Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy-Phần 1 doc

Trang 1

PHAN MOT

CO SG THIET KE MAY

Chi tiết máy được thiết kế ra phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, làm việc ổn định trong suốt thời hạn phục vụ đã định với chỉ phí về chế tạo và sử dụng thấp nhất Đương

nhiên các chỉ tiết máy chỉ cĩ thể thực hiện tốt chức năng của mình trên những máy cụ thể,

phù hợp với cơng dụng của máy trong dây chuyển cơng nghệ Với các máy phát và biến đổi năng lượng thì hiệu suất là chỉ tiêu hàng đầu, trong khi đĩ ở máy cắt kim loại thì năng suất, độ chính xác gia cơng là những chỉ tiêu quan trọng nhất, cịn ở các khí cụ đo thì độ nhạy, độ chính xác và độ ổn định của phép đo lại quan trọng hơn cả Nĩi khác đi, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của chỉ tiết máy được thiết kế phải phù hợp với chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của tồn máy Đĩ chính là: năng suất, độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí chế tạo và sử dụng thấp, khối lượng nhỏ, chăm sĩc bảo dưỡng thuận lợi và an tồn Ngồi ra tùy trường hợp cụ thể, cịn cĩ các yêu cầu khác như khuơn khổ kích thước nhỏ gọn, làm việc êm, hình thức đẹp

Xuất phát từ các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trên đây, thiết kế máy bao gồm các nội dung:

- Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của máy dự định thiết kế

- Lập sơ đồ chung tồn máy và các bộ phận máy thỏa mãn các yêu cầu cho trước Đề xuất một số phương án thực hiện, đánh giá và so sánh các phương ăn để tìm ra phương án phù hợp nhất, đáp ứng nhiều nhất các yêu cầu đã đặt ra

- Xác định trị số và đặc tính tải trọng tác dụng lên các bộ phận máy

- Chọn vật liệu thích hợp nhằm sử dụng tính chất đa dạng và khác biệt của vật liệu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy làm việc của máy

- Tiến hành các tính tốn động học, động lực học và tính tốn thiết kế nhằm định ra các kích thước gần đúng của chỉ tiết máy thỏa mãn các chỉ tiêu chủ yếu vẻ khả năng làm việc của chúng, trên cơ sở đĩ kết hợp với các yêu cầu về tiêu chuẩn hĩa, lắp ghép, cơng nghệ

và các yêu cầu cụ thể khác để xác định lần cuối kích thước của chỉ tiết máy, bộ phận máy và

tồn máy

- Lập thuyết minh, hướng dẫn sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa máy

Trang 2

Chương ]

CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY 1.1 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT

1.1.1 Tai trong

Tải trọng (lực, mơmen) do chỉ tiết máy hoặc bộ phận máy tiếp nhận trong quá trình sử dụng máy, được gọi là tải trọng làm việc

Tùy theo đặc tính thay đổi theo thời gian, cĩ thể phân ra:

- tải trọng tĩnh là tải trọng khơng thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi khơng đáng kể,

thí dụ trọng lượng bản thân chỉ tiết máy;

- tải trọng thay đổi là tải trọng cĩ cường độ, phương hoặc chiều thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này cĩ thể diễn ra dần dân hoặc đột ngột Tải trọng đột nhiên tăng mạnh rồi

giảm ngay trong khoảnh khắc được gọi là tải trọng va đập

Thơng thường trong quá trình làm việc, chỉ tiết máy chịu tải trọng thay đổi và đặc tính thay đổi của tải trọng phụ thuộc vào yếu tố thường xuyên hoặc ngẫu nhiên Chẳng hạn đối với các máy, trong quá trình sản xuất thực hiện những nhiệm vụ cơng nghệ xác định thì đặc

tính thay đổi của tải trọng trong mỗi chu trình cơng nghệ hầu như khơng đổi, trong khi đĩ

đối với các máy vận chuyển, đặc tính thay đổi của tải trọng lại phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố ngẫu nhiên như sức giĩ, sức cản khi chuyển động trên thanh ray hoặc mặt đường

Khi tính tốn chi tiết máy cịn cần phân biệt tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương và tải trọng tính tốn:

- tải trọng danh nghĩa là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác dụng lên máy trong chế độ làm việc ổn định, thường là tải trọng lớn hoặc tác dụng lâu dài nhất;

- tải trọng tương đương là tải trọng thay thế tác dụng của nhiều mức tải trọng trong trường hợp máy làm việc với chế độ tải trọng nhiều mức;

- tải trọng tính tốn là tải trọng danh nghĩa hoặc tải trọng tương đương cĩ kể thêm ảnh hưởng của đặc tính phân bố khơng dều tải trọng trên các bể mặt tiếp xúc, tính chất tải trọng, điều kiện làm việc thực tế

4.1.2 Ứng suất

Dưới tác dụng của tải trọng, trong chỉ tiết máy xuất hiện ứng suất khơng đổi và ứng

Trang 3

nên trong các chỉ tiết máy quay (thí dụ trục, bánh răng ) các ứng suất thay đổi Tuy nhiên với các chỉ tiết máy chịu tải trọng lớn, chẳng hạn trọng lượng vật trong các máy nâng chuyển và vận chuyển, bulơng được vặn chặt với lực xiết lớn , cĩ thể xem ứng suất trong

các trường hợp này là khơng đổi ;

Khác với ứng suất khơng đổi, ứng suất thay đổi cĩ trị số, chiều hoặc cả trị số và chiều

thay đổi theo thời gian

Ứng suất thay đổi được đặc trưng bằng chu trình thay đổi ứng suất Một vịng thay đổi ứng suất qua giá trị giới hạn này sang giá trị giới hạn khác rồi trở về giá trị ban đầu được gọi là một chu trình ứng suất Thời gian thực hiện một chu trình ứng suất được gọi là một chu kỳ ứng suất Chu trình ứng suất được đặc trưng bằng: biên độ ứng suất ơø,, ứng suất trung bình đm và hệ số tính chất chu trình r , với: ƠØạ= (max ~ Smin)/2 Om = (Omax + Ømin)/2 (1.1) r= Smin/ max

Tuỳ theo giá trị của r, trong chỉ tiết máy xuất hiện các chu trình ứng suất sau đây: r=-L_ : chu trình đối xứng (hình 1.1a);

r=0 : chu trình mạch động (hình 1.1c);

-1 <r< 1: chu trinh khơng đối xứng (hình 1.1b va d)

Cũng cĩ thé xem chu trình mạch động là một trường hợp của chu trình khơng đối xứng đồng dấu, trong đĩ một giới hạn của ứng suất cĩ giá trị bằng 0 6 š § al a mnt AN, VV —t- & $ t _† « GÌ is § ° c Š a)r=-—Ï b)r>-l c)r=0 d)r<1 Hinh 1.1

Chú ý rằng máy cĩ thể làm việc ổn định (chế độ bình ổn) hoặc khơng ổn định (chế độ khơng bình ổn), do đĩ ứng suất trong chỉ tiết máy cĩ thể thay đổi ổn định hoặc khơng ổn

Trang 4

Chế độ bình ổn cĩ thể gặp trong các

máy của các trạm phát điện trung tâm, các 6 về

trạm bơm cịn chế độ khơng bình ổn + ` & vẽ xuất hiện ở đại đa số các máy, chăng {\ e

hạn ở máy cơng cụ vạn năng, máy vận ¬ § J — bac) 7

chuyén ‘6 iS iS

Ngồi các đặc tính thay đổi ứng suất t

trên đây, trong tính tốn cần phân biệt các Hình 1.2 loại ứng suất Tuỳ theo điều kiện cụ thể,

tải trọng tác dụng lên chỉ tiết máy cĩ thể gây nên các loại ứng suất: ứng suất pháp (kéo, nén, uốn), ứng suất tiếp (cắt, xoắn), ứng suất dập và ứng suất tiếp xúc, trong đĩ các loại ứng suất kéo, nén, uốn, cắt, xoắn xuất hiện trên từng chỉ tiết, cịn ứng suất dập và ứng suất tiếp xúc xuất hiện khi các chỉ tiết máy trực tiếp tiếp xúc nhau và cĩ tác dụng tương hỗ với nhau

Trường hợp hai chi tiết tiếp xúc nhau theo diện rộng, chẳng hạn thân và lỗ đỉnh tán, chốt và ống ở xích con lăn, ngõng trục và lĩt ổ trong ổ trượt, dưới tác dụng của lực F sẽ sinh ra ứng suất dập ơøạ hoặc áp suất pạ (hình

1.3) Từ điều kiện coi áp suất phân bố đều trên bé mặt tiếp xúc, ta cĩ: n/2 d F=2 f PoÏ- 2 cos œdœ = pø/.d 0 Suy ra: py = mã (1.2) Hình 1.3

trong đĩ d - đường kính chốt hoặc ngõng trục; | - chiều dài ống hoặc lĩt ổ

Khác với ứng suất dập hoặc áp suất, ứng suất tiếp xúc xuất hiện tại chỗ tiếp xúc của hai chỉ tiết trong trường hợp diện tích tiếp xúc nhỏ so với kích thước của các chỉ tiết (ép hai hình trụ với nhau, hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phang )

Trên hình 1.4 trình bày hai hình trụ cĩ trục song song tiếp xúc nhau Trước khi chịu tải trọng riêng qụ, hai hình trụ tiếp xúc nhau theo đường, khi chịu tải, tiếp xúc đường trở thành tiếp xúc nhau theo diện hẹp Trên diện tích tiếp xúc dọc theo đường sinh với chiều rộng 2b đĩ, ứng suất tiếp xúc phân bố theo hình parabol Theo lý thuyết đàn hồi, trị số lớn nhất của ứng suất tiếp xúc ơn được xác định theo cơng thức Hec (Hertz) sau đây:

du

= Zu 1.3

CH= 2M 20 (1.3)

Trang 5

/ 2E,E, (1.4) Zu = n[E,(1—7)+E,(-p3)) - _ PIP2 Pot py v6i E,, Ey, tị, tạ - mơđun đàn hồi và hệ số Poatxơng của vật liệu hình trụ / va 2;

Dị p¿ - bán kính cong tại điểm tiếp xúc, ở đây là bán kính hình trụ 1 và 2; đấu + khi hai tâm cong ở về hai phía so với điểm tiếp xúc (hình 1.4a); dấu — khi hai tâm cong ở cùng

phía (hình 1.4b)

Với vật liệu kim loại (thép, gang, đồng thanh) hệ số PoatxOng p = 0,25 + 0,35, trung bình lấy p = 0,3; khi do tir (1.3) ta được cơng thức sau: oy = 0,418 | THẺ (1.5) voi E = 2E)E,/(E, + Ey) - mơđun đàn hồi tương đương Hinh 1.4 Trường hợp hai hình cầu tiếp xúc nhau hoặc hình cầu tiếp xúc với mặt phẳng, cơng thức Hec cĩ dạng: 3 'IR,E? p Oy = 0,388 (1.6) với Ea là lực pháp tuyến

1.2 CHỈ TIÊU CHỦ YẾU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY

Đĩ là: độ bền, độ cứng, độ bền mịn, độ chịu nhiệt và độ ồn định dao động 1.2.1 Độ bền

Là khả năng tiếp nhận tải trọng của chỉ tiết máy mà khơng bị phá hỏng Nĩ là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với phần lớn chi tiết máy Nếu một chỉ tiết máy khơng đủ bền thì bên trong nĩ sẽ xuất hiện biến dạng dư lớn do đĩ làm thay đổi hình dạng chi tiết máy, phá hoại điểu kiện làm việc bình thường của máy, đồng thời cĩ thể phá hỏng ngay bản thân chỉ tiết máy: gãy, vỡ hoặc hư hại bề mặt làm việc

Người ta phân biệt hai dạng phá hỏng: phá hỏng tĩnh và phá hỏng mỏi liên quan đến độ bền tĩnh và độ bền mỏi Phá hỏng tĩnh là do ứng suất làm việc vượt quá giới hạn bền tĩnh của vật liệu và thường là đo quá tải đột ngột gây nên, cịn phá hỏng mỏi là do tác dụng lâu dài của ứng suất thay đổi cĩ giá trị vượt quá giới hạn bền mỏi của vật liệu

Trang 6

máy Tuổi thọ của các máy cĩ cơng dụng khác nhau thì khơng như nhau, thí dụ thời hạn phục vụ của động cơ máy bay chỉ vào khoảng vài trăm giờ, trong khi đĩ đối với máy cắt kim loại vào khoảng 50000 giờ

Phương pháp tính thơng dụng về độ bền là so sánh ứng suất tính tốn với ứng suất cho

oe 12)

hoặc t<[t]

phép Điều kiện bền cĩ dạng:

Cũng cĩ khi tính độ bền xuất phát từ điều kiện đảm bảo hệ số an tồn lớn hơn hơn hoặc bằng hệ số an tồn cho phép:

S>[S] (1.8)

1.2.2 Độ cứng

Là khả năng của chỉ tiết máy cản lại sự thay đổi hình dạng dưới tác dụng của tải trọng Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng về khả năng làm việc của chỉ tiết máy Nếu một chỉ tiết máy khơng đủ độ cứng, khi làm việc sẽ bị biến đạng đàn hồi vượt quá trị số cho phép, do đĩ sẽ phá hoại điều kiện làm việc bình thường của chỉ tiết máy và các chi tiết lắp ghép Thí dụ trục bị võng quá sẽ làm cho các bánh răng tiếp xúc khơng tốt, làm mịn

vẹt các ổ Sai số của các sản phẩm gia cơng trên các máy là do biến dạng của bản thân chỉ

tiết khi gá kẹp hoặc do biến dạng của các chỉ tiết trong máy như trục chính, ổ lăn Vì vậy độ cứng cĩ ý nghĩa đặc biệt quan trọng để đảm bảo độ chính xác gia cơng

Độ cứng cịn chi phối việc chọn vật liệu để chế tạo chi tiết Muốn cĩ kích thước nhỏ gọn, người ta mong muốn chọn vật liệu cĩ độ bền cao như với thép chẳng hạn, khi cơ tính tăng, mơđun đàn hồi hầu như khơng đổi vì vậy kích thước chỉ tiết xác định theo độ bền cĩ thể khơng đảm bảo độ cứng Cũng với ý nghĩa đĩ, kích thước chỉ tiết máy tính theo độ bền -_ phải tăng lên để đảm bảo độ cứng, thí dụ thân máy cắt kim loại Tuy nhiên cần lưu ý rằng cĩ những trường hợp giảm độ cứng sẽ làm tăng độ bền mỏi của chỉ tiết máy, thí dụ giảm độ cứng vành răng sẽ làm tăng độ bền mỏi của răng bánh răng

Người ta phân biệt độ cứng thể tích (độ cứng bản thân) liên quan đến biến dạng của tồn bộ vật liệu chỉ tiết và độ cứng tiếp xúc, liên quan đến biến dạng của các lớp bề mặt

Tính vẻ độ cứng thể tích xuất phát từ điều kiện: chuyển vị thực (chuyển vị dài hoặc

chuyển vị gĩc) khơng được vượt quá trị số cho phép:

y<ƒ}; 9<I9; @<tọl

trong đĩ độ võng cho phép [y], gĩc xoay cho phép [Ø] và gĩc xoắn cho phép [@] được xác định từ điều kiện làm việc cụ thể của chỉ tiết máy

Tính vẻ độ cứng tiếp xúc của chỉ tiết máy cĩ tiếp xúc ban đầu theo điểm (thí dụ ổ bị)

Trang 7

1.2.3 Độ bền mịn

Cĩ tới 90% các chỉ tiết tiếp xúc bị hỏng vì mịn Mịn là kết quả tác dụng của ứng suất ' tiếp xúc hoặc áp suất khi các bể mặt tiếp xúc trượt tương đối với nhau trong điều kiện khơng đủ dầu bơi trơn

Chi tiết máy bị mịn sẽ làm giảm độ chính xác (đối với dụng cụ đo) làm giảm hiệu suất đối với pittơng xylanh của động cơ), làm giảm độ bền (vì kích thước giảm), làm tăng tải trọng động (đối với răng bánh răng) tăng tiếng ồn Vì vậy khi thiết kế chỉ tiết máy tiếp xúc phải đảm bảo cho chúng cĩ đủ độ bền mịn, nghĩa là làm việc ổn định trong suốt thời hạn đã định mà khơng bị mịn quá một giá trị cho phép

Nghiên cứu về mịn và kinh nghiệm sử dụng cho thấy, khi đảm bảo điều kiện bơi trơn ma sát ướt, nghĩa là giữa hai bể mặt tiếp xúc luơn luơn tồn tại lớp đầu bơi trơn ngăn cách khơng cho các đỉnh nhấp nhơ tiếp xúc trực tiếp với nhau, mịn sẽ khơng xảy ra Vì vậy khi tính về độ bền mịn thường là chọn kết cấu của các chi tiết tiếp xúc nhằm đảm bảo hình

thành chế độ bơi trơn ma sát ướt (thí dụ tính ổ trượt) Trường hợp khơng thể tạo ra chế độ

bơi trơn ma sát ướt, tính tốn về độ bền mịn dựa trên cơ sở hạn chế áp suất hoặc ứng suất tiếp xúc khơng cho vượt quá một giá trị cho phép: Po S [Po] (1.9) Trường hợp cần so sánh độ bền mịn của các kết cấu cĩ thể sử dụng cơng thức: Po L=const (1.10) trong đĩ L - quãng đường ma sát; m - bậc của đường cong mịn, m = 1 + 3 1.2.4 Độ chịu nhiệt

Là khả năng của chỉ tiết máy cĩ thể làm việc trong một phạm vi nhiệt độ cần thiết mà khơng bị nung nĩng quá một giá trị cho phép Nhiệt độ sinh ra thường là do ma sát ở cơ cấu, bộ phận máy, nhất là những chỗ chỉ tiết tiếp xúc bị trượt nhiều như bộ truyền trục vít - bánh vít, động cơ điện

Nung nĩng chi tiết máy gây nên một số hiện tượng cĩ hại như:

- Làm giảm khả năng tải của chỉ tiết máy vì ở nhiệt độ cao (đối với thép trên 300 + 400°C, đối với hợp kim nhẹ và chất dẻo trên 100 + 150°C) giới hạn bên và giới hạn mỏi giảm, vật liệu trở nên giịn hoặc xảy ra hiện tượng từ biến, tức là quá trình biến dạng dẻo từ từ do chịu tải trong thời gian dài;

- Làm giảm độ nhớt của dầu bơi trơn và khả năng bảo vệ các bể mặt tiếp xúc do đĩ làm tăng độ mịn của chỉ tiết máy;

- Làm cong vênh hoặc thay đổi khe hở giữa các chỉ tiết lắp ghép;

- Làm thay đổi tính chất của các bể mặt tiếp xúc, thí dụ làm giảm hệ số ma sát trong các bộ phận hãm;

Trang 8

Vì vậy đối với các chi tiết bị trượt nhiều, khi thiết kế cần tính nhiệt nhằm xác định nhiệt độ sinh ra trong quá trình làm việc và nếu nhiệt độ quá lớn thì tìm các biện pháp hạn chế nĩ trong phạm vi cho phép Nhiệt độ ổn định trung bình được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt: nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượng truyền đi trong một đơn vị thời gian

Từ đĩ cĩ thể xác định được nhiệt độ sinh ra khi sử dụng máy và hạn chế nĩ khơng cho vượt quá một giá trị cho phép:

t<[d

Để nâng cao khả năng chịu nhiệt của chỉ tiết máy, cần chế tạo chỉ tiết bằng vật liệu chịu nhiệt, dùng các biện pháp bơi trơn, làm mát

1.2.5 Độ ổn định dao động

Là khả năng của chỉ tiết máy cĩ thể làm việc trong một phạm vi vận tốc cần thiết mà khơng bị rung quá mức cho phép Dao động xuất hiện chủ yếu do các chỉ tiết quay khơng được cân bằng

Dao động gây nên ứng suất phụ thay đổi cĩ chu kỳ cĩ thể dẫn đến phá hỏng vì mỏi; dao động gây nên tiếng ồn trong truyền động bánh răng trong nhiều trường hợp là chỉ tiêu đánh giá chất lượng bánh răng; dao động trong máy cắt kim loại làm giảm độ chính xác gia cơng và độ nhắn bề mặt sản phẩm

Vì vậy tính tốn về dao động là cần thiết, đặc biệt đối với các máy quay nhanh nhằm xác định tần số đao động riêng của máy hoặc cơ cấu để tránh cộng hưởng Cũng cĩ khi tính tốn đao động nhằm xác định biên độ dao động và hạn chế nĩ trong phạm vi cho phép

Để nâng cao chất lượng máy và cơ cấu, sử dụng nhiều biện pháp chống rung như triệt tiêu ngoại lực gây nên dao động, thay đổi tính chất động lực của hệ thống, dùng các thiết bị giảm rung, giảm va đập bằng các biện pháp kết cấu Tuy nhiên cần chú ý rằng, trong thực tế nhiều khi lại cần tạo ra dao động để phục vụ các mục đích kỹ thuật như dùng nguyên tắc dao động để sàng lọc quặng, sàng gạo, đĩng cọc, đầm đất, ép than

Trên đây là 5 chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiết máy nĩi chung Khi thiết kế cần căn cứ vào tình hình làm việc cụ thể của máy và chi tiết máy, phân tích và tìm ra các dạng hỏng nguy hiểm nhất, tức là các chỉ tiêu quan trọng nhất, trên cơ sở đĩ chọn vật liệu và xác định kích thước chỉ tiết máy, những chỉ tiêu cịn lại đồng thời sẽ được thoả mãn hoặc chỉ là thứ yếu khơng cần quan tâm

1.3 ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT MÁY

1.3.1 Hiện tượng phá hủy mỏi

Quan sát các chỉ tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi theo thời gian sẽ thấy quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt tế vi tại vùng chịu ứng suất lớn Khi số chu trình

Trang 9

hỏng chỉ tiết máy Đĩ là hiện tượng phá hủy mỏi và khả năng của chỉ tiết máy cần lại sự phá hủy mỏi được gọi là độ bền mỏi

Vét gay do mỏi thường bao gồm hai vùng: một vùng tương đối mịn, hạt nhỏ là vùng phát sinh và phát triển vết nứt với tốc độ chậm sau một số lớn chu kỳ chịu tải, cịn vùng kia thơ hơn, hạt to hoặc cĩ thớ, phát triển nhanh chỉ sau một số nhỏ chu kỳ ở giai đoạn cuối của quá trình phá hủy mỏi

1.3.2 Đường cong mỏi

Bằng các thí nghiệm về mỏi cĩ thể thiết lập được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng

suất ø (biên độ ứng suất hoặc max) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết máy hoặc mẫu thử cĩ thể chịu được cho tới khi phá hủy Đĩ là đường cong mỏi (hình 1.5) cịn gọi là đường cong Vêle (Wohler - nhà khoa học Đức lần đầu tiên thí nghiệm xác lập các đường

cong này) cĩ đặc điểm:

- Phương trình đường cong mỏi cĩ đạng:

o™N = const (1.11)

trong đĩ m - bậc của đường cong mỏi; N - tuổi thọ ứng với mức ứng suất ơ

- Khi mẫu thử hoặc chi tiết máy chịu ứng suất ơø càng lớn thì số chu kỳ thay đổi ứng

suất càng giảm, tức là tuổi thọ càng giảm;

- Khi giảm øơ đến một giá trị ø; nào đĩ thì N cĩ thể tăng khá lớn mà mẫu thử khơng bị gãy hỏng ơ; được gọi là giới hạn mỏi dài hạn của vật liệu Số chu kỳ thay đổi ứng suất ứng với ơ, được gọi là số chu kỳ cơ sở và được ký hiệu là N, Đối với một số loại thép thơng thường N,„ = 10Ế + 10” chu kỳ;

- Cĩ thể biểu dién đường cong mỏi trong hệ tọa độ Đẻcac (hình 1.5a) hoặc hệ loga (hình 1.5b) gồm nhánh nghiêng ứng với các trị số ø > ơ, và nhánh nằm ngang ứng với ơ,

Tuy nhiên cần lưu ý rằng đối với hợp kim màu, đường cong mỏi khơng cĩ nhánh nằm ngang,

Trang 10

Đối với gang và thép, đường cong mỏi cĩ tiệm cận song song với trục hồnh cách trục hồnh một trị số bằng ơ,, do đĩ trên cơ sở phân tích thống kê các số liệu thí nghiệm Vâybun biểu thị đường cong mỏi bằng phương trình:

B

N= —3 _

(ơ-ơ,)” trong đĩ B, m - hằng số Rõ ràng là khi ơ > o, thi N > x

4.3.3 Đồ thị ứng suất giới hạn Ơmax

Đường cong mỏi Vêle tuy là phương pháp 7

phổ biến khi tiến hành các thí nghiệm mỏi nhưng ⁄

đường cong này khơng cho phép xác định các giá

trị lớn nhất và nhỏ nhất của ứng suất trong chu về trình ứng suất thay đổi khơng đối xứng Vì vậy khi

nghiên cứu về mỏi người ta sử dụng đồ thị ứng ni

suất giới hạn biểu thị quan hệ giữa Onax, Omin Va vì

ơm Đồ thị này cĩ đặc điểm (hình 1.6): |» “el 6/2

- đường mm biểu thị ứng suất trung bình,

đường AB - ø„„„, đường CD - đ„¡ạ, do đĩ tung độ Ổ màn

một điểm trên AB là Øm¿„, trên CD là Øm¡n của chu

trình: Hình 1.6

- miền nằm giữa hai nhánh AB và CD là những trị số ứng suất khơng làm hỏng vật liệu; - các giao điểm A và C với trục tung là trị số Øm„„ Và Gm¡n của chu trình đối xứng, ký hiệu là ơ.¡, các tung độ tính từ mm đến AB và CD là các giá trị của biên độ ứng suất ơạ

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỗi của chỉ tiết máy

Độ bền mỏi được xác định bằng thực nghiệm đối với những mẫu thử nhấn, phẳng, cĩ quy cách xác định, được chế tạo từ những vật liệu cĩ độ đồng đều nhất định về cơ tính Vì vậy độ bén mdi của chi tiết máy phụ thuộc vào những yếu tố như: vật liệu và nhiệt luyện, hình đạng kết cấu, kích thước, đặc tính tải trọng, trạng thái ứng suất v.v

a) Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu: Tại chỗ thay đổi tiết điện của chỉ tiết máy như gĩc lượn, rãnh, lỗ cĩ sự tập trung ứng suất làm cho ứng suất thực tế lớn hơn ứng suất danh nghĩa xác định theo các cơng thức tính tốn lý thuyết Trong tính tốn sử dụng:

Trang 11

trong đĩ ơy, 1; - giới hạn mỏi của mẫu nhắn khơng cĩ tập trung ứng suất;

Gres Tre - giới hạn mỏi của chỉ tiết máy cĩ tập trung ứng suất và cĩ cùng tiết diện như mẫu

Ta nhận thấy các hệ số tập trung ứng suất lớn hơn 1, mặt khác do sự trợ lực tế vi của các lớp vật liệu cạnh lớp chịu tải cực đại và do hiệu ứng tăng bên vì hiện tượng cứng nguội lớp bề mặt chỉ tiết khi gia cơng nên đỉnh nhọn của ứng suất cực đại được san bằng một phần, do đĩ kg < dạ, ky < Œạ

b) Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối: Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi tăng kích thước tuyệt đối của mẫu thí nghiệm, giới hạn mỏi sẽ giảm xuống Đĩ là do sự khơng đồng đều về cơ tính của vật liệu tăng lên, trong chỉ tiết máy cĩ nhiều khuyết tật hơn, đồng thời cịn do chiều dày tương đối của lớp bể mặt được tăng bền nhờ nhiệt luyện hoặc gia cơng cơ giảm xuống Ảnh hưởng này được kể đến trong tính tốn độ bền mỏi qua hệ số kích thước tuyệt đối sø, e; Đĩ là tỷ số giữa giới hạn mỏi của chỉ tiết máy nhắn cĩ đường kính d và giới hạn mỏi của mẫu nhắn cĩ đường kính dạ= 7 + 10mm:

f=; ge Ord, Tra, (1.14)

Nhu vay €, < 1; €, < 1

©) Ảnh hưởng của cơng nghệ gia cơng bê mặt: Lớp bề mặt kim loại cĩ ảnh hưởng đến độ bền mỏi vì trong đa số trường hợp các vết nứt vì mỏi xuất hiện từ bể mặt chỉ tiết máy, trong khi đĩ chất lượng bề mặt lại phụ thuộc vào phương pháp gia cơng như tiện, mài, đánh bĩng, cĩ gia cơng tăng bền Kể đến ảnh hưởng của lớp bề mặt đến độ bền mỏi của chỉ tiết máy, người ta sử dụng hệ số trạng thái bề mặt B Nĩ là tỷ số giới hạn mỏi của mẫu thử cĩ trang thái bề mặt như của chỉ tiết máy và giới hạn mỏi của mẫu thử cĩ bề mặt được mài mà khơng được gia cơng tăng bền Như vậy cĩ thể B < 1 hoặc B > 1

d) Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất: Với ứng suất thay đổi theo thời gian thì biên độ ứng suất là thành phần chủ yếu gây nên phá hủy mỏi Tuy nhiên thực nghiêm cho thấy trị số của ứng suất trung bình cũng cĩ ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chỉ tiết máy Từ hình 1.6 cĩ thể thấy rằng, trị số giới hạn của biên độ ứng suất ơ, phụ thuộc vào trị số của ứng suất trung bình ơm Khi ứng suất trung bình là kéo (mạ > 0) càng lớn thì trị số giới hạn của biên độ ứng suất ơạ càng giảm, tức là khi ơm tăng thì ơ; tuy nhỏ cũng cĩ thể gây nên phá hủy mỏi Ngược lại khi mạ < 0 thì trị số giới hạn của biên độ ứng suất ơ, lớn hơn giới hạn mỏi trong chu trình đối xứng (trên hình 1.b, ứng với chu trình đối xứng ơm = Ơ; ơ; = Ø, = Ø.)

Kể đến ảnh hưởng của trạng thái ứng suất, trong các cơng thức tính chỉ tiết máy về độ bền mỏi [chẳng hạn xem cơng thức (10.12)] cĩ mặt ơ, và ơm

1.3.5 Các biện pháp nâng cao độ bền mỗi

Qua phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi, cĩ thể rút ra các biện pháp sau

Trang 12

a) Biện pháp kết cấu:

- giảm trị số danh nghĩa của các ứng suất (Øạ, ømạ) bằng cách tăng kích thước chi tiết

máy tại các tiết diện nguy hiểm;

- giảm tập trung ứng suất (giảm kợ, ky), chẳng hạn tại các chỗ chuyển tiếp kích thước, hình dạng chỉ tiết cần cĩ sự thay đổi đều đặn, thay các chỗ sắc cạnh bằng gĩc lượn với bán

kính lớn nhất cĩ thể, vát mép các bề mặt lắp ghép -

- dùng các liên kết đàn hồi để giảm bớt biên độ tác dụng của tải trọng chu kỳ

b) Biện pháp cơng nghệ: Thực chất của biện pháp này là sử dụng các phương, pháp gia cơng đặc biệt tăng bền nhờ tạo ra cấu tạo tinh thể hạt nhỏ cĩ độ bền cao, tạo ra lớp bề mặt

cĩ ứng suất dư là nén, chẳng hạn:

- dùng nhiệt luyện và hĩa nhiệt luyện cho hiệu quả cao đối với các chi tiết máy cĩ tập trung ứng suất;

- đánh bĩng, mài nghiền sẽ san bằng các gồ ghẻ tế vi làm giảm tập trung ứng suất; - gây biến dạng dẻo lớp bề mặt như phun bi, lăn nén, gây cứng nguội lớp bề mặt nhờ đĩ làm tăng độ bền mỏi

1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY

Sau khi đã nghiên cứu một số vấn đề về cơ sở lý thuyết của việc tính tốn thiết kế chi tiết máy, dưới đây trình bày những vấn đề về phương pháp và các bước tiến hành khi thiết kế

4.4.1 Đặc điểm tính tốn thiết kế chỉ tiết máy

Trong thực tế tính tốn chỉ tiết máy gặp một số khĩ khăn như: hình dạng chỉ tiết máy khá phức tạp, các yếu tố tải trọng khơng biết chính xác, cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chỉ tiết máy chưa được phản ánh đầy đủ vào các cơng thức tính Vì vậy khi thiết kế cần lưu ý đến những đặc điểm tính tốn chỉ tiết máy dưới đây để tiến hành cĩ kết quả cơng việc thiết kế

a) Dựa theo các cơng thức lý thuyết được thiết lập khi giải các bài tốn cơ học để tính

tốn chỉ tiết máy nhưng bổ sung thêm các hệ số kể đến đặc điểm về kết cấu của chi tiết máy

và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của nĩ Với những yếu tố cĩ ảnh hưởng lớn đến việc xác định kích thước chỉ tiết máy mà khơng thể biểu diễn đưới dạng cơng thức lý thuyết thì dùng các cơng thức thực nghiệm, biểu đồ hoặc bảng số do kinh nghiệm sử dụng lập ra

Trang 13

c) Trong tính tốn, số ẩn số thường nhiều hơn số phương trình, do đĩ cần dựa vào các quan hệ kết cấu để chọn trước một số thơng số, trên cơ sở đĩ sẽ xác định các thơng số cịn lại Mặt khác nên kết hợp tính tốn với vẽ hình, vì rằng rất nhiều kích thước cần cho tính tốn (chẳng hạn khoảng cách giữa các gối đỡ trục, vị trí đặt lực ) chỉ cĩ thể xác định từ

hình vẽ, đồng thời từ hình vẽ cũng cĩ thể kiểm tra và phát hiện các sai sĩt trong tính tốn

-đ) Cùng một nội dung thiết kế cĩ nhiều giải pháp thực hiện Vì vậy nên chọn đồng thời một số phương án để tính tốn, so sánh, trên cơ sở đĩ xác định phương án cĩ lợi nhất, đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật Đặc biệt ngày nay do kỹ thuật tin học phát triển mạnh mẽ và xâm nhập ngày càng nhiều vào các ngành khoa học và cơng nghê, sử dụng các chương trình tự động hĩa thiết kế chỉ tiết máy và thiết bị cơ khí nĩi chung trên máy vi tinh sẽ đem lại những kết quả tối ưu, đáp ứng tốt nhất các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

1.4.2 Chọn vật liệu

Chọn vật liệu là một bước quan trọng trong tính tốn thiết kế chi tiết máy, vì rằng chất lượng của chi tiết máy và máy nĩi chung phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn vật liệu cĩ thích hợp hay khơng? Muốn chọn được vật liệu thích hợp để dùng cần nắm vững các yêu cầu do điều kiện làm việc của chỉ tiết máy và điều kiện chế tạo đặt ra, đồng thời cần cĩ hiểu biết đầy đủ về đặc trưng của các loại vật liệu hiện cĩ trong cơng nghiệp

a) Yêu cầu đối với vật liệu được chọn Về nguyên tắc, vật liệu được chọn cần phải:

- phù hợp với các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chỉ tiết máy như độ bền,

độ cứng, độ bền mịn

- đáp ứng các yêu cầu về khối lượng và kích thước của chi tiết máy và máy;

- đảm bảo các yêu cầu liên quan đến cơng dụng và điều kiện sử dụng như tính chất chống ăn mịn, giảm ma sát, cách điện

- cĩ tính cơng nghệ thích ứng với hình dạng chi tiết máy và phương pháp gia cơng (dễ đúc, đập, hàn, dễ cắt gọt );

- rẻ và dễ cung ứng

Đương nhiên cần chú ý rằng, trong nhiều trường hợp khơng thể đáp ứng đồng thời các yêu cầu trên đây, do đĩ khi chọn vật liệu cần phân tích điều kiện làm việc cụ thể của chỉ tiết máy và máy để chọn loại vật liệu đáp ứng những yêu cầu quan trọng nhất đối với trường hợp đang xét Mặt khác cũng cần hạn chế số chủng loại vật liệu để giảm bớt khĩ khăn trong việc cung ứng và bảo quản, đồng thời khi cần thiết, lại nên áp dụng nguyên tắc “chất lượng cục

bộ” để chọn vật liệu khác nhau chế tạo các phần khác nhau của chỉ tiết máy, thí dụ lĩt ổ

gồm hai kim loại: lớp tráng bằng babit trên nền đồng thanh hoặc gang b) Các loại vật liệu chế tạo máy

Trang 14

và tương đối rẻ Nhược điểm chủ yếu của thép và gang là khối lượng riêng lớn, tính chống gỉ kém Để cải thiện tính chất của gang hoặc thép, người ta sản xuất gang hợp kim và thép hợp kim, đồng thời áp dụng rộng rãi các phương pháp nhiệt luyện và hĩa nhiệt luyện

- Kim loại màu như đồng, kẽm, chì, thiếc, nhơm thường được sử dụng dưới dạng hợp kim màu như đồng thanh, đồng thau, babit cĩ ưu điểm: nhẹ, cĩ tính giảm ma sát, chống gỉ nhưng rất đắt nên chỉ được dùng khi cần thiết

- Kim loại gốm được chế tạo bằng cách nung và ép bột kim loại với các chất phụ gia dưới áp suất và nhiệt độ cao, cĩ ưu điểm: khĩ nĩng chảy, xốp, hệ số ma sát thấp nhưng giá thành cao, kích thước bị hạn chế bởi điều kiện chế tạo

- Vật liệu khơng kim loại gồm gỗ, da, cao su, amiăng, chất dẻo cĩ ưu điểm: nhẹ, dễ chế tạo, cĩ tính chống ăn mịn, cách nhiệt, cách điện Đặc biệt chất dẻo được sử dụng ngày càng rộng rãi nhờ hai ưu điểm chính sau đây: dễ tạo hình ở nhiệt độ và áp suất khơng cao, do đĩ cĩ thể dùng các phương pháp cơng nghệ cĩ năng suất cao như dập, đúc dưới áp lực, thổi, kéo để chế tạo các chi tiết máy cĩ hình dạng phức tạp; cĩ độ bền riêng cao do đĩ

thích hợp để chế tạo các chi tiết cĩ yêu cầu khối lượng giảm 1.4.3 Xác định ứng suất cho phép

Như trên đã trình bày, độ bền là chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc đối với phần lớn các chi tiết máy, do đĩ xác định ứng suất cho phép là một bước khơng thể thiếu trong quá trình tính tốn thiết kế chỉ tiết máy

Thơng thường ứng suất cho phép được xác định theo cơng thức sau:

[5] = Otim / S (1.15)

hoặc [t] = tụm /S

trong đĩ Øiim, Tị¡mạ - ứng suất pháp và ứng suất tiếp giới hạn, khi đạt đến các giá trị này, chỉ tiết máy hoặc mẫu bị phá hỏng; S - hệ số an tồn

Như vậy việc xác định đúng ứng suất cho phép phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định ứng suất giới hạn và lựa chọn hợp lý hệ số an tồn

1.4.3.1 Xác định ứng suất giới hạn

Ứng suất giới hạn được xác định bằng thực nghiệm đối với các mẫu thử hoặc các chi tiết mẫu tùy theo đặc tính tải trọng và ứng suất

a) Trường hợp chỉ tiết máy chịu ứng suất tĩnh: Ứng suất giới hạn phụ thuộc vào vật liệu Đối với vật liệu dẻo 6j;,, = Op, d6i vdi vat liéu gidn oj, = Op, trong dé oy, Op - gidi hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu

b) Trường hợp chỉ tiết máy chịu ứng suất thay đổi: Chi tiết máy hơng chủ yếu là do mỏi, ứng suất giới hạn được xác định phụ thuộc số chu kỳ chịu tải và chế độ thay đổi ứng suất:

Trang 15

Nếu chi tiết máy làm việc lâu dài, tức là khi số chu kỳ chịu tải N lớn hơn hoặc bằng số chu kỳ cơ sở Nụ, ứng suất giới hạn lấy bằng giới hạn mỏi dài hạn: Slim = Ø; (1.16) Nếu chỉ tiết máy làm việc ngắn hạn, tức là N < N, thi từ cơng thức (1.11) ta cĩ: ƠmwN =ơ/NG đo đĩ giới hạn mỏi ngắn hạn ứng với số chu kỳ chịu tải N sẽ là: On =6,yN,/N và ứng suất giới hạn được lấy bằng giới hạn mỏi ngắn hạn: Olim = Orn = Ø,KL (1.17) m Je + ? + `» ` “

trong dé K, = VNo /N - hệ số tuổi thọ, kể đến ảnh hưởng của thời hạn phục vu và chế độ tải trọng đến giới hạn mỏi

- Khi ứng suất thay đổi khơng ổn định

Gọi NỈ; là số chu kỳ làm việc của chi tiết máy ở mức ứng suất ơ, Giả sử sau N°; chu kỳ tiếp tục cho chi tiết máy làm việc cho đến khi bị phá hỏng sẽ xác định được tuổi thọ N¡, tức số chu kỳ chịu tải cho tới khi bị hỏng ứng với Ø,y, trên đường cong mỏi (hình 1.7) xác định theo phương trình:

ơn,N, =ơ;N r Go

Nhưng G,y, = Ơ¡ nên:

ơi Nị = oN, (1.18)

Mỗi một ứng suất ơ; tác dụng trong N¡ chu kỳ sẽ làm cho độ bền

mỏi của chi tiết máy bị tổn thất một

phần, do đĩ điều kiện tích lũy hư hỏng vì mỏi cĩ đạng:

Z(N’;/N)=a (L19) Em [——€~-

với a là hằng số xác định bằng thực ð;# 6m;

nghiệm

Nhân tử và mẫu số của 6,

Trang 16

cĩ thể đưa ra ngồi dấu tổng: Lo; N’; = ac; N; Theo thi nghiém, a = 1, déng thdi thay o;" N; theo (1.18) ta cĩ: Lo; N’;= 0, No

Phương trình này cho thấy cĩ thể thay thế tác dụng của bộ ứng suat oj trong sudt thoi hạn phục vụ của chúng bằng tác dụng của ứng suất lớn nhất ơ¡ trong suốt chu kỳ chịu tải tương đương Ng: >ơi,"N;= ơi Ng G: m từ đĩ: Ne = xIš:) Ni (1.20) Ơi

Như vậy là khi chỉ tiết máy chịu ứng suất thay đổi khơng ổn định, ta đã chuyển chế độ làm việc khơng ổn định về chế độ làm việc ổn định với ứng suất lớn nhất ơ; và số chu kỳ chịu tải tương đương Ng tính theo cơng thức (1.20) Khi đĩ:

- nếu Ng >N, thì Gi¡m = Ơy

- nếu Ng<N, thì Ơiim = 0N, /NĐg (1.21)

1.4.3.2 Hệ số an tồn

Các giá trị của ứng suất giới hạn được xác định từ các thí nghiệm tiến hành trong những điều kiện nhất định trên những máy nhất định đối với một số vật liệu nhất định, trong khi thực tế chi tiết máy cùng loại, cùng vật liệu cĩ thể làm việc rất khác nhau, cĩ một vai trị quan trọng khác nhau trong máy Vì vậy trong tính tốn cần đưa vào hệ số an tồn nhằm đảm bảo cho kết cấu cĩ độ an tồn cần thiết

Hệ số an tồn được xác định theo cơng thức sau:

S=5S,S)8; (1.22)

trong đĩ S¡ - hệ số an tồn xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất; S¡ = 1,2 + 1,5; S; - hệ số an tồn xét đến sự đồng nhất về cơ tính của vật liệu, với vật liệu chi tiết máy là thép rèn hoặc can, S = 1,5; bang gang S, = 1,5 + 2,5; S; - hé s6 an toan xét đến các yêu cầu đặc biệt như mức độ quan trọng của chi tiết máy đối với máy, yêu cầu

vé an toan lao dong , S; = 1 + 1,5

Xác định đúng hệ số an tồn là một vấn để rất quan trọng nhằm đảm bảo tính hợp lý của kết cấu Các tính tốn dựa trên giả thiết phối hợp một cách khơng thuận lợi các đặc trưng của vật liệu, tải trọng sẽ bắt buộc chỉ tiết máy làm việc trọng điều kiện căng thẳng khơng cần thiết Trái lại, đối với các kết cấu mà sự phá hủy của nĩ đặc biệt nguy hiểm đến tính mạng con người (thí dụ cần trục, lị hơi ) hệ số an tồn cần được xem xét kỹ lưỡng và được quy định trong các tài liệu chuyên khảo Khi tính tốn thiết kế chỉ tiết máy, sử dụng hệ số an tồn cho trong các bảng hoặc tài liệu đối với từng chỉ tiết cụ thể

Trang 17

1.4.4 Tiêu chuẩn hĩa chỉ tiết máy

Tiêu chuẩn hĩa là việc quy định những tiêu chuẩn và quy phạm hợp lý và thống nhất về hình thức, loại, thơng số, chất lượng, phương pháp thí nghiệm và chế tạo của chỉ tiết máy và máy Trong thực tế gặp rất nhiều chỉ tiết máy tiêu chuẩn như bulơng, đai ốc, các

thơng số của các bộ truyền, các kích thước ổ lăn Đĩ là vì sử dụng các chỉ tiết tiêu chuẩn,

nĩi rộng ra là tiêu chuẩn hĩa cĩ ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất quan trọng, thể hiện ở những điểm chính sau đây:

a) Tiêu chuẩn hĩa hạn chế được rất nhiều chủng loại và kích thước của các sản phẩm cùng loại cùng tên, nhờ đĩ cĩ thể sử dụng những phương pháp tiên tiến nhất để chế tạo hàng loạt chi tiết máy tiêu chuẩn, giảm sức lao động khi chế tạo, tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm bớt được việc đầu tư thiết bị và cuối cùng hạ được giá thành

b) Tiêu chuẩn hĩa điều kiện kỹ thuật và phương pháp thử sẽ nâng cao chất lượng sản phẩm, khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết máy

c) Tiêu chuẩn hĩa đảm bảo được tính đổi lẫn của chỉ tiết máy, nhờ đĩ tạo dễ dàng cho cơng việc sửa chữa, thay thế các chi tiết bị hỏng

d) Tiêu chuẩn hĩa chỉ tiết máy và bộ phận máy sẽ giảm bớt được thời gian và cơng sức thiết kế

Như vậy tiêu chuẩn hĩa là một biện pháp rất quan trọng để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế và chất lượng máy Vì vậy khi tính tốn thiết kế chi tiết máy nhất thiết phải áp dụng tiêu

chuẩn nhằm xác định hợp lý, loại, kiểu, hình dạng, kích thước, thơng số của chỉ tiết máy Hiện nay ở nước ta sử dụng 4 tiêu chuẩn

- Tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam, ký hiệu TCVN kèm theo số thứ tự tiêu chuẩn và năm ban hành

- Tiêu chuẩn ngành: TCN

- Tiêu chuẩn tỉnh, thành phố: TCV

- Tiêu chuẩn cơ sở: TC

Đồng thời đã nghiên cứu và áp dụng nhiều tiêu chuẩn của Tổ chức Tiêu chuẩn hĩa thế

giới ISO

Câu hỏi tự kiểm tra

1 Các loại tải trọng và ứng suất tác dụng trong chỉ tiết máy Lấy thí dụ minh họa

2 Phân tích tác dụng, hậu quả và phương pháp tính đảm bảo các chỉ tiêu chủ yếu và khả năng làm việc của chỉ tiết máy

3 Phân biệt giới hạn mỏi dài hạn và giới hạn mỏi ngắn hạn Các yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi của chỉ tiết máy

4 Cĩ những yếu tố gi chỉ phối việc chọn vật liệu chế tạo chỉ tiết máy?

Trang 18

Chương 2 ĐỘ TIN CẬY, CHỈ TIÊU CƠNG NGHỆ VÀ KINH TẾ TRONG THIẾT KẾ MÁY 2.1 ĐỘ TIN CẬY

2.1.1 Khái niệm về độ tin cậy

Độ tin cậy là khả năng sản phẩm (chi tiết máy, thiết bị cơng trình ) thực hiện chức năng của mình và duy trì chức năng, nhiệm vụ đĩ trong suốt thời hạn đã định, ứng với các điều kiện vận hành, chăm sĩc, bảo dưỡng cụ thể Như vậy độ tin cậy và khả năng làm việc của máy và chi tiết liên quan mật thiết với nhau Nếu khả năng làm việc biểu thị khả năng của máy cĩ thể thực hiện được chức năng, nhiệm vụ đã định thì độ tin cậy cịn đặc trưng thêm xác suất duy trì khả năng đĩ trong suốt thời hạn quy định

Độ tin cậy là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của chất lượng máy Nếu máy hoặc chi tiết máy khơng đủ độ tin cậy, cĩ nghĩa là các chỉ tiêu sử dụng của chúng bị phá hoại, chỉ tiết máy bị mất khả năng làm việc trước thời hạn quy định, do đĩ cĩ thể gây nên thiệt hại to lớn do năng suất giảm, tiêu thụ năng lượng tăng, sửa chữa tốn kém Ngày nay với nền sản xuất cơ khí hĩa và tự động hĩa cao, độ tin cậy càng cĩ ý nghĩa quan trọng vì rằng chỉ một cơ cấu hoặc thiết bị nào đĩ bị hỏng, cĩ thể làm đình trệ hoạt động của cả dây chuyền sản xuất

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy

Để đánh giá độ tin cậy cĩ thể dùng nhiều chỉ tiêu khác nhau: xác suất làm việc khơng hỏng, cường độ hỏng, tuổi thọ, hệ số sử dụng

a) Xác suất làm việc khơng hỏng: là xác suất khơng xảy ra hỏng hĩc chi tiết máy hoặc máy trong thời hạn đã định Giả sử trong số N, chi tiết máy giống nhau, làm việc trong những điều kiện như nhau, sau t gid cé Ny, chi tiết bị hỏng và N, =N, — Nạn chỉ tiết cịn tốt thì xác suất làm việc khơng hỏng R(t) của chỉ tiết máy sẽ là:

Ni _ Ne=Nen 1 _ gay (2.1)

RO= x c N €

trong đĩ Q(t) = N.h/N, - xác suất hỏng

Với một hệ thống gồm n phần tử thì xác suất làm viéc khong hong R(t) cla hé thong bằng tích của xác suất khơng hong R(t) cua cdc phan tir:

R(t) = R Rt) RA) = TTR (0 (2.2)

Trang 19

Cơng thức (2.2) cho thấy:

- Độ tin cậy của một hệ thống phức tạp luơn nhỏ hơn độ tin cậy của phần tử tin cậy nhất, do đĩ khơng cho phép tồn tại trong hệ thống một phần tử yếu kém nào mà nên gồm những phần tử cĩ độ tin cậy như nhau

Càng gồm nhiều yếu tố, độ tin cậy của hệ thống càng thấp Chẳng hạn một hệ cĩ 10 phần tử cĩ xác suất làm việc khơng hỏng như nhau bằng R,(t) = 0,96 thì xác suất làm việc khơng hỏng của hệ chỉ là R(t) = 0,96” = 0,66 Cịn nếu một hệ cĩ 100 phần tử với xác suất

làm việc khơng hỏng như nhau là R;(t) = 0,99 thi R(t) = 0,99! x 0,37: một hệ thống như

vậy dĩ nhiên khơng thể thừa nhận là cĩ khả năng làm việc vì nĩ nghỉ nhiều hơn là làm việc Do đĩ cũng dễ hiểu vì sao vấn để độ tin cậy hiện nay đã trở thành cấp bách, đặc biệt đối với việc hình thành các hệ thống tự dộng phức tạp như các đường dây tự động, tên lửa, máy bay, máy tính v.v

b) Cường độ hỏng: Cường độ hỏng A(t) tai mot thoi điểm t nào đĩ là tỷ số giữa số hỏng hĩc trong một đơn vị thời gian và tổng số N, chỉ tiết máy được sử dụng tại thời điểm này Nếu trong một khoảng thời gian khá nhỏ At cĩ AN, chỉ tiết bị hỏng thì cường độ hỏng A(t) tại thời điểm t sẽ là: AN A(t) = © N,At (2.3) Một cách gần đúng cĩ thể coi cường độ hỏng là số hỏng hĩc trên một đơn vị thời gian và một đơn vị sản phẩm

Quan hệ giữa cường độ hỏng và thời gian được biểu

diễn trên hình 2.1 Đồ thị gồm ba vùng: vùng Ï ứng với giai — ¿¿p đoạn chạy mịn; vùng II giai đoạn sử dụng bình thường và

vùng HII: giai đoạn mịn tăng cường Ở giai đoạn Ï, các

khuyết tật khác nhau khi chế tạo là nguyên nhân chủ yếu b M1 Hi làm xuất hiện các hỏng hĩc Nhờ khả năng chạy mịn, bề ° t, | t, t mặt các chi tiết tiếp xúc sẽ tự động thích ứng thành những 1

dang hợp lý nhất, khắc phục được sự tập trung tải trọng, xác lập được khe hở bình thường , do đĩ cường độ hỏng giảm

dần Chính vì vậy để nâng cao độ tin cậy làm việc, cần tiến Hình 2.1

hành chạy rà các sản phẩm trước khi xuất xưởng

Ở giai đoạn II, cường độ hỏng thay đổi khơng đáng kể Nguyên nhân hỏng ở đây chủ yếu đo các quá tải ngẫu nhiên, các khuyết tật về cấu trúc của vật liệu làm xuất hiện các vết nứt tế vi dẫn đến làm giảm độ bền mỏi và độ bền mịn

Trang 20

vi vay muốn nâng cao độ tin cậy của a may cần tiến hành sửa chữa dự phịng trước khi bắt đầu giai đoạn II

c) Tuổi thọ: là khoảng thời gian làm việc của đối tượng tính từ khi bắt đầu hoạt động cho tới khi đạt trạng thái tới bạn, tức bị hỏng cần sửa chữa, phục hồi Tuổi thọ thường được tính theo thời gian làm việc thực tế (khơng kể thời gian khơng hoạt động của đối tượng)

Ngồi tuổi thọ trung bình, trong tính tốn cịn sử dụng tuổi thọ gama phần trăm, tức là tuổi thọ mà đối tượng làm việc chưa đạt tới trạng thái tới hạn với xác suất là y phần trăm Quan hệ giữa y và R(t) nhu sau:

y = 100 R(t) (2.4)

Thơng thường trong sản xuất hàng loạt sản phẩm y = 90% Chẳng hạn tuổi thọ 90% của một loại ổ lăn là 8000 h, điều đĩ cĩ nghĩa là 90% số ổ lăn đĩ cĩ tuổi thọ 8000 h, 10% cĩ

thể bị hỏng sớm hơn

4d) Hệ số sử dụng: là tỷ số giữa thời gian làm việc tạ, trong một thời kỳ hoạt động nào đĩ của chỉ tiết máy và tổng thời gian tạ, bao gồm thời gian làm việc tị,, thời gian bảo dưỡng tụ và thời gian sửa chữa phục hồi t:

K,=-t= _— ty —_ (2.5)

th tytt, tt,

Hệ số sử dụng K, thường được áp dụng cho các chỉ tiết máy cĩ thể phục hồi được

2.1.3 Phương hướng nâng cao độ tin cậy của máy

Độ tin cậy của máy và chỉ tiết máy phụ thuộc vào trình độ thiết kế, cơng nghệ chế tạo và điều kiện sử dụng Dưới đây trình bày những biện pháp nâng cao độ tin cậy trong quá trình thiết kế máy:

a) Khi thiết kế cần tận dụng khả năng sử dụng các thiết bị với số lượng chỉ tiết ít, kết cấu đơn giản; mỗi chỉ tiết cần cĩ độ tin cậy bằng hoặc gần bằng độ tin cậy của các chỉ tiết khác

b) Biện pháp đơn giản nhất và cĩ hiệu quả nhất để nâng cao độ tin cậy của máy và chị tiết máy là giảm cường độ chịu tải (tăng hệ số an tồn) của chúng Tuy nhiên biện pháp này lại mâu thuẫn với yêu cầu giảm khối lượng và kích thước chỉ tiết máy, do đĩ cần tìm các biện pháp dung hịa như sử dụng các loại vật liệu cĩ độ bền cao, áp dung nhiệt luyện và hĩa nhiệt luyện, dùng các biện pháp cơng nghệ như phun bị, lăn nén

c) Boi trơn tốt, bao gồm: chọn đúng loại dầu, thiết kế hệ thống bơi trơn hợp lý, bảo vệ các bể mặt làm việc khỏi bụi bẩn và các hạt kim loại, bố trí các cơ cấu trong hộp kín và lĩt kín tốt

d) Sử dụng các hệ thống tĩnh định và tự cân bằng nhờ đĩ các khuyết tật trong chế tạo sẽ ảnh hưởng ít hơn đến sự phân bố tải trọng

Trang 21

thì trong hệ thống cần cĩ thiết bị an tồn như ly hợp an tồn hoac role

g) Sử dụng rộng rãi các chi tiết máy, bộ phận máy và kết cấu tiêu chuẩn sẽ tạo ra các sản phẩm cĩ chất lượng cao và đồng nhất nhờ chúng được chế tạo ở các nhà máy chuyên mơn với các phương pháp gia cơng tiên tiến trên cơ sở tích lũy được nhiều kinh nghiệm thiết kế chế tạo

2.2 DUNG SAI VÀ LẮP GHÉP, NHÁM BỀ MẶT VÀ TÍNH CƠNG NGHỆ

TRONG THIẾT KẾ

Khi lựa chọn hình đạng và quyết định lần cuối các thơng số và kích thước chỉ tiết máy cũng như khi thiết kế kết cấu máy, người thiết kế khơng chỉ quan tâm đến điều kiện làm việc và cơng dụng của chúng mà vấn đề cĩ ý nghĩa rất quan trọng là phải dự kiến xem các bộ phan may va chi tiết máy được chế tạo như thế nào, phương pháp tạo phơi, và gia cơng với độ chính xác và độ nhám đạt được đến đâu cũng như vấn đẻ lắp ráp tạo thành máy

2.1 Dung sai và lắp ghép

Các kích thước của chỉ tiết máy khơng thể đạt được độ chính xác lý tưởng khi gia cơng Tuy nhiên nhờ cĩ rính đổi lẫn tức là khả năng thay thế một chi tiết bằng một chi tiết khác mà khơng cần gia cơng phụ thêm, chỉ tiết máy vẫn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật đối với các bộ phận và máy Tính đổi lẫn là điều kiện thiết yếu cơ bản của sản xuất hàng loạt và được đảm bảo bằng các hệ thống dung sai và lắp ghép

Khi lắp ghép các chi tiết với nhau người ta phân biệt mặt bao - được gọi là lỗ và mặt bị bao được gọi là trục Kích thước các bể mặt lắp ghép của lỗ và trục được gọi là kích thước danh nghĩa của mối ghép Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, kích thước thực đo trực tiếp trên các chi tiết máy, phải nằm giữa các kích thước giới hạn cho phép, hiệu giữa hai kích thước nay là dung sai Hiệu giữa các kích thước giới hạn lớn nhất hoặc nhỏ nhất và kích thước danh nghĩa, tương ứng 18 sai lệch trên hoặc sai lệch dưới

Nếu ký hiệu D và d lần lượt là đường kính danh nghĩa của lỗ và trục, theo hình 2.2 ta cĩ: Tp và Tụ - dung sai đường kính lỗ và trục;

Eg va E; - sai lệch trên và sai lệch dưới của lỗ; e, va e; - sai lệch trên và sai lệch dưới của trục

Đường thẳng tương ứng với kích thước danh nghĩa, từ đĩ đặt các sai lệch của kích thước, được gọi là đường khơng

Trang 22

cao về độ đồng tâm, khi cần

thiết cĩ thể tháo lắp thuận

tiện và mối ghép thường được cố định thêm bằng then, chốt, các chỉ tiết cĩ ren (xem chương 10) Lắp ghép cĩ độ dơi được sử dụng trong các mối ghép cố định, thí dụ lắp vành với mayơ bánh vít Dung sai và lắp ghép Hình 2.2

các bề mặt trơn được quy

định trong hai tiêu chuẩn TCVN 2244 - 77 và TCVN 2245 - 77, phù hợp với hệ thống dung sai và lắp ghép quốc tế ISO Trong các tiêu chuẩn này cho các cơng thức và giá trị bằng số của dung sai đối với 19 cấp chính xác Trong ngành chế tạo máy thường dùng nhất là các cấp chính xác từ 5 đến 12 Các cấp 4 và 5 dùng cho các chi tiết máy đặc biệt chính xác, 6 đến § dùng cho phần lớn các chỉ tiết máy quan trọng, 8 và 9 dùng cho các chi tiết máy làm việc với vận tốc thấp, khơng yêu cầu cao về độ chính xác Với các chi tiết ít chính xác, các chỉ tiết gia cơng khơng phoi thường dùng cấp chính xác từ 10 đến 12 Lắp ghép cĩ thể thực hiện theo các hệ thống lỗ hoặc hệ thống ae trục Trên hình 2.3 là thí dụ lấp pees ghép trong hệ lỗ Ở đây miền dung cĩ ĩ đỹ hg tử rem» r @ ⁄2

sai của lỗ H cĩ sai lệch dưới bằng ,® TT "` À

0, các kiểu lấp khác nhau được ee ee CN ` NI NNNN CN N

hình thành bằng cách thay đối VÀ +

miền dung sai của trục (trên hình a Js

2.3 miền dung sai của trục được ký ® Z :

hiệu bằng cdc chit in thường) |

Ngược lại, trong hệ trục, miền Hình 2.3

dung sai h của trục khơng thay

đổi, các kiểu lắp khác nhau được hình thành bằng cách thay đổi miền dung sai của lỗ

Trong thực tế thường dùng lắp ghép theo hệ lỗ vì như thế sẽ hạn chế được chủng loại dụng cụ gia cơng lỗ đắt tiền Hệ trục được sử dụng chẳng hạn khi chỉ tiết bị bao là chỉ tiết tiêu chuẩn (thí dụ vịng ngồi của ổ lăn)

Rõ ràng rằng dung sai và lắp ghép cĩ vai trị quan trọng trong thiết kế máy Chọn đúng dung sai cĩ ý nghĩa to lớn về mặt năng suất và kinh tế, vì nĩ ảnh hưởng đến việc chọn thiết bị và dụng cụ gia cơng, trình độ cơng nhân, chế độ gia cơng, cơng nghệ lắp ráp, chất lượng chỉ tiết được gia cơng và giá thành bản thân chỉ tiết máy

Trang 23

2.2.2 Nhám bề mặt

Bề mặt chỉ tiết máy được cho trong tài liệu kỹ thuật khơng tính đến các sai lệch cho phép, được gọi là bề mặt danh nghĩa Bề mặt thực tế khác với bể mặt danh nghĩa mà một trong các nguyên nhân là sự tồn tại nhám bề mặt Nhám bề mặt là tập hợp các mấp mơ với chiều cao thay đổi từ 0,1 đến 300 um tương ứng với cấp độ nhám từ 14 đến 1

Trạng thái bề mặt sau gia cơng cĩ ảnh hưởng lớn đến đặc tính sử dụng của chỉ tiết máy Các vết xước xuất hiện khi gia cơng cơ là nguồn gốc phát sinh các vết nứt vì mỏi và ăn mịn, làm giảm độ bền mỏi của chỉ tiết máy

Tăng độ nhám bề mặt sẽ làm giảm diện tích tiếp xúc thực tế, làm tăng áp suất cục bộ và cường độ mịn của các chỉ tiết tiếp xúc, đồng thời làm giảm độ cứng tiếp xúc, do đĩ làm yếu mối ghép Ngược lại, giảm độ nhám bề mặt, tức là tăng độ nhắn bĩng bề mặt, đến một giá trị tối ưu nào đĩ, ma sát và mịn bề mặt chỉ tiết sẽ giảm xuống, hiệu suất cơ cấu và máy tăng Ngồi ra độ nhám càng nhỏ, độ bền và khả năng chống ăn mịn càng lớn, hình dạng bên ngồi của máy và chỉ tiết máy càng đẹp, tuy nhiên khi đĩ giá thành chế tạo càng cao Vì vậy khi thiết kế cần lưu ý chọn độ nhám thích hợp

Theo TCVN 2511 - 78, các thơng số chủ yếu để đánh giá nhám bề mặt là chiều cao map mơ của prơfin theo 10 điểm R, và sai lệch trung bình số học của prơfin R, trên chiêu dài chuẩn / (hình 2.4) Trị số của R„ và R„ được xác định theo các cơng thức sau: R,= 1S + SH] (2.6) sl ! R,= 7 Jb&je (2.7) trong đĩ Hmạy và Hạ¡ạ - sai lệch tương ứng của 5 đỉnh cao nhất và 5 đỉnh thấp nhất của prơfin (hình 2.4) Các đại lượng Hma„, Hm¡ạ và y(x) được tính từ đường trung bình m-m Trị số của R„ và R, cĩ thể chọn theo bảng P4.11 [1] Chú ý rằng nhám bề mặt và dung sai cĩ quan hệ với nhau, do đĩ khi chọn độ nhám bề mặt cần tính đến các yêu cầu về độ chính xác của chi tiết

Trang 24

2.2.3 Tính cơng nghệ của máy và chỉ tiết máy

2.2.3.1 Khái niệm về tính cơng nghệ

Một kết cấu được xem là cĩ tính cơng nghệ khi kết cấu đĩ thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đã được đặt ra khi thiết kế, đồng thời được chế tạo với chỉ phí ít nhất về lao động, phương tiện và thời gian Nĩi cách khác một chỉ tiết máy cĩ tính cơng nghệ cĩ nghĩa là một mặt nĩ phải thỏa mãn các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc và độ tin cậy, mặt khác trong điều kiện sản xuất sắn cĩ phải dễ chế tạo, ít tốn vật liệu và thời gian Tính cơng nghệ của chỉ tiết máy và bộ phận máy là một trong những điều kiện quan trọng nhất nhằm đảm bảo cho máy mĩc thiết bị cĩ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tối ưu

Như vậy, tính cơng nghệ được thể hiện ở những yêu cầu chủ yếu sau đây:

a) Máy và chỉ tiết máy cĩ hình dạng và kết cấu hợp lý theo quan điểm cơng nghệ b) Vật liệu chế tạo máy được chọn hợp lý, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và các yêu cầu liên quan đến cơng dụng và điều kiện sử dụng của máy

c) Cĩ thể sử dụng các phương pháp cơng nghệ phù hợp để đơn giản hĩa quá trình chế tạo từ khâu chuẩn bị phơi đến chế tạo, kiểm tra, lắp ghép và nghiệm thu sản phẩm

d) Máy và chỉ tiết máy cĩ khối lượng và kích thước nhỏ, gọn e) Giá thành chế tạo máy và chi phí sử dụng thấp | 2.2.3.2 Các giải pháp đảm bảo tính cơng nghệ

Cĩ nhiều phương án thiết kế chế tạo máy và chỉ tiết máy Nhằm thỏa mãn các yêu cầu về tính cơng nghệ, cĩ thể nghiên cứu áp dụng các giải pháp dưới đây:

a) Gắn kết cấu máy với quy mơ và điều kiện sản xuất: khi thiết kế phải quan tâm trước hết đến quy mơ và điều kiện sản xuất, vì rằng kết cấu tối ưu phụ thuộc vào quy mơ sản xuất và phương pháp chế tạo Chẳng hạn, các chỉ tiết dạng vỏ trong sản xuất đơn chiếc hợp lý nhất là được hàn từ các tấm đơn giản, trong sản xuất hàng loạt lớn nên đúc trong khuơn kim loại hoặc hàn từ các chỉ tiết dập và chỉ tiết cán định hình

b) Áp đụng tính kế thừa trong thiết kế: khi thiết kế máy nên dựa vào kết cấu cĩ sẵn, cĩ

thể cĩ cơng dụng giống hoặc khác với cơng dụng của máy được thiết kế, từ đĩ cĩ thể lựa

chọn các bộ phận máy và chí tiết máy thích hợp để dùng Thiết kế theo nguyên tắc kế thừa cũng đồng thời đảm bảo sử dụng rộng rãi các bộ phận máy thơng dụng và các chỉ tiết máy tiêu chuẩn, do đĩ cĩ thể tăng được sản lượng, giảm được giá thành nhờ khả năng sử dụng trình độ cao hơn về cơ khí hĩa và tự động hĩa để thiết kế chế tạo các sản phẩm tiêu chuẩn

c) Chọn phương pháp tạo phơi phù hợp với đặc điểm về kết cấu và hình dạng chỉ tiết máy:

Trang 25

khơng đều khi nguội Do đĩ cần chú ý sử dụng những khuơn đúc đơn giản nhất, tránh để xảy ra sự tụ đọng cục bộ của vật liệu; khi thiết kế cần chú ý đảm bảo cho các vật đúc cĩ chiều dày thành như nhau hoặc cĩ sự chuyển tiếp đều đặn giữa các thành và chiều dày khác nhau, đồng thời đảm bảo cho kết cấu cĩ độ nghiêng đúc (chẳng hạn với thép hoặc gang đúc, độ nghiêng đúc lấy bằng 1/5 khi h < 25 mm và bằng 1/10 khi h = 25 + 500 mm, trong đĩ h là chiều cao của yếu tố đúc)

Rèn cĩ ưu điểm là tạo nên các kết cấu cĩ mật độ và độ bền cao hơn so với đúc nhờ tác dụng của lực nén, song đắt hơn, do đĩ khuơn rèn phải thật đơn giản Rèn các chỉ tiết phức tạp sẽ rất dat và nhiều khi khơng thực hiện được Vì vậy phơi rèn chỉ được sử dụng khi chi tiết yêu cầu độ bền cao, kết cấu đơn giản và số lượng khơng lớn

Trong sản xuất hàng loạt và quy mơ lớn, thường thay thế phơi rèn bằng phơi dập, như thế khơng những cĩ lợi về mặt kinh tế mà cĩ thể tạo ra các chi tiết hình dạng phức tạp hơn và chính xác hơn so với rèn Tuy nhiên để cĩ thể đập được thì vật liệu phải cĩ độ dai lớn và khuơn dập phải cĩ độ bền cao Khi thiết kế cần đảm bảo độ nghiêng và gĩc lượn ở các chỗ chuyển tiếp, đồng thời khơng nên làm chiều dày thành của chỉ tiết đập nhỏ hơn 4 mm

