29/08/2016 Nội dung ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT thietkemay.edu.vn BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY (ME3090) Các yêu cầu máy CTM Những vấn đề thiết kế chi tiết máy Tải trọng ứng suất Độ bền mỏi chi tiết máy Các tiêu chủ yếu khả làm việc CTM TS Phạm Minh Hải sites.google.com/site/tsphamminhhaibkhn Những vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 2 Tải trọng Yêu cầu máy CTM a Hiệu sử dụng: Tải trọng lực, momen tác động lên CTM trình làm việc Hiệu suất, mức tiêu hao lượng, chi phí vận hành b Khả làm việc: c Phân loại: Tải trọng tĩnh: không đổi theo thời gian Tải trọng động: thay đổi theo thời gian - phương - chiều - độ lớn - điểm đặt * Tải trọng va đập độ bền, độ cứng, … Độ tin cậy cao: xác suất làm việc khơng hỏng hóc thời gian quy định d An tồn sử dụng: người, cơng trình e Tính cơng nghệ kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật liệu, cấp xác, số lượng chi tiết máy, khối lượng kích thước … TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 29/08/2016 Tải trọng ứng suất Q 2.1 Tải trọng (máy CTM) Tải trọng ứng suất 2.1 Tải trọng Q1 Qtđ Tải trọng danh nghĩa Qdn: Q2 tải trọng lớn / tải trọng tác động lâu dài Tải trọng tính toán Qt : Q3 Kt = KttKđKđk…>1 t1 Tải trọng tương đương Qtđ: t2 t3 Ktt : hệ số xét đến thiếu xác xác định tải ttđ trọng (phân bố không đều) Qtđ = Qdn KN KN hệ số phụ thuộc vào - Qt = QtđKt Kđ: hệ số tải trọng động ( êm, va đập nhẹ, …) Chế độ thay đổi tải trọng - Tương quan Qdn chế độ tải trọng lại - Chỉ tiêu xét tương đương (độ bền / tuổi thọ) TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc Tải trọng ứng suất b Phân loại theo tính chất: + Ứng suất tĩnh + Ứng suất thay đổi 2.2 Ứng suất a Phân loại theo dạng phá hủy : Các đặc trưng ứng suất thay đổi (tuần hồn) Chu trình ứng suất Chu kỳ ứng suất Biên độ ứng suất Ứng suất trung bình Hệ số tính chất chu trình r kéo, nén, uốn, xoắn (phá hủy thể tích) tiếp xúc, dập (phá hủy bề mặt) TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy σ max − σ σ max + σ σm = σ r= σ max σa = -Chu trình đối xứng r = -1 -Chu trình mạch động r = TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 29/08/2016 3.2 Cơ chế phá hủy mỏi Độ bền mỏi chi tiết máy Tải trọng thay đổi theo chu kỳ 3.1 Đặc điểm phá hủy mỏi Phá hủy tĩnh Phá hủy mỏi: Ứng suất tĩnh Ứng suất thay đổi theo chu kỳ Xảy tức Sau số chu trình US, CTM bị phá hủy Có co tiết diện vết gãy (vật liệu dẻo) US > giới hạn bền vật liệu Vết nứt phát triển Vết nứt tế vi bề mặt CTM yếu Phá hủy vết lớn Sự phá hủy xảy đột ngột, khơng có co tiết diện US ảnh hưởng đến giới hạn bền mỏi chi tiết 11 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 12 29/08/2016 3.4.1 Ảnh hưởng hình dạng kết cấu Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Hệ số tập trung ứng suất thực tế σ max σ dn σ kσ = r σ rc ασ = τ max τ dn τ kτ = r τ rc ατ = Kết cấu CTM phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 13 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 14 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 16 3.4.2 Ảnh hưởng kích thước tuyệt đối do: đường kính mẫu thí nghiệm d: đường kính chi tiết máy Hệ số a/h kích thước tuyệt đối Ví dụ: trục chịu uốn trục chịu xoắn Kích thước lớn • Khơng đồng tính • Nhiều khuyết tật giới hạn mỏi giảm TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 15 29/08/2016 3.4.3 Ảnh hưởng chất lượng bề mặt 3.4.4 Ảnh hưởng tính chất chu trình ứng suất Hệ số trạng thái bề mặt β = Mẫu thí nghiệm giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt giống chi tiết giới hạn mỏi của mẫu thí nghiệm mỏi Chi tiết máy Hệ số ảnh hưởng β > : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh bóng …) ψσ ψτ (xem chương “Trục”) β < : tiện, phay + không gia cơng tăng bền Chất lượng bề mặt tốt -> khả phát triển vết nứt tế vi -> giới hạn bền mỏi tăng TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy ứng suất trung bình σ rc = σ r 17 εσ β kσ +ψ σ σ m τ rc = τ r ετ β kτ +ψ ττ m TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 18 Các tiêu chủ yếu khả làm việc CTM 3.5 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi • Sử dụng vật liệu phù hợp • Hạn chế nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng tính đàn hồi kết cấu, giảm rung động) • Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất (nhiều) • Cơng nghệ: Mài, đánh bóng, gia cơng tăng bền bề mặt tiêu chủ yếu: Độ bền Độ cứng Độ bền mòn Khả chịu nhiệt Độ ổn định dao động TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 19 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 20 29/08/2016 4.1 Độ bền 4.2 Độ cứng khả chống lại phá hỏng CTM khả chống biến dạng CTM chịu tác động tải trọng ngồi Độ bền thể tích Độ bền bề mặt Độ bền tĩnh Độ bền mỏi Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng thể tích Độ cứng tiếp xúc: liên quan đến biến dạng lớp bề mặt Phương pháp tính: σ ≤ [σ] τ ≤ [τ] σH ≤ [σH], σd ≤ [σd] S>=[S] (mỏi, xem phần trục) Phương pháp tính tốn: Độ võng: y ≤ [y] Độ dãn dài: ∆l ≤ [∆l] Góc xoắn: ϕ ≤ [ϕ] Góc xoay: θ ≤ [θ] S hệ số an toàn; σlim giới hạn phá hủy vật liệu chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 21 4.3 Độ bền mòn TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 22 4.4 Khả chịu nhiệt Mòn tượng giảm dần kích thước thay đổi hình dáng ma sát gây Điều kiện để gây mịn - Có áp suất bề mặt tiếp xúc ( hai chi tiết tiếp xúc ) - Có chuyển động tương đối hai chi tiết tiếp xúc ( có vận tốc trượt) Trong q trình làm việc + ma sát cấu, nhiệt độ máy chi tiết máy tăng lên Ảnh hưởng nhiệt độ: - Giảm khả làm việc (thép >300, KLM >50 độ C) - Biến dạng nhiệt gây cong vênh - Giảm độ nhớt dầu Phương pháp tính tốn để hạn chế mịn: a) p ≤ [p] p.v ≤ [pv] Phương pháp: t ≤ [t] b) Tính tốn để đảm bảo bơi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát) TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 23 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 24 29/08/2016 Những 4.5 Độ ổn định dao động vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM khả làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung mức cho phép Đặc điểm tính tốn thiết kế CTM Ngun nhân dao động: - Độ cứng máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn - Sự cân chi tiết quay Hậu dao động: - Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ - Giảm khả làm việc máy Xác định ứng suất cho phép Vật liệu Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động - Triệt tiêu nguyên nhân gây dao động (cân máy) - Thay đổi thông số động học động lực học - Thiết kế phận chống rung (giảm chấn) TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy Những vấn đề tiêu chuẩn hóa 25 Những vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM 5.1 Đặc điểm tính tốn thiết kế CTM TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 26 5.2 Xác định ứng suất cho phép TÍNH THIẾT KẾ [σ ] = điều kiện làm việc, tải trọng σ lim s [τ ] = τ lim s σlim ứng suất giới hạn vật liệu Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên tính tốn Chọn vật liệu Cơng thức thiết kế Hệ số an tồn xác định theo cơng thức s = s1.s2.s3 kích thước kích thước cịn lại (tiêu chuẩn, u cầu công nghệ, lắp ghép) Các tiêu khả làm việc thỏa mãn Kết thúc tính tốn khơng thỏa mãn TÍNH KIỂM NGHIỆM TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 27 s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ xác việc xác định tải trọng ứng suất(1,2-1,5) s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng tính vật liệu (1,5-2,5) s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng chi tiết (1-1,5) TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 28 29/08/2016 Khi tính theo độ bền tĩnh: Khi tính theo độ bền mỏi: σlim = σb vật liệu giòn (gang) σlim phụ thuộc số chu trình N chế độ thay đổi ứng suất σlim = σch vật liệu dẻo (thép) a Ứng suất thay đổi ổn định (1 mức tải) - Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥ N0, σlim = σr - Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0, σlim = σrN = σrKN N hệ số tuổi thọ K =m N N b Ứng suất thay đổi không ổn định (nhiều mức tải) m Ni, σi σ N tđ = ∑ i N i σ1 không ổn định TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 29 5.3 Vật liệu ổn định 30 5.4 Những vấn đề tiêu chuẩn hóa • Các u cầu chung vật liệu Độ bền, độ cứng… Yêu cầu khối lượng, kích thước Có tính cơng nghệ Nguyên tắc chất lượng cục • Vật liệu thường dùng là: Kim loại đen: gang, thép (độ bền, độ cứng cao tương đối rẻ) Kim loại màu: đồng, kẽm, nhơm…(dạng hợp kim màu) có tính giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền Kim loại gốm: nung + ép bột kim loại với chất phụ gia; khó nóng chảy, hệ số ma sát thấp, giá thành cao, kích thước hạn chế Vật liệu phi kim: gỗ, da, cao su, chất dẻo, a-mi-ăng TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy Ntd, σ1 31 • Tuân thủ tiêu chuẩn: - Hình dạng - Kích thước (thường lấy tròn đến 5mm) - Yêu cầu kỹ thuật - Các yếu tố cấu tạo (mô đun răng, bước ren) - Cấp xác - V.v… TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 32 29/08/2016 Ví dụ ứng suất tiếp xúc ứng suất dập Những vấn đề chương Ứng suất tiếp xúc: diện tích tiếp xúc nhỏ Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) US tiếp xúc tính theo CT Héc [TLTK 1] • u cầu • tiêu • Độ bền mỏi: chế, yếu tố ảnh hưởng, đường cong mỏi • Tải trọng: tĩnh, động • Ứng suất: khơng đổi, thay đổi (tuần hồn), thể tích, bề mặt • Các vấn đề thiết kế: vật liệu, hệ số an tồn, tiêu chuẩn hóa TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy σ H = ZM qn 2ρ ZM = E1 E2 π [(1 − µ12 ) E1 + (1 − µ 22 ) E2 ] qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến E - Mô đun đàn hồi vật liệu µ - Hệ số Pốt-xơng 33 Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 34 Ứng suất dập: diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1] Khi Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - phẳng) σ H = 0,3883 Fn E ρ2 (Vật liệu thép) Fn: Tải trọng pháp tuyến TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy Giả thiết: áp suất phân bố bề mặt chịu lực 35 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 36 ... trình ứng suất,… > ảnh hưởng đến giới hạn bền mỏi chi tiết 11 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 12 29/08/2 016 3.4 .1 Ảnh hưởng hình dạng kết cấu Hệ số tập trung ứng suất... Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 13 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 14 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 16 3.4.2 Ảnh... hệ số an toàn, tiêu chuẩn hóa TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy σ H = ZM qn 2ρ ZM = E1 E2 π [ (1 − ? ?12 ) E1 + (1 − µ 22 ) E2 ] qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến E -