Bài giảng Nguyên lý – Chi tiết máy 1

h sâu rộng việc giảng dạy, học tập theo quy trình đào tạo mới (hệ thống tín chỉ), trong đó học phần Nguyên lý – Chi tiết máy 1 đƣợc đƣa vào giảng dạy cho sinh viên học các chuyên ngành cơ khí, sau khi đã học xong các môn học cơ bản, Hình họa – vẽ kỹ thuật, Dung sai – đo lƣờng, Cơ học 1, Vật liệu kỹ thuật 1... Tập bài giảng Nguyên lý – Chi tiết máy 1 biên soạn với khối lƣợng 2 tín chỉ gồm hai phần: Nguyên lý máy và chi tiết máy. Phần A. Nguyên lý máy: Nghiên cứu vấn đề chuyển động và điều khiển chuyển động của cơ cấu và máy. Ba vấn đề chung của các loại cơ cấu và máy mà phần Nguyên lý máy nghiên cứu là vấn đề về cấu trúc, động học và động lực học, đƣợc nghiên cứu dƣới dạng: bài toán phân tích và bài toán tổng hợp Phần B. Chi tiết máy: Nghiên cứu các liên kết cố định đƣợc sử dụng do sự cần thiết đơn giản hóa việc chế tạo, giảm nhẹ lắp ráp, sửa chữa, vận chuyển...Trong Chế tạo máy các liên kết cố định đƣợc gọi là các mối ghép. Tập bài giảng Nguyên lý – Chi tiết máy 1 là tài liệu chính phục vụ cho công tác giảng dạy của giảng viên và học tập của sinh viên đại học, cao đẳng ngành Cơ khí trong trƣờng ĐHSPKT Nam Định. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng sử dụng những hiểu biết và kinh nghiệm cũng nhƣ thực tế Việt Nam tích lũy đƣợc trong hàng chục năm công tác giảng dạy và thực tiễn, đồng thời tham khảo chƣơng trình giảng dạy cũng nhƣ các sách giáo khoa về Nguyên lý máy và chi tiết máy ở các trƣờng đại học xuất bản trong những năm gần đây. Nhằm ngày càng hoàn thiện nội dung tập bài giảng Nguyên lý – Chi tiết máy 1 chúng tôi mong nhận đƣợc nhiều góp ý của độc giả, xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật cơ sở, Khoa Cơ khí, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định. NHÓM TÁC GIẢ 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 MỤC LỤC ................................................................................................................... 2 PHẦN A ...................................................................................................................... 6 CHƢƠNG1. CẤU TRÚC CƠ CẤU ............................................................................. 5 1.1. Khái niệm và định nghĩa ....................................................................................... 5 1.1.1. Khâu và chi tiết máy ....................................................................................... 5 1.1.2. Nối động, thành phần khớp động và khớp động .............................................. 6 1.1.3. Các loại khớp động và lƣợc đồ khớp ............................................................... 8 1.1.4. Kích thƣớc động của khâu và lƣợc đồ khâu ................................................... 12 1.1.5. Chuỗi động và cơ cấu ................................................................................... 12 1.2. Bậc tự do của cơ cấu phẳng ................................................................................. 15 1.2.1 Khái niệm bậc tự do của cơ cấu ..................................................................... 15 1.2.2. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu ............................................................. 16 1.2.2. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng ................................................... 17 1.2.3. Khâu dẫn – Khâu bị dẫn – Khâu phát động ................................................... 20 1.3. Xếp hạng cơ cấu phẳng ....................................................................................... 21 1.3.1. Nhóm Atxua – Hạng của nhóm ..................................................................... 21 1.3.2. Hạng của cơ cấu............................................................................................ 23 BÀI TẬP CHƢƠNG 1 ............................................................................................... 24 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1 ............................................................................... 27 CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG ..................................... 28 2.1. Bài toán vị trí (chuyển vị) và quỹ đạo ................................................................. 28 2.2. Bài toán vận tốc .................................................................................................. 30 2.3. Bài toán gia tốc ................................................................................................... 34 BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ............................................................................................... 40 CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH LỰC TRÊN CƠ CẤU PHẲNG ...................................... 46 3.1. Lực tác động trên cơ cấu ..................................................................................... 46 3.1.1. Ngoại lực ...................................................................................................... 46 3.1.2. Lực quán tính ................................................................................................ 46 3.1.3. Phản lực khớp động ...................................................................................... 46 3.2. Số liệu cho trƣớc, giả thiết và nội dung của bài toán phân tích lực cơ cấu ........... 47 3.3. Nguyên tắc và trình tự giải bài toán phân tích lực cơ cấu .................................... 48 3.3.1. Nguyên lý Đalămbe ...................................................................................... 48 3.3.2. Điều kiện tĩnh định của bài toán phân tích áp lực khớp động ........................ 49 3.3.3. Trình tự và ví dụ giải bài toán phân tích áp lực khớp động ............................ 50 3.3.4. Phƣơng pháp di chuyển khả dĩ để tính 푴풄풃 hay 푷풄풃 .................................. 54 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3 ............................................................................... 54 2 CHƢƠNG 4. MA SÁT TRONG KHỚP ĐỘNG ........................................................ 55 4.1. Đại cƣơng ........................................................................................................... 55 4.1.1. Khái niệm ..................................................................................................... 55 4.1.2. Ma sát trƣợt khô – Định luật Coulomb .......................................................... 55 4.1.3. Ma sát lăn ..................................................................................................... 59 4.2. Ma sát trƣợt khô trong khớp trƣợt ....................................................................... 64 4.2.1. Ma sát trong rãnh hình tam giác .................................................................... 64 4.2.2. Ma sát trên mặt phẳng nghiêng ..................................................................... 65 4.2.3. Ma sát trên rãnh nghiêng hình tam giác ......................................................... 66 4.2.4. Ma sát trong khớp ren vít .............................................................................. 68 4.3. Ma sát trƣợt trong khớp quay .............................................................................. 70 4.3.1. Mô men ma sát trong khớp quay ................................................................... 71   4.3.2. Tính phản lực N và tổng lực ma sát F ......................................................... 73 4.3.3. Vòng tròn ma sát và hiện tƣợng tự hãm trong khớp quay .............................. 76 4.3.4. Các trƣờng hợp cụ thể của khớp quay ........................................................... 78 4.4. Ma sát trong khớp quay chặn .............................................................................. 81 4.4.1. Khớp quay chặn còn mới (ổ chặn) ................................................................ 82 4.4.2. Khớp quay chặn đã chạy mòn ....................................................................... 83 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 4 ............................................................................... 84 PHẦN B .................................................................................................................... 85 CHI TIẾT MÁY ........................................................................................................ 85 CHƢƠNG 5. CÁC CHI TIẾT MÁY GHÉP ............................................................... 85 5.1. Ghép bằng đinh tán ............................................................................................. 85 5.1.1. Khái niệm chung ........................................................................................... 85 5.1.2 . Tính mối ghép chắc ..................................................................................... 88 5.1.3. Tính mối ghép chắc kín................................................................................. 91 5.1.4. Hệ số bền của mối ghép ................................................................................ 92 5.1.5. Xác định ứng suất cho phép .......................................................................... 92 5.2.Ghép bằng hàn ..................................................................................................... 93 5.2.1. Khái niệm chung ........................................................................................... 93 5.2.2. Kết cấu mối hàn ............................................................................................ 96 5.2.3. Tính mối ghép hàn giáp mối; chồng; góc ...................................................... 98 5.2.4. Tính mối hàn tiếp xúc ................................................................................. 102 5.2.5. Độ bền của mối hàn và ứng suất cho phép .................................................. 104 5.2.6. Thí dụ ......................................................................................................... 106 5. 3. Ghép bằng độ dôi ............................................................................................. 107 5. 3.1. Khái niệm chung ........................................................................................ 107 5.3.2. Tính mối ghép............................................................................................. 110 3 5.4. Mối ghép then, then hoa và trục định hình ........................................................ 114 5.4.1 Mối ghép then .............................................................................................. 114 5.4.2. Mối ghép then hoa ...................................................................................... 119 5.4.3. Mối ghép bằng trục định hình ..................................................................... 123 5.5. Mối ghép bằng ren ............................................................................................ 124 5.5.1. Khái niệm chung ......................................................................................... 124 5.5.2. Tính mối ghép ren ....................................................................................... 130 5.5.3. Tính mối ghép nhóm bu lông ...................................................................... 139 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5 ............................................................................. 149 CHƢƠNG 6. PHÂN TÍCH CHỌN MỐI GHÉP ....................................................... 151 6.1. Mối ghép ren ..................................................................................................... 151 6.1.1. Ƣu điểm ...................................................................................................... 151 6.1.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................ 151 6.1.3. Phạm vi sử dụng ......................................................................................... 151 6.2. Mối ghép đinh tán ............................................................................................. 151 6.2.1. Ƣu điểm ...................................................................................................... 151 6.2.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................ 151 6.2.3. Phạm vi sử dụng ......................................................................................... 152 6.3. Mối ghép hàn .................................................................................................... 152 6.3.1. Ƣu điểm ...................................................................................................... 152 6.3.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................ 152 6.3.3. Phạm vi sử dụng ......................................................................................... 152 6.4. Mối ghép độ dôi ................................................................................................ 153 6.4.1. Ƣu điểm ...................................................................................................... 153 6.4.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................ 153 6.4.3. Phạm vi sử dụng ......................................................................................... 153 6.5. Mối ghép then, then hoa và trục định hình ........................................................ 153 6.5.1. Ƣu điểm ...................................................................................................... 153 6.5.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................ 153 6.5.3. Phạm vi sử dụng ......................................................................................... 153 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 6 ............................................................................. 154 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 155 4 PHẦN THỨ NHẤT NGUYÊN LÝ MÁY CHƢƠNG 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 1.1. Khái niệm và định nghĩa 1.1.1. Khâu và chi tiết máy a. Ví dụ về máy và cơ cấu Xét động cơ đốt trong kiểu pistông – tay quay đƣợc dùng để biến đổi năng lƣợng của khí cháy bên trong xilanh (nhiệt năng, hóa năng) thành cơ năng trên trục khuỷu (máy này đƣợc gọi là máy năng lƣợng- hình 1.1) Hình 1.1. Máy năng lượng Động cơ đốt trong bao gồm nhiều cơ cấu. Cơ cấu chính trong máy là cơ cấu tay quay – con trƣợt OAB (hình 1.2) làm nhiệm vụ biến chuyển tịnh tiến của pistông (3) thành chuyển động quay của trục khuỷu (1). Hình 1.2. Cơ cấu tay quay – con trượt 5 b. Khâu và chi tiết máy. + Máy và cơ cấu gồm nhiều bộ phận có chuyển động tƣơng đối với nhau. Mỗi bộ phận có chuyển động riêng biệt này của máy đƣợc gọi là một khâu. Khâu có thể là một vật rắn không biến dạng, vật rắn biến dạng (ví dụ lò xo) hoặc có dạng day dẻo (ví dụ dây đai trong bộ truyền đai). Trong toàn bộ giáo trình, trừ những trƣờng hợp đặc biệt ta xem khâu nhƣ là một vật rắn không biến dạng (vật rắn tuyệt đối) + Khâu có thể là một chi tiết máy độc lập hay do một số chi tiết máy ghép cứng lại với nhau. Mỗi chi tiết máy là một bộ phận hoàn chỉnh, không thể tháo rời nhỏ hơn đƣợc nữa của máy. c. Ví dụ Cơ cấu tay quay con trƣợt OAB (hình 1.2) có 4 khâu: Trục khuỷu (1), thanh truyền (2), pistông (3) và xi lanh (4) gắn liền với vỏ máy. Trong hệ quy chiếu gắn liền với khâu (4) (vỏ máy, xi lanh), mỗi khâu có chuyển động riêng biệt. Khâu (1) quay xung quanh tâm O, khâu (2) chuyển động song phẳng, khâu (3) chuyển động tịnh tiến, khâu (4) cố định. Trục khuỷu thông thƣờng là một chi tiết máy độc lập. Thanh truyền gồm nhiều chi tiết máy nhƣ thân, bạc lót, đầu to, bu lông, đai ốcghép cứng lại với nhau. 1.1.2. Nối động, thành phần khớp động và khớp động a. Bậc tự do tương đối giữa hai khâu. + Số bậc tự do tƣơng đối giữa hai khâu là số khả năng chuyển động độc lập tƣơng đối của khâu này đối với khâu kia (tức là số khả năng chuyển động độc lập của khâu này trong một hệ quy chiếu gắn liền với khâu kia). Hình 1.3. Hai khâu trong không gian + Khi để rời hai khâu trong không gian, giữa chúng sẽ có 6 bậc tự do tƣơng đối. 6 Thật vậy, trong hệ tọa độ vuông góc Oxyz gắn liền với khâu (1), khâu (2) có 6 khả năng chuyển động: Tx, Ty, Tz (chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục Ox, Oy, Oz) và Qx, Qy, Qz (chuyển động quay xung quanh các trục Ox, Oy, Oz). Sáu khả năng này hoàn toàn độc lập với nhau (hình 1.3). + Tuy nhiên, khi để rời hai khâu trong mặt phẳng, số bậc tự do tƣơng đối giữa chúng chỉ còn lại là 3: chuyển động quay Qz xung quanh trục Oz vuông góc với mặt phẳng chuyển động Oxy của hai khâu và chuyển động tịnh tiến Tx, Ty dọc theo các trục Ox, Oy nằm trong mặt phẳng này (hình 1.4). Hình 1.4. Hai khâu trong mặt phẳng + Số bậc tự do tƣơng đối giữa hai khâu cũng chính là số thông số vị trí độc lập cần cho trƣớc để xác định hoàn toàn vị trí của khâu này trong một hệ quy chiếu gắn liền với khâu kia (hình 1.5). Hình 1.5. Bậc tự do hai khâu Thật vậy, để xác định hoàn toàn vị trí của khâu (2) trong hệ quy chiếu R gắn liền với khâu (1), nghĩa là để xác định hoàn toàn vị trí của hệ quy chiếu R2 gắn liền với khâu (2) so với hệ quy chiếu R, cần biết 6 thông số: + Ba tọa độ Xo2, Yo2, Zo2 của gốc O2 của hệ quy chiếu R2 trong hệ R. 7  + Ba góc chỉ phƣơng α, β, γ xác định phƣơng chiếu của vectơ định vị e của x2 trục O2x2 của hệ R2 trong hệ R. b. Nối động, thành phần khớp động, khớp động + Để tạo thành cơ cấu, ngƣời ta phải tập hợp các khâu lại với nhau bằng cách thực hiện các phép nối động. Nối động hai khâu là bắt chúng tiếp xúc với nhau theo một quy cách nhất định trong suốt quá trình chuyển động. Nối động hai khâu làm hạn chế bớt số bậc tự do tƣơng đối giữa chúng. + Chỗ trên mỗi khâu tiếp xúc với khâu đƣợc nối động với nó gọi là thành phần khớp động. + Tập hợp hai thành phần khớp động của hai khâu trong một phép nối động gọi là một khớp động. 1.1.3. Các loại khớp động và lƣợc đồ khớp a. Các loại khớp động + Căn cứ vào số bậc tự do tƣơng đối bị hạn chế đi khi nối động (còn gọi là số ràng buộc của khớp), ta phân khớp động thành các loại, khớp loại 1, loại 2, loại 3, loại 4, loại 5 lần lƣợt hạn chế 1, 2, 3, 4, 5 bậc tự do tƣơng đối. Không có khớp loại 6, vì khớp này hạn chế 6 bậc tự do tƣơng đối giữa hai khâu, khi đó hai khâu là ghép cứng với nhau. Không có khớp loại 0, vì khi đó hai khâu để rời hoàn toàn trong không gian (liên kết giữa hai khâu lúc này đƣợc gọi là liên kết tự do). + Căn cứ vào đặc điểm tiếp xúc của hai khâu khi nối động, ta phân khớp động thành các loại: khớp cao nếu thành phần khớp động là các điểm hay các đƣờng (hai khâu tiếp xúc nhau theo điểm hoặc đƣờng). Khớp thấp nếu thành phần khớp động là các mặt (hai khâu tiếp xúc nhau theo mặt). b. Ví dụ về khớp động + Ví dụ 1: Cho hình trụ tròn xoay (khâu 1) tiếp xúc với tấm phẳng (khâu 2) theo một đƣờng sinh, ta đƣợc một khớp động ( hình 1.6). Hình 1.6. Khớp cao 8 Số bậc tự do tƣơng đối bị hạn chế đi là 2 (hai chuyển động Qy, Tz không thể xảy ra vì khi đó hình trụ không còn tiếp xúc với tấm phẳng theo đƣờng sinh nữa). Khớp động này là khớp loại 2. Thành phần khớp động trên khâu 1 là đƣờng sinh AA’ của nó hiện đang tiếp xúc với mặt phẳng của khâu 2. Thành phần khớp động trên khâu 2 là đoạn thẳng BB’ hiện trùng với đƣờng sinh AA’. Thành phần khớp động là các đƣờng nên khớp động này là một khớp cao. + Ví dụ 2: Hình cầu tiếp xúc với nhau ( hình 1.7) cho ta một khớp động. Số bậc tự do tƣơng đối bị hạn chế đi là 3 (hạn chế ba chuyển động Tx, Ty, Tz), nên đây là một khớp cầu loại 3. Thành phần khớp động là các mặt cầu, vậy khớp cầu nói trên là một khớp thấp. Hình 1.7. Khớp cầu + Ví dụ 3: Hình 