1 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 4 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NGOẠI LỰC MỐI GHÉP REN Người biên soạn Nguyễn Hữu Lộc I Mục tiêu thí nghiệm Giúp cho sinh viên nắm rõ về phương pháp xác định hệ số ngoại lực bằng lý thuyết Giúp s[.]
BÀI THÍ NGHIỆM SỐ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NGOẠI LỰC MỐI GHÉP REN Người biên soạn: Nguyễn Hữu Lộc I Mục tiêu thí nghiệm - Giúp cho sinh viên nắm rõ phương pháp xác định hệ số ngoại lực lý - thuyết Giúp sinh viên tính lực xiết trường hợp lực tác dụng theo phương Giúp cho sinh viên tiếp cận với phương pháp, dụng cụ đo xác định lực xiết, xử lý kết thực nghiệm để xác định hệ số ngoại lực II Các quy tắc kỹ thuật an toàn Sinh viên tuân thủ yêu cầu an toàn phịng thí nghiệm III Cơ sở lý thuyết Hệ số ngoại lực Khi mối ghép chịu tác dụng lực ngồi nằm giới hạn khơng tách hở bề mặt ghép trượt bề mặt ghép, bulông giãn dài thêm lượng l, biến dạng nén ghép giảm bớt lượng tương tự Nghĩa phần F lực ngồi F F tác dụng làm bulơng giãn dài thêm, phần lại (1 – )F làm giảm biến dạng nén ghép, gọi hệ số ngoại lực [1] Do đó: ∆𝑙 = 𝜒𝐹𝜆𝑏 = (1 − 𝜒)𝐹𝜆𝑚 b, m - độ mềm bu lông chi tiết ghép Từ suy ra: 𝜒= 𝜆𝑚 𝜆𝑏 + 𝜆𝑚 Độ mềm bulông b xác định theo công thức: 𝑙 𝜆𝑏 = 𝐸𝑏 𝐴𝑏 đó: l - chiều dài tính tốn bulơng, chiều dài phần thân bulơng hai mặt tựa (với đai ốc đầu bulông) cộng nửa chiều dài đoạn ren vặn vào đai ốc (1/2 chiều cao đai ốc), Eb - môđun đàn hồi vật liệu bulơng, Ab - diện tích tiết diện bulông Độ mềm ghép xác định theo giả thiết biến dạng xảy "hình áp suất" có góc đỉnh = arctan(0,5) 27o (H.1b,c) Khi tính tốn, hình thay hình trụ rỗng, đường kính (đường kính lỗ) đường kính ngồi D1 (H.1d): 𝐷1 = 𝐷𝑜 + 𝛿1 + 𝛿2 Hình Mơ hình tính [1] Diện tích tiết diện hình trụ rỗng: 𝜋 (𝐷 − 𝑑𝑜2 ) Cơng thức tính độ mềm ghép (trong trường hợp H.1): 𝛿1 + 𝛿2 𝜆𝑚 = 𝐸𝑚 𝐴𝑚 Em mơđun đàn hồi vật liệu ghép (giả sử ghép dùng loại vật liệu) 𝐴𝑚 = Khi bulơng có độ mềm lớn ghép có độ mềm nhỏ, hệ số nhỏ tất ngoại lực dùng để giảm tải ghép Trường hợp ngược lại phần lớn ngoại lực tác dụng vào bulông Đối với ghép thép gang, bulông thép, giá trị hệ số ngoại lực chọn khoảng 0,20,3 2 Lực xiết bulông Trong thực tế tải trọng tác dụng lên mối ghép ren có phương bất kỳ, ví dụ bulơng giữ thân hộp giảm tốc thân máy có lực tác dụng từ truyền ngồi (đai, xích, ) có phương Giả sử mối ghép chịu tải trọng có phương nằm mặt phẳng đối xứng YY (H.2) Ta xem ghép đủ cứng bulơng bố trí mối ghép Ngoại lực F phân hai thành phần: vng góc bề mặt ghép FV song song bề mặt ghép FH Dời FV FH trục qua trọng tâm C nhóm bulơng, ta có mơmen ngẫu lực: M = FH l1 ± FVl2 Tọa độ trọng tâm nhóm bulông xác định theo phương pháp lấy mômen tĩnh trục chia cho diện tích Trong thực tế, thơng thường nhóm bulơng có hai trục đối xứng trọng tâm giao điểm hai trục Tải trọng FV mơmen M có xu hướng tách hở bề mặt ghép, FH làm ghép bị trượt Muốn cho chi tiết máy ghép khỏi bị tách hở không bị trượt cần xiết bulông với lực xiết V Các tải trọng FV M chia làm hai phần: phần Fb Mb tác dụng vào bulông, Fm Mm tác dụng lên chi tiết ghép Ta có: 𝜆𝑚 𝐹 𝜆 𝑏 + 𝜆𝑚 𝑉 𝜆𝑏 𝐹𝑚 = (1 − 𝜒)𝐹𝑉 = 𝐹 𝜆𝑏 + 𝜆𝑚 𝑉 𝜆𝑚 𝑀𝑏 = 𝜒𝑀 = 𝑀 𝜆 𝑏 + 𝜆𝑚 𝜆𝑏 𝑀𝑚 = (1 − 𝜒)𝑀 = 𝑀 𝜆𝑏 + 𝜆𝑚 } 𝐹𝑏 = 𝜒𝐹𝑉 = Gọi z số bulơng mối ghép, ta tính lực xiết V cần thiết bulông chịu tải lớn để mối ghép khơng bị tách hở trượt a- Tính tốn mối ghép không bị tách hở Trước ngoại lực FV tác dụng, mối ghép chịu ứng suất dập (biểu đồ a, H.2) xiết bulông: 𝑧𝑉 𝜎𝑉 = 𝐴𝑚 Am diện tích bề mặt ghép Dưới tác dụng lực Fm (phần tác dụng FV lên chi tiết máy ghép), ứng suất dập bề mặt ghép giảm bớt trị số (biểu đồ b, H.2): 𝜎𝐹 = 𝐹𝑚 𝐴𝑚 Biểu đồ c hình trình bày quy luật phân bố ứng suất mômen Mm (tác dụng M lên chi tiết ghép) gây nên Trị số cực đại ứng suất này: 𝜎𝑀 = 𝑀𝑚 𝑀𝑚 𝑦𝑐 = 𝑊𝑚 𝐽𝑚 Wm - mơmen cản uốn bề mặt ghép; Jm - mômen quán tính bề mặt ghép trục lật XX; yc - vị trí từ điểm ngồi (có ứng suất uốn lớn nhất) đến trục lật Ứng suất tổng trình bày theo biểu đồ (H.2d) Hình Thơng thường diện tích bề mặt ghép lớn so với diện tích lỗ lắp bulơng, nên coi Am Wm A W (diện tích mơmen cản uốn tiết diện nguyên, bỏ qua lỗ) Do viết: 𝑧𝑉 𝐹𝑚 𝑀𝑚 − ± 𝐴 𝐴 𝑊 𝑚𝑖𝑛 Theo điều kiện mối ghép không bị tách hở, cần có: min > 𝜎𝑚𝑎𝑥 = Hoặc: 𝑧𝑉 (1 − 𝜒)𝐹𝑉 (1 − 𝜒)𝑀 − − ≥0 𝐴 𝐴 𝑊 Ta tính lực xiết V cần thiết bulông: 𝑀𝐴 𝑉 > (𝐹𝑉 + ) (1 − 𝜒) 𝑧 𝑊 Để an toàn: 𝑘 𝑉 = 𝑧 (𝐹𝑉 + 𝑀𝐴 𝑊 𝑘 ) = 𝑧 (𝐹𝑉 + 𝑀𝐴𝑦𝑐 𝐽 ) (1 − 𝜒) (1) k hệ số an tồn để đảm bảo mối ghép khơng bị hở, lấy 1,32 b- Tính tốn theo điều kiện đảm bảo mối ghép không bị trượt Đối với mối ghép dùng bulơng lắp có khe hở lỗ thân bulơng khơng có chi tiết chốt, để giữ cho ghép khỏi bị trượt, lực FH bị cản lực ma sát sinh bề mặt ghép Mối ghép không bị trượt lực FH nhỏ lực ma sát lớn nhất, nghĩa là: f(zV – Fm) > FH Để an toàn: f(zV – Fm) = kFH k lấy khoảng 1,32 Suy lực xiết V: 𝑉= 𝑘𝐹𝐻 +(1−)𝑓𝐹𝑉 (2) 𝑓𝑧 Trường hợp lực FH lớn, người ta dùng bulông lắp không khe hở dùng thêm chi tiết đặc biệt như: then, chốt, gơ, để cản trượt Khi đó, bulơng (lắp có khe hở) chịu tải trọng có xu hướng tách hở mối ghép Tính tốn lực kéo tương đương Để tính bulơng, lấy lực xiết V trị số lớn hai trị số tìm từ cơng thức (1) (2) Ngồi lực xiết V, tác dụng ngoại lực, bulơng cịn chịu tác dụng lực Fb Mb gây nên Dưới tác dụng Fb lên bulơng nhóm chịu lực Fb/z Do Mb tác dụng, bulơng chịu lực khơng nhau, hàng bulơng ngồi phía bên trái có khoảng cách đến trục xoay XX Y1 xa nhất, chịu lực kéo lớn Giá trị lực kéo FM1 mômen Mb gây nên (bulông xa trục xoay XX nhất) xác định theo công thức: 𝐹𝑀1 = 𝑀𝑏 𝑌1 𝜒𝑀𝑌1 = ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖 ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 Nếu tính đến thành phần ứng suất xoắn mômen ren Tr gây nên ta cần nhân lực xiết V với 1,3, lực kéo tính tốn tương đương Ftd xác định: 𝑉𝑡𝑛 = 𝐹𝑡𝑑 = 1,3𝑉 + 𝐹𝑏 𝜒𝐹𝑉 𝜒𝑀𝑌1 + 𝐹𝑀1 = 𝑉0 + + ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 𝑧 Trong thí nghiện Ftd thu kết đo, ta ký hiệu Vtn = Ftd; 𝑉0- lực xiết ban đầu, có gia trị 1,3Vmax với Vmax giá trị lớn giá trị V, tính theo cơng thức (1) (2) IV Mơ tả thí nghiệm Mơ hình xác định hệ số ngoại lực bao gồm thành phần hình Hình Mơ hình thí nghiệm xác định hệ số ngoại lực : Các bu lông; Giá đỡ; Tấm ghép; Cần tạo lực; Hệ thống thủy lực tạo lực; Màn hình hiển thị giá trị lực; Bộ điều chỉnh góc nghiêng α - Một mối ghép đơn giản gồm có bulơng, đai ốc, vịng đệm hai ghép Trong bulơng phải xác định tính vật liệu làm bulông - Cờ lê xiết sử dụng để xác định mômen xiết lực xiết ban đầu Vmax hình a) Cờ lê dạng cơ; b) Cờ lê điện tử Hình Cờ lê xác định mômen xiết - Bộ thiết bị xác định lực xiết loadcell sóng siêu âm gồm đầu đo máy xử lý xuất tín hiệu Thí nghiệm thực cách xác định mômen xiết ban đầu V0 thông qua cờ lê xiết xác định lực xiết thông qua loadcell máy đo siêu âm mối ghép có bulơng chọn trước Thông qua việc xác định tỷ số mômen xiết lực xiết ta xác định hệ số ngoại lực 𝑉𝑡𝑛 = 𝐹𝑡𝑑 = 1,3𝑉𝑚𝑎𝑥 + 𝐹𝑏 𝐹𝑉 𝑀𝑌1 + 𝐹𝑀1 = 𝑉0 + 𝜒 ( + ) 𝑧 𝑧 ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 V Trình tự thực Lựa chọn bulơng cần thí nghiệm, xác định đường kính danh nghĩa thơng số vật liệu bulông Xác định hệ số ngoại lực lý thuyết χlt Theo đề cho trước F lớn góc α (theo nhóm thí nghiệm) Theo giá trị F α ta xác định lực viết V theo công thức (1) (2) Chọn Vmax giá trị lớn giá trị Lắp đặt hiệu chỉnh thiết bị đo lực xiết 2.1 Lắp đặt loadcell vào mối ghép với thiết bị xử lý tín hiệu (máy hiển thị máy tính) hình 2.2 Tiến hành calíp vật liệu máy đo siêu âm, bơi dung dịch “khử nhiễu sóng” lên đầu đo đầu bulông Tiến hành xiết bulông với lực xiết Vmax lê đo lực đồng thời quan sát kết thị máy đo siêu máy đo loadcell Sau gia tải xylanh thủy lực với giá trị F1, F2, … FN (các giá trị nhỏ F cho trước) hiển thị hình Từ kết đo ta thu Vtn1, Vtn2,… VtnN Hình Cách lắp loadcell vào mối ghép Từ giá trị ta xác định: FVi= Fisinα FHi= Ficosα Mi = FHi l1 ± FVil2 Ghi nhận kết mômen xiết, lực xiết hai phương pháp vào bảng số liệu 𝐹𝑉1 𝑀1 𝑌1 𝑉𝑡𝑛1 = 𝑉0 + 𝜒 ( + ) ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 𝐹𝑉2 𝑀2 𝑌1 𝑉𝑡𝑛2 = 𝑉0 + 𝜒 ( + ) ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 … 𝐹𝑉𝑁 𝑀𝑁 𝑌1 𝑉𝑡𝑛𝑁 = 𝑉0 + 𝜒 ( + ) ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 V0 = 1,3Vmax, với Vmax – lực xiết bu lông ban đầu Tính tốn hệ số ngoại lực ghi nhận vào bảng số liệu Khi hệ số ngoại lực xác định theo công thức: 𝜒𝑖 = (𝐹𝑖 − 𝐹1 ) 𝐹 − 𝐹𝑉1 (𝑀𝑖 − 𝑀1 )𝑌1 ( 𝑉𝑖 ) + 𝑧 ∑ 𝑧𝑖 𝑌2𝑖 Khi giá trị hệ số ngọa lực trung bình qua N lần đo: 𝜒 = 𝜒1+ 𝜒1+⋯+ 𝜒𝑁−1 (𝑁 − 1) Rút nhận xét kết luận Tài liệu tham khảo Nguyễn Hữu Lộc Giáo trình Cơ sở thiết kế máy NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 2016 MẪU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Bộ mơn Thiết kế máy BÀI THÍ NGHIỆM SỐ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NGOẠI LỰC MỐI GHÉP BULÔNG Sinh viên thực hiện: Nhóm: Lớp: Giáo viên hướng dẫn: Tp Hồ Chí Minh, 1/2016 10 I Mục tiêu thí nghiệm - Giúp cho sinh viên nắm rõ phương pháp xác định hệ số ngoại lực lý thuyết Giúp sinh viên tính lực xiết trường hợp lực tác dụng theo phương Giúp cho sinh viên tiếp cận với phương pháp, dụng cụ đo xác định lực xiết, xử lý kết thực nghiệm để xác định hệ số ngoại lực II Các quy tắc kỹ thuật an toàn Sinh viên tuân thủ yêu cầu an tồn phịng thí nghiệm III Báo cáo thí nghiệm Mỗi nhóm giáo viên hướng dẫn cho trước gốc nghiêng giá trị lực F khác Góc nghiêng α, độ = (nằm khoảng 300 ≥ α ≥ -300) Lực F lớn nhất, N = ( F < 10 000 N) Bước thay đổi lực F = Hình Mơ hình tính tốn thí nghiệm Tính hệ số ngoại lực lý thuyết Đo kích thước bu lông chi tiết ghép để xác định hệ số ngoại lực lý thuyết Tính lực xiết V theo công thức (1) (2) Chọn Vmax từ giá trị Chú ý: Lực xiết để bề mặt không bị tách hở xác định công thức: 11 𝑉 = 𝑘 (𝐹𝑉 𝑙1 ± 𝐹𝐻 𝑙2 )𝐴𝑦𝑚𝑎𝑥 ( − 𝐹𝑉 ) (1 − 𝜒) 𝑧 𝐽𝑋 ′ 𝑋 ′ đó: - Momen qn tính 𝐽𝑋 ′ 𝑋 ′ : 𝐽𝑋 ′ 𝑋 ′ (𝑎 − 𝑑)𝑐 𝑑𝑏 (𝑎 − 𝑑)(𝑏 − 𝑐 ) 𝑎𝑏 = −2 − = 12 × 12 12 12 𝐽𝑋 ′ 𝑋 ′ = (𝑎 − 𝑑)(𝑏 − 𝑐 ) (150 − 50)(3003 − 1003 ) = 12 12 - Diện tích tiếp