Bài giảng Chi tiết máy - Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy - Phạm Minh Hải

29/08/2016 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT Nội dung thietkemay.edu.vn BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY ( ME3090 ) 1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM Những vấn đề cơ bản về thiết kế 2. Tải trọng và ứng suất chi tiết máy 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM TS. Phạm Minh Hải sites.google.com/site/tsphamminhhaibkhn 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 2 2. Tải trọng 1 Yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM
Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá a. Hiệu quả sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao trình làm việc năng lượng, chi phí vận hành.
Phân loại: b. Khả năng làm việc: độ bền, độ cứng,  Tải trọng tĩnh : không đổi theo thời gian c. Độ tin cậy cao: xác suất làm việc không hỏng hóc  Tải trọng động : thay đổi theo thời gian trong thời gian quy định . - phương d. An toàn trong sử dụng: con người, công trình - chiều e. Tính công nghệ và kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật - độ lớn liệu, cấp chính xác, số lượng chi tiết máy, khối - điểm đặt lượng và kích thước * Tải trọng va đập TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 3 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 4 1 29/08/2016 2. Tải trọng và ứng suất Q 2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng (máy và CTM) Q1 2.1. Tải trọng Qtđ Tải trọng danh nghĩa Q : Tải trọng tính toán Qt : dn Q 2 Q3 tải trọng lớn nhất / tải trọng Qt = Qtđ Kt tác động lâu dài nhất Kt = Ktt KđKđk >1 t1 t2 t3 Ktt : hệ số xét đến sự thiếu chính xác khi xác định tải t Tải trọng tương đương Qtđ : tđ trọng (phân bố không đều) Qtđ = Qdn .K N KN hệ số phụ thuộc vào Kđ: hệ số tải trọng động ( êm, va đập nhẹ, ) - Chế độ thay đổi tải trọng Kđk : hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc - Tương quan giữa Qdn và các chế độ tải trọng còn lại - Chỉ tiêu xét tương đương (độ bền / tuổi thọ) TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 5 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 6 2. Tải trọng và ứng suất b. Phân loại theo tính chất: 2.2. Ứng suất + Ứng suất tĩnh a. Phân loại theo dạng phá hủy : + Ứng suất thay đổi Các đặc trưng của ứng suất
kéo , nén , uốn , xoắn (phá hủy thể tích) thay đổi (tuần hoàn) σ − σ σ = max min  Chu trình ứng suất a 2  Chu kỳ ứng suất σmax + σmin σm =
tiếp xúc , dập (phá hủy bề mặt)  Biên độ ứng suất 2 σ  Ứng suất trung bình r = min σmax  Hệ số tính chất chu trình r -Chu trình đối xứng r = -1 -Chu trình mạch động r = 0 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 7 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 8 2 29/08/2016 3.2 Cơ chế của phá hủy mỏi 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy Tải trọng thay đổi theo chu kỳ 3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi Vết nứt CTM Phá hủy Phá hủy tĩnh Phá hủy mỏi: Vết nứt tế vi trên phát yếu đi khi vết  Ứng suất tĩnh  Ứng suất thay đổi theo chu kỳ bề mặt triển quá lớn  Xảy ra tức thì  Sau một số chu trình US,  Có co tiết diện tại vết gãy (vật CTM bị phá hủy liệu dẻo)  Sự phá hủy xảy ra đột ngột,  US > giới hạn bền của vật liệu. không có co tiết diện.  US<< giới hạn bền của vật liệu. Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do us tĩnh ạ ả ữ ấ đề ơ ả ề ế ế ế 9 TS Ph m Minh H i ME3090 C1. Nh ng v n c b n v thi t k chi ti t máy TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 10 3.3 Đường cong mỏi Vê-le (Wohler ) 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy Thí nghiệm mỏi σm.N = hằng số σ  Vật liệu: thép, gang, đồng Đường kính d = 7 10 mm m : bậc của đường cong mỏi (thép: m=6) Thép  0 ÷  Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt Kim loại màu  Không có tập trung ứng suất. σi  Chu trình ứng suất là đối xứng. biên độ ứng suất • Thép:  σr : giới hạn mỏi dài hạn σr  N0: số chu kỳ ứng suất cơ sở 6 7 ( thường N0 = 10 ÷ 10 ) Ni N0 N Số chu trình ứng suất • Kim loại màu : khi CTM bị hỏng do mỏi Không tồn tại giới hạn mỏi dài hạn  Thực tế: hình dạng, kích thước, chất lượng bề mặt, tính chất chu trình ứng suất, - Quy ước N = 10 8 trong các tính toán  0 > ảnh hưởng đến giới hạn bền mỏi của chi tiết . TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 11 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 12 3 29/08/2016 3.4.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu σ max τ max Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ασ = ατ = σ dn τ dn Hệ số tập trung ứng suất thực tế σr τr kσ = kτ = σrc τrc Kết cấu CTM càng phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 13 14 vấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 3.4.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối do: đường kính mẫu thí nghiệm d: đường kính của chi tiết máy Hệ số a/h của kích thước tuyệt đối Ví dụ: trục chịu uốn trục chịu xoắn • Không đồng đều về cơ tính Kích thước càng lớn • Nhiều khuyết giới hạn mỏi giảm tật TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 15 16 vấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 4 29/08/2016 3.4.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt 3.4.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất Hệ số trạng thái bề mặt β giớihạnmỏicủamẫucóbềmặtgiốngchitiết Mẫu thí nghiệm Chi tiết máy = giớihạnmỏicủamẫuthínghiệmmỏi Hệ số ảnh hưởng của β > 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh ứng suất trung bình bóng ). ψσ ψτ (xem chương β < 1 : tiện, phay + không gia công tăng bền. “Trục”) Chất lượng bề mặt tốt ε β ε β -> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi σ = σ σ +ψ σ τ =τ τ +ψ τ rc r σ m rc r k τ m -> giới hạn bền mỏi tăng kσ τ TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 17 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 18 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 3.5 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi • Sử dụng vật liệu phù hợp 5 chỉ tiêu chủ yếu: • Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọngthay đổi theo chu kỳ (tăng tính đàn hồi của kết cấu, giảm rung động) Độ bền • Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất (nhiều) • Công nghệ : Mài, đánh bóng, gia công tăng bền bề mặt Độ cứng Độ bền mòn Khả năng chịu nhiệt Độ ổn định dao động TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 19 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 20 5 29/08/2016 4.1 Độ bền 4.2 Độ cứng là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM là khả năng chống biến dạng của CTM khi chịu Độ bền thể tích tác động của tải trọng ngoài Độ bền bề mặt Độ bền tĩnh Độ bền mỏi Độ cứng thể tích : liên quan đến biến dạng thể tích Phương pháp tính: Độ cứng tiếp xúc : liên quan đến biến dạng các lớp bề mặt σ ≤ [σ] τ ≤ [τ] Phương pháp tính toán : σH ≤ [σH], σd ≤ [σd] Độ võng: y ≤ [y] S>=[S] (m ỏi, xem ph ần tr ục) Độ dãn dài: ∆l ≤ [∆l] Góc xoắn: ϕ ≤ [ϕ] Góc xoay: θ ≤ [θ] S là hệ số an toàn; σlim là giới hạn phá hủy của vật liệu chi tiết máy TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 21 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 22 4.3 Độ bền mòn 4.4 Khả năng chịu nhiệt Mòn là hiện tượng giảm dần kích thước và thay đổi hình dáng Trong quá trình làm việc + do ma sát trong các cơ cấu, nhiệt độ do ma sát gây ra. của máy và chi tiết máy tăng lên. Điều kiện để gây ra mòn là Ảnh hưởng của nhiệt độ: - Có áp suất bề mặt tiếp xúc ( hai chi tiết tiếp xúc nhau ) - Giảm khả năng làm việc (thép >300, KLM >50 độ C) - Có chuyển động tương đối giữa hai chi tiết tiếp xúc ( có vận tốc - Biến dạng nhiệt gây cong vênh trượt) - Giảm độ nhớt dầu Phương pháp tính toán để hạn chế mòn: Phương pháp : a) p [p] hoặc p.v [pv] ≤ ≤ t ≤ [t] b) Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát) TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 23 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 24 6 29/08/2016 4.5 Độ ổn định dao động 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép. Nguyên nhân của dao động: Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM - Độ cứng của máy khôngđảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn. - Sự mất cân bằng các chi tiết quay. Xác định ứng suất cho phép Hậu quả của dao động: - Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ. Vật liệu - Giảm khả năng làm việc của máy. Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa - 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) TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 25 26 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.2 Xác định ứng suất cho phép 5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM σ τ TÍNH THIẾT KẾ [σ ] = lim [τ ] = lim điều kiện làm việc, tải trọng s s ứng suất giới hạn của vật liệu Chọn vật liệu σlim Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán Công thức thiết kế Hệ số an toàn xác định theo công thức 1 kích thước chính s = s 1.s 2.s 3 các kích thước còn lại s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ chính xác trong (tiêu chuẩn, yêu cầu về công nghệ, lắp ghép) 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 Các chỉ tiêu về khả không thỏa mãn vật liệu (1,5-2,5). năng làm việc s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của thỏa mãn TÍNH KIỂM NGHIỆM chi tiết (1-1,5) Kết thúc tính toán 27 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 28 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 7 29/08/2016 Khi tính theo độ bền tĩnh : Khi tính theo độ bền mỏi : σlim = σb đối với vật liệu giòn (gang) σlim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất. = đối với vật liệu dẻo (thép) σlim σch a. Ứng suất thay đổi ổn định (1 mức tải) - Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥ N0, σlim = σr - Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N 0, σlim = σrN = σrKN N K = m 0 là hệ số tuổi thọ. N N b. Ứng suất thay đổi không ổn định (nhiều mức tải) m  σ   i  N , σ Ni, σi Ntđ = ∑  Ni td 1  σ 1  ổn định không ổn định TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững 29 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 30 vấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 5.3 Vật liệu 5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa • Các yêu cầu chung đối với vật liệu là  Độ bền, độ cứng  Yêu cầu về khối lượng, kích thước • Tuân thủ các tiêu chuẩn:  Có tính công nghệ - Hình dạng  Nguyên tắc chất lượng cục bộ - Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm) • Vật liệu thường dùng là:  Kim loại đen : gang, thép (độ bền, độ cứng cao và tương đối rẻ). - Yêu cầu kỹ thuật  Kim loại màu: đồng, kẽm, nhôm(dạng hợp kim màu) có tính - Các yếu tố cấu tạo (mô đun răng, bước ren) giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền  Kim loại gốm: nung + ép bột kim loại với các chất phụ gia; khó - Cấp chính xác 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 - V.v TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 31 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 32 8 29/08/2016 Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập Những vấn đề chính trong chương 1 Ứng suất tiếp xúc : khi diện tích tiếp xúc rất nhỏ Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) • 5 yêu cầu cơ bản US tiếp xúc được tính theo CT Héc [TLTK 1] • 5 chỉ tiêu cơ bản • Độ bền mỏi: cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng, qn 2E E σ = Z Z = 1 2 đường cong mỏi H M M 2 2 2ρ π []1( − µ1 )E1 + 1( − µ2 )E2 • Tải trọng: tĩnh, động qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến • 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 E - Mô đun đàn hồi của vật liệu µ - Hệ số Poát-xông TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững 33 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 34 vấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần đúng Ứng suất dập : khi diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1] Khi Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - phẳng) 2 Fn E σ = ,0 388 3 (Vật liệu là thép) H ρ 2 Fn: Tải trọng pháp tuyến Giả thiết: áp suất phân bố đều trên bề mặt chịu lực TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 35 TS Ph ạm Minh H ải ME3090 C1. Nh ững v ấn đề c ơ b ản v ề thi ết k ế chi ti ết máy 36 9