ứng suất trung bình : m   Biên độ ứng suất : a   Hệ số tính chất chu kỳ : r   max    max   max   Tùy theo giá trị r ta có dạng chu kỳ ứng suất sau:  Chu kỳ ứng suất đối xứng ( r  1):   max    max  a   max t  m  r  1 Hình 1.2 Chu kỳ ứng suất đối xứng Bm Thiết kế máy -2- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy  Chu kỳ ứng suất không đối xứng mạch động dương ( r  ):    0,  max   max a  m  m  max r 0  t Hình 1.3 Chu kỳ ứng suất mạch động dương  Chu kỳ ứng suất không đối xứng mạch động âm ( r  ):   max  0,    max t m a  m     r   Hình 1.4 Chu kỳ ứng suất mạch động âm  Chu kỳ ứng suất không đối xứng dấu ( r  ):   max  max  m    r 0 t Hình 1.5 Chu kỳ ứng suất không đối xứng dấu  Chu kỳ ứng suất không đối xứng trái dấu ( r  ):   max  max  m    t r0 Hình 1.6 Chu kỳ ứng suất không đối xứng trái dấu Bm Thiết kế máy -3- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy  r  : Ứng suất không thay đổi   max    max   r 1 t Hình 1.7 Ứng suất không đổi - Ứng suất thay đổi ổn định (  a ,  m không thay đổi theo thời gian) thay đổi không ổn định (  a ,  m thay đổi theo thời gian) 1.1.3 ỨNG SUẤT TIẾP XÚC - Ứng suất tiếp xúc sinh bề mặt làm việc chi tiết máy tiếp xúc trực tiếp với - Ứng suất tiếp xúc sinh diện tích tương đối rộng vuông góc với bề mặt tiếp xúc gọi ứng suất dập áp suất Ví dụ ứng suất dập sinh then trục, thân bulông chi tiết ghép mối ghép ren khe hở, áp suất ổ trượt… - Trường hợp hai hình trụ có trục song song tiếp xúc nhau, chưa có tải trọng tác dụng hình trụ tiếp xúc với theo đường thẳng Khi chịu tác dụng tải trọng, vùng tiếp xúc bị biến dạng hình trụ tiếp xúc với theo dải hẹp hình chữ nhật có bề rộng b qn I 1 II H b qn 2 Hình 1.8 Ứng suất tiếp xúc hai hình trụ tiếp xúc - Ứng suất tiếp xúc phân bố theo hình parabol mặt cắt ngang dải tiếp xúc Giá trị cực đại  H đỉnh xác định theo công thức Hetz: Bm Thiết kế máy -4- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy qn 2  H  ZM (1.3) với qn tải trọng phân bố Z M hệ số xét đến tính vật liệu, tính sau: ZM  E1E2  E2  12  E1  22     (1.4)  đó, E1 , E2 : modun đàn hồi vật liệu hình trụ hình trụ 2, 1 , 2 : hệ số Poisson vật liệu hình trụ hình trụ 2, 1  : bán kính cong tương đương   , dấu “+“ tiếp xúc ngoài,  1 2 dấu “-” tiếp xúc trong, 1 , 2 : bán kính cong hình trụ hình trụ 1.1.4 HIỆN TƯNG MỎI - Phần lớn chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi theo thời gian Các chi tiết máy bị hỏng chịu ứng suất có trị số nhỏ nhiều so với trường hợp chịu ứng suất không đổi Nguyên nhân sau số chu kỳ ứng suất, bề mặt chi tiết xuất vết nứt tế vi Theo thời gian, số chu trình làm việc tăng lên, vết nứt mở rộng dần phát triểân sâu vào bên làm cho chi tiết ngày yếu cuối xảy tượng gãy mỏi - Sự phá hủy mỏi khác với phá hủy chịu ứng suất tónh chất tượng bên Phá hủy chịu ứng suất tónh Phá hủy mỏi - Do tác dụng ứng suất có trị số cao: + Đối với vật liệu dẻo: ứng suất > giới hạn chảy + Đối với vật liệu giòn: ứng suất > giới hạn bền - Do tác dụng ứng suất có trị không lớn - Xuất biến dạng dẻo rõ rệt trước - Không thấy dấu hiệu báo trước Sự phá hủy xảy vùng phá hủy, lan rộng vùng nhỏ chi tiết máy chi tiết máy - Màu sắc bề mặt vết gãy không đồng nhất, vùng bên có màu - Màu sắc bề mặt vết gãy đồng nhất: sáng vùng bên ngoài: + Đối với vật liệu dẻo: có co thắt + Vùng (vùng hỏng mỏi): tiết diện mịn, hạt nhỏ + Đối với vật liệu giòn: có dấu hiệu + Vùng (vùng hỏng tónh): gồ bị đứt ghề, hạt to có thớ Bm Thiết kế máy -5- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy 1.2 CHỈ TIÊU ĐỘ BỀN - Để làm việc chi tiết máy phải có đủ độ bền Nghóa là, trình làm việc, chịu tác dụng tải trọng, chi tiết máy không bị biến dạng dư lớn, không gãy hỏng bề mặt làm việc không bị phá hủy (tróc, rỗ, dính )  Chi tiết máy bị biến dạng dư lớn phá hỏng làm việc bình thường phận máy  Chi tiết máy bị gãy làm cho máy ngừng hoạt động gây tai nạn lao động  Bề mặt làm việc chi tiết máy bị phá hủy gây nên sai số hình dáng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến phân bố tải trọng bề mặt tiếp xúc, gây chấn động, sinh nhiệt cao, nhiều tiếng ồn làm việc… - Các dạng hỏng chủ yếu liên quan đến độ bền chi tiết máy:  Phá hủy mỏi: phát sinh điều kiện tải trọng thay đổi tróc rỗ bề mặt răng, tróc rỗ bề mặt lăn, gãy răng, gãy trục mỏi…  Biến dạng dẻo: phát sinh chi tiết làm vật liệu dẻo bị tải, sinh tượng biến dạng dẻo toàn chi tiết tượng cong trục, kéo dài trục bulông…  Lão hóa: tượng chi tiết máy khả chịu tải sau trình chịu tải trọng thay đổi, chịu biến dạng, thường gặp chi tiết không kim loại chất dẻo…  Phá hủy giòn: thường gặp chi tiết làm vật liệu giòn, có tập trung ứng suất lớn, chịu tải trọng va đập: gãy răng, gãy trục, vỡ vòng ổ lăn… - Tùy theo dạng hỏng xảy thể tích hay bề mặt chi tiết máy, người ta phân biệt hai loại độ bền chi tiết máy:  Độ bền thể tích : độ bền uốn, xoắn, kéo, nén, cắt…  Độ bền tiếp xúc: độ bền tiếp xúc, dập - Để tránh biến dạng dư lớn gãy hỏng, chi tiết máy cần có đủ độ bền thể tích Để tránh phá hủy bề mặt làm việc, chi tiết máy cần có đủ độ bền tiếp xúc - Khi tính toán độ bền thể tích độ bền tiếp xúc, ta phải ý đến tính chất thay đổi ứng suất sinh chi tiết máy (hoặc tải trọng tác dụng lên chi tiết máy) Nếu ứng suất (tải trọng) không đổi, ta tính theo độ bền tónh, ngược lại, ta tính theo độ bền mỏi 1.2.1 ĐỘ BỀN TĨNH - Phương pháp tính độ bền: so sánh ứng suất sinh chi tiết máy chịu tải ( ,  ) với ứng suất cho phép vật liệu ([ ], [ ]) - Điều kiện bền:   [ ]  Khi keùo (neùn) :  k ,n  Bm Thiết kế máy ;   [ ] (1.5) F  [ ] A -6- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy  Khi uốn : F  M  [ F ] Wx  Khi xoaén : F  T  [ F ] W0  Khi uốn + xoắn:  td   F2  3 x2  [ ]  Khi tiếp xúc :  H  [ H ]  Khi daäp : d  F  [ d ] A  Khi caét : c  F  [ c ] A (Thuyết bền 4) đó: A : diện tích mặt cắt ngang; F : lực kéo (nén, dập); M : moment uốn; T : moment xoắn; Wx : moment chống uốn; W0 : moment chống xoắn - Theo độ bền, ta có ba toán sau (ví dụ tròn đường kính d chịu kéo với lực F , ứng suất kéo cho phép [ ] ): 4F  Bài toán kiểm tra bền (chọn vật liệu để đủ bền):    [ ]  d2  Bài toán thiết kế: d  4F  [ ]  Bài toán xác định khả tải: F   d [ ]  Ứng suất cho phép: Ứng suất cho phép xác định theo ứng suất giới hạn Ứng suất giới hạn ứng suất sinh chi tiết máy lúc vật liệu chi tiết bắt đầu bị phá hủy Khi tải trọng tác dụng không đổi ứng suất giới hạn vật liệu dẻo giới hạn chảy  ch , vật liệu giòn giới hạn bền  b Khi tải trọng tác dụng thay đổi ứng suất giới hạn giới hạn mỏi  r  b  ch  b [ ] [ ] 0 l a) l b) Hình 1.9 Biểu đồ ứng suất bền kéo: a Đối với thép (kim loại dẻo) b Đối với gang (kim loại giòn) Bm Thiết kế máy -7- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy Ứng suất cho phép vật liệu dẻo: [ ]   ch   (1.6) [ s] Ứng suất cho phép vật liệu giòn: [ ]   b   (1.7) [ s] K S đó:  b ,  ch : giới hạn bền giới hạn chảy (khi kéo) vật liệu, [s ] : hệ số an toàn cho phép, [s]  1,5  2,5   : hệ số kích thước (hình 2.6 bảng 10.3, tài liệu [1]), K S : hệ số tập trung ứng suất tải trọng tónh (bảng 10.5 ÷10.8, tài liệu [1]) 1.2.2 ĐỘ BỀN MỎI a Thí nghiệm mỏi d   mm n  Q Hình 1.10 Thí nghiệm mỏi - Một đầu mẫu thử lắp vào mâm quay máy thử mỏi, đầu lại có gắn tải trọng Q Mẫu thử quay với tốc độ n (vòng/phút) Mẫu thử bị hỏng sau số chu kỳ làm việc lớn N , ứng suất giới hạn giới hạn mỏi Ta ghi nhận số chu kỳ làm việc lúc mẫu gãy N ứng suất bên mẫu lúc gãy  Tiến hành thí nghiệm với nhiều mẫu thử với giá trị khác tải trọng Q Cuối ta có cặp giá trị ( , N ) Từ vẽ đồ thị đường cong mỏi hình 1.10   r : ứng suất giới hạn dài hạn (MPa ) N N : số chu kỳ sở Điểm chuyển tiếp Thép: ứng suất uốn: N0  5.106 r ứùng suất tiếp xúc: N0  30.HB2, N N0 t Hình 1.11 Đường cong mỏi Bm Thiết kế máy -8- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy - Quan hệ  N theo phương trình đường cong mỏi sau: (1.8)  m N  const m bậc đường cong mỏi, phụ thuộc vào vật liệu mẫu thử - Từ đồ thị, ta tìm điểm chuyển tiếp ( r , N0 ) Nếu biết ứng suất  N , ta tính tuổi thọ N chi tiết ngược lại (1.9)  Nm N   rm N0  const Suy ra:  N  r m N0 N (1.10) - Điều kiện bền: (1.11)   [ ]N với ứng suất cho phép ứng với giới hạn mỏi tính sau: [ ] N   N    (1.12) [ s] K  hệ số tăng bền bề mặt (hình 2.7, tài liệu [1]) Thay (1.10) vào (1.12), ta được: [ ] N  với K L  m  r    [ s] K (1.13) K L N0 hệ số tuổi thọ (công thức 2.13, trang 43, tài liệu [1]) N (1.14) Lưu ý: Đối với vật liệu thép, N LE  N0 ta chọn N LE  N0 Do K L 1 b Số chu kỳ tương đương  Trường hợp tải trọng tónh: T T t Hình 1.12 Tải trọng tónh Bm Thiết kế máy -9- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy Số chu kỳ tương đương tính công thức sau: N  60 n K ng 24 K n 365 L (1.15) N  60 n Lh (1.16) Hay: đó, n : số vòng quay chi tiết phút, L : thời gian làm việc tính năm, Lh : thời gian làm việc tính Lh  K ng 24 K n 365 L K ng : hệ số làm việc ngaøy ( K ng  1) , K n : hệ số làm việc năm ( K n  1)  Trường hợp tải trọng thay đổi theo baäc: T T1 T2 T3 t1 t2 t3 tck t Hình 1.13 Tải trọng thay đổi theo bậc Số chu kỳ tương đương tính theo Tmax : N LE  T  60   i  Tmax m'   ni ti  (1.17) đó, ni : số vòng quay chi tiết chế độ thứ i , ti : thời gian làm việc tính chế độ thứ i , Ti : moment xoắn chế độ thứ i , Tmax : moment xoắn lớn  HB  350 m'   tính độ bền uốn, m' tính độ bền tiếp xúc  HB  350 Bm Thiết kế máy -10- TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy  Trường hợp tải trọng thay đổi liên tục: T T tck t Hình 1.14 Tải trọng thay đổi liên tục Số chu kỳ tương đương tính theo công thức: (1.18) N LE  N K E N  60 n Lh K E hệ số chế độ tải trọng (bảng 6.14, tài liệu [1]) c Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi: - Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi:        Vật liệu phương pháp nhiệt luyện Hình dạng kết cấu chi tiết Kích thước chi tiết Công nghệ gia công bề mặt Đặc tính tải trọng Trạng thái ứng suất … - Để nâng cao độ bền mỏi, ta cần lưu ý đến phương pháp thiết kế công nghệ  Về thiết kế: thiết kế kết cấu hình dạng chi tiết hợp lý, giảm tập trung ứng suất  Về công nghệ:  Nhiệt luyện, hóa luyện bề mặt chi tiết  Dùng phương pháp gia công đặc biệt để tạo cấu tạo tinh thể hạt nhỏ, có độ bền cao, tạo lớp bề mặt có ứng suất dư nén  Gia công tinh bề mặt chi tiết phun bi, lăn ép… làm tăng độ rắn bề mặt, lớp bề mặt có ứng ứng dư nén Bm Thiết kế máy -11- TS Bùi Trọng Hiếu ... giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy 1.2 CHỈ TIÊU ĐỘ BỀN - Để làm việc chi tiết máy phải có đủ độ bền Nghóa là, trình làm việc, chịu tác dụng tải trọng, chi tiết...Bài giảng CHI TIẾT MÁY Chương 1: Các tiêu tính toán thiết kế chi tiết máy 1.1.2 ỨNG SUẤT - Dưới tác dụng tải trọng, chi tiết máy xuất ứng suất Tùy thuộc vào tính... (tróc, rỗ, dính )  Chi tiết máy bị biến dạng dư lớn phá hỏng làm việc bình thường phận máy  Chi tiết máy bị gãy làm cho máy ngừng hoạt động gây tai nạn lao động  Bề mặt làm việc chi tiết máy bị