29/08/2016
1
Những vấn đề cơ bản về thiết kế
chi tiết máy
TS. Phạm Minh Hải
sites.google.com/site/tsphamminhhaibkhn
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY (ME3090)
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT
thietkemay.edu.vn
Nội dung
1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM
2. Tải trọng và ứng suất
3. Độ bền mỏi của chi tiết máy
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
2
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
1 Yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM
3
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
a. Hiệu quả sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao
năng lượng, 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 …
Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá
trình làm việc
4TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
2. Tải trọng
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
29/08/2016
2
Tải trọng danh nghĩa Qdn:
tải trọng lớn nhất / tải trọng
tác động lâu dài nhất
5TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng (máy và CTM)
Tải trọng tương đương Qtđ:
Qtđ = Qdn .KN
KNhệ số phụ thuộc vào
- Chế độ thay đổi tải trọng
- Tương quan giữa Qdn và các chế độ tải trọng còn lại
- Chỉ tiêu xét tương đương (độ bền / tuổi thọ)
Q
t1t2t3
Q1
Q2Q3
Qtđ
ttđ
Tải trọng tính toán Qt:
Qt = QtđKt
Kt= KttKđKđk…>1
Ktt : hệ số xét đến sự thiếu chính xác khi xác định tải
trọng (phân bố không đều)
Kđ: hệ số tải trọng động ( êm, va đập nhẹ, …)
Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc
6TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng
a. Phân loại theo dạng phá hủy :
kéo, nén, uốn, xoắn (phá hủy thể tích)
tiếp xúc, dập (phá hủy bề mặt)
7TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.2. Ứng suất
Các đặc trưng của ứng suất
thay đổi (tuần hoàn)
Chu trình ứng suất
Chu kỳ ứng suất
Biên độ ứng suất
Ứng suất trung bình
Hệ số tính chất chu trình r
8
b. Phân loại theo tính chất:
+ Ứng suất tĩnh
+ Ứng suất thay đổi
2
minmax
m
σ
+
σ
=σ
2
minmax
a
σ
−
σ
=σ
max
min
rσ
σ
=
-Chu trình đối xứng r = -1
-Chu trình mạch động r = 0
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
29/08/2016
3
3. Độ bền mỏi của chi tiết máy
3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi
9TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
Phá hủy mỏi:
Ứng suất thay đổi theo chu kỳ
Sau một số chu trình US,
CTM bị phá hủy
Sự phá hủy xảy ra đột ngột,
không có co tiết diện.
US<< giới hạn bền của vật
liệu.
Phá hủy tĩnh
Ứng suất tĩnh
Xảy ra tức thì
Có co tiết diện tại vết gãy (vật
liệu dẻo)
US > giới hạn bền của vật liệu.
3.2 Cơ chế của phá hủy mỏi
Vết nứt
tế vi trên
bề mặt
10
Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do us tĩnh
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
Vết nứt
phát
triển
Tải trọng thay đổi theo chu kỳ
CTM
yếu đi
Phá hủy
khi vết
quá lớn
3.3 Đường cong mỏi Vê-le (Wohler )
σm.N = hằng số
m : bậc của đường cong mỏi (thép: m=6)
11TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
•Kim loại màu :
Không tồn tại giới hạn mỏi dài hạn
Quy ước N0= 108 trong các tính toán
N
σ
σi
σr
NiN0
Thép
Kim loại màu
Số chu trình ứng suất
khi CTM bị hỏng do mỏi
biên độ ứng suất
•Thép:
σr: giới hạn mỏi dài hạn
N0: số chu kỳ ứng suất cơ sở
( thường N0= 106÷107)
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy
12TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
Thí nghiệm mỏi
Vật liệu: thép, gang, đồng …
Đường kính d0= 7 ÷10 mm
Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt
Không có tập trung ứng suất.
Chu trình ứng suất là đối xứng.
Thực tế: hình dạng, kích thước, chất lượng bề mặt, tính chất chu trình ứng suất,… -
> ảnh hưởng đến giới hạn bền mỏi của chi tiết.
29/08/2016
4
13
dn
σ
σ
α
σ
max
=
dn
τ
τ
α
τ
max
=
3.4.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
Hệ số tập trung ứng suất thực tế
rc
r
kσ
σ
=
σ
rc
r
kτ
τ
=
τ
Kết cấu CTM càng phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng
vn c bn v thit k chi tit máy 14
•Không đồng
đều về cơ tính
•Nhiều khuyết
tật
15TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
3.4.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối
Ví dụ: trục chịu uốn
do: đường kính mẫu thí nghiệm
d: đường kính của chi tiết máy
Hệ số a/h của kích thước tuyệt đối
trục chịu xoắn
Kích thước càng lớn giới hạn mỏi giảm
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng
vn  c bn v thit k chi tit máy 16
29/08/2016
5
β> 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh
bóng …).
β< 1 : tiện, phay + không gia công tăng bền.
17TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
3.4.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt
= giớihạnmỏicủamẫucóbềmặtgiốngchitiết
giớihạnmỏicủamẫuthínghiệmmỏi
Hệ số trạng thái bề mặt β
Chất lượng bề mặt tốt
-> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi
-> giới hạn bền mỏi tăng
Hệ số ảnh hưởng của
ứng suất trung bình
ψσψτ(xem chương
“Trục”)
18TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
3.4.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất
Mẫu thí nghiệm Chi tiết máy
mrrc
k
σψ
β
σσ
σ
σ
σ
+=
mrrc
k
τψ
β
ττ
τ
τ
τ
+=
19TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy
3.5 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi
•Sử dụng vật liệu phù hợp
•Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng
tính đàn hồi của kết cấu, giảm rung động)
•Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất (nhiều)
•Công nghệ: Mài, đánh bóng, gia công tăng bền bề mặt
4.
Các
chỉ
tiêu
chủ
yếu
về
khả
năng
làm
việc
của
CTM
5 chỉ tiêu chủ yếu:
Độ bền
Độ cứng
Độ bền mòn
Khả năng chịu nhiệt
Độ ổn định dao động
20
TS Phm Minh Hi ME3090 C1. Nhng vn  c bn v thit k chi tit máy