Bài giảng Chi tiết máy Chương 1: TS. Phạm Minh Hải (Chi Tiết)

11/09/2015

Nội dung

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT thietkemay.edu.vn

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY (ME3090)

(cid:1)Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

(cid:1)Tải trọng và ứng suất

Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

(cid:1) Độ bền mỏi của chi tiết máy

(cid:1)Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

(cid:1)Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM

TS. Phạm Minh Hải hai.phamminh1@hust.edu.vn hai.phamminh.hust@gmail.com

2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng

1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

(cid:1)Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá

trình làm việc

(cid:1)Phân loại: (cid:2) Tải trọng tĩnh: không đổi theo thời gian (cid:2) Tải trọng động: thay đổi theo thời gian

a. Hiệu quả sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao năng lượng, độ chính xác, chi phí vận hành. b. Khả năng làm việc: độ bền, độ cứng, … c. Độ tin cậy cao: xác suất làm việc không hỏng hóc trong thời gian quy định. d. An toàn trong sử dụng: con người, công trình e. Tính công nghệ và kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật liệu, cấp chính xác, số lượng chi tiết máy, khối lượng và kích thước …

- phương - chiều - độ lớn - điểm đặt * Tải trọng va đập

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 2

2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng

Tải trọng tính toán (Qt) :

Tải trọng danh nghĩa (Qdn): tải trọng tác động lên máy hoặc CTM ở chế độ ổn định (tải trọng lớn nhất / tải trọng tác động lâu dài nhất)

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 3 4 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Qt = QtđKt

Tải trọng tương đương (Qtđ): Khi có nhiều chế độ tải trọng - Chọn 1 chế độ làm Qdn

Kt = KttKđKđk…>1 Ktt : hệ số xét đến sự phân bố không đều tải

- Quy đổi về 1 chế độ tải trọng tương đương (tuổi thọ, độ bền)

trọng trên bề mặt tiếp xúc

Qtđ = Qdn .KN

KN hệ số (hệ số tuổi thọ) phụ thuộc vào

- Chế độ thay đổi tải trọng

Kđ: hệ số tải trọng động Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

- Tương quan giữa Qdn và các chế độ tải trọng còn lại

5 6 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

1 11/09/2015

* Nếu theo thời gian mà phân loại:

2. Tải trọng và ứng suất 2.2. Ứng suất

+ Ứng suất tĩnh

+ Ứng suất thay đổi

a. Các loại ứng suất : (cid:1)ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất uốn, ứng

suất xoắn

max

min

=σ a

max

min

=σ m

(cid:1)ứng suất tiếp xúc, ứng suất dập

σ− 2 σ+ 2

min

max

Các đặc trưng của ứng suất thay đổi (tuần hoàn) (cid:3) Chu trình ứng suất (cid:3) Chu kỳ ứng suất (cid:3) Biên độ ứng suất (cid:3) Ứng suất trung bình (cid:3) Hệ số tính chất chu trình r

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

3.2 Cơ chế của phá hủy mỏi

3. Độ bền mỏi của chi tiết máy

Tải trọng thay đổi theo chu kỳ

3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi

Vết nứt

CTM

Phá hủy

Vết nứt

yếu đi

phát triển

khi vết quá lớn

tế vi trên bề mặt

Phá hủy mỏi: (cid:2) Ứng suất thay đổi theo chu kỳ (cid:2) Sau một số chu trình US,

CTM bị phá hủy

Phá hủy tĩnh (cid:2) Ứng suất tĩnh (cid:2) Xảy ra tức thì (cid:2) Có co tiết diện tại vết gãy (vật

liệu dẻo)

(cid:2) Sự phá hủy xảy ra đột ngột,

(cid:2) US > giới hạn bền của vật liệu.

không có co tiết diện. (cid:2) US<< giới hạn bền của vật

liệu.

Vết gẫy do us tĩnh

Vết gẫy do mỏi

7 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 8 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

10 9 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.3 Đường cong mỏi

Thép

Chú ý:

Kim loại màu

đường cong mỏi Vê-le (Wohler ) ứng với:

σi

- Vật liệu là thép

σm.N = const m : bậc của đường cong mỏi (thép: m=6) σ : biên độ ứng suất N : Số chu trình ứng suất khi CTM bị hỏng do mỏi

- US thay đổi đối xứng r=-1

σr

σr = σ-1

σr : giới hạn mỏi dài hạn N0: số chu trình cơ sở (thép N0 = 106 ÷ 107)

• Đối với kim loại màu : Không ∃ giới hạn mỏi dài hạn Quy ước N0 = 108

11 12 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

2 11/09/2015

3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Thí nghiệm mỏi (cid:4) Đường kính d0 = 7 ÷ 10 mm (cid:4) Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt (cid:4) Không có tập trung ứng suất. (cid:4) Chu trình ứng suất là đối xứng.

Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

ασ

ατ

Thực tế: hình dạng, kích thước, chất lượng bề mặt, tính

Hệ số tập trung ứng suất thực tế

=σ

=τ

σ max dnσ σ σ

τ max dnτ τ τ

chất chu trình ứng suất,… -> ảnh hưởng đến giới hạn bền

mỏi của chi tiết.

σr,τr là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất. σrc,τrc là g/h mỏi của mẫu có tập trung ứng suất.

Kết cấu CTM càng phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi

3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối

do: đường kính mẫu thí nghiệm d: đường kính của chi tiết máy

Hệ số a/h của kích thước tuyệt đối

Ví dụ: trục chịu uốn

trục chịu xoắn

• Không đồng

Kích thước càng lớn

giới hạn mỏi giảm

đều về cơ tính • Nhiều khuyết

tật

13 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 14 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt

3.3.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất

Hệ số trạng thái bề mặt β

Mẫu thí nghiệm

Chi tiết máy

(cid:1) =

giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt giống chi tiết giới hạn mỏi của mẫu thí nghiệm mỏi

β > 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh bóng …). β < 1 : tiện, phay + không gia công tăng bền.

Chất lượng bề mặt tốt

-> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi

Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình ψσ ψτ (xem chương “Trục”)

-> giới hạn bền mỏi tăng

16 15 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

17 18 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3 11/09/2015

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

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

5 chỉ tiêu chủ yếu:

ττ rc =

rc = σσ

τβε kr

Độ bền

σβε kr

Độ cứng

3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi

Độ bền mòn

• Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng

Khả năng chịu nhiệt

tính đàn hồi của kết cấu)

Độ ổn định dao động

• Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất • Công nghệ: Mài, đánh bóng, gia công tăng bền bề mặt

4.1 Độ bền

4.2 Độ cứng

là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM

Độ bền thể tích

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

Độ bền bề mặt Độ bền tĩnh Độ bền mỏi Phương pháp tính: σ ≤ [σ] τ ≤ [τ] σH ≤ [σH], σd ≤ [σd] S>=[S] (mỏi, xem phần trục)

Phương pháp tính toán: Độ võng: y ≤ [y] Độ dãn dài: ∆l ≤ [∆l] Góc xoắn: ϕ ≤ [ϕ] Góc xoay: θ ≤ [θ]

S là hệ số an toàn; σlim là giới hạn phá hủy của vật liệu chi tiết máy

19 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 20 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.3 Độ bền mòn

4.4 Khả năng chịu nhiệt

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 nhau ) - Có chuyển động tương đối giữa hai chi tiết tiếp xúc ( có vận tốc trượt)

Trong quá trình làm việc + do ma sát trong các cơ cấu, nhiệt độ của máy và chi tiết máy tăng lên. Ảnh hưởng của nhiệt độ: - Giảm khả năng làm việc (thép >300, KLM >50 độ C) - Biến dạng nhiệt gây cong vênh - Giảm độ nhớt dầu

Phương pháp: t ≤ [t]

Phương pháp tính toán để hạn chế mòn: p ≤ [p] p.v ≤ [pv] Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát)

21 22 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

23 24 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4 11/09/2015

4.5 Độ ổn định dao động

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

là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép.

Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM

Xác định ứng suất cho phép

Vật liệu

Nguyên nhân của dao động: - Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn. - Sự mất cân bằng các chi tiết quay. Hậu quả của dao động: - Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ. - Giảm khả năng làm việc của máy.

Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

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

5.2 Xác định ứng suất cho phép

5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM

TÍNH THIẾT KẾ

[ ] σ =

][ τ =

điều kiện làm việc, tải trọng

σ lim s

τ lim s

Chọn vật liệu

σlim ứng suất giới hạn của vật liệu Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán

Công thức thiết kế

Lớn

Hệ số an toàn xác định theo công thức

1 kích thước chính

nhỏ

Sai khác

s = s1.s2.s3

các kích thước còn lại (tiêu chuẩn, yêu cầu về công nghệ, lắp ghép)

s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất(1,2-1,5). s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của

không thỏa mãn

vật liệu (1,5-2,5).

Các chỉ tiêu về khả năng làm việc

s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của

TÍNH KIỂM NGHIỆM

thỏa mãn

chi tiết (1-1,5)

Kết thúc tính toán

25 26 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Khi tính theo độ bền mỏi:

Khi tính theo độ bền tĩnh:

σlim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất.

σlim = σb đối với vật liệu giòn (gang)

σlim = σch đối với vật liệu dẻo (thép)

a. Ứng suất thay đổi ổn định - Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥ N0, σlim = σr - Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0, σlim = σrN = σrKN

là hệ số tuổi thọ.

K = N

N 0 N

b. Ứng suất thay đổi không ổn định

Ntd, σ1

tđ

Ni, σi

  σ ∑   i 1σ  

ổn định

không ổn định

27 28 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

30 29 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5 11/09/2015

5.3 Vật liệu

5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

• Các yêu cầu chung đối với vật liệu là

• Tuân thủ các tiêu chuẩn:

(cid:4) Độ bền, độ cứng… (cid:4) Yêu cầu về khối lượng, kích thước (cid:4) Có tính công nghệ (cid:4) Nguyên tắc chất lượng cục bộ

• Vật liệu thường dùng là:

(cid:4) Kim loại đen: gang, thép (độ bền, độ cứng cao và tương đối rẻ). (cid:4) Kim loại màu: đồng, kẽm, nhôm…(dạng hợp kim màu) có tính

giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền

(cid:4) Kim loại gốm: nung + ép bột kim loại với các chất phụ gia; khó

nóng chảy, hệ số ma sát thấp, giá thành cao, kích thước hạn chế.

- Hình dạng - Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm) - Yêu cầu kỹ thuật - Các yếu tố cấu tạo (mô đun răng, bước ren) - Cấp chính xác - V.v…

(cid:4) Vật liệu phi kim: gỗ, da, cao su, chất dẻo, a-mi-ăng

Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập

31 32 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Những vấn đề chính trong chương 1

Ứng suất tiếp xúc: khi diện tích tiếp xúc rất nhỏ Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) US tiếp xúc được tính theo CT Héc [TLTK 1]

• 5 yêu cầu cơ bản • 5 chỉ tiêu cơ bản • Độ bền mỏi: cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng,

Z M

σ H

)

2 EE 2 1 1( ) E −+ 1

2 µ 2

[ 2 1( − µπ 1

q n 2 ρ

qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến

đường cong mỏi • Tải trọng: tĩnh, động • Ứng suất: không đổi, thay đổi (tuần hoàn), thể

tích, bề mặt

• Các vấn đề thiết kế: vật liệu, hệ số an toàn, tiêu

chuẩn hóa

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

Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần đúng

Ứng suất dập: khi diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1]

Khi

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

388,0 3

(Vật liệu là thép)

H =

EFn 2 ρ

Fn: Tải trọng pháp tuyến

Giả thiết: áp suất phân bố đều trên bề mặt chịu lực

34 33 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

35 36 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy