Bài giảng Chi tiết máy - Chương 2: Các chỉ tiêu thiết kế máy

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.9 Thiết kế với sự hỗ trợ máy

tính (CAD)

2.1 Độ bền

2.2 Độ cứng

2.3 Độ bền mòn

2.4 Độ chịu nhiệt

2.7 Thiết kế theo các chỉ

tiêu khác

2.8 Thiết kế tối ưu chi tiết

2.5 Độ ổn định dao động

2.6 Tính toán thiết kế theo

độ tin cậy

và kết cấu cơ khí

1

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

2.1.1. KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Ñoä beàn laø khaû naêng baûo ñaûm cho maùy vaø chi tieát maùy khoâng bò bieán daïng dö lôùn, gaõy hoûng

hay beà maët laøm vieäc khoâng bò phaù huûy khi chòu taùc duïng cuûa taûi troïng trong quaù trình laøm

vieäc.

Phaân bieät 2 loaïi ñoä beàn: ñoä beàn theå tích (ñoä beàn keùo, neùn, uoán, xoaén, caét...) vaø ñoä beàn tieáp xuùc

(daäp, tieáp xuùc).

Khi tính toaùn ñoä beàn: neáu öùng suaát khoâng ñoåi (taûi troïng tónh) ta tính theo ñoä beàn tónh, neáu öùng

suaát thay ñoåi ta tính theo ñoä beàn moûi.

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

2.1.2. TAÛI TROÏNG VAØ ÖÙNG SUAÁT

a) Taûi troïng (kyù hieäu chung laø Q)



Löïc, moâmen do chi tieát maùy hoaëc boä phaän maùy tieáp nhaän trong quaù trình laøm vieäc.

- Taûi troïng khoâng ñoåi (taûi troïng tónh): taûi troïng khoâng thay ñoåi theo thôøi gian hoaëc thay ñoåi

khoâng ñaùng keå.

- Taûi troïng thay ñoåi: taûi troïng coù phöông, chieàu hay cöôøng ñoä thay ñoåi theo thôøi gian.

- Taûi troïng va ñaäp: taûi troïng thay ñoåi ñoät ngoät (ñoät nhieân taêng maïnh roài giaûm ngay töùc khaéc).



Trong tính toaùn ngöôøi ta coøn phaân bieät: taûi troïng danh nghóa, taûi troïng töông ñöông vaø taûi

troïng tính toaùn.

-Taûi troïng danh nghóa Q_dn:

Laø taûi troïng ñöôïc choïn trong soá caùc taûi troïng taùc duïng leân maùy trong cheá ñoä laøm vieäc oån ñònh

(thöôøng choïn taûi troïng lôùn hay taùc duïng laâu daøi nhaát laøm taûi troïng dang nghóa).

-Taûi troïng töông ñöông Q_td:

Giaù trò töông ñöông khoâng ñoåi cuûa taûi troïng thay theá cho cheá ñoä thay ñoåi cuûa taûi troïng.

Q_td= Q_dn. K_n

trong ñoù: K_n- Heä soá phuï thuoäc vaøo cheá ñoä taûi troïng

Taûi troïng tính toaùn Q_tt:

Laø taûi troïng duøng trong tính toaùn thieát keá maùy vaø chi tieát maùy, phuï thuoäc vaøo t/c thay ñoåi taûi

troïng, söï phaân boá khoâng ñeàu cuûa taûi troïng, ñieàu kieän söû duïng...

Q_tt= Q_td. K_tt. K_d. K_dk= Q_dn. K_n. K_tt. K_d. K_dk

trong ñoù: K_tt- heä soá xeùt ñeán söï phaân boá khoâng khoâng ñeàu taûi troïng; K_d- heä soá taûi troïng ñoäng;

K_dk- heä soá ñieàu kieän laøm vieäc.

