Giáo trình chế tạo máy - Cơ sở tính toán thiết kế chi tiết máy

PHAÀN I CÔ SÔÛ THIEÁT KEÁ MAÙY CHÖÔNG 1 CÔ SÔÛ TÍNH TOAÙN THIEÁT KEÁ CHI TIEÁT MAÙY 1.TAÛI TROÏNG VAØ ÖÙNG SUAÁT 1.1. Taûi Troïng Taûi troïng (löïc, moment) do chi tieát maùy hay boä phaän maùy tieáp nhaän trong quaù trình söû duïng maùy, goïi laø taûi troïng laøm vieäc. Theo ñaëc tính thay ñoåi theo thôøi gian, ta coù: Taûi troïng tónh: laø taûi troïng khoâng thay ñoåi theo thôøi gian, hoaëc thay ñoåi khoâng ñaùng keå, ví duï baûng thaân troïng löôïng cuûa chi tieát maùy. Taûi troïng thay ñoåi: laø taûi troïng coù cöôøng ñoä, phöông hoaëc chieàu thay ñoåi theo thôøi gian. Söï thay ñoåi naøy coù theå dieãn ra daàn daàn hay ñoät ngoät. Taûi troïng ñoät nhieân taêng maïnh roài giaûm ngay trong khoaûnh khaéc goïi laø taûi troïng va ñaäp. Trong quaù trình laøm vieäc, chi tieát maùy thöôøng chòu taûi troïng thay ñoåi vaø ñaëc tính thay ñoåi cuûa taûi troïng phuï thuoäc vaøo yeáu toá thöôøng xuyeân hay ngaãu nhieân. Khi tính toaùn chi tieát maùy coøn phaân bieät taûi troïng danh nghóa, taûi troïng töông ñöông vaø taûi troïng tính toaùn. Taûi troïng danh nghóa: laø taûi troïng ñöôïc choïn trong soá caùc taûi troïng taùc duïng leân maùy trong cheá ñoä laøm vieäc oån ñònh, thöôøng laø taûi troïng lôùn hoaëc laø taùc duïng laâu daøi nhaát. Taûi troïng töông ñöông: laø taûi troïng thay theá taùc duïng cuûa nhieàu möùc taûi troïng trong tröôøng hôïp maùy laøm vieäc vôùi cheá ñoä taûi troïng nhieàu möùc. Taûi troïng tính toaùn: laø taûi troïng danh nghóa hoaëc taûi troïng töông ñöông coù keå theâm aûnh höôûng cuûa ñaëc tính phaân boá khoâng ñoàng ñeàu taûi troïng treân caùc beà maët tieáp xuùc, tính chaát taûi troïng, ñieàu kieän laøm vieäc thöïc teá. 1.2. Ứng suaát Döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng, trong chi tieát maùy xuaát hieän öùng suaát khoâng ñoåi vaø öùng suaát thay ñoåi. ÖÙng suaát khoâng ñoåi ít gaëp trong maùy: Vôùi caùc chi tieát maùy chòu taûi troïng lôùn ( troïng löôïng vaät trong maùy naâng chuyeån, bu loâng ñöôïc vaën chaët vôùi löïc xieát lôùn …) coù theå xem trong caùc tröôøng hôïp naøy laø öùng suaát khoâng ñoåi. ÖÙng suaát thay ñoåi: coù trò soá, chieàu hoaëc caû trò soá vaø chieàu thay ñoåi theo thôøi gian. Öùng saát thay ñoåi ñöôïc ñaëc tröng baèng chu trình thay ñoåi öùng suaát: moät voøng thay ñoåi öùng suaát qua giaù trò giôùi haïn naøy sang giaù trò giôùi haïn khaùc roài trôû veà giaù trò ban ñaàu ñöôïc goïi laø moät chu trình öùng suaát. Thôøi gian thöïc hieän moät chu trình öùng suaát goïi laø moät chu kyø öùng suaát . Chu trình öùng suaát ñöôïc ñaëc tröng baèng: Biên độ ứng suất: Ứng suất trung bình: Tỉ số ứng suất: Tuỳ theo giá trị của r, ta có các dạng ứng suất khác nhau: r = -1: chu kỳ đối xứng r = 0: chu kỳ mạch động r >0: chu kỳ ứng suất không đối xứng cùng dấu r<0: chu kỳ ứng suất không đối xứng khác dấu r = 1: ứng suất không đối Chuù yù: maùy coù theå laøm vieäc oån ñònh ( cheá ñoä bình oån) hoaëc khoâng oån ñònh ( cheá ñoä khoâng bình oån ): Trong cheá ñoä bình oån: bieân ñoä vaø öùng suaát trung bình khoâng thay ñoåi theo thôøi gian. Trong cheá ñoä khoâng bình oån: trò soá, bieân ñoä öùng suaát vaø öùng suaát trung bình hoaëc moät trong hai ñaïi löôïng naøy thay ñoåi theo thôøi gian. Ngoaøi caùc ñaëc tính thay ñoåi öùng suaát treân ñaây, trong tính toaùn caàn phaân bieät caùc loaïi öùng suaát tuøy theo ñieàu kieän cuï theå, taûi troïng taùc duïng leân chi tieát maùy coù theå gaây ra caùc loaïi öùng suaát: ÖÙng suaát phaùp (keùo, neùn, uoán), öùng suaát tieáp (caét, xoaén) xuaát hieän treân töøng chi tieát. ÖÙng suaát daäp vaø öùng suaát tieáp xuùc: xuaát hieän khi caùc chi tieát maùy tröïc tieáp tieáp xuùc vôùi nhau vaø coù taùc duïng töông hoå vôùi nhau. Tröôøng hôïp hai chi tieát maùy tieáp xuùc vôùi nhau theo dieän roäng ( thaân vaø loã ñinh taùn, choát vaø oáng xích con laên) döùôi taùc duïng cuûa löïc F sinh ra öùng suaát daäp бd hoaëc aùp suaát P0 ( hình 1.2). Töø ñieàu kieän coi aùp suaát phaân boá ñeàu treân beà maët tieáp xuùc. d: ñöôøng kính choát hay ngoãng truïc. l : chieàu daøi oáng hoaëc loùt oå. Trong tröôøng hôïp hai chi tieát tieáp xuùc vôùi nhau theo dieän tích nhoû so vôùi kích tröôùc caùc chi tieát ( eùp hai hình truï vôùi nhau, hình caàu vôùi nhau hoaëc hình caàu vôùi maët phaúng…) Hai hình truï coù truïc song song tieáp xuùc vôùi nhau: tröôùc khi chòu taûi troïng rieâng qH, hai hình truï tieáp xuùc vôùi nhau theo ñöôøng khi chòu taûi, tieáp xuùc ñöôøng trôû thaønh tieáp xuùc nhau theo dieän heïp. Treân dieän tích tieáp xuùc ñoù ( vôùi chieàu roäng 2b doïc theo ñöôøng sinh) öùng suaát phaân boá theo hình Parapoân. Theo lyù thuyeát ñaøn hoài trò soá lôùn nhaát cuûa öùng suaát tieáp xuùc бH xaùc ñònh theo coâng thöùc Hec (Hertz). ZM : haèng soá ñaøn hoài cuûa vaät lieäu caùc vaät theå tieáp xuùc. Ρ : baùn kính cong töông ñöông. E1, E2 : moâñun ñaøn hoài cuûa vaät lieäu hình truï 1 vaø 2. μ1, μ2 : heä soá Poatxoâng cuûa vaät lieäu hình truï 1 vaø 2. ρ1, ρ2 : baùn kính cong taïi ñieåm tieáp xuùc, ôû ñaây laø baùn kính hình truï 1 vaø 2. Daáu + : khi hai taâm cong ôû veà hai phíaso vôùi ñieåm tieáp xuùc. Daáu - : khi hai taâm cong ôû veà cuøng phía. Vôùi vaät lieäu kim loaïi (theùp,gang, ñoàng thanh) heä soá Poatxoâng μ = 0,25 ÷0,35, trung bình laáy μ = 0,3 töø ñoù ta coù coâng thöùc: Vôùi E =2 E1 E2 / E1 +E2 moâñun ñaøn hoài töông ñöông. 1.3. CHÆ TIEÂU CHUÛ YEÁU VEÀ KHAÛ NAÊNG LAØM VIEÄC CUÛA CHI TIEÁT MAÙY. 1.3.1. Ñoä beàn Laø khaû naêng tieáp nhaän taûi troïng cuûa chi tieát maùy maø khoâng bò phaù hoûng. laø chæ tieâu quan troïng nhaát ñoái vôùi phaàn lôùn chi tieát maùy: neáu chi tieát maùy khoâng ñuû beàn thì beân trong xuaát hieän bieán daïng dö ñuû lôùn laøm thay ñoåi hình daïng chi tieát maùy, phaù hoaïi ñieàu kieän laøm vieäc bình thöôøng cuûa maùy, coù theå phaù hoûng ngay baûn thaân cuûa chi tieát maùy: gaõy, vôõ hoaëc hö haïi beà maët laøm vieäc. Coù hai daïng phaù hoûng: + Phaù hoûng tónh: do öùng suaát laøm vieäc vöôït quaù giôùi haïn beàn tónh cuûa vaät lieäu, thöôøng do quaù taûi ñoät ngoät gaây neân. + Phaù hoûng moûi: do taùc duïng laâu daøi cuûa öùng suaát thay ñoåi coù giaù trò vöôït qua giôùi haïn beàn moûi cuûa vaät lieäu. Nghieân cöùu ñoä beàn thöôøng gaén vôùi thôøi haïn phuïc vuï hay tuoåi thoï cuûa chi tieát maùy. Phöông phaùp tính thoâng duïng veà ñoä beàn laø so saùnh öùng suaát tính toaùn vôùi öùng suaát cho pheùp. Ñieàu kieän beàn coù daïng б ≤ [б] τ ≤ [τ ] Xuaát phaùt töø ñieàu kieän ñaûm baûo heä soá an toaøn lôùn hôn heä soá an toaøn cho pheùp s ≥ [s] 1.3.2. Ñoä cöùng 1.3.2.1. Khái niệm: Độ cứng là khả năng chống lại sự thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết máy dưới tác dụng của tải trọng. Theo tính cất của tải trọng, ta có độ cứng tĩnh hay động. Ngoài ra, người ta có độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc 1.3.2.2. Tình toán độ cứng a. Độ cứng thể tích Điều kiện : chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc không vượt quá giá trị cho phép. + Chi tiết máy chịu tải trọng dọc trục: Fa - lực kéo dọc trục l - chiều dài chi tiết A - diện tích tiết diện E – modun đàn hồi + Chi tiết chịu tác dụng của moment uốn: + Chi tiết chịu moment xoắn: G – modun đàn hồi trượt l - chiều dài tính J0 – moment quán tính độc cực j - góc xoắn tính toán b. Độ cứng tiếp xúc + Độ cứng tiếp xúc biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tiếp xúc + Độ cứng tiếp xúc j được xác định theo công thức: với : Fn - lực nén y - đại lượng biến dạng do tiếp xúc * Con lăn tiếp xúc với mặt phẳng: được xác định theo công thức Belaev: d - đường kính con lăn + Trường hợp bề mặt nhấp nhô tiếp xúc nhau, khi chịu tải trọng thì các nhấp nhô bị biến dạng. Khi đó, độ cứng tiếp xúc được tính theo công thức Votinov: p0 – áp suất riêng tại chổ tiếp xúc A - diện tích tiếp xúc y - biến dạng tiếp xúc Khi p0 = 0,1..0,5 chỉ số m và hệ số K như sau: K = 0,5..0,65; m = 0,5 khi cạo thô bề mặt K = 0,25..0,3; m = 0,5 khi cạo thường K = 0,15..0,2; m = 0,4..0,5 khi bào và mài tinh 1.3.2.3. Phương pháp nâng cao độ cứng Độ cứng là một chỉ tiêu quan trọng trong quá trình thiết kế. Người thiết kế phải tính toán, chọn vật liệu, chọn hình dáng chi tiết (kết cấu) sao cho máy vàn chi tiết máy có độ cứng cao nhưng vẫn đảm bao tiết kiệm vật liệu và có tính công nghệ. Một số phương pháp nâng cao độ cứng như sau: - Dùng vật liệu hợp lý: có modun đàn hồi cao - Chọn hình dáng tiết diện ngang hợp lý: độ cứng tỉ lệ thuận với J, W0. Trong kết cấu có thể tạo gân sườn tăng độ cứng vững - Chọn kết cầu chịu tải trọng hợp lý: + Chịu tải trọng đối xứng: tránh chuyển vị đàn hồi theo phương tải trọng + Chọn kết cấu chịu kết nén vì khả năng này cao hơn uốn xoắn. 1.3.3 Độ chịu mòn a/ Khái niệm Sự mài mòn là sự thay đổi về hình dáng, kích thước, trạng thái bề mặt do tàn phá lớp bề mặt khi chịu tác hại của sự cọ sát. + Đồ thị biểu thị lượng mòn theo thời gian Giai đoạn (I) là giai mài rà, khi đó bề mặt chi tiết có độ nhấp nhô cao do gia công. Cho nên trong giai đoạn này các nhấp nhô trên bề mặt bị san phẳng, vì vậy hiện tượng mòi xảy ra ở mức độ lớn. Giai đoạn (II) là giai đoạn mòn ổn định. Giai đoạn (III) là giai đoạn phá hủy do thay đổi điều kiện mòn + Lượng mòn U: I - cường độ mòn s,v, - quảng đường, vận tốc + Cường độ mòn: Các hệ số: k - hệ số tỉ lệ p0 – áp suất bề mặt làm vịêc f - hệ số ma sát H- độ rắn vật liệu m,n,l – các chỉ số mũ Các hệ số này có thể tra trong tài liệu. Ngoài ra, trong một số bộ truyền như xích, bánh răng..lượng mòn còn phụ thuộc vào số lượng hạt mài q rơi vào bề mặt tiếp xúc. Công thức tính cường độ mòn có thể viết: + Các định luật về mài mòn dùng để áp dụng cho việc tính mòn cho các chi tiết máy. Các chi tiết máy bị mòn khi làm việc sẽ gây một số hậu quả sau: Làm việc không chính xác Giảm hiệu suất Giảm sức bền chi tiết máy Gây tiếng ốn do va dập giữa các bộ phận b.Biện pháp giảm mòn Hiện tượng mòn không hoặc ít xảy ra khi giũa hai bề mặt tiếp xúc tồn tại lớp dầu bội trơn. Nếu không tạo được lớp dầu bôi trơn thì phải khống chế áp suất trên bề mặt tiếp xúc nhỏ hơn giá trị cho phép. Chúng ta có các phương pháp giảm mòn sau: + Sử dụng vật liệu giảm ma sát: đồng thanh, gang chịu mài mòn + Giảm tải cho bề mặt chịu ma sát, phân bố tải trọng đều trên bề mặt tiếp xúc tránh tập trung + Bôi trơn và làm nguội tốt, giảm độ nhám bề mặt, tính toán hợp lý vận tốc trượt để hình thành lớp dầu bôi trơn trên bề mặt ma sát. + Hạn chế hạt mài rơi bề mặt ma sát bằng cách che chắn, hoặc trên bề mặt tạo những rãnh chứa hạt mài sinh ra trong quá trình làm việc. 1.3.4 Độ chịu nhiệt Trong quá trình làm việc, máy sẽ sinh nhiệt. Nguồn nhiệt sinh ra bao gồm sự ma sát giữa các chi tiết, động cơ nhiệt, máy gia công nóng ... Các nguồi nhiệt này sẽ gây một số tác hại trên thiết bị: + Giảm khả năng tải của chi tiết máy, làm thay đổi cơ tính của vật liệu. + Có thể phá vỡ lớp dầu bôi trơn hình thành giữa các bề mặt tiếp xúc gây mòn nhanh chi tiết. Thậm chí gây nên hiện tượng dính giữa hai chi tiết tiếp xúc. + Giảm độ chính xác của máy do biến dạng nhiệt. ® Do đó, trong một số chi tiết làm việc trượt nhiều như trục vít, ổ trượt thì khi thiết kế phải tính toán nhiệt để có biện pháp khắc phục khi nhiệt độ sinh ra lớn. ® Biện pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt của chi tiết máy là chọn vật liệu có khả năng chịu nhiệt và tăng cường biện pháp bôi trơn làm mát 1.3.5 Độ ổn định dao động + Khi chi tiết máy không đuợc cân bằng động, bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng làm việc với vận tốc cao thì sẽ gây nên những rung động trong máy, gây ra tiếng ồn và giảm chất lượng gia công. Đặc biệt, khi tần số dao động riêng trùng với tần số của máy thì xảy ra hiện tượng công hưởng với biên độ dao động cực đại có thể phá hỏng máy. + Khi tíh toán dao động thường không tính cho từng chi tiết riêng biệt mà tiến hành tính toán cho cả hệ. Kết luận: Năm chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chi tiết nói chung, khi thiết kế căn cứ vào tình hình làm việc cụ thể của máy và chi tiết máy, phân tích và tìm ra các dạng hỏng nguy hiểm nhất (chỉ tiêu quang trọng nhất), dựa trên cơ sở đó chọn vật liệu và kích thước chi tiết máy, những chỉ tiêu còn lại đồng thời sẽ được thỏa mãn hoặc thứ yếu. 1.4. Độ BỀN MỎI VÀ SỐ CHU KỲ LÀM VIỆC TƯƠNG ĐƯƠNG Hiện tượng phá hủy mỏi Phần lớn các chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi và trong thực tế các chi tiết máy này bị hỏng với ứng suất thấp hơn nhiều so với khi làm việc với ứng suất tĩnh. Quá trình hỏng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ trên chi tiết máy. Khi số chu kỳ làm việc tăng thì các vết nứt này cũng phát trển và cuối cùng là phá hủy chi tiết. Đó là phá hủy mỏi. Khả năng cản sự phá hủy mỏi của vật liệu gọi là sức bền mỏi Đường cong mỏi Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa s và số chu kỳ thay đổi ứng suất N gọi là đường cong mỏi. Phương trình đường cong mỏi biểu thị mối quan hệ giữa giới hạn mỏi s và N như sau: 1.4.2. Chu kỳ làm việc tương đương Chế độ ứng suất thay đồi với chu kỳ ổn định Số chu kỳ làm việc tương đương được xác định theo công thức: Lh - thời gian làm việc tính bằng giờ n - số vòng quay trong một phút Chế độ ứng suất thay đổi Để tính toán sức bền, ta chuyển chế độ làm việc của chi tiết về chế độ làm việc tương đương với ứng suất sL và số chu kỳ NLE Gọi Ni là số chu kỳ làm việc của chi tiết máy ứng với ứng suất si cho đến lúc hỏng. n1’, n2’, n3’ … - số chu kỳ ứng với ứng suất s1, s2, s3,.. Chúng ta có: Nhân tử và mẫu cho sim Mặt khác: Để chuyển chế độ làm việc không ổn định về chế độ ứng suất ổn định sL với tuổi thọ tương đương NLE ta có mối quan hệ: với Ti – moment xoắn ở chế độ thứ i Tmax = max(Ti) m’= m – khi tính độ bền uốn m’ = m/2 – khi tính độ bền tiếp xúc với tiếp xúc đường m’ = m/3 - khi tính độ bền tiếp xúc với tiếp xúc điểm Khi tải trọng thay đổi liên tục NS - tổng số chu kỳ làm việc Khi số chu kỳ = const: KE - hệ số chế độ tải trọng. Tra bảng 5.11[1] 1.4.3. Các phương pháp nâng cao độ bền mỏi Nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bao gồm: vật liệu và p2 nhiệt luyện, hình dáng và kích thước chi tiết, đặc tính tải trọng và ứng suất ...Các phương pháp nâng cao độ bền mỏi gồm: Phương pháp thiết kế: + Kết cấu và hình dáng chi tiết hợp lý + Giảm sự tập trung ứng suất Phương pháp công nghệ: + Dùng phương pháp gia công đặc biệt để tạo cấu trúc tinh thể vật liệu có hạt nhỏ mịn, tạo trên bề mặt ứng suất dư là nén. + Nhiệt, hoá luyện bề mặt + Dùng các phương pháp gia công đặc biệt: phun bi, lăn ép, lăn ép rung... tạo bề mặt cứng nguội (ứng suất dư nén)