1.8. Khớp cầu có chốt 9 Khớp cầu có chốt (hình 1.8). Khác với khớp cầu loại 3 trên đây, trên khâu 2 của khớp cầu này có gắn thêm chốt 3, trên khâu 1 có xẻ rãnh 4. Khi đó, khâu hai chỉ còn hai khả năng chuyển động tƣơng đối so với khâu1: chuyển động quay Qx xung quanh trục x và chuyển động quay Qy xung quanh trục y. Khớp này hạn chế 4 bậc tự do tƣơng đối, do vậy là khớp loại 4. Thành phần khớp động là các mặt cầu nên đây là một khớp thấp. + Ví dụ 4: Khớp tịnh tiến ( khớp trƣợt – hình 1.9): số bậc tự do tƣơng đối bị hạn chế đi là 5 (chỉ để lại chuyển động tịnh tiến Tx) nên khớp trƣợt là khớp loại 5. Thành phần khớp động là các mặt phẳng, nên khớp trƣợt là một khớp thấp. Hình 1.9. Khớp trượt + Ví dụ 5: Khớp quay (khớp bản lề - hình 1.10): số bậc tự do tƣơng đối bị hạn chế đi là 5 (chỉ để lại chuyển động quay Qz) nên khớp quay là một khớp loại 5. Thành phần khớp động là các mặt trụ tròn xoay A và các phần mặt phẳng B, nên đây là một khớp thấp. Hình 1.10. Khớp quay 10 + Ví dụ 6 Khớp vít (ví dụ vít me – đai ốc hình 1.11): khâu 1 có hai khả năng chuyển động tƣơng đối so với khâu 2, đó là hai chuyển động Tz và Qz. Tuy nhiên hai khả năng chuyển động này phụ thuộc lẫn nhau ( khi giữ vít me cố định và xoay đai ốc một góc nào đó quanh trục Oz thì đai ốc sẽ tịnh tiến một khoảng xác định dọc theo trục Oz). Do vậy khớp vít là khớp loại 5. Thành phần khớp động là các mặt ren vít nên đây là một khớp thấp. Hình 1.11. Khớp vít c. Lược đồ khớp Trên thực tế, kết cấu khâu và khớp rất phức tạp. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu các bài toán về cơ cấu, ngƣời ta biểu diễn các khớp động khác nhau bằng các lƣợc đồ quy ƣớc. Lƣợc đồ một số khớp thông dụng: Khớp cầu (Khớp thấp, loại 3) Khớp cầu có chốt (Khớp thấp, loại 4) Khớp tịnh tiến (Khớp thấp, loại 5) Khớp bản lề (Khớp thấp, loại 5) Khớp vít (Khớp thấp, loại 5) Khớp cao phẳng (khớp bánh răng phẳng, khớp cam phẳng) (Khớp cao, loại 4) 11 1.1.4. Kích thƣớc động của khâu và lƣợc đồ khâu Kích thƣớc động của khâu là các thông số xác định vị trí tƣơng đối giữa các thành phần khớp động trên khâu. Ví dụ 1: Thanh truyền (2) trong động cơ đốt trong (hình 1.1) đƣợc nối với tay quay (1) và với pistông (3) bằng các khớp quay, các thành phần khớp động trên thanh truyền là các mặt trụ trong có đƣờng trục song song với nhau. Kích thƣớc động của thanh truyền là khoảng cách li giữa hai đƣờng trục của các khớp quay. Mỗi khâu có thể có một hay nhiều kích thƣớc động. Ví dụ 2: Khâu 3 trên hình 1.14 đƣợc nối động với ba khâu 6, 2 và 4 bằng các khớp quay D, C, E. Khâu 3 có ba kích thƣớc động, đó là khoảng cách trục lEC, lDE, lDC giữa các khớp quay. Khâu đƣợc biểu diễn bằng các lƣợc đồ gọi là lƣợc đồ động của khâu, trên đó trể hiện các kích thƣớc động của nó và lƣợc đồ các khớp động nối nó với các khâu khác. Ví dụ 3: Lƣợc đồ động của khâu thanh truyền (2) trong động cơ đốt trong (hình 1.12). l i Hình 1.12. Lược đồ khâu 1.1.5. Chuỗi động và cơ cấu a. Chuỗi động + Chuỗi động là tập hợp các khâu đƣợc nối với nhau bằng các khớp động. + Dựa trên cấu trúc chuỗi động, ta phân chuỗi động thành hai loại: chuỗi động hở và chuỗi động kín. Chuỗi động hở là chuỗi động trong đó các khâu chỉ đƣợc nối với một khâu khác. Chuỗi động kín là chuỗi động trong đó mỗi khâu đƣợc nối ít nhất với hai khâu khác (các khâu tạo thành các chu vi khép kín, mỗi khâu tham gia ít nhất hai khớp động). 12 + Dựa trên tính chất chuyển động, ta phân biệt chuỗi động không gian và chuỗi động phẳng. Chuỗi động không gian có các khâu chuyển động trên các mặt phẳng không song song với nhau, còn trong chuỗi động phẳng, tất cả các khâu chuyển động trên những mặt phẳng song song với nhau. + Ví dụ 1: Chuỗi động trên hình 1.13, có 4 khâu nối với nhau bằng 3 khớp quay và 1 khớp trƣợt, các khớp quay có đƣờng trục song song với nhau và vuông góc với phƣơng trƣợt của khớp trƣợt, do đó cả 4 khâu có mặt phẳng chuyển động song song với nhau. Hơn nữa mỗi khâu trong chuỗi động nối động với 2 khâu khác, nên chuỗi động nói trên là một chuỗi động phẳng kín. Hình 1.13. Chuỗi động phẳng kín Tƣơng tự, chuỗi động trên hình 1.14 cũng là chuỗi động phẳng kín. Hình 1.14. Chuỗi động phẳng kín Chuỗi động trên hình 1.15 gồm 4 khâu, nối nhau bằng 3 khớp quay có đƣờng trục vuông góc với nhau tƣờng đôi một, do đó các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không song song với nhau. Mặt khác, khâu 3 và khâu 4 chỉ đƣợc nối với một khâu khác nên đây là một chuỗi động không gian hở. 13 Hình 1.15. Chuỗi động không gian hở b. Cơ cấu + Cơ cấu là một chuỗi động, trong đó một khâu đƣợc chọn làm hệ quy chiếu (còn gọi là giá), các khâu còn lại có chuyển động xác định trong hệ quy chiếu này (còn gọi là các khâu động). Thông thƣờng, coi giá là cố định. Tƣơng tự nhƣ chuỗi động, ta cũng phân biệt cơ cấu phẳng và cơ cấu không gian. Ví dụ: Chọn khâu 4 trong chuỗi động phẳng kín (hình 1.13), khâu 6 trong chuỗi động phẳng kín (hình 1.14) làm giá, ta đƣợc các cơ cấu phẳng. Chọn khâu 4 trong chuỗi động không giản hở (hình 1.15) làm giá, ta có cơ cấu không gian. 4 Hình 1.16. Cơ cấu tay quay con trượt Hình 1.16 cơ cấu tay quay con trƣợt dùng để biến chuyển động quay của khâu 1 thành chuyển động tịnh tiến của khâu 3 và ngƣợc lại. Hình 1.17 cơ cấu 6 khâu phẳng sử dụng trong máy sàng lắc, dùng để biến chuyển động quay của khâu 1 thành chuyển động tịnh tiến qua lại của con trƣợt 5. Hình 1.18 cơ cấu tay máy ba bậc tự do. 14 Hình 1.17. Cơ cấu 6 khâu phẳng Hình 1.18. Cơ cấu tay máy + Cơ cấu thƣờng đƣợc tạo thành từ chuỗi động kín. Cơ cấu đƣợc tạo thành từ chuỗi động hở nhƣ cơ cấu tay máy (hình 1.18), cơ cấu rô to máy điện (hình 1.19). Hình 1.19. Cơ cấu rô to 1.2. Bậc tự do của cơ cấu phẳng 1.2.1 Khái niệm bậc tự do của cơ cấu + Số bậc tự do của cơ cấu là số thông số vị trí độc lập cần cho trƣớc để vị trí của toàn bộ cơ cấu hoàn toàn xác định. Số bậc tự do của cơ cấu cũng chính bằng số quy luật chuyển động cần cho trƣớc để chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác định. Ví dụ: Xét cơ cấu bốn khâu bản lề ABCD (hình 1.20) gồm giá cố định 4 và ba khâu động 1, 2, 3. Nếu cho trƣớc thông số υ1= (퐴 퐷 , 퐴 퐵 ) để xác định vị trí của khâu 1 so với giá thì vị trí của cơ cấu hoàn toàn xác định. Thật vậy, do kích thƣớc động lAB đã 15 cho trƣớc nên vị trí điểm B hoàn toàn xác định. Do điểm D và các kích thƣớc lBC, lCD đã cho trƣớc nên vị trí điểm C và do đó vị trí các khâu 2 và 3 hoàn toàn xác định. Nếu cho trƣớc quy luật chuyển động của khâu (1): υ1 = υ1(t) thì chuyển động của các khâu 2 và 3 sẽ hoàn toàn xác định. Nhƣ vậy cơ cấu bốn khâu bản lề có 1 bậc tự do: W=1. Hình 1.20. Cơ cấu 4 khâu bản lề 1.2.2. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu a. Xét cơ cấu gồm giá cố định và n khâu động. Gọi W0 là tổng số bậc tự do của các khâu động của cơ cấu khi để rời nhau trong hệ quy chiếu gắn liền với giá. R là tổng số các ràng buộc do các khớp trong cơ cấu tạo ra. Khi đó bậc tự do của cơ cấu sẽ bằng : W = W0 – R Do mỗi khâu động khi để rời sẽ có 6 bậc tự do nên tổng số bậc tự do của n khâu động là: W0 = 6n Để tính bậc tự do của cơ cấu, cần tính R. b. Đối với các cơ cấu mà lược đồ không có một đa giác nào cả, tức là không có khớp nào là khớp đóng kín (ví dụ cơ cấu tay máy hình 1.18), sau khi nối n khâu động lại với nhau và với giá pj khớp loại j, tổng số các ràng buộc bằng: R =  jp j ( mỗi khớp loại j hạn chế j bậc tự do tƣơng đối, nghĩa là tạo ra j ràng buộc). j Do đó ta có W=6n - (1.1) Ví dụ Với cơ cấu tay máy (hình 1.18): n= 3, p5 = 3 ( ba khớp quay loại 5) => W= 3.6 – (3.5) =3. c. Đối với các cơ cấu mà lược đồ là một hay một số đa giác đóng kín, hoặc đối với một số cơ cấu có các đặc điểm về hình học, ta phải xét đến các ràng buộc trùng và ràng buộc thừa trong các công thức tính bậc tự do. Khi đó ta có: W= 6n – ( - Rtrùng - Rthừa) (1.2) 16 Ngoài ra, trong số các bậc tự do đƣợc tính theo công thức (1.2), có thể có những bậc tự do không có ý nghĩa đối với vị trí các khâu động trong cơ cấu, nghĩa là không ảnh hƣởng gì đến cấu hình của cơ cấu. Các bậc tự do này gọi là bậc tự do thừa và phải loại đi khi tính toán bậc tự do của cơ cấu. Tóm lại, công thức tổng quát để tính bậc tự do là: W= 6n – ( - Rtrùng - Rthừa) - Wthừa (1.3) Với Rrung : số ràng buộc trùng; Rthừa: số rằng buộc thừa; Wthừa: số bậc tự do thừa. 1.2.2. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng a. Với cơ cấu phẳng Ngay khi còn để rời nhau trong hệ quy chiếu gắn liền với giá, các khâu đƣợc xem nhƣ nằm trên cùng một mặt phẳng (hay trên các mặt phẳng song song nhau). Do đó tổng số bậc tự do của n khâu động: W0 = 3n Gọi Oxy là mặt phẳng chuyển động của cơ cấu thì các bậc tự do Tz, Qx, Qy của mỗi khâu đã bị hạn chế. Mỗi khớp quay có trục quay Oz vuông góc với mặt phẳng Oxy chỉ còn hạn chế hai bậc tự do là chuyển động tịnh tiến Tx và Ty. Mỗi khớp trƣợt có phƣơng trƣợt nằm trong mặt phẳng Oxy (hình 1.21) chỉ còn hạn chế hai bậc tự do là chuyển động quay Qz và chuyển động tịnh tiến TN trong mặt phẳng Oxy theo phƣơng vuông góc với phƣơng trƣợt.  jp j j Hình 1.21. Khớp trượt Mỗi khớp cao loại 4 nhƣ khớp bánh răng phẳng, khớp cam phẳng (hình 1.22) chỉ còn hạn chế một bậc tự do là chuyển động tịnh tiến TN trong mặt phẳng Oxy theo phƣơng pháp tuyến chung của hai thành phần khớp cao. Trong cơ cấu phẳng thƣờng chỉ dùng ba loại khớp trên nên tổng số các ràng buộc do các khớp trong cơ cấu phẳng tạo ra: R = 2p5 + p4 Nhƣ vậy, bậc tự do của cơ cấu: W = 3n – (2p5 + p4) (1.4) Thông thƣờng có thể dùng công thức (1.4) để tính bậc tự do của cơ cấu. 17 Hình 1.22. Khớp cam phẳng Ví dụ Cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng (hình 1.20): n=3, p5 =4; p4= 0 => W= 3.3- (2.4 +0) = 1. Tuy nhiên, kể đến các ràng bu...  att DC; a l C C3 DC Phƣơng trình 2.12 có hai ẩn số và có thể giải bằng phƣơng pháp họa đồ. Họa đồ gia tốc trên hình 2.10 Từ họa đồ gia tốc suy ra: t t aB 3 53 2 aC 53 aC    2,88 m / s và 3    57,7rad / s 33 lDC 3.0,05  t Chiều của ε3 đƣợc suy từ chiều của aC nhƣ trên hình 2.10. 41 π 푛 푎 퐵 푎 퐶 b 푉 퐵 푉 퐶 퐵 p n C 푛 b' nCB 푎 퐶 퐵 푡 푡 푎 퐶 푎 퐶 퐵 푉 퐶 c Họa đồ vận tốc Họa đồ gia tốc Hình 2.10 Bài 2:   + Ta có: VV và  BB32 21 Phƣơng trình vận tốc:    VVV (2.13) BBBB2 1 2 1      Với: V AB ; Vl  ; V// AB ; V V  CB; V  V   l B1 B1 1 AB BB21 B2 B 3 B 2 B 3 3 CB Phƣơng trình (2.13) có hai ẩn số và có thể giải bằng phƣơng pháp họa đồ. Họa đồ vận tốc nhƣ trên hình 2.11. Từ họa đồ vận tốc suy ra: V2 V  2 l  2.10.0,1  2 m / s B3 B11 AB V B3 2 3    20rad / s lCB 0,1  Chiều của ω3 suy ra từ chiều của V nhƣ trên hình 2.11 B3 + Phƣơng trình gia tốc:       t n k r a a  a  a  a  a  a 2.14 BBBBBBBBB3 3 3 2 1 2 1 2 1    Với a hƣớng từ B về A; a22 l 102 .0,1  10 m / s B1 B1 1 AB     ak 2 V  2. 3.10  20 3 m / s2 ,chiều của ak là chiều của V quay đi 900 theo BBBB1 2 1 2 1 BB21 BB21  chiều ω ; ar //AB. 1 BB21 42   an hƣớng từ B về C, an2 l (20) 2 .0,1  40 m / s 2 ; a t  CB ; a t  l B3 B333 CB B 3 B 3 CB Phƣơng trình (2.14) có hai ẩn số và có thể giải bằng phƣơng pháp họa đồ. Họa đồ  t aB  0 gia tốc nhƣ trên hình 2.11. Từ họa đồ gia tốc suy ra 3 ; do đó ε3 = 0. π 푎 퐵 1 b1’ 푘 푎 퐵2퐵1 k 푎 푛 푟 퐵3 푎 퐵2퐵1 b2 = b3 Phƣơng 푛 푉 = 푉 퐵3 퐵3 퐵2 b3’ = b2’ 푉 퐵2퐵1 p 푟 Phƣơng của 푎 퐵2퐵1 푉 퐵1 b1 Họa đồ vận tốc Họa đồ gia tốc Hình 2.11 Bài 3: + Cơ cấu máy sàng lắc bao gồm khâu dẫn 1 và hai nhóm tĩnh định hạng II. Nhóm gần khâu dẫn gồm hai khâu 2 và 3 và ba khớp B, C, D (khớp chờ là khớp quay B và khớp quay D). Nhóm xa khâu dẫn gồm hai khâu 4 và 5 và ba khớp: 2 khớp quay E, F và 1 khớp trƣợt F ( khớp chờ là khớp quay E và khớp trƣợt F). + Hai điểm C và B thuộc cùng khâu 2, ta có:    VVV (2.15) C B CB    Với VB ABV,,,,, B 1 lV AB CB  BCV CB   2 lV BC C  DCV C   3 l DC  Giải phƣơng trình (2.15) bằng phƣơng pháp họa đồ, ta suy đƣợc vận tốc VC .  Dựa vào định lý đồng dạng thuận, ta suy đƣợc vận tốc VE của điểm E trên khâu 3:   V V  C . Hai điểm F và E thuộc cùng khâu 4, ta có: E 2    VVV (2.16) F E FE 43  V   Trong đó: VC ,,, V  FE V   l V song song với phƣơng trƣợt của con E2 FE FE4 FE F  trƣợt F. Giải phƣơng trình (2.16) bằng phƣơng pháp họa đồ, ta suy đƣợc vận tốc VF . Họa đồ vận tốc nhƣ trên hình (2.12).   Từ đó suy ra: VC V B; V C  V B 1 l AB  20.0,1  2 m / s    V V 2   VVC và V V C  1 m / s , V  0; V  0;  0;  0 FE2 F E22 CB EF 2 4 + Hai điểm C và B thuộc cùng khâu 2, ta có:      t n n t aC a C  a C  a B  a CB  a CB (2.17)   222 n Với aB hƣớng từ B về A, aB1 l AB 20 .0,1  40 m / s , aCB hƣớng từ C về B,   an2 l 0; a t  CB ; a t  l , an hƣớng từ C về D, CB 23BC CB CB BC C 2 2  nVC 2 2 t t aC  20 m / s , a C  DC ; a C  3 l CD lDC 0,2  Giải phƣơng trình (2.17) bằng phƣơng pháp họa đồ, ta suy đƣợc vận tốc aC . Dựa    a vào định lý đồng dạng thuận, ta suy đƣợc gia tốc a của điểm E trên khâu 3: a  C E E 2 + Hai điểm F và E thuộc cùng khâu 4, ta có:     nt aF a E  a FE  a FE    n 2 t Với , alFE 4.0 EF , alFE   4. EF , aF song song với phƣơng trƣợt của con trƣợt F. Giải phƣơng trình (2.18) bằng phƣơng pháp họa độ, ta suy đƣợc gia tốc . Họa   aE 10 2 đồ gia tốc nhƣ trên hình 2.12. Từ đó suy ra: aF    5/ m s 22 Ghi chú: Khi vẽ họa đồ vận tốc trong hai bài tập trên, cần lƣu ý rằng họa đồ cơ cấu, họa đồ vận tốc và gia tốc có các