CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT KẾ MÁY CHI TIẾT MÁY

Sách được biên soạn nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế chi tiết máy làm cơ sở cho việc thiết kế các máy công tác.. Ngoài ra sách còn làm tài liệu để rèn luyện các

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 và Thiết kế Chi tiết máy “ được biên

soạn dựa trên cơ sở cuốn sách Cơ sở Thiết kế máy do nhà xuất GIÁO DỤC VIỆT NAM xuất bản tháng 12 năm 2011 có sửa chữa và bổ sung thêm phần

II Cuốn sách bao gồm hai phần:

Phần I: Cơ sở Thiết kế máy gồm 12 chương trình bày về phương pháp

thiết kế các chi tiết máy

Phần II: Thiết kế Chi tiết máy gồm 3 chương trình bày về thiết kế các

chi tiết máy trong hệ dẫn động cơ khí nhằm phục vụ cho sinh viên làm ĐỒ

ÁN MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY Trong phần này, tác giả đưa vào nội dung

tự động thiết kế các chi tiết bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế trong Autodest Inventor

Sách được biên soạn nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế chi tiết máy làm cơ sở cho việc thiết kế các máy công tác Ngoài ra sách còn làm tài liệu để rèn luyện các kỹ năng tư duy và phân tích về hệ thống làm việc của máy công tác, khả năng áp dụng các kiến thức được trang bị vào công việc thiết kế, kiểm tra và thẩm định.Trong tài liệu còn được bổ sung thêm các chi tiết máy mà trong các tài liệu khác chưa được đề cập hoặc đề cập chưa đầy đủ

Cuốn sách là tài liệu tham khảo để học lý thuyết và làm Đồ án môn học chi tiết máy cho các bạn sinh viên hiện đang theo học tại các trường Đại học

và Cao đẳng, cho các các cán bộ trẻ đang giảng dạy môn học Cơ sở Thiết kế

máy tại các trường Đại học và Cao đẳng

Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi các sai sót, tác giả rất mong nhận được của đồng nghiệp và các bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về tác giả theo điạ chỉ: levanuyen_cstkm@yahoo.com

Tác giả

MỤC LỤC

PHẦN I CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI

TIẾT MÁY

1.1 Khái niệm về thiết kế máy và chi tiết máy 1

1.2 Nội dung và quá trình thiết kế máy và chi tiết máy 2

1.3 Tải trọng và ứng suất 4

1.4 Chỉ tiêu về khả năng làm việc và phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy 6

1.5 Ứng suất cho phép … ……… 12

1.6 Vật liệu sử dụng trong cơ khí 22

1.7 Tiêu chuẩn hóa và tính công nghệ trong thiết kế 25

Câu hỏi ôn tập Chương 2 BỘ TRUYỀN ĐAI 2.1 Khái niệm chung 28

2.2 Cơ sở tính toán bộ truyền đai 34

2.3 Tính bộ truyền đai 39

2.4 Kết cấu bánh đai 48

2.5 Các bước thiết kế bộ truyền đai 48

2.6 Biến tốc đai 52

Câu hỏi ôn tập Chương 3 BỘ TRUYỀN XÍCH 3.1 Khái niệm chung 55

3.2 Cơ sở tính toán bộ truyền xích 57

3.3 Tính bộ truyền xích 60

3.4 Các bước thiết kế bộ truyền xích 64

3.5 Kết cấu đĩa xích 65

3.6 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 65

Câu hỏi ôn tập Chương 4 BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNGác 4.1 Khái niệm chung………66

4.2 Cơ sở tính toán thiết kế bánh răng……… 81

4.3 Tính toán bộ truyền bánh răng trụ……… 98

4.4 Tính toán bộ truyền bánh răng côn……… 108

4.5 Các bước thiết kế bánh răng 110

4.6 Kết cấu bánh răng 116

4.7 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 116

4.8 Bộ truyền bánh răng sóng

Câu hỏi ôn tập

Chương 5 BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT

5.1 Khái niệm chung……… 123

5.2 Cơ sở tính toán bộ truyền trục vít……… 128

5.3 Tính toán bộ truyền trục vít……… 137

5.4 Các bước thiết kế bộ truyền trục vít……… 140

5.5 Kết cấu trục vít và bánh vít 142

5.6 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 142

Câu hỏi ôn tập Chương 6 TRUYỀN ĐỘNG VIT ĐAI ỐC 6.1Khái niệm chung ……… 144

6.2 Cơ sở tính toán truyền động vít đai ốc……… 146

6.3 Tính toán truyền động vít me ma sát trượt……… 148

6.4 Tính toán truyền động vít me ma sát lăn……….152

Câu hỏi ôn tập Chương 7 TRỤC 7.1 Khái niệm chung……… 158

7.2 Tính trục……… 163

7.3 Các bước thiết kế trục……… 175

Câu hỏi gợi ý Chương 8 Ổ TRƯỢT Gối đỡ trục 8.1 Khái niệm chung……… 178

8.2 Cơ sở tính toán ổ trượt……… 185

8.3 Tính ổ trượt……… 188

Câu hỏi ôn tập Chương 9 Ổ LĂN 9.1 Khái niệm chung……… 194

9.2 Cơ sở tính toán ổ lăn………198

9.3 Chọn ổ lăn………203

9.4 Các bước chọn ổ lăn………208

9.5 So sánh ổ trượt và ổ lăn……… 209

Câu hỏi ôn tập Chương 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

Chương 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

Chương 12 CHI TIẾT MÁY GHÉP

12.1 Khái niệm chung………242 12.2 Kết cấu và phương pháp tính toán mối ghép……….…243

1

Chương 1

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 về máy và Chi tiết máy

Trong đời sống chúng ta bắt gặp rất nhiều các sản phẩm cơ khí đã được thiết kế và chế tạo Các sản phẩm này thuộc các lĩnh vực khác nhau như các 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 và vận chuyển, các thiết bị đóng gói, Rôbốt công nghiệp, máy điều khiển số như các máy CNC …; Máy móc

và thiết bị trong ngành xây dựng, khai khoáng, máy nông nghiệp, máy vận tải hoặc các thiết bị phục vụ nghiên cứu không gian…

Hình 1.1 là hộp giảm tốc (HGT) một cấp bánh trụ răng nghiêng trong dây chuyền sản xuất Axit Sunphuric thuộc nhà máy phân đạm Bánh dẫn có

Hình 1.1

2

z1 = 30 được làm liền trục, bánh bị dẫn có z2 = 78 được lắp với trục bằng mối ghép độ dôi Đầu vào được lắp với turbin khí quay với tốc độ 17077vg/ph; công suất P1 = 2304KW (tương đương T1 = 1288470Nmm), còn đầu trục ra được lắp quạt nén khí, quay với tốc độ n2 = 6568vg/ph Trục

đỡ bánh răng được lắp trên các gối (ổ trượt) còn ổ được lắp lên vỏ (thân HGT) Tại các gối đỡ trục được lắp các thiết bị để kiểm tra nhiệt độ và độ rung; độ di dọc trục cũng như áp lực dầu bôi trơn

Như vậy, Máy hoặc Bộ phận máy được cấu tạo từ nhiều chi tiết khác nhau để thực hiện một công hữu ích nhằm thay thế lao động chân tay có năng suất thấp bằng lao động máy móc có năng suất và chất lượng cao

1.1.2 Phân loại chi tiết máy

Chi tiết máy thực hiện chức năng nhất định trong bộ phận hay cơ cấu máy Chi tiết có thể là 1 chi tiết hoàn chỉnh (bánh răng, trục, then, lò xo ), cũng

có thể là 1 cụm các chi tiết được liên kết với nhau để tạo thành chi tiết hoàn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích…)

Chi tiết máy có thể phân thành hai loại:

- Chi tiết công dụng chung là những chi tiết có hình dạng kết cấu, cùng chức năng và có thể gặp ở bất cứ loại máy công tác nào như các loại ốc vít, bánh răng, đai, xích, trục, ổ lăn…

- Chi tiết công dụng riêng là những chi tiết chỉ xuất hiện trong 1 số máy công tác như trục khuỷu, trục mềm, cam…

1.2 NỘI DUNG VÀ QUÁ TRÌNH THIÊT KẾ MÁY,

CHI TIẾT MÁY

1.2.1 Nội dung và yêu cầu thiết kế máy và chi tiết máy

Máy được thiết kế nhằm đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật ( yêu cầu của khách hàng) và phải có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế và thực tế trong chế tạo Ngoài ra còn một số yêu cầu khác như kiểu dáng, thay thế và

có tính thân thiện với môi trường ( sử dụng nguồn năng lượng và vật liệu, không ồn, không gây ô nhiễm…) Vì vậy việc thiết kế máy để đảm bảo các yêu cầu trên là một vấn đề hết sức phức tạp Thiết kế máy và chi tiết máy (được xây dựng trên

cơ sở các yêu cầu cụ thể của máy được thiết kế) bao gồm các nội dung sau:

3

1.2.1.1 Nội dung của thiết kế máy

Nội dung của việc thiết kế máy là đáp ứng tối đa yêu cầu của khách hàng hoặc trên cơ sở tìm hiểu thị trường để đưa ra một loại sản phẩm mới Cần chú ý là mọi sản phẩm được thiết kế ra đều phải đáp ứng tối đa nhu cầu

và kỳ vọng của khách hàng và một vấn đề nữa không kém phần quan trọng

là vấn đề bảo dưỡng, thay thế trong suốt chu kỳ tuổi thọ của nó và cũng cần cân nhắc đến việc sản phẩm sẽ được giải quyết thế nào sau khi nó hết thời

gian sử dụng Dựa vào các yêu cầu trên và trên cơ sở phân tích, xác định

chức năng, yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá của máy được thiết kế đòi hỏi

người thiết kế phải biết phân tích, tổng hợp về động lực học máy và khả năng công nghệ thực hiện để đưa ra sơ đồ nguyên lý hợp lý (chọn phương

án thiết kế cuối cùng) Mặt khác người thiết kế phải có kỹ năng thiết kế chi tiết như việc lựa chọn vật liệu và công nghệ để chế tạo, lắp ráp các chi tiết

để nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy làm việc của chi tiết và bộ phận máy Và nội dung cuối cùng của quá trình thiết kế máy là lập hồ sơ máy và các chỉ dẫn về vận hành, bảo dưỡng, thay thế các chi tiết

1.2.1.2 Nội dung của thiết kế chi tiết máy

Thiết kế chi tiết máy là một phần và không thể thiếu trong quá trình thiết

kế máy, vì vậy quá trình thiết kế chi tiết máy được tiến hành theo các bước sau:

a) Xác lập sơ đồ hoặc nguyên lý làm việc của chi tiết máy để xác định các thông số động lực học và chế độ làm việc của các chi tiết

b) Chọn vật liệu và khả năng công nghệ để gia công chi tiết xuất phát từ yêu cầu làm việc của chi tiết và việc cung ứng vật tư

c) Tính thiết kế ( tính sơ bộ) để xác định kích thước cơ bản của chi tiết theo chỉ tiêu về khả năng làm việc Trên cơ sở đó tiến hành thiết kế kết cấu của chi tiết thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện công nghệ ( công nghệ chế tạo, công nghệ lắp ghép và chú ý đến vấn đề thay thế chi tiết khi hỏng hóc)

d) Tính toán kiểm nghiệm theo chỉ tiêu về khả năng làm việc hoặc theo hệ

số an toàn đảm bảo chi tiết không hỏng hóc trong quá trình vận hành

e) Hoàn thiện về thiết kế kỹ thuật chi tiết để chế tạo chi tiết

1.2.2 Những kỹ năng cần có trong thiết kế cơ khí

Thiết kế các sản phẩm nói chung và thiết kế cơ khí nói riêng cần có những kỹ năng (kỹ năng cứng và kỹ năng mềm), bao gồm:

a) Kỹ năng xây dựng bản vẽ phác, bản vẽ kỹ thuật và thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD)

4

b) Nắm bắt được các đặc trưng của vật liệu, xử lý vật liệu và công nghệ chế

tạo các chi tiết

c) Các kiến thức cơ bản của các môn học Cơ học, Sức bền, Dung sai, Lý

thuyết về cơ cấu, Cơ học chất lỏng, Thủy lực, Kỹ thuật truyền nhiệt, Kỹ

thuật điều khiển, Khai thác và sử dụng các phần mềm trong tính toán thiết

kế, Các phương pháp dự đoán các hư hỏng, Cơ sở thiết kế máy ( Chi tiết

máy), các kiến thức về thiết bị, các phương pháp gia công chi tiết…

d) Khả năng xây dựng và thực hiện kế hoạch Sự sáng tạo, giải quyết vấn đề

và quản lý chương trình, dự án

e) Các kỹ năng giao tiếp, lắng nghe và khả năng làm việc theo nhóm

f) Thích ứng nhanh với môi trường và điều kiện làm việc mới

1.3 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT

1.3.1 Tải trọng

Người thiết kế cần phải nhận biết được loại tải trọng tác dụng lên chi

tiết, đó là tải trọng tĩnh hay thay đổi, va đập hay tải trọng ngẫu nhiên Trên

cơ sở đó chọn phương pháp phù hợp để phân tích ứng suất, chọn vật liệu, hệ

số an toàn sao cho chi tiêt khi mang tải làm việc an toàn trong một phạm vi

rộng

Tải trọng thường ký hiệu chung là Q: đó là lực F(N), là mô men T(Nmm) tác dụng lên chi tiết hay bộ phận máy trong quá trình làm việc

Cần phân biệt các loại tải trọng sau:

a) Tải trọng tác dụng lên chi

tiết và bộ phận máy trong quá trình

làm việc, bao gồm:

Tải trọng tĩnh nếu giá trị thay

đổi chậm hoặc không thay đổi theo

thời gian

Tải trọng thay đổi nếu phương

chiều hoặc cường độ thay đổi theo

thời gian Hình 1.2 là trường hợp

tải trọng thay đổi tuần hoàn theo

bậc

Tải trong thay đổi được qui về

hai dạng tải trọng sau:

- Tải trọng danh nghĩa Qdn

Hình 1.2 Chế độ tải trọng thay đổi theo bậc

t 3

t 2

t 1

T

t 3

t 2

t 1

T m

T 1

T 2

T 3

T









5

(Fdn; Tdn) là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác dụng ổn định trong thời gian dài

- Tải trọng tương đương Qtđ (Ftđ; Ttđ) là tải trọng thay thế cho tải trọng thay đổi Qtđ = Qdn.KN

b) Tải trọng tính toán là tải trọng thực tế tác dụng lên chi tiết và dùng để

tính toán chi tiết

Qtt = KQtđ

trong đó:

- KN là hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào đồ thị thay đổi của tải trọng ( xét cụ thể cho từng chi tiết với chế độ tải trọng khác nhau)

- K là hệ số tải trọng tính toán, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và xác định tuỳ thuộc lọai máy công tác, vào loại chi tiết (xem các chương về truyền động công suất)

1.3.2 Ứng suất

Khi chi tiết làm việc, tùy thuộc vào dạng tải trọng tác dụng, điều kiện làm việc và vật liệu của chi tiết mà ứng suất bên trong chi tiết có thể là ứng suất kéo (k); ứng suất uốn (u); ứng suất tiếp () Và ứng suất tiếp xúc H (khi hai chi tiết tiếp xúc với nhau với diện tích tiếp xúc rất nhỏ) hoặc ứng suất dập d

(khi diện tích tiếp xúc lớn) Giá trị của các ứng suất này hoàn toàn có thể xác định được nhờ các công thức trong Sức bền và Chi tiết máy (xem cụ thể khi tính toán các chi tiết ở các chương sau) Các ứng suất này có thể là:

- Ứng suất không đổi là ứng suất có giá trị không thay đổi hoặc thay không đáng kể theo thời gian

- Ứng suất thay đổi khi giá trị và phương thay đổi theo thời gian Ứng suất thay đổi có thể ổn định (hình 1.3) hoặc thay đổi không ổn định

Ứng suất thay đổi ổn định bao gồm: Ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng (hình 1.3a), thay đổi theo chu kỳ mạch động dương (hinh 1.3b) và thay đổi theo chu kỳ không đối xứng (hình 1.3c)

Có thể sử dụng các đại lượng sau đây để đặc trưng cho một chu trình thay đổi ứng suất (ví dụ cho chi tiết chịu ứng suất pháp):

Biên độ ứng suất: a = (max - min)/2 (1.2)

Ứng suất trung bình: m = (max + min)/2

Hệ số chu trình ứng suất: r = min / max

6

Ví dụ 1.1 Khi trục quay 1 chiều chịu tác động của lực (M và T) không đổi thì ứng suất pháp thay đổi theo chu trình đối xứng còn ứng suất tiếp thay đổi theo chu kỳ mạch động vì vậy các đặc trưng thay đổi ứng suất trong trường hợp này sẽ là:

a = max = M / W u ; m = 0; r = -1

và  a =  m = 0,5  max = T / 2W o ; r = 0

trong đó W u và W o là mô men chống uốn và chống xoắn tương ứng của tiết diện trục

Ghi chú

- Các gía trị của ứng suất hoàn toàn có thể xác định được bằng các công thức trong cơ học (Sức bền, chi tiết máy)

- Với ứng suất bề mặt thì tùy thuộc vào dạng tiếp xúc ban đầu mà có thể

là ứng suất tiếp xúc khi diện tích tiếp xúc ban đầu là điểm hoặc đường, giá trị của ứng suất được xác định theo các công thức (xem phần tính sức bền bánh răng và ổ lăn) sau:

Khi tiếp xúc ban đầu: đường Khi tiếp xúc ban đầu: điểm

(Ví dụ tiếp xúc giữa các bề mặt răng) (Tiếp xúc giữa con lăn với vòng ổ)

Nếu tiếp xúc ban đầu là mặt thì ứng suất bề mặt gọi là ứng suất dập

(trường hợp tiếp xúc của thân bu lông với lỗ tấm ghép trong mối ghép bu lông tinh) khi đó

d = F / Ad (xem chương 13)

- Các công thức tính các đại lượng đặc trưng đã nêu ở trên chỉ là 1 trường hợp, ta có thể tính cho các trường hợp khác

1.4 CHỈ TIÊU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC

VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHI TIẾT MÁY

Khi thiết kế máy hay bộ phận máy cần đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ khi làm việc

3 2 2

H

NE 388 , 0













2

q

Z n M H

t

max





a

a) b) c)

 a =  max ;  m = 0 và r = -1  a =  m = 0,5  max và r = 0 a ; m và r

Hình 1.3 Đồ thị về ứng suất thay đổi và các đại lượng đặc trưng