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

à mặt làm việc không bị phá hủy khi chịu tác dụng của tải trọng trong quá trình làm việc. Phân biệt 2 loại độ bền: độ bền thể tích (độ bền kéo, nén, uốn, xoắn, cắt...) và độ bền tiếp xúc (dập, tiếp xúc). Khi tính toán độ bền: nếu ứng suất không đổi (tải trọng tĩnh) ta tính theo độ bền tĩnh, nếu ứng suất thay đổi ta tính theo độ bền mỏi. Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN 2.1.2. TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT a) Tải trọng (ký hiệu chung là Q)  Lực, mômen do chi tiết máy hoặc bộ phận máy tiếp nhận trong quá trình làm việc. - Tải trọng không đổi (tải trọng tĩnh): tải trọng không thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi không đáng kể. - Tải trọng thay đổi: tải trọng có phương, chiều hay cường độ thay đổi theo thời gian. - Tải trọng va đập: tải trọng thay đổi đột ngột (đột nhiên tăng mạnh rồi giảm ngay tức khắc).  Trong tính toán người ta còn phân biệt: tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương và tải trọng tính toán. -Tải trọng danh nghĩa Qdn: Là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác dụng lên máy trong chế độ làm việc ổn định (thường chọn tải trọng lớn hay tác dụng lâu dài nhất làm tải trọng dang nghĩa). -Tải trọng tương đương Qtd: Giá trị tương đương không đổi của tải trọng thay thế cho chế độ thay đổi của tải trọng. Qtd = Qdn .Kn trong đó: Kn - Hệ số phụ thuộc vào chế độ tải trọng Tải trọng tính toán Qtt: Là tải trọng dùng trong tính toán thiết kế máy và chi tiết máy, phụ thuộc vào t/c thay đổi tải trọng, sự phân bố không đều của tải trọng, điều kiện sử dụng... Qtt = Qtd .Ktt .Kd .Kdk = Qdn .Kn .Ktt .Kd .Kdk trong đó: Ktt- hệ số xét đến sự phân bố không không đều tải trọng; Kd- hệ số tải trọng động; Kdk- hệ số điều kiện làm việc. Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN b) Ứng suất: Dưới tác dụng của tải trọng trong chi tiết máy sinh ra ứng suất. Phụ thuộc vào tính chất của tải trọng ta có ứng suất tĩnh (ứng suất không thay đổi theo thời gian) hay ứng suất thay đổi (ứng suất có trị số hay chiều thay đổi theo thời gian).  Ưùng suất thay đổi được đặc trưng bởi những chu kỳ ứng suất: Chu kỳ ứng suất: một vòng thay đổi của ứng suất từ trị số giới hạn này sang trị số giới hạn khác rồi trở về vị trí ban đầu. Chu kỳ ứng suất được đặc trưng bởi: - Biên độ ứng suất: max - ứng suất lớn nhất min - ứng suất nhỏ nhất - Tỷ số ứng suất:  Ưùng suất trong chi tiết máy có thể thay đổi ổn định hoặc không ổn định: - Ưùng suất thay đổi ổn định: có biên độ ứng suất và ứng suất trung bình không thay đổi theo thời gian. - Ưùng suất thay đổi không ổn định: có một trong hai hay cả hai đại lượng trên thay đổi theo thời gian. Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN c) Ưùng suất tiếp xúc: Ưùng suất tiếp xúc sinh ra khi bề mặt làm việc của chi tiết máy tiếp xúc trực tiếp với nhau. Ưùng suất tiếp xúc là nguyên nhân gây hiện tượng tróc rỗ bề mặt hay mài mòn bề mặt tiếp xúc. Ưùng suất tiếp xúc giữa hai hình trụ tiếp xúc với nhau khi chịu tải phân bố theo hình Parabol trong mặt cắt ngang. Giá trị cực đại được xác định theo công thức Hetz: Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN 2.1.3. ỨNG SUẤT CHO PHÉP VÀ HỆ SỐ AN