Bài giảng học phần chi tiết máy - Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

11/09/2015 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 2TS 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 3TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá trình làm việc 4TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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) 5TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 2. Tải trọng và ứng suất 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 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 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 6TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng 11/09/2015 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 7TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 2. Tải trọng và ứng suất 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 minmax m σ+σ =σ 2 minmax a σ−σ =σ max minr σ σ = -Chu trình đối xứng r = -1 -Chu trình mạch động r = 0 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 3. Độ bền mỏi của chi tiết máy 3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi 9TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. 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.  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 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 ÷ 107) 11 N σ σi σr Ni N0 Thép Kim loại màu TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy • 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 12TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 11/09/2015 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. 13TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 14 dnσ σ ασ max = dnτ τ ατ max = 3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Hệ số tập trung ứng suất thực tế rc rk σ σ =σ rc rk τ τ =τ σr,τr là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất. σrc,τrc 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 15TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 Kích thước càng lớn giới hạn mỏi giảm 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. 17TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 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 ψσ ψτ (xem chương “Trục”) 18TS 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 Mẫu thí nghiệm Chi tiết máy 11/09/2015 4 Giới hạn mỏi của chi tiết được tính theo giới hạn mỏi của mẫu như sau: 19 σ σ βεσσ krrc = τ τ βεττ krrc = TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 20TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM Độ bền thể tích Độ bền bề mặt Độ bền tĩnh Độ bền mỏi 21TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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; σlim 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 22TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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) 23TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 24TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 4.4 Khả năng chịu nhiệt Phương pháp: t ≤ [t] 11/09/2015 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. 25TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Xác định ứng suất cho phép Vật liệu Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa 27 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 σlim 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 = 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) 28 s lim][ σσ = s lim][ ττ = 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 = σb đối với vật liệu giòn (gang) σlim = σch đối với vật liệu dẻo (thép) a. Ứng suất thay đổi ổn định - 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 0N N NK = TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy b. Ứng suất thay đổi không ổn định Ni, σi ∑       = i m i tđ NN 1σ σ Ntd, σ1 không ổn định ổn định Khi tính theo độ bền mỏi: σlim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất. 11/09/2015 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 31TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 32TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 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 vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 33 34 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] TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập ρ σ 2 n MH qZ= [ ]222121 21 )1()1( 2 EE EEZM µµpi −+− = 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) 35 3 2 2 388,0 ρ σ EFn H = (Vật liệu là thép) Fn: Tải trọng pháp tuyến Khi Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần đúng TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 36 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