Chương 12 - Lò xo

CHƯƠNG 12 LÒ XO 12.1 KHÁI NIỆM CHUNG 12.1.1 Cơng dụng Lị xo chi tiết máy có tính chất đàn hồi (đàn tính), khối lượng kích thước nhỏ - gọn, dùng dụng cụ - thiết bị, để: - Tạo lực ép truyền động bánh ma sát, phanh, khớp nối,… - Giảm chấn động, rung động cho máy phương tiện vận tải; - Đo lực khí cụ, lực kế, cân lị xo,… - Tích lũy sau làm việc động (dây cót đồng hồ); - Thực chuyển dịch để trở vị trí cũ van, cam,… Phân loại - Theo dạng tải trọng:     Lò xo kéo (extension spring): dùng để tạo lực kéo (H.12.1a); Lò xo nén (compression spring): dùng để tạo lực nén (H.12.1b); Lị xo chịu xoắn (torsion spring): dùng tạo mơmen xoắn (H.12.1c) ; Lị xo chịu uốn (leaf spring): (ví dụ lị xo nhíp ơtơ, tầu hỏa,…H.12.1d a) d) b) c) Hình 12.1 Phân loại - Theo hình thức cấu tạo:      Lị xo xoắn ốc trụ - helical springs (H.12.1a, b, c); Lị xo nhíp – leaf springs (H12.1dd); Lị xo – cone springs (H12.2a); a) Lò xo đĩa – disc springs (H12.2b); Lị xo xốy ốc – spiral springs (ví dụ dây cót đồng hồ H.12.2c) d) Wave spring c) b) Hình 12.2 Phân loại - Theo đặc tính:  Lị xo có độ cứng khơng đổi (đa số lị xo có độ cứng khơng đổi q trình làm việc : C = const)  Lị xo có độ cứng thay đổi (C const) 12.1.2 Vật liệu lò xo  Yêu cầu vật liệu làm lị xo:  Có đàn tính lớn;  Khối lượng nhỏ;  Độ bền cao (tùy theo đường kính dây lị xo: )  Vật liệu làm lị xo gồm thép nhiều C, thép Cr, thép Mn, thép Si,…, đồng (đối với lị xo u cầu có tính chống ăn mịn)  Đối với lị xo xoắn ốc trụ chịu kéo (nén), sau tạo hình phải kéo (hoặc nén bức) từ ÷ 48 12.2 CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ LỊ XO XOẮN ỐC TRỤ KÉO – NÉN 12.2.1 Đặc điểm kết cấu - Lò xo xoắn ốc trụ chịu kéo (H.12.3a):  Khi chưa làm việc vòng lò xo sít nhau;  Hai đầu lị xo có móc để liên kết với chi tiết máy khác; - Lò xo xoắn ốc trụ chịu nén (H12.3b):  Khi chưa làm việc vòng lò xo hở;  Hai đầu lò xo làm phẳng a) Hình 12.3 b) 12.2.2 Thơng số hình học Được cuộn từ thép dây có tiết diện trịn chữ nhật, với thơng số hình học (H.12.4):  Kích thước tiết diện dây lị xo: d (mm);  Đường kính trung bình lị xo: D (mm);  Đường kính ngồi lị xo: Dng = D + d, (mm); Dtr = D  d, (mm);  Đường kính lị xo:  Chỉ số lò xo (c): c = D/d, tra bảng 12.1 H Bảng 12.1 Chỉ số c lò xo d, mm ≤ 2,5 3÷5 6÷12 c ÷12 4÷10 4÷9 10 Hình 12.4 12.2.2 Thơng số hình học  Lò xo kéo (H.12.5a):  Chiều cao (chiều dài) chưa chịu tải (F = 0): o Chiều dài toàn bộ: Ho (mm); o Khi vịng sít nhau: Hs (mm);  Chiều cao (chiều dài) lắp (chịu tải Fmin): Hmin (mm);  Chiều cao (chiều dài) làm việc (chịu tải Fmax): Hmax (mm);  Chiều cao (chiều dài) chịu lực giới hạn (Flim ): Hlim (mm) 12 Hình 12.5a 12.2.2 Thơng số hình học  Lị xo nén (H.12.5b):     Chiều cao toàn Ho (mm); Chiều cao (chiều dài) lắp (chịu tải Fmin): Hmax (mm); Chiều cao (chiều dài) làm việc (chịu tải Fmax): Hmin (mm); Chiều cao (chiều dài) chịu lực giới hạn (Flim ): Hx hay Hlim (mm) Hình 12.5b 13 12.2.3 Tải trọng tác dụng Lực kéo (hoặc nén) tác dụng vào trục lò xo: F (N)  Tại tiết diện dây lò xo nén (H.12.6) chịu (F M), với:  Mômen (M): có véc tơ vng góc với trục lị xo M = F.D/2 M gây mômen xoắn (T) mômen uốn (Mu): M = T + Mu  T - mômen xoắn, T = M.cos;  Mu - mômen uốn, Mu = M.sin  Lực (F) gây lực pháp tuyến (N) lực cắt (Q): 𝐹 =𝑁+𝑄  N - lực pháp tuyến, N = F.sin;  Q - lực cắt, Q = F.cos Hình 12.6 14 12.2.3 Tải trọng tác dụng - Thực tế góc nâng lị xo:  = (8 ÷ 12o), nên:  Có thể bỏ qua mômen uốn (Mu), lực pháp tuyến (N) lực cắt (Q);  Chỉ tính lị xo theo mơmen xoắn (T);  Để bù lại phần bỏ qua, xem cos =1 15 12.2.4 Chuyển vị lò xo Chuyển vị đàn hồi dọc trục lò xo chịu kéo (nén) λ , xác định theo tích phân More (hình 12.2 12.3): (12.2) l T.T λ=  dz = λ1.n.F G.J o (12.2) o  l - Chiều dài dây lò xo,mm: l = πDn;  T = 0,5F.D; 𝑇 = 0,5 𝑙 𝐷  G - Mơđun đàn hồi trượt vật liệu làm lị xo: 𝐺= o Với thép: G  0,8.104 MPa;  Jo - Mơmen qn tính độc cực tiết diện dây: 𝐽0 = 𝐸 2(1+𝜇) 𝜋𝑑 , mm4 32  λ1 - Chuyển vị vòng lò xo tác dụng lực đơn vị: 8.D3 8.c3 F   1   G.d G.d 16 12.2.4 Chuyển vị lò xo  n - Số vòng làm việc lò xo - Khi lực F thay đổi (Fmin ÷ Fmax )  chuyển vị đàn hồi lò xo λ thay đổi (λmin ÷ λmax)  Chuyển vị làm việc lò xo (hay khoảng điều chỉnh): x = λmax – λmin = λ1.n(Fmax - Fmin) (12.3)  Hệ số độ cứng lò xo (C): dF G.d C  d 8nc  Khi tính tốn lị xo: (12.3)  Chỉ quan tâm đến ứng suất có giá trị lớn dây lị xo;  Các sai số tính tốn bù lại cách chọn ứng suất cho phép hệ số an tồn cho phép 17 12.2.5 Tính tốn độ bền lò xo Độ bền lò xo phải thỏa mãn điều kiện: kT τ=   τ Wo (12.5)   - ứng suất xoắn lớn sinh thớ biên phía trong;  k - Hệ số tăng ứng suất dây bị uốn cong: 4𝑐 − 𝑘= 4𝑐 −  Wo - Mơmen chống xoắn tiết diện dây lị xo (mm3): 𝜋𝑑 𝑊0 = 16  T - Mô men xoắn (Nmm): T = 0,5.F.D , với: D = c.d (mm)  [] - Ứng suất cho phép, (MPa) o Lò xo chịu tải trọng thay đổi: 𝜏 = 0,3𝜎𝑏 ; o Lò xo chịu tải trọng tĩnh: 𝜏 = 0,5𝜎𝑏 18 12.2.5 Tính tốn độ bền lị xo Từ (12.5) có: d =1,6 k.Fmax c/  τ  , (mm) (12.6)  Fmax - Tải trọng lớn tác dụng lên lò xo làm việc (N) - Từ d(mm) tính theo (12.6)  lấy trịn d theo dãy số sau (GOST9389 - 75):  d = 0,5  1,6 (mm): chọn cách 0,1mm;  d > 1,6mm: 1,8; 2; 2,3; 2,5; 2,8; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,6; (mm) - Sau có d  tính tốn kích thước thơng số cịn lại lò xo 19 12.2.6 Chỉ dẫn thiết kế  Thơng số đầu vào:  Lực tác dụng lên lị xo (F);  Chuyển vị làm việc (x);  Kích thước giới hạn lị xo khn khổ cấu sử dụng lị xo  Lị xo tính tốn theo trình tự (6 bước): 1) Chọn vật liệu xác định ứng suất xoắn cho phép ([]); 2) - Chọn số lò xo (c) theo Bảng 12.1; - Tính đường kính dây lị xo (d) theo cơng thức (12.6); 3) Xác định số vịng làm việc lò xo (n): n= x x.G.d = λ1  Fmax - Fmin  8c3  Fmax - Fmin  (12.7)  Khi n ≤ 20: Số vòng quy tròn đến nửa vòng  n > 20: Số vòng quy tròn đến vòng 20 12.2.6 Chỉ dẫn thiết kế 4) Xác định đường kính trung bình lò xo (D): D = c.d , (mm) 5) Tính thơng số cịn lại khác lị xo (tùy thuộc vào lò xo chịu kéo chịu nén) 6) kiểm nghiệm điều kiện ổn định dọc trục lò xo  Đối với lò xo chịu nén: Ho/D ≤ 2,5 ÷ 3, khơng thỏa mãn cần làm cốt tựa cho lị xo 21 THÍ DỤ Đầu bài: Thiết kế lò xo xoắn ốc trụ chịu nén nối trục, theo số liệu:  Fmax = 1000 N;  Fmin = 700 N; x = mm;  tải trọng có va đập Giải: Chọn vật liệu lò xo thép dây lò xo cấp I Giả sử đường kính dây lị xo: d = ÷ mm, Lấy σb = 1500 MPa;  [] = 0,3σb = 0,3.1500 = 450 (Mpa) Chọn: c = D/d = 5,  theo Bảng 12.1 lấy: k = 1,29 22 THÍ DỤ Tính đường kính dây theo công thức (12.7) : 1,29.1000.5 d =1,6 = (mm) 450  lấy d = mm (phù hợp với giả thiết trên);  Đường kính lị xo là: D = c.d = = 30 (mm) Tính số vịng làm việc lị xo theo công thức (12.7): n= x.G d 5.8.104.6 = 8c  Fmax - Fmin  8.5 1000- 700  3 - Số vịng tồn lị xo: no = n + 1,5 = 10 (vịng) Tính thơng số cịn lại lị xo 23  8,5(vịng) CÂU HỎI ƠN TẬP 24 LÝ THUYẾT - Lị xo - cơng dụng phân loại (minh họa hình vẽ)? - Cấu tạo thơng số hình học chủ yếu lò xo xoắn ốc trụ chịu kéo chịu nén? - Phân biệt lò xo xoắn ốc trụ chịu kéo chịu nén Nêu trình tự tính tốn thiết kế lị xo xoắn ốc trụ chịu kéo (nén)? 25 ... dài dây lò xo: lo (mm):