TOÀN: a) Ưùng suất cho phép []: Ưùng suất cho phép là giá trị giới hạn để đảm bảo cho chi tiết máy làm việc thì ứng suất phát sinh trong chi tiết máy không được vượt quá giá trị cho phép này: Ưùng suất giới hạn là giá trị mà khi ứng suất trong chi tiết máy đạt đến giá trị này, vật liệu chi tiết sẽ bị phá hỏng. Khi tải trọng tác dụng là không đổi, ứng suất giới hạn của vật liệu giòn là giới hạn bền (b); của vật liệu dẻo là giới hạn chảy (ch). Khi tải trọng thay đổi thì ứng suất giới hạn là giới hạn mỏi () (trường hợp chu trình đối xứng ứng suất giới hạn là trị số cực đại của chu trình -1; với chu kỳ mạch động giới hạn mỏi là o), giá trị của -1 và 0 có thể xác định theo các công thức: Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN b) Hệ số an toàn S và hệ số an toàn cho phép [S]: Hệ số an toàn S là tỉ số giữa ứng suất giới hạn và ứng suất lớn nhất sinh ra trong chi tiết máy. Khi kiểm tra độ bền mỏi, người ta kiểm tra theo điều kiện: S  [S] Hệ số an toàn cho phép [S] là hệ số xét đến các ảnh hưởng của điều kiện làm việc, được đưa vào mhằm đảm bảo cho kết cấu có độ an toàn cần thiết: [S] = S1.S2.S3 S1- hệ số xét đến độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất. S1 = 1,21,5 S2- hệ số xét đến sự đồng nhất về cơ tính của vật liệu. S2 = 1,5 với vật liệu thép; S2=1,52,5 với vật liệu gang. S3- hệ số xét đến mức độ quan trọng của chi tiết. S3=11,5 (số lớn khi mức độ quan trọng lớn). Hệ số an toàn S có thể có thể được xác định theo các công thức sau: Trường hợp ứng suất không đổi: S = ch  / max - đối với vật liệu dẻo S = b  /(max K) - đối với vật liệu giòn Trường hợp ứng suất thay đổi: S = r / [(K / ) a +  m] Khi có cả  và , hệ số an toàn được xác định: 2 2 S = S S /  S + S trong đó: max – ứng suất lớn nhất r – ứng suất giới hạn  - hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN 2.1.4. TÍNH BỀN TRONG TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG TĨNH Điều kiện bền trong trường hợp chịu tải tĩnh: trong đó: tt- ứng suất tính toán (xác định theo điều kiện chịu tải); lim = b đối với vật liệu giòn; lim = ch với vật liệu dẻo 2.1.5. TÍNH BỀN TRONG TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG THAY ĐỔI (chi tiết máy bị hỏng do mỏi) a) Chi tiết máy chịu chế độ ứng suất thay đổi ổn định: Chi tiết máy sẽ bị hỏng do mỏi sau một số chu kỳ làm việc khá lớn N, ứng suất (ƯS) giới hạn ở đây là giới hạn mỏi . Quan hệ giữa  và N theo phương trình đường cong mỏi:  m.N = Const; trong đó: m- bậc của đường cong mỏi; N- số chu kỳ làm việc cho đến lúc hỏng: N = 60 Lh n; Lh – thời gian làm việc (giờ); n – số vòmg quay (vg/ph); No- số chu kỳ cơ sở; r- giới hạn mỏi dài hạn. Nếu chi tiết máy làm việc lâu dài (N  No), ƯS giới hạn lấy bằng giới hạn mỏi dài hạn: lim= r Nếu chi tiết máy làm việc ngắn hạn (N=Nk<No), ƯS giới hạn lấy bằng giới hạn mỏi ngắn hạn: Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.1. ĐỘ BỀN b) Chi tiết máy chịu chế độ ứng suất thay đổi không ổn định: Nếu gọi số chu kỳ làm việc của chi tiết máy ứng với mức ứng suất i và tuổi thọ (số chu kỳ làm việc đến lúc hỏng) Ni là ni. Chi tiết máy sẽ bị phá hỏng khi:  (ni /Ni) = 1 (điều kiện cộng bậc nhất đơn giản các tổn thất mỏi) Chuyển chế độ làm việc không ổn định của chi tiết máy về chế độ ổn định tương đương với mức ứng suất tương đương L và tuổi thọ tương đương NLE ta có: m m m  (i .ni) = L .NLE = r .No m do đó: NLE = (i/L) .Ni m Với: Ni = 60 ti ni, ta có: NLE = 60 (i/L) ti ni Theo đó, nếu NLE > No thì  = r: ứng với giới hạn mỏi dài hạn; Nếu NLE = N r: ứng với giới hạn mỏi ngắn hạn: trong đó: m - bậc của đường cong mỏi, m = 3  30 phụ thuộc cơ tính của vật liệu. Trường hợp tải trọng thay đổi liên tục: NLE = KE N trong đó: KE – hệ số chế độ tải trọng; N - tổng chu kỳ làm việc Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.2. ĐỘ CỨNG 2.2.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Độ cứng là khả năng chống lại sự biến đổi hình dạng và kích thước của chi tiết máy dưới tác dụng của tải trọng (ví dụ: trục bị võng quá sẽ làm cho các bánh răng tiếp xúc không tốt). Theo tính chất của tải trọng là tĩnh hay động ta có độ cứng tĩnh hay động. Người ta phân biệt độ cứng thể tích liên quan đến biến dạng của toàn bộ vật liệu chi tiết và độ cứng tiếp xúc, liên quan đến biến dạng của các lớp bề mặt. 2.2.2. TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG Độ cứng thể tích: Tính toán độ cứng thể tích xuất phát từ điều kiện: chuyển vị dài hoặc góc không được vượt quá giá trị cho phép. Khi chi tiết máy chịu lực dọc trục: trong đó: Fa- lực kéo dọc trục; E- môđun đàn hồi (Mpa); l- chiều dài chi tiết; A- thiết diện ngang của chi tiết; [l]- biến dạng cho phép theo chiều dài. Khi chi tiết máy chịu lực uốn: y  [y]: độ võng cho phép (mm); hoặc:  []: góc xoay cho phép (tính bằng độ). Khi chi tiết máy chịu mômen xoắn: ; trong đó: T- mômen xoắn (MPa); G- môđun đàn hồi trượt; l- chiều dài tính; Jo- mômen quán tính độc cực. Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.2. ĐỘ CỨNG 2.2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CỨNG - Dùng vật liệu hợp lý. - Chọn hình dạng thiết diện ngang hợp lý. - Chọn kết cấu chịu tải hợp lý về độ cứng: sử dụng kết cấu chịu tải đối xứng. - Sử dụng và phân bố các ổ trục hợp lý về số lượng và thể loại. - Tạo ra các biến dạng ngược lại nhờ các đối trọng để cân bằng với biến dạng do trọng lượng riêng của các bộ phận máy gây ra. - Đảm bảo sự cân bằng của hệ thống; giảm biến dạng cục bộ... Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.3. ĐỘ BỀN MÒN 2.3.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ MÀI MÒN Mòn là kết quả tác dụng của ứng suất tiếp xúc hoặc áp suất khi các bề mặt tiếp xúc trượt tương đối với nhau trong điều kiện không đủ dầu bôi trơn. 2.3.3. CÁC BIỆN PHÁP GIẢM MÒN - Chọn kết cấu các chi tiết tiếp xúc bảo đảm chế độ bôi trơn ma sát ướt; - Hạn chế áp suất hoặc ứng suất tiếp xúc không cho vượt quá giá trị cho phép: p  [p] Mối liên hệ giữa áp suấp p và quãng đường ma sát L có thể xác định theo công thức: pm L = const ; trong đó: L- quãng đường ma sát; m- số mũ phụ thuộc điều kiện bôi trơn: masát khô m=1; masát nửa khô m=2; ướt m=3. - Sử dụng vật liệu giảm ma sát. - Giảm tải cho bề mặt chịu ma sát. - Bôi trơn và làm nguội tốt. - Giảm lượng hạt mài rơi vào trong bề mặt ma sát bằng cách che chắn kín. - Đảm bảo mòn đều cho các chi tiết. - Chuyển mòn vào chi tiết ít ảnh hưởng đến độ chính xác của máy. - Sử dụng các kết cấu điều chỉnh được khi mòn... Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.4. ĐỘ CHỊU NHIỆT Là khả năng của chi tiết máy có thể làm việc trong một phạm vi nhiệt độ cần thiết mà không bị nung nóng quá một giá trị cho phép. Nhiệt sinh ra thường do ma sát ở cơ cấu, bộ phận máy... Tính toán nhiệt nhằm xác định nhiệt độ sinh ra trong quá trình làm việc và các biện pháp hạn chế nó trong phạm vi cho phép: t  [t] Để nâng cao khả năng chịu nhiệt của chi tiết máy cần chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt, áp dụng các biện pháp bôi trơn làm mát... Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.5. ĐỘ ỒN ĐỊNH DAO ĐỘNG Là khả năng của chi tiết máy có thể làm việc trong một phạm vi vận tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép. Tính toán dao động nhằm xác định tần số dao động riêng của máy, cơ cấu để tránh cộng hưởng hay hạn chế biên độ trong phạm vi cho phép. Các biện pháp chống rung: triệt tiêu ngoại lực gây dao động; thay đổi tính chất động lực của hệ thống; dùng các thiết bị giảm rung, giảm va đập... Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy 2.6. ĐỘ TIN CẬY VÀ TUỔI THỌ CỦA MÁY 2.6.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ TIN CẬY Độ tin cậy là khả năng của máy hoặc chi tiết máy thực hiện chức năng của mình và duy trì chức năng, nhiệm vụ đó trong suốt thời hạn đã định. Tuổi thọ: là khoảng thời gian làm việc của chi tiết máy từ khi bắt đầu hoạt động cho tới khi đạt trạng thái tới hạn, tức là bị hỏng cần sửa chữa, phục hồi. Tuổi thọ thường được tính theo thời gian làm việc thực tế (không kể thời gian không hoạt động của chi tiết máy). Hệ số sử dụng Ks: là tỉ số giữa thời gian làm việc tlv với tổng thời gian th của chu kỳ làm việc của chi tiết máy: Ks = tlv/th = tlv/(tlv+tb+tp) Trong đó: tb - Thời gian bảo dưỡng; tp - Thời gian sửa chữa phục hồi - Sử dụng các thiết bị cĩ số lượng chi tiết ít, đơn giản, độ tin cậy gần bằng nhau. - Có biện pháp dung hòa giữa giảm cường độ chịu tải (tăng độ tin cậy) với giảm khối lượng và kích thước của chi tiết máy. - Bôi trơn tốt; - Sử dụng hệ thống tự cân bằng; - Sử dụng rộng rãi các chi tiết, kết cấu tiêu chuẩn. HẾT CHƯƠNG 2 Chương 2. Các chỉ tiêu thiết kế máy Câu 1: Cho hai hình trụ tiếp xúc ngồi, cĩ đường kính là d1 = 100mm và d2 = 120mm. Mơ đun đàn 5 5 hồi là E1 = 2,0.10 MPa; E2=2,5.10 MPa. Hệ số poat xơng là μ1 =0,28 ; μ2 =0,31. Chịu lực hướng tâm là Fr =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 khơng đổi, cĩ giới hạn chảy là σch = 150MPa, hệ số an tồn S = 1,2. Ứngsuất cho phép củachi tiết máylà?: 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 4 4 chịu ứng suất σ1 = 250MPa trong t1 =10 chu trình; σ1 = 200 MPa trong t2 = 2.10 chu trình và σ3 4 =220MPa trong t3 =3.10 chu trình. Giới hạn mỏi dài hạn σ-1 = 170MPa; Số chu trình cơ sở N0 =8.106 chu trình. Xácđịnh 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 4,5.105 chu trình. Biết giới hạn 6 mỏi dài hạn σr = 120Mpa và số chu trình cơ sở N0 =10 chu trình. Ứng suất giới hạn σ lim (MPa) củachitiếtmáylà?:a.137 b.150 c.120 d.127 Câu 5: Cho hai hình trụ tiếp xúc trong, cĩ đường kính là d1 =100mm và d2 =500mm. Mơ đun đàn 5 5 hồi là E1 =2,0.10 MPa; E2 =2,5.10 MPa. Hệ số poat xơng là μ1 =0,28 ; μ2 =0,31. Chịu lực hướng tâm là Fr =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