Bài giảng Chi tiết máy (Machine Design) - Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế Chi tiết máy - Nguyễn Xuân Hạ

Chương 1 Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 2 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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 3 1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM  Hiệu quả sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao năng lượng, chi phí vận hành  Khả năng làm việc: Độ bền, độ cứng,  Độ tin cậy cao: Xác suất làm việc không hỏng hóc trong thời gian quy định.  An toàn trong sử dụng: Con người, công trình  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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 4 2. Tải trọng và ứng suất 2.1 Tải trọng  Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá trình làm việc  Phân loại:  Tải trọng tĩnh: không đổi theo thời gian  Tải trọng thay đổi  Phương  Chiều  Độ lớn  Điểm đặt  Tải trọng va đập: đột nhiên tăng mạnh rồi giảm ngay Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 5 2. Tải trọng và ứng suất 2.1 Tải trọng  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)  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 𝐾𝑁 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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 6 2. Tải trọng và ứng suất 2.1 Tải trọng  Tải trọng tính toán (𝑄𝑡): 𝑄𝑡 = 𝑄𝑡đ𝐾𝑡 𝐾𝑡 = 𝐾𝑡𝑡𝐾đ𝐾đ𝑘 > 1 𝐾𝑡𝑡 : hệ số xét đến sự phân bố không đều tải trọng trên bề mặt tiếp xúc 𝐾đ: hệ số tải trọng động 𝐾đ𝑘: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 7 2. Tải trọng và ứng suất 2.2. Ứng suất  Các loại ứng suất :  Ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất uốn, ứng suất xoắn  Ứng suất tiếp xúc, ứng suất dập Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 8 2. Tải trọng và ứng suất 2.2. Ứng suất  Nếu theo thời gian mà phân loại  Ứng suất tĩnh  Ứng suất thay đổi  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  Chu trình đối xứng 𝑟 = −1  Chu trình mạch động 𝑟 = 0 𝜎𝑚 = 𝜎max + 𝜎min 2 𝜎𝑎 = 𝜎max − 𝜎min 2 𝑟 = 𝜎min 𝜎max Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 9 Phá hủy mỏi:  Ứng suất thay đổi theo chu kỳ  Sau một số lớn chu trình Ư/S, CTM bị phá hủy  Sự phá hủy xảy ra đột ngột, không có co tiết diện.  Ư/S<< 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. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.1. Đặc điểm của phá hủy do mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 10 Vết nứt tế vi trên bề mặt Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do ư/s tĩnh Vết nứt phát triển Tải trọng thay đổi theo chu kỳ CTM yếu đi Phá hủy khi vết quá lớn 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.2. Cơ chế phá hủy mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 11 N  i r Ni N0 Thép Kim loại màu 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.3. Đường cong mỏi 𝜎𝑚. 𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡  𝑚: bậc của đường cong mỏi (thép: m=6)  𝜎: biên độ ứng suất hoặc 𝜎𝑚𝑎𝑥  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 ÷ 107)  Đối với kim loại màu: Không tồn tại giới hạn mỏi dài hạn. Quy ước 𝑁0 = 10 8 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 12 Chú ý: đường cong mỏi Vê-le (Wohler) ứng với:  Vật liệu là thép  Ứng suất thay đổi đối xứng 𝑟 = −1  𝑟 = -1 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.3. Đường cong mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 13  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. 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 14 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Hệ số tập trung ứng suất thực tế 𝑟, 𝑟 là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất 𝑟𝑐, 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 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 𝛼𝜎 = 𝜎max 𝜎𝑑𝑛 𝛼𝜏 = 𝜏max 𝜏𝑑𝑛 𝑘𝜎 = 𝜎𝑟 𝜎𝑟𝑐 𝑘𝜏 = 𝜏𝑟 𝜏𝑟𝑐 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 15  Không đồng đều về cơ tính  Nhiều khuyết tật 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 ảnh hưởng trục chịu xoắn Kích thước càng lớn giới hạn mỏi giảm 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 𝜀𝜎 = 𝜎𝑟𝑑 𝜎𝑟𝑑0 𝜀𝜏 = 𝜏𝑟𝑑 𝜏𝑟𝑑0 𝜀𝜎 = 𝑑 𝑑0 −0,1 𝜀𝜏 = 𝑑 𝑑0 −0,20 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 16 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 17  > 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh bóng ).  < 1 : tiện, phay + không gia công tăng bền. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt 𝛽 = giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt giống chi tiết giới hạn mỏi của mẫu thí nghiệmmỏi Hệ số trạng thái bề mặt  Chất lượng bề mặt tốt -> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi -> giới hạn bền mỏi tăng 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 18 Chi tiết máy Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình   (xem chương “Trục”) Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 19 Giới hạn mỏi của chi tiết được tính theo giới hạn mỏi của mẫu như sau: 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 𝜎𝑟𝑐 = 𝜎𝑟 𝜀𝜎𝛽 𝑘𝜎 𝜏𝑟𝑐 = 𝜏𝑟 𝜀𝜏𝛽 𝑘𝜏 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 20 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.5. 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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 21 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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 22 4. Các chỉ tiêu 4.1. Độ bền  Là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM  Độ bền thể tích  Độ bền bề mặt  Độ bền tĩnh  Độ bền mỏi  Phương pháp tính    []    []  𝐻  [𝐻],𝑑  [𝑑]  𝑆 >= [𝑆] (mỏi, xem phần trục) 𝑆 là hệ số an toàn; lim là giới hạn phá hủy của vật liệu chi tiết máy𝜏 = 𝜏𝑙𝑖𝑚 𝑠 ; 𝜎 = 𝜎𝑙𝑖𝑚 𝑠 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 23  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  Phương pháp tính toán:  Độ võng: 𝑦 ≤ [𝑦]  Độ dãn dài: 𝑙  [𝑙]  Góc xoắn:   []  Góc xoay:   [] 4. Các chỉ tiêu 4.2. Độ cứng Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 24  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)  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) 4. Các chỉ tiêu 4.3. Độ bền mòn Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 25  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] 4. Các chỉ tiêu 4.4. Khả năng chịu nhiệt Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 26 4. Các chỉ tiêu 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  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  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) Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 27 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Xác định ứng suất cho phép Vật liệu Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 28 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 5. Những vấn đề chung 5.1. Đặc điểm tính toán Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 29 lim, τ𝑙𝑖𝑚ứng 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 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 vật liệu (1,5-2,5). 𝑠3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của chi tiết (1-1,5) lim[ ] s    lim[ ] s    5. Những vấn đề chung 5.2. Xác định ứng suất cho phép Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 30 Khi tính theo độ bền tĩnh: lim = 𝑏 đối với vật liệu giòn (gang) lim = 𝑐ℎ đối với vật liệu dẻo (thép) 5. Những vấn đề chung 5.2. Xác định ứng suất cho phép Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 31 a. Ứng suất thay đổi ổn định (1 mức tải)  Chi tiết máy làm việc lâu dài 𝑁 > 𝑁0,lim = 𝑟  Chi tiết máy làm việc ngắn hạn 𝑁 < 𝑁0,lim = 𝑟𝑁 = 𝑟𝐾𝑁 𝐾𝑁 = 𝑚 𝑁0 𝑁 là hệ số tuổi thọ. b. Ứng suất thay đổi không ổn định (nhiều mức tải) 𝑁𝑖,𝑖 1 m i tđ iN N           𝑁𝑡đ ,1 không ổn định ổn định Khi tính theo độ bền mỏi: lim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất. 5. Những vấn đề chung 5.2. Xác định ứng suất cho phép Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 32  Ứng suất giới hạn Khi tính theo độ bền mỏi lấy hụ thuộc số chu trình thay đổi ứng suất N hoặc tương đương Ne (khi ứ.suất nhiều mức): Ne = Σ(ϭi/ϭ1) m.ni ϭgh= ϭr.(N0/Ne) 1/m = ϭr.KN khi Ne  N0 ϭgh = ϭr khi Ne > N0 N0 – số chu trình cơ sở; m – bậc đường cong mỏi; ϭr – giới hạn mỏi dài hạn khi ứng suất thay đổi với hệ số tính chất chu trình r; ni – số chu trình với ứng suất ϭi; Ne – số chu trình tương đương quy về ϭ1 Tính ứng suất giới hạn Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 33  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  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 5. Những vấn đề chung 5.3. Vật liệu Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 34  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  5. Những vấn đề chung 5.4. Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 35 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 Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 36 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   2 n MH q Z  222121 21 )1()1( 2 EE EE ZM    qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến E - Mô đun đàn hồi của vật liệu  - Hệ số Poát-xông Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 37 Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - phẳng) 3 2 2 388,0   EFn H  (Vật liệu là thép) Fn: Tải trọng pháp tuyến Khi Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần đúng Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế CTM 38 Ứng suất dập: khi diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1] Giả thiết: áp suất phân bố đều trên bề mặt chịu lực