BẢI GIẢNG CHI TIẾT MÁY

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Sư phạm sử Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 1 Chươ ng 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢ N TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY 1. Các khái niệm cơ bản – môn học chi tiế t máy 1.1 Khái niệm chi tiết máy Khi chúng ta tháo rời một máy, một bộ phận máy sẽ nhận được những phần tử nhỏ của máy, ví dụ như: bu lông, đai ốc, bánh răng, trục. Các phần tử này không còn có thể tách rời được nữa và được gọi là chi tiế t máy. Có thể định nghĩa như sau: Chi tiết máy là phần tử cơ bản cấ u thành nên máy, có hình dạng và kích thước xác định, có công dụng nhất đị nh trong máy. Chi tiết máy có thể phân thành 2 nhóm: + Nhóm chi tiết máy có công dụng chung. Bao gồm các chi tiết máy được sử dụng trong nhiều loại máy khác nhau. Trong các loại máy khác nhau, chi tiế t máy có hình dạng và công dụng như nhau. Ví dụ: bánh răng, khớp nối, trục, bu lông, ổ lă n … + Nhóm chi tiết máy có công dụng riêng. Bao gồm các chi tiết máy chỉ được sử dụng trong một loại máy nhất định. Trong các lọai máy khác nhau, hình dạng hoặ c công dụng của chi tiết máy là khác nhau. Ví dụ: trục khuỷu, tua bin, vỏ hộp giảm tố c, thân máy … Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các chi tiết máy có công dụng chung. 1.2 Nhiệm vụ, tính chất, vị trí môn học Chi tiết máy Chi tiết máy là khoa học về thiết kế hợp lý các chi tiết máy có công dụ ng chung. Môn học chi tiết máy vừa mang tính chất lý thuyết vừa gắn liền với các kết quả thự c nghiệ m. Chi tiết máy là một trong những môn học cơ sở của chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí nói chung, là cầu nối giữa kiến thức khoa học cơ bản, cơ sở và các kiến thứ c chuyên môn. 2. Tải trọng và các dạng ứng suấ t 2.1 Tải trọng Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm: lực, mô men và áp suất. Tả i trọng là đại lượng véc tơ, được xác định bởi các thông số: cường độ, phương, chiều, điểm đặt và đặc tính của tải trọng. Trong đ ó: Lực, được ký hiệu bằng chữ F, đơn vị đ o là N, 1 N = 1 kg.ms. Mô men uốn, ký hiệu là Mu, đơn vị đ o là Nmm. Mô men xoắn, ký hiệu là Mx, đơn vị đ o là Nmm. Áp suất, ký hiệu là p, đơn vị đ o là MPa, 1 MPa = 1 Nmm 2 . Theo đặc tính thay đổi theo thời gian, ta có: + Tải trọng không đổi (tĩnh): là tải trọng có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thời gian, hoặc thay đổi không đáng kể, ví dụ bản thân trọng lượng củ a chi tiết máy. Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 2 + Tải trọng thay đổi: là tải trọng có ít nhất một trong ba đại lượng (phươ ng, chiều, cường độ) thay đổi theo thời gian. Trong thực tế tính toán chi tiết máy, thườ ng gặp loại tải trọng có cường độ thay đổi. Sự thay đổi này có thể diễn ra dần dần hay đột ngột. Tải trọng đột nhiên tă ng mạnh rồi giảm ngay trong khoảnh khắc gọi là tải trọng va đậ p. Tải trọng danh nghĩa: là tải trọng tác dụng lên chi tiết máy theo lý thuyết. Hình 1. Các loại tải trọng Tải trọng tính: là tải trọng lớn hơn tải trọng danh nghĩa. Phần tải trọng tă ng thêm này có thể do rung động, hoặc do tải trọng tập trung vào một phần của chi tiế t máy. Chi tiết máy phải được tính toán thiết kế sao cho phần chịu tải lớn hơn để không bị thiếu bền, tải trọng này được gọi là tải trọ ng tính. Tải trọng tương đương: là tải trọng không đổi quy ước, tương đương với chế độ tả i trọng thay đổi tác dụng lên chi tiết máy. 2.2 Ứng suất Ứng suất là ứng lực xuất hiện trong các phần tử của chi tiết máy, khi nó chị u tác dụng của tải trọ ng. Ứng suất là đại lượng véc tơ, nó được xác định bởi phương, chiều, cường độ. Đơn vị đo của ứng suất là MPa, 1 MPa = 1 Nmm 2 . Tương ứng với các tải tác dụng, ứng suất được phân thành các loạ i: + Ứng suất kéo, ký hiệu là σk , + Ứng suất nén, ký hiệu là σn , + Ứng suất uốn, ký hiệu là σu , + Ứng suất tiếp xúc, ký hiệu là σ tx , hoặc σH , + Ứng suất dập, ký hiệu là σd , + Ứng suất xoắn, ký hiệu là τx , + Ứng suất cắt, ký hiệu là τ c . Ngoài ra, ứng suất còn được phân thành ứng suất không đổi và ứng suất thay đổ i: + Ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh): là ứng suất có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thờ i gian. + Ứng suất thay đổi: là ứng suất có ít nhất một đại lượng (phương, chiề u, cường độ) thay đổi theo thời gian. Ứng suất có thể thay đổi bất kỳ hoặc thay đổ i có chu kỳ. Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 3 Ưng suất thay đổi được đặc trưng bằng chu trình thay đổi ứng suất: một vòng 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 suấ t. Thời gian thực hiện một chu trình ứng suất gọi là một chu kỳ ứng suấ t. Một chu trình ứng suất được xác định bởi các thông số: Ứng suất lớn nhất σmax Ứng suất nhỏ nhất σmin Ứng suất trung bình σ m : σm = (σmax + σ min ) 2 , Hình 2. Các loại ứng suất Biên độ ứng suất σ a : σa = (σmax - σ min )2 , Hệ số chu kỳ ứng suất r: r = σmax σ min , hoặc r = σmin σmax , khi σmin = 0. Căn cứ vào giá trị của hệ số chu kỳ ứng suất r, người ta chia ứng suất thành các loạ i: + Ứng suất thay đổi đối xứng, khi chu trình ứng suấ t có r = -1. + Ứng suất thay đổi không đối xứng, khi chu trình ứng suất có r ≠ 1, nếu σmin = 0 hay σ max = 0, chu trình ứng suất mạch độ ng. Với cùng một giá trị ứng suất như nhau, nhưng r khác nhau thì khả năng phá hủy vậ t liệu của ứng suất cũng khác nhau. Chi tiết máy chịu ứng suất tĩnh có tuổi thọ cao hơ n chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi mạch động, chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi đố i xứng có tuổi thọ thấp nhất. 3. Những chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiế t máy 3.1 Chỉ tiêu độ bền a. Định nghĩa Độ bền: là khả năng tiếp nhận tải trọng của chi tiết máy mà không bị phá hỏng. Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với phần lớn chi tiết máy: nếu chi tiế t máy không đủ bền thì bên trong xuất hiện biến dạng dư đủ lớn làm thay đổi hình dạ ng chi tiết máy, phá hoại điều kiện làm việc bình thường của máy, có thể phá hỏng ngay bả n thân của chi tiết máy: gãy, vỡ hoặc hư hại bề mặt làm việ c. Có hai dạng phá hỏ ng: + Phá hỏng tĩnh: do ứng suất làm việc vượt quá giới hạn bền tĩnh của vật liệ u, thường do quá tải đột ngột gây nên. Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 4 + Phá hỏng mỏi: do tác dụng lâu dài của ứng suất thay đổi có giá trị vượ t qua giới hạn bền mỏi của vật liệ u. Nghiên cứu độ bền thường gắn với thời hạn phục vụ hay tuổi thọ của chi tiết máy. b. Phương pháp tính Thông dụng nhất là so sánh ứng suất tính toán với ứng suất cho phép. Điều kiện bền có dạng: σ σ≤ τ τ≤ trong đó, , σ τ : là ứng suất sinh ra trong chi tiết máy khi chịu tải tính theo SBVL , σ τ : là ứng suấ t cho phép n: hệ số an toàn. c. Cách xác định ứng suất cho phép Xác định ứng suất cho phép bằng cách tra bảng. Bảng số liệu ứng suất cho phép được thiết lập bằng cách thí nghiệm, hoặc bằng những kinh nghiệm đúc kế t trong quá trình sử dụng chi tiết máy. Cách xác định này cho kết quả khá chính xác. Tính ứng suất cho phép theo công thức gần đúng: g h n σ σ = g h n τ τ = ,gh gh σ τ : là ứng suất giới hạ n Tùy theo từng trường hợp cụ thể ứng suất giới hạn có thể là giới hạn chảy (σch , τch), giới hạn bền (σb , τb), giới hạn mỏi (σr , τr), giới hạn mỏi ngắn hạn (σrN , τrN ) củ a vật liệu chế tạo chi tiết máy. d. Hệ số an toàn: Hệ số an toàn được xác định bằng cách tra bả ng. Hệ số có thể được xác định từ các hệ số an toàn thành phần: 1 2 3. .n n n n= Trong đó: n 1 : là hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứ ng suất, n 1 =(1,2 1,5). n 2: là hệ số xét đến độ đồng nhất về cơ tính của vật liệu. Đối với các chi tiế t máy bằng thép rèn hoặc cán lấy n 2= 1,5 , các chi tiết máy bằng gang có thể lấy n 2 = (2 2,5). n 3 : là hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn, đối với các chi tiế t máy quan trọng trong máy, hoặc có liên quan trực tiếp đến an toàn lao động, lấy n 3 = (1,2 1,5). Ứng suất cho phép cũng có thể được tính theo công thức thực nghiệm. 3.2 Chỉ tiêu độ cứng a. Định nghĩa : Độ cứng của chi tiết là khả năng của chi tiết máy cản lại biến dạng đàn hồi dướ i tác dụng của tải trọng. Có hai dạng độ cứng: độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc. b. Phương pháp tính Độ cứng thể tích Điều kiện : chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc không vượt quá giá trị cho phép. Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 5 + Chi tiết máy chịu tải trọng dọc trục : l EA l F l a Δ≤=Δ F a - lực kéo dọc trụ c l - chiều dài chi tiế t A - diện tích tiết diệ n E – modun đàn hồ i + Chi tiết chịu tác dụng của moment uốn : ff θ≤ θ ≤ + Chi tiết chịu moment xoắn : GJ Tl 0 ϕ≤=ϕ G – modun đàn hồi trượ t l - chiề u dài tính J0 – moment quán tính độc cực ϕ - góc xoắn tính toán Độ cứng tiếp xúc + Độ cứng tiếp xúc biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tiế p xúc + Độ cứng tiếp xúc j được xác định theo công thứ c: y F j n = với : F n - lự c nén y - đại lượng biến dạng do tiế p xúc Con lăn tiếp xúc với mặt phẳng: được xác định theo công thứ c Héc - Belaev: 3 2 2 n d E F 55,1y = d : đường kính con lă n + Trường hợp bề mặt nhấp nhô tiếp xúc nhau, khi chịu tải trọng thì các nhấp nhô bị biến dạng. Khi đó, độ cứng tiếp xúc được tính theo công thứ c Votinov: y Ap j 0 = p 0 – áp suất riêng tại chổ tiế p xúc A - diện tích tiế p xúc y - biến dạng tiếp xúc Bải giảng Chi tiết máy http:www.ebook.edu.vn Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 6 m 0Kpy = Khi p 0 = 0,1..0,5 chỉ số m và hệ số K như sau: K = 0,5..0,65; m = 0,5 khi cạo thô bề mặ t K = 0,25..0,3; m = 0,5 khi cạo thườ ng K = 0,15..0,2; m = 0,4..0,5 khi bào và mài tinh 3.2 Chỉ tiêu độ bền mòn a. Định nghhĩa Mòn: là sự thay đổi dần kích thước, hình dạng của các bề mặt tiếp xúc trượt tương đối với nhau do tác dụng của lực ma sát trong điều kiện bôi trơn không tố t. Độ bền mòn: là khả năng của chi tiết máy có thể làm việc được trong một khoả ng thời gian nhất định mà lượng mòn không vượt quá trị số cho phép. b. Phương pháp tính Tính toán đảm bảo ma sát ướt: tính toán sao cho khi làm việc hai bề mặt luôn đượ c ngăn cách bởi một lớp bôi trơ n. Tính toán giới hạn áp suấ t: Giữa áp suất p và quãng đường ma sát s có liên hệ theo hệ thứ c sau: . m p S const= Số mũ m phụ thuộc vào hệ số ma sát f của các bề mặt tiế p xúc. Giá trị của m lấy như sau: khi có ma sát nửa ướt (f = 0,01 0,09) lấ y m = 3, ma sát nửa khô (f = 0,1 0,3) lấ y m = 2, ma sát khô hoặc có hạt mài giữa h...

Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY 1 Các khái niệm cơ bản – môn học chi tiết máy 1.1 Khái niệm chi tiết máy _ Khi chúng ta tháo rời một máy, một bộ phận máy sẽ nhận được những phần tử nhỏ của máy, ví dụ như: bu lông, đai ốc, bánh răng, trục Các phần tử này không còn có thể tách rời được nữa và được gọi là chi tiết máy _ Có thể định nghĩa như sau: Chi tiết máy là phần tử cơ bản cấu thành nên máy, có hình dạng và kích thước xác định, có công dụng nhất định trong máy _ Chi tiết máy có thể phân thành 2 nhóm: + Nhóm chi tiết máy có công dụng chung Bao gồm các chi tiết máy được sử dụng trong nhiều loại máy khác nhau Trong các loại máy khác nhau, chi tiết máy có hình dạng và công dụng như nhau Ví dụ: bánh răng, khớp nối, trục, bu lông, ổ lăn … + Nhóm chi tiết máy có công dụng riêng Bao gồm các chi tiết máy chỉ được sử dụng trong một loại máy nhất định Trong các lọai máy khác nhau, hình dạng hoặc công dụng của chi tiết máy là khác nhau Ví dụ: trục khuỷu, tua bin, vỏ hộp giảm tốc, thân máy … Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các chi tiết máy có công dụng chung 1.2 Nhiệm vụ, tính chất, vị trí môn học Chi tiết máy _ Chi tiết máy là khoa học về thiết kế hợp lý các chi tiết máy có công dụng chung _ Môn học chi tiết máy vừa mang tính chất lý thuyết vừa gắn liền với các kết quả thực nghiệm _ Chi tiết máy là một trong những môn học cơ sở của chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí nói chung, là cầu nối giữa kiến thức khoa học cơ bản, cơ sở và các kiến thức chuyên môn 2 Tải trọng và các dạng ứng suất 2.1 Tải trọng _ Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm: lực, mô men và áp suất Tải trọng là đại lượng véc tơ, được xác định bởi các thông số: cường độ, phương, chiều, điểm đặt và đặc tính của tải trọng Trong đó: Lực, được ký hiệu bằng chữ F, đơn vị đo là N, 1 N = 1 kg.m/s Mô men uốn, ký hiệu là Mu, đơn vị đo là Nmm Mô men xoắn, ký hiệu là Mx, đơn vị đo là Nmm 2 Áp suất, ký hiệu là p, đơn vị đo là MPa, 1 MPa = 1 N/mm _ Theo đặc tính thay đổi theo thời gian, ta có: + Tải trọng không đổi (tĩnh): là tải trọng có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thời gian, hoặc thay đổi không đáng kể, ví dụ bản thân trọng lượng của chi tiết máy Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 1 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn + Tải trọng thay đổi: là tải trọng có ít nhất một trong ba đại lượng (phương, chiều, cường độ) thay đổi theo thời gian Trong thực tế tính toán chi tiết máy, thường gặp loại tải trọng có cường độ thay đổi Sự thay đổi này có thể diễn ra dần dần hay đột ngột Tải trọng đột nhiên tăng mạnh rồi giảm ngay trong khoảnh khắc gọi là tải trọng va đập _ Tải trọng danh nghĩa: là tải trọng tác dụng lên chi tiết máy theo lý thuyết Hình 1 Các loại tải trọng _ Tải trọng tính: là tải trọng lớn hơn tải trọng danh nghĩa Phần tải trọng tăng thêm này có thể do rung động, hoặc do tải trọng tập trung vào một phần của chi tiết máy Chi tiết máy phải được tính toán thiết kế sao cho phần chịu tải lớn hơn để không bị thiếu bền, tải trọng này được gọi là tải trọng tính _ Tải trọng tương đương: là tải trọng không đổi quy ước, tương đương với chế độ tải trọng thay đổi tác dụng lên chi tiết máy 2.2 Ứng suất _ Ứng suất là ứng lực xuất hiện trong các phần tử của chi tiết máy, khi nó chịu tác dụng của tải trọng _ Ứng suất là đại lượng véc tơ, nó được xác định bởi phương, chiều, cường độ Đơn vị đo của ứng suất là MPa, 1 MPa = 1 N/mm2 _ Tương ứng với các tải tác dụng, ứng suất được phân thành các loại: + Ứng suất kéo, ký hiệu là σ , k + Ứng suất nén, ký hiệu là σ , n + Ứng suất uốn, ký hiệu là σ , u + Ứng suất tiếp xúc, ký hiệu là σ , hoặc σ , tx H + Ứng suất dập, ký hiệu là σ , d + Ứng suất xoắn, ký hiệu là τ , x + Ứng suất cắt, ký hiệu là τ c _ Ngoài ra, ứng suất còn được phân thành ứng suất không đổi và ứng suất thay đổi: + Ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh): là ứng suất có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thời gian + Ứng suất thay đổi: là ứng suất có ít nhất một đại lượng (phương, chiều, cường độ) thay đổi theo thời gian Ứng suất có thể thay đổi bất kỳ hoặc thay đổi có chu kỳ Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 2 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn _ Ưng suất thay đổi được đặc trưng bằng chu trình thay đổi ứng suất: một vòng 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 gọi là một chu kỳ ứng suất _ Một chu trình ứng suất được xác định bởi các thông số: Ứng suất lớn nhất σ max Ứng suất nhỏ nhất σ min Ứng suất trung bình σ : σ = (σ + σ ) / 2 , mm max min Hình 2 Các loại ứng suất Biên độ ứng suất σ : σ = (σ - σ )/2 , aa max min Hệ số chu kỳ ứng suất r: r = σ / σ , max min hoặc r = σ / σ , khi σ = 0 min max min _ Căn cứ vào giá trị của hệ số chu kỳ ứng suất r, người ta chia ứng suất thành các loại: + Ứng suất thay đổi đối xứng, khi chu trình ứng suất có r = -1 + Ứng suất thay đổi không đối xứng, khi chu trình ứng suất có r ≠ 1, nếu σ = min 0 hay σ = 0, chu trình ứng suất mạch động max _ Với cùng một giá trị ứng suất như nhau, nhưng r khác nhau thì khả năng phá hủy vật liệu của ứng suất cũng khác nhau Chi tiết máy chịu ứng suất tĩnh có tuổi thọ cao hơn chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi mạch động, chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi đối xứng có tuổi thọ thấp nhất 3 Những chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiết máy 3.1 Chỉ tiêu độ bền a Định nghĩa _ Độ bền: là khả năng tiếp nhận tải trọng của chi tiết máy mà không bị phá hỏng Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với phần lớn chi tiết máy: nếu chi tiết máy không đủ bền thì bên trong xuất hiện biến dạng dư đủ lớn làm thay đổi hình dạng chi tiết máy, phá hoại điều kiện làm việc bình thường của máy, có thể phá hỏng ngay bản thân của chi tiết máy: gãy, vỡ hoặc hư hại bề mặt làm việc _ Có hai dạng phá hỏng: + Phá hỏng tĩnh: do ứng suất làm việc vượt quá giới hạn bền tĩnh của vật liệu, thường do quá tải đột ngột gây nên Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 3 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn + Phá hỏng mỏi: do tác dụng lâu dài của ứng suất thay đổi có giá trị vượt qua giới hạn bền mỏi của vật liệu _ Nghiên cứu độ bền thường gắn với thời hạn phục vụ hay tuổi thọ của chi tiết máy b Phương pháp tính _ Thông dụng nhất là so sánh ứng suất tính toán với ứng suất cho phép Điều kiện bền có dạng: σ ≤ [σ ] τ ≤ [τ ] trong đó, σ ,τ : là ứng suất sinh ra trong chi tiết máy khi chịu tải tính theo SBVL [σ ],[τ ] : là ứng suất cho phép n: hệ số an toàn c Cách xác định ứng suất cho phép _ Xác định ứng suất cho phép bằng cách tra bảng Bảng số liệu ứng suất cho phép được thiết lập bằng cách thí nghiệm, hoặc bằng những kinh nghiệm đúc kết trong quá trình sử dụng chi tiết máy Cách xác định này cho kết quả khá chính xác _ Tính ứng suất cho phép theo công thức gần đúng: [σ ] = σ gh n [τ ] = τ gh n σ gh ,τ gh : là ứng suất giới hạn Tùy theo từng trường hợp cụ thể ứng suất giới hạn có thể là giới hạn chảy (σch , τch), giới hạn bền (σb , τb), giới hạn mỏi (σr , τr), giới hạn mỏi ngắn hạn (σrN , τrN) của vật liệu chế tạo chi tiết máy d Hệ số an toàn: _ Hệ số an toàn được xác định bằng cách tra bảng _ Hệ số có thể được xác định từ các hệ số an toàn thành phần: n = n1.n2.n3 Trong đó: n1 : là hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất, n1=(1,2 ÷ 1,5) n2: là hệ số xét đến độ đồng nhất về cơ tính của vật liệu Đối với các chi tiết máy bằng thép rèn hoặc cán lấy n2= 1,5 , các chi tiết máy bằng gang có thể lấy n2 = (2 ÷ 2,5) n3 : là hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn, đối với các chi tiết máy quan trọng trong máy, hoặc có liên quan trực tiếp đến an toàn lao động, lấy n3 = (1,2 ÷ 1,5) _ Ứng suất cho phép cũng có thể được tính theo công thức thực nghiệm 3.2 Chỉ tiêu độ cứng a Định nghĩa: _ Độ cứng của chi tiết là khả năng của chi tiết máy cản lại biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng Có hai dạng độ cứng: độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc b Phương pháp tính _ Độ cứng thể tích Điều kiện : chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc không vượt quá giá trị cho phép Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 4 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn + Chi tiết máy chịu tải trọng dọc trục: Δl = Fal ≤ [Δl] EA Fa - lực kéo dọc trục l - chiều dài chi tiết A - diện tích tiết diện E – modun đàn hồi + Chi tiết chịu tác dụng của moment uốn: f ≤ [f ] θ ≤ [θ] + Chi tiết chịu moment xoắn: ϕ = Tl ≤ [ϕ] GJ 0 G – modun đàn hồi trượt l - chiều dài tính J0 – moment quán tính độc cực ϕ - góc xoắn tính toán _ Độ cứng tiếp xúc + Độ cứng tiếp xúc biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tiếp xúc + Độ cứng tiếp xúc j được xác định theo công thức: j = Fn y với : Fn - lực nén y - đại lượng biến dạng do tiếp xúc * Con lăn tiếp xúc với mặt phẳng: được xác định theo công thức Héc - Belaev: F2 y = 1,553 n E2d d : đường kính con lăn + Trường hợp bề mặt nhấp nhô tiếp xúc nhau, khi chịu tải trọng thì các nhấp nhô bị biến dạng Khi đó, độ cứng tiếp xúc được tính theo công thức Votinov: j = Ap0 y p0 – áp suất riêng tại chổ tiếp xúc A - diện tích tiếp xúc y - biến dạng tiếp xúc Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 5 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn y = Kp0m Khi p0 = 0,1 0,5 chỉ số m và hệ số K như sau: K = 0,5 0,65; m = 0,5 khi cạo thô bề mặt K = 0,25 0,3; m = 0,5 khi cạo thường K = 0,15 0,2; m = 0,4 0,5 khi bào và mài tinh 3.2 Chỉ tiêu độ bền mòn a Định nghhĩa _ Mòn: là sự thay đổi dần kích thước, hình dạng của các bề mặt tiếp xúc trượt tương đối với nhau do tác dụng của lực ma sát trong điều kiện bôi trơn không tốt _ Độ bền mòn: là khả năng của chi tiết máy có thể làm việc được trong một khoảng thời gian nhất định mà lượng mòn không vượt quá trị số cho phép b Phương pháp tính _ Tính toán đảm bảo ma sát ướt: tính toán sao cho khi làm việc hai bề mặt luôn được ngăn cách bởi một lớp bôi trơn _ Tính toán giới hạn áp suất: Giữa áp suất p và quãng đường ma sát s có liên hệ theo hệ thức sau: pm.S = const Số mũ m phụ thuộc vào hệ số ma sát f của các bề mặt tiếp xúc Giá trị của m lấy như sau: khi có ma sát nửa ướt (f = 0,01 ÷ 0,09) lấy m = 3, ma sát nửa khô (f = 0,1 ÷ 0,3) lấy m = 2, ma sát khô hoặc có hạt mài giữa hai bề mặt tiếp xúc (f = 0,4 ÷ 0,9) lấy m = 1 _ Các chi tiết máy bị mòn khi làm việc sẽ gây một số hậu quả sau: + Làm việc không chính xác + Giảm hiệu suất + Giảm sức bền chi tiết máy + Gây tiếng ốn do va đập các bộ phận c Các phương pháp giảm mòn sau + Sử dụng vật liệu giảm ma sát: đồng thanh, gang chịu mài mòn + Giảm tải cho bề mặt chịu ma sát, phân bố tải trọng đều trên bề mặt tiếp xúc tránh tập trung + Bôi trơn và làm nguội tốt, giảm độ nhám bề mặt, tính toán hợp lý vận tốc trượt để hình thành lớp dầu bôi trơn trên bề mặt ma sát + Hạn chế hạt mài rơi bề mặt ma sát bằng cách che chắn, hoặc trên bề mặt tạo những rãnh chứa hạt mài sinh ra trong quá trình làm việc Ngoài ra để tránh ăn mòn điện hóa, những bề mặt không làm việc của chi tiết máy cần được bảo vệ bằng cách phủ sơn chống gỉ, hoặc bằng phương pháp mạ 3.3 Chỉ tiêu chịu nhiệt a Tác hại của nhiệt Trong quá trình máy làm việc, công suất bị tổn hao do ma sát biến thành nhiệt năng đốt nóng các chi tiết máy Nhiệt độ làm việc cao quá giá trị cho phép, có thể gây nên các tác hại sau đây: Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 6 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn + Làm giảm cơ tính của vật liệu, dẫn đến làm giảm khả năng chịu tải của chi tiết máy + Làm giảm độ nhớt của dầu, mỡ bôi trơn, tăng khả năng mài mòn + Chi tiết máy bị biến dạng nhiệt lớn làm thay đổi khe hở trong các liên kết động, có thể dẫn đến kẹt tắc, hoặc gây nên cong vênh b Phương pháp tính toán Tính toán đon giản nhất là kiểm nghiệm điều kiện chịu nhiệt: θ ≤ [θ ] Trong đó: θ là nhiệt độ làm việc của máy, bộ phận máy [θ] là nhiệt độ cho phép của máy Nhiệt độ làm việc θ được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt: Ω=Ω +Ω 1 2 Trong đó: Ω là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian, khi máy làm việc, Ω = 860.(1 - η).P (kCal/h) η : hiệu suất làm việc của máy, P : công suất làm việc của máy, kW Ω là nhiệt lượng tỏa ra môi trường trong một đơn vị thời gian, kCal/h 1 Ω = k A (θ - θ ) (kCal/h) 1 tt 0 20 k : hệ số tỏa nhiệt ra môi trường, có thể lấy k = (7,5 15) kCal/m h C t t 2 A : diện tích tỏa nhiệt của máy, tính bằng m , t 0 θ : nhiệt độ môi trường làm việc của máy, C 0 Ω là nhiệt lượng do thiết bị làm mát tải ra ngoài trong một giờ, kCal/h 2 Thay vào phương trình cân bằng nhiệt, ta có công thức tính nhiệt độ làm việc θ như sau: θ = 860(1−η)P − Ω2 kt At Khi chi tiết máy không đủ chỉ tiêu chịu nhiệt, có nghĩa là θ > [θ], lúc đó cần tìm biện pháp xử lý Có thể chọn lại chất bôi trơn để tăng nhiệt độ cho phép [θ] Hoặc là giảm nhiệt độ làm việc θ bằng cách: + Tăng diện tích bề mặt tỏa nhiệt A , bằng cách dùng các gân, cánh tản nhiệt t + Tăng hệ số tỏa nhiệt k , bằng cách dùng quạt gió, hoặc phun nước t + Dùng các thiết bị làm mát 3.4 Chỉ tiêu ổn định dao động a Định nghĩa _ Độ ổn định dao động: là khả năng chi tiết có thể làm việc trong phạm vi tốc độ nhất định mà không bị rung quá giới hạn cho phép b Nguyên nhân và tác hại của dao động _ Chi tiết không đủ độ cứng, tốc độ làm việc cao và không cân bằng vật quay Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 7 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn _ Dao động gây nên tải trọng phụ làm chi tiết mau hỏng vì mỏi Trong một số trường hợp dao động làm giảm chất lượng làm việc của máy như: trên máy cắt kim loại nếu bị dao động sẽ làm giảm độ chính xác gia công và độ nhẵn bóng bề mặt c Phương pháp tính toán _ Chi tiết máy đủ chỉ tiêu chịu dao động, khi biên độ dao động của nó nhỏ hơn biên độ cho phép Trong thực tế, việc xác định chính xác biên độ dao động của một chi tiết máy là rất khó khăn Do đó, việc tính toán chỉ tiêu ổn định dao động được thay thế bằng việc tìm các biện pháp để hạn chế dao động của chi tiết máy: + Triệt tiêu các nguồn gây dao động: bằng cách cân bằng máy, hạn chế sử dụng các quy luật chuyển động qua lại trong máy, cách biệt máy với các nguồn rung động xung quanh + Cho chi tiết máy làm việc với số vòng quay khác xa với số vòng quay tới hạn (ứng với tần số riêng ω0) để tránh cộng hưởng + Thay đổi tính chất động lực học của hệ thống, để làm thay đổi tần số riêng ω0 + Dùng các thiết bị giảm rung… 4 Độ bền mỏi 4.1 Hiện tượng phá hỏng do mỏi – độ bền mỏi Đối với các chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi theo thời gian, sau một số chu kỳ sẽ có những vết nứt tế vi tại vùng chịu ứng suất lớn Khi số chu kỳ làm việc đến một giới hạn nào đó, số vết nứt và kích thước các vết nứt tăng lên dẫn đến phá hủy chi tiết máy Đó là hiện tượng phá hủy mỏi và khả năng của chi tiết máy cản lại sự phá hủy mỏi gọi là độ bền mỏi 4.2 Đường cong mỏi Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa giá trị ứng suất và số chu kỳ làm việc cho đến khi hỏng của chi tiết máy gọi là đường cong mỏi Trong đó: N : là số chu kỳ cơ sở O σ : giới hạn mỏi của vật liệu r m : mũ của đường cong mỏi σ : giới hạn mỏi ngắn hạn: N σ =K σ N N r K : hệ số tăng giới hạn mỏi N ngắn hạn: KN = m N0 N Hình 3 Đường cong mỏi 4.3 Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy a Vật liệu Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 8 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn Vật liệu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết máy Chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính cao, độ bền mỏi của chi tiết sẽ cao Vì vật liệu có cơ tính cao, thì khả năng xuất hiện các vết nứt sẽ khó khăn hơn Chi tiết máy bằng thép có độ bền mỏi cao hơn bằng gang Chi tiết máy bằng thép hợp kim có độ bền mỏi cao hơn bằng thép các bon thường Trong các loại thép thường, chi tiết máy bằng thép có hàm lượng các bon càng cao, độ bền mỏi của của chi tiết máy càng cao b Kết cấu của chi tiết máy Chi tiết máy có kết cấu phức tạp: có các bậc thay đổi kích thước đột ngột, có các lỗ, các rãnh, như trên Hình 1-10, sẽ làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy Lý do: tại những chỗ này có tập trung ứng suất, vết nứt sớm xuất hiện và phát triển khá nhanh c Kích thước của chi tiết máy Hình 4 Những nơi tập trung ứng sất Qua thí nghiệm người ta thấy rằng: với vật liệu như nhau, khi tăng kích thước tuyệt đối của chi tiết máy thì giới hạn bền mỏi của chi tiết máy giảm xuống Lý do: kích thước của chi tiết máy càng lớn, vật liệu càng không đồng đều, khả năng xuất hiện các khuyết tật trong lòng chi tiết máy càng nhiều Những vết nứt, rỗ xỉ, rỗ khí trong lòng chi tiết máy là những điểm có tập trung ứng suất, là những điểm bắt đầu cho sự phá hỏng vì mỏi d Công nghệ gia công bề mặt chi tiết máy _ Lớp bề mặt chi tiết máy thường là lớp chịu ứng suất lớn nhất, các vết nứt đầu tiên cũng hay xảy ra ở đây _ Những chi tiết máy qua nguyên công gia công tinh, có độ bóng bề mặt cao sẽ có độ bền mỏi cao hon những chi tiết máy chỉ qua nguyên công gia công thô _ Các bề mặt được gia công tăng bền như phun bi, lăn ép sẽ san bằng các nhấp nhô và làm chai cứng bề mặt, độ bền mỏi của chi tiết máy được nâng cao e Trạng thái ứng suất _ Chi tiết máy chịu ứng suất đơn có độ bền mỏi cao hơn khi chịu ứng suất phức tạp _ Trong các trạng thái ứng suất đơn, nếu σ < 0 (trạng thái ứng suất nén) chi tiết máy max có độ bền mỏi cao nhất, kế đến là trạng thái ứng suất kéo (có σ > 0), trạng thái ứng min suất vừa kéo vừa nén (r < 1) có độ bền mỏi thấp nhất 4.4 Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy _ Tìm cách giảm giá trị tuyệt đối của biên độ ứng suất Tránh cho chi tiết máy làm việc với trạng thái ứng suất có hệ số chu kỳ ứng suất r < 1 _ Kích thước của chi tiết máy không nên thay đổi một cách đột ngột, các bậc không nên lệch nhau nhiều, tại bậc có kích thước thay đổi đột ngột nên làm cung lượn, bán kính cung lượn càng lớn càng tốt Tránh khoét lỗ, làm rãnh trên chi tiết máy, nếu như không thật cần thiết Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 9 Bải giảng Chi tiết máy http://www.ebook.edu.vn _ Các bề mặt cần gia công với độ bóng cao, hoặc dùng các biện pháp tăng bền bề mặt Cần giữ cho bề mặt chi tiết máy không bị xước, không bị gỉ, không bị ăn mòn 5 Vật liệu chế tạo chi tiết máy 5.1 Những yêu cầu đối với vật liệu chế tạo chi tiết máy Khi chọn vật liệu chế tạo chi tiết máy, cần thỏa mãn 6 yêu cầu sau: 1 Vật liệu phải đảm bảo cho chi tiết máy có đủ khả năng làm việc: đủ bền, đủ cứng, đủ điều kiện chịu nhiệt, đủ điều kiện chịu dao động, vv 2 Vật liệu phải thỏa mãn yêu cầu về khối lượng, kích thước của chi tiết máy và của toàn máy 3 Vật liệu phải có tính công nghệ thích ứng với hình dạng và phương pháp gia công chi tiết máy, để công sức gia công là ít nhất 4 Vật liệu dễ tìm, dễ cung cấp, ưu tiên sử dụng vật liệu sẵn có ở địa phương, hoặc ở trong nước 5 Trong một máy cần sử dụng hạn chế số loại vật liệu, để dễ dàng cung cấp và bảo quản 6 Vật liệu được chọn có lợi nhất về giá thành sản phẩm, sao cho tổng cộng giá vật liệu, giá gia công, giá thiết kế và các phụ phí khác là thấp nhất 5.2 Các vật liệu thường dùng trong ngành chế tạo máy _ Kim loại đen: thép, gang _ Hợp kim màu: babíc thiết, chì; hợp kim kẽm chịu ma sát; hợp kim nhôm, đồng thanh, đồng thau _ Kim loại gốm: BK6, BK8, BK10, BK15, BK20, BK25, BK10-KC, BK20-KC, BK20K … _ Vật liệu phi kim loại: chất dẻo, amiăng, gỗ, da, cao su … 6 Khái niệm chung về tính toán, thiết kế chi tiết máy 6.1 Đặc điểm thiết kế _ Các công thức dùng trong tính toán thiết kế chi tiết máy có 3 loại: công thức chính xác, công thức gần đúng, và công thức thực nghiệm + Công thức chính xác, được xây dựng trên cơ sở lý thuyết Toán học và Vật lý học Sử dụng công thức chính xác, trong mọi trường hợp ta luôn nhận được kết quả đúng Trong lĩnh vực thiết kế chi tiết máy, các công thức loại này rất ít + Công thức gần đúng, được xây dựng trên cơ sở phải đặt ra các giả thiết Ví du: giả thiết vật liệu đồng chất, đẳng hướng, hoặc cứng tuyệt đối Kết quả tính toán được coi là chính xác khi điều kiện của bài toán trùng với các giả thiết Do đó, người ta đưa vào các hệ số để điều chỉnh độ chính xác của kết quả tính Loại công thức này rất phổ biến trong lĩnh vực thiết kế chi tiết máy + Công thức thực nghiệm, hoặc công thức kinh nghiệm Kết quả tính toán thiết kế bằng công thức thực nghiệm chỉ được chấp nhận, khi điều kiện của bài toán trùng với điều kiện thí nghiệm, hoặc trùng với kinh nghiệm sử dụng _ Thông thường phải tính sơ bộ trước, sau đó tính kiểm nghiệm lại _ Một chi tiết máy thường có rất nhiều kích thước, chỉ nên tính toán những kích thước của các tiết diện chính (bao gồm các tiết diện tham gia lắp ghép, tiết diện có gía trị ứng suất lớn, tiết diện hay xảy ra hỏng hóc) Các kích thước còn lại sẽ được chọn Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 10