Bài giảng - Cơ sở thiết kế máy và đồ án - Trần Ngọc Nhuần.pdf

Bài giảng - Cơ sở thiết kế máy và đồ án - Trần Ngọc Nhuần.pdfBài giảng - Cơ sở thiết kế máy và đồ án - Trần Ngọc Nhuần.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG










ThS TRẦN NGỌC NHUẦN

Nha Trang 3 – 2015

MỤC LỤC

Chương 1: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY Chương 2: MỐI GHÉP BẰNG HÀN

Chương 3: MỐI GHÉP BẰNG REN Chương 4: MỐI GHÉP BẰNG ĐINH TÁN Chương 5: MỐI GHÉP BẰNG ĐỘ DÔI - THEN - THEN HOA Chương 6: TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT

Chương 7: TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG Chương 8: TRUYỀN ĐỘNG TRỤC VÍT, VÍT - ĐAI ỐC Chương 9: TRUYỀN ĐỘNG XÍCH

Chương 10: TRUYỀN ĐỘNG ĐAI Chương 11: TRỤC

Chương 12: Ổ TRỤC Chương 13: KHỚP NỐI Chương 14: LÒ XO

3 20 33 48 56 70 78 124 150 178 192 215 228 236

Chương 1: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY A) Đại cương:

1.Máy, bộ phận máy và chi tiết máy: a)Máy:

Máy là công cụ lao động phức tạp, tập hợp nhiều cơ cấu thực hiện một chức năng nhất định

phục vụ cho lợi ích của con người Có thể chia thành 4 nhóm sau:

• Nhóm máy công tác: Mỗi máy thực hiện một công việc nhất định, thay thế lao động thủ công của

con người, máy hoạt động theo sự điều khiển của người sử dụng Ví dụ như: máy cày, máy mài, ô tô, máy bay, xe máy Bao gồm hai loại: máy vận chuyển, máy công nghệ

• Nhóm máy tự động: Bao gồm những máy công tác, họat động tự động theo một chương trình có

sẵn do con người điều chỉnh Ví dụ: dây chuyền đóng nắp chai bia tự động, máy tiện tự động, người máy, máy phay CNC

• Nhóm máy liên hợp: Mỗi máy là tập hợp của vài máy công tác, để thực hiện hoàn chỉnh một công

việc nào đó Ví dụ: máy gặt đập liên hợp, bao gồm một máy cắt, một máy đập và một máy phân

loại, ba máy liên kết với nhau tạo thành một máy

• Nhóm máy biến đổi năng lượng: Đó là các máy biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác Ví

dụ: động cơ điện biến điện năng thành cơ năng, máy phát điện biến cơ năng thành điện năng…

b)Các bộ phận của máy công tác:

• Bộ phận phát động 1, cung cấp nguồn động lực cho máy họat động Bộ phận phát động có thể

là động cơ điện, động cơ đốt trong, tay quay, bàn đạp Đây là bộ phận không thể thiếu được

trong một máy (hình 1.1)

• Bộ phận công tác 3, là bộ phận thực hiện chức năng quy định của máy, các máy khác nhau sẽ

có bộ phận công tác khác nhau Ví dụ: lưỡi cày trong máy cày, trục đá mài trong máy mài, trục chính và bàn xe dao trong máy tiện Các máy khác nhau có bộ phận công tác khác nhau Đây cũng là bộ phận không thể thiếu được của một máy

• Bộ phận truyền dẫn động 2, là bộ phận nối giữa bộ phận phát động và bộ phận công tác Bộ

phận truyền dẫn động có nhiệm vụ thay đổi tốc độ chuyển động, biển đổi quy luật chuyển động, thay đổi chiều chuyển động hoặc đảm bảo một khoảng cách nhất định giữa bộ phận phát động và bộ phận công tác Ví dụ: bộ truyền đai, bộ truyền xích, hộp tốc độ Trong một số loại máy đơn giản có thể không có bộ phận truyền dẫn động

c) Chi tiết máy:

Chi tiết máy là phần tử cơ bản đầu tiên cấu thành nên máy, có hình dạng và kích thước xác định, có công dụng nhất định trong máy và được chia thành hai 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, bulông, ổ lăn… (được nghiên cứu trong tài liệu này)

- 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…

2) Một số đặc điểm chú ý khi tính toán thiết kế chi tiết máy:

Khi xác định các kích thước của chi tiết máy, chúng ta cần chú ý một số điểm sau đây: - Tải trọng tác dụng lên chi tiết máy rất phức tạp, khó có thể xác định chính xác, do đó chúng ta chỉ xác định các thành phần tải trọng chính, các thành phần phụ được kể đến bằng hệ số điều chỉnh, gọi là hệ số tải trọng

- 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, khi sử dụng các công thức gần đúng cần chú ý là khi điều kiện của bài toán trùng với các giả thiết thì kết quả đáng tin cậy Nếu điều kiện của bài toán thiết kế càng xa với các giả thiết thì kết quả tính toán càng không đáng tin cậy Trong công thức gần đúng, người ta đưa vào các hệ số để điều chỉnh độ chính xác (hợp lý) của kết quả tính, kể đến sự sai lệch giữa điều kiện thực của bài toán và điều kiện giả thiết

+ Công thức thực nghiệm, hoặc công thức kinh nghiệm được xây dựng trên cơ sở thống kê những kết quả thu được từ thực nghiệm, hoặc từ kinh nghiệm sử dụng máy móc 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 Trong những điều kiện khác với thí nghiệm và kinh nghiệm thì không được sử dụng

- Có những kích thước của chi tiết máy được xác định chính xác chỉ qua một lần tính toán Cũng có những kích thước phải qua hai hoặc nhiều bước tính toán mới nhận được kết quả đúng, vì chưa đủ số liệu để tính chính xác ngay

- 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 giá trị ứng suất lớn, tiết diện hay xảy ra hỏng hóc) Các kích thước còn lại sẽ được chọn trong quá trình vẽ kết cấu của chi tiết máy Chọn theo điều kiện lắp ghép với các chi tiết khác, theo tính hợp lý, tính thẩm mỹ của kết cấu, hoặc theo kinh nghiệm của người thiết kế

- Trong mỗi bước tính thiết kế chi tiết máy, có thể có nhiều phương án cùng thỏa mãn yêu cầu của

đầu bài, chúng ta nên phân tích chọn 2 đến 3 phương án hợp lý nhất để tính toán tiếp tục Ở bước cuối

cùng, cần so sánh, chọn ra phương án tốt nhất làm kết quả thiết kế - Hiện nay có nhiều chương trình máy tính (phần mềm ứng dụng) dùng để tính toán và vẽ tự động các chi tiết máy, bộ phận máy, thậm chí cả máy Khi sử dụng, chúng ta cần phải chọn phần mềm thích hợp cho bài toán thiết kế, và phải nắm vững kiến thức thiết kế chi tiết máy thì mới sử dụng có hiệu quả các phần mềm ứng dụng nêu trên

3) Nội dung thiết kế máy: Bao gồm 7 bước:

1 Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của máy thiết kế 2 Lập sơ đồ chung toàn máy, sơ đồ các bộ phận máy Sơ đồ phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật cho trước

3 Xác định tải trọng tác dụng lên máy, bộ phận máy và từng chi tiết máy và đặc tính thay đổi của tải trọng theo thời gian

4 Chọn vật liệu chế tạo, tiến hành tính toán về mặt động học, động lực học, về khả năng làm việc, tính toán kinh tế, …, định hình dạng, kích thước tất cả các bộ phận và chi tiết máy

5 Lập quy trình công nghệ gia công từng chi tiết máy 6 Lập quy trình lắp ráp các bộ phận máy và lắp ráp toàn máy, thử nghiệm 7 Hoàn chỉnh, lập hồ sơ thiết kế cho máy Lập các bản vẽ, bản thuyết minh, tài liệu chỉ dẫn sử dụng và sửa chữa máy

4) Trình tự thiết kế chi tiết máy:

Thiết kế chi tiết máy là một phần công việc trong quá trình thiết kế máy, thường được tiến hành theo các bước sau:

1 Lập sơ đồ tính toán, trong đó các kết cấu đã được đơn giản hóa, các lực tác dụng được coi như tập trung hoặc phân bố theo một quy luật nào đó

2 Đặt các tải trọng lên sơ đồ tính toán chi tiết máy 3 Chọn vật liệu chế tạo chi tiết máy

4 Tính toán các kích thước chính của chi tiết máy theo các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiết

5 Dựa theo tính toán, chức năng làm việc, lắp ráp vẽ kết cấu cụ thể của chi tiết máy 6 Kiểm nghiệm chi tiết máy theo chỉ tiêu về khả năng làm việc Nếu không đảm bảo thì phải tăng kích thước, nếu quá dư bền thì phải giảm kích thước của chi tiết máy

7 Lập bản vẽ chế tạo chi tiết máy Trên đó thể hiện đầy đủ hình dạng, kích thước, dung sai, chất lượng bề mặt, vật liệu, phương pháp nhiệt luyện, các yêu cầu kỹ thuật về gia công, lắp rắp

5) Các yêu cầu chung đối máy và chi tiết máy:

* Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng (năng suất cao, hiệu suất cao,độ chính xác cao, tốn ít năng lượng, chi phí thấp )

* Khả năng làm việc (hoàn thành nhiệm vụ mà vẫn giữ được độ bền, không thay đổi kích thước và hình dạng, giữ được sự ổn định, có tính bền mòn, chịu được nhiệt và chấn động) * Độ tin cậy cao Độ tin cậy là tính chất của máy, bộ phận máy hoặc chi tiết máy thực hiện được chức năng đã định mà vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu về sử dụng trong suốt thời gian làm việc nào đó hoặc trong suốt quá trình thực hiện khối lượng công việc đã quy định Độ tin cậy được đặc trưng bởi xác suất làm việc không hỏng hóc trong một thời gian quy định hoặc trong suốt một qua trình thực hiện khố lượng công việc

* An toàn trong sử dụng * Tính công nghệ và tính kinh tế:

Máy có tính công nghệ cao, thể hiện ở chỗ:

- Kết cấu của máy phải phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất, - Kết cấu của các chi tiết máy đơn giản, hợp lý,

- Cấp chính xác và cấp độ nhám chọn đúng mức, - Chọn phương pháp chế tạo phôi hợp lý

Máy có tính kinh tế cao, thể hiện ở chỗ:

- Công sức và phí tổn cho thiết kế là ít nhất, - Vật liệu chế tạo các chi tiết máy rẻ tiền, dễ cung cấp, - Dễ gia công, chi phí cho chế tạo là ít nhất,

- Giá thành của máy là thấp nhất

B) TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT 1) Tải trọng:

Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm lực, mômen 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/s2) Mômen uốn, ký hiệu là M, đơn vị đo là Nmm

Mômen xoắn, ký hiệu là T, đơn vị đo là Nmm

Tùy theo tính chất tải trọng thay đổi theo thời gian, ta có các loại tải trọng sau:: - Tải trọng tĩnh (không đổi), là tải trọng có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thời

gian hoặc thay đổi không đáng kể (hình 1.3)

- Tải trọng thay đổi, là tải trọng có ít nhất một trong ba đại lượng (phương, chiều, cường độ)

thay đổi theo thời gian (hình 1.4).Tải trọng có thể thay đổi dần dần hoặc đột nhiên Tải trọng đột nhiên

tăng mạnh rồi giảm ngay trong khoảnh khắc gọi là tải trọng va đập

Trong tính toán người ta còn phân biệt: tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương và tải trọng tính toán:

- Tải trọng danh nghĩa (Qdn), là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác dụng lên chi tiết máy trong chế độ làm việc ổn định Thường chọn là tải trọng lớn nhất hoặc tải trọng tác dụng lâu dài

làm tải trọng danh nghĩa Tải trọng này được ghi chính thức trong bản thuyết minh của máy

- 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 Hay nói cách khác: khi tính toán chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi, chúng ta phải sử dụng một chế độ tải trọng không đổi tương đương với chế độ tải thay đổi về mặt sức

bền và tuổi thọ của chi tiết máy Ví dụ xét về tuổi thọ, nếu gọi tải trọng Qtđ là tải trọng tương đương, kN

là hệ số về tuổi thọ thì:

Qtđ = kN.Qdn Hệ số kN phụ thuộc vào đồ thị thay đổi tải trọng và tải trọng nào trong các tải trọng thay đổi này được chọn làm tải trọng danh nghĩa

- Tải trọng tính Khi làm việc, chi tiết máy, hoặc một phần nào đó của chi tiết máy phải chịu tải trọng lớn hơn tải trọng danh nghĩa Tải trọng tăng thêm 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 không bị thiếu bền Vì vậy trong tính toán, để xác định kích thước chi tiết máy người ta dùng tải trọng tính toán Về mặt nguyên tắc, cấu trúc của công thức xác định tải trọng tính toán có dạng:

Qt = Qtđ ktt kđ kđk = Qdn kN ktt kđ kđk (1.1)

ktt : hệ số xét đến sự phân bố không đều tải trọng trên các bề mặt tiếp xúc kđ : hệ số tải trọng động, gây nên bởi đặc điểm của các bộ phận truyền lực kđk : hệ số phụ thuộc vào điều kiện làm việc

2) Ứng suất:

Ứng suất là ứng lực xuất hiện trong các phần tử của chi tiết máy, khi chi tiết máy chịu 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

Ứng suất được phân ra làm hai nhóm: - Ứng suất pháp ký hiệu là σ Ứng suất pháp có phương trùng với phương pháp tuyến của phân tố được tách ra từ chi tiết máy

- Ứng suất tiếp ký hiệu là τ Ứng suất tiếp có phương trùng mặt phẳng của phân tố được tách ra từ chi tiết máy

Tương ứng với các tải tác dụng, ứng suất được phân thành các loại:

+ Ứng suất kéo, ký hiệu là σk, σP,

+ Ứng suất nén, ký hiệu là σn , + Ứng suất uốn, ký hiệu là σu, σF, + Ứng suất tiếp xúc, ký hiệu là σtx, σH, + Ứng suất dập, ký hiệu là σd ,

+ Ứng suất xoắn, ký hiệu là τx, + Ứng suất cắt, ký hiệu là τc - Ứng suất không đổi hay còn gọi là ứng suất tĩnh, là ứng suất có phương, chiều, cường độ

không thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi rất ít (hình 1.5)

- 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 Trong tính toán thiết kế chi tiết máy, chúng ta thường gặp loại ứng suất thay đổi có chu kỳ tuần hoàn, hoặc gần như là tuần hoàn

Một chu kỳ ứng suất được xác định bởi các thông số:

Ứng suất lớn nhất σmax, τmax

Ứng suất nhỏ nhất σmin, τmin

Ứng suất trung bình σm; τm; σm = (σmax + σmin) / 2 , τm = (τmax + τmin) / 2

Biên độ ứng suất σa; τa ; τa = (τmax - τmin)/2 , Hệ số chu kỳ ứng suất r; rσ = σmin / σmax ; rτ = τmin / τmax

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 mạch động, khi chu trình ứng suất có r = 0, r = - ∞ (hình 1.5b) + Ứng suất thay đổi đối xứng, khi chu trình ứng suất có r = -1 (hình 7.5c)

+ Ứng suất tĩnh là trường hợp đặc biệt của ứng suất thay đổi, có r = 1 (hình 1.5a) + Ứng suất thay đổi không đối xứng khi có r không thuộc các loại trên (hình 1.5d) 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) Ứng suất tiếp xúc:

Ứng suất tiếp xúc sinh ra khi các chi tiết máy trực tiếp tiếp xúc nhau có tác dụng lực tương hỗ đối với nhau Trong kỹ thuật, ứng suất tiếp xúc sinh ra trên một diện tích tiếp xúc tương đối rộng và vuông góc với bề mặt tiếp xúc được gọi là ứng suất dập hoặc áp suất

Hình 1.6 trình bày sơ đồ ứng suất tiếp xúc sinh ra do tiếp xúc khít giữa một thanh hình trụ đường kính d với lỗ, chiều dài tiếp xúc l, chịu lực tác dụng F Ứng suất dập (tiếp xúc) được xem là

phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc và định theo điều kiện:

π

σαασ

ldF

d =σ (1.2) Trong trường hợp hai hình trụ có trục song song tiếp xúc với nhau, khi chưa chịu lực tác dụng thì hai hình trụ này tiếp xúc nhau theo đường Khi chịu lực, vùng tiếp xúc bị biến dạng và các hình trụ này tiếp xúc nhau theo một giải hẹp có bề

rộng là 2b (hình 1.7a) Ứng suất tiếp xúc phân bố theo hình

t

σmax = σmin = σm

σ

t r = 1

Hình 1.6

parabol trong mặt cắt ngang của giả tiếp xúc, trị số ứng suất cực đại tại điểm giữa được xác định: σH =ZMqn/2ρ (1.3)

ZM : hằng số đàn hồi của các vật liệu tiếp xúc:

)]1(E)1(E[

EE2Z

221212

21M

µµ

21

RR

RR

±×=ρ (1.5)

R1, R2 là bán kính cong tại chỗ tiếp xúc của chi tiết 1 và 2; dấu + ứng với trường hợp tâm cong

ở hai phía so với điểm tiếp xúc, dấu - ứng với trường hợp hai tâm cong ở về một phía Đối với vật liệu có µ = 0,25 ÷ 0,35, lấy trung bình µ = 0,3, ta có biểu thức (công thức Hez):

ρσH =0,418qnE với

21

21

EE

EE2E

+×= (1.6)

Khi hai vật tiếp xúc nhau tại một điểm và lực F tác dụng theo phương pháp tuyến thì:

σH =a3FnE2/ρ2 (1.7)

a - hệ số hình dạng vật tiếp xúc

Khi các hình trụ chịu tải và quay, từng điểm trên bề mặt của chúng lần lượt chịu tải và thôi tải

(hình 1.7c), ứng suất tiếp xúc tại chỗ tiếp xúc tuần hoàn với chu kỳ mạch động gián đoạn, do đó có

hiện tượng mỏi lớp bề mặt của chi tiết máy và làm xuất hiện các vết nứt nhỏ, khi các tiết máy làm việc

trong dầu, áp suất dầu trong các vết nứt sẽ gây ra hiện tượng tróc rỗ lớp kim loại bề mặt (hình 1.7b)

C) ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT: 1) Hiện tượng phá hỏng do mỏi

Khi chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh ứng suất sinh ra trong chi tiết vượt quá giá trị cho phép chi tiết máy sẽ bị hư hỏng hoàn toàn Tuy nhiên, phần lớn các chi tiết máy làm việc với suất thay đổi theo thời gian Thực tế chứng tỏ rằng chi tiết máy có thể bị phá hỏng

khi chịu ứng suất có giá trị thấp hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không thay đổi, hư hỏng này là hư hỏng do mỏi

Khi ứng suất tĩnh vượt quá giá trị ứng suất giới hạn, chi tiết máy bị phá hỏng đột ngột Vết gãy nhám và mới, quan sát

dưới kính hiển vi thấy rõ kết cấu hạt kim loại (Hình 7.8a)

(a) Hình 1.8 (b)

(b) Một vòng

quay

σH

tO

(c) Hình 1.7

I

II x

z

y b b R1

Quá trình hỏng do mỏi diễn ra từ từ, theo trình tự: - Sau một số chu kỳ ứng suất nhất định, tại những chỗ có tập trung ứng suất trên chi tiết máy sẽ xuất hiện các vết nứt nhỏ

- Vết nứt này phát triển lớn dần lên, làm giảm dần diện tích tiết diện chịu tải của chi tiết máy, do đó làm tăng giá trị ứng suất

- Cho đến khi chi tiết máy không còn đủ sức bền tĩnh thì nó bị phá hỏng - Quan sát vết gãy thấy rõ phần chi tiết máy bị hỏng do mỏi - bề mặt cũ và nhẵn - và phần chi

tiết máy bị hỏng do không đủ sức bền tĩnh - bề mặt mới và nhám (Hình 1.8b)

Chi tiết máy sẽ bị phá hỏng do mỏi, khi mà ứng suất sinh ra trong chi tiếtmáy (σ, τ) lớn hơn

ứng suất cho phép ([σ], [τ]) Giá trị ứng suất cho phép được chọn không những phụ thuộc vào cơ tính

của vật liệu chế tạo chi tiết máy, mà còn phụ thuộc vào số chu kỳ cần làm việc của chi tiết máy Số chu kỳ cần làm việc càng ít thì giá trị của ứng suất cho phép có thể chọn càng cao

Người ta đã làm các thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa giá trị ứng suất và số chu kỳ làm việc cho

đến khi hỏng của chi tiết máy, biểu diễn trên Hình 1.9

Đây chính là đường cong mỏi của chi tiết máy trong hệ

tọa độ Đề các NOσ

Trong đó:

NO: là số chu kỳ cơ sở σr : giới hạn mỏi của vật liệu

m : bậc của đường cong mỏi

σN : giới hạn mỏi ngắn hạn:

KN: hệ số tuổi thị m 0

N

NK

- Chi tiết máy chế tạo bằng vật liệu kim loại có độ bền mỏi cao hơn bằng vật liệu phi kim loại - Chi tiết máy được chế tạo bằng kim loại đen có độ bền mỏi cao hơn so với bằng hợp kim màu - 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

Độ bền mỏi của chi tiết máy bằng hợp kim màu phụ thuộc vào phương pháp chế tạo Chi tiết náy được chế tạo từ phôi dập có độ bền mỏi cao hơn Phôi đúc liên tục hoặc đúc dưới áp lực có độ bền mỏi cao hơn phôi đúc bằng phương pháp thông thường Nếu thép có lẫn nhiều tạp chất phi kim loại, tạo ra nhiều khuyết tật bên trong vật liệu, độ bền mỏi sẽ giảm

b - Hình dạng kết cấu:

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, bởi vì tại những chỗ này có sự tập trung

ứng suất, vết nứt sớm xuất hiện và phát triển khá nhanh Trong tính toán, ảnh hưởng của kết cấu đến sức bền mỏi của chi tiết máy được kể đến bằng hệ số điều chỉnh kσ, kτ , gọi là hệ số tập trung ứng suất

σN1

Hình 1.10

suất; còn σr , τr là giới hạn mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất

Giá trị của hệ số kσ và kτ có thể tra ở các bảng số liệu trong Sổ tay thiết kế cơ khí hoặc sách Bài tập chi tiết máy, theo hình dạng và kích thước cụ thể của những chỗ có tập trung ứng suất, trên từng loại chi tiết máy khác nhau

c - Kích thước tuyệt đối:

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

Bởi vì, khi đó 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 tăng 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

Để kể đến ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối, trong tính toán người ta đưa vào hệ số điều chỉnh εσ, ετ , gọi là hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối

Hệ số εσvà ετ được xác định bằng thực nghiệm, giá trị của nó có thể tra trong các sổ tay Thiết kế cơ khí hoặc sách Bài tập Chi tiết máy, theo kích thước và trạng thái chịu tải của chi tiết máy

εσ= σrd / σrdo ; ετ= τrd / τrdo

Trong đó σrd và τrd là giới hạn mỏi của chi tiết máy, có kích thước khác với kích thước của

mẫu chuẩn Mẫu chuẩn có đường kính do = 7 ÷10 mm

Nghiên cứu cho thấy rằng có thể tính hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối theo các công thức sau:

Đối với trục chịu uốn: 0,12

d- Công nghệ gia công bề mặt:

Công nghệ gia công bề mặt chi tiết máy quyết định trạng thái bề mặt của 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 Ảnh hưởng của công nghệ gia công lớp bề mặt đến sức bền mỏi của chi tiết máy có thể tóm tắt như sau:

- Những chi tiết máy qua nguyên công gia công tinh, có độ bóng bề mặt cao sẽ có độ bền mỏi cao

- Những chi tiết máy chỉ qua nguyên công gia công thô, bề mặt nhám, đầy nhấp nhô là những chỗ tập trung ứng suất, dễ xuất hiện các vết nứt, độ bền mỏi giảm

- 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

Ảnh hưởng của công nghệ gia công lớp bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy, được kể đến bằng hệ số trạng thái bề mặt β Giá trị của β có thể tra trong các Sổ tay thiết kế cơ khí hoặc sách Bài tập Chi tiết máy Có thể lấy gần đúng như sau: khi bề mặt chi tiết được mài nhẵn lấy β = 1, khi bề mặt

được gia công tăng bền lấy β > 1, bề mặt được gia công bằng các phương pháp khác lấy β < 1

e- Trạng thái ứng suất:

Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến sức bền mỏi của chi tiết máy có thể tóm tắt như sau: - 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 σmax < 0 (trạng thái ứng suất nén) chi tiết máy có độ

bền mỏi cao nhất, kế đến là trạng thái ứng suất kéo (có σmin > 0), trạng thái ứng suất vừa kéo vừa nén

có độ bền mỏi thấp nhất

3) Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy

Qua nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến sức bền mỏi của chi tiết máy, ta thấy độ bền mỏi của chi tiết máy có thể được nâng cao bằng các biện pháp sau:

- Tìm cách giảm giá trị tuyệt đối của biên độ ứng suất Tránh cho chi tiết máy làm việc với trạng thái ứng suất vừa kéo vừa nén

- 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

- Các bề mặt cần gia công với độ bóng cao, hoặc dùng các biện pháp tăng bền bê mặt Cần giữ cho bề mặt chi tiết máy không bị xước, không bị gỉ, không bị ăn mòn

D) VẬT LIỆU: 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, v.v… 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

2) Vật liệu thường dùng trong chế tạo máy:

a) Kim loại đen: gồm có gang và thép Gang và thép có độ bền, độ cứng cao, rẻ tiền nhưng có khối

lượng riêng lớn, tính chống gỉ kém Khi cho thêm một số kim loại màu như (Mn, Mg, N, Cr,…)vào

gang và thép sẽ tăng khả năng làm việc của chi tiết máy

b) Kim loại màu: Như (Cu, Al, Zn, Sn, …) được dùng dưới dạng hợp kim màu (đồng thanh, đồng

thau, bác bít, duyara, …) Vì kim loại màu đắc tiền hơn kim loại đen nên chỉ dùng trong những trường hợp đòi hỏi nhẹ, có yêu cầu chống ăn mòn, chống ma sát cao, …

c) Kim loại gốm : Còn được gọi là hợp kim cứng thiêu kết, là hỗn hợp của bột kim loại và các chầt phụ gia được nung lên nhiệt độ cao và ép với áp suất lớn trong khuôn

Chi tiết máy bằng kim loại gốm không cần qua gia công cắt gọt, và có các tính chất quan trọng như khó nóng chảy, nhẹ, hệ số ma sát thấp Nhưng khá đắt tiền và kích thước của chi tiết không được lớn (Ví dụ: vật liệu gốm Sắt-graphít thường dùng chế tạo ổ trượt), ít dùng

d) Vật liệu phi kim loại: Trong một số trường hợp đặc biệt, chi tiết máy được chế tạo bằng các vật liệu phi kim loại, ví dụ như: chất dẻo, amiăng, gỗ, da, cao su, Vật liệu phi kim loại có một số ưu điểm như: nhẹ, biến dạng lớn, dễ cắt gọt, cách điện, cách nhiệt, chống ăn mòn Nói chung vật liệu phi kim loại có cơ tính thấp

3 Đánh giá so sánh vật liệu về phương diện khối lượng:

Giả sử một thanh có chiều dài L chịu kéo bới lực kéo F, khối lượng riêng γ, giới hạn bền khi kéo là σb, hệ số an toàn s Diện tích tiết diện thanh A, thể tích V, khối lượng thanh M được xác định

Như vậy khối lượng các thanh có độ bền như nhau (về kéo) tỷ lệ nghịch với tỷ số σb / γ Dùng

vật liệu có tỷ số này càng cao thì kết cấu chi tiết máy có khối lượng càng nhỏ Tỷ số này được gọi là độ bền riêng của vật liệu Đây là một trong các chỉ tiêu chủ yếu về chất lượng của vật liệu trong các kết cấu mà yếu tố khối lượng giữ vai trò rất quan trọng

Nếu tiến hành tính toán cho giới hạn bền mỏi kéo σ-1 thì sự có lợi về mặt khối lượng được quyết định bởi tỷ số σ-1 / γ, gọi là độ bền mỏi riêng của vật liệu

Xét trường hợp uốn và xoắn của các thanh có tiết diện đồng dạng, ví dụ các trục có tiết diện tròn Ta có các hệ thức:

=

=Đối với nhiều chi tiết máy, độ cứng giữa vai trò quan trọng Trong trường hợp các thanh có độ cứng giống nhau và có độ dài như nhau, ta có hệ thức:

Cho thấy rằng với yêu cầu về độ cứng như nhau, chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu có tỷ

số E / γ lớn hơn thì khối lượng sẽ nhỏ hơn

Tỷ số này đặc trưng cho chất lượng của vật liệu về phương diện độ cứng, được gọi là độ cứng

riêng Vì môđun đàn hồi E của các loại thép thay đổi rất ít (2.105 - 2,2.105 MPa), do vậy trường hợp

cần tăng độ cứng cho chi tiết máy, nếu dùng thép hợp kim sẽ không giải quyết được vấn đề

4 Nguyên tắc chất lượng cục bộ:

Nhiều khi cùng trên một chi tiết máy nhưng đối với các bề mặt và thể tích khác nhau của nó lại có những yêu cầu khác nhau như: độ bền mòn, độ bền tiếp xúc hoặc độ bền thể tích, độ cứng hoặc độ dẻo, độ bền chống gỉ hoặc độ dãn nhiệt, khả năng giảm chấn,

Những yêu cầu này xuất phát từ những điều kiện làm việc khác nhau giữa các bộ phận, do vậy ta không thể chọn được loại vật liệu đáp ứng được các yêu cầu cùng một lúc (có thể đáp ứng được một vài yêu cầu), do vậy cách giải quyết hợp lý và tiên tiến là chọn vật liệu theo nguyên tắc chất lượng cục bộ Ví dụ cánh tua bin đòi hỏi phải có đủ sức bền uốn và tính chống gỉ, có thể giải quyết vấn đề này như sau: sử dụng thép các bon hoặc thép hợp kim thông thường và sau đó phủ lên một lớp thép không gỉ bên ngoài

5 Giảm chủng loại vật liệu sử dụng:

Ưu điểm của việc hạn chế số lượng các mác thép và các loại vật liệu dùng trong chế tạo các chi tiết máy (trong cùng một nhà máy ) là:

- Giảm nhẹ việc cung cấp và giảm giá thành của vật liệu - Đơn giản trong việc bảo quản và kiểm kê, giảm được diện tích kho - Giảm nhẹ việc nghiên cứu chế độ gia công hợp lý

- Giảm khả năng phế phẩm do dùng vật liệu hoặc nhiệt luyện không hợp lý

E) VẤN ĐỀ TIÊU CHUẨN HÓA: 1) Khái niện chung :

Có thể định nghĩa như sau: Tiêu chuẩn hóa là sự quy định hợp lý về quy cách, tính chất, hình dạng, kích thước của các đối tượng, và thống nhất sử dụng trong một phạm vi nhất định

Vấn đề tiêu chuẩn hóa có ý nghĩa rất lớn trong ngành chế tạo máy cũng như trong các ngành kinh tế quốc dân khác

2) Các đối tượng được tiêu chuẩn hóa trong ngành chế tạo máy:

Hầu như tất cả các đối tượng trong ngành cơ khí chế tạo máy đã được tiêu chuẩn hóa Có thể kể ra một số đối tượng chính như:

1- Các vấn đề chung: Ví dụ như dãy số kích thước, dãy số vòng quay, độ côn, các ký hiệu quy ước trên bản vẽ, vv

2- Vật liệu: ký hiệu, thành phần hóa học, tính chất cơ học, phương pháp nhiệt luyện 3- Các đại lượng vật lý: ký hiệu, đơn vị đo, cách xác định

4- Cấp chính xác gia công, cấp độ nhám bề mặt 5- Hình dạng, kích thước của các chi tiết máy có công dụng chung 6- Các thông số cơ bản về chất lượng của máy: như trọng tải, mức tiêu hao năng lượng, năng suất, hiệu suất vv

7- Các tài liệu thiết kế, tài liệu công nghệ: như bản vẽ, thuyết minh, tài liệu hướng dẫn sử dụng máy

3) Các cấp tiêu chuẩn hóa :

Tùy theo phạm vi thống nhất sử dụng những quy định đã ban hành, người ta chia ra 6 cấp tiêu

chuẩn hóa, có các tên gọi như sau:

- Tiêu chuẩn quốc tế: phạm vi sử dụng thống nhất toàn thế giới Ví dụ: tiêu chuẩn quốc tế ISO, do tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế ban hành, tiêu chuẩn IEC do Ban đại diện quốc tế ban hành

- Tiêu chuẩn khu vực: sử dụng trong một nhóm các nước có hợp tác Ví dụ tiêu chuẩn EN do Ủy ban tiêu chuẩn hóa Châu Âu ban hành, tiêu chuẩn STSEV do Hội đồng tương trợ kinh tế ban hành

- Tiêu chuẩn quốc gia: thống nhất sử dụng trong từng nước Ví dụ: tiêu chuẩn ΓOCT của Liên bang Nga, tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam

- Tiêu chuẩn ngành: thống nhất sử dụng trong từng ngành, viết tắt là TCN Ví dụ: tiêu chuẩn 16TCN là tiêu chuẩn do Bộ cơ khí luyện kim ban hành

- Tiêu chuẩn vùng: thống nhất sử dụng trong từng tỉnh, thành phố, viết tắt là TCV

- Tiêu chuẩn cơ sở: thống nhất sử dụng trong từng cơ sở sản xuất, xí nghiệp, nha máy, viết tắt là

TC

Các tiêu chuẩn đầu tiên của TCVN được ban hành vào năm 1963, đến nay nước ta đã xây dựng và ban hành được trên 8000 TCVN trong mọi lĩnh vực Năm 1977 nước ta chính thức tham gia các họat động tiêu chuẩn hóa trong tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO, năm 1978 tham gia Ban thường trực Tiêu chuẩn hóa của Hội đồng tương trợ kinh tế SEV

Có thể chia các tiêu chuẩn ở nước ta thánh 6 loại cơ bản: - Tiêu chuẩn về quy cách;

- Tiêu chuẩn về yêu cầu kỹ thuật; - Tiêu chuẩn về phương pháp thử; - Tiêu chuẩn về ghi nhản, bao gói, vận chuyển, bảo quản; - Tiêu chuẩn về nguyên tắc, thủ tục;

- Tiêu chuẩn về những vấn đề chung của khoa học kỹ thuật

4) Ích lợi của tiêu chuẩn hóa :

Thực hiện tiêu chuẩn hóa có những lợi ích sau đây: - Số loại các chi tiết máy sử dụng trong thực tế ít đi, số lượng của mỗi loại tăng lên, tạo điều kiện tập trung sản xuất, nâng quy mô sản xuất lên hàng loạt, hàng khối Khi số lượng sản phẩm đủ lớn, có thể xây dựng các nhà máy chuyên môn hóa sản xuất một loại sản phẩm, tạo điều kiện tập trung nghiên cứu thiết kế, đầu tư trang thiết bị hiện đại, kỹ thuật tiên tiến để tạo ra chi tiết máy hoàn thiện nhất về chức năng làm việc, giá thành rẻ nhất

- Dễ dàng thay thế chi tiết máy khi bị hỏng, do đó việc sửa chữa nhanh chóng, gia thành sửa chữa thấp

- Khi thiết kế máy, sử dụng các chi tiết máy đã được tiêu chuẩn hóa chỉ cần chọn, ghi mã số của chi tiết ra, không cần phải thiết kế, do đó giảm được khối lượng, công sức thiết kế, giá thành thiết kế giảm

G) NHỮNG CHỈ TIÊU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY: 1 Chỉ tiêu độ bền:

1.1 Yêu cầu về độ bền :

Độ bền là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với đa số các chi tiết máy Nếu chi tiết máy không đủ bền nó sẽ bị hỏng do gãy, vỡ, đứt, cong, vênh, mòn, dập, rỗ bề mặt hoặc sinh biến dạng dư vv chi tiết máy không còn tiếp tục làm việc được nữa, nó mất khả năng làm việc Trường hợp có sự thay đổi hình dạng và kích thước của chi tiết máy, dẫn đến phá hỏng tình trạng làm việc bình thường của nó thì biến dạng dư không được xuất hiện Chi tiết máy gãy hỏng có khi còn gây tai nạn lao động nguy hiểm

Chi tiết máy được đánh giá có đủ độ bền, khi nó thỏa mãn các điều kiện bền Các điều kiện bền được viết như sau:

σ≤ [σ]; τ≤ [τ]; S ≥ [S]

Trong đó: σ và τ là ứng suất sinh ra trong chi tiết máy khi chịu tải

[σ] và [τ] là ứng suất cho phép của chi tiết máy S là hệ số an toàn tính toán của chi tiết máy,

[S] là hệ số an toàn cho phép của chi tiết máy

1.2 Cách xác định ứng suất sinh ra trong chi tiết máy :

Ứng suất sinh ra trong chi tiết máy được xác định theo lý thuyết của môn học Sức bền vật liệu và Lý thuyết đàn hồi Trên cơ sở đó, môn học Chi tiết máy kế thừa hoặc xây dựng các công thức tính toán ứng suất cụ thể cho mỗi loại chi tiết máy

a) Đối với các chi tiết máy chịu tải trọng không đổi :

- Trường hợp trong chi tiết máy có trạng thái ứng suất đơn (chỉ có σ, hoặc chỉ có τ), ứng suất sinh ra trong chi tiết máy tính theo công thức của Sức bền vật liệu

Ví dụ, tính ứng suất kéo sinh ra trong thanh chịu chịu lực F:

AF

P=σ

- Trường hợp chi tiết máy có ứng suất phức tạp (có cả σ và τ), lúc đó ứng suất sinh ra trong chi tiết máy được lấy theo ứng suất tương đương σtđ , σtđ tính theo thuyết bền "Thế năng biến đổi hình dạng" - Thuyết bền thứ tư: σtđ = σ2+3τ2 ,

hoặc theo thuyết "Ứng suất tiếp lớn nhất" - Thuyết bền thứ ba: σtđ = σ2 +4τ2 - Trường hợp diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt khá lớn, ứng suất sinh ra được tính theo ứng suất dập

- Nếu diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt rất nhỏ (ban đầu tiếp xúc theo đường, hoặc theo điểm),

ứng suất sinh ra là ứng suất tiếp xúc cực đại tại tâm của vùng tiếp xúc, được tính theo công thức Héc,

σH

b) Đối với các chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi :

Ví dụ, xét một chi tiết máy làm việc với chế độ tải trọng thay đổi: trong thời gian sử dụng tb, chi tiết máy làm việc với n chế độ tải trọng, mỗi chế độ tải trọng Mi

làm việc với thời gian ti (Hình 71.11)

Ứng suất sinh ra trong chi tiết máy sẽ được tính theo chế độ tải trọng không đổi tương đương Chế độ tải trọng tương đương thường được chọn như sau:

Mtd = M1 (M1 là tải trọng lớn nhất trong chế độ tải trọng thay đổi)

Thời gian làm việc tương đương tbtd của chi tiết máy dựa trên nguyên lý cộng đơn giản tổn thất mỏi Tuổi bền tương đương của chi tiết trong đa số các trường hợp được tính theo công thức:

in

1i

m

1i

MM

=

Trong trường hợp để tính số chu kỳ ứng suất tiếp xúc thì tbtd được tính theo công thức: i

n

1i

2/m

1i

MM

=

trong đó m là mũ của đường cong mỏi

Giá trị ứng suất được tính theo tải trọng Mtd, hoặc theo tải trọng M1, số chu kỳ ứng suất sẽ

được tính theo tbtd

1.3 Cách xác định ứng suất cho phép

Xác định ứng suất cho phép bằng cách tra bảng Trong Sổ tay thiết kế cơ khí, và trong sách Bài tập chi tiết máy có các bảng số liệu ghi ứng suất cho phép của một số loại chi tiết máy thông dụng 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]= σlim / [S ] (1.8)

M1 M2

Hình 1.11

[τ] = τlim / [S], (1.9)

Trong đó: σlim và τlim là ứng suất giới hạn Trường hợp tải trọng tĩnh, ứng với vật liệu dẻo ứng

suất giới hạn là giới hạn chảy (σch ,σT, τch), ứng với vật liệu giòn là giới hạn bền (σb , τb) [S] là hệ số

σ ε

× (1.11) Ksσ = +1 (ασ −1 )qs (1.12)

ασ : Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết;

qs : Hệ số nhạy của vật liệu đối với sự tập trung ứng suất khi chịu tải trọng tĩnh; có thể chấp

nhận gần đúng, đối với vật liệu dẻo lấy qs = 0, đối với các vật liệu giòn có độ không đồng nhất bên trong đáng kể (gang, một vài dạng đúc kim loại màu) lấy qs = 0,1 – 0,2; đối với các kim loại làm việc ở những nhiệt độ thấp (dưới - 800

) qs tăng nhưng luôn nhỏ hơn 1

- Khi chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi tuần hoàn thì ứng suất giới hạn là giới hạn mỏi của chu kỳ đặt tải tương ứng (chu kỳ đối xứng σ-1; chu kỳ mạch động σ0; chu kỳ bất đối xứng σr)

Giới hạn mỏi có thể được xác định thông qua đường cong mỏi ứng với tuổi thọ cần thiết kế

Xét (hình 7.9)

* Làm việc ở chế độ ngắn hạn: mo

rNlim

NN

σσσ = = (1.13) * Làm việc ở chế độ dài hạn: σlim=σr (1.14)

- Khi chi tiết máy chịu nhiều tải trọng tác dụng q1, q2, q3, … gây ra ứng suất σ1, σ2, σ3 ,… với

số chu kỳ làm việc tương ứng N1, N2 N3, … Để dễ dàng trong tính toán, người ta giả thiết rằng: khi chi tiết máy chịu ứng suất lớn nhất thì sau giá trị chu kỳ làm việc tương đương nào đó (Ntđ) sẽ bị phá hủy hoàn toàn, ta tính được:

∑σimNi =σrmNo =σlmNtđ
∑ 



m

li

N

σσ

(1.15) Từ đây ta dễ dàng xác định được ứng suất giới hạn

- Khi kể đến các nhân tố ánh hưởng đến độ bền chi tiết máy, để xác định ứng suất giới hạn của chi tiết máy ta dùng công thức:

*

limlim / Kσ tSσ

σ =σ ε β ε (1.16) với: εσ: hệ số kích thước tuyệt đối, β : hệ số tăng bền;

KSσ: hệ số tập trung ứng suất, εt: hệ số nhiệt độ;

S : hệ số an toàn, khi có các số liệu cụ thể thì:

* Hệ số an toàn khi tải tọng tĩnh: Vật liệu dẻo: T [ ]

S σ ε S

σ= ≥ (1.17)

Chu kỳ đối xứng: ( 1 / )

La

KS σ ε σ βK

σ

−

= (1.19)

Chu kỳ không đối xứng, khi mà cùng với sự tăng tải trọng, chu kỳ trở nên tương tự như chu kỳ làm việc:

a

KS

σσ

εβ σ ψ σσ

Bảng 1.1: Các đặc tính cơ học của các loại thép các bon

TCVN 1765-75 ΓOCT σb (Mpa) σch, σT (Mpa) Độ dản dài tương đối δ, % CT 34

CT 38s CT 38 n, CT38 CT 42 n, CT42 CT 51 n, CT51 CT 52 n, Mn C 10

C 15 s C 15 C 20 C 25 C30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 55 C 60 C 65 C 70 C 80

CT 2 CT 3 CT 4 CT 5

340 370 380 420 510 460 340 360 380 420 460 500 540 580 610 640 660 690 710 730 1100

220 230 240 260 280 280 210 210 230 250 280 300 320 340 360 380 390 410 420 430 950

31 26 25 23 19 19 31 29 27 25 23 21 20 19 16 14 13 12 10 9 6 Khi không có đầy đủ các số liệu:

Hệ số S được xác định từ các hệ số an toàn thành phần: S = S1.S2.S3

Trong đó: S1 là hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất, S1 có thể chọn trong khoảng 1,2 ÷ 1,5 S2 là hệ số xét đến độ đồng nhất về cơ tính của vật liệu Đối với các chi tiết máy chế tạo bằng thép các bon và thép hợp kim với nhiệt độ ram cao lấy S2= 1,2 ÷ 1,3, các chi

tiết máy bằng gang bền cao có thể lấy S2 = 1,3 ÷ 1,5, đối với các chi tiết máy chế tạo bằng thép đúc lấy

S2 = 1,5 ÷ 2, đối với các chi tiết máy làm bằng các hợp kim màu lấy S2 =1,5 ÷ 2, đối với các chi tiết gang lấy S2 =2 ÷ 2,5 S3 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 S3 = 1,2 ÷ 1,5

Hệ số an toàn theo giới hạn bền được chọn khá lớn Ví dụ, đối với các thép bền cao - gần 2 ÷

2,5, đối với gang xám: 1,3 ÷ 3,5, đối với thép đúc và kim loại màu đúc 2,5 ÷ 3, đối với những vật liệu đặc biệt giòn: 4 ÷ 6

Hệ số an toàn theo giới hạn chảy cho các vật liệu dẻo (thép) nếu tính toán chính xác là 1,2 ÷

1,5 và cao hơn Hệ số an toàn khi đặt tải tiếp xúc cơ thể chấp nhận 1,1 ÷ 1,2 Hệ số an toàn theo giới

hạn mỏi 1,3 ÷ 1,5 ví dụ khi không đủ số liệu thử nghiệm về các tải trọng và các đặc tính của các vật

liệu thì [S] = 1,5 ÷ 2; nếu số liệu ít hoặc không có các thử nghiệm và độ đồng nhất các vật liệu thấp (các chi tiết đúc và hàn) thì [S] = 2 ÷ 3

Ứng suất cho phép cũng có thể được tính theo công thức thực nghiệm Ví dụ, khi tính bánh ma sát, ứng suất tiếp xúc cho phép được lấy theo độ rắn bề mặt: [σH] = (1,5 ÷ 2,5) HB, hoặc [σH] = (13 ÷ 18) HRC

2) Độ bền mòn:

Khi hai bề mặt tiếp xúc có áp p, có trượt tương đối với nhau và có ma sát, thì bao giờ cũng có

hiện tượng mòn Áp suất càng lớn, vận tốc trượt tương đối càng lớn, hệ số ma sát càng lớn thì tốc độ

mòn càng nhanh 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

Mòn làm mất đi một lượng vật liệu trên bề mặt chi tiết, kích thước dạng trục của chi tiết máy giảm xuống, kích thước dạng lỗ tăng lên, các khe hở tăng lên, làm giảm độ chính xác, giảm hiệu suất của máy Khi kích thước giảm quá nhiều có thể dẫn đến chi tiết máy không đủ bền Mòn cũng làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết máy, giảm khả năng làm việc của máy, đồng thời đẩy nhanh tốc độ mòn

Chi tiết máy được coi là đủ chỉ tiêu bền mòn, nếu như trong thời gian sử dụng lượng mòn chưa vượt quá giá trị cho phép

Để đảm bảo độ bền mòn, chi tiết máy được tính theo công thức thực nghiệm sau:

p ≤ [p] (1.23a) hoặc pv ≤ [pv] (1.23b) Trong đó p là áp suất trên bề mặt tiếp xúc, v là vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt

Để nâng cao độ bền mòn của chi tiết máy, cần thực hiện bôi trơn bề mặt tiếp xúc đầy đủ, dùng vật liệu có hệ số ma sát thấp Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc để giảm áp suất Chọn hình dạng chi tiết máy và quy luật chuyển động của nó hợp lý để vận tốc trượt tương đối là nhỏ nhất Dùng các biện pháp nhiệt luyện bề mặt để tăng độ rắn, làm tăng áp suất cho phép của bề mặt

Ngoài ra để tránh ăn mòn điện hóa, những bề mặt không làm việc của chi tiết máy cần được ε

S, d (mm) 1’ 2’

1

2 3 4

5 6

Hình 1.12

1’ và 2’ : của các giới hạn bền các thép các bon và hợp kim hóa;

1 và 2 : của các giới hạn chảy và mỏi của các thép đó;

4 và 6 : của các giới hạn mỏi các thép đó khi có sự tập trung cao các ứng suất;

3 : các đặc tính bền của gang và các kim loại màu;

5 : của các giới hạn mỏi các kim loại đó khi có sự tập trung ứng suất

bảo vệ bằng cách phủ sơn chống gỉ, hoặc bằng phương pháp mạ

3) Độ cứng : 3.1 Yêu cầu về độ cứng :

Chi tiết máy được coi là không đủ độ cứng, khi lượng biến dạng đàn hồi của nó vượt quá giá trị cho phép Yêu cầu về độ cứng được quyết định bởi:

• Điều kiện bền của chi tiết máy • Điều kiện tiếp xúc giữa các chi tiết máy • Điều kiện công nghệ (có ý nghĩa lớn trong sản xuất hàng loạt) • Đảm bảo chất lượng làm việc của máy

Độ cứng cũng là chỉ tiêu quan trọng của chi tiết máy Trong một số trường hợp chi tiết máy đủ bền nhưng chưa đủ cứng, lúc đó phải tăng kích thước của chi tiết máy cho đủ cứng, chấp nhận thừa bền Độ cứng được chia làm hai loại: độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc Đa số các chi tiết máy chịu tải trọng lớn, phải tính toán theo độ cứng thể tích, những chi tiết máy ngắn chịu tải trọng nhỏ, nhiều bề mặt tiếp xúc phải tính toán theo độ cứng tiếp xúc

3.2 Cách đánh giá chỉ tiêu độ cứng của chi tiết máy :

Để đánh giá độ cứng thể tích người ta dùng công thức (sức bền vật liệu), Chi tiết máy đủ chỉ tiêu độ cứng, khi nó thỏa mãn các điều kiện cứng sau:

∆l ≤ [∆l], f ≤ [f], θ≤ [θ], φ ≤ [φ], ∆h ≤ [∆h (1.24) Trong đó: ∆l là độ dãn dài hoặc độ co của chi tiết máy khi chịu tải;

f là độ võng của chi tiết máy bị uốn;

θ là góc xoay của tiết diện chi tiết máy bị uốn; φ là góc xoắn của chi tiết máy bị xoắn Để đánh giá độ bền tiếp xúc người ta dùng thí nghiệm (độ biến dạng bề mặt tiếp xúc không được lớn hơn giá trị cho phép)

Để đánh giá khả năng chống biến dạng của chi tiết máy, người ta còn dung hệ số độ cứng C, là

tỷ số giữa biến dạng và lực tác dụng do chúng gây nên Chi tiết máy có hệ số cứng càng cao thì khả

năng biến dạng càng nhỏ Hệ số C được xác định theo công thức của Sức bền vật liệu

Để tăng độ cứng cho chi tiết máy cần chọn hình dạng tiết diện của chi tiết máy hợp lý, đặc biệt nên sử dụng tiết diện rỗng Trường hợp cần thiết nên dùng thêm các gân tăng cứng Đối với chi tiết máy cần độ cứng cao, nên chọn vật liệu có cơ tính thấp, để tránh dư bền

4) Chỉ tiêu chịu nhiệt :

4.1 Yêu cầu về chỉ tiêu chịu nhiệt :

Trong quá trình máy làm việc, công suất 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:

+ 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

4.2 Cách đánh giá chỉ tiêu chịu nhiệt của máy :

Máy hoặc bộ phận máy được coi là đủ chỉ tiêu chịu nhiệt, khi nó thỏa mãn điều kiện :

θ≤ [θ] (1.25)

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:

P : công suất làm việc của máy, kW

Ω1 là nhiệt lượng tỏa ra môi trường trong một đơn vị thời gian, Cal/h Ω1 = k t.A t.(θ - θ0) (kCal/h) (1.28)kt: hệ số tỏa nhiệt ra môi trường, có thể lấy k = (7,5 ÷ 15) kCal/m2h0C

At: diện tích tỏa nhiệt của máy, tính bằng m2 , θ0: nhiệt độ môi trường làm việc của máy, oC

Ω2 là nhiệt lượng do thiết bị làm mát thải ra ngoài trong một giờ, kCal/h Thay vào phương trình cân bằng nhiệt, ta có công thức tính nhiệt độ làm việc θ như sau: o

tt

2

AK

P)1(

θ= − −Ω + (1.29) Nhiệt độ cho phép [θ] tra trong các Sổ tay Thiết kế cơ khí, tùy theo loại dầu bôi trơn, vật liệu

của chi tiết máy và chức năng làm việc của chi tiết máy

5) Chỉ tiêu chịu dao động

Trong kết cấu của máy, mỗi chi tiết máy là một hệ dao động có tần số dao động riêng ω0 Nếu chi tiết máy dao động quá mức độ cho phép, sẽ gây nên rung lắc giảm độ chính xác làm việc của chi tiết máy và các chi tiết máy khác Đồng thời gây nên tải trọng động phụ, làm cho chi tiết biến dạng lớn, có thể dẫn đến phá hỏng chi tiết máy Hoặc gây tiếng ồn lớn, tiếng ồn khó chịu

Khi khởi động máy, các chi tiết máy bắt đầu dao động tự do Trong quá trình làm việc, nếu như không có nguồn dao động tác động vào chi tiết máy, thì dao động tự do của chi tiết máy sẽ tắt dần sau một vài phút Nếu chi tiết máy chịu tác dụng của một nguồn gây dao động, thì nó sẽ dao động cưỡng bức

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 đủ chỉ tiêu chịu dao động được thay thế bằng việc tìm các biện pháp để hạn chế dao động của chi tiết máy

H CÁC CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN:

1 Anh, chị hiểu thế nào về: Máy, bộ phận máy, chi tiết máy 2 Máy phải như thế nào mới được gọi là một máy hoàn hảo ? 3 Cụm máy và nhóm máy khác nhau chỗ nào Ý nghĩa 4 Khi tính toán thiết kế chi tiết máy, cần chú ý đến những đặc điểm gì và tại sao ? 5 Các bước tính toán thiết kế máy, chi tiết máy

6 Hãy cho các ví dụ minh họa về tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương và tải trọng tính toán

7 Phân loại ứng suất thay đổi ổn định Cho ví dụ minh họa về các loại ứng suất đó, giải thích 8 Phân biệt hư hỏng do tải trọng tĩnh và tải trọng động tác dụng lên chi tiết

9 Sức bền mỏi là gì ? Những nhân tố ảnh hưởng đến sức bền mỏi của chi tiết và cách thức nâng cao sức bền mỏi

10 Ảnh hưởng của vật liệu đến tính toán thiết kế chi tiết máy 11 Tiêu chuẩn là gì ? Có bao nhiêu loại tiêu chuẩn và tầm quan trọng của tiêu chuẩn ? Giải thích 12 Tiêu chuẩn đánh giá và cách đánh giá về khả năng làm việc của chi tiết

13 Cách xác định ứng suất cho phép 14 Tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu trong thiết kế máy, chi tiết máy

1.2 Phân loại mối hàn :

Có nhiều phương pháp hàn và có thể phân loại chúng theo nhiều cách Theo hình thức công nghệ, các mối ghép bằng hàn được chia ra:

- Mối ghép bằng hồ quang điện (Hình 2.1), hàn xỉ điện và hàn hơi, làm kim loại bị nóng chảy và

gắn lại với nhau, không cần lực ép chúng

Hình 2.1 Mối hàn hồ quang Hình 2.2 Mối hàn tiếp xúc - Mối ghép bằng hàn tiếp xúc (hình 2.2), làm kim lại dẻo và dùng lực ép chúng lại

- Mối ghép bằng hàn vẩy, không nung chảy kim loại được ghép mà chỉ nung chảy vật liệu hàn

Trong các phương pháp hàn thì hàn hồ quang điện được sử dụng rộng rãi nhất Hàn hồ quang điện có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động

Theo công dụng, có thể chia mối ghép hàn thành hai loại: - Mối hàn chắc

- Mối hàn chắc kín Phân loại theo hình dạng kết cấu, ta có các kiểu mối hàn sau:

- Mối hàn giáp mối (hình 2.3) - Mối hàn chồng (hình 2.4) - Mối hàn góc (hình 2.5)

Hinh 2.3 Phương ứng suất

(a)

(b) Hình 2.4

Hình 2.5

1.3 Ưu, nhược điểm của mối hàn :

Mối ghép hàn có những ưu điểm sau: - Kết cấu ghép bằng hàn có khối lượng nhỏ hơn so với mối ghép bằng đinh tán vì không có mũ đinh, không phải ghép chồng hoặc dùng tấm đệm, kim loại được tận dụng vì không bị lỗ đinh làm yếu; so với kết cấu đúc, chiều dày tối thiểu của kết cấu hàn nhỏ hơn, cơ tính của vật liệu được làm cao hơn vật liệu đúc

Dùng các kết cấu hàn tiết kiệm được khoảng 15÷20% kim loại so với kết cấu dùng đinh tán và khoảng 30÷50% so với kết cấu đúc

Tiết kiệm được công sức, giảm được giá thành Hàn dễ tự động hóa nên năng suất cao - Dùng hàn dễ đảm bảo điều kiện độ bền đều, nguyên vật liệu được sử dụng hợp lý - Dùng hàn có thể phục hồi các chi tiết máy bị gãy, hỏng một phần hoặc bị mài mòn

Nhược điểm của mối ghép hàn là chất lượng mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ của

công nhân hàn và khó kiểm tra khuyết tật bên trong mối hàn, nếu không có thiết bị đặc biệt

Khả năng chịu tải trong thay đổi của mối ghép hàn kém

2 Kết cấu các mối hàn và cách tính độ bền:

Có hai trường hợp tính toán mối hàn là: - Căn cứ theo tải trọng ngoài để tìm ra chiều dài hàn cần thiết, từ đó thiết kế kết cấu hàn Khi thiết kế, phải xuất phát từ điều kiện độ bền đều giữa mối hàn và thành phần được ghép

- Căn cứ theo kết cấu để định kích mối hàn rồi kiểm nghiệm độ bền

2.1 Mối hàn giáp mối :

Mối hàn giáp mối được dùng rất thông dụng vì nó đơn giản và đảm bảo hơn các loại mối hàn khác Tùy theo bề dày của các thành phần ghép mà có thể hàn theo các phương án khác nhau như

(hình 3.6) Nếu chiều dày các tấm ghép là nhỏ thì không cần vát mép, còn bề dày mà trung bình hay

lớn thi phải vát mép để đảm bảo hàn được ngấu

Đối với mối hàn giáp mối, Mặt cắt miệng hàn có dạng chứ I, K, V, X, … Nhưng khi tính toán

thì cách tính hoàn toàn giống nhau

Mối ghép hàn giáp mối khi chịu ngoại lực có thể bị phá hỏng theo mối hàn, tại tiết diện chỗ miệng hàn hoặc tại tiết diện kề bên miệng hàn Thực tế cho thấy rằng tiết diện nguy hiểm của mối ghép hàn là tiết diện kề bên miệng hàn.Vì vậy ta tiến hành tính toán độ bền cho tại tiết diện này

Ta xét các trường hợp chịu lực sau: • Trường hợp mối hàn chịu lực kéo

(nén) F tác dụng trong mặt phẳng của tấm ghép (hình 2.6) Giả thiết

rằng lực phân bố đều trên suốt chiều dài mối hàn và ứng suất phân bố đều trên tiết diên nguy hiểm Ta có điều kiện bền:

Sl

FSb

×=×

M6bS

M6

2

×=×= (2.2) • Trường hợp mối hàn chịu lưc kéo (nén) và mômen uốn trong mặt phẳng các tấm ghép:

[]'

ls

FlS

M6

×±×= ’ (2.3)

Hình 2.6

Tỷ số giữa ứng suất cho phép của mối hàn với ưng suất cho phép của kim loại tấm gọi là hệ số độ bền φ của mối hàn:

][

]'[

σσϕ= (2.4) Tỷ số φ nằm trong khoảng 0,9 ÷ 1

Trong trường hợp để tăng bền cho mối hàn, người ta dùng mối hàn xiên Cách tính toán mối

hàn xiên cũng giống như trên và lấy: [σ]’ = [σ]

Tùy theo ví trí tương đối của mối hàn với phương chịu lực mà ta chia mối hàn chồng thành hai loại:

- Mối hàn dọc: Phương của mối hàn song song với phương của lực (hình 3.8) - Mối hàn ngang: phương của mối hàn vuông góc với phương chịu lực (hình 3.9)

- Mối hàn xiên: phương của mối hàn tạo với

phương chịu lực một góc (hình 2.10) - Mối hàn hỗn hợp (hình 2.11)

Đối với mối hàn ngang, nên hàn cả hai mặt để tránh sinh ra ứng suất uốn lớn Hai phần tấm

chồng lên nhau phải dài hơn bốn lần chiều dày S của tấm ghép

Chiều dài mối hàn ngang và xiên không hạn chế, chiều dài mối hàn dọc nên ≤ 50k, vì mối hàn dọc ứng suất phân bố không đều theo chiều dài mối hàn k là bề rộng cạnh hàn

2.2.1 Mối hàn chồng chịu lực kéo (nén):

1 3

2 m

Hình 2.11

F F

F F

Để đơn giản, khi tính tính toán mối hàn này ta quy ước tính theo ứng suất trung bình

lk7,02

k là bề rộng mối hàn [τ]’ là ứng suất cắt cho phép của mối hàn

Trường hợp các tấm ghép có tiết diện không đối xứng, ví dụ như thép góc (giả thiết rằng lực

kéo hoặc nén phân bố đều trên tiết diện tấm ghép) Hợp lực F đi qua trọng tâm của tiết diện tấm ghép (hình 2.12) Để ứng suất cắt phân bố trên các đường hàn là như nhau, ta luôn có:

F1+F2=F

×==×=

222

111

lk7,0

Fl

k7,0

F

2121

llFF

= (2.6)

Mặt khác: F1×e1=F2×e2

1221

eeFF

= (2.7)

1221

eell

= (2.8)

[]'

Lk7,0

×= (với L = l1 + l2) (2.9)

Từ đây ta xác định được chiều dài đường hàn theo giá trị L:

22

212

bLeee

Le

+×= (2.10)

11

211

bLeee

Le

+×= (2.11)

l1

l2 e1

e2

Hình 2.12

* Nếu hàn một mối (trường hợp này không nên dùng): []'

lk7,0

* Nếu hàn hai mối: []'

lk7,02

c) Mối hàn hỗn hợp:

Lk7,0

F)ll2(7k,0

F

nd

τ

×=+= (2.14) Như vật đây là công thức tổng quát dùng để tính ứng suất cắt sinh ra trong mối hàn chồng với

L là tổng chiều dài đường hàn có trong mối ghép

2.2.2 Mối hàn chịu mômen uốn trong mặt phẳng tấm ghép: a) Mối hàn dọc:

Ứng suất tiếp τ phân bố không đều theo chiều dài mối hàn Phương của τ cũng thay đổi Ứng

suất τ càng phân bố không đều khi chiều dài mối hàn càng lớn

Với mối hàn tương đối ngắn (l<b) có thể xem ứng suất tiếp τ phân bố đều trên chiều dài mối

hàn và có phương nằm dọc với mối hàn

Điều kiện cân bằng lực cho ta: M =τ×0,7k×l×b Suy ra điều kiện bền: []'

blk7,0

××= (2.15)

[ ]'W2.0,7k l

× (2.16)

c) Mối hàn hỗn hợp:

Khi chịu mômen M, tấm ghép có xu

hướng xoay xung quanh trọng tâm của tiết diện nguy hiểm, ứng suất tiếp lớn nhất τmax trong tiết diện này được tính theo công thức tính ứng suất xoắn lớn nhất trong dầm chịu xoắn:

maxomax

.I

M

ρ

trong đó: ρmax là bán kính vectơ lớn nhất của điểm thuộc tiết diện tính từ trọng tâm của tiết diện này, Io

mômen quán tính độc cực của tiết diện này (hình 14b)

Khi chiều dài mối hàn dọc ld khá ngắn so với chiều dài mối hàn ngang ln: ld ≤ 0,5ln và chiều

rộng cạnh hàn k nhỏ hơn kích thước b ta có thể xem ứng suất tiếp trong mối hàn dọc có phương song

song với mối hàn này và phân bố đều trên chiều dài mối hàn dọc Còn ứng suất tiếp trong mối hàn

ngang phân bố giống như ứng suất uốn trong dầm chịu uốn (hình 3.14a)

Hình 2.13

MM

τ

MM

τn

Hình 3.14a

τd

Hình 3.14b ld

Điều kiện cân bằng lực cho ta:

6lk7,0l

lk7,0M

2nn

d

××+×××

6lk7,0llk7,0

M

2nn

d

τ

×+××= (2.17)

2.2.3 Mối hàn chồng chịu lực kéo F (nén) và mômen uốn M trong mặt phẳng ghép :

Để được tổng quát ta tính mối hàn hỗn hợp (hình 2.15) Gọi τF là ứng suất cực đại sinh ra do tác dụng lực kéo F

lên mối hàn, gọi τM là ứng suất cực đại sinh ra do tác dụng của

mômen M tác dụng lên mối hàn

Ứng suất cực đại trong mối hàn sẽ là:

6lk7,0llk7,0

ML

k7,0

F

2nn

d

τ

×+××+×

Với kiểu hàn chữ K: tính toán giống mối hàn giáp mối

Với kiểu hàn hai bên: Tính toán giống mối hàn chồng

2.3.1 Tính mối hàn góc chịu lực kéo F và mômen uốn M:

Với kiểu hàn chữ K: Tính tương tự mối hàn giáp mối:

lk7,02

F6

/kl7,02

M

××+×

2.3.2 Mối hàn góc chịu mômen uốn M và mômen xoắn T:

Do k << d suy ra ứng suất xoắn τx do mômen xoắn T gây ra xem như phân bố đều trong tiết diện nguy hiểm của mối hàn Tiết diện nguy hiểm là hình vành khăn có đường kính trong là d và và chiều rộng là 0,7k Diện tích của tiết diện nguy hiểm được lấy gần đúng là A = 0,7.π.k.d

Điều kiện cân bằng lực: τx.A.d/2 = T

Ứng suất xoắn τx do mômen xoắn gây ra:

2x

dk7,0

T2

××=

πτ

Ứng suất uốn τu do mômen uốn Mgây ra:

uu

WM

=

Với ()(Dd ) (Dd)(Dd)

D32dDD32Wu = π 4− 4 = π 2+ 2 − +

FFln

ld

Hình 2.15

M4

πτ =Do τx và τu vuông góc với nhau nên điều kiện bền có dạng: 2 2 [ ]'

τ = τ τ+ ≤ τ (2.21)

3 Mối hàn tiếp xúc:

* Hàn giáp mối: Có thể dùng cho các tiết máy có hình dạng và tiết diện tùy ý Nếu hàn đúng kỹ thuật và độ bền của vật liệu được hàn không bị giảm do nung nóng chi tiết, độ bền của tiết máy hàn hầu như bằng với độ bền của tiết máy nguyên Vì vậy ở chế độ tải trọng tĩnh, ứng suất cho phép của mối hàn có thể lấy như của tiết máy nguyên Đối với các loại vật liệu vì hàn mà giảm bền thì khi tính toán phải giảm ứng suất cho phép Trong trường hợp chịu tải trọng thay đổi độ bền mối hàn tiếp xúc cũng bị giảm như đối với mối hàn hồ quang

* Mối hàn điểm: Thường dùng cho các tấm ghép mỏng Khi ghép các tấm có chiều dày khác nhau, chiều dày tấm dày nhất không

nên quá 3 lần chiều dày tấm mỏng nhất

Đường kính điểm hàn được lấy theo chiều dày S của

tấm mỏng nhất trong các tấm được ghép:

d = 1,2S + 4 mm khi S ≤ 3 mm; d = 1,5S + 5 mm khi S > 3 mm Bước p không nên quá ngắn để phần lớn dòng điện

khỏ chạy qua các điểm đã hàn xong gần đó Các khoảng cách

t1 và t2 được quy định theo các điều kiện về công nghệ và về độ bền Thông thường có thể lấy:

t = 3d; t1 = 2d; t2 = 1,5d (8.22)

Mối hàn điểm thường dùng để chịu tải trọng tác dụng trong mặt ghép và được tính theo độ bền

cắt Gọi F là lực tác dụng, Z là số điểm hàn, i là số tiết diện chịu cắt, ta có điều kiện bền (hình 3.18):

[ ]'2

4FZi d

π= ≤ (2.23) Trong trường hợp chịu mômen uốn trong mặt phẳng ghép, mối hàn điểm cũng được tính toán theo phương pháp tương tự như với mối ghép đinh tán hoặc mối ghép bu lông không có khe hở Khi chịu tải trọng thay đổi, khi tính toán ta cũng giảm thấp ứng suất cho phép của mối hàn cũng như của tấm

* Mối hàn đường: Thường được dùng để ghép các tiết máy mỏng có yêu

cầu kín Với hình 3.19 độ bền mối hàn được tính theo công

thức:

F [ ]'

ab

τ = ≤ τ (2.24)

4 Các đặc điểm tính toán các nồi hơi chế tạo bằng cách hàn và các bình cao áp khác:

Việc tính toán dẫn đén sự xác định độ dày thành bình S Độ bền các mối hàn được đảm bảo

bằng cách cho thêm hệ số bền các mối hàn ϕ:

[ ]

qDS

2ϕ σ= (2.25)

F

Hình 2.19

F

F F

t2

t1

d F

F F F

F

trong đó D - đường kính bình, mm; q - áp suất trong bình, N/mm2; [σ] - ứng suất cho phép, N/mm2

Đối với các bình làm việc với q ≤ 1,5 N/mm2 và với nhiệt độ t < 200oC thì ứng suất cho phép: [σ] = σb / 4 (2.26)

Đối với các bình làm việc với ứng suất lớn và nhiệt độ cao, ứng suất cho phép được lấy nhỏ hơn từ hai trị số:

trong đó: σb - giới hạn bền kéo ở nhiệt độ bình thường;

σT)(t - giới hạn chảy ở nhiệt độ làm việc

5 Độ bền mối hàn và ứng suất cho phép : 5.1 Độ bền của mối hàn :

Độ bền của mối hàn phụ thuộc vào các nguyên tố sau đây: - Chất lượng của que hàn và vật liệu được hàn

- Trình độ, kỹ thuật hàn - Đặc tính của tải trọng

5.2 Ứng suất cho phép :

Vì có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng cảu mối hàn, mặt khác các công thức tính toán lại gần đúng và quy ước, cho nên cần phải dùng thực nghiệm để xác định ứng suất cho phép của mối hàn

Ứng suất cho phép của mối hàn chịu tải trọng tĩnh cho trong bảng 2.1, tuy theo phương pháp

hàn và loại que hàn Cũng cần chú ý là các số liệu cho trong bảng chỉ đúng với các chi tiết máy hàn bằng thép ít các bon hoặc thép ít hợp kim và trong trường hợp chất lượng mối hàn đạt các yêu cầu theo tiêu chuẩn Đối với các trường hợp khác thì cần làm thí nghiệm về độ bền để lấy số liệu

Trường hợp chịu tải trọng thay đổi, các ứng suất cho phép lấy theo bảng 2.1 phải nhân với hệ

số giảm ứng suất γ, nhỏ hơn đơn vị Ứng suât tính toán là ứng suất cực đại của chu kỳ ứng suất

Bảng 2.1 Ứng suất cho phép của mối hàn khi chịu tải trọng tĩnh

Phương pháp hàn Ứng suất cho phép của mối hàn

Kéo [σ]’k Nén [σ]’nCắt [τ]’k

Hàn hồ quang, bằng tay, dùng que hàn Э42 và Э50

Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc hàn; hàn

bằng tay, dùng que hàn Э42A và Э50A Hàn tiếp

sT

KS ×

×= (2.25) Đối với các két cấu hàn, khi chịu tải trọng tĩnh thì hệ số tỉ lệ ε ≈ 0,9, hệ số tập trung ứng suất hữu hiệu KSσ ≈ 1,0 ÷ 1,2, hệ số an toàn [S] = 1,2 ÷ 1,35 áp dụng cho thép các bon và [S] = 1,3 ÷ 1,5

Khi chịu tải trọng thay đổi độ bền của chi tiết máy hàn tại vùng hàn cũng bị giảm nên khi tính toán tiết máy hàn cũng nhân ứng suất cho phép (khi chịu tải trọng tĩnh) của tiết máy với hệ số γ

Hệ số γ được xác định theo công thức:

(0,6K0,3)r3

,0K6,0

1

∓−

±=

γ

Trong đó: min

max

rσ σσ= – Hệ số tính chất chu kỳ

σmax và σmin - Ứng suất cực đại và cực tiểu có mang dấu của nó

Kt – Hệ số tập trung ứng thực tế Đối với hàn hồ quang xem bảng 2.2, đối với mối hàn tiếp xúc xem bảng 2.3

Bảng 2.2 Hệ số tập trung ứng suất thực tế Kt của mối hàn hồ quang

Các tiết máy hoặc mối hàn Thép ít các bon Thép ít hợp kim

Bảng 2.3 Hệ số tập trung ứng suất thực tế Kt của mối hàn tiếp xúc

Loại vật liệu Trạng thái

kim loại

Chiều dày (mm)

Hàn để liên kết Hàn chịu tải trọng chính

6 Một số ví dụ:

1 Xác định chiều dài của mối hàn để nối thanh thép góc vào tấm phẳng (hình 2.12) Vật liệu tấm hàn và thép góc là CT3; dùng que hàn Э42, hàn bằng tay Tiết diện thép góc 100 x 100 x 10; Zo = 28,3 mm; lực tác dụng là lực kéo F = 200 kN Chiều cao tiết diện hàn k = 10 mm

FL

τ×=

Do vật liệu tấm hàn và thép góc là CT3 nên ta có:

160MPa

135,1

9,0240K

][][

ST

××==

σ

εσσ

Xác định ứng suất cắt cho phép trong mối hàn (bảng 8.1), dùng que hàn Э42:

[τ]'=0,6[σkt]=0,6×160=96MPa

96107,0

10200l

l]'[k7,0

FL

32

××

×=+=×=

τ

213,4mm

1006,297)3,28100(bL)zb(ee

Le

212

+×=
l2 =L−l1=297,6−213,4=84,2mm

2 Hãy xác định độ dài các mối hàn gia cố bằng một

thanh thép góc 100x100x10mm vào một tấm ghép (hình 2.20) Mối ghép phải bền đều với chi tiết nền Tấm ghép và thép góc làm bằng thép CT3 Hàn bằng tay, que hàn Э42 Tiết diện thép góc A = 19,20cm2 Cho chiều cao mối hàn bằng bề dày tấm ghép (k = S), Zo = 28,3mm; [τ]’ = 0,6[σkt]; [σkt] = 160 N/mm2

Giải:

Ứng suất cắt cho phép của mối hàn:

2kt

'

mm/N961606,0][6,0]

96107,0

107,30].[K7,0

FL

4

××

×==

τĐộ dài tổng công của mối hàn dọc: ld =L−ln =457−100=357mm

Chiều dài đường hàn l1:

100357)3,28100(bl)Zb(

Chiều dài đường hàn l2 :

1003573,28blZl2= od = × =3 Một tay quay (hình 2.21) chịu lực tác dụng vào điểm A là F = 300 N Xác định ứng suất sinh ra

2

208

7,0

000602d

k7,0

T2

=×××

×=××=

ππ

τ

22

2u

208

7,0

100684d

k7,0

M4

=×××

×==

ππ

Ứng suất cắt do lực F tạo ra quá bé nên bỏ qua

Ứng suất sinh ra do mômen uốn và mômen xoắn có phương vuông góc với nhau nên: 22 ( )22

u2x + = 17 + 38,7 =42,3N/mm

= τ ττ

4 Xác định tỉ số l / b giữa chiều dài mối hàn và bề rộng tấm ghép của mối hàn dọc để mối hàn và tấm ghép đạt sức bền tương đương (hình 2.8), biết chiều cao tiết diện hàn bằng bề dày tấm ghép,

A 240

mối hàn chịu kéo lực lực kéo Q Dùng hàn hồ quang, vật liệu tấm hàn là thép ít các bon, hàn bằng tay với que hàn Э42

Giải:

Để đạt sức bền đều thì lực kéo cho phép của tấm và mối hàn phải bằng nhau Do mối hàn

chồng nên mối hàn bị cắt đứt qua tiết diện đường phân giác Tra bảng 8.1 với que hàn Э42 hàn bằng

tay ta có: [τ]'=0,6[σ]kt

Lực kép cho phép của tấm: kt[]kt

Sb

×=
[Q]t =b×S×[σ]kt (1)

Lực kéo cho phép của mối hàn: []'

l2K7,0

××

[Q]h=0,7K×2×l×[τ]' (2)

Từ (1) và (2) ta có: b×S×[σ]kt =0,7K×2×l×[τ]'Do K = S: ==> 1,19

6,07,02

1]'

[7,02

][b

=××=××=

τσ

5 Thiết kế chi tiết hàn:

Phôi của chi tiết hàn thường là phôi cán dưới dạng tấm mỏng, ống tròn, bàn phẳng hoặc các dạng định hình khác Phôi cũng có thể nhận được bằng phương pháp dập, cán hoặc rèn tự do Thường gặp các chi tiết như vỏ hộp giảm tốc, khung hoặc bệ máy, bánh răng, bánh đai,

Hình 2.22a mô tả bánh đai đúc, hình 2.22b mô tả bánh đai hàn và hình 2.22c là bánh đai kết

9 Ngược lại nếu dùng đồ gá và có gia

công cơ các mép thì độ chính xác có

thể đạt được cấp 7)

Để giảm giá thành và chọn được kết cấu hợp lý, khi thiết kế kết cấu hàn cần phải chú ý những điềm sau đây:

1 Kết cấu của các chi tiết hàn phải thống nhất về hình dạng và số lượng, số lượng chi tiết càng ít càng tốt 2 Với các chi tiết hàn không cần gia công cơ, kích thước của chúng nên lấy bằng kích thước của phôi định

hình Ví dụ trên hình 3.23, chiều dày

gân bằng chiều dày thép tấm, đường kính ngoài của mayơ ở chỗ không gia công lấy bằng đường kính của thép tròn

3 Cần tận dụng tối đa các chi tiết được uốn cong và các chi tiết dập định hình, nhờ đó có thể giảm đáng kể số

(a) (b) (c)

Hình 2.22

lượng chi tiết và số lượng mối hàn

4 Bán kính cong của các chi tiết được uốn cong không được nhỏ hơn các giá trị cho trong bảng 3.3, trong đó S là chiều dày của tấm được uốn cong Dùng bán kính cong quá nhỏ sẽ gây khó khăn cho việc

uốn cong và có thể gây ra các vết nứt khi uốn 5 Nếu dùng phôi là thép tấm thì đường bao của chi tiết hàn tốt nhất là đường thẳng

(hình 2.25) sẽ giảm được đáng kể thời gian

chuẩn bị gia công 6 Không được tạo ra các góc nhọn trên gân, góc và các chỗ tiếp giáp khác của vật

hàn (hình 2.26), vì như vậy kim loại bị nóng

chảy khi hàn sẽ không thể điền đầy hoàn toàn Đoạn chuyển tiếp tránh góc nhọn nên

có chiều dài cạnh vát bằng 2 - 3 lần cạnh

hàn

7 Cần bố trí đường hàn trên kết cấu sao cho tổng mômen tĩnh của tiết diện mối hàn đối với trọng

tâm bằng không Nên dùng kết cấu hàn đối xứng (hình 2.27a) Trường hợp phải dùng kết cấu không

đối xứng, cần thiết kế các mối hàn có chiều dài khác nhau nhằm thỏa mãn điều kiện mômen tĩnh bằng không

8 Hình dạng và vị trí tương đối của các chi tiết hàn cần được thiết kế sao cho công nghệ hàn được tiến hành thuận lợi (nhìn rõ mối hàn, có thể di chuyển đến những chỗ cần hàn, góc làm bởi que hàn và

phương thẳng đứng của chi tiết hàn không dưới 300 ) Hình 2.28 cho ví dụ về tương quan giữa các

kích thước khi hàn tay Ngoài ra khi thiết kế vật hàn cần ưu tiên hàn dưới, mối hàn thẳng đứng chỉ

dùng khi chiều dài vật hàn > 3 mm

9 Cần kết hợp các chi tiết hàn dể tạo nên kết cấu hàn hoàn chỉnh có tính công nghệ, đảm bảo độ bền, độ ổn định, độ cứng và hình thức đẹp

6 Bài tập:

1 Hãy phân loại mối ghép bằng hàn hồ quang điện và trình bày kết cấu mối hàn, giải thích 2 Trình bày cách tính mối hàn hồ quang điện 3 Xác định ứng suất cho phép của mối hàn 4 Khi tính toán thiết kế mối hàn cần chú ý đến

Hình 2.26

A A

Hình 2,23 (a) (b)

những vấn đề gì ? giải thích và cho ví dụ minh họa 5 Sự khác nhau và giống nhau giữa hàn tự động và hàng bằng tay Giải thích 6 Tìm và cho biết các thông số đặc trưng của que hàn đang dùng trong thực tế hiện nay

7 Xác định chiều dài mối hàn để nối thanh thép góc vào tấm phẳng (hình 2.12) Vật liệu tấm hàn và thép góc là CT3, dùng que hàn Э42A, hàn bằng tay Tiết diện thép góc 100 x 100 x 10; Zo = 28,3 mm; lực tác dụng là lực kéo F = 250 kN Xem chiều cao mối hàn bằng bề dày tấm ghép

8 Hai thanh thép góc 80 x 80 x 6 mm Diện tích tiết diện ngang của thép góc là A = 9,38cm2 vào

một tấm phẳng (hình 2.29) chịu lực kéo F Vật liệu thép góc là CT2 Hàn bằng tay que hàn Э42 Chiều cao mối hàn K = 6 mm; Zo = 21,9 mm Xác định chiều dài đường hàn l1, l2 của mối hàn để khả năng truyền lực của mối hàn và các tấm ghép là như nhau

9 Xác định tiết diện thép góc và chiều dài của

mối hàn để hàn hai thanh thép góc vật liệu CT3 vào một tấm phẳng (hình 2.29) chịu lực kéo F = 250 kN, chiều dài tự do của thép góc là 3 m Hàn tự động dưới lớp thuốc hàn

10 Xác định chiều dài cần thiết của mối hàn để hàn vành bánh đai và mayơ vào đĩa phẳng (hình 2.30) Biết rằng: Mômen xoắn truyền qua bánh đai T = 30 Nm; đường kính D = 250 mm, đường kính mayơ d1 = 112 mm; đường kính trong của vành Do = D - 2δ; δ = 7 mm; chiều cao miệng hàn K = 5 mm Vật liệu bánh đai là thép CT3; hàn bằng tay, que hàn Э34

11 Xác định chiều cao mối hàn 1 và 2 (hình 2.31) tại mayơ của một tang băng tải để truyền mômen xoắn T = 1200 Nm; vật liệu đĩa và mayơ là thép CT3, hàn bằng tay, que hàn Э42A

Bảng 2.3: Bán kính cho phép khi uốn cong

Vật liệu Bán kính cong r, (mm) Vật liệu Bán kính cong r, (mm)

Thép 10, CT0, CT2 Thép 15, 20, CT3 Thép 25, 30, CT4

0 0,1δ0,2δ

Thép 35, 40, CT5 Thép 45, 50, 55, CT6 Thép 60, CT7

0,3δ0,5δ0,7δ

Chương 3: MỐIGHÉP BẰNG REN

I KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Giới thiệu mối ghép ren

Mối ghép ren, các tấm ghép được liên kết với nhau nhờ các chi tiết máy có ren, như: bu lông, vít, vít cấy, đai ốc, các lỗ có ren

Các mối ghép ren thường dùng trong thực tế: mối ghép bu lông, mối ghép vít, mối ghép vít

cấy (Hình 3.1) Ngoài ra còn có mối ghép ren ống, dùng để nối các ống dẫn chất lỏng, chất khí

+ Mối ghép bulông: Dùng ghép các tấm ghép có chiều dày nhỏ Các tấm ghép được gia công lỗ, lắp bulông vào lỗ các tấm ghép, vặn đai ốc vào bu lông, siết chặt ép các tấm ghép lại với nhau Các tấm ghép không thể đẩy đai ốc xoay trở ra được, do có hiện tượng tự hãm trong mối ghép ren

+ Mối ghép vít: Dùng để ghép các tấm ghép, trong đó có một tấm ghép chiều dày quá lớn Người ta khoan và làm lỗ ren trên tấm ghép có chiều dày lớn Các tấm ghép khác được gia công lỗ Đặt các tấm ghép chồng lên nhau, sao cho tâm của các lỗ trùng nhau Vặn vít vào lỗ ren, siết chặt để ép các tấm ghép lại với nhau Trong quá trình sử dụng, nếu phải tháo lắp nhiều lần, không nên dùng mối ghép vít Vì tháo lắp nhiều sẽ làm hỏng lỗ ren, phải bỏ cả tấm ghép đi

+ Mối ghép vít cấy: Dùng khi có một tấm ghép chiều dày quá lớn và mối ghép phải tháo lắp nhiều lần trong quá trình sử dụng Người ta làm lỗ ren trên tấm ghép có chiều dày lớn, làm lỗ trên các tấm ghép còn lại Vặn vít cấy vào lỗ ren (còn gọi là cấy vít), lắp các tấm ghép khác vào vít cấy Vặn đai ốc vào vít cấy, siết chặt để ép các tấm ghép lại với nhau

1.2 Các chi tiết máy dùng trong mối ghép ren

Bulông, thường là thanh kim loại hình trụ, một đầu có ren để vặn với đai ốc hoặc lỗ ren, một đầu có mũ thường là hình sáu cạnh hoặc hình

vuông, để tra các chìa vặn siết bulông (hình 3.2) Ren trên bulông được gia

công bằng bàn ren, tiện ren, hoặc cán ren

Bulông được phân ra: bulông thô, bulông bán tinh, bulông tinh Bulông là chi tiết máy được tiêu chuẩn hóa cao Bulông có ren hệ Mét và bulông ren hệ Anh Bulông có ren trái, bulông có ren phải

Bulông bệ: (Hình 3.3a) là một dạng đặc biệt dùng để cố định máy trên nền, loại bulông này không được tiêu chuẩn hóa Bulông chốt (hình

3.3d) là một chốt hình côn, một đầu có ren vặn đai ốc, khi lắp giữa thân bu lông và lỗ không có khe hở nên các tiết máy không bị di động tương đối với nhau Bulông vòng hay vít vòng (hình 3.4a), là biến

thể của vít, đầu vít có hình vòng khuyên được bắt vào vỏ máy, vỏ động cơ điện hoặc nắp hộp giảm tốc… để vận chuyển hoặc lắp máy được thuận tiện

Vít, có hình dạng, kích thước tương tự như bulông, chỉ khác ở phần mũ (hình 3.5) Mũ vít có nhiều hình dạng, mũ vít được xẻ rãnh, hoặc làm lỗ 6 cạnh chìm để tra các chìa vặn Vít cũng được tiêu

của đai ốc có thể chia ra các loại: đai ốc bình thường (hình 3.7.1a,b), đai ốc cao (3.7.2c,d), đai ốc thấp (hình 3.7.2e) Chiều cao bình thường của đai ốc là 0,8d Đai ốc cao thường

được áp dụng trong những trường hợp cần tháo láp thường xuyên và chịu lực lớn Nếu lực tác dụng lên bu lông và đai ốc không lớn lắm, đồng thời cần giảm trọng lượng mối ghép, có thể dùng đai ốc thấp

Theo mức độ chính xác chế tạo cũng chia đai ốc làm 3 loại: đai ốc thô, đai ốc tinh, nửa tinh

Vòng đệm, chủ yếu để bảo vệ bề mặt các tấm ghép không bị xước, một số đệm còn có tác

dụng phòng lỏng Các loại đệm thường dùng: đệm thường, đệm vênh, đệm gập, đệm cánh (hình 3.8)

1.3 Thông số hình học của ren:

Ren hình trụ được đặc trưng bởi các thông số sau: + Đường kính ngoài của ren (là đường kính hình trụ bao đỉnh ren ngoài – đường kính danh

nghĩa của ren) d, mm, gía trị của d lấy theo dãy số tiêu chuẩn + Đường kính chân ren d1, mm, được tiêu chuẩn hóa theo d + Đường kính trung bình d2, mm, là đường kính phân đôi tiết diện ren (định nghĩa này không dùng cho ren vuông); đối với ren tam giác có đường kính trong và đường kính ngoài cách đều đỉnh tam giác của ren (hình 3.9a,b) và ren vuông: d2= (d +d1) / 2

+ Chiều dài của thân bu lông l, mm, được lấy theo chiều dày của các tấm ghép + Chiều dài đoạn cắt ren của bulông l1, thường lấy l1≥ 2,5d

+ Chiều cao mũ bu lông, ký hiệu là H1, mm, thường lấy H1 = (0,5 ÷ 0,7) d + Chiều cao của đai ốc H, thường lấy H = (0,6 ÷ 0,8) d

+ Bước ren, ký hiệu là p, mm, giá trị của p được tiêu chuẩn hóa theo d Giá trị bước ren theo TCVN, mm: 0,5; 0,6; 0,7 ; 0,75; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0

+ po : Bước xoắn ốc, bằng khoảng di chuyển chiều trục khi xoay bu lông hoặc đai ốc một vòng

Đối với ren một đầu mối thì po = p, ren nhiều đầu mối po = zp (z - số đầu mối ren)

+ Góc nâng của ren, γ - là góc làm bởi tiếp tuyến của đường xoắn ốc (trên mặt trụ trung bình) với mặt phẳng vuông góc với trục của bu lông (vít)

22o

dp.zdptg

ππγ = = (3.1) + Tiết diện mặt cắt ngang của ren, có diện tích mặt cắt A, tiết diện của ren được tiêu chuẩn hoá

Ren hệ Mét, tiết diện ren là hình tam giác đều, góc tiết diện ren α = 60o Ren hệ Anh, tiết diện ren là hình tam giác cân, có góc ở đỉnh α = 55o Ren ống: dùng để ghép kín các ống, giống ren hệ Anh bước nhỏ Ren tròn: có góc của tiết diện α = 300 Ren tròn được dùng trong các bu lông, vít chịu tải trọng

va đập lớn Ngoài ra ren tròn được dùng trong các tiết máy có vỏ mỏng (đui đèn, chuôi bóng đèn, …)

Ren thang: có tiết diện hình thang cân (hình 3.9c) là ren phổ biến trong truyền động vít, đai ốc

có góc ở đỉnh α = 300 Ren hình thang có hiệu suất cao hơn ren tam giác, bởi vì tổn thất do ma sát, do nhiệt nhỏ Ren hình thang được dùng trong truyền động chịu tải theo hai chiều, kích thước của ren

hình thang được cho trong bảng 3.2

Ren Vuông: có tiết diện hình vuông, α = 0o Ren vuông có hiệu suất cao nhất trong tất cả các loại ren Nhưng sức bền thấp, đồng thời khi mòn sinh ra khe hở chiều trục khó khắc phục Vì thế hiện nay ít được dùng và được thay thế bởi ren hình thang Ren vuông được ứng dụng giới hạn trong truyền động vít đai ốc cóa tải trọng nhỏ

Ren răng cưa: (Hình 3.9d) có tiết diện là hình thang không cân, với góc ở đỉnh là 27o Mặt chịu

lực có góc nghiêng nhỏ hơn 3o nhằm giảm tổn thất do ma sát đồng thời có thể chế tạo được trên máy phay ren Ren răng cưa được dùng trong truyền động chịu tải một chiều (kích vít, máy ép, …)

+ Chiều cao làm việc của tiết diện ren h, mm Bảng 3.1: Các kích thước của ren hệ mét

Đường kính ngoài (danh nghĩa) d, mm

p (mm) d1 (mm) d2 (mm) p (mm) d1 (mm) d2 (mm)

10 12 16 20 24 30 36

1,5 1.75

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

8,376 10,106 13,835 17,294 20,752 26,211 31,670

9,026 10,863 14,701 18,376 22,051 27,727 33,402

1,25 1,25 1,5 1,5 2,0 2,0 3,0

8,647 10,647 14,376 18,376 21,835 27,835 32,752

9,118 11,188 15,026 19,026 22,701 28,701 34,051

Đai ốc

Bu lông p

Bulông p Đai ốc

d2d1

Bảng 3.2: Kích thước của ren hình thang theo ΓOCT 9484 – 60 d (mm) p (mm) d1 (mm) d2 (mm) d (mm) p (mm) d1 (mm) d2 (mm)

32

3 6 10

30,5 29,0 27,0

28,5 25,0 21

50

3 8 12

48,5 46,0 44,0

46,5 41,0 37,0

40

3 6 10

38,5 37,0 35,0

36,5 33,0 29,0

60

3 8 12

58,5 56,0 54,0

56,5 51,0 47,0

1.4 Các phương pháp hãm mối ghép ren:

Tất cả các loại ren dùng trong lắp ghép đều đảm bảo tính tự hãm khi chịu tải trọng tĩnh Tuy vậy, thực tế cho thấy rằng khi chịu tải trọng thay đổi như bị va đập hay rung động, ma sát giữa ren của bu lông và đai ốc bị giảm bớt, cho nên xảy ra hiện tượng nới lỏng đai ốc Vì vậy cần phải dùng các biện pháp để hãm không cho đai ốc bị nới lỏng Ngoài ra đối với đai ốc điều chỉnh, thì không được siết chặt, cho nên cũng cần hãm dù là chịu tải trọng tĩnh Có các biện pháp hãm sau:

a) Tạo thêm ma sát phụ giữa ren bulông và đai ốc bằng cách dùng

đai ốc hãm (hình 3.10a) hoặc vòng đệm vênh (hình 3.10b)

b) Dùng đai ốc hãm, sau khi vặn chặt đai ốc thứ hai (đai ốc phụ), giữa hai đai ốc có lực căng phụ để tạo nên ma sát phụ giữ cho đai ốc khỏi bị nới lỏng Hiện nay ít dùng đai ốc hãm vì làm tăng thêm khối lượng và kích thước của mối ghép, ngoài ra khi bị rung động mạnh tác dụng của nó không đảm bảo hãm tốt

c) Dùng vòng đệm vênh, ma sát phụ được tạo nên do lực đàn hồi của vòng đệm Khi siết chặt, lực đàn hồi do vòng đệm vênh bị biến dạng luôn luôn tác động lên đai ốc và tiết máy được ghép, do đó giữa ren bulông và đai ốc luôn có ma sát Vòng đệm vênh được dùng tương đối phổ biến, nhược điểm chủ yếu là gây nên lực lệch tâm cho bulông

d) Dùng các tiết máy phụ để cố định đai ốc, không cho đai ốc di động động tương đối với

bulông hoặc tiết máy được ghép như: chốt chẽ, dùng thép buộc, dùng đệm gập (hình 3.10c) hoặc dùng đệm hãm có ngạnh (hình 3.10e) Các phương pháp này khá đảm bảo nên được dùng nhiều trong các

mối ghép quan trọng Nhược điểm chính là không thể điều chỉnh dần lực siết mà phải theo từng nấc

e) Gây biến dạng dẻo cục bộ như tán (hình 3.10d) hoặc núng (hình 3.10f) phần cuối bulông

hoặc hàn dính là các biện pháp chắc chắn nhất, nhưng chỉ được dùng trong những mối ghép không tháo

f) Dùng bột nhão và sơn để tăng thêm ma sát giữa ren bulông và đai ốc Quét sơn hay bột nhão ở những phần có ren của bulông hoặc đai ốc sau đó siết chặt lại

1.5 Vật liệu:

Vật liệu chủ yếu dùng cho các chi tiết máy có ren là thép các bon thông thường, thép các bon

chất lượng tốt hoặc thép hợp kim Tiêu chuẩn quy định 12 cấp bền đối với bu lông, vít và vít cấy bằng

thép Chọn vật liệu phải căn cứ vào điều kiện làm việc, khả năng chế tạo và các yếu cầu về kích thước

(e)

(f)

Hình3.10

khuôn khổ và khối lượng Nếu không có những yêu cầu đặc biệt, người ta thường chế tạo bulông, vít

bằng thép CT3 hoặc thép 10, 20, 30, … Thép 35, 45 nhiệt luyện đạt cơ tính cao được dùng khi cần

giảm kích thước, khối lượng kết cấu

Đai ốc được chế tạo bằng cùng vật liệu hoặc vật liệu có độ bền thấp hơn chút ít

Bảng 3.3: Cơ tính một số mác thép chế tạo tiết máy có ren

Cấp bền của bu lông

σb (Mpa)

σch (Mpa) Mác thép

3 6 4 6 5 6 6 6 8 8 10 9

300 400 500 600 800 1000

490 550 700 800 1000 1200

200 240 300 360 640 900

CT3; 10 20 30; 35 35; 45; 40Γ 36X; 38XA 40Γ2; 40X

CT3 CT3 10 15 20; 35; 45 35X; 38XA

Chú ý: Cấp bền của bulông được biểu thị bằng hai số Số đầu nhân với 100 cho trị số giới hạn bền nhỏ nhất tính bằng Mpa, số thứ hai chia cho 10 biểu thị tỷ số giới hạn chảy với giới hạn bền: σch / σb

1.6 Ưu, nhược điểm của mối ghép ren:

Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản, - Có thể cố định chi tiết máy ở bất kỳ ví trí nào, - Dễ tháo lắp,

- Giá thành tương đối hạ, thay thế dễ dàng (vì bu lông được tiêu chuẩn hóa và chế tạo sẵn bằng các phương pháp có năng suất cao)

Nhược điểm: - Có tập trung ứng suất tại chân ren dẫn đến làm giảm độ bền mỏi của mối ghép, - Gồm nhiều chi tiết nên mối ghép nặng nề và cồng kềnh

II TÍNH TOÁN BULÔNG:

2.1 Các dạng hỏng :

Bulông chịu tải trọng tĩnh rất ít hỏng, khi quá tải thân bulông có thể bị đứt hoặc ren bị cắt, bị

dập Theo thống kê, 90% hỏng vì mỏi ở chỗ tập trung ứng suất vùng chân ren, chỗ chuyển tiếp do tải

trọng biến đổi gây nên Tuy nhiên tùy theo đặc tính của tải trọng tác dụng lên bulông mà có thể xảy ra các dạng hỏng sau:

- Thân bulông bị kéo đứt tại phần có ren hoặc sát đầu bulông - Ren bị hỏng do mòn, dập, cắt hoặc uốn

- Đầu bulông bị dập, cắt hoặc uốn Do tình hình làm việc của bulông, vít, vít cấy hoàn toàn giống nhau nên cách tính toán chúng về sức bền cũng hoàn toàn giống nhau

2.2 Tính bulông ghép lỏng chịu lực dọc

d1

F

G F G /2 G /2

Hình 3.11

Xét mối ghép bulông ghép lỏng, chịu lực kéo F, như trên (hình 3.11), trong trường hợp này không cần xiết chặt đai ốc Do đối xứng nên thân bulông chịu kéo bởi lực F dọc theo trục bulông Bulông sẽ bị kéo đứt tại phần có ren nếu lực F quá lớn Ta có công thức kiểm nghiệm:

[]

dF4

k21

σπ

σ = ≤ (3.2)

Công thức thiết kế:

][

F4d

k1≥π σ (3.3) Tra bảng chọn bulông tiêu chuẩn với: d≥0,9p+d1 (3.4)

[σk] - ứng suất kéo cho phép của bulông

2.3 Tính mối ghép bulông chịu được siết chặt, không chịu ngoại lực tác dụng :

Trường hợp này có thể lấy các bulông của nắp các

bình kín không có áp suất dư làm ví dụ (hình 3.12) Lúc này thân bu lông chịu kéo do lực siết V gây ra và chịu xoắn do mômen ma sát Tm trên ren sinh ra khi siết chặt đai ốc Ta đã biết:

2d)(tgVTm = × γ +ρ' × 2Với ρ’ = arctgf ’, góc ma sát tương đương Ứng suất kéo do lực xiết V gây ra:

21V

dV4

πσ =

Ứng suất xoắn do mômen ma sát Tm gây ra:

31

2'3

1

2'

om

dd)(tgV816

/d

d)(tgV5,0WT

××+×=×

×+×==

πργπ

ργτ

Ứng suất tương đương được xác định theo thuyết bền thứ 4:

23

1

2'2

212

2Vtđ

d

d)(

tgV83d

V43





+=+=

πργπ

τσσ

2'1

2V

dd12





+×+

σ

Đối với các bulông tiêu chuẩn có thể lấy trung bình d2 = 1,12d1, γ=2o30 và f’ = 0,2, ta có:

[ ]k2

1V

tđ

dV43,13,

πσσ = = × ≤ (3.5)

Như vậy trong trường hợp bu lông bị siết chặt và không chịu ngoại lực tác dụng, có thể dùng

công thức đơn giản tính theo độ bền kéo với ứng suất tương đương bằng 1,3 lần ứng suất kéo do lực siết V gây nên (kể đến 30% do xoắn)

Ta tìm được đường kính d1:

][

V43,1d

k1 π× σ

××≥ (3.6)

2.4 Tính bulông chịu lực ngang

Trường hợp lực tác dụng trong mặt phẳng vuông góc với trục bulông, quy ước gọi là lực ngang, bulông được tính theo điều kiện đảm bảo cho mối ghép không bị trượt.Về kết cấu, có thể lắp

bulông theo hai phương án: lắp có khe hở (hình 3.13a) và lắp không có khe hở (hình 3.13b)

a)Bulông có khe hở

Để các tấm ghép không bị trượt tương đối với nhau, phải siết chặt bulông để tạo nên lực ép V giữa các tấm ghép, sao cho lực ma sát Fms do V gây ra trên bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép phải lớn hơn lực tác dụng F: F= i.f.V > F

V V

σd

Hình 3.12

Trong đó: i là số bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép (hình 3.13a, i = 2), f là hệ số ma sát  V = k.F/ i.f

Với k là hệ số an toàn, thường lấy k = 1,4÷2,3 đối với mối ghép chịu tải trọng tĩnh, k = 2,7 ÷ 4,3 đối với mối ghép chịu tải trọng thay đổi, k = 1,5 ÷ 2,8 khi có đệm mềm giữa hai bề mặt lắp ghép, k = 2,2 ÷ 3,8 đối với mối ghép có đệm kim loại phẳng, k = 3,2 ÷ 5,8 đối với mối ghép có đệm vênh

Bulông vừa chịu kéo vừa chịu xoắn Điều kiện bền (tương tự như khi tính bu lông được siết chặt không có ngoại lực tác dụng):

2 [ ]k

1tđ

dV43,

Fk43,1d

k1 π× × × σ

×××≥ (3.7)

b)Bu lông lắp không có khe hở:

Thân bulông lắp vào lỗ doa, thân bulông được gia công nhẵn, kích thước đường kính khá

chính xác đảm bảo lắp không có khe hở với lỗ (hình 3.13b) Khi tính sức bền của mối ghép, không kể

đến lực ma sát giữa các tấm vì không nhất thiết phải siết chặt đai ốc và trường hợp chung có thể thay

thế bulông bằng chốt, lúc này dưới tác dụng của lực F bulông bị cắt và bị dập Điều kiện bền cắt:

[]

d.

F4

π

][i

F4d

τπ≥ (3.8)

d – đường kính thân bulông (đường kính lỗ do) i – số tiết diện chịu cắt, ở (hình 3.13b) i = 2

Điều kiện bền về dập: []

dS

nghiệm cả về tấm (nếu tấm làm bằng vật liệu kém hơn) So sánh cả hai phương án ta thấy rằng phương án thứ nhất giá thành rẻ hơn vì không đòi hỏi bu lông và lỗ có kích thước chính xác Tuy nhiên kích thước của bu lông lắp có khe hở sẽ lớn hơn, vì

để chịu cùng một lực F như trường hợp lắp không có khe hở, nếu cho f = 0,15; k = 1,5 và i = 1 thì cần

phải xiết bu lông với lực xiết: V = k.F/ i.f = 10 F Như vậy tải trọng mà bu lông chịu trong trường hợp này lớn gấp 10 lần lực ngoài

2.5 Tính bu lông xiết chặt chịu lực dọc trục:

Có thể lấy trường hợp bu lông ghép nắp bình kín chịu áp suất làm ví dụ Trước khi mối ghép làm việc (chịu lực dọc trục F), cần siết chặt cần siết chặt bulông bằng một lực xiết ban đầu Lực xiết V giúp các tấm ghép không trượt tương đối với nhau và không bị tách hở khi chịu lực ngang ngẫu nhiên hoặc va đập khi tải trọng thay đổi, để đảm bảo độ kín khít và độ cứng của mối ghép

12

3

V V

ττ