Bài giảng Chi tiết máy: Chương 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

CHI TIẾT MÁY

MỞ ĐẦU

1. Khái niệm về chi tiết máy (CTM)

Máy bộ phận CTM

CTM: là phần tử hoàn chỉnh đầu tiên để tạo thành máy

Phân loại:

- CTM có công dụng chung

- CTM có công dụng riêng

MỞ ĐẦU

CTM công dụng chung

CTM công dụng riêng

- Dùng phổ biến trong các máy khác nhau

- Dùng trong một máy số máy

hoặc một chuyên dụng

- Không phụ thuộc vào

công dụng máy

- Liên quan mật thiết đến chức năng của máy

- Ví dụ: trục khuỷu, thanh truyền ...

- Ví dụ: bulong, đai ốc, trục, ổ, bánh răng ...

MỞ ĐẦU

2. Môn học CTM - Là môn học nghiên cứu, tính toán, thiết kế hợp lý các CTM công dụng chung

- Kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực

nghiệm Lý thuyết: xây dựng trên cơ sở các môn học: toán, vật lý, cơ lý thuyết, sbvl, nlm, vật liệu ....

MỞ ĐẦU

1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 2. Các CTM ghép 3. Các CTM truyền động 4. Các CTM đỡ và nối

NỘI DUNG

1. Nguyễn Trọng Hiệp

Chi tiết máy, Tập 1,2 NXB Giáo dục

2. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển

Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1,2

TÀI LIỆU

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM a. Hiệu quả sử dụng

Hiệu suất cao, tốn ít năng lượng, độ chính xác cao, chi phí vận hành thấp

b. Khả năng làm việc

Hoàn thành các chức năng yêu cầu mà vẫn giữ được độ bền, không thay đổi kích thước

c. Độ tin cậy cao

Đảm bảo được các chỉ tiêu sử dụng trong thời gian quy định. Độ tin cậy được đặc trưng bởi xác suất làm việc không hỏng hóc trong thời gian quy định

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM d. An toàn trong sử dụng

rất cần thiết

e. Tính công nghệ và kinh tế

- Tính công nghệ: + Hình dạng, kết cấu, vật liệu phải phù hợp với đk sản xuất

+ Càng ít chi tiết, càng dễ chế tạo càng tốt

- Tính kinh tế: Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ -> giá thành giảm

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng - Tải trọng là lực, momen tác động lên

CTM trong quá trình làm việc (Kí hiệu Q)

- Phân loại: • Tải trọng tĩnh: không đổi theo t/g • Tải trọng động: thay đổi theo t/g (phương, chiều, độ lớn, điểm đặt) Tải trọng va đập: tăng giảm trong khoảng thời gian rất ngắn.

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

Trong tính toán CTM: tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương, tải trọng tính toán. -Tải trọng danh nghĩa (Qdn) là tải trọng tác động lên máy hoặc CTM ở chế độ ổn định

Thường chọn tải trọng lớn hoặc tải trọng

tác động lâu dài nhất

- Với tải trọng thay đổi nhiều mức, thay thế bằng tải trọng một mức Tải trọng tương đương (Qtđ)

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

Qtđ = Qdn .KN

Tương đương về khả năng làm việc, tuổi thọ, độ bền

KN hệ số phụ thuộc vào - Chế độ thay đổi tải trọng

- Việc chọn Qdn

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

-Tải trọng tính toán (Qt) : là tải trọng có xét đến ảnh hưởng của sự phân bố tải

trọng, mức độ chấn động, điều kiện làm

việc ...

Qt = Qtđ.Kt Kt :hệ số > 1, phụ thuộc nhiều yếu tố

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

2.2. Ứng suất

a. Các loại ứng suất

Kéo, nén, uốn, xuắn, ứng suất tiếp xúc

b. Ứng suất tiếp xúc

là ứng suất xuất hiện trên bề mặt của 2

vật tiếp xúc nhau nhưng diện tích tiếp xúc rất nhỏ

US tiếp xúc được tính theo CT Herzt

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

Z M

s H

)

[ 2 1( - µp 1

EE 2 2 1 1( E ) -+ 1

2 µ 2

]2 E

q n 2 r

qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến

E - Mô đun đàn hồi của vật liệu µ - Hệ số Poát-xông

- Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - mphẳng)

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

(Chú ý: Vật liệu là thép)

FnE2 ⇢2

H = 0.388 3 s

-Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - mphẳng)

Theo thời gian mà phân loại:

+ Ứng suất tĩnh

+ Ứng suất thay đổi

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi

ü Chu trình ứng suất: là một vòng thay

đổi ứng suất qua giá trị giới hạn này đến

giá trị giới hạn khác rồi trở về giá trị ban

đầu

ü Chu kỳ ứng suất: là thời gian thực hiện

một chu trình

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

max

min

=s m

s+ 2

c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi ü Ứng suất trung bình

max

min

=s a

s- 2 ü Hệ số tính chất chu trình

min

s s

max

ü Biên độ ứng suất

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

Căn cứ vào giá trị của r có các dạng chu

trình:

- Chu trình đối xứng r = -1 - Chu trình mạch động r = 0

CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM

3. Độ bền mỏi

3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi

Khi CTM chịu us thay đổi theo chu kỳ, sau một số chu trình thì CTM bị phá hủy.

Sự phá hủy xảy ra đột ngột, không có biến

dạng dư.

Giá trị us gây ra phá hủy << giới hạn bền

của vật liệu

3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi

Nguyên nhân: Do sự phát triển các vết nứt tế vi.

Vết gẫy do mỏi

Vết gẫy do us tĩnh

3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi

Ø Khả năng CTM chống lại sự phá hủy vì

mỏi gọi là độ bền mỏi

Ø Đối với nhiều loại vật liệu, tồn tại giá trị us giới hạn mà tác dụng với một số chu

trình rất lớn mà vẫn không phá hủy chi

tiết -> gọi là giới hạn mỏi

3.2 Đường cong mỏi

Ø Đường cong mỏi thể hiện quan hệ

giữa us với số chu trình thay đổi us

(N) mà CTM chịu được cho đến khi

hỏng

Ø Đường cong mỏi được xây dựng bằng

thực nghiệm:

Cho si tác động, sau Ni chu trình thì CTM bị phá hủy

3.2 Đường cong mỏi

Phương trình đường cong mỏi

sm.N = const

Ø m : bậc của đường cong mỏi.

VD thép : m=6

Ø Khi si tăng thì Ni giảm tức là tuổi thọ giảm Ø Khi giảm si < sr thì

mẫu không bị phá hỏng.

sr : giới hạn mỏi dài hạn N0: số chu trình cơ sở

Ví dụ : thép N0 = 106 ÷ 107

N0 N Ni

3.2 Đường cong mỏi

Chú ý:

đường cong mỏi Veler (Wöhler)

với vật liệu là thép

và us thay đổi đối xứng r=-1

sr = s-1 Đối với kim loại màu :

Không có đoạn nằm ngang

Quy ước N0 = 108

N0 N Ni

Trong thí nghiệm người ta sử dụng mẫu có:

Ø Đường kính d0 = 7 ÷ 10 mm Ø Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt Ø Không có tập trung ứng suất. Ø Chu trình ứng suất là đối xứng.

Trong thực tế các chi tiết máy có hình dạng, kích

thước, độ nhám bề mặt khác mẫu. Để xác định giới hạn mỏi của chi tiết máy -> các yếu tố ảnh

hưởng đến độ bền mỏi.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu

CTM có hình dạng càng phức tạp thì giới hạn mỏi¯

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Nguyên nhân: tại những nơi thay đổi hình dạng

có sự tập trung ứng suất. Ví dụ: trục

Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

=at

=as

max t

max s

s, t là ứng suất trung bình tại mặt cắt có sự tập trung ứng suất.

3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu

Tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp hệ số as, at vào tính toán thực tế nhiều khi không thích hợp.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Hệ số tập trung ứng suất thực tế

s s

t t

rc sr,tr là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất. src,trc là g/h mỏi của mẫu có tập trung ứng suất.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối

Chi tiết có kích thước càng lớn thì giới hạn mỏi

giảm

Nguyên nhân:

Ø Do sự không đồng đều về cơ tính cũng như

nhiều khuyết tật hơn.

Ø Chiều dày tương đối của lớp bề mặt được

tăng bền nhờ gia công cơ hoặc nhiệt luyện giảm xuống.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối

=es

=et

s s

t t

0rd

Hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối

srd0 trd0 : giới hạn mỏi của mẫu có kích thước

d0 = 7 ÷ 10 mm

srd trd :giới hạn mỏi của mẫu có đường kính d.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt

Bề mặt của chi tiết được đánh bóng hoặc được

gia công đặc biệt làm cho cứng có tác dụng

làm tăng giới hạn mỏi.

b < 1 nếu bề mặt chi tiết được nhiệt luyện hoặc gia công tăng bền (phun bi, cán lăn …) b > 1 nếu bề mặt được gia công bằng tiện, phay nhưng không gia công tăng bền.

Hệ số trạng thái bề mặt b

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Mẫu được thí nghiệm với r = -1, sm = 0 Thực tế r ¹ -1, sm ¹ 0

3.3.4 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất

Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình

ys yt

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

rc = tt

rc = ss

tbe kr

sbe kr

Giới hạn mỏi của chi tiết được tính thông qua giới hạn mỏi của mẫu như sau:

3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi

Các biện pháp chế tạo Ø Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng tính đàn hồi của kết cấu) Ø Tránh các nguyên nhân gây ra sự tập trung ứng

suất.

Các biện pháp công nghệ Ø Mài nhẵn, đánh bóng hoặc mạ bề mặt chi tiết để

loại trừ các vết nứt phá sinh trong quá trình gia công cắt gọt.

Ø Làm cứng bề mặt ngoài của chi tiết như nhiệt

luyện, hóa-nhiệt luyện.

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

5 chỉ tiêu chủ yếu: Ø Độ bền Ø Độ cứng Ø Độ bền mòn Ø Khả năng chịu nhiệt Ø Độ ổn định dao động

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

4.1 Độ bền

Độ bền là khả năng chống lại sự phá hỏng

của CTM

ØGẫy: độ bền thể tích

ØPhá hủy bề mặt: độ bền bề mặt

Độ bền tĩnh: tránh bị phá hủy do ứng suất tĩnh gây ra. Độ bền mỏi: tránh các dạng phá hủy do ứng suất thay đổi theo chu kỳ.

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

4.1 Độ bền Phương pháp tính: ứng suất sinh ra khi CTM chịu tải trọng không được vượt quá ứng suất cho phép s £ [s] t £ [t] sH £ [sH]

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

4.2 Độ cứng là khả năng chống biến dạng của CTM khi chịu tác động của tải trọng ngoài

Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng thể tích Độ cứng tiếp xúc: liên quan đến biến dạng các lớp bề mặt Phương pháp tính toán:

y £ [y] Dl £ [Dl] j £ [j]

q £ [q]

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

nhau)

- Có chuyển động tương đối giữa hai chi tiết tiếp

xúc (có vận tốc trượt)

4.3 Độ bền mòn Mòn là hiện tượng giảm dần kích thước và thay đổi hình dáng do ma sát gây ra. Điều kiện để gây ra mòn là - Có áp suất bề mặt tiếp xúc (hai chi tiết tiếp xúc

Hậu quả do mòn - Giảm độ chính xác (vd: các dụng cụ đo) - Giảm hiệu suất (vd: xy lanh và pittông) - Giảm độ bền (do kích thước giảm)

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

4.3 Độ bền mòn Cường độ mòn phụ thuộc các yếu tố : áp suất, vận tốc trượt, bôi trơn, độ nhẵn bề mặt, hệ số ma sát…. Phương pháp tính toán để hạn chế mòn: - hạn chế áp suất p £ [p] - hạn chế tích p.v £ [pv] - Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát) Biện pháp nâng cao độ bền mỏi (chủ yếu là giảm hệ số ma sát) - Tăng chất lượng bề mặt tiếp xúc .Ví dụ như mạ - Chọn cặp vật liệu có hệ số ma sát nhỏ.

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

Trong quá trình làm việc do ma sát trong các cơ

cấu, nhiệt độ của chi tiết máy tăng lên.

4.4 Khả năng chịu nhiệt

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

- Giảm khả năng làm việc

- Biến dạng nhiệt gây cong vênh

- Giảm độ nhớt dầu

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

nhiệt lượng sinh = nhiệt lượng thoát

P(1-h) = AKt(t-t0) kiểm tra điều kiện t £ [t]

4.4 Khả năng chịu nhiệt Nguyên tắc tính nhiệt: dựa trên phương trình cân bằng nhiệt

Phương pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt

- Tăng diện tích thoát nhiệt

- Tăng hệ số thoát nhiệt (làm mát bằng nước, quạt

gió …)

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

4.5 Độ ổn định dao động Độ ổn định dao động là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép. Nguyên nhân: - Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn. - Sự mất cân bằng các chi tiết quay. Hậu quả: - Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ. - Giảm khả năng làm việc của máy. VD dao động trong các máy công cụ làm giảm độ chính xác gia công và độ nhẵn bề mặt.

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

cộng hưởng.

- Xác định biên độ dao động và hạn chế nhỏ hơn giá

trị cho phép.

4.5 Độ ổn định dao động Phương pháp tính: - Xác định tần số dao động để tránh hiện tượng

Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động - Triệt tiêu nguyên nhân gây dao động - Thay đổi các thông số động học động lực học - Thiết kế các bộ phận chống rung (giảm chấn)

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Tính toán dựa các công thức lý thuyết hoặc thực nghiệm

Tính theo 2 giai đoạn: -Tính thiết kế -Tính kiểm nghiệm

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Tính thiết kế: xuất phát từ điều kiện làm việc, tải trọng tác động tìm ra 1 kích thước chính rồi suy ra các kích thước còn lại (chú ý đến các tiêu chuẩn, các yêu cầu về công nghệ, lắp ghép). VD: khi tính trục, xác định đường kính trục

d ³ f([s])

bộ truyền bánh răng, xác định khoảng

cách tâm bánh răng d ³ f([sH])

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM

s £ [s] t £ [t] s £ [s]

Kiểm nghiệm: sau khi thiết kế sơ bộ, có hình dạng, kích thước, kết cấu cụ thể phải kiểm nghiệm lại để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc.

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.2 Xác định ứng suất cho phép

][ t =

] [ s =

t lim s

s lim s

slim ứng suất giới hạn s hệ số an toàn

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.2.1 Ứng suất giới hạn

Độ bền tĩnh:

slim = sb đối với vật liệu dòn (gang)

slim = sch đối với vật liệu dẻo (thép)

Độ bền mỏi: slim phụ thuộc số chu trình N và chế

độ thay đổi ứng suất.

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

a. Ứng suất thay đổi ổn định - Chi tiết máy làm việc lâu dài N ³ N0,

slim = sr

- Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0,

N 0 m r N

slim = srN = s

K = N

N 0 N

là hệ số tuổi thọ.

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

b. ứng suất thay đổi không ổn định Ni là số chu kỳ chịu tải ứng với mức ứng suất si Khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi

không ổn định, ta chuyển về chế độ làm việc ổn định với ứng suất lớn nhất là s1 trong chu kỳ chịu tải tương đương Ntđ.

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

tđ

æ ö s å ÷÷ i çç 1s è ø

b. ứng suất thay đổi không ổn định

- Nếu Ntđ ³ N0 thì slim = sr

N0s r N

tđ

- Nếu Ntđ < N0 thì slim =

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

s = s1.s2.s3

- s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất. - s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của vật liệu - s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của chi tiết.

5.2.2 Hệ số an toàn Do điều kiện làm việc thực tế có nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán cần đưa vào hệ số an toàn nhằm đảm bảo cho kết cấu có độ an toàn cần thiết. Hệ số an toàn xác định theo công thức

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.3 Vật liệu Các yêu cầu chung đối với vật liệu là Ø Phù hợp với các chỉ tiêu về khả năng làm

việc của chi tiết máy như độ bền, độ cứng… Ø Đáp ứng các yêu cầu về khối lượng và kích

thước của chi tiết máy.

Ø Có tính công nghệ thích ứng với hình dạng

chi tiết máy và phương pháp gia công.

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.3 Vật liệu Vật liệu thường dùng là: Ø Kim loại đen: gồm gang và thép được

dùng rộng rãi nhờ độ bền và độ cứng cao và tương đối rẻ.

Thép kết cấu : CT + giới hạn bền Thép chất lượng tốt : C + thành phần Cacbon Gang : có tính đúc, trọng lượng lớn

5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

5.3 Vật liệu