CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Và THIẾT KẾ MÁY CHI TIẾT

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 tốn thiết kế chi tiết máy làm sở cho việc thiết kế máy cơng tác Ngồi sách cịn 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 khơng 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 tốn 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 tốn 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 tốn 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 tốn thiết kế bánh răng…………………………………… 81 4.3 Tính tốn truyền bánh trụ…………………………………… 98 4.4 Tính tốn truyền bánh cơn………………………………… 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 tốn truyền trục vít………………………………… 128 5.3 Tính tốn 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 tốn truyền động vít đai ốc…………………………… 146 6.3 Tính tốn truyền động vít me ma sát trƣợt………………………… 148 6.4 Tính tốn 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 tốn ổ trƣợt……………………………………………… 185 8.3 Tính ổ trƣợt………………………………………………………… 188 Câu hỏi ơn tập Chƣơng Ổ LĂN 9.1 Khái niệm chung…………………………………………………… 194 9.2 Cơ sở tính tốn 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 tốn 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, Rơbốt cơng nghiệp, máy điều khiển số nhƣ máy CNC …; Máy móc thiết bị ngành xây dựng, khai khống, máy nông nghiệp, máy vận tải thiết bị phục vụ nghiên cứu khơng 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 cơng 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 hồn chỉnh (bánh răng, trục, then, lị xo ), cụm chi tiết đƣợc liên kết với để tạo thành chi tiết hồn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích…) Chi tiết máy phân thành hai loại: - Chi tiết cơng 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 tồn, kinh tế thực tế chế tạo Ngồi cịn số yêu cầu khác nhƣ kiểu dáng, thay có tính thân thiện với mơi trƣờng ( sử dụng nguồn lƣợng vật liệu, không ồn, không gây 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 khơng thể thiếu q 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 khơng hỏng hóc q 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 tốn 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 tồn cho chi tiêt mang tải làm việc an toàn phạm vi rộng Tải trọng thƣờng ký hiệu chung Q: lực F(N), mơ 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 12.2.4.3 Các loại tiết diện ren thông số ren tam giác Trong mối ghép ren sử dụng loại tiết diện ren khác nhau: ren tam giác, ren chữ nhật ren hình thang (hình 12.16) Trong ren kẹp chặt thƣờng dùng ren tam giác bƣớc nhỏ, ren truyền động dùng ren vuông hay ren thang 60° d h 30° p p d2 p Ren tam giác Ren chu nhât Ren thang khơng cân Hình 12.16 Các loại tiết diện ren d D I l1 h l S D d a) l2 l1 l H S b) c) d1 d2 p I d 60° Hình 12.17 Bu lơng, vít , đai ốc kích thước Và kích thƣớc bu lơng (hình 12.17), bao gồm: 272 d đƣờng kính đỉnh ren đồng thời đƣờng kính danh nghĩa đƣợc tiêu chuẩn hóa Với ren hệ mét đƣợc ký hiệu Md d1 đƣờng kính chân ren d2 đƣờng kính trung bình ren (đƣờng kính chứa đƣờng xoắn ốc hình d  d1 thành mặt ren) Gần d  p bƣớc ren px bƣớc đƣờng xoắn ốc px = z.p với z số đầu mối p z.p  góc nâng ren tan   x  .d .d  góc tiết diện ren với ren tam giác  = 600 Các kích thƣớc chiều dài l; l1 l2 lấy theo kết cấu, cịn kích thƣớc D, S, h H đƣợc xác định sở điều kiện sức bền đƣợc tra theo tiêu chuẩn phụ thuộc vào đƣờng kính bu lơng d (bảng 12.20) Ren hệ mét có hai loại: Ren hệ mét bƣớc lớn đƣợc ký hiệu chữ M tiếp sau đƣờng kính, ví dụ M12, cịn ren hệ mét bƣớc nhỏ thêm p, ví dụ: M12x1,25 Ren trái cần thêm chữ LH, ví dụ ren hệ mét đƣờng kính d =12mm, p = 1,25, ren trái: M12x1,25LH Bảng 12.20 Kích thước chủ yếu ren hệ mét Đƣờng kính danh nghĩa ren 10 12 16 18 20 24 30 36 42 48 Ren bƣớc lớn, p d Đƣờng kính ren d2 d1 Ren bƣớc nhỏ p 0,8 1,25 1,5 1,75 2,5 2,5 3,5 4,5 5 10 12 16 18 20 24 30 36 42 48 4,48 5,35 7,188 9,026 10,863 14,701 16,376 18,397 22,051 27,727 33,402 39,077 44,752 4,134 4,917 6,647 8,376 9,853 13,876 15,294 17,294 20,752 26,211 31,670 37,129 42,587 0,5 0,75;0,5 1;0,75;0,5 1,25;1;0,75;0,5 1,5; 1,25;1;0,75;0,5 1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75;0,5 2;1,5;1;0,75 2;1,5;1;0,75 3;2;1,5;1 3;2;1,5;1 3;2;1,5;1 273 12.2.4.4 Tính bu lơng a) Một số điểm cần lưu ý Dạng hỏng chi tiết mối ghép bu lơng đa dạng tải tác dụng kết cấu mối ghép bu lông phong phú Nhƣng tựu chung thƣờng gặp bu lông bị đứt chân ren, phần tiếp giáp thân bu lông đầu bu lơng Ngồi thân bu lơng bị dập, bề mặt ren bị cắt Các dạng hỏng độ bền tĩnh độ bền mỏi gây Mặt khác thực tế, bu lơng thƣờng bố trí theo nhóm bu lơng có đƣờng kính, đồng thời kích thƣớc đai ốc bu lơng đƣợc tiêu chuẩn hóa nên phƣơng diện tính tốn thiết kế cần xác định kích thƣớc cịn kích thƣớc khác đƣợc tra theo tiêu chuẩn Để thuận tiện cho việc khảo sát tính tốn trƣớc hết ta xét trƣờng hợp mối ghép có bu lơng gọi mối ghép bu lông đơn b) Tinh bu lông đơn Xét trƣờng hợp chịu lực sau đây: - Bu lông ghép lỏng chịu lực dọc F Trƣờng hợp không cần xiết chặt đai ốc nhờ đai ốc nên kết cấu đơn giản thuận tiện lắp phận Ví dụ nhƣ kết cấu móc cần cẩu Khi chịu lực dọc trục F, bu lông bị cắt chân ren điều kiện bền có dạng: k  F 4F    k  A d12 4.F . k  A diện tích chịu ứng suất kéo tiết diện bu lơng, tính nhƣ sau: Hoặc cơng thức thiết kế d  .d12  0,7854 .d  0,9382 .p - Bu lông xiết chặt không chịu ngoại lực dọc trục F (12.13a) (12.13b) A Trƣờng hợp yêu cầu mối ghép (cần đảm bảo độ kín) nên cần xiết chặt bu lơng lực xiết V (hình 12.18) Trong trình xiết chặt, bu 274 po>0 p=0 D0 Hình 12.18 Bu lơng mối ghép nắp bình với p = lơng chịu kéo lực xiết V, ngồi bu lơng cịn chịu thêm mô men xoắn ma sát bề mặt ren gây Mơ men xoắn T r xác định theo công V tan(    , ).d thức sau: Tr  với , góc ma sát tƣơng đƣơng ,  arctan f , 4.V Lực kéo lực xiết chặt V sinh ứng suất    .d 12 d3 Tr , với W o   16 W Ứng suất tƣơng đƣơng xác định theo thuyết bền với ren tiêu chuẩn lấy d2 =1,1d1 ;  = 2030  = 0,2, kết ta có: tđ  1,3 v Mơ xoắn Tr gây ứng suất    Vậy kích thƣớc bu lơng là: d1  1,3.4.V  k  (12.14) - Bu lông xiết chặt chịu ngoại lực dọc trục F Đây trƣờng hợp hay gặp thực tế, ví dụ mối ghép bu lơng nồi hơi, vít mối ghép nắp ổ với thân ổ đỡ chặn, ghép nắp hộp giảm tốc với thân hộp… bu lơng chịu ngoại lực dọc trục F Để đảm bảo cho kết cấu làm việc ban đầu cần xiết chặt bu lơng lực xiết V cho chịu tải trọng ngồi F bề mặt ghép ( bề mặt tiếp xúc chi tiết ghép) kín (áp suất dƣ bề mặt ghép dƣơng) Trƣớc chịu tải, cần xiết chặt bu lông lực xiết V Khi xiết chặt bu lơng bị kéo dãn dài lb ghép bị nén nên co lại lt (hình 12.19b mơ tả trạng thái mối ghép xiết chặt so với trạng thái ban đầu chƣa xiết chặt) Độ dãn dài bu lông xác định theo công thức: l b  V. b tiết máy ghép bị co lại: l t  V. t Trong đó: b độ mềm bu lơng (bằng biến dạng bu lông dƣới tác dụng l lực đơn vị) xác định theo công thức:  b  A b E b s s t độ mềm ghép:  t  A t E t 275 Với: Ab diện tích tiết diện ngang thân bu lông E b mô đun đàn hồi vật liệu bu lông Trƣờng hợp bu lơng có tiết diện thay đổi (hình 12.13) k li cơng thức tính b có dang  b   E b i 1 A bi At diện tích tiết diện phần tiết máy ghép bị biến dạng đàn hồi xiết s s  chặt (hình 12.19b) A t  D12  d 02 với D1  D  ; Et mô đun 4 đàn hồi vật liệu ghép   s1 lt lt lb lb Khi chịu ngoại lực F phần tải ngồi F tác dụng lên bu lông làm bu lông dãn thêm lƣơng lb , phần lại (1-F) tác dụng lên ghép làm ghép dãn thêm lƣợng tƣơng ứng lt (Bài toán xác l s2 l po > D a) Hình 12.19 a) Khi V = D1 b) c) Trạng thái biến dạng bu lông ghép b) Khi xiết chặt V c) Khi dặt tải F định phân bố tải trọng ngồi tác dụng lên bu lơng lên ghép toán siêu tĩnh đƣợc giải theo điều kiện đồng chuyển chuyển vị lb = lt = l ) Từ điều kiện đồng chuyển vị: lb =F.b = lt = (1- F).t = l t đƣợc gọi hệ số giảm tải trọng tác dụng lên bu b  t lơng Khi bu lơng có độ mềm lớn ghép có độ mềm nhỏ ( đƣờng kính bu lơng nhỏ chiều dài lớn nghĩa s1+ s2 lớn) phần lớn tải trọng ngồi tác dụng lên ghép phần nhỏ tác dụng lên bu lông Với kết cấu thông thƣờng vật liệu thép   0,2…0,3 Với kết cấu mối ghép hình 12.13   0,15…0,2 suy ra:   276 Nhƣ lực xiết ban đầu cần thiết để bề mặt ghép không bị tách hở là: (12.15) V  k1  .F Tải trọng tác dụng lên bu lông (xiết chặt đặt tải ngoài): Fb = 1,3V + .F (12.16) Trong k hệ số an Khi F = const k = 1,3…1,5 k = 1,5…4,0 F thay đổi va đập Xác định kích thước bu lông + Khi tải trọng tác dụng không đổi, từ điều kiện bền kéo suy ra: d1  4.Fo  k  (12.17) Fo tải trọng tác dụng lên bu lông Fo = Fb = 1,3V +F = [1,3k(1 - ) + ]F + Khi F thay đổi: Khi tải trọng thay đổi tải trọng tác dụng lên bu lơng (Fb) thay đổi thay đổi từ V đến V + F nên bu lông chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ không đối xứng với a, m max min xác định nhƣ sau: .F  m   V   a ;  max   m   a    m   a a  2.A b Mặt khác có tƣợng tập trung ứng suất chân ren bu lông thƣờng bị phá hỏng tƣợng mỏi Trong trƣờng hợp sau xác định kích thƣớc theo độ bền tĩnh cần kiểm nghiệm bu lông theo độ bền mỏi thơng qua hệ số an tồn mỏi Điều kiện để bu lông không hỏng mỏi có dạng sau:     1 1  m  b   (12.18) S   S  a k  Trong đó: k hệ số tập trung ứng suất chân ren phụ thuộc vật liệu phƣơng pháp gia công ren, bảng 12.21 ζ-1 ứng suất giới hạn mỏi chu trình đối xứng, bảng 12.21 [S] = 2,5 hệ số an toàn cho phép Nếu điều kiện (12.18) khơng thỏa mãn tăng đƣờng kính bu lơng giảm tập trung ứng suất chân ren cách chọn phƣơng pháp gia công ren phù hợp - Bu lông lệch tâm 277 Trong thực tế gặp kết cấu nhƣ hình 12.19 Khi chịu ngoại lực F, bu lơng bị kéo mô men uốn M = F.e Vì điều kiện bền có dạng sau: F F.e   k  u     k  A W u Trong đó: A  .d12  Wu  d1 32 F Suy ra:  8e  F d  1,13 1   (12.19)  d   k  Từ (12.19) cho thấy e tăng d1 tăng nên tránh bu lơng lệch tâm chịu kéo e F Hình 13.20 Bu lơng chịu lực lệch tâm Bảng 12.21 Ứng suất giới hạn mỏi hệ số tập trung ứng suất bu lông Vật liệu Ứng suất giới hạn mỏi ζ-1, MPa Thép C35 Thép C35 38CrA 30CrMnA 40CrNiMnA 18Cr2Ni4 MnA 180 220 300 300 440 450 Hệ số tập trung ứng suất, kζ Cắt ren Cán ren 3,6 3,7 4,0 4,0 4,6 4,5 2,8 2,8 3,0 3,0 3,5 3,5 - Bu lông chịu lực ngang Khi tải trọng F tác dụng mặt phẳng ghép ( vng góc đƣờng tâm bu lơng), kết cấu mối ghép thực theo hai phƣơng án sau đây: + Mối ghép không khe hở (giữa thân bu lông lỗ ghép khơng có khe hở, nghĩa phải gia cơng tinh bu lơng lỗ ghép), hình 12.21a Trong trƣờng hợp không cần xiết chặt bu lông chịu lực F thân bu lơng bị cắt; bu lơng lỗ ghép bị dập Vì vậy: Theo điều kiện bền cắt thân bu lơng có dạng: 278 d 4F i c  (12.20a) Theo điều kiện bền dập bulông ghép F d s d  (12.20b) Trong đó: i số bề mặt ghép s = min(s1 s2) [c] ứng suất cắt cho phép [ζd] = ([ζdb], [ζdt]) ứng suất dập cho phép vật liệu bu lông ghép, bảng 12.22 Sau xác định đƣợc đƣờng kính bu lơng theo (12.20a) (12.20b), cần chọn giá trị lớn theo tiêu chuẩn + Mối ghép có khe hở (giữa thân bu lơng lỗ ghép tồn khe hở), hình 13.21b Lúc cần xiết chặt bu lông lực xiết V để ép ghép sinh lực ma sát giữ ghép tránh trƣợt ngang chịu lực F Từ điều kiện Fms > F, suy lực xiết V nhƣ sau: kF d if V F p s2 s2 s1 F F a) s1 V F b) (12.2 1) V Hình 12.21 Bu lơng chịu lực ngang a) bu lông lắp không khe hở b) bu lơng lắp có khe hở Nếu lấy k = 1,5 , i = f = 0,2 V = 7,5F Nhƣ để tránh tách hở cần xiết chặt bu lông lực xiết lớn Trong thực tế, mối ghép bu lơng có khe hở có kết cấu đơn giản tính cơng nghệ cao, nhƣng lực xiết lớn dẫn đến kích thƣớc bu lơng lớn Để giảm lực xiết ban đầu, tăng số bề mặt ghép, tăng hệ số ma sát sử dụng thêm chi tiết phụ đặt bề mặt ghép Biết V xác định đƣợc đƣờng kính bu lơng d1  1,3.4.V  k  (12.22) 279 Trong đó: f hệ số ma sát bề mặt tiếp xúc Khi ghép thép gang f = 0,15…0,2 Khi thép (gang) ghép với đế bê tơng f = 0,3…0,35 k hệ số an toàn xiết chặt, thƣờng k = 1,3…1,5 c) Tính mối ghép bu lơng nhóm Trong thực tế sử dụng, đa số bu lông đƣợc ghép theo nhóm Việc tính tốn bu lơng nhóm thƣờng tiến hành theo bƣớc sau: ƣớc Chọn phƣơng án bố trí bu lơng (chọn số bu lơng vị trí bu lơng) Phƣơng án hợp lý phƣơng án cho số bu lông chịu tải lớn nhiều tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn nhỏ Thơng thƣờng kết cấu có tính đối xứng bu lơng thƣờng bố trí đối xứng Bƣớc Xác định tải trọng tác dụng lên bu lông tìm bu lơng chịu tải lớn ƣớc Tùy thuộc vào kết cấu mà đƣa dạng để tính kích thƣớc bu lơng, sau tra tiêu chuẩn để biết kích thƣớc khác 12.2.4.5 Vật liệu ứng suất cho phép Vật liệu chế tạo bu lơng (vit, vít cấy) thép bon thƣờng, thép bon chất lƣợng tốt thép hợp kim Chọn vật liệu phải vào điều kiện chịu tải, khả chế tạo, yêu cầu kích thƣớc kết cấu…Tiêu chuẩn qui định 12 cấp bền bu lông gồm: 3.6; 4.6…12.9 14.9 ( Cấp bền bu lông đƣợc biểu diễn hai số: số đầu nhân với 100 cho cho giá trị giới hạn bền nhỏ nhất, số thứ hai chia cho 10 tỷ số  ch ) Bảng 12.22 giới thiệu vật b liệu bu lông (vít, vít cấy), cấp bền ứng suất giới hạn tƣơng ứng Bảng 12.22 Cơ tính số vật liệu chế tạo bu lông đai ốc Cấp bền 3.6 4.8 5.8 8.8 9.8 10.9 12.9 Kích cỡ bu lông M5…M36 M1,6…M16 M5…M24 M17…M36 M1,6…M16 M6…M36 M1,6…M36 Mác thép ζb(MPa) ζch(MPa) CT3; CT10 C20 C30; C35 C35; C45 35Cr; 38CrA 40Mn2; 40Cr 40Mn2; 40Cr 400 420 520 830 900 1040 1220 240 340* 415* 660 720* 940 1100 280 Độ bền thử kéo [ζk] 225 310 380 600 650 830 970 Bảng 12.23 hệ số an toàn không kiểm tra lực xiết Vật liệu bu lông Thép Các bon Thép hợp kim M6…M16 4…3 5…4 Tải trọng tĩnh M16…M30 M30…M60 3…2 2…1,3 4…2,5 2,5 Tải trọng thay đổi M6…M16 M16…M30 10…6,5 6,5 7,5….5 Bảng 12.24 Ứng suất cho phép hệ số an toàn Loại tải trọng ngồi Lực dọc trục - Khơng xiết chặt - Có xiết chặt Ứng suất cho phép [ζk] = 0,6 ζch Tải trọng tĩnh: [ζk] = ζch / [S] Tải thay đổi [ζk] = ζch / [S] Lực ngang -Bu lơng khơng khe hở - Bu lơng có khe hở Cho loại tải trọng [ζk] = ζch / [S] - Tải trọng tĩnh: [] = 0,4ζch - Tải trọng động: []= (0,2…0,3)ζch [ζd]= 0,8ζch với thép [ζd]= 0,8ζb với gang Hệ số an toàn [S] tra bảng 12.23 khơng kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S]=2,5…4,0 Khi không kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S] tra bảng 12.17b khơng kiểm tra lực xiết [S]=1,5…2,5 Khi có kiểm tra lực xiết [S] tra bảng 12.23 không kiểm tra lực xiết [S]=1,2…1,5 Khi có kiểm tra lực xiết Sau xét số ví dụ tính tốn thiết kế mối ghép bu lơng l b2 R b1 Dùng bu lông đánh số 1, 2, Bu lơng thép C30 có ch = 360Mpa; hệ số ma sát giá đỡ bê tông f = 0,15; ứng suất dập cho phép bê tông [d] = 1,80Mpa hệ số an toàn xiết chặt với tải trọng tĩnh k = 1,5 Tâm bu lông: a = 420 b = 270 s b Ví dụ 12.4 Cho kết cấu mối ghép bu lơng, biết: a1 = 450mm; a = 420mm; b1 = 300mm; b = 270mm; s = 20mm; l = 350mm; R = 8000N a2 a a1 1) Xác định đƣờng kính cần thiết bu lơng cho phƣơng án: bu lông lắp không khe hở bu lơng lắp có khe hở Hình 12.22 2) Kiểm tra độ bền dập xi măng Nếu d < [d] giải sao? 281 3) Xác định tải trọng lớn tác dụng lên mối ghép sử dụng bu lơng lắp có khe hở 4) a) Khi tải trọng thay đổi từ Rmin đến Rmax < R có cần tính lại kích thƣớc bu lông không? Tại sao? b).Trong trƣờng hợp cần kiểm tra bu lông theo độ bền mỏi? Dãy tiêu chuẩn đƣờng kính bu lơng: (dãy 1): M8p; M10p; M12p; M16p; M18p; M20p; M30p…) ài giải a) Xác định đƣờng kính bu lơng - Xác định ngoại lực tác dụng lên bu lông chịu tải lớn Fmax: Dời lực R trọng tâm mối ghép ta đƣợc lực ngang R mô men M = R.l = 8000.350 = 2.800.000Nmm Do R đặt trọng tâm mối ghép nên bu lông chịu lực ngang F R nhƣ nhau: FR = R/4 = 8000/4 = 2000N Do bu lông phân bố đối xứng nên M tác dụng lên bu lông FM nhƣ nhau: FM = M/4r = 2800000 / 4*249,6 = 2805N Trong r khoảng cách từ trọng tâm đến tâm bu lông: r  x12  y12  210  135  249,6mm Vậy tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn (bu lông số 4): F  (FR2  FM2  2FR FM cos )  4235 N Với  = 57,260 - Xác định đƣờng kính bu lơng Phương án bu lơng khơng khe hở Đƣờng kính bu lơng đƣợc xác định từ điều kiện bền cắt: 4.F 4.4235 d   5,859 mm [ c ] .120 Sử dụng bu lông tinh M6 (a) Kiểm tra điều kiện bền dập thân bu lông: d  F 4235   35,2MPa  [ d ]  280MPa bu lông đủ độ bền dập s.d 20.6 Phương án bu lông có khe hở Khi cần xiết chặt bu lông lực xiết tƣơng ứng là: kF 1,5.4235 V   42350 N f 0,15 Đƣờng kính bu lơng đƣợc xác định từ điều kiện bền kéo: d1  1,3.4.V 1,3.4.42350   17,09 mm .[ k ] .240 Theo tiêu chuẩn bu lông, chọn bu lông M20x1,5 282 (b) Từ (a) (b) thấy sử dụng bu lơng tinh đƣờng kính bu lơng nhỏ nhƣng u cầu chế tạo xác bu lơng lỗ giá, đồng thời ví trí bu lơng phải xác Điều khó thực nên sử dụng phƣơng án bu lơng có khe hở Nếu tăng hệ số ma sát lên f = 0,2 lực xiết V v = 31762N d1 = 14,8mm Sử dụng bu lông M18x1,5 Trong đó: k   ch  360  240MPa S 1,5 [c]= 0,4ζch = 120MPa [ζd] = 280MPa 2) Kiểm tra độ bền dập bệ ( bê tông) Khi xiết chặt, bề mặt tiếp xúc bê tông giá chịu áp lực phân bố (coi giá có độ cứng lớn) Điều kiện bền dập bê tơng có dạng: z.F 4.4235 d    4,09MPa  [ d ]  1,8MPa A d 41400 Trong Ad diện tích tiếp xúc giá (kể diện tích lỗ bu lơng), xác định theo kích thƣớc cho: Ad = a1.b1 – a2b2 = 41400mm2 Do d > [d] nên cần tăng diện tích tiếp xúc bề mặt ghép lên Ad, đƣợc xác định từ điều kiện: z.V 4.42350 A ,d    94111mm [ d ] 1,8 Trong trƣờng hợp kích thƣớc bề mặt ghép thay đổi nhƣ sau: - Giảm kích thƣớc a2 b2 phía xuống 100mm, nhƣ a2 = 140mm b2 = 100mm Khi diện tích mặt ghép 94400mm2 - Tăng kích thƣớc ngồi a1 b1 tăng a1 b1 đồng thời giảm a2 b2 Rõ ràng giải pháp thứ khơng hợp lý giải pháp thứ làm tăng kích thƣớc giá 3) Xác định tải trọng lớn mà mối ghép chịu đƣợc dùng bu lơng lắp có khe hở - Điều kiện bền dập bệ, suy ra: d = [d] Vmax =[d].Ad/z = 1,8 94400/4 = 42480N - Điều kiện bền kéo bu lông (phƣơng án dùng bu lông M20) Vmax  [ k ] .d 12 .18,376  240  48937 N 4.1,3 4.1,3 (a) (b) Để thỏa mãn đồng thời (a) (b) thấy ứng với V = min(V a;Vb) tải trọng tác dụng lên mối ghép là: R = 8000N 4) a) Khi tải trọng thay đổi từ Rmin đến Rmax < R = 8000N, cần phải tính lại đƣờng kính bu lơng vì: - Khi tải trọng ngồi thay đổi hệ số an tồn xiết chặt thay đổi theo, thƣờng chọn k = 1,8…4 - Hệ số an toàn xác định [k] lấy lớn hơn, nghĩa tải trọng ngồi thay đổi giá trị [k] nhỏ 283 b) Trong trƣờng không cần phải tiến hành kiểm nghiệm bu lông theo điều kiện sức bền mỏi tải trọng ngồi khơng trực tiếp tác dụng lên bu lông Bu lông chịu lực kéo mômen ren xiết chặt nên ứng suất kéo thân bu lông không thay đổi Ví dụ 12.5 Cho kết cấu nhƣ hình vẽ (Hình 12.23) Chi tiết đƣợc ghép nối với thép chữ U (N0 = 28 ) có chiều dày s = 6mm mối ghép bu lơng có sơ đồ nhƣ hình vẽ Các kích thƣớc a =100mm h = 200mm Chịu ngoại lực dọc R = 40000N mơmen T =1,75.106Nmm Xác định đƣờng kính bu lơng (dùng bu lơng lắp có khe hở) để kẹp chặt với giá với điều kiện: Hệ số an toàn xác định lực xiết chặt k = 1,5, bu lơng thép 45 có ch = 350Mpa, khơng kiểm tra lực xiết chọn hệ số an toàn xác định ứng suất cho phép s = 2,5, hệ số giảm tải  = 0,25 hệ số ma sát f = 0,15 (khơng cần tính xác lại hệ số giảm tải ) ài giải Ngoại lực dọc trục R tác dụng lên bu lông : FR = R/z = 40000 / = 1666N Gọi V lực xiết bu lông Theo điều kiện tách hở chịu lực R, ta có: R 4000 V  k(1  )  1,5(1  0,25)  7500 N z Hình 12.23 (a) Theo điều kiện chống xoay chịu mô men T i z f [V  1   FR ] Z i ri  kT i 1 V  kT i z f  Z i ri  1   FR  kT  1   FR f 4r1  2r2  i 1 V   kT fa    1   FR  1,5.1750000  0,75.1666 0,15.100.7,6 V  23026 ,5  1249,5  24275 N ` (b) Trong đó: r1= a2 khoảng cách từ tâm mối ghép đến tâm bulông số 1,3,4 284 r2 = a khoảng cách từ tâm mối ghép đến tâm bu lông số So sánh giá trị (a) (b), để mối ghép không bị tách hở không bị xoay chịu tác dụng ngoại lực R T, lực xiết V cần thiết thoả mãn điều kiện: V = Max(Va,Vb) = 24275N Tải trọng tác dụng lên bu lông là: F0 =1,3V+  FR=1,3.24275 + 0,25.1666 = 31974 N Đƣờng kính bulông F0   K  d1=    4.31974 17,056 mm  140  K   ch / k  350 / 2,5  140 MPa Theo tiêu chuẩn bu lông, chọn bulơng M20 có d1 = 17,296mm Ví dụ 12.6 Cho kết cấu (hình 12.24), chi tiết đƣợc ghép với đế mối ghép bu lơng có z = 4, tâm bu lơng nằm vịng trịn có đƣờng kính D = 150mm Vị trí bu lơng nhƣ hình vẽ Tính đƣờng kính bu lơng sử dụng mối ghép bu lơng có khe hở Biết M = 550000Nmm; hệ số an toàn xiết chặt k = 1,5; hệ số giảm tải  = 0,2; hệ số ma sát f = 0,3 Bu lông thép có [ζ]k = 140MPa hệ số an tồn cho phép không kiểm tra lực xiết [s] = 2, đế có kích thƣớc A = 180mm ài giải Do mối ghép lắp có khe hở nên cần xiết chặt bu lông Lực xiết V cần đảm bảo mối ghép không bị tách hở M gây Lực M tác dụng lên bu lông Khi mối ghép chịu M, đế có xu hƣớng xoay quanh cạnh MN (xem hình 12.25) nên tải trọng M tác dụng lên bu lông chịu tải lớn xác định theo cơng thức sau (giả thiết ghép có độ cứng lớn): FM1  M.x  z x i 1 i i M.143  1802 N 2[143  37 ] Trong x1 x2 khoảng cách từ tâm bu lông 1&4 2&3 đến cạnh MN, xác định đƣợc x1 x2 nhƣ sau: x1 = 0,5A + 0,5D0.cos450 = 90 + 53 =143mm x2 = 0,5A - 0,5D0.cos450 = 90 – 53 = 37mm Với Do = 150mm Vậy để tránh tách hở cần xiết chặt bu lông lực xiết: Vth = k(1-)FM1 = k.(1-).(1802) = 2162N Xác định đƣờng kính bu lơng Tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn (bu lông số &4) F1max =1,3 V + ().FM1 = (1,3).(2162) + (0,2).(1802) = 3172N 285 Đƣờng kính bu lơng xác định từ cơng thức sau: d1  4.F1 max  .[] k (4).(3172 )  5,02 mm .160 Đƣờng kính ngồi bu lơng tính gần theo cơng thức sau: d = 1,1d1 = 5,5mm Vậy chọn bu lông M6 D0 M M k FM1 FM2 Dt x1 D x2 N 4 M A A Hình 12.24 Hình 12.25 286