xúc A: 𝐴 = (𝑎 − 𝑑)(𝑏 − 𝑐) - Khoảng cách ymax: 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑏 Xiết bu lông với lực xiết V = Vmax (tính theo cơng thức 2) kiểm tra chìa khóa đo lực Kết đo xử lý Sau gia tải xylanh thủy lực với giá trị F1, F2, … FN (bảng 1) hiển thị hình (các giá trị nhỏ F) điền vào cột bảng Các giá trị Fi = F - iF Ghi nhận kết mômen xiết, lực xiết Vtni hai phương pháp đưa vào cột 3, bảng số liệu Tính tốn hệ số ngoại lực Tính giá trị: FVi= Fisinα FHi= Ficosα Mi = FHi l1 ± FVil2 Và đưa giá trị vào cột 5, bảng Trong thí nghiệm l2 = Yi = e/2, cho nên: Mi = FHi l1 𝑉𝑡𝑛1 = 𝑉0 + 𝜒 ( 𝐹𝑉1 𝑀1 𝑌1 𝐹𝑉1 𝐹𝐻1 𝑙1 ± 𝐹𝑉1 𝑙2 ) = 𝑉0 + 𝜒 ( ) + + ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖 𝑧 𝑧 2𝑒 12 𝑉𝑡𝑛2 = 𝑉0 + 𝜒 ( 𝐹𝑉2 𝑀2 𝑌1 𝐹𝑉2 𝐹𝐻2 𝑙1 ± 𝐹𝑉2 𝑙2 ) ( ) + = 𝑉 + 𝜒 + ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 𝑧 2𝑒 … 𝑉𝑡𝑛𝑁 = 𝑉0 + 𝜒 ( 𝐹𝑉𝑁 𝑀𝑁 𝑌1 𝐹𝑉𝑁 𝐹𝐻𝑁 𝑙1 ± 𝐹𝑉𝑁 𝑙2 ) ( ) + = 𝑉 + 𝜒 + ∑ 𝑧𝑖 𝑌𝑖2 𝑧 𝑧 2𝑒 Khi hệ số ngoại lực xác định theo công thức: 𝜒𝑖 = (𝑉𝑡𝑛𝑖 −𝑉𝑡𝑛1 ) 𝐹𝑉𝑖 −𝐹𝑉1 (𝐹𝐻𝑖 −𝐹𝐻1 )𝑙1+(𝐹𝑉𝑖 ±𝐹𝐻1 )𝑙1 ( + ) 𝑧 2𝑒 (3) Theo mơ hình thí nghiệm z = 4; e = 200mm; l1 = xx mm; l2 = xx mm ghi nhận vào cột bảng số liệu Khi giá trị hệ số ngọai lực trung bình qua N lần đo: 𝜒 = 𝜒1+ 𝜒1+⋯+ 𝜒𝑁−1 (𝑁 − 1) Bảng Kết thí nghiệm STT Lực Fi, N F1 = F-F F1 = F-2F F1 = F-3F F1 = F-4F F1 = F-5F F1 = F-6F Kết thí nghiệm Vtni Đo siêu âm Đo loadcell Lực FVi, N Lực FHi, N Theo kết thí nghiệm dựng đường cong phụ thuộc χi vào Fi 13 Hệ số ngoại lực χ theo công thức (3) Hình Biểu đồ đường cong phụ thuộc χi vào Fi IV Nhận xét kết kết luận So sánh kết tính lý thuyết thực nghiệm đưa kết luận IV Câu hỏi ôn tập Vai trò vả tầm quan trọng việc xác định lực xiết mômen xiết thực tế Ý nghĩa hệ số ngoại lực xác định hệ số lý thuyết Xác định lực xiết cần thiết bu lông để không tách hở không bị trượt So sánh hệ số xiết trường hợp mối ghép có khơng có bơi trơn, rút kết luận 14 ... xác định lực xiết mômen xiết thực tế Ý nghĩa hệ số ngoại lực xác định hệ số lý thuyết Xác định lực xiết cần thiết bu lông để không tách hở không bị trượt So sánh hệ số xiết trường hợp mối ghép. .. thí nghiệm xác định hệ số ngoại lực : Các bu lông; Giá đỡ; Tấm ghép; Cần tạo lực; Hệ thống thủy lực tạo lực; Màn hình hiển thị giá trị lực; Bộ điều chỉnh góc nghiêng α - Một mối ghép đơn giản... -300) Lực F lớn nhất, N = ( F < 10 000 N) Bước thay đổi lực F = Hình Mơ hình tính tốn thí nghiệm Tính hệ số ngoại lực lý thuyết Đo kích thước bu lơng chi tiết ghép để xác định hệ số ngoại lực