Chi tiết máy Chương I
PHẦN I
CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY
1.TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT
1.1. Tải Trọng
Tải trọng (lực, moment) do chi tiết máy hay bộ phận máy tiếp nhận
trong quá trình sử dụng máy, gọi là tải trọng làm việc.
Theo đặc tính thay đổi theo thời gian, ta có:
- Tải trọng tónh: là tải trọng không thay đổi theo thời gian, hoặc thay
đổi không đáng kể, ví dụ bảng thân trọng lượng của chi tiết máy.
- Tải trọng thay đổi: là tải trọng có cường độ, phương hoặc chiều thay
đổi theo thời gian. Sự thay đổi này có thể diễn ra dần dần hay đột
ngột. Tải trọng đột nhiên tăng mạnh rồi giảm ngay trong khoảnh
khắc gọi là tải trọng va đập.
Trong quá trình làm việc, chi tiết máy thường chòu tải trọng thay đổi
và đặc tính thay đổi của tải trọng phụ thuộc vào yếu tố thường xuyên
hay ngẫu nhiên.
Khi tính toán chi tiết máy còn phân biệt tải trọng danh nghóa, tải
trọng tương đương và tải trọng tính toán.
- Tải trọng danh nghóa: là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác
dụng lên máy trong chế độ làm việc ổn đònh, thường là tải trọng lớn
hoặc là tác dụng lâu dài nhất.
- Tải trọng tương đương: là tải trọng thay thế tác dụng của nhiều mức
tải trọng trong trường hợp máy làm việc với chế độ tải trọng nhiều
mức.
- Tải trọng tính toán: là tải trọng danh nghóa hoặc tải trọng tương
đương có kể thêm ảnh hưởng của đặc tính phân bố không đồng đều
tải trọng trên các bề mặt tiếp xúc, tính chất tải trọng, điều kiện làm
việc thực tế.
7
Chi tiết máy Chương I
1.2. Ứng suất
Dưới tác dụng của tải trọng, trong chi tiết máy xuất hiện ứng suất
không đổi và ứng suất thay đổi.
- Ứng suất không đổi ít gặp trong máy: Với các chi tiết máy chòu tải
trọng lớn ( trọng lượng vật trong máy nâng chuyển, bu lông được vặn
chặt với lực xiết lớn …) có thể xem trong các trường hợp này là ứng
suất không đổi.
- Ứng suất thay đổi: có trò số, chiều hoặc cả trò số và chiều thay đổi
theo thời gian.
- ng sất thay đổi được đặc trưng bằng chu trình thay đổi ứng suất:
một vòng thay đổi ứng suất qua giá trò giới hạn này sang giá trò giới
hạn khác rồi trở về giá trò ban đầu được gọi là một chu trình ứng suất.
- Thời gian thực hiện một chu trình ứng suất gọi là một chu kỳ ứng
suất .
Chu trình ứng suất được đặc trưng bằng:
- Biên độ ứng suất:
2
minmax
a
σ−σ
=σ
- Ứng suất trung bình:
2
minmax
m
σ+σ
=σ
- Tỉ số ứng suất:
max
min
r
σ
σ
=
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 khơng đối xứng cùng dấu
- r<0: chu kỳ ứng suất khơng đối xứng khác dấu
- r = 1: ứng suất khơng đối
8
Chi tiết máy Chương I
Chú ý: máy có thể làm việc ổn đònh ( chế độ bình ổn) hoặc không ổn đònh (
chế độ không bình ổn ):
- Trong chế độ bình ổn: biên độ và ứng suất trung bình không thay
đổi theo thời gian.
- Trong chế độ không bình ổn: trò số, biên độ ứng suất và ứng suất
trung bình hoặc một trong hai đại lượng này thay đổi theo thời
gian.
- Ngoài các đặc tính thay đổi ứng suất trên đây, trong tính toán cần
phân biệt các loại ứng suất tùy theo điều kiện cụ thể, tải trọng tác
dụng lên chi tiết máy có thể gây ra các loại ứng suất:
Ứng suất pháp (kéo, nén, uốn), ứng suất tiếp (cắt, xoắn) xuất
hiện trên từng chi tiết.
Ứng suất dập và ứng suất tiếp xúc: xuất hiện khi các chi tiết
máy trực tiếp tiếp xúc với nhau và có tác dụng tương hổ với
nhau.
- Trường hợp hai chi tiết máy tiếp xúc với nhau theo diện rộng
( thân và lỗ đinh tán, chốt và ống xích con lăn) dứơi tác dụng của
lực F sinh ra ứng suất dập б
d
hoặc áp suất P
0
( hình 1.2). Từ điều
kiện coi áp suất phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc.
9
Chi tiết máy Chương I
d
lPd
d
lpF
0
2
0
0
.cos
2
2 ==
∫
αα
α
π
ld
F
P =
0
d: đường kính chốt hay ngỗng trục.
l : chiều dài ống hoặc lót ổ.
- Trong trường hợp hai chi tiết tiếp xúc với nhau theo diện tích nhỏ
so với kích trước các chi tiết ( ép hai hình trụ với nhau, hình cầu
với nhau hoặc hình cầu với mặt phẳng…)
Hai hình trụ có trục song song tiếp xúc với nhau: trước khi chòu
tải trọng riêng q
H
, hai hình trụ tiếp xúc với nhau theo đường khi
chòu tải, tiếp xúc đường trở thành tiếp xúc nhau theo diện hẹp.
Trên diện tích tiếp xúc đó ( với chiều rộng 2b dọc theo đường
sinh) ứng suất phân bố theo hình Parapôn. Theo lý thuyết đàn
hồi trò số lớn nhất của ứng suất tiếp xúc б
H
xác đònh theo công
thức Hec (Hertz).
ρ
σ
2
H
MH
q
Z=
Z
M
: hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc.
Ρ : bán kính cong tương đương.
)]1()1([
2
2
21
2
12
21
µµπ
−+−
=
EE
EE
Z
M
21
21
.
ρρ
ρρ
ρ
+
=
E
1
, E
2
: môđun đàn hồi của vật liệu hình trụ 1 và 2.
μ
1,
μ
2
: hệ số Poatxông của vật liệu hình trụ 1 và 2.
ρ
1,
ρ
2
: bán kính cong tại điểm tiếp xúc, ở đây là bán kính hình trụ 1 và 2.
Dấu + : khi hai tâm cong ở về hai phíaso với điểm tiếp xúc.
Dấu - : khi hai tâm cong ở về cùng phía.
Với vật liệu kim loại (thép,gang, đồng thanh) hệ số Poatxông μ = 0,25
÷0,35, trung bình lấy μ = 0,3 từ đó ta có công thức:
10
Chi tiết máy Chương I
ρ
σ
Eq
H
H
.
418,0=
Với E =2 E
1
E
2
/ E
1
+E
2
môđun đàn hồi tương đương.
1.3. CHỈ TIÊU CHỦ YẾU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT
MÁY.
1.3.1. Độ bền
Là khả năng tiếp nhận tải trọng của chi tiết máy mà không bò phá
hỏng.
- là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với phần lớn chi tiết máy: nếu chi
tiết máy không đủ bền thì bên trong xuất hiện biến dạng dư đủ
lớn làm thay đổi hình dạng chi tiết máy, phá hoại điều kiện làm
việc bình thường của máy, có thể phá hỏng ngay bản thân của chi
tiết máy: gãy, vỡ hoặc hư hại bề mặt làm việc.
- Có hai dạng phá hỏng:
+ Phá hỏng tónh: do ứng suất làm việc vượt quá giới hạn bền tónh
của vật liệu, thường do quá tải đột ngột gây nên.
+ Phá hỏng mỏi: do tác dụng lâu dài của ứng suất thay đổi có giá
trò vượt qua giới hạn bền mỏi của vật liệu.
- Nghiên cứu độ bền thường gắn với thời hạn phục vụ hay tuổi thọ
của chi tiết máy.
- Phương pháp tính thông dụng về độ bền là so sánh ứng suất tính
toán với ứng suất cho phép.
- Điều kiện bền có dạng б ≤ [б]
τ ≤ [τ ]
Xuất phát từ điều kiện đảm bảo hệ số an toàn lớn hơn hệ số an toàn
cho phép s ≥ [s]
1.3.2. Độ cứng
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. Ngồi ra,
người ta có độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc
11
Chi tiết máy Chương I
1.3.2.2. Tình tốn độ cứng
a. Độ cứng thể tích
Điều kiện : chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc khơng vượt q giá trị cho
phép.
+ Chi tiết máy chịu tải trọng dọc trục:
]l[
EA
lF
l
a
∆≤=∆
F
a
- 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:
][
]f[f
θ≤θ
≤
+ Chi tiết chịu moment xoắn:
][
GJ
Tl
0
ϕ≤=ϕ
G – modun đàn hồi trượt
l - chiều dài tính
J
0
– moment qn tính độc cực
ϕ - góc xoắn tính tốn
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 cơng thức:
y
F
j
n
=
với : F
n
- lực nén
y - đại lượng biến dạng do tiếp xúc
12
Chi tiết máy Chương I
* Con lăn tiếp xúc với mặt phẳng: được xác định theo cơng thức
Belaev:
3
2
2
n
dE
F
55,1y =
d - đường kính con lăn
+ Trường hợp bề mặt nhấp nhơ tiếp xúc nhau, khi chịu tải trọng thì các nhấp
nhơ bị biến dạng. Khi đó, độ cứng tiếp xúc được tính theo cơng thức Votinov:
y
Ap
j
0
=
p
0
– áp suất riêng tại chổ tiếp xúc
A - diện tích tiếp xúc
y - biến dạng tiếp xúc
m
0
Kpy =
Khi p
0
= 0,1 0,5 chỉ số m và hệ số K như sau:
K = 0,5 0,65; m = 0,5 khi cạo thơ 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 q trình thiết kế. Người thiết
kế phải tính tốn, 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 cơng 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, W
0
.
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.
13
Chi tiết máy Chương I
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
U
U
0
I II III
t
Giai đoạn (I) là giai mài rà, khi đó bề mặt chi tiết có độ nhấp nhơ cao do
gia cơng. Cho nên trong giai đoạn này các nhấp nhơ 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:
IvtIsU ==
I - cường độ mòn
s,v, - quảng đường, vận tốc
+ Cường độ mòn:
l
nm
0
H
fkp
I =
Các hệ số:
k - hệ số tỉ lệ
p
0
– 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. Ngồi 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.
14
Chi tiết máy Chương I
Cơng thức tính cường độ mòn có thể viết:
l
0
H
kqp
I =
+ 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 khơng 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 khơng hoặc ít xảy ra khi giũa hai bề mặt tiếp xúc tồn tại
lớp dầu bội trơn. Nếu khơng tạo được lớp dầu bơi 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
+ Bơi trơn và làm nguội tốt, giảm độ nhám bề mặt, tính tốn hợp lý vận
tốc trượt để hình thành lớp dầu bơi 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 q trình làm việc.
1.3.4 Độ chịu nhiệt
Trong q 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 cơng 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 bơi 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.
15
Chi tiết máy Chương I
→ Do đó, trong một số chi tiết làm việc trượt nhiều như trục vít, ổ trượt thì khi
thiết kế phải tính tốn 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 bơi trơn làm mát
1.3.5 Độ ổn định dao động
+ Khi chi tiết máy khơng 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 cơng. Đặc biệt, khi tần số
dao động riêng trùng với tần số của máy thì xảy ra hiện tượng cơng hưởng với
biên độ dao động cực đại có thể phá hỏng máy.
+ Khi tíh tốn dao động thường khơng tính cho từng chi tiết riêng biệt
mà tiến hành tính tốn 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
1.4.1 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.
Q 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 σ và số chu kỳ thay đổi ứng suất N
gọi là đường cong mỏi.
16
Chi tiết máy Chương I
N
Li
N
0
N
L
σ
σ
r
σ
i
- Phương trình đường cong mỏi biểu thị mối quan hệ giữa giới hạn
mỏi σ và N như sau:
constNN
i
m
i
m
=σ=σ
1.4.2. Chu kỳ làm việc tương đương
a. Chế độ ứng suất thay đồi với chu kỳ ổn định
- Số chu kỳ làm việc tương đương được xác định theo cơng thức:
nL60N
hLE
=
L
h
- thời gian làm việc tính bằng giờ
n - số vòng quay trong một phút
b. Chế độ ứng suất thay đổi
- Để tính tốn sức bền, ta chuyển chế độ làm việc của chi tiết về chế
độ làm việc tương đương với ứng suất σ
L
và số chu kỳ N
LE
- Gọi N
i
là số chu kỳ làm việc của chi tiết máy ứng với ứng suất σ
i
cho
đến lúc hỏng.
- n
1
’
, n
2
’
, n
3
’
… - số chu kỳ ứng với ứng suất σ
1
, σ
2
, σ
3
,
Chúng ta có:
∑
=
1
N
n
i
'
i
Nhân tử và mẫu cho σ
i
m
∑
=
σ
σ
1
N
n
i
m
i
'
i
m
i
Mặt khác:
0
m
ri
m
i
NN σ=σ
17
Chi tiết máy Chương I
( )
∑
σ=σ⇒
0
m
r
'
i
m
i
Nn
- Để chuyển chế độ làm việc khơng ổn định về chế độ ứng suất ổn
định σ
L
với tuổi thọ tương đương N
LE
ta có mối quan hệ:
0
m
rLE
m
L
NN σ=σ
,
i
m
L
i
LE
nN
∑
σ
σ
=⇒
với
ii
,
i
nt60n =
ii
m
max
i
ii
m
L
i
LE
nt
T
T
60nt60N
'
∑∑
=
σ
σ
=⇒
T
i
– moment xoắn ở chế độ thứ i
T
max
= max(T
i
)
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
c. Khi tải trọng thay đổi liên tục
∑
= NKN
ELE
N
Σ
- tổng số chu kỳ làm việc
ii
tn60N
∑
=
∑
Khi số chu kỳ = const:
h
L.n.60N =
∑
ngaynamh
K.24K.365.LL =
K
E
- 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 p
2
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:
18
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét