Bài giảng Chi tiết máy: Chương 1 - TS. Phạm Minh Hải

= 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.[r]

Trang 1

Những vấn đề cơ bản về thiết kế

chi tiết máy

TS Phạm Minh Hải

hai.phamminh1@hust.edu.vn hai.phamminh.hust@gmail.com

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

Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

Tải trọng và ứng suất

Độ bền mỏi của chi tiết máy

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

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 Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

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 …

3

Tải trọng là lực, momen tác động lênCTMtrong quá trình làm việc

4

2 Tải trọng và ứng suất

2.1 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

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)

5

2.1 Tải trọng

Tải trọng tương đương (Qtđ):Khi có nhiều chế độ tải trọng

- Chọn 1 chế độ làm Qdn

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

Qtđ= Qdn.KN

K N hệ số (hệ số tuổi thọ) phụ thuộc vào

- Chế độ thay đổi tải trọng

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

Tải trọng tính toán (Qt) :

Qt = QtđKt

Kt= KttKđKđk… >1

trọng trên bề mặt tiếp xúc

Kđ: hệ số tải trọng động

Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

6

2.1 Tải trọng

Trang 2

a Các loại ứng suất :

ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất uốn, ứng

suất xoắn

ứng suất tiếp xúc, ứng suất dập

7

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

* Nếu theo thời gian mà phân loại:

+ 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

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 nứt phát triển

Tải trọng thay đổi theo chu kỳ

CTM yếu đi Phá hủy khi vết quá lớn

3.3 Đường cong mỏi

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

σr: giới hạn mỏi dài hạn

N0: số chu trình cơ sở (thép N0= 106÷

σ

σi

σr

Thép

Kim loại màu

• Đối với kim loại màu : Không ∃ giới hạn mỏi dài hạn

Quy ước N0= 108

Chú ý:

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

- Vật liệu là thép

- US thay đổi đối xứng r=-1

σr= σ-1

Trang 3

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Thí nghiệm mỏi

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

13

dn

σ

ασ= max

dn

τ

ατ= max

3.3.1 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

σr,τrlà g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất.

σ rc ,τ rc 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

• Không đồng đều về cơ tính

• Nhiều khuyết tật

15

3.3.2 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

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

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

3.3.3 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 mặtβ

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 ψσ ψτ (xem chương “Trục”)

18

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 3.3.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất

Trang 4

Giới hạn mỏi của chi tiết được tính theo giới hạn mỏi của

mẫu như sau:

19

σ

σβ ε σ σ

k

r

rc=

τ

τβ ε τ τ

k

r

rc=

3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi

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

tính đàn hồi của kết cấu)

• Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất

• 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

là khả năng chống lạisự phá hỏngcủa 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]

σH≤ [σH], σd≤ [σd]

S>=[S] (mỏi, xem phần trục)

S là hệ số an toàn; σ lim là 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:

p ≤ [p]

p.v≤ [pv]

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 5

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

- 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

Sai khác

Kết thúc tính toán thỏa mãn

không thỏa mãn

nhỏ

Lớn

TÍNH THIẾT KẾ

TÍNH KIỂM NGHIỆM

σlimứng 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 = s1.s2.s3

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

]

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 5.2 Xác định ứng suất cho phép

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

Khi tính theo độ bền tĩnh:

σlim= σbđối với vật liệu giòn (gang)

- 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

30

m 0 N

N

b Ứng suất thay đổi không ổn định







m i

N

1

σ

td, σ1

không ổn định ổn định

Khi tính theo độ bền mỏi:

σlimphụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất

Trang 6

• 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

31

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…

32

5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

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 ( 2

E E E

Z M

µ µ

π − + −

=

qn- 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)

3 2 2

388 , 0 ρ

H= (Vật liệu là thép)

Fn: 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]

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

Định dạng
Số trang	6
Dung lượng	426,92 KB