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

b) ÖÙng suaát:

Döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng trong chi tieát maùy sinh ra öùng suaát. Phuï thuoäc vaøo tính chaát cuûa taûi

troïng ta coù öùng suaát tónh (öùng suaát khoâng thay ñoåi theo thôøi gian) hay öùng suaát thay ñoåi (öùng

suaát coù trò soá hay chieàu thay ñoåi theo thôøi gian).



Öùng suaát thay ñoåi ñöôïc ñaëc tröng bôûi nhöõng chu kyø öùng suaát:

Chu kyø öùng suaát: moät voøng thay ñoåi cuûa öùng suaát töø trò soá giôùi haïn naøy sang trò soá giôùi haïn

khaùc roài trôû veà vò trí ban ñaàu. Chu kyø öùng suaát ñöôïc ñaëc tröng bôûi:

- Biên độ ứng suất:

_max- öùng suaát lôùn nhaát

_min- öùng suaát nhoû nhaát

- Tỷ số ứng suất:



Öùng suaát trong chi tieát maùy coù theå thay ñoåi oån ñònh hoaëc

khoâng oån ñònh:

- Öùng suaát thay ñoåi oån ñònh: coù bieân ñoä öùng suaát vaø öùng suaát

trung bình khoâng thay ñoåi theo thôøi gian.

- Öùng suaát thay ñoåi khoâng oån ñònh: coù moät trong hai hay caû hai

ñaïi löôïng treân thay ñoåi theo thôøi gian.

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

c) Öùng suaát tieáp xuùc:

Öùng suaát tieáp xuùc sinh ra khi beà maët laøm vieäc cuûa chi tieát maùy tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi nhau. Öùng

suaát tieáp xuùc laø nguyeân nhaân gaây hieän töôïng troùc roã beà maët hay maøi moøn beà maët tieáp xuùc.

Öùng suaát tieáp xuùc giöõa hai hình truï tieáp xuùc vôùi nhau khi chòu taûi phaân boá theo hình Parabol

trong maët caét ngang. Giaù trò cöïc ñaïi ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc Hetz:

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

2.1.3. ÖÙNG SUAÁT CHO PHEÙP VAØ HEÄ SOÁ AN TOAØN:

a) Öùng suaát cho pheùp []:

Öùng suaát cho pheùp laø giaù trò giôùi haïn ñeå ñaûm baûo cho chi tieát maùy laøm vieäc thì öùng suaát phaùt

sinh trong chi tieát maùy khoâng ñöôïc vöôït quaù giaù trò cho pheùp naøy:

Öùng suaát giôùi haïn laø giaù trò maø khi öùng suaát trong chi tieát maùy ñaït ñeán giaù trò naøy, vaät lieäu chi

tieát seõ bò phaù hoûng. Khi taûi troïng taùc duïng laø khoâng ñoåi, öùng suaát giôùi haïn cuûa vaät lieäu gioøn laø

giôùi haïn beàn (_b); cuûa vaät lieäu deûo laø giôùi haïn chaûy (_ch). Khi taûi troïng thay ñoåi thì öùng suaát

giôùi haïn laø giôùi haïn moûi (_) (tröôøng hôïp chu trình ñoái xöùng öùng suaát giôùi haïn laø trò soá cöïc ñaïi

cuûa chu trình _-1; vôùi chu kyø maïch ñoäng giôùi haïn moûi laø _o), giaù trò cuûa _-1vaø ₀coù theå xaùc

ñònh theo caùc coâng thöùc:

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

b) Heä soá an toaøn S vaø heä soá an toaøn cho pheùp [S]:

Heä soá an toaøn S laø tæ soá giöõa öùng suaát giôùi haïn vaø öùng suaát lôùn nhaát sinh ra trong chi tieát maùy.

Khi kieåm tra ñoä beàn moûi, ngöôøi ta kieåm tra theo ñieàu kieän:

S

 [S]

Heä soá an toaøn cho pheùp [S] laø heä soá xeùt ñeán caùc aûnh höôûng cuûa ñieàu kieän laøm vieäc, ñöôïc ñöa

vaøo mhaèm ñaûm baûo cho keát caáu coù ñoä an toaøn caàn thieát:

[S] = S₁.S₂.S₃

S₁- heä soá xeùt ñeán ñoä chính xaùc trong vieäc xaùc ñònh taûi troïng vaø öùng suaát. S₁= 1,21,5

S₂- heä soá xeùt ñeán söï ñoàng nhaát veà cô tính cuûa vaät lieäu. S₂= 1,5 vôùi vaät lieäu theùp; S₂=1,52,5

vôùi vaät lieäu gang.

S₃- heä soá xeùt ñeán möùc ñoä quan troïng cuûa chi tieát. S₃=11,5 (soá lôùn khi möùc ñoä quan troïng lôùn).

Heä soá an toaøn S coù theå coù theå ñöôïc xaùc ñònh theo caùc coâng thöùc sau:

Tröôøng hôïp öùng suaát khoâng ñoåi:

S = _ch

S = _b / (_maxK_) - ñoái vôùi vaät lieäu gioøn

S_= _r/ [(K_/   _a__m

/ _max- ñoái vôùi vaät lieäu deûo

Tröôøng hôïp öùng suaát thay ñoåi:

)

+

]

Khi coù caû

trong ñoù:



vaø



, heä soá an toaøn ñöôïc xaùc ñònh:

S = S_S_/

_max– öùng suaát lôùn nhaát

_r– öùng suaát giôùi haïn

_- heä soá xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa öùng suaát trung bình

2



S_+ S_²

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

2.1.4. TÍNH BEÀN TRONG TRÖÔØNG HÔÏP TAÛI TROÏNG TÓNH

Ñi u kieän beàn trong tröôøng hôïp chòu taûi tónh:

trong ñoù: _tt- öùng suaát tính toaùn (xaùc ñònh theo ñieàu kieän chòu taûi);

_lim_bñoái vôùi vaät lieäu gioøn; _lim_chvôùi vaät lieäu deûo

ề

=

2.1.5. TÍNH BEÀN TRONG TRÖÔØNG HÔÏP TAÛI TROÏNG THAY ÑOÅI (chi tieát maùy bò

hoûng do moûi)

a) Chi tieát maùy chòu cheá ñoä öùng suaát thay ñoåi oån ñònh: Chi tieát maùy seõ bò hoûng do moûi sau

moät soá chu kyø laøm vieäc khaù lôùn N, öùng suaát (

giöõa vaø N theo phöông trình ñöôøng cong moûi:

 ^m.N = Const;

ƯS) giôùi haïn ôû ñaây laø giôùi haïn moûi . Quan heä



trong ñoù: m- baäc cuûa ñöôøng cong moûi; N- soá chu kyø laøm vieäc cho ñeán luùc hoûng:

N = 60 L_hn;

L_h– thôøi gian laøm vieäc (giôø); n – soá voømg quay (vg/ph); N_o- soá chu kyø cô sôû; _r- giôùi haïn moûi

daøi haïn.

Neáu chi tieát maùy laøm vieäc laâu daøi (N

 N_o), ƯS giôùi haïn laáy baèng giôùi haïn moûi daøi haïn:

_lim

= _r

Neáu chi tieát maùy laøm vieäc ngaén haïn (N=N_k<N_o),

ƯS giôùi haïn laáy baèng giôùi haïn moûi ngaén haïn:

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.1. ÑOÄ BEÀN

b) Chi tieát maùy chòu cheá ñoä öùng suaát thay ñoåi khoâng oån ñònh:

Neáu goïi soá chu kyø laøm vieäc cuûa chi tieát maùy öùng vôùi möùc öùng suaát _ivaø tuoåi thoï (soá chu kyø

laøm vieäc ñeán luùc hoûng) N_ilaø n_i. Chi tieát maùy seõ bò phaù hoûng khi:



(n_i/N_i) = 1

(ñieàu kieän coäng baäc nhaát ñôn giaûn caùc toån thaát moûi)

Chuyeån cheá ñoä laøm vieäc khoâng oån ñònh cuûa chi tieát maùy veà cheá ñoä oån ñònh töông ñöông vôùi

möùc öùng suaát töông ñöông _Lvaø tuoåi thoï töông ñöông N_LEta coù:



(

_i^m.n_i) = _L^m.N_LE= _r^m.N_o

do ñoù:

Vôùi:

N_LE=

N_LE= 60

Theo ñoù, neáu N_LE> N_othì _r: öùng vôùi giôùi haïn moûi daøi haïn;

Neáu N_LE= N_< N_othì = _k> _r: öùng vôùi giôùi haïn moûi ngaén haïn:



(_i

/

_L) ^m.N_i

(_i/

_L) ^mt_in_i

N_i= 60 t_in_i,

ta coù:

 =



trong ñoù: m - baäc cuûa ñöôøng cong moûi, m = 3

 30 phuï thuoäc cô tính cuûa vaät lieäu.

Tröôøng hôïp taûi troïng thay ñoåi lieân tuïc:

N_LE= K_EN_

trong ñoù: K_E– heä soá cheá ñoä taûi troïng; N_- toång chu kyø laøm vieäc

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.2. ÑOÄ CÖÙNG

2.2.1. KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

Ñoä cöùng laø khaû naêng choáng laïi söï bieán ñoåi hình daïng vaø kích thöôùc cuûa chi tieát maùy döôùi taùc

duïng cuûa taûi troïng (ví duï: truïc bò voõng quaù seõ laøm cho caùc baùnh raêng tieáp xuùc khoâng toát).

Theo tính chaát cuûa taûi troïng laø tónh hay ñoäng ta coù ñoä cöùng tónh hay ñoäng.

Ngöôøi ta phaân bieät ñoä cöùng theå tích lieân quan ñeán bieán daïng cuûa toaøn boä vaät lieäu chi tieát vaø ñoä

cöùng tieáp xuùc, lieân quan ñeán bieán daïng cuûa caùc lôùp beà maët.

2.2.2. TÍNH TOAÙN ÑOÄ CÖÙNG

Ñoä cöùng theå tích: Tính toaùn ñoä cöùng theå tích xuaát phaùt töø ñieàu kieän: chuyeån vò daøi hoaëc goùc

khoâng ñöôïc vöôït quaù giaù trò cho pheùp.

Khi chi tieát maùy chòu löïc doïc truïc:

trong ñoù: F_a- löïc keùo doïc truïc; E- moâñun ñaøn hoài (Mpa); l- chieàu daøi chi tieát; A- thieát dieän

ngang cuûa chi tieát; [l]- bieán daïng cho pheùp theo chieàu daøi.

Khi chi tieát maùy chòu löïc uoán:

hoaëc:

y



[y]: ñoä voõng cho pheùp (mm);

]: goùc xoay cho pheùp (tính baèng ñoä).

  [

Khi chi tieát maùy chòu moâmen xoaén:

; trong ñoù: T- moâmen xoaén (MPa);

G- moâñun ñaøn hoài tröôït; l- chieàu daøi tính; J_o- moâmen quaùn tính ñoäc cöïc.

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.2. ÑOÄ CÖÙNG

2.2.3. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP NAÂNG CAO ÑOÄ CÖÙNG

- Duøng vaät lieäu hôïp lyù.

- Choïn hình daïng thieát dieän ngang hôïp lyù.

- Choïn keát caáu chòu taûi hôïp lyù veà ñoä cöùng: söû duïng keát caáu chòu taûi ñoái xöùng.

- Söû duïng vaø phaân boá caùc oå truïc hôïp lyù veà soá löôïng vaø theå loaïi.

- Taïo ra caùc bieán daïng ngöôïc laïi nhôø caùc ñoái troïng ñeå caân baèng vôùi bieán daïng do troïng löôïng

rieâng cuûa caùc boä phaän maùy gaây ra.

- Ñaûm baûo söï caân baèng cuûa heä thoáng; giaûm bieán daïng cuïc boä...

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.3. ÑOÄ BỀN MOØN

2.3.1. KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑOÄ MAØI MOØN

Moøn laø keát quaû taùc duïng cuûa öùng suaát tieáp xuùc hoaëc aùp suaát khi caùc beà maët tieáp xuùc tröôït töông

ñoái vôùi nhau trong ñieàu kieän khoâng ñuû daàu boâi trôn.

2.3.3. CAÙC BIEÄN PHAÙP GIAÛM MOØN

- Choïn keát caáu caùc chi tieát tieáp xuùc baûo ñaûm cheá ñoä boâi trôn ma saùt öôùt;

- Haïn cheá aùp suaát hoaëc öùng suaát tieáp xuùc khoâng cho vöôït quaù giaù trò cho pheùp:

p



[p]

Moái lieân heä giöõa aùp suaáp p vaø quaõng ñöôøng ma saùt L coù theå xaùc ñònh theo coâng thöùc:

p^mL = const

; trong ñoù: L- quaõng ñöôøng ma saùt; m- soá muõ phuï thuoäc

ñieàu kieän boâi trôn: masaùt khoâ m=1; masaùt nöûa khoâ m=2; öôùt m=3.

- Söû duïng vaät lieäu giaûm ma saùt.

- Giaûm taûi cho beà maët chòu ma saùt.

- Boâi trôn vaø laøm nguoäi toát.

- Giaûm löôïng haït maøi rôi vaøo trong beà maët ma saùt baèng caùch che chaén kín.

- Ñaûm baûo moøn ñeàu cho caùc chi tieát.

- Chuyeån moøn vaøo chi tieát ít aûnh höôûng ñeán ñoä chính xaùc cuûa maùy.

- Söû duïng caùc keát caáu ñieàu chænh ñöôïc khi moøn...

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.4. ÑOÄ CHÒU NHIEÄT

Laø khaû naêng cuûa chi tieát maùy coù theå laøm vieäc trong moät phaïm vi nhieät ñoä caàn thieát maø khoâng bò

nung noùng quaù moät giaù trò cho pheùp. Nhieät sinh ra thöôøng do ma saùt ôû cô caáu, boä phaän maùy...

Tính toaùn nhieät nhaèm xaùc ñònh nhieät ñoä sinh ra trong quaù trình laøm vieäc vaø caùc bieän phaùp haïn

cheá noù trong phaïm vi cho pheùp:

t

 [t]

Ñeå naâng cao khaû naêng chòu nhieät cuûa chi tieát maùy caàn cheá taïo baèng vaät lieäu chòu nhieät, aùp duïng

caùc bieän phaùp boâi trôn laøm maùt...

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.5. ÑOÄ OÀN ÑÒNH DAO ÑOÄNG

Laø khaû naêng cuûa chi tieát maùy coù theå laøm vieäc trong moät phaïm vi vaän toác caàn thieát maø khoâng bò

rung quaù möùc cho pheùp.

Tính toaùn dao ñoäng nhaèm xaùc ñònh taàn soá dao ñoäng rieâng cuûa maùy, cô caáu ñeå traùnh coäng

höôûng hay haïn cheá bieân ñoä trong phaïm vi cho pheùp.

Caùc bieän phaùp choáng rung: trieät tieâu ngoaïi löïc gaây dao ñoäng; thay ñoåi tính chaát ñoäng löïc cuûa

heä thoáng; duøng caùc thieát bò giaûm rung, giaûm va ñaäp...

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

2.6. ÑOÄ TIN CAÄY VAØ TUOÅI THOÏ CUÛA MAÙY

2.6.1. KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑOÄ TIN CAÄY

Ñoä tin caäy laø khaû naêng cuûa maùy hoaëc chi tieát maùy thöïc hieän chöùc naêng cuûa mình vaø duy trì

chöùc naêng, nhieäm vuï ñoù trong suoát thôøi haïn ñaõ ñònh.