Trong sản xuất loạt lớn dùng dập và ép nguội cĩ thể tăng năng suất và hạ giá thành, chi tiết cĩ kích thước chính xác, độ nhắn bể mặt cao và thường khơng phải gia cơng phụ thêm

Để năng cao hiệu quả của phương pháp tạo phơi bằng đúc hoặc gia cơng áp lực, cần chú ý thiết kế phơi cĩ hình dạng và kích thước gần sát với hình dạng và kích thước của thành phẩm, như vậy chỉ phí về gia cơng cắt gọt sẽ giảm xuống, đồng thời cũng giảm được phần nguyên liệu biến thành phoi

Hàn thường được sử dụng để chế tạo các kết cấu bao gồm các tấm, thanh, gĩc, thép hình Chúng cĩ thể là các khung, bệ máy, bánh đai, tang quay Chiều dày thành của các kết cấu hàn được xác định theo độ bền hoặc độ cứng, do đĩ cĩ thể tiết kiệm được kim loại và hạ được giá thành so với kết cấu đúc, cĩ thể tới 50% Nhờ phối hợp cán - hàn hoặc đập - hàn

cĩ thể nâng cao tính cơng nghệ và tạo ra các kết cấu thành mỏng, nhẹ và khá phức tạp TLL (Z2

d) Chọn kết cấu máy và chi tiết yj

máy trên cơ sở quan tâm đây đủ đến khả \ ⁄Z KYL

nang va diéu kién ché tao sao cho viéc 3

gia cơng được tiến hành thuận lợi, dễ đàng và tiết kiệm thời gian

Trước hết cần dự tính kết cấu được gia cơng trên máy nào, cĩ thể thực hiện

được khơng? Chẳng hạn khơng thể thực Hình 2.5

Trang 26

hiện việc khoan lỗ như kết

cấu ở hình 2.5a, mà nên thiết kế và khoan lỗ như ở hình 2.5b, c Muốn giảm thời gian gia cơng thì số lượng bề mặt 2 và số lượng các đường kính khác nhau nên ít nhất cĩ thể - Bề mặt gia cơng cần hy đơn giản (mặt phẳng, mặt trụ hoặc mặt cơn), diện tích gia cơng nên nhỏ nhất cĩ thể (chẳng hạn khơng nên chọn kết cấu như ở hình 2.6a mà nên như ở hình 2.6b, ở đĩ bề mặt gia cơng được bố trí cao + hơn phần khơng gia cơng từ 3 đến 10 mm

Để giảm thời gian gia cơng, kết cấu cần được

thiết kế sao cho cĩ thể gia cơng nhiều bề mặt trong

một lần gá đặt, tận lượng bố trí vị trí các bể mặt để chúng được gia cơng đồng thời Chẳng hạn khơng nên

bố trí các mặt cần được gia cơng như ở hình 2.7a mà nên thiết kế để các mặt này được sắp xếp trên cùng

một mặt phẳng như ở hình 2.7b

Khi doa các lỗ đồng trục cần thiết kế kết cấu sao cho cĩ thể gia cơng xuyên suốt, như thế vừa giảm được thời gian gia cơng vừa đảm bảo được độ đồng tâm cao

của các lỗ Chẳng hạn khơng nên thiết kế kết cấu như

hình 2.8a mà nên thiết kế như hình 2.8b hoặc tốt hơn nên thiết kế như hình 2.8c

e) Khi thiết kế cần quan tâm đầy đủ đến việc Hình 2.6 6) Hình 2.7 ag) 8) €) SSSA (235 ` Tt -1 Ụ ites C0 2 CECE EEG a 2 ⁄ lắp ghép, lựa chọn đúng mức cấp chính xác và độ nhám bề mặt Hình 2

Cụ thể là các chỉ tiết máy và bộ phận máy cần được thiết kế sao cho cĩ thể lắp vào vỏ

Trang 27

của các bề mặt lắp ghép (chẳng hạn cĩ thể dùng chốt hoặc bulơng lắp khơng cĩ khe hở), đồng thời nên giảm bớt số lượng các bề mặt lắp ghép

Cần lưu ý rằng độ tin cậy của máy phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng lắp ghép, đồng thời cơng lắp ráp chiếm phần quan trọng trong tổng số cơng lao động để chế tạo máy (vào khoảng 50% cơng lao động chung để chế tạo máy rơi vào các nguyên cơng lắp ráp), do đĩ cùng với việc chọn kiểu lắp và hệ thống lắp thích hợp, chọn dung sai, cấp chính xác và nhám bề mặt thỏa đáng, giải pháp thiết kế quan tâm đây đủ đến lắp ghép gĩp phần quan trọng nâng cao tính cơng nghệ của máy

Cuối cùng cần nhấn mạnh rằng một trong những chỉ tiêu quan trọng của tính cơng nghệ, với nghĩa rộng của từ này là các đặc trưng về khối lượng và kích thước của máy và chỉ tiết máy Giảm khối lượng máy và tiết kiệm vật liệu đĩ là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của các kỹ sư thiết kế và cơng nghệ Để giải quyết nhiệm vụ này cần tiến hành hàng loạt biện pháp tổng hợp như: hồn thiện các phương pháp tính khả năng tải của chỉ tiết máy, chính xác hĩa các phương pháp xác định cơ tính vật liệu, giảm hệ số an tồn một cách cĩ căn cứ, chọn các thơng số tối ưu của máy và chỉ tiết máy (tải trọng, vận tốc, nhiệt độ ) đề xuất các kết cấu và hình dạng thuận lợi nhất (gần với kết cấu bền đều, sử dụng các prơfin mỏng, rỗng ), chọn vật liệu tối ưu và sử dụng các phương pháp tăng bền, thiết kế kết cấu phơi cĩ kích thước và hình dạng sát với chỉ tiết thành phẩm, tránh dùng các nguyên cong gia cơng cĩ phoi, trường hợp phải cắt gọt thì lượng dư gia cơng được chọn nhỏ nhất

Thực tế cũng chứng tỏ rằng sự thay đổi dù nhỏ nhưng thường xuyên về kết cấu máy theo hướng nâng cao tính cơng nghệ cũng làm giảm đáng kể cơng sức chế tạo máy

2.3 TÍNH KINH TẾ CỦA MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY

Chất lượng máy được đánh giá một phần quan trọng bởi tính kinh tế của các kết cấu máy Khi đề cập đến tính kinh tế của kết cấu cĩ nghĩa là phải xem xét dưới gĩc độ kinh tế mọi chỉ phí liên quan đến thiết kế, chế tạo và sử dụng máy Một kết cấu được xem là cĩ tính kinh tế khi kết cấu đĩ thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của tính kinh tế trong thiết kế, chế tạo và sử dụng

a) Yêu cầu kinh tế trong thiết kế: được thực hiện bằng các biện pháp sau: - chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện thích hợp;

- xác định các thơng số và kích thước tối ưu của chỉ tiết máy trên cơ sở phân tích, so sánh một số phương án, sử dụng phương pháp tính gần đúng dần, phương pháp tính tốn tối ưu

- chọn loại chi tiết máy thích hợp trong số các chỉ tiết máy cĩ cùng cơng dụng và hình

dạng nhưng quy cách và cấu tạo cụ thể thường khác nhau (chẳng hạn dùng đai dẹt hay đai thang, 6 bi hay ổ đũa ) trên cơ sở đảm bảo các chỉ tiêu chủ yếu và khả năng làm việc và

Trang 28

- chọn hệ dẫn động cơ khí cho máy và thiết bị trên cơ sở thiết kế tối ưu nhằm thỏa mãn đồng thời một số chỉ tiêu, trong đĩ cĩ chỉ tiêu kích thước gọn, khối lượng giảm do đĩ giá thành hạ;

- sử dụng các chương trình tự động hĩa thiết kế trên máy vi tính khơng những cĩ thể tính tốn so sánh hàng loạt số liệu mà tính tay khơng thể thực hiện được mà cịn tiết kiệm được rất nhiều thời gian và cơng sức thiết kế

b) Yêu cầu kinh tế trong chế tạo: được quyết định bởi số lượng các loại vật liệu và các chi phi về lao động và phương tiện để chế tạo máy, thực chất được thể hiện ở giá thành bản thân của máy và chỉ tiết máy

Giá thành bản thân của một chỉ tiết máy được xác định theo cơng thức:

S, = M; + 2Z¡+T;/n; (2.8)

trong đĩ M, - giá thành vật liệu chỉ tiết máy kể cả phế liệu; Z¡ - chỉ phí ở các phân xưởng tham gia chế tạo sản phẩm (phân xưởng tạo phơi, cắt gọt, nhiệt luyện ) bao gồm lương cơng nhân trực tiếp sản xuất và các chi phí phụ (trả lương các biên chế gián tiếp, khấu hao cơ bản về thiết bị và nhà xưởng, chỉ phí về chiếu sáng, điều hịa nhiệt độ ); T; - giá thành thiết bị chuyên dùng phục vụ chế tạo sản phẩm (dụng cụ cắt và dụng cụ đo, khuơn mẫu máy chuyên dùng, đường dây tự động ); n¡ - số lượng chỉ tiết máy được chế tạo (quy mơ sản xuất)

Từ cơng thức (2.8) cĩ thể thấy rằng, với điều kiện sản xuất hàng loạt và quy mơ lớn (n; lớn) phần tăng lên của thiết bi T; (chẳng hạn do sử dụng khuơn dập) sẽ được bù lại nhờ giảm chỉ phí vật liệu M; (xem mục 2.2.3.2c) và giảm mạnh Z¡, kết quả giá thành bản thân của chỉ tiết máy sẽ giảm

Sự phụ thuộc của giá thành bản thân chỉ tiết máy vào loại vật liệu và phương pháp tạo phơi cũng như chỉ phí cắt gọt trên các loại máy cơng cụ được minh họa bằng các số liệu so sánh dưới đây:

Vật liệu và phương pháp tạo phơi Giá thành tương đối

Các chỉ tiết đơn giản bằng thép cán CT3 #) 1,0

Các chỉ tiết đơn giản bằng thép cacbon chất lượng thường (CT1, CTS .) 1,1 + 1/2 Các chỉ tiết đơn giản bằng thép kết cấu chất lượng tốt (thí dụ thép 10, 20 ) 1,2 + 1,5 Các chỉ tiết đơn giản bằng thép hợp kim ít cachon và cacbon trung bình 2,0 + 5,0 Các chi tiết bằng gang đúc, thép dập va han 3,0 + 5,0

Các chỉ tiết bằng thép đúc, rèn đơn chiếc 5,0+ 10,0

Các chỉ tiết bằng thép hợp kim nhiều cacbon và kim loại màu 20,0 + 30,0

Trang 29

Dạng gia cơng cơ Giá thành

Tiện 1,0

Phay 1,2 + 1,5

Khoan, doa, tiện trên máy tiện đứng 1,5 + 3,0

Bao, xoc 2,0 + 5,0

Mai, gia cong tinh 5,0 + 10,0

Gia cơng trên máy révonve 0,5 + 1,0

Gia cơng trên các máy tự động 0,1 + 0,5

Từ cơng thức (2.8) cũng như từ các số liệu ở bảng trên cho thấy, giá thành ban than chi tiết máy giảm xuống nếu:

- Tăng số lượng chỉ tiết máy cĩ cùng quy cách khi chế tạo, tức là tạo điều kiện để cĩ thể tổ chức sản xuất hàng loạt và quy mơ lớn Trường hợp sản phẩm được sản xuất với quy mơ nhỏ, đặc biệt là khi sản xuất đơn chiếc nên tiến hành gia cơng cơ trên máy vạn năng với

phơi cán hoặc phơi rèn (chẳng hạn khi chế tạo trục)

- Giảm các chi phí gián tiếp (chẳng hạn giảm số cơng nhân viên chức khơng trực tiếp sản xuất)

- Giảm chỉ phí về vật liệu (chẳng hạn chọn phương pháp tạo phơi thích hợp, phơi cĩ kết cấu và hình dạng sát với kết cấu và hình dạng thành phẩm, tách và giảm khối lượng kim loại quý hiếm khi chế tạo chỉ tiết )

- Chọn phương pháp cơng nghệ và thiết bị phù hợp với đặc tính sản phẩm và quy mơ, điều kiện sản xuất

€) Yêu cầu kinh tế trong sử dụng: được quyết định ở các đặc trưng sau: - năng suất cao;

- chi phí về năng lượng thấp, hiệu suất cao;

- các chỉ phí về nhiên liệu, bơi trơn (vật liệu bơi trơn và thiết bị bơi trơn) thấp; - chỉ phí về bảo đưỡng, sửa chữa thấp

Câu hỏi tự kiểm tra

1 Các chỉ tiêu về độ tin cậy và phương pháp nâng cao độ tin cậy của máy 2 Vai trị của dung sai, lắp ghép và nhám bề mặt trong thiết kế máy

3 Kết cấu như thế nào được xem là cĩ tính cơng nghệ? Các giải pháp đảm bảo tính cơng nghệ của máy và chỉ tiết máy

Trang 30

Chương 3

ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY

3.1 TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG THIẾT KẾ

Dữ liệu là những thơng tin được máy tính xử lý, tồn tại dưới những dạng khác nhau và cĩ ý nghĩa khác nhau Dữ liệu thiết kế cĩ thể bao gồm: số liệu thiết kế (như cơng suất, số vịng quay ), các đặc tính cơ học của vật liệu (độ rắn, giới hạn bền, giới hạn chảy ), các giá trị tiêu chuẩn của các thơng số của chỉ tiết máy hoặc bộ phận máy, bảng tra các hệ số

tính tốn ị

Các dữ liệu đĩ cần được phân loại, sắp xếp, ghi chép và lưu trữ theo một phương pháp nhất quán nhằm tạo thuận lợi cho các bước tính tốn thiết kế trên máy vi tính

3.1.1 Ghi các bảng số liệu lên đĩa và tra số liệu từ đĩa

Trong các sổ tay hoặc tài liệu thiết kế thường cĩ nhiều bảng tra gồm ¡ dịng, j cột Chúng là các phần tử cĩ kiểu khác nhau (thực, nguyên, ký tự ) nhưng cĩ quan hệ với nhau Để cĩ thể sử dụng các bảng này trong tính tốn thiết kế cần ghi các số liệu của bảng lên một thiết bị nhớ ngồi (đĩa cứng, đĩa mềm) bằng cách dùng dữ liệu kiểu bản ghi (record) kết hợp với tệp bản ghi (file ofrecord) -

Cấu trúc dữ liệu kiểu bản ghi được mơ tả bắt đầu bằng record, tiếp đến là các trường và kết thúc là end Để thâm nhập vào các trường trong record và để gọi tên trường ngắn gọn hơn thường dùng lệnh with do

Thơng qua file của tiệp bản ghi, máy tính giao tiếp với bên ngồi nhờ cặp thủ tục mở tập tin, đối với TURBO PASCAL là cặp thủ tục:

Assign(biến_ tệp, tên_ tệp); Rewrite(bién_tép);

sau đĩ gửi dữ liệu đến các thiết bị ngồi hoặc cập nhật thơng tin từ bên ngồi và cuối cùng, để khơng bị mất thơng tin, cần đĩng các tập tin lại nhờ thủ tục:

Close (biến_ tệp);

Vì các bảng tra khác nhau ở số lượng các trị số và dữ liệu (số dịng và số cột), ở kiểu của các dữ liệu (nguyên, thực, chuỗi, mảng ), do đĩ nếu ứng với mỗi một bảng lại viết một chương trình để nạp số liệu và lấy số liệu ra thì sẽ khơng tiện lợi và tốn bộ nhớ Vì vậy cần

tìm cách thống nhất hĩa và quy cách hĩa các bảng để từ đĩ cĩ thể mơ tả chúng bằng một vài

đạng record

Trang 31

bảng chỉ gồm các con số;

- bản ghi hai trường, gồm biến chữ và biến số với định nghĩa biến chữ là một mảng xau ky tu (chang han be: array [1 s] of string [10]) và biến số là một mảng số thực (bs: array {[0 n] of real), trong đĩ s, n- số nguyên Bản ghi này được dùng để ghi các bảng gồm chữ và con số

Từ các bảng số liệu trên đĩa, để lấy ra một hoặc nhiều giá trị cần thiết phục vụ tính tốn thiết kế, cần phải tìm ra cách tra bảng thích hợp Thơng thường khi đọc một tệp dữ liệu, con trỏ được đặt ở vị trí đầu tiên (số hiệu đầu tiên của record là 0), mỗi biến được đọc lần lượt từ file trên đĩa và sau mỗi lần đọc, con trỏ tự động di chuyển tới vị trí (số hiệu) tiếp theo của record Rõ ràng là ở đây khơng thể áp dụng cách truy xuất ngẫu nhiên mà phải tìm ra các điều kiện tra bảng và dựa vào đĩ để ghi ra các số liệu cần cho tính tốn

Nhưng điều kiện tra bảng liên quan đến tính chất của các số liệu và số lượng các yếu tố mà số liệu này phụ thuộc Về mặt tính chất, số liệu cĩ thể biểu thị:

a) Các đặc trưng cơ học (ứng suất cho phép, giới hạn bền, giới hạn chảy ) phụ thuộc vào vật liệu, phương pháp nhiệt luyện, kích thước phơi

b) Các thơng số như mơđun, đường kính bánh đai, bước xích, kích thước ổ lăn Chúng là một dãy trị số tiêu chuẩn của một chi tiết hồn chỉnh

c) Giá trị bằng số của hệ số tải trọng, hệ số chế độ sử dụng Chọn giá trị nào là phụ thuộc vào trị số tính tốn (trị số danh nghĩa), được xác định tùy thuộc vận tốc, cấp chính xác, điều kiện thí nghiệm v.v

Như vậy khi soạn thảo các program tra bảng cần dựa vào số lượng yếu tố mà số liệu cần tra của bảng phụ thuộc, đồng thời cần dựa vào tính chất của số liệu đĩ Cĩ thể đưa về các dạng tra bảng sau đây:

- dựa vào một yếu tố (trị số danh nghĩa) để tra, với điều kiện giá trị tra được trong bảng phải lớn hơn hoặc bằng giá trị danh nghĩa (thí dụ dựa vào cơng suất tính tốn để tra ra bước xích) - bảng 7.5;

- dựa vào trị số tính tốn để tra ra giá trị gần nhất trong dãy trị số tiêu chuẩn;

- dựa vào một trị số để tra hai giá trị ở hai dịng hoặc dựa vào hai trị số để tra ra bốn giá trị ở hai dịng hai cột, sau đĩ nội suy để xác định trị số cần tìm (tra các hệ số - thí dụ tra hệ số Kup ở bảng 5.4 (hệ số Yg ở bảng 5 10);

- dựa vào hai trị số tính tốn để tra ra một loạt các thơng số (cách tra ổ lăn);

- dựa vào các biến chữ (chẳng hạn tên vật liệu và cách nhiệt luyện) và biến số (chẳng

hạn tiết diện phơi) để tra ra cơ tính của vật liệu chế tạo bánh răng (bảng 6.1) [1] 3.1.2 Sử dụng tập tin văn bản để vào ra dữ liệu

Trang 32

write(' x ='); readIn(x) ;

đồng thời kết quả tính tốn (số liệu đầu ra) cũng được viết ra màn hình nhờ thủ tục: write(’ x =', x) hoac writeln(' x =', x)

Cách vào dữ liệu như vậy khơng thuận lợi vì mỗi lần sửa lỗi chương trình lại phải gõ lại dữ liệu qua bàn phím, tốn thời gian Mặt khác khi thiết kế các chương trình lớn, dữ liệu đầu vào của các chương trình con sẽ khơng như nhau, một số kết quả tính tốn ở chương trình này trở thành đữ liệu tính tốn của chương trình sau, các trị số tính tốn cĩ thể thay đổi hoặc khơng đổi trong suốt quá trình tính tốn Trái lại, nếu nạp các dữ liệu này vào những

file trên đĩa thì khi sử dụng cĩ thể gọi trực tiếp ra để kiểm tra trước khi dùng hoặc thay đổi

bổ sung thêm số liệu rồi mới gọi ra để dùng, như vậy vừa thuận lợi, vừa đảm bảo độ tin cậy của các kết quả tính tốn

Sử dụng tập tin văn bản, cịn gọi là tệp văn bản (text file) sẽ đáp ứng được yêu cầu trên đây của người thiết kế

Đặc điểm của tập tin văn bản:

- Tệp văn bản được định nghĩa với từ chuẩn TEXT Nĩ được tổ chức thành timg dong

với độ dài mỗi dịng khác nhau Vì vậy cĩ thể coi tệp văn bản gần đúng là tệp bản ghi cĩ độ

đài thay đổi

- Tuy tệp văn bản chứa các ký tự nhưng nhờ các thủ tục readin và writeln cĩ thể đọc và ghỉ cả số nguyên, số thực, xâu ký tự (string) hoặc biến logic (boolean) nhờ sự chuyển đổi thích hợp các giá trị này sang các dãy ký tự Nĩi cách khác cĩ thể đọc tệp văn bản như trên trang viết thơng thường, điều này khơng thể thực hiện trên tệp bản ghi

- Cĩ thể viết từng biến bạ, b; hoặc viết đồng thời một số biến vào biến tệp (file var) Vào ra số liệu và kết quả tính tốn

Dữ liệu tính tốn cĩ thể là số liệu ban đầu, số liệu chuyển tiếp, kết quả từng phần và kết quả cuối cùng được ghi vào tệp văn bản với một số tên tệp khác nhau Số lượng tên tệp trong tệp văn bản phụ thuộc vào độ lớn của chương trình và cách phân chương trình lớn này

thành các chương trình con độc lập để tính

Cĩ thể tổ chức tập tin văn ban theo cdc dang sau đây:

a) Vào số liệu qua bàn phím rồi viết vào tệp văn bản, trong đĩ tệp văn bản được mở đầu và kết thúc như tệp bản ghi Khi viết vào tệp cần chú ý dùng thủ tục writeln(tên_ tệp) nhằm thực hiện việc đưa thêm dấu hết dịng vào tệp, đồng thời khi viết số thực phải cho trường với độ dài đủ đảm bảo cho các số liệu tách biệt nhau, nếu khơng số liệu đọc ra sẽ bị sai

b) Nhập kết quả tính tốn vào tệp kết quả Ở đây vì đã cĩ sắn số liệu do đĩ cĩ thể viết luơn vào tệp sau khi đã mở tệp (cũng bằng cặp thủ tục assingn, rewrite như tệp bản ghi) và cuối cùng tệp cũng được đĩng lại nhờ thủ tục close(biến_ tệp)

c) Bổ sung kết quả tính tốn vào tệp văn bản đã cĩ Ở đây cần mở tập tin cĩ sẵn để viết thêm vào, nhờ cặp thủ tục:

Trang 33

Assign(biến_ tệp, tên_ tệp); Append(biến_ tệp);

Phần cịn lại cũng thực hiện như khi nhập kết quả d) Gọi số liệu từ tệp tin trên đĩa bằng cặp thủ tục: Assign(biến_ tệp, tên_ tệp); Reset(bién_tép); rồi viết ra màn hình nhờ cặp thủ tục: Readln(biến_ tệp, tên _ biến); Writeln(tên _biến);

Cũng như khi viết vào, cĩ thể gọi ra một biến hoặc gọi ra lần lượt một số biến, song cần đảm bảo thứ tự gọi ra phải giống với thứ tự ghi vào

3.1.3 Tập tin đáp bản và vấn đề tự động hĩa thiết kế

Nhờ khả năng đọc được các lệnh từ một tập tin văn bản, AutoCAD cho phép thực hiện một chuỗi lệnh định trước thơng qua từng nội dung đối thoại ứng với mỗi lệnh, tức là thơng qua chuỗi đối thoại - được gọi là tập tin đáp bản (script file)

Như vậy từ kết quả tính tốn thiết kế chi tiết máy dưới dạng các tập tin văn bản, nếu dùng tập tin đáp bản, kết cấu của chi tiết máy sẽ được thể hiện bằng ban vé do AutoCAD thực hiện một cách tự động

Khi sử dụng tập tin đáp bản cần lưu ý những điểm sau đây:

a) Tên tập tin đáp bản gồm tên riêng và phần mở rộng là loại scr, tức loại đáp bản (script) b) Để AutoCAD đọc chuỗi lệnh trong tập tin đáp bản và tuần tự thực hiện dùng dạng lệnh: Command: Script Script file:

trong đĩ ở dịng nhắc 'Script file' chỉ ghi tên riêng của tệp mà khơng cĩ phần mở rộng scr c) Để tạo ra tập tin đáp bản, trước hết cần mở tập tin bằng cặp thủ tục:

Assign(biến_tệp, tên_ tệp); Rewrite(biến _ tệp);

trong đĩ tên tệp được ghi đầy đủ (tên riêng và phần mở rộng scr) Sau đĩ lần lượt ghi vào tệp các nội dung đối thoại Chẳng hạn cần vẽ vịng trịn tại toạ độ X, Y với bán kính R thì ghi:

Writeln(biến_ tệp, 'Circle, ',X:a:b,',,ÝY: a: b,".R:a:b);

Trang 34

Như vậy bằng cách kết hợp các tập tin văn bản ghi kết quả tính tốn với tập tin đáp bản ghi các lệnh vẽ với các tọa độ và kích thước phụ thuộc vào kết quả tính tốn, người thiết kế cĩ khả năng:

- thể hiện các kết quả tính tốn trực tiếp và nhanh chĩng bằng bản vẽ kỹ thuật, qua đĩ cĩ thể nhận biết độ chính xác và độ tin cậy của phép tính và các giải pháp thiết kế, từ đĩ cĩ

thể thay đổi, bổ sung kịp thời, làm cho bản thiết kế hồn chỉnh hơn;

- tạo ra các chương trình vẽ các bản vẽ chung, bản lắp và bàn vẽ chế tạo tồn máy, từng bộ phận máy và từng chi tiết máy ứng với các phương án điển hình, khi dùng chỉ cần thay đổi các dữ liệu vào là nhanh chĩng cĩ được bản thiết kế, khơng mất nhiều thì giờ đối thoại qua bàn phím với máy

3.1.4 Tập tin dung cho AutoLISP

Cũng nhằm tự động hĩa thiết kế, đồng thời làm tăng hiệu quả của AutoCAD, người ta su dung AutoLISP làm việc trong mơi trường AutoCAD

Khi sử dụng tập tin dùng cho AutoLISP (dưới đây gọi tắt là tập tin AutoLISP) cần lưu ý: a) Mỗi tập tin cũng như một chương trình viết bằng ngơn ngữ AutoLISP thường gồm các phần: mơi trường làm việc, chương trình chính và chương trình con Các chương trình chính và chương trình con cĩ cấu trúc giống nhau và đều ở dạng biểu thức Mỗi một biểu thức trong LISP đều được mở đầu bằng dấu ngoặc đơn ”(" với từ (Command và kết thúc bằng đấu ")" Các dấu ngoặc đơn này cĩ thể đặt trên cùng một dong hoặc khác dịng Thí dụ:

(Command "CIRCLE" "10, 10" "0.25")

miêu tả việc vé vong tron tam 6 vi tri 10, 10 va ban kính là 0,25 đơn vị

b) Mỗi một dấu trắng được thể hiện bằng một cặp dấu ngoặc kép ” ", cĩ bao nhiêu dấu trắng thì viết bấy nhiêu cặp Cặp dấu ngoặc kép cũng được dùng để đặt các lệnh của AutoCAD, các con số như ở thí dụ trên

c) Muốn vẽ tự động bằng các lệnh của AutoLISP, cần ghi tập tin này vào một file cĩ tên riêng và phần mở rộng lsp Chẳng hạn mở một file cĩ tên gọi "BR.lsp" để ghi các lệnh vẽ chế tạo bánh răng

đ) Sau khi khởi động AutoCAD, dùng chuột bấm lần lượt: Tools Load Application BR.Lsp Load

bản vẽ chế tạo bánh răng cĩ tên là "BR.Lsp” sẽ được máy tính tự động thực hiện thơng qua các lệnh đã được soạn thảo trong chương trình

3.2 ỨNG DỤNG TIN HỌC ĐỂ HỒN THIỆN CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN THIẾT KẾ

Trang 35

kết cấu hợp lý nhất trên cơ sở so sánh, phân tích nhiều mặt trong suốt quá trình tính tốn thiết kế máy Nhiệm vụ đĩ rõ ràng được thực hiện tốt nhất nếu sử dụng các kiến thức tin học để lập trình tính tốn thiết kế máy trên máy vi tính

Phương pháp chung và các thuật tốn thường dùng khi lập trình thiết kế máy và chi tiết máy cĩ thể quy về:

1 Sử dụng vịng lặp lồng nhau với các biến điều khiển ¡, j, k cĩ kèm dấu là phương pháp thuận lợi để tìm ra giá trị thích hợp nhất của các thơng số cần xác định

Chẳng hạn sử dụng các vịng lập repeat until cĩ thể xác định được khoảng cách trục a„ và chọn các thơng số m, Z¿, q của bộ truyền trục vít sao cho a„ cĩ tận cùng là O và 5, sai lệch tỷ số truyền dưới 4%, hệ số dịch chỉnh bánh vít -0,7 < x < 0,7 với điều kiện Gh < [Øn] (xem thí dụ ở mục 6.5.3), hoặc thay đổi các thơng số của bộ truyền đai cho tới khi số đai z tính ra gần với số nguyên, như vậy đai sẽ bị quá tải hoặc thiếu tải khơng đáng kể

(chương 8) /

2 Kết hợp vịng lặp với lệnh lựa chọn case để tìm phương án thỏa đáng trong trường hợp khơng đảm bảo chỉ tiêư tính tốn (chẳng hạn chọn một trong các hướng xử lý khi ổ lăn

đã chọn khơng đảm bảo khả năng tải động - chương 12) Phương pháp này thể hiện đặc điểm

của tính tốn thiết kế chi tiết máy theo hai bước: tính thiết kế và tính kiểm nghiệm; ở đây các thơng số và kích thước chi tiết máy được xác định sơ bộ trong bước tính thiết kế sẽ được xử lý và thay đổi cho tới khi kiểm nghiệm đạt yêu cầu

3 Đưa vào phương trình tính tốn các biến cĩ kèm dấu để xác định chiều của tải trọng (lực hoặc mơmen) tác dụng lên chi tiết máy Như trình bày ở các chương 5, 6, 10, các lực ăn khớp được phân tích thành ba phần vuơng gĩc với nhau, chiều của chúng phụ thuộc vào hướng răng (phải hay trái) chỉ tiết đang xét (bánh răng, bánh vít, trục vít) là chủ động hay bị động, quay cùng chiều hay ngược chiều kim đồng hồ Khi thay đổi một trong các thơng số trên, chiều của các lực sẽ thay đổi Bằng cách đưa vào phương trình tính lực các thơng số: hr, cb, cq và quy ước dấu cho chúng, sẽ xác định được chiều của các lực ứng với các trường hợp cụ thể [(xem (10.1), (10.2) và (10.3)]

4 Loại bỏ các thành phần khơng phù hợp trong phương trình tính tốn bằng cách soạn thảo và sử dụng các hàm (function) đặc biệt

Chẳng hạn để tính mơmen uốn tại một tiết diện của trục, cần tính tổng của tích các lực

Trang 36

điểm dat luc F[i];

sẽ loại trừ được những lực đứng sau tiết diện đang xét tính từ điểm gốc đã chọn

Tương tự, ta định nghĩa hàm "xoan" để tính mơmen xoắn cho các tiết diện của trục 5 Sắp xếp một dãy số theo thứ tự từ nhỏ đến lớn (hoặc ngược lại) để tiến hành vịng lặp tính tốn một loạt vị trí đã được đánh số khơng theo thứ tự

6 Tìm cực trị để chọn được giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong một dãy số phục vụ tính tốn (chẳng hạn lấy giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của kích thước làm căn cứ để xác định tỷ lệ hoặc khoảng chia sử dụng trong kỹ thuật đồ họa)

7 Dùng biến phụ kèm theo biến điều khiển j để vẽ các đường cong thay đổi bất kỳ

(chẳng hạn vẽ biểu đồ mơmen uốn hoặc mơmen xoắn trong trường hợp cĩ bước nhảy của

mơmen)

§ Số hĩa các dữ liệu, điều kiện (như vật liệu, phương pháp nhiệt luyện, cách đúc, phương pháp gia cơng ) để giảm thời gian đối thoại với máy

9 Sử dụng các phương pháp tính gần đúng như phương pháp dây cung, phương pháp đơn hình (Simplex) để giải các phương trình bậc cao hoặc hệ phương trình bậc cao (chẳng hạn để giải bài tốn phân phối tỷ số truyền cho các cấp trong hệ dẫn động cơ khi xuất phát từ một số chỉ tiêu như bơi trơn, kích thước gọn, khối lượng nhỏ )

Như vậy tính tốn thiết kế máy và chi tiết máy trên máy vi tính khơng những tiết kiệm được nhiều thời gian mà điều quan trọng hơn là tìm được lời giải hợp lý nhất cho bài tốn thiết kế, chọn được các thơng số và kích thước thích hợp nhất trên cơ sở sử dụng tối đa khả năng tải của chi tiết máy

3.3 XÂY DỰNG CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ

Các chương trình thiết kế máy và hệ dẫn động cơ khí thường khá đài, bao gồm nhiều chương trình con độc lập, các thủ tục và hàm, nhiều khi chương trình phát triển lớn hơn vùng RAM (bộ nhớ mà khi máy hoạt động cĩ thể ghi vào hoặc đọc ra các thơng tin) cĩ sẵn, tức là lớn hơn bộ nhớ tối thiểu của máy là 256 K Xây dựng các Units và Overlays sẽ giúp

người thiết kế tổ chức tốt chương trình và cùng với một vài biện pháp khác cĩ thể khắc phục

tình trạng tràn bộ nhớ

3.3.1 Tạo các Unit cho chương trình

Ngồi các Unit cĩ sắn trên máy như Crt, Graph , người lập trình cần tạo các Unit cho

chương trình của mình Mỗi Unit thường gồm 4 phần:

- Phần khai báo (để đặt tên cho Unit)

- Phần giao tiếp (Interface) để đặt các khai báo như Const, Type, Var cũng như các khai báo Procedure và khai báo Function

- Phần Implementation để đặt các khai báo riêng, thân procedure và thân function

Trang 37

- Phần khởi tạo cĩ thể cĩ hoặc khơng, bắt đầu bằng begin và kết thúc bằng end, giữa begin và end chèn các lệnh giống thân chương trình chính PASCAL thơng thường Trường hợp khơng dùng câu lệnh trước khi thực hiện chương trình chính thì bỏ chữ begin nhưng để lại chữ end với dấu chấm kết thúc

Sau khi soạn thảo xong unit (xem thí dụ 2) cần biên dịch unit vào tập tin trên đĩa cĩ phần mở rộng TPU, như thế sẽ khơng phải biên dịch lại unit này cho từng chương trình (biên dịch unit vào bộ nhớ tuy nhanh hơn nhưng các chương trình mẹ chỉ cĩ thể dùng unit khi đang tính tốn trong Turbo Pascal) Chú ý trước khi biên dịch vào đĩa cần đổi Compile: Destination tit Memory sang Disk

Ngồi việc gộp các thư viện chương trình, biến và các mục khác, các unit cịn cĩ ích khi viết các chương trình lớn, vì rằng khi phân chương trình thành nhiều unit riêng biệt sẽ

làm giảm đáng kể thời gian biên dịch

Khi soạn thảo các chương trình lớn, trước hết phân chương trình thành nhiều phần, mỗi phần nằm trong unit riêng rồi viết các program riêng và sau khi gỡ rối mới đổi từng program riêng thành unit, cuối cùng gắn vào chương trình chính

3.3.2 Overlays

Overlays là các unit nằm trên đĩa cho đến khi cần thiết sẽ nạp vào RAM Khi nạp chúng sẽ dùng chung vùng nhớ với các unit overlay khác Vì khơng cĩ giới hạn thực tế nào về số lượng của unit overlay cĩ thể nạp / nhả nên khơng cần giới hạn chương trình

Để soạn thảo các chương trình lớn cĩ dùng unit overlay, ta tiến hành như sau:

1 Đổi các unit thành unit overlay, muốn vậy hãy đưa dẫn hướng ($O+,F+} vào từng unit, ngay phía dưới tên của unit (chú ý chữ O hoa chứ khơng phải số 0) Dẫn hướng này cho biết trình biên dịch cĩ thể gọi các unit như các đơn thể overlay

2 Bién dich Overlay (tuong tu nhu bién dich unit)

3 Dua dẫn huéng {$0+, F+} lén dau chuong trinh, trudc tén cla program

4 Chỉ định overlay unit trong khai bdo uses citing cdc overlay unit riéng cla chương trình và đưa dẫn hướng ($O XI), {$O X2 } , với X1, X2 là tên của từng unit overlay,

chẳng hạn ghi:

Uses Overlay, crt, graph, X1, X2; (§O XI) {§O X2};

5 Ở ngay đầu của thân chương trình chính cần gọi tới OvrInit (' ') với tên của tập tin Overlay nằm trong hai dấu nháy (thường cùng tên với chương trình nhưng cĩ phần mở rộng

là OVR - xem thí dụ 3) để kiểm tra lỗi overlay

Trang 38

3.3.3 Xử lý các chương trình lớn

Các chương trình thiết kế máy là những chương trình lớn, khi soạn thảo thường được chia thành các đơn thể, các chương trình con tuy phức tạp nhưng khơng khĩ khăn về mặt tổ chức chương trình Tuy nhiên với giới hạn trên là 60000 ký tự, cần tìm giải pháp để trình xử lý văn bản của Turbo Pascal cĩ thể xử lý các chương trình lớn như vậy

1 Cách biên dịch các chương trình lớn: Tuy Turbo Pascal cĩ thể biên dịch các chương trình khổng lồ với hàng ngàn ký hiệu, nhưng nếu hệ thống đang sử dụng cĩ bộ nhớ cịn trống bị giới hạn thì trình biên dịch cĩ thể vượt ra ngồi phạm vi đĩ Để cĩ nhiều vùng trống hơn cĩ thể sử dụng nhiều giải pháp, nhưng nên áp dụng lần lượt các giải pháp sau đây để cĩ vùng trống lớn dần:

- Dùng trình biên dịch dịng lệnh TPC.EXE thay cho trình biên dịch kết hợp TURBO.EXE, khi đĩ tất cả bộ nhớ mà trình soạn thảo và trình gỡ rối chiếm giữ sẽ được dùng cho trình biên dịch Muốn vậy hãy nạp chương trình vào ổ chủ, từ ổ chủ gõ TPC < tên chương trình >

- Thay đổi thiết trí Options-Linker-Link bujfer của trình biên dịch kết hợp từ Memory sang Disk Lúc này thời gian biên dịch sẽ bị kéo dài nhưng giải tỏa được bộ nhớ mà trình biên dịch sử dụng lúc liên kết

- Tổ chức chương trình thành các unit và chỉ đặt các ký hiệu với số lượng nhỏ nhất trong phần giao tiếp với unit, như vậy sẽ giảm được tổng số ký hiệu chứa trong bộ nhớ

2 Sit dung thi tuc Exec cia Dos Unit: tién hanh như sau:

- Chia chương trình lớn thành các đơn thể (các chương trình con làm việc độc lập) Chúng được thiết kế, biên dịch và kiểm tra độc lập nhưng cĩ liên hệ với nhau thơng qua các: file đữ liệu (kết quả tính tốn ở đơn thể này là dữ liệu tính cho đơn thể kia)

- Viết các trình điều khiển để gọi từng đơn thể Ở đây thủ tục Exec cần hai tham số

chuỗi để truyền tên của chương trình con cần chạy: Exec(path, cmdLine : string);

trong đĩ path là tên của chương trình EXE hay COM cần chạy; cmđdLine giữ bất kỳ thơng tin nào cần truyền sang chương trình; trường hợp khơng cĩ truyền thơng tin thì để hai dấu nháy Thí dụ ghi:

Exec (‘C: command COM ',' `);

- Để hạn chế sử dụng bộ nhớ cần đưa vào dịng đầu của chương trình dẫn hướng biên địch đặc biệt sau đây:

{$M stacksize, heapmin, heapmax }

trong đĩ stacksize là số bytes cĩ phạm vi từ thấp là 1024 đến cao là 65520; các giá trị heapmin và heapmax kiểm sốt vùng nhớ cịn trống bé nhất và lớn nhất

Trang 39

Chẳng hạn cĩ thể ghi:

{$M 4000,0,0}; vào dịng đầu của chương trình lớn

Lưu trữ các chương trình con độc lập và chương trình lớn gồm nhiều đơn thể trong tập tin PAS rồi biên dịch thành EXE

Trang 40

20: begin 21: write(‘bs[', ] 5] ='); 22: read(bs[j]) ; 23: end ; 24: end ; 25: write(filetk, sogi) ; 26: i:=zitl1; 27: end ; 28: close(filetk) ; 29: end Chú thích: - Dịng 11: mở một file để gán tệp cho một biến kiểu file Một file cĩ tên là filetk đã được tạo ra và sẵn sàng xử lý

- Dịng 12: con trỏ của file bát đầu để viết vào một ơ trên đĩ 1a

- Dong 16: dich chuyển con tré téi thanh phan thiti của file (vị trí đầu tiên là 0)

Thí dụ 2: Soạn thảo unit tra số liệu từ bảng trên đĩa chỉ gồm các con số Unit này gồm nhiều cách tra, trong đĩ trình bày rõ procedure tra bảng theo phương pháp nội suy để lấy ra một trị số Giải: Unit trabang ; Uses crt ; Interface ;

Tyfe ten = string [10] ;

mata = array [0 8] of real ; thongso = record bs: mata ; end ; Var sogi : thongso ; filetk: file of thongso ; err anryenn i: integer ; ơ - â traxong : boolean ;

ne tỳ Procedure trans(j, k : integer ; sv : real ; tenfile : ten ; var sr: real) ;