Bài giảng Chi tiết máy: Chương 1 - TS. Phạm Minh Hải

= 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.[r]

(1)

11/09/2015

Những vấn đề 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 MƠN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

thietkemay.edu.vn

Nội dung

Các yêu cầu máy CTM

Tải trọng ứng suất

Độ bền mỏi chi tiết máy

Các tiêu chủ yếu khả làm việc CTM

Những vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM

2 TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy

1 Các yêu cầu máy CTM a Hiệu sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao lượng, độ xác, chi phí vận hành b Khả làm việc: độ bền, độ cứng, … c Độ tin cậy cao: xác suất làm việc khơng hỏng hóc thời gian quy định

d An toàn sử dụng:con người, cơng trình e Tính cơng nghệ kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật liệu, cấp xác, số lượng chi tiết máy, khối lượng kích thước …

Tải trọnglà lực, momen tác động lênCTMtrong trình làm việc

2 Tải trọng 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 chế độ ổn định (tải trọng lớn / tải trọng tác động lâu dài nhất)

2 Tải trọng ứng suất 2.1 Tải trọng

Tải trọng tương đương(Qtđ):Khi có nhiều chế độ tải trọng - Chọn chế độ làm Qdn

- Quy đổi chế độ tải trọng tương đương (tuổi thọ, độ bền) Qtđ= Qdn.KN

KNhệ số (hệ số tuổi thọ) phụ thuộc vào

- Chế độ thay đổi tải trọng

- Tương quan Qdn chế độ tải trọng lại

Tải trọng tính tốn(Qt) :

Qt = QtđKt Kt= KttKđKđk…>1

Ktt: hệ số xét đến phân bố không tải trọng bề mặt tiếp xúc

Kđ: hệ số tải trọng động

Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

(2)

11/09/2015

a Các loại ứng suất:

ứng suấtkéo, ứng suấtnén, ứng suấtuốn, ứng suấtxoắn

ứng suấttiếp xúc, ứng suấtdập

2 Tải trọng ứng suất

2.2 Ứng suất

Các đặc trưng ứng suất thay đổi (tuần hồn)

Chu trình ứng suất

Chu kỳ ứng suất

Biên độ ứng suất

Ứng suất trung bình

Hệ số tính chất chu trìnhr

8

* Nếu theo thời gian mà phân loại: + Ứng suất tĩnh

+ Ứng suất thay đổi

2

min max m

σ + σ = σ

2

min max a

σ − σ = σ

max

r σ σ = -Chu trình đối xứng r = -1 -Chu trình mạch động r =

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy

3 Độ bền mỏi chi tiết máy 3.1 Đặc điểm phá hủy mỏi

Phá hủy mỏi:

Ứng suất thay đổi theo chu kỳ

Sau số chu trình US, CTM bị phá hủy

Sự phá hủy xảy đột ngột, khơng có co tiết diện

US<< giới hạn bền vật liệu

Phá hủy tĩnh

Ứng suất tĩnh

Xảy tức

Có co tiết diện vết gãy (vật liệu dẻo)

US > giới hạn bền vật liệu

3.2 Cơ chế phá hủy mỏi

Vết nứt tế vi bề mặt

10 Vết gẫy mỏi Vết gẫy us tĩnh

Vết nứt phát triển Tải trọng thay đổi theo chu kỳ

CTM yếu

Phá hủy vết lớn

3.3 Đường cong mỏi σm.N = const

m : bậc đường cong mỏi (thép: m=6)

σ : biên độ ứng suất

N : Số chu trình ứng suất CTM bị hỏng mỏi

σr: giới hạn mỏi dài hạn

N0: số chu trình sở (thép N0= 106÷

107)

11

N σ

σi

σr

Ni N0

Thép

Kim loại màu

• 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 thép

- US thay đổi đối xứng r=-1

σr= σ-1

(3)

11/09/2015

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Thí nghiệm mỏi

Đường kính d0= ÷10 mm

Mẫu mài nhẵn, không tăng bền bề mặt

Khơng có tập trung ứng suất

Chu trình ứng suất đối xứng

Thực tế: hình dạng, kích thước, chất lượng bề mặt, tính chất chu trình ứng suất,… -> ảnh hưởng đếngiới hạn bền mỏi chi tiết

13

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 14

dn

σ σ ασ= max

dn

τ τ ατ= max 3.3.1 Ảnh hưởng hình dạng kết cấu

Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Hệ số tập trung ứng suất thực tế

rc r k

σ σ = σ

rc r k

τ τ = τ σr,τrlà g/h mỏi mẫu khơng có tập trung ứng suất

σrc,τrclà g/h mỏi mẫu có tập trung ứng suất

Kết cấu CTM phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi

• Khơng đồng tính

• Nhiều khuyết tật

3.3.2 Ảnh hưởng kích thước tuyệt đối

Ví dụ: trục chịu uốn

do: đường kính mẫu thí nghiệm d: đường kính chi tiết máy Hệ số a/h kích thước tuyệt đối

trục chịu xoắn

Kích thước lớn giới hạn mỏi giảm

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những

vấn đề thiết kế chi tiết máy 16

β> : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh bóng …)

β< : tiện, phay + không gia công tăng bền

3.3.3 Ảnh hưởng chất lượng bề mặt

=giới hạn mỏi mẫu có bề mặt giống chi tiết giới hạn mỏi mẫu thí nghiệm mỏi Hệ số trạng thái bề mặtβ

Chất lượng bề mặt tốt

-> khả phát triển vết nứt tế vi

-> giới hạn bền mỏi tăng

Hệ số ảnh hưởng ứng suất trung bình ψσ ψτ

(xem chương “Trục”)

3.3.4 Ảnh hưởng tính chất chu trình ứng suất

(4)

11/09/2015

Giới hạn mỏi chi tiết tính theo giới hạn mỏi mẫu sau:

19

σ σβ ε σ σ

k

r rc=

τ τβ ε τ τ

k

r rc=

3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi

• Hạn chế nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng tính đàn hồi kết cấu)

• Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất

• Cơng nghệ: Mài, đánh bóng, gia công tăng bền bề mặt

4 Các tiêu chủ yếu khả làm việc CTM

5 tiêu chủ yếu: Độ bền

Độ cứng Độ bền mòn Khả chịu nhiệt Độ ổn định dao động

là khả chống lạisự phá hỏngcủa CTM

Độ bền thể tích Độ bền bề mặt

Độ bền tĩnh Độ bền mỏi

4.1 Độ bền

Phương pháp tính:

σ ≤[σ]

τ ≤[τ]

σH≤[σH], σd≤[σd]

S>=[S] (mỏi, xem phần trục)

S hệ số an toàn; σlimlà giới hạn phá hủy vật liệu chi tiết máy

là khả chống biến dạng CTM chịu tác động tải trọng ngồi

Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng thể tích

Độ cứng tiếp xúc: liên quan đến biến dạng lớp bề mặt

4.2 Độ cứng

Phương pháp tính tốn:

Độ võng: y ≤[y] Độ dãn dài: ∆l≤[∆l] Góc xoắn: ϕ ≤[ϕ]

Góc xoay: θ ≤[θ]

Mịn tượng giảm dần kích thước thay đổi hình dáng ma sát gây

Điều kiện để gây mịn

- Có áp suất bề mặt tiếp xúc ( hai chi tiết tiếp xúc ) - Có chuyển động tương đối hai chi tiết tiếp xúc ( có vận tốc trượt)

4.3 Độ bền mịn

Phương pháp tính tốn để hạn chế mịn: p ≤[p]

p.v≤[pv]

Tính tốn để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát)

Trong trình làm việc + ma sát cấu, nhiệt độ máy chi tiết máy tăng lên

Ảnh hưởng nhiệt độ:

- Giảm khả làm việc (thép >300, KLM >50 độ C) - Biến dạng nhiệt gây cong vênh

- Giảm độ nhớt dầu

4.4 Khả chịu nhiệt

(5)

11/09/2015

Nguyên nhân dao động:

- Độ cứng máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn - Sự cân chi tiết quay

Hậu dao động:

- Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ - Giảm khả làm việc máy

4.5 Độ ổn định dao động

là khả làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung mức cho phép

Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động

- Triệt tiêu nguyên nhân gây dao động - Thay đổi thông số động học động lực học - Thiết kế phận chống rung (giảm chấn)

5 Những vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM

Đặc điểm tính tốn thiết kế CTM

Xác định ứng suất cho phép

Vật liệu

Những vấn đề tiêu chuẩn hóa

5 Những vấn đề chung tính tốn thiết kế CTM

5.1 Đặc điểm tính tốn thiết kế CTM

điều kiện làm việc, tải trọng

1 kích thước Cơng thức thiết kế

các kích thước cịn lại (tiêu chuẩn, yêu cầu công nghệ, lắp ghép)

Các tiêu khả làm việc Chọn vật liệu

Sai khác

Kết thúc tính tốn thỏa mãn

khơng thỏa mãn nhỏ

Lớn TÍNH THIẾT KẾ

TÍNH KIỂM NGHIỆM

σlimứng suất giới hạn vật liệu

Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên tính tốn

Hệ số an tồn xác định theo công thức s = s1.s2.s3

s1:hệ số an tồn xét đến mức độ xác trong việc xác định tải trọng ứng suất(1,2-1,5). s2:hệ số an toàn xét đến độ đồng 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 ]

[σ =σ

s

lim ] [τ =τ

5.2 Xác định ứng suất cho phép

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những 29 Khi tính theo độ bền tĩnh:

σlim= σbđối với vật liệu giòn (gang)

σlim= σchđối 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 N

N N

K =

b Ứng suất thay đổi không ổn định

Ni, σi ∑ 

   

= i

m i

tđ N

N

1 σ

σ N

td, σ1

khơng ổn định ổn định

Khi tính theo độ bền mỏi:

(6)

11/09/2015

• Các yêu cầu chung vật liệu

Độ bền, độ cứng…

Yêu cầu khối lượng, kích thước

Có tính cơng nghệ

Ngun tắc chất lượng cục

5.3 Vật liệu

• Vật liệu thường dùng là:

Kim loại đen: gang, thép (độ bền, độ cứng cao tương đối rẻ)

Kim loại màu:đồng, kẽm, nhơm…(dạng hợp kim màu) có tính giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền

Kim loại gốm:nung + ép bột kim loại với 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

• Tn thủ tiêu chuẩn: - Hình dạng

- Kích thước (thường lấy trịn đến 5mm) - Yêu cầu kỹ thuật

- Các yếu tố cấu tạo (mơ đun răng, bước ren) - Cấp xác

- V.v…

5.4 Những vấn đề tiêu chuẩn hóa

Những vấn đề chương 1

• 5 yêu cầu bản • 5 tiêu bản

• Độ bền mỏi: chế, yếu tố ảnh hưởng, đường cong mỏi

• Tải trọng: tĩnh, động

• Ứng suất: khơng đổi, thay đổi (tuần hồn), thể tích, bề mặt

• Các vấn đề thiết kế: vật liệu, hệ số an tồn, tiêu chuẩn hóa

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những

vấn đề thiết kế chi tiết máy 33 34

Ứng suất tiếp xúc: diện tích tiếp xúc nhỏ Tiếp xúc đường(trụ - trụ, trụ - phẳng)

US tiếp xúc tính theo CT Héc [TLTK 1]

Ví dụ ứng suất tiếp xúc ứng suất dập

ρ σ

2 n M H

q Z

= [ ]

2 2

2

) ( ) (

2

E E

E E ZM

µ µ

π − + −

=

qn- Cường độ tải trọng pháp tuyến

E - Mô đun đàn hồi vật liệu

µ- Hệ số Pốt-xơng

Tiếp xúc điểm(cầu – cầu, cầu - phẳng)

35

3

2

388 ,

ρ

σ FnE

H= (Vật liệu thép) Fn: Tải trọng pháp tuyến

Khi

Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1 Những vấn đề thiết kế chi tiết máy 36

Ứng suất dập: diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1]