CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT KẾ MÁY CHI TIẾT MÁY

LÊ VĂN UYỂN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Và THIẾT KẾ MÁY CHI TIẾT MÁY Hà nội tháng 9-2015 LÊ VĂN UYỂN PHẦN THỨ NHẤT CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Hà nội tháng 9-2015 Lời nói đầu Cuốn tài liệu “Cơ sở Thiết kế máy Thiết kế Chi tiết máy “ đƣợc biên soạn dựa sở sách Cơ sở Thiết kế máy nhà xuất GIÁO DỤC VIỆT NAM xuất tháng 12 năm 2011 có sửa chữa bổ sung thêm phần II Cuốn sách bao gồm hai phần: Phần I: Cơ sở Thiết kế máy gồm 12 chƣơng trình bày phƣơng pháp thiết kế chi tiết máy Phần II: Thiết kế Chi tiết máy gồm chƣơng trình bày thiết kế chi tiết máy hệ dẫn động khí nhằm phục vụ cho sinh viên làm ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY Trong phần này, tác giả đƣa vào nội dung tự động thiết kế chi tiết cách sử dụng phần mềm thiết kế Autodest Inventor Sách đƣợc biên soạn nhằm trang bị kiến thức tính toán thiết kế chi tiết máy làm sở cho việc thiết kế máy công tác Ngoài sách làm tài liệu để rèn luyện kỹ tƣ phân tích hệ thống làm việc máy công tác, khả áp dụng kiến thức đƣợc trang bị vào công việc thiết kế, kiểm tra thẩm định.Trong tài liệu đƣợc bổ sung thêm chi tiết máy mà tài liệu khác chƣa đƣợc đề cập đề cập chƣa đầy đủ Cuốn sách tài liệu tham khảo để học lý thuyết làm Đồ án môn học chi tiết máy cho bạn sinh viên theo học trƣờng Đại học Cao đẳng, cho các cán trẻ giảng dạy môn học Cơ sở Thiết kế máy trƣờng Đại học Cao đẳng Trong trình biên soạn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đƣợc đồng nghiệp bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi tác giả theo điạ chỉ: levanuyen_cstkm@yahoo.com Tác giả MỤC LỤC PHẦN I CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY Chƣơng NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 Khái niệm thiết kế máy chi tiết máy 1.2 Nội dung trình thiết kế máy chi tiết máy 1.3 Tải trọng ứng suất 1.4 Chỉ tiêu khả làm việc phƣơng pháp tính toán thiết kế chi tiết máy 1.5 Ứng suất cho phép … .…………………………………… 12 1.6 Vật liệu sử dụng khí 22 1.7 Tiêu chuẩn hóa tính công nghệ thiết kế 25 Câu hỏi ôn tập Chƣơng BỘ TRUYỀN ĐAI 2.1 Khái niệm chung 28 2.2 Cơ sở tính toán truyền đai .34 2.3 Tính truyền đai 39 2.4 Kết cấu bánh đai 48 2.5 Các bƣớc thiết kế truyền đai 48 2.6 Biến tốc đai 52 Câu hỏi ôn tập Chƣơng BỘ TRUYỀN XÍCH 3.1 Khái niệm chung 55 3.2 Cơ sở tính toán truyền xích 57 3.3 Tính truyền xích 60 3.4 Các bƣớc thiết kế truyền xích 64 3.5 Kết cấu đĩa xích 65 3.6 Ƣu nhƣợc điểm phạm vi sử dụng .65 Câu hỏi ôn tập Chƣơng BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNGác 4.1 Khái niệm chung………………………………………………………66 4.2 Cơ sở tính toán thiết kế bánh răng…………………………………… 81 4.3 Tính toán truyền bánh trụ…………………………………… 98 4.4 Tính toán truyền bánh côn………………………………… 108 4.5 Các bƣớc thiết kế bánh 110 4.6 Kết cấu bánh 116 4.7 Ƣu nhƣợc điểm phạm vi sử dụng 116 4.8 Bộ truyền bánh sóng Câu hỏi ôn tập Chƣơng BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT 5.1 Khái niệm chung…………………………………………………… 123 5.2 Cơ sở tính toán truyền trục vít………………………………… 128 5.3 Tính toán truyền trục vít……………………………………… 137 5.4 Các bƣớc thiết kế truyền trục vít……………………………… 140 5.5 Kết cấu trục vít bánh vít 142 5.6 Ƣu nhƣợc điểm phạm vi sử dụng 142 Câu hỏi ôn tập Chƣơng TRUYỀN ĐỘNG VIT ĐAI ỐC 6.1Khái niệm chung ………………………………………………… 144 6.2 Cơ sở tính toán truyền động vít đai ốc…………………………… 146 6.3 Tính toán truyền động vít me ma sát trƣợt………………………… 148 6.4 Tính toán truyền động vít me ma sát lăn…………………………….152 Câu hỏi ôn tập Chƣơng TRỤC 7.1 Khái niệm chung………………………………………………… 158 7.2 Tính trục…………………………………………………………… 163 7.3 Các bƣớc thiết kế trục……………………………………………… 175 Câu hỏi gợi ý Chƣơng Ổ TRƢỢT Gối đỡ trục 8.1 Khái niệm chung…………………………………………………… 178 8.2 Cơ sở tính toán ổ trƣợt……………………………………………… 185 8.3 Tính ổ trƣợt………………………………………………………… 188 Câu hỏi ôn tập Chƣơng Ổ LĂN 9.1 Khái niệm chung…………………………………………………… 194 9.2 Cơ sở tính toán ổ lăn…………………………………………………198 9.3 Chọn ổ lăn……………………………………………………………203 9.4 Các bƣớc chọn ổ lăn…………………………………………………208 9.5 So sánh ổ trƣợt ổ lăn…………………………………………… 209 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 10 LO XO 10.1 Khái niệm chung……………………………………………………212 10.2 Lò xo xoắn ốc trụ chịu kéo (chịu nén)…………………………… 213 10.3 Lò xo xoắn xoắn…………………………………………………… 217 Chƣơng 11 KHỚP NỐI 11.1 Khái niệm chung……………………………………………………218 11.2 Nối trục…………………………………………………………… 219 11.3 Ly hợp…………………………………………………………… 229 11.4 Ly hợp tự động…………………………………………………… 236 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 12 CHI TIẾT MÁY GHÉP 12.1 Khái niệm chung……………………………………………………242 12.2 Kết cấu phƣơng pháp tính toán mối ghép…………………….…243 Chƣơng NHỮNG VẤN Ề CƠ ẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1.1 Khái niệm máy Chi tiết máy Trong đời sống bắt gặp nhiều sản phẩm khí đƣợc thiết kế chế tạo Các sản phẩm thuộc lĩnh vực khác nhƣ sản phẩm gia dụng: máy cắt cỏ, máy điều hòa, máy chế biến thức ăn…; Các sản phẩm thuộc hệ thống sản xuất: máy gia công kim loại, máy nâng vận chuyển, thiết bị đóng gói, Rôbốt công nghiệp, máy điều khiển số nhƣ máy CNC …; Máy móc thiết bị ngành xây dựng, khai khoáng, máy nông nghiệp, máy vận tải thiết bị phục vụ nghiên cứu không gian… Hình 1.1 Hình 1.1 hộp giảm tốc (HGT) cấp bánh trụ nghiêng dây chuyền sản xuất Axit Sunphuric thuộc nhà máy phân đạm Bánh dẫn có z1 = 30 đƣợc làm liền trục, bánh bị dẫn có z2 = 78 đƣợc lắp với trục mối ghép độ dôi Đầu vào đƣợc lắp với turbin khí quay với tốc độ 17077vg/ph; công suất P1 = 2304KW (tƣơng đƣơng T1 = 1288470Nmm), đầu trục đƣợc lắp quạt nén khí, quay với tốc độ n2 = 6568vg/ph Trục đỡ bánh đƣợc lắp gối (ổ trƣợt) ổ đƣợc lắp lên vỏ (thân HGT) Tại gối đỡ trục đƣợc lắp thiết bị để kiểm tra nhiệt độ độ rung; độ di dọc trục nhƣ áp lực dầu bôi trơn Như vậy, Máy Bộ phận máy cấu tạo từ nhiều chi tiết khác để thực công hữu ích nhằm thay lao động chân tay có suất thấp lao động máy móc có suất chất lượng cao 1.1.2 Phân loại chi tiết máy Chi tiết máy thực chức định phận hay cấu máy Chi tiết chi tiết hoàn chỉnh (bánh răng, trục, then, lò xo ), cụm chi tiết đƣợc liên kết với để tạo thành chi tiết hoàn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích…) Chi tiết máy phân thành hai loại: - Chi tiết công dụng chung chi tiết có hình dạng kết cấu, chức gặp loại máy công tác nhƣ loại ốc vít, bánh răng, đai, xích, trục, ổ lăn… - Chi tiết công dụng riêng chi tiết xuất số máy công tác nhƣ trục khuỷu, trục mềm, cam… 1.2 NỘI DUNG VÀ QUÁ TRÌNH THIÊT KẾ MÁY, CHI TIẾT MÁY 1.2.1 Nội dung yêu cầu thiết kế máy chi tiết máy Máy đƣợc thiết kế nhằm đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật ( yêu cầu khách hàng) phải có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế thực tế chế tạo Ngoài số yêu cầu khác nhƣ kiểu dáng, thay có tính thân thiện với môi trƣờng ( sử dụng nguồn lƣợng vật liệu, không ồn, không gây ô nhiễm…) Vì việc thiết kế máy để đảm bảo yêu cầu vấn đề phức tạp Thiết kế máy chi tiết máy (đƣợc xây dựng sở yêu cầu cụ thể máy đƣợc thiết kế) bao gồm nội dung sau: 1.2.1.1 Nội dung thiết kế máy Nội dung việc thiết kế máy đáp ứng tối đa yêu cầu khách hàng sở tìm hiểu thị trƣờng để đƣa loại sản phẩm Cần ý sản phẩm đƣợc thiết kế phải đáp ứng tối đa nhu cầu kỳ vọng khách hàng vấn đề không phần quan trọng vấn đề bảo dƣỡng, thay suốt chu kỳ tuổi thọ cần cân nhắc đến việc sản phẩm đƣợc giải sau hết thời gian sử dụng Dựa vào yêu cầu sở phân tích, xác định chức năng, yêu cầu tiêu chuẩn đánh giá máy đƣợc thiết kế đòi hỏi ngƣời thiết kế phải biết phân tích, tổng hợp động lực học máy khả công nghệ thực để đƣa sơ đồ nguyên lý hợp lý (chọn phƣơng án thiết kế cuối cùng) Mặt khác ngƣời thiết kế phải có kỹ thiết kế chi tiết nhƣ việc lựa chọn vật liệu công nghệ để chế tạo, lắp ráp chi tiết để nâng cao tính hiệu độ tin cậy làm việc chi tiết phận máy Và nội dung cuối trình thiết kế máy lập hồ sơ máy dẫn vận hành, bảo dƣỡng, thay chi tiết 1.2.1.2 Nội dung thiết kế chi tiết máy Thiết kế chi tiết máy phần thiếu trình thiết kế máy, trình thiết kế chi tiết máy đƣợc tiến hành theo bƣớc sau: a) Xác lập sơ đồ nguyên lý làm việc chi tiết máy để xác định thông số động lực học chế độ làm việc chi tiết b) Chọn vật liệu khả công nghệ để gia công chi tiết xuất phát từ yêu cầu làm việc chi tiết việc cung ứng vật tƣ c) Tính thiết kế ( tính sơ bộ) để xác định kích thƣớc chi tiết theo tiêu khả làm việc Trên sở tiến hành thiết kế kết cấu chi tiết thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện công nghệ ( công nghệ chế tạo, công nghệ lắp ghép ý đến vấn đề thay chi tiết hỏng hóc) d) Tính toán kiểm nghiệm theo tiêu khả làm việc theo hệ số an toàn đảm bảo chi tiết không hỏng hóc trình vận hành e) Hoàn thiện thiết kế kỹ thuật chi tiết để chế tạo chi tiết 1.2.2 Những kỹ cần có thiết kế khí Thiết kế sản phẩm nói chung thiết kế khí nói riêng cần có kỹ (kỹ cứng kỹ mềm), bao gồm: a) Kỹ xây dựng vẽ phác, vẽ kỹ thuật thiết kế với trợ giúp máy tính (CAD) b) Nắm bắt đƣợc đặc trƣng vật liệu, xử lý vật liệu công nghệ chế tạo chi tiết c) Các kiến thức môn học Cơ học, Sức bền, Dung sai, Lý thuyết cấu, Cơ học chất lỏng, Thủy lực, Kỹ thuật truyền nhiệt, Kỹ thuật điều khiển, Khai thác sử dụng phần mềm tính toán thiết kế, Các phƣơng pháp dự đoán hƣ hỏng, Cơ sở thiết kế máy ( Chi tiết máy), kiến thức thiết bị, phƣơng pháp gia công chi tiết… d) Khả xây dựng thực kế hoạch Sự sáng tạo, giải vấn đề quản lý chƣơng trình, dự án e) Các kỹ giao tiếp, lắng nghe khả làm việc theo nhóm f) Thích ứng nhanh với môi trƣờng điều kiện làm việc 1.3 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT 1.3.1 Tải trọng Ngƣời thiết kế cần phải nhận biết đƣợc loại tải trọng tác dụng lên chi tiết, tải trọng tĩnh hay thay đổi, va đập hay tải trọng ngẫu nhiên Trên sở chọn phƣơng pháp phù hợp để phân tích ứng suất, chọn vật liệu, hệ số an toàn cho chi tiêt mang tải làm việc an toàn phạm vi rộng Tải trọng thƣờng ký hiệu chung Q: lực F(N), mô men T(Nmm) tác dụng lên chi tiết hay phận máy trình làm việc Cần phân biệt loại tải trọng sau: T a) Tải trọng tác dụng lên chi tiết phận máy trình làm việc, bao gồm: Tải trọng tĩnh giá trị thay đổi chậm không thay đổi theo thời gian Tải trọng thay đổi phƣơng chiều cƣờng độ thay đổi theo thời gian Hình 1.2 trƣờng hợp tải trọng thay đổi tuần hoàn theo bậc Tải thay đổi đƣợc qui hai dạng tải trọng sau: - Tải trọng danh nghĩa Qdn  Tm   T1  T2 T3 t t1 t2 t3 t t1 t2 t3 T a) b) Hình 1.2 Chế độ tải trọng thay đổi theo bậc (Fdn; Tdn) tải trọng đƣợc chọn số tải trọng tác dụng ổn định thời gian dài - Tải trọng tƣơng đƣơng Qtđ (Ftđ; Ttđ) tải trọng thay cho tải trọng thay đổi Qtđ = Qdn.KN b) Tải trọng tính toán tải trọng thực tế tác dụng lên chi tiết dùng để tính toán chi tiết Qtt = KQtđ Vậy Qtt = KNKQdn (1.1) đó: - KN hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào đồ thị thay đổi tải trọng ( xét cụ thể cho chi tiết với chế độ tải trọng khác nhau) - K hệ số tải trọng tính toán, phụ thuộc vào nhiều yếu tố xác định tuỳ thuộc lọai máy công tác, vào loại chi tiết (xem chƣơng truyền động công suất) 1.3.2 Ứng suất Khi chi tiết làm việc, tùy thuộc vào dạng tải trọng tác dụng, điều kiện làm việc vật liệu chi tiết mà ứng suất bên chi tiết ứng suất kéo (k); ứng suất uốn (u); ứng suất tiếp () Và ứng suất tiếp xúc H (khi hai chi tiết tiếp xúc với với diện tích tiếp xúc nhỏ) ứng suất dập d (khi diện tích tiếp xúc lớn) Giá trị ứng suất hoàn toàn xác định đƣợc nhờ công thức Sức bền Chi tiết máy ( xem cụ thể tính toán chi tiết chƣơng sau) Các ứng suất là: - Ứng suất không đổi ứng suất có giá trị không thay đổi thay không đáng kể theo thời gian - Ứng suất thay đổi giá trị phƣơng thay đổi theo thời gian Ứng suất thay đổi ổn định (hình 1.3) thay đổi không ổn định Ứng suất thay đổi ổn định bao gồm: Ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng (hình 1.3a), thay đổi theo chu kỳ mạch động dƣơng (hinh 1.3b) thay đổi theo chu kỳ không đối xứng (hình 1.3c) Có thể sử dụng đại lƣợng sau để đặc trƣng cho chu trình thay đổi ứng suất (ví dụ cho chi tiết chịu ứng suất pháp): Biên độ ứng suất: a = (max - min)/2 (1.2) Ứng suất trung bình: m = (max + min)/2 Hệ số chu trình ứng suất: r = min / max max a max  t t min min t m  max a) a = max ; m = r = -1 b) a = m = 0,5max r = c) a ; m r Hình 1.3 Đồ thị ứng suất thay đổi đại lượng đặc trưng Ví dụ 1.1 Khi trục quay chiều chịu tác động lực (M T) không đổi ứng suất pháp thay đổi theo chu trình đối xứng ứng suất tiếp thay đổi theo chu kỳ mạch động đặc trƣng thay đổi ứng suất trƣờng hợp là: a = max = M / Wu ; m = 0; r = -1 a = m = 0,5max = T / 2Wo; r = Wu Wo mô men chống uốn chống xoắn tƣơng ứng tiết diện trục Ghi - Các gía trị ứng suất hoàn toàn xác định đƣợc công thức học (Sức bền, chi tiết máy) - Với ứng suất bề mặt tùy thuộc vào dạng tiếp xúc ban đầu mà ứng suất tiếp xúc diện tích tiếp xúc ban đầu điểm đƣờng, giá trị ứng suất đƣợc xác định theo công thức (xem phần tính sức bền bánh ổ lăn ) sau: Khi tiếp xúc ban đầu: đƣờng Khi tiếp xúc ban đầu: điểm (Ví dụ tiếp xúc bề mặt răng) H  ZM qn 2 (Tiếp xúc lăn với vòng ổ)  H  0,388 (1.3a) NE 2 (1.3b) Nếu tiếp xúc ban đầu mặt ứng suất bề mặt gọi ứng suất dập (trƣờng hợp tiếp xúc thân bu lông với lỗ ghép mối ghép bu lông tinh) d = F / Ad (xem chƣơng 13) - Các công thức tính đại lƣợng đặc trƣng nêu trƣờng hợp, ta tính cho trƣờng hợp khác 1.4 CHỈ TIÊU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHI TIẾT MÁY Khi thiết kế máy hay phận máy cần đảm bảo đƣợc yêu cầu sau: - Đảm bảo độ tin cậy tuổi thọ làm việc - An toàn hiệu sử dụng - Tính kinh tế Ngƣời thiết kế cần nắm vững dạng hƣ hỏng khác xảy chi tiết làm việc (gọi tiêu khả làm việc chi tiết máy (CTM)) đảm bảo hƣ hỏng không xuất Có thể sử dụng vài phƣơng pháp khác để dự đoán dạng phá hỏng trách nhiệm ngƣời thiết kế phải tìm dạng hỏng CTM Nhiệm vụ ngƣời thiết kế phải vào tình hình làm việc cụ thể chi tiết để phán đoán, tìm dạng phá hỏng nguy hiểm ( tiêu quan trọng nhất) sở tiến hành chọn vật liệu, xác định kích thƣớc kết cấu chi tiết cho phù hợp Các tiêu khác chi tiết đƣợc xem xét phần kiểm nghiệm hay bỏ qua tùy loại chi tiết Có thể đƣa số ví dụ để minh họa khả làm việc số chi tiết Ví dụ 1.2 Bộ truyền xích có nhiệm vụ truyền chuyển động lực từ đĩa chủ động sang đĩa bị động Yêu cầu chuyển động đĩa bị dẫn phải ổn định, truyền phải làm việc tin cậy, lâu dài Tuy nhiên lề xích đĩa xích bị mòn làm cho mắt xích không ăn khớp với đĩa dẫn đến dây xích có khả bị tuột khỏi đĩa Ngoài chịu tải máng lót bị vỡ hay chốt bị gãy má xích bị đứt Nhƣ tiêu khả làm việc truyền xích mòn lề xích, mòn đĩa, gãy chốt hay vỡ máng lót má xích bị đứt Ví dụ 1.3 Ổ lăn chi tiết dùng để đỡ trục quay đảm bảo cho trục quay quanh tâm hình học Khi ổ xuất tróc rỗ bề mặt xuất tiếng ồn làm phá vớ tính chất làm việc êm chúng Khi lăn vòng ổ bị mòn độ đồng tâm trục quay không gây nên va đập, rung động tiếng ồn Khi lăn vòng ổ bị biến dạng nhiều dẫn đến trục quay không ổn định không quay đƣợc Nhƣ tiêu khả làm việc ổ lăn tróc rỗ bề mặt, mòn biến dạng lăn Trong thực tế gặp nhiều chi tiết, chi tiết có dạng phá hỏng khác bạn đọc đƣa nhiều thí dụ để minh họa cho tiêu khả làm việc tùng chi tiết cụ thể 1.4.1 Chỉ tiêu độ bền Độ bền khả tiếp nhận tải trọng CTM mà không gây nên tƣợng biến dạng dƣ lớn, gẫy hỏng bề mặt chi tiết bị phá hủy nhƣ cào xƣớc, tróc rỗ Đây yêu cầu quan đa số CTM, ví dụ chi tiết không đủ độ bền thể tích bị gẫy dẫn đến tổn thất khó lƣờng chi tiết xuất vết tróc bề mặt tiếp xúc làm phá hủy tính chất làm việc êm, dẫn đến va đập, rung động gây ồn…Tùy theo dạng hỏng xẩy bên thể tích hay bề mặt chi tiết mà phân hai dạng độ bền là: - Độ bền thể tích tượng chi tiết bị biến dạng dư lớn hay gãy hỏng (độ bền kéo hay nén, độ bền uốn hay xoắn…) ví dụ nhƣ trục bị gãy, bánh chịu tải bị gãy… - Độ bền bề mặt tƣợng hỏng xuất lớp bề mặt chi tiết ví dụ tƣợng tróc rỗ bề mặt lăn, rãnh lăn ổ lăn Tùy theo tính chất ứng suất sinh CTM mà phân Độ bền tĩnh Độ bền mỏi Nếu chi tiết chịu ứng suất không đổi chi tiết bị phá hủy độ bền tĩnh chi tiết chịu ứng suất thay đổi chi tiết bị phá hủy tƣợng mỏi gây nên gọi độ bền mỏi Phƣơng pháp tính toán theo độ bền chủ yếu phƣơng pháp so sánh ứng suất Điều kiện bền chi tiết đƣợc viết dƣới dạng tổng quát sau: Ƣng suất < [Ứng suất]   []   [  ] (1.4) Trong đó:   ứng suất chi tiết chịu tác dụng tải trọng gọi ứng suất thực tế, xác định tùy thuộc vào chi tiết tính toán cách xác định ứng suất lớn [] [] ứng suất cho phép Để cải thiện khả chịu tải kéo dài tuổi thọ thƣờng sử dụng phƣơng pháp nâng cao độ bền (Xem phƣơng pháp nâng cao độ bền chi tiết) 1.4.2 Chỉ tiêu độ cứng Độ cứng chi tiết khả chịu tác dụng ngoại lực mà không đƣợc gây biến dạng đàn hồi giới hạn cho phép Đây tiêu làm việc quan trọng chi tiết máy, vì: - Trong số trƣờng hợp, kích thƣớc chi tiết đƣợc xác định từ tiêu độ cứng, ví dụ trục máy tiện, máy mài… hay trục động điện - Trong nhiều trƣờng hợp, chất lƣợng làm việc đƣợc định độ cứng CTM (ví dụ trục máy cắt gọt ảnh hƣởng đến chất lƣợng gia công) điều kiện làm việc tiết máy liên quan (chất lƣợng làm việc bánh ổ trƣợt phụ thuộc vào độ cứng trục quay) - Một số trƣờng hợp kích thƣớc chi tiết đƣợc xác định từ tiêu độ cứng ví dụ trục động điện kích thƣớc kết cấu cuả dầm cầu lăn Nhƣ yêu cầu độ cứng chi tiết đƣợc định yếu tố sau: - Điều kiện bền chi tiết máy - Điều kiện tiếp xúc tiết máy với - Điều kiện công nghệ - Yêu cầu đảm bảo chất lƣợng làm việc chi tiết máy Cần phân biệt hai loại độ cứng, là: - Độ cứng thể tích biến dạng chi tiết chịu lực, ví dụ độ võng hay góc hay góc xoay trục chịu tác dụng tải trọng - Độ cứng tiếp xúc (biến dạng tiếp xúc chỗ tiếp xúc) Độ cứng tiếp xúc phụ thuộc vào chất lƣợng bề mặt nhƣ nhấp nhô bề mặt, độ không phẳng đặc biệt độ rắn bề mặt (HB hay HRC) Tính toán theo độ cứng nghĩa đảm bảo cho chi tiết kết cấu không bị biến dạng giới hạn cho phép theo điều kiện sau: Biến dạng < [biến dạng] Nghĩa là: y < [ y ] (1.5a)  < [] (1.5b) Trong đó: y  độ võng góc xoay xác định nhờ công thức tính toán sức bền (xem phần tính trục theo độ cứng) [ y ] [] độ võng góc xoay cho phép (tới hạn) xác định xuất phát từ yêu cầu nhƣ độ nhƣ độ xác, chất lƣợng sử dụng cấu hay phận máy Ví dụ độ võng cho phép trục máy gia công khí thƣờng giới hạn [y] = (0,0002…0,003)l với l khoảng cách gối, độ võng cho phép kết    L , với L độ  300 700  cấu dầm cầu lăn với y   1.4.3 Chỉ tiêu độ bền mòn Độ bền mòn khả chống lại hao mòn bề mặt tiếp xúc ma sát gây nên Đây tiêu quan trọng chi tiết máy, vì: Khi chi tiết bị mài mòn (đạt đến lƣợng mòn U chẳng hạn) làm tăng khe hở bề mặt tiếp xúc dẫn đến hậu quả: - Máy việc ồn xuất tải trọng động phụ - Làm giảm độ xác chi tiết gia công (đối với máy gia công cắt gọt), giảm hiệu suất sử dụng tăng tiêu hao nhiên liệu ( mòn pistonxilanh) giảm độ tin cậy cấu Quá trình mài mòn bề mặt đƣợc biểu diễn hình 1.4 Đầu tiên mấp mô bề mặt bị mài mòn, giai đoạn gọi trình chạy rà chi tiết Trong giai đoạn trình mài mòn xẩy tƣơng đối nhanh Tiếp theo trình mài mòn ổn định (giai đoạn II) Trong giai đoạn lƣợng hao mòn_U tỷ lệ với quãng đƣờng ma sát thời gian sử dụng T(h) (gọi tuổi thọ mòn chi tiết) (Có thể xác định lƣợng hao mòn ma sát hệ thức sau đây: U = I.s; s quãng đƣờng ma sát I cƣờng độ mài mòn vật liệu đƣợc xác định thực nghiệm tìm thấy sổ tay vật liệu ma sát ) Khi lƣợng hao mòn đạt đến giá trị U max trình mài mòn xẩy nhanh (giai đoạn III) Giữa áp suất po quãng đƣờng ma sát s có mối quan hệ sau: (1.6) p om s  const Trong đó: m số mũ phụ thuộc chế độ ma sát Nếu ma sát khô nửa khô m =1 2; Nếu ma sát nửa ƣớt m = s quãng đƣờng ma sát đạt đến độ mòn lớn nhất, tính s theo công thức sau: s = v.t ∑ (v vận tốc t ∑ (h) thời gian sử dụng Hệ thức (1.5) cho thấy po v giảm tuổi thọ mòn tăng lên Có nhiều nhân tố ảnh hƣởng đến độ bền mòn CTM: - Áp lực (po) bề mặt tiếp xúc vận tốc trƣợt - Chất lƣợng lớp bề mặt ma sát (độ nhám bề mặt; Cấu trúc kim loại thành phần hóa học lớp vật liệu bề mặt; Độ rắn bề mặt HB hoăc HRC) - Bôi trơn bảo dƣỡng trình sử dụng Quá trình mài mòn phụ thuộc nhiều yếu tố, có tải trọng (áp lực), vận tốc trƣợt, chất lƣợng bề mặt, bôi trơn … Để hạn chế mòn, tốt hai bề mặt tồn lớp dầu bôi trơn Tuy nhiên trƣờng hợp tạo màng dầu bôi trơn mài mòn xẩy Để hạn chế mài mòn cần hạn chế giá tri áp suất po tích số po.v, Nghĩa là: po  [po] (1.7a) Hoặc po.v  [po.v] (1.7b) Có thể sử dụng giải pháp sau để tăng khả chịu mài mòn chi tiết: - Sử dụng vật liệu có hệ số ma u sát thấp nhƣ đồng thanh, gang xám chất dẻo ( xem phần chọn vật liệu vành bánh vít lót ổ trƣợt) - Nâng cao độ xác chế umax tạo (độ phẳng…) độ nhám bề uo mặt để giảm tải trọng để tải I II III trọng phân bố bề mặt tiếp s xúc - Thay bề mặt ma sát trƣợt Hình 1.4 Qui luật mài mòn theo thời gian bề mặt ma sát lăn (bánh t chốt lăn; trục vít me ma sát lăn; ổ lăn; rãnh dẫn hƣớng ma sát lăn…) 10 1.4.4 Chỉ tiêu khả chịu nhiệt Khả chịu nhiệt chi tiết chi tiết làm việc bình thƣờng đến nhiệt độ mà không gây dạng hỏng cố Trong trình làm việc cấu tổn hao công suất biến thành nhiệt làm cho nhiệt độ máy tăng lên Khi nhiệt tăng gây nên tƣợng có hại nhƣ: - Làm giảm khả chịu tải chi tiết tính vật liệu bị thay đổi (Ví dụ với thép điều xảy to > 300…400oC với kim lạoi màu to > 100…150oC) - Làm giảm độ nhớt dầu bôi trơn dẫn đến trình ma sát mòn tăng gây nên tƣợng dính (ổ trƣợt) - Các chi tiết bị biến dạng nhiệt làm thay đổi khe hở cần thiết phận gây nên tƣợng kẹt, cong vênh ( truyền động trục vít) - Làm thay đổi tính chất làm việc lớp bề mặt nhƣ làm giảm hệ số ma sát, tăng mài mòn… Tính toán đơn giản hạn chế nhiệt độ trung bình làm việc theo điều kiện sau: to < [ to ] (1.8) đó: to nhiệt độ trung bình, xác định từ điều kiện cân lƣợng nhiệt sinh mát ma sat với nhiệt độ thoát ( xem phần tính o nhiệt truyền động trục vít ổ trƣợt ) [ t ] nhiệt độ cho phép máy thƣờng chọn theo nhiệt độ cho phép dầu bôi trơn 1.4.5 Chỉ tiêu độ ổn định dao động tiếng ồn Độ ổn định chi tiết khả chi tiết làm việc phạm vi tốc độ cần thiết mà không bị rung động mức cho phép Đây tiêu quan trọng đặc biệt cấu làm việc tốc độ cao Khi xuất dao động, cấu chi tiết có thể: - Làm giảm chất lƣợng làm việc máy ( máy làm việc ồn xuất dao động) làm giảm độ xác chi tiết gia công ( độ xác độ xác hình dạng hình học (với máy cắt gọt) - Gây nên tƣơng gẫy hỏng xuất ứng suất phụ thay đổi chu kỳ Tính toán dao động thƣờng tiến hành tính toán cho hệ Dao động kèm theo tiếng ồn chi tiết làm việc va đập vào Để giảm dao động cho hệ tiếng ồn thƣờng tiến hành nhờ giải pháp sau: 11 - Cân vật quay, đặc biệt chi tiết quay với tốc độ cao nhƣ cánh turbin - Tăng độ cứng chi tiết nhƣ làm thêm gân tăng cứng (các dầm cầu trục) - Thay đổi tính chất động lực học hệ cách sử dụng phận giảm chấn 1.5 ỨNG SUẤT GIỚI HẠN CỦA CHI TIẾT 1.5.1 Ứng suất cho phép hệ số an toàn Ứng suất cho phép ([ƢS]) giá trị giới hạn để làm việc chi tiết không xẩy hỏng hóc Nhƣ ứng suất cho phép công thức (1.4) đƣợc xác định theo quan hệ sau:    lim (1.9a) s    lim (1.9b) s Trong đó: - lim,lim trị số ứng suất giới hạn không làm chi tiết bị phá hủy phụ thuộc vào dạng hỏng chi tiết chịu tải - [s] hệ số an toàn bền cho phép theo giới hạn bền vật liệu, chọn theo bảng 1.1 Hệ số an toàn s số đo độ an toàn tƣơng đối phận mang tải Trong thực tế hệ số an toàn tỷ số ứng suất giới hạn vật liệu chia cho ứng suất cho phép ứng suất thực tế chi tiết phải nhỏ ứng suất giới hạn vật liệu Nhƣ công thức (1.9a,b) viết dƣới dạng khác: s   lim s   lim   Vì điều kiện để đảm bảo chi tiết làm việc an toàn đƣợc viết nhƣ sau: s  [s] (1.10) Ngƣời thiết kế cần xác định giá trị hợp lý cho hệ số an toàn trƣờng hợp, thông thƣờng giá trị hệ số an toàn ứng suất cho phép bị chi phối qui tắc có sẵn tổ chức đặt tiêu chuẩn Trong trƣờng hợp qui tắc tiêu chuẩn ngƣời thiết kế cần sử dụng phán đoán để xác định hệ số an toàn cần có Nhƣ thiết kế Chi tiết máy, điều kiện bền chi tiết biểu diễn dƣới dạng công thức (1.4) (1.10) 12 Bảng 1.1 Chọn hệ số an toàn tính toán chi tiết Hệ số an toàn Điều kiện đặt tải Vật liệu dẻo Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng tĩnh, thông số thiết kế có độ tin cậy cao Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng động, thông số thiết kế có độ tin cậy trung bình Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng tĩnh chịu tải trọng động không chắn tải trọng, thông số thiết kế có độ tin cậy không cao Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng tĩnh chịu tải trọng động không chắn số tổ hợp tải trọng, đặc trƣng vật liệu, phân tích ứng suất môi trƣờng làm việc thiết kế chi tiết yêu cầu mức độ quan Vật liệu dòn Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng tĩnh, thông số thiết kế có độ tin cậy cao Khi thiết kế chi tiết chịu tải trọng động, thông số thiết kế có độ tin cậy trung bình [s] = 1,5…2,0 [s] = 2,0…2,5 [s] = 2,5…4,0 [s]  4,0 [s] = 3,0…4,0 [s] = 4,0…8,0 1.5.2 Ứng suất giới hạn vật liệu Tùy thuộc vào tính chất ứng suất phát sinh chi tiết làm việc (ứng suất không đổi hay ứng suất thay đổi) mà ứng suất giới hạn vật liệu có giá trị khác 1.5.2.1 Khi chịu ứng suất không đổi dạng phá hỏng xẩy đột ngột (gọi độ bền tĩnh), ứng suất giới hạn lim lim đƣợc xác định tuỳ thuộc vào vật liệu (hình 1.5) - Vật liệu dẻo: lim = ch lim = ch - Vật liệu dòn: lim = b lim = b b ch   øng suÊt øng suÊt b  l  BiÕn d¹ng l BiÕn d¹ng a) Vật liệu dẻo b) vật liệu dòn Hình 1.5 Đồ thị ứng suất -biến dạng chịu kéo 13 1.5.2.2 Khi chịu ứng suất thay đổi Khi chiu ứng suất thay đổi dạng phá hỏng tƣợng mỏi vật liệu gây ra, ứng suất giới hạn ứng suất giới hạn mỏi Ứng suất giới hạn mỏi mức ứng suất mà vật liệu làm việc đƣợc với chu kỳ chịu tải xác định Sự phá hủy mỏi khác hẳn phá hủy ứng suất tĩnh (không đổi) gây chất nhƣ tƣợng bên Phá hủy tĩnh tác động ứng suất có giá trị lớn so với ứng suất giới hạn (là ứng suất giới hạn chảy với vật liệu dẻo ứng suất giới hạn bền với vật liệu dòn) phá hủy tĩnh kèm theo tƣợng biến dạng dẻo Trong phá hủy mỏi xẩy ứng suất nhỏ ứng suất giới hạn bền giới hạn chảy dấu hiệu báo trƣớc Chi tiết bị phá hủy mỏi dƣới dạng gẫy đứt hoàn toàn có vết nứt lớn khiến chi tiết tiếp tục làm việc đƣợc Hiện tƣợng phá hỏng mỏi trình tích luỹ dần phá hỏng thân vật liệu dƣới tác động ứng suất thay đổi theo thời gian khả kim loại chống lại phá hủy mỏi gọi sức bền mỏi hay độ bền mỏi (90% tổn thất chi tiết có liên quan đến phát sinh phát triển vết nứt) Ứng suất giới hạn mỏi đặc trƣng học vật liệu đƣợc xác định thí nghiệm (TN) mỏi (có thể TN kéo, mỏi uốn, mỏi xoắn… với mẫu TN có = 7…10mm, mẫu nhẵn (không có tập trung ứng suất) với Ra  0,8…1,6m (hình 1.6) Thuận tiện TN mỏi uốn với chu kỳ ứng suất thay đổi đối xứng (thay đổi ổn định thay đổi không ổn định) Quá trình TN mỏi: Đặt tải trọng lên mẫu (tƣơng ứng với mức ứng suất ), cho máy làm việc mẫu gẫy ta thu đƣợc N (số chu kỳ chịu tải mẫu gẫy, gọi tuổi thọ), ta có cặp giá trị (,N) Bằng cách thay đổi giá trị i ta tìm đƣợc giá trị N i tƣơng ứng sở kết vẽ nên đƣờng cong gọi đƣờng cong ứng suất giới hạn mỏi vật liệu (hình 1.7 TN mỏi uốn) phƣơng trình đƣờng cong mỏi (Vơler) có dạng nhƣ sau: (1.11)  mN N  const Trong đó: N ứng suất tác dụng lên mẫu ứng với tuổi thọ N N đƣợc gọi tuổi thọ ứng với mức ứng suất N m số phụ thuộc vào vật liệu, với thép m = Từ kết thí nghiệm với loại vật liệu, ta thấy: - Khi chịu ứng suất lớn tuổi thọ thấp Khi ứng suất  hay  giảm đến -1 hay -1 số chu kỳ chịu tải tăng lên vô hạn Giá trị -1 -1 đƣợc gọi ứng suất giới hạn mỏi dài hạn vật liệu làm việc 14