Bài giảng sức bền vật liêu

Chương I Bài Sức bền vật liệu NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SỨC BỀN VẬT LIỆU Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM Phần tĩnh học: I Nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu Nhiệm vụ Khi thiết kế phận cộng trình chi ttiết máy ta phải bảo đảm Chi tiết không bị phá hỏng tức đủ bền Chi tiết không bị biến dạng lớn tức đủ cứng Luôn giữ hình dáng cân ban đầu tức đảm bảo điều kiện ổn định Để đảm bảo điều kiện sở lý thuyết môn sức bền vật liệu có nhiệm vụ đưa phương pháp tính toán độ bền , độ cứng , độ ổn định phận công trình chi tiết máy 1.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu môn sức bền vật rắn biến dạng mà chủ yếu Thanh vật thể có kích thước theo hai phương nhỏ so với phương thứ F diện tích mặt cắt ngang giao với mặt phẳng vuông góc với trục Mặt cắt ngang trục trục yếu tố đặc trưng cho mô hình 1.2 Các khái niệm Thanh vật thể dược tạo hình phẳng F có tiết diện hình tròn hay chữ nhật di chuyển không gian cho trọng tâm C đoạn đường cong ∆ không gian, hình phẳng vuông góc với đường cong ∆ Tải trọng 2.1 Định nghĩa Tập hợp tất tác dụng bên , tác dụng vào vật khảo sát 2.2 Phân loại Tải trọng gồm lực tập trung, lực phân bố, moment tập trung phân bố II Ngoại lực Nội lực ứng suất Ngoại lực 1.1Định nghĩa Ngoại lực lực tác động từ môi trường bên hay từ vật khác lên vật xét 1.2 Phân loại Ngoại lực gồm Tải trọng biết trước Phản lực phát sinh liên kết Nội lực Định nghĩa Dưới tác dụng ngoại lực vật thể bị biến dạng , phần tử vật xuất thêm phần lực tác dụng tương hỗ để chống lại tác dụng ngoại lực Phần lực gọi nội lực Phương pháp mặt cắt Khi vật thể chưa bị phá hoại nội lực cân với ngoại lực Vì để khảo sát nội lực ta dùng phương pháp mặt cắt sau Vật chịu lực trạng thái cân Để tìm nội lực C ta tưởng tượng dùng mặt phẳng π qua C cắt vật làm hai phần A,B → → Xét phần A cân tác dụng ngoại lực P1 , P lực tác dụng tương hỗ từ phần B tức nội lực Nội lực phân bố liên tục diện tích F mặt cắt P3 P1 A C B Pn P2 P1 A P2 F Ứng suất Cường độ nội lực điểm mặt cắt gọi ứng suất → Trong tính toán ta thường phân ứng suất toàn phần P làm hai thành phần P1 P2 ∆Ρ τ A C P3 P σ σ τ P B Pn Thành phần vuông góc với mặt cắt gọi ứng suất pháp , σ : ứng suất pháp Thành phần nằm mặt cắt gọi ứng suất tiếp, τ : ứng suất tiếp P = σ +τ Các thành phàn nội lực mặt cắt ngang Lực dọc Nz; Lực cắt Qx, Qy; Mômen uốn Mx, My; Mômen xoắn Mz Mx Mz Nz Qx My X Qy Y Biến dạng 5.1 Kéo nén Hệ nội lực mặt cắt ngang tương đương với lực dọc Nz 5.2 Cắt trượt, dập Hệ nội lực mặt cắt ngang tương đương với lực ngang Qy 5.3 Xoắn Hệ nội lực mặt cắt ngang tương đương với ngẫu lực có mômen Mz nằm mặt cắt 5.4 Uốn Uốn tuý: Hệ nội lực mặt cắt ngang tương đương với ngẫu lực có mômen Mx (hoặc My) Uốn ngang: Qy, Mx (Qx, My) Các giả thiết vật liệu 6.1 Tính đàn hồi vật thể Vật rắn gọi đàn hồi (hay rõ hơn, đàn hồi tuyệt đối) có khả phục hồi hoàn toàn hình dạng kích thước vốn có sau ngoại lực tác dụng, biến dạng khôi phục hoàn toàn sau hết ngoại lực gọi biến dạng đàn hồi - Vật đàn hồi tuyến tính vật mà biến dạng đàn hồi tỉ lệ bậc với nội lực Những vật đàn hồi khác gọi vật đàn hồi phi tuyến - Biến dạng bé hiểu nhỏ đến mức đại lượng vô bé Chuyển vị bé so với kích thước vật thể 6.2 Các giả thuyết Dưới tác dụng ngoại lực vật rắn thực bị biến dạng, nghĩa biến đổi hình dạng kích thước, ngoại lực làm thay đổi vị trí tương đối vốn có phân tử cấu tạo nên vật rắn - Tính liên tục: vật rắn gọi liên tục phân tố bé tuỳ ý chứa vô số chất điểm cho vật thể lỗ rỗng - Tính đồng có nghĩa điểm vật thể, vật liệu có tính chất lý - hoá - Tính đẳng hướng tính chất - lý vật liệu theo phương Bài KÉO NÉN ĐÚNG TÂM Định nghĩa P P Thanh chịu kéo P P Thanh chịu nén Thanh chịu kéo nén tâm mặt cắt ngang có thành phần nội lực lực dọc Nz Mx P Nz Z Qy n ∑F k =1 kz = Nz − P = ⇒ Nz = P Qui ước dấu Nz Nz ( + ): Khi chịu kéo Nz ( - ) : Khi chịu nén Biểu đồ lực dọc Biểu đồ lực dọc đường biểu diễn biến thiên lực dọc, dọc theo trục + Trị số lực dọc trị số ngoại lực tác dụng lên đoạn xét cân bằng; dấu ( + ) ứng với chịu kéo ; dấu trừ ( - ) ứng với chịu nén + Nếu đoạn xét cân có nhiều ngoại lực tác dụng lực dọc tổng đại số lực dọc ngoại lực lực tác dụng cách riêng rẽ mặt cắt xét + Quy ước cách vẽ biểu đồ Nz b a Vẽ đường chuẩn song song với trục ( nằm ngang hình a, thẳng đứng hình b , đường trang trí mảnh , cách vuông góc với đường chuẩn Bài tập ứng dụng Vẽ biểu đồ nội lực cho có sơ đồ cịu lực , cho P1 = 50 kN , P2 = 70 kN , P3 = 90 kN P3 D 1m C P2 2m P1 B Giải 10 1m A Hình vẽ biểu đồ phân bố ứng suất tiếp mặt cắt ngang hình chữ nhật hình tròn Ứng suất điểm đường kính vuông góc với trục trung hòa biến thiên theo đường para pon bậc hai , điểm nằm trục tung hòa ( tung độ y=0) có ứng suất tiếp lớn τ max = τ max = 3.Qy ( 11-9 ) 2.F 4.Qy ( 11-10) 3.F Điều kiện bền Do mặt cắt ngang dầm chịu uốn ngang phẳng có ứng suất pháp tiếp σ ,τ nên kiểm tra bền cần xét trường hợp sau : Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp Chúng ta kiểm tra điểm mép mặt cắt, ứng suất tiếp không nên phân tố có loại ứng suất ( ứng suất kéo , ứng suất nén ) Trạng thái ứng suất gọi trạng thái ứng suất đơn , kiểm tra dầm chịu uốn túy phẳng kiểm tra điều kiện bền ứng suất tiếp 73 Chúng ta kiểm tra điểm nằm trục trung hòa , ứng suất pháp không nên mặt phân tố có ứng suất tiếp trạng thái ứng suất gọi trạng thái trượt thuấn túy Điều kiện bền τ max < τ    3kiểm