Tuoåi thoï: laø khoaûng thôøi gian laøm vieäc cuûa chi tieát maùy töø khi baét ñaàu hoaït ñoäng cho tôùi khi

ñaït traïng thaùi tôùi haïn, töùc laø bò hoûng caàn söûa chöõa, phuïc hoài. Tuoåi thoï thöôøng ñöôïc tính theo

thôøi gian laøm vieäc thöïc teá (khoâng keå thôøi gian khoâng hoaït ñoäng cuûa chi tieát maùy).

Heä soá söû duïng K_s: laø tæ soá giöõa thôøi gian laøm vieäc t_lvvôùi toång thôøi gian t_hcuûa chu kyø laøm vieäc

cuûa chi tieát maùy:

K_s= t_lv/t_h= t_lv/(t_lv+t_b+t_p)

Trong ñoù: t_b- Thôøi gian baûo döôõng; t_p- Thôøi gian söûa chöõa phuïc hoài

- Söû duïng caùc thieát bò có soá löôïng chi tieát ít, ñôn giaûn, ñoä tin caäy gaàn baèng nhau.

- Coù bieän phaùp dung hoøa giöõa giaûm cöôøng ñoä chòu taûi (taêng ñoä tin caäy) vôùi giaûm khoái löôïng vaø

kích thöôùc cuûa chi tieát maùy.

- Boâi trôn toát;

- Söû duïng heä thoáng töï caân baèng;

- Söû duïng roäng raõi caùc chi tieát, keát caáu tieâu chuaån.

HẾT CHƯƠNG 2

Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy

Câu 1: Cho hai hình trụ tiếp xúc ngoài, có đường kính là d₁= 100mm và d₂= 120mm. Mô đun đàn

hồi là E₁= 2,0.10⁵MPa; E2=2,5.10⁵MPa. Hệ số poat xông là μ₁=0,28 ; μ₂=0,31. Chịu lực hướng

tâm là F_r=5000N. Chiều dài tiếp xúc của hai hình trụ là L=100mm. Xác định ứng suất tiếp xúc lớn

nhất (MPa)? a. 265,5 b. 270,2 c. 266,4 d. 258,5

Câu 2: Chi tiết máy làm bằng thép chịu ứng suất không đổi, có giới hạn chảy là σ_ch= 150MPa, hệ

số an toàn S = 1,2. Ứng suất cho phép của chi tiết máy là ?: a. 150 MPa

b. 125 MPa

c. 140

MPa d. 165 Mpa

Câu 3: Chi tiết máy làm bằng thép (m=6) chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng. Chi tiết máy

chịu ứng suất σ₁= 250MPa trong t₁=10⁴chu trình; σ₁= 200 MPa trong t₂= 2.10⁴chu trình và σ₃

=220MPa trong t₃=3.10⁴chu trình. Giới hạn mỏi dài hạn σ_-1= 170MPa; Số chu trình cơ sở N₀

=8.10⁶chu trình. Xác định ứng suất giới hạn (MPa)? a. 438.5 b. 429.2 c. 433.3 d. 415.1

Câu 4: Một chi tiết máy làm bằng thép (m=6) chịu ứng suất σ trong 4,5.10⁵chu trình. Biết giới hạn

mỏi dài hạn σ_r= 120Mpa và số chu trình cơ sở N₀=10⁶chu trình. Ứng suất giới hạn σ _lim(MPa)

của chi tiết máy là?: a. 137 b. 150 c. 120 d.127

Câu 5: Cho hai hình trụ tiếp xúc trong, có đường kính là d₁=100mm và d₂=500mm. Mô đun đàn

hồi là E₁=2,0.10⁵MPa; E₂=2,5.10⁵MPa. Hệ số poat xông là μ₁=0,28 ; μ₂=0,31. Chịu lực hướng

tâm là F_r=5000N. Chiều dài tiếp xúc của hai hình trụ là L=100mm. Xác định ứng suất tiếp xúc lớn

nhất (MPa)?

a. 265,5 b. 270,2 c. 176.0 d. 258,5