hình dạng đặc biệt, do vậy ta không cần sử dụng tỷ xích mà chỉ cần sử dụng quan hệ giữa các cạnh trên họa đồ để tính toán giá trị của vận tốc và gia tốc. 44 Họa đồ vận tốc Họa đồ gia tốc Hình 2.12 45 CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH LỰC TRÊN CƠ CẤU PHẲNG 3.1. Lực tác động trên cơ cấu Khi làm việc cơ cấu chịu tác động của các ngoại lực sau: 3.1.1. Ngoại lực Lực phát động: Lực từ động cơ đặt trên khâu dẫn của cơ cấu thông qua một hệ  truyền dẫn. Lực phát động thƣờng có dạng một mô men lực và ký hiệu là M D Lực cản kỹ thuật: Lực từ đối tƣợng công nghệ tác động lên bộ phận làm việc của máy. Lực cản kỹ thuật là lực cần khắc phục để thực hiện quy trình công nghệ của máy, lực này đƣợc đặt trên một khâu bị dẫn của cơ cấu. Ví dụ: lực cắt tác động lên các dụng cụ trong các máy cắt gọt kim loại, lực cản của đất tác dụng lên lƣỡi cày trong máy cày, trọng lƣợng các vật di chuyển trong máy   nâng chuyểnLực cản kỹ thuật đƣợc ký hiệu là PC hay M C . Trọng lượng các khâu: Nếu trọng tâm các khâu đi lên thì trọng lƣợng có tác dụng nhƣ lực cản, ngƣợc lại nếu trọng tâm đi xuống thì trọng lƣợng có tác dụng nhƣ  lực phát động. Trong lƣợng khâu thứ i đƣợc ký hiệu là Gi 3.1.2. Lực quán tính Ngoài ngoại lực, trên các khâu chuyển động có gia tốc còn có lực quán tính. Lực   quán tính ký hiệu là Pqt , còn mô men lực quán tính ký hiệu là M qt . 3.1.3. Phản lực khớp động Dƣới tác động của ngoại lực và lực quán tính, trong các khớp động của cơ cấu xuất hiện các phản lực khớp động. Hình 3.1. Phản lực trong khớp động 46 Phản lực khớp động là lực từ mỗi thành phần khớp động tác động lên thành phần khớp động đƣợc nối với nó trong khớp động. Phản lực khớp động từ khâu thứ i  tác dụng lên khâu thứ j đƣợc ký hiệu Rij . Trong mỗi khớp động bao giờ cũng có một đôi phản lực khớp động trực đối với  nhau: nếu khâu 1 tác động lên khâu 2 một lực R12 , thì khâu 2 sẽ tác động lên khâu 1    một lực R21 với RR21 12 (hình 3.1) Phản lực khớp động gồm hai thành phần: + Áp lực khớp động: thành phần không sinh công trong chuyển động tƣơng đối giữa các thành phần khớp động, áp lực khớp động vuông góc với phƣơng chuyển động  tƣơng đối, áp lực khớp động từ khâu thứ i tác dụng lên khâu thứ j đƣợc ký hiệu là Nij . + Lực ma sát: thành phần sinh công âm trong chuyển động tƣơng đối. Lực ma sát song song với phƣơng chuyển động tƣơng đối (hoặc xu hƣớng chuyển động tƣơng đối).  Lực ma sát từ khâu thứ i tác dụng lên khâu thứ j đƣợc ký hiệu là Fij . Lực ma sát trong khớp động là một lực cản có hại, công của lực ma sát làm nóng và làm mòn các thành phần khớp. 3.2. Số liệu cho trƣớc, giả thiết và nội dung của bài toán phân tích lực cơ cấu * Số liệu cho trước + Lƣợc đồ động của cơ cấu, khâu dẫn và vận tốc góc ω1 của khâu dẫn. + Các ngoại lực tác động lên các khâu. + Các thông số quán tính gồm: Khối lƣợng mi và vị trí trọng tâm Si của mỗi khâu. Mô men quán tính JSi đối với trọng tâm của các khâu chuyển động quay. * Các giả thiết của bài toán phân tích lực cơ cấu + Khi phân tích lực trên khâu dẫn, ngƣời ta thƣờng giả thiết khâu dẫn quay đều, tức là có vận tốc góc bằng hằng số. + Mặt khác, các khớp động thƣờng đƣợc bôi trơn đầy đủ nên giá trị lực ma sát trong khớp động thƣờng khá nhỏ so với giá trị áp lực khớp động tƣơng ứng, do vậy khi giả bài toán phân tích lực ngƣời ta thƣờng bỏ qua lực ma sát, nghĩa là đồng nhất áp lực khớp động với phản lực khớp động. + Đối với cơ cấu phẳng, để bài toán phân tích lực đƣợc đơn giản, ta giả thiết các lực tác dụng lên cơ cấu nằm trong cùng một mặt phẳng song song với mặt phẳng chuyển động của cơ cấu. * Nội dung của bài toán phân tích lực cơ cấu Bài toán phân tích lực cơ cấu bao gồm các vấn đề sau: 47 + Phân tích lực trên khâu bị dẫn, cụ thể là xác định áp lực tại các khớp động trong các nhóm tĩnh định của cơ cấu. + Phân tích lực khâu dẫn, cụ thể là xác định lực hay mô men lực cần phải đặt trên khâu dẫn để đảm bảo cho khâu dẫn có vận tốc bằng hằng nhƣ đã giả thiết. Lực và mô  men lực nói trên lần lƣợt đƣợc gọi là lực cân bằng ký hiệu là Pcb và mô men cân bằng  ký hiệu là M cb . Ngoài ra, còn phải xác định áp lực tại khớp động nối khâu dẫn với giá. Chƣơng này chỉ trình bày bài toán phân tích lực trên cơ cấu phẳng và sử dụng phƣơng pháp họa đồ véc tơ. 3.3. Nguyên tắc và trình tự giải bài toán phân tích lực cơ cấu 3.3.1. Nguyên lý Đalămbe Áp lực khớp động là nội lực đối với cơ cấu. Để làm xuất hiện các lực này trong công thức tính toán, ta phải hình dung tách các khớp ra. Tại mỗi thành phần khớp động đƣợc tác ra, ta đặt phản lực tƣơng ứng. Ví dụ trong cơ cấu 4 khâu bản lề (hình 3.2). Hình 3.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề Khi hình dung tách các khớp B, C, D ra, ta phải đặt tại các thành phần khớp B, C,      D các phản lực tƣơng ứng: NNNNN43;;;;; 23 32 21 12 (hình 3.3). Hình 3.3. Sơ đồ phân tích lực trong khớp động 48 Khi cơ cấu chuyển động, các khâu nói chung có gia tốc, hệ lực gồm ngoại lực và các áp lực đặt trên các thành phần khớp của nó không phải là một hệ lực cân bằng. Nhƣ vậy không thể viết các phƣơng trình cân bằng lực để giải tìm áp lực khớp động. Tuy nhiên, theo nguyên lý Đalămbe, nếu ngoài các ngoại lực và các áp lực tại các thành phần khớp động trên khâu, nếu thêm vào đó các lực quán tính và mô men lực quán tính của khâu và coi chúng nhƣ là những ngoại lực thì sẽ đƣợc một hệ lực cân bằng. Khi đó có thể viết các phƣơng trình cân bằng lực của tĩnh học cho khâu và giải để xác định các áp lực khớp động. 3.3.2. Điều kiện tĩnh định của bài toán phân tích áp lực khớp động Khi viết phƣơng trình cân bằng lực của tĩnh học, nếu chúng ta viết cho từng khâu một, thì số phƣơng trình cân bằng lực có thể nhỏ hơn số ẩn cần tìm. Ví dụ khâu 3 trong cơ cấu 4 khâu bản lề (hình 3.3) thì ẩn số là 4 (phƣơng và giá   trị của các lực NN43; 23 ), số phƣơng trình cân bằng lực 3 (2 phƣơng trình hình chiếu và 1 phƣơng trình mô men). Vì vậy cần phải viết phƣơng trình cân bằng lực cho một nhóm các khâu bị dẫn kề nhau thì số ẩn số mới có thể bằng số phƣơng trình cân bằng lực lập đƣợc. Xét một nhóm gồm n khâu bị dẫn kề nhau, trong đó có p5 khớp loại 5 và p4 khớp loại 4 (kể cả các khớp chờ của nhóm). Đối với cơ cấu phẳng, ta thƣờng gặp các khớp thấp loại 5 là khớp quay, khớp trƣợt và các khớp cao loại 4 nhƣ khớp bánh răng phẳng, khớp cam phẳng. + Đối với khớp quay (hình 3.4a), do áp suất giữa các thành phần khớp quay đồng  quy tại tâm quay O của khớp, do đó áp lực N cũng đi qua tâm quay O. Để xác định áp lực trong khớp quay, cần xác định giá trị của và góc α xác định phƣơng của . a. Khớp quay b. Khớp trƣợt c. Khớp cao Hình 3.4. Khớp loại 5 + Đối với khớp trƣợt (hình 3.4b), do áp suất giữa các thành phần khớp đều vuông góc với phƣơng trƣợt xx, do đó áp lực trong khớp trƣợt, cần xác định giá trị của 49 và thông số x xác định điểm đặt của . Nhƣ vậy, áp lực tại mỗi khớp động loại 5 (khớp quay, khớp trƣợt) ứng với hai ẩn số của bài toán phân tích lực. + Đối với khớp cao phẳng (hình 3.4c), áp lực có điểm đặt là điểm tiếp xúc M của hai thành phần khớp cao, có phƣơng song song với phƣơng pháp tuyến chung nn tại M, do đó để xác định chỉ cần xác định giá trị của , tức là áp lực tại mỗi khớp động loại 4 ứng với hai ẩn số của bài toán phân tích lực. Nhƣ vậy số ẩn số cần tìm đối với nhóm nói trên là 2p5 + p4. Vì với mỗi khâu (xem nhƣ là vật rắn tuyệt đối) ta viết đƣợc 3 phƣơng trình cân bằng lực (2 phƣơng trình hình chiếu và 1 phƣơng trình mô men), nên số phƣơng trình cân bằng lực lập đƣợc bằng 3n. Để giải đƣợc bài toán phân tích lực, số phƣơng trình cân bằng lực lập đƣợc phải bằng số ẩn số cần tìm, tức là phải có điều kiện: 3n – (2p5 + p4) = 0 (3.1) Tóm lại để giải đƣợc bài toán phân tích lực ta phải xét đồng thời các khâu, các khớp trong một nhóm tĩnh định. Điều kiện (3.1) đƣợc gọi là điều kiện tĩnh định của bài toán phân tích áp lực khớp động. 3.3.3. Trình tự và ví dụ giải bài toán phân tích áp lực khớp động * Số liệu cho trước + Lƣợc đồ động của cơ cấu tay quay con trƣợt. + Khâu dẫn là khâu 1, vận tốc góc khâu dẫn bằng ω1 với ω1 = hằng số + Ngoại lực tác động lên các khâu:   N   Khâu 2 chịu tác động của lực P2 , mô men M 2 và trọng lƣợng G2    Khâu 3 chịu tác động của lực P3 , mô men M 3 và trọng lƣợng G3 + Khối lƣợng mi, vị trí khối tâm Si và mô men quán tính JSi đối với trọng tâm của mỗi khâu. * Yêu cầu Giải bài toán phân tích áp lực khớp động tại vị trí đang xét của cơ cấu (hình 3.5). a) Tính lực trên các khâu bị dẫn Để phân tích lực trên các khâu bị dẫn, ta tiến hành theo trình tự sau đây: + Tách cơ cấu thành các nhóm tĩnh định, còn lại là khâu dẫn ( hoặc các khâu dẫn) nối giá. Cơ cấu tay quay con trƣợt chỉ có một nhóm tĩnh định, đó là nhóm gồm hai khâu (khâu 2, khâu 3) và ba khớp (khớp quay B, khớp quay C và khớp trƣợt C). Khớp chờ của nhóm là khớp quay B và khớp trƣợt C. Khớp trong của nhóm là khớp quay C. Cơ cấu có một bậc tự do nên sau khi tách nhóm tĩnh định ra chỉ còn lại một khâu dẫn AB nối giá bằng khớp quay. 50 + Xác định lực và mô men lực quán tính tác động lên các khâu. + Đặt các ngoại lực, các lực và mô men lực quán tính, các áp lực khớp chờ lên các nhóm. Giả sử rằng hệ lực gồm các ngoại lực kể cả lực và mô men lực quán tính tác động   lên khâu 2 đƣợc thu gọn thành lực PII , lên khâu 3 thành lực PIII (hình 3.5b). Khâu dẫn Nhóm tĩnh định (2+3) Hình 3.5a. Cơ cấu tay quay- con trượt Hình 3.5b. Sơ đồ phân tích lực Hình 3.5c. Khâu 2 Hình 3.5d. Khâu 3 Hình 3.5e. Họa đồ lực của cơ cấu + Viết và giải phƣơng trình cân bằng lực cho các nhóm. Bài toán phân tích áp lực khớp động đƣợc giải cho các nhóm xa khâu dẫn trƣớc sau đó đến nhóm gần khâu dẫn.     - Hệ lực tác động lên nhóm (2+3) gồm các lực PPNNII;;; III 12 43 là một hệ lực cân bằng, ta có:     NPPN12II  III  43  0 (3.2)   - Phƣơng trình (3.2) có 3 ẩn số (giá trị và phƣơng của N12 , giá trị của N 43 ), chƣa thể giải đƣợc. 51   n t - Để giảm số ẩn số, ta phân tích thành hai thành phần: N12 song song với BC, N12 vuông góc với BC. Giá trị xác định nhƣ sau: Mô men đối với điểm C của tất cả các lực tác động lên khâu 2 (hình 3.5c): ttPhII. II  MC P II.. h II  N12 l BC  N 12  lBC Phƣơng trình (3.1) trở thành:      nt NNPPN12 12 II  III  43  0 (3.3) Phƣơng trình (3.3) có hai ẩn số và có thể giải bằng phƣơng pháp họa đồ (hình  3.5): chọn một điểm P làm gốc. Từ P vẽ véc tơ PA biểu diễn lực . Qua điểm A vẽ     vec tơ AB biểu diễn PII . Qua điểm B vẽ vec tơ BC biểu diễn PIII . Qua điểm C, vẽ đƣờng thẳng (Δ) song song với phƣơng của . Qua gốc P vẽ đƣờng thẳng song song  với phƣơng của . Hai đƣờng thẳng này cắt nhau tại điểm D. Suy ra vec tơ CD biểu   diễn , véc tơ DP biểu diễn , vec tơ DA biểu diễn . - Xác định điểm đặt của lực : Mô men đối với điểm C của tất cả các lực tác động lên khâu 3 (hình 3.5d): PhIII. III  MC N43. x  P III . h III  0  x  N43    - Hệ lực tác động lên khâu 3 gồm PNNIII ,,23 43 (hình 3.5d) là một hệ lực cân bằng, ta có:    NNP23 43 III  0 (3.4)  Phƣơng trình (3.4) có hai ẩn số là giá trị và chiều N 23 nên có thể giải đƣợc bằng   phƣơng pháp họa đồ (hình 3.5e). Suy ra vec tơ DB biểu diễn N 23 . Ghi chú Cách sắp xếp phƣơng trình cân bằng lực (3.3) nhƣ sau: + Hai lực chƣa biết đƣợc sắp xếp hai đầu. + Các lực thuộc cùng một khâu đƣợc sắp xếp gần nhau. + Hai thành phần của cùng một lực đƣợc sắp xếp gần nhau. b. Tính lực trên khâu dẫn Với cơ cấu một bậc tự do, sau khi tách các nhóm tĩnh định, sẽ còn lại một khâu dẫn nối giá. Với cơ cấu tay quay con trƣợt, sau khi tách nhóm tĩnh định (2+3) sẽ còn lại khâu dẫn AB nối giá bằng khớp quay A (hình 3.6). Theo giả thiết của bài toán phân tích lực cơ cấu, khâu dẫn có vận tốc ω = hằng N N 1 số, tức là luôn luôn ở trạng thái cân bằng. Để bảo đảm điều12 kiện cân bằng l43ực này, phải 52   đặt lên khâu dẫn một lực cân bằng Pcb hay một mô men cân bằng M cb để cân bằng với toàn bộ tác động của phần còn lại của cơ cấu lên khâu dẫn (tức là cân bằng với lực  N 21 ).  * Trường hợp đặt lên khâu dẫn một mô men cân bằng M cb (hình 3.6a): Mô men đối với điểm A của tất cả các lực tác động lên khâu dẫn: MA M cb  N21. h 21  0  M cb  N 21 . h 21 Hình 3.6a. Lực tác dụng lên khâu dẫn   Xét cân bằng lực khâu dẫn, ta có: NN41 21  * Trường hợp đặt lên khâu dẫn một lực cân bằng Pcb (hình 3.6b): Mô men đối với điểm A của tất cả các lực tác động lên khâu dẫn: Nh21. 21  MA P cb.. h cb  N21 h 21  P cb  hcb    Hệ lực tác động lên khâu dẫn 1 gồm PNNcb ;;21 41 là một hệ lực cân bằng, ta có:    PNNcb 21  41  0 (3.5)  Giải phƣơng trình (3.5) bằng phƣơng pháp họa đồ, suy đƣợc N 41 (hình 3.6b) Hình 3.6b. Họa đồ lực trên khâu dẫn 53 3.3.4. Phƣơng pháp di chuyển khả dĩ để tính 푴 풄 풃 hay 푷 풄 풃   Ta có thể tính M cb hay Pcb mà không cần phân tích áp lực khớp động trên toàn  bộ cơ cấu để tìm ra N 21 bằng cách áp dụng nguyên lý di chuyển khả dĩ: “Tổng công suất tức thời của một hệ lực cân bằng bằng 0”.  Hệ lực gồm các ngoại lực Pi , các mô men ngoại lực Mi tác động lên cơ cấu (trong đó kể cả các lực và mô men lực quán tính tác động lên cơ cấu) và mô men cân   bằng M cb (hay lực cân bằng Pcb ) là một hệ lực cân bằng.  * Trường hợp đặt lên khâu dẫn một mô men cân bằng M cb ta có:    PVi i M i i  M cb 1  0 1   M   PV  M  cb i i i i 1   Trong đó: PMii, là ngoại lực và mô men ngoại lực tác động lên khâu thứ i (kể cả    lực và mô men lực quán tính); Vi là vận tốc điểm đặt lực Pi ; i là vận tốc góc khâu  thứ i trên đó có đặt mô men M i .   + Nếu Mcb > 0 thì M cb cùng chiều với i . + Nếu Mcb < 0 thì ngƣợc chiều với .  * Trường hợp đặt lên khâu dẫn một lực cân bằng Pcb ta có:    PVi i M i i  P cb V cb  0    P V   PV  M  cb cb  i i i i   Trong đó: Vcb là vận tốc điểm đặt lực Pcb . CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3 Câu 1: Trình bày các loại lực cơ cấu chịu tác động khi cơ cấu đang làm việc. Câu 2: Trình bày nội dung của bài toán phân tích lực cơ cấu. Câu 3: Trình bày trình tự giải bài toán phân tích lực cơ cấu. Lấy ví dụ minh họa. 54 CHƢƠNG 4 MA SÁT TRONG KHỚP ĐỘNG 4.1. Đại cƣơng 4.1.1. Khái niệm Ma sát là hiện tƣợng xảy ra ở chỗ hai vật thể tiếp xúc với nhau với một áp lực nhất định, khi giữa hai vật thể này có chuyển động tƣơng đối hay có xu hƣớng chuyển động tƣơng đối. Khi đó sẽ xuất hiện một lực có tác dụng cản lại chuyển động tƣơng đối gọi là lực ma sát. Ngoài hiện tƣợng ma sát nói trên gọi là ma sát ngoài, còn xuất hiện một hiện tƣợng xảy ra bên trong của một vật thể khi nó bị biến dạng gọi là ma sát trong. Ma sát: thƣờng là một loại lực cản có hại. Một mặt nó tiêu hao công suất, giảm hiệu suất của máy. Công của lực ma sát phần lớn biến thành nhiệt làm nóng các thành phần khớp động. Mặt khác, ma sát làm mòn các chi tiết máy, do đó sức bền giảm sút và chi tiết máy có thể bị hỏng. Phân loại ma sát: Tùy theo tính chất tiếp xúc giữa hai bề mặt vật thể, ta có thể phân biệt các kiểu ma sát sau đây: + Ma sát khô: khi hai bề mặt vật thể trực tiếp tiếp xúc nhau. + Ma sát ƣớt: khi hai bề mặt vật thể đƣợc ngăn cách nhau hoàn toàn bằng một lớp chất lỏng bôi trơn. Giữa hai kiểu ma sát này, còn có những kiểu ma sát trung gian: + Ma sát nửa khô: khi giữa hai bề mặt vật thể có những vết chất lỏng, nhƣng phần lớp diện tích tiếp xúc vẫn là chất rắn. + Ma sát nửa ƣớt: khi phần lớn diện tích hai bề mặt vật thể đƣợc một lớp chất lỏng bôi trơn ngăn cách, nhƣng vẫn còn những chỗ chất rắn trực tiếp tiếp xúc với nhau. Khi giữa hai bề mặt vật thể mới chỉ có xu hƣớng chuyển động tƣơng đối, ma sát giữa chúng là ma sát tĩnh, ngƣợc lại khi giữa hai bề mặt vật thể có chuyển động tƣơng đối, ma sát giữa chúng là ma sát động. Tùy theo tính chất của chuyển động tƣơng đối (hoặc xu thế chuyển động tƣơng đối) giữa hai bề mặt vật thể, ta phân biệt các kiểu ma sát sau: + Ma sát trƣợt: khi hai bề mặt vật thể trƣợt tƣơng đối đối với nhau. + Ma sát lăn: khi hai bề mặt vật thể lăn tƣơng đối trên nhau. 4.1.2. Ma sát trƣợt khô – Định luật Coulomb a. Lực ma sát 55 * Xét hai vật rắn A và B tiếp xúc nhau theo một mặt phẳng (π) (hình 4.1). Đặt lên  vật A một lực Q vuông góc với mặt phẳng (π). Dƣới tác dụng của lực này, sẽ xuất    hiện một áp lực N từ B tác động lên A. Ta có NQ . Hình 4.1. Thí nghiệm ma sát trượt khô   Đặt thêm lên A lực P song song với mặt phẳng tiếp xúc (π) (lực P đƣợc đặt tại một điểm rất gần với mặt tiếp xúc, để không gây ra một mô men đủ lớn làm vật A bị lật).  * Cho giá trị lực P tăng dần từ 0. Lúc đầu thấy A chƣa chuyển động so với B. Khi P đạt đến một giá trị P0 nhất định thì ta thấy A bắt đầu chuyển động tƣơng đối so với B. Sau khi A đã chuyển động tƣơng đối so với B, để duy trì chuyển động đều của  A thì lực P chỉ cần có một giá trị Pd gần bằng và nhỏ hơn P0: Pd < P0. Nếu P > P0 thì ta thấy A chuyển động nhanh dần so với B. * Có thể giải thích quá trình trên nhƣ sau: + Khi cho P tăng dần từ 0 thì A chỉ mới có xu hƣớng chuyển động tƣơng đối so với B. Ma sát giữa A và B lúc này là ma sát tĩnh. Điều kiện cân bằng lực của A chứng      tỏ phải có một lực Ft luôn luôn cân bằng với P : FPt  . Lực Ft đƣợc gọi là lực ma  sát tĩnh. Lực ma sát tĩnh tăng dần theo giá trị của lực P . Khi P đạt đến giá trị P0 thì A bắt đầu chuyển động tƣơng đối so với B. Điều này  chứng tỏ rằng giá trị của lực ma sát tĩnh P không tăng nữa mà đạt đến giá trị cực đại Ftmax: Ftmax = P0. + Khi P đạt đến giá trị P0 và A chuyển động tƣơng đối so với B. Giữa A và B bây giờ có hiện tƣợng ma sát động. Nếu A chuyển động đều so với B thì từ điều kiện cân bằng lực của A ta thấy phải   có một lực F cân bằng với lực P . Lực gọi là lực ma sát động. Thế mà để chuyển động tƣơng đối của A so với B là chuyển động đều thì lực chỉ cần có một giá trị là Pd với Pd < P0 nên F = Pd < P0 = Ftmax: lực ma sát động nhỏ hơn lực ma sát tĩnh cực đại. Hình 4.2 biểu diễn lực ma sát tĩnh và lực ma sát động theo lực đẩy P. 56 Ma sát động Ma sát tĩnh Ma sát động Hình 4.2. Miền ma sát b. Định luật Cuolomb về ma sát trượt khô   * Lực ma sát động F không phụ thuộc vào lực gây ra chuyển động là lực P mà  phụ thuộc vào áp lực N . Thực nghiệm cho thấy giữa lực ma sát động và áp lực có mối quan hệ sau : F = f.N Hệ số ma sát f: - Phụ thuộc vào vật liệu bề mặt tiếp xúc. - Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt tiếp xúc - Không phụ thuộc vào áp lực và diện tích tiếp xúc - Hầu nhƣ không phụ thuộc vào vận tốc trƣợt tƣơng đối giữa hai bề mặt tiếp xúc. - Tăng cùng với thời gian tiếp xúc ban đầu (tức là thời gian có áp lực mà không có lực đẩy ). Định luật Cuolomb chỉ phản ánh gần đúng quy luật của ma sát trƣợt khô, tuy nhiên vẫn có thể áp dụng nó trong rất nhiều bài tính kỹ thuật. c. Hình nón ma sát * Xét hai vật thể A và B tiếp xúc nhau theo mặt phẳng (π) (hình 4.3).   Đặt lên A một lực Q . Dƣới tác động của lực , B sẽ tác động lên A áp lực N   vuông góc với mặt phẳng (π): NQ .  Đặt thêm lên A một lực đẩy P song song với mặt phẳng (π). Tại chỗ tiếp xúc  giữa A và B sẽ phát sinh lực ma sát F với F =f.N * Xét một hình nón (N) có đỉnh O nằm tại chỗ tiếp xúc, có trục vuông góc với mặt phẳng (π), có nửa góc ở đỉnh bằng υ với tgυ = f với f là hệ số ma sát. Góc υ đƣợc gọi là góc ma sát. Hình nón (N) đƣợc gọi là hình nón ma sát. 57 Hình 4.3. Hiện tượng có chuyển động tương đối        * Gọi S là hợp lực của P và Q : SPQ và α là góc giữa S và . Tùy theo   quan hệ giữa P và Q mà α có thể lớn hơn, bằng hay nhỏ hơn góc ma sát υ.  - Khi hợp lực S nằm ngoài nón ma sát (N) (hay α > υ) thì P = Qtgα > Ntgυ = N.f = F: chuyển động tƣơng đối của A so với B là chuyển động nhanh dần. - Khi hợp lực nằm trên mép nón ma sát (N) (hay α = υ) thì P = F: chuyển động tƣơng đối của A so với B là chuyển động đều. - Khi hợp lực nằm trong nón ma sát (N) (hay α < υ) thì P < F: vật A không chuyển động tƣơng đối so với B. d. Hiện tượng tự hãm Hình 4.4. Hiện tượng tự hãm 58 Vẫn xét trƣờng hợp A tiếp xúc với vật B theo mặt phẳng nