Chuong 1 Nhung van de co ban v2016

Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết 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.. Nhữ

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

1 Yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

3

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

4

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

Trang 2

Tải trọng danh nghĩa Q dn :

tải trọng lớn nhất / tải trọng

tác động lâu dài nhất

5

2.1 Tải trọng (máy và CTM)

Tải trọng tương đương Q tđ :

Qtđ= Qdn.KN

KNhệ số phụ thuộc vào

- Chế độ thay đổi tải trọng

- Tương quan giữa Qdnvà các chế độ tải trọng còn lại

- Chỉ tiêu xét tương đương (độ bền / tuổi thọ)

Q

Q 1

3

Q tđ

t tđ

Q t = Q tđ K t

K t = K tt K đ K đk … >1

K tt : hệ số xét đến sự thiếu chính xác khi xác định tải trọng (phân bố không đều)

K đ : hệ số tải trọng động ( êm, va đập nhẹ, …)

K đk : hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

6

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)

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

b Phân loại theo tính chất:

+ Ứng suất tĩnh + Ứng suất thay đổi

2

min max m

σ + σ

= σ

2

min max a

σ

− σ

= σ

max

min

r σ

σ

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

Trang 3

3 Độ bền mỏi của chi tiết máy

3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi

9

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

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)

11

• Kim loại màu :

Không tồn tại giới hạn mỏi dài hạn

Quy ước N0= 108 trong các tính toán

N

σ

σ i

σ r

Thép

Kim loại màu

Số chu trình ứng suất khi CTM bị hỏng do mỏi

• 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

12

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.

Trang 4

dn

σ

α σ = max

dn

τ

α τ = max 3.4.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu

Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

Hệ số tập trung ứng suất thực tế

rc

r

k σ

σ

=

σ

rc

r

k τ

τ

=

τ

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

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

• Không đồng đều về cơ tính

• Nhiều khuyết tật

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

Trang 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.

17

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

ψ σ ψ τ (xem chương

“Trục”)

18

3.4.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất

m r

rc

k β ψ σ

ε σ

σ

k β ψ τ

ε τ

τ

=

19

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

Trang 6

là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM

Độ bền thể tích

Độ bền bề mặt

Độ bền tĩnh

Độ bền mỏi

21

4.1 Độ bền

Phương pháp tính:

σ ≤ [σ]

τ ≤ [τ]

S>=[S] (mỏi, xem phần trục)

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

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

22

4.2 Độ cứng

Phương pháp tính toán:

Độ võng: y ≤ [y]

Độ dãn dài: ∆l ≤ [∆l]

Góc xoắn: ϕ ≤ [ϕ]

Góc xoay: θ ≤ [θ]

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)

4.3 Độ bền mòn

Phương pháp tính toán để hạn chế mòn:

a) p ≤ [p] hoặc p.v ≤ [pv]

b) Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt

(giảm hệ số ma sát)

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

4.4 Khả năng chịu nhiệt

Phương pháp:

t ≤ [t]

Trang 7

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.

25

4.5 Độ ổn định dao động

là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà

không bị rung quá mức cho phép.

Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động

- Triệt tiêu nguyên nhân gây dao động (cân bằng máy)

- Thay đổi các thông số động học động lực học

- Thiết kế các bộ phận chống rung (giảm chấn)

26

Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Xác định ứng suất cho phép

Vật liệu Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

27

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

5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM

điều kiện làm việc, tải trọng

1 kích thước chính Công thức thiết kế

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

Các chỉ tiêu về khả năng làm việc Chọn vật liệu

Kết thúc tính toán

thỏa mãn

không thỏa mãn

TÍNH THIẾT KẾ

TÍNH KIỂM NGHIỆM

σ lim ứng suất giới hạn của vật liệu

Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán

Hệ số an toàn xác định theo công thức

s = s 1 s 2 s 3

việc xác định tải trọng và ứng suất(1,2-1,5).

vật liệu (1,5-2,5).

chi tiết (1-1,5)

28

s

lim

]

s

lim

]

5.2 Xác định ứng suất cho phép

Trang 8

Khi tính theo độ bền tĩnh:

σ lim = σ b đối với vật liệu giòn (gang)

- Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥ N 0 , σ lim = σ r

- Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N 0 , σ lim = σ rN = σ r K N

là hệ số tuổi thọ.

30

m 0 N

N

b Ứng suất thay đổi không ổn định (nhiều mức tải)











m i

N

1 σ

td , σ 1

Khi tính theo độ bền mỏi:

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

• Các yêu cầu chung đối với vật liệu là

Độ bền, độ cứng…

Yêu cầu về khối lượng, kích thước

Có tính công nghệ

Nguyên tắc chất lượng cục bộ

5.3 Vật liệu

• Vật liệu thường dùng là:

Kim loại đen: gang, thép (độ bền, độ cứng cao và tương đối rẻ).

Kim loại màu: đồng, kẽm, nhôm…(dạng hợp kim màu) có tính

giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền

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.

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

• Tuân thủ các tiêu chuẩn:

- 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…

5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

Trang 9

Những vấn đề chính trong chương 1

• 5 yêu cầu cơ bản

• 5 chỉ tiêu cơ bản

• Độ bền mỏi: cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng,

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

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những

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]

Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập

ρ

σ

2

n M H

q Z

=

2 1 2 2 1

) 1 ( ) 1 ( 2

E E

ZM

µ µ

=

q n - Cường độ tải trọng pháp tuyến

E - Mô đun đàn hồi của vật liệu

µ - Hệ số Poát-xông

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

35

3 2

2 388 , 0

ρ

H = (Vật liệu là thép)

F n : Tải trọng pháp tuyến

Khi

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

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

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy Giả thiết: áp suất phân bố đều trên bề mặt chịu lực

Định dạng
Số trang	9
Dung lượng	591,32 KB