tra điều kiện bền điểm có σ ,τ lớn Trong trường hợp mặt phân tố có ứng suất pháp ứng suất tiếp trạng thái ứng suất gọi trạng thái ứng suất phức tạp Để kiểm tra bền dựa vào thuyết bền , đưa trạng thái ứng suất phức tạp trạng thái ứng suất đơn tương đương σ td max ≤ σ    ( 11-12) σ td : Được tính theo giả thuyết bền Theo thuett61 bền ứng suất tiếp lớn ( thuyết bền ) σ td = σ z + 4τ ( 11-13) Theo thuyết bền biến đổi hình dáng σ td = σ z + 3τ ( 11-14) Theo thuyết bền Mohr ( dùng vật liệu dòn ) σ  α =  k σ   n σ td = 1−α 1+ α σ z + σ z + 4τ 2 ( 11-15) 9Kiểm tra bền uốn ngang phẳng cho thép định hình chữ I Khi kiểm tra bền cho trạng thái ứng suất đơn ta chọn mặt cắt có Mxmax , Qymax Khi kiểm tra bền cho trạng thái ứng suất phức tạp chọn mặt cắt có Mx , Qy lớn τA = Qy J x d (Sx − d y ) Nếu y=0 ( điểm trục trung hòa ) 74 τ max = Qy J x d Sx ( 11-16 ) Tại điểm tiếp giáp long đế Mx h ( − t ) Jx     ( 11-17) Q  dh   τ = y  Sx −  − t ÷   J x d       σ1 = VD Xác định tải trọng cho phép  P  dầm chịu lực theo sơ đồ hai trường hợp   Dầm làm thép chữ I số 10 đặt đứng Dầm làm thép tròn có đường kính D=10 cm Vật liệu dầm có σ  = 16 KN / cm   τ  = 8KN / cm   75 76 Chương Cơ cấu truyền chuyển động quay A Cơ cấu truyền động ăn khớp I Cơ cấu bánh Khái niệm Cơ cấu bánh dùng để truyền chuyển động quay trục theo tỷ số truyền định nhờ ăn khớp hai khâu có , Khâu có gọi bánh Phân loại 77 -Bánh trụ dùng để truyền chuyển động quay trục song song -Bánh côn dùng để truyền chyển động quay trục cắt Bánh trụ Bánh côn Tỷ số truyền động 2.1 Tỷ số truyền cặp bánh Tỷ số tốc độ góc trục dẫn trục bị dẫn môt cặp bánh gọi tỷ số truyền W n Z 1 i12 = W = n = ± Z 2 ( 3-1 ) W1 , W2 : Tốc độ góc bánh 1,2 n1 , n2 Số vòng quay phút bánh 1,2 78 Z1 , Z2 Số bánh 1,2 Dấu ( + ) ăn khớp quay chiều Dấu ( - ) ăn khớp quay ngược chiều Công thức dung cho bánh trụ 2.2 Tỷ số truyền hệ thống bánh thường I II III IV Tỷ số tuyền từ trục I đến trục IV Z Z Z n I14 = I12 I23 I34 = (−1) Z Z ' Z ' ( 3-3 ) Bài tập ứng dụng Cho hộp giảm tốc cấp Hãy tính tỷ số truyền hộp , số vòng quay phút trục bị dẫn ? Biết n1= 1450 vòng / phút Z1 =18 ; Z2= 45; Z’2 = 25; Z3 = 50 ; Z4=66 Bài giải Áp dụng côn thức Ta có Z Z Z I14 = = ( -1 )n Z Z ' Z ' = ( -1 )3 (45/18) (50/25) ( 66/22) = -15 Dấu ( - ) chứng tỏ trục IV quay ngược chiều với trục n4 = n1 /i14 =1450/15 = 97 vòng / phút Ứng dụng Bánh sử dụng phổ biến nhiều máy móc Truyền động xác , tỷ số truyền ổn định 79 Z’3=22; Tỷ số truyền lớn, đạt nhiều tỷ số truyền khác - Ưu điểm Gọn nhẹ , chiếm chỗ khả truyền tải lớn Hiệu suất truyền động cao Ứng dụng lâu dài , làm việc chắn Dễ bảo quản thay - Nhược điểm Đòi hỏi chế tạo lăp ghép phải xác Có nhiều tiếng ồn vận tốc lớn Chịu va đập II Cơ cấu xích Khái niệm Cơ cấu xích dùng để truyền chuyển động quay trục xa nhờ mắt xích đĩa Phân loại -Xích trục làm việc với vận tốc thấp, , tải trọng lớn , dùng tời pa lăng -Xích kéo đề vận chuyển vật nặng máy trục , băng tải , thang máy, -Xích truyền động làm việc với vận tốc cao để truyền từ trục sang trục khác , xích Tỷ số truyền động I12 = n1 /n2 = Z2 /Z1 ( 13-7 ) 80 Trong n1 ,n2 số vòng quay phút đĩa dẫn đĩa bị dẫn Z2 ,Z1 số đĩa dẫn đĩa bị dẫn Ứng dụng Cơ cấu xích dung trường hợp sau Yêu cầu kích thước nhỏ gọn làm việc không trượt Cơ cấu xích dùng máy vận chuyển , máy nông nghiệp Ưu điểm Khuôn khổ kích thước gọn, nhỏ Không bị trượt Hiệu suất cao Lực tác dụng lên trục nhỏ Có thể cug2 lúc truyền động cho nhiều trục Khuyết điểm Chế tạo lắp giáp xác Chóng mòn Có tiếng ồn làm việc , giá thành cao + Để tránh hư hỏng Cần bảo quản sử dụng cấu xích chủ yếu bôi trơn tốt , không để cát bụi bám , không để rơi vật cứng vào chỗ ăn khớp , phải che chắn xích truyền động có tốc độ lớn III Cơ cấu bánh vít – trục vít khái niệm Truyền động trục vít thuộc loại truyền động bánh đặc biệt dùng để chuyển động quay hai trục chéo ( tường chéo 90 ) tỷ số truyền động I12 =n1/ n2 = Z2/ Z1 ( 3-18 ) Trong Z1 Là số mối ren trục vít Z2 Là số bánh vít Ứng dụng 81 Cơ cấu thường dùng trục , máy cắt kim loại Ưu điểm Tỷ số truyền lớn , làm việc êm, ồn Có khả tự hãm Nhược điểm Hiệu suất thấp , truyền tự hãm hiệu suất thấp Giá thành cao Lắp giáp gai công Để cấu bánh vít – trục vít cần đảm bảo điều kiện sau Đường tâm phải xác bánh trục phải có khe hở cần thiết Mặt cạnh tiếp xúc tốt , cấu quay nhẹ nhàng , trơn B Cơ cấu truyền động ma sát Cơ cấu đai truyền Khái niệm Cơ cấu đai truyền dùng để truyền chuyển động quay hai trục đặt cách xa Bộ truyền đơn giản gồm đai mềm bắt căng ôm qua hai bánh đai ghép cố định hai trục , nhờ ma sát dây đai bánh đai nên trục dẫn quay trục bị dẫn quay theo Bộ truyền đai dẹt , đai thang dùng rộng rãi , đai tròn dùng máy khâu T ỷ số truyền động Trong truyền động đai có hai dạng trượt đai bánh đai trượt trơn trượt đàn hồi 82 Trượu trơn truyền làm việc tải , trượt đàn hồi xảy đàn hồi dây đai làm việc Do trượt đàn hồi nên tỷ số truyền đai không ổn định D2 I12 = n1/ n2 = D (1 − ε ) Trong n1, n2 Là số vòng quay phút D1, D1, đường kính bánh đai ε hệ số trượt đàn hồi Trong phép tính gần bỏ qua hệ số trượt D2 I12 = n1/ n2 = D Thông thường đai dẹt i < 5, đai thang i < 10 ứng dụng Cơ cấu đai an toàn tải dùng để dẫn từ động đến hộp số Ưu điểm Truyền động êm, tiếng ồn Giữ an toàn cho các thiết bị máy khác tải Chế tạo lắp giáp đơn giản Nhược điểm Khuôn khổ kích thước lớn Tỷ số truyền không ổn định Có lực căng lớn để tạo ma sát đai bánh đai Tuổi thọ thấp để dầu mỡ rơi vào Chương 14 83 Cơ cấu biến đổi chuyển động I Cơ cấu bánh – Khái niệm Cơ cấu bánh – biến thể cấu bánh , gồm bánh ăn khớp với giá Thanh phần bánh có đường kính vô lớn Khi bánh quay theo chiều vận tốc góc w quanh tâm O giá , chuyển động tịnh tiến giá theo chiều vận tốc ứng dụng Cơ cấu bánh – biến chuyển động quay bánh thành chuyển động tịnh tiến dùng nhiều thiết bị máy móc Như máy tiện II Cơ cấu tay quay trượt Khái niệm Cơ cấu tay quay trượt gồm có khâu , tay quay , truyền , trượt , giá Khi tay quay quay , truền truyền chuyển động quay từ tay quay đến trượt làm trượt chuyển động tịnh tiến thẳng rãnh trượt Khi trượt vị trí thấp cao tay quay truyền nằm đường thẳng vị trí trượt chuyển sang hành trình ngược lại Ứng dụng Cơ cấu tay quay trượt có khả truyền tải lớn nên dùng nhiều kỹ thuật động đốt III Cơ cấu vít- đai ốc Khái niệm Cơ cấu vít đai ốc gồm có khâu , vít , đai ốc , giá vít có cấu tạo trục , trục gia công ren hình thang hình vuông chiều dài truyền động gọi vít truyền động Đai ốc gia công loại ren tương ứng với ren vít , đai ốc liền hay đai ốc ghép nửa tùy theo công dụng cấu vít – đai ốc 84 ứng dụng Cơ cấu vít đai ốc dùng thích hợp truyền động gián đoạn vít me máy tiện đeeể thực chuyển động lại bàn xe dao, vít kích để nân hạ vật IV Cơ cấu cam cần đẩy khái niệm cấu cam cần đẩy gồm có khâu , Khâu thứ cam thường có chuyển động quay , trueyn62 động cho khâu bị dẫn , gọi cần đẩy , có chuyển động tịnh tiến thẳng lại thông qua lăn tỳ mặt cam , khâu lại giá Nếu quỹ đạo cần đẩy qua tâm quay cam , ta có cấu cam – cần đẩy trùng tâm , quỹ đạo cần cách tâm quay cam khoảng e gọi cấu cam – cần đẩy lệch tâm Khoảng cách e gọi tâm sai Ứng dụng Cơ cấu cam – cần đẩy biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Được dùng máy cắt kim loại tự động , cấu điều tiết nhiên liệu động đốt , máy dệt máy công nghiệp khác V Cơ cấu cu lít 85 Khái niệm Cơ cấu cu lít gồm khâu lề dùng để biến chuyển động quay khâu dẫn thành chuyển động lắc qua lại góc định khâu dẫn Ứng dụng Cơ cấu cu lítđược sử dụng phổ biến ;loại máy bào máy bơm dầu kểu pít tông VI Cơ cấu cóc Khái niệm Cơ cấu bánh cóc gồm khâu dẫn cần lắc , lắc qua lại quanh trục o ( trục hình học với bánh cóc ) cần lắc đặt cóc quay quanh lề , khâu bị dẫn bánh cóc , cóc hãm , khâu lại giá Ứng dụng Cơ cấu bánh cóc biến chuyển động quay khâu dẫn thành chuyển động quay giãn đoạn khâu bị dẫn , thường dùng máy đóng đồ hộp VII Cơ cấu malte Khái niệm Cơ cấu man tơ cấu có khâu , gồm khâu dẫn tay quay có lắp chốt , khâu bị dẫn bánh có nhiều rãnh hướng tâm , gía trục quay , tay quay quanh trục o Ứng dụng 86 Cơ cấu biến đổi chuyển động quay liên tục khâu dẫn thành chuyển động quay giãn đoạn khâu bị dẫn , thường dùng máy tự động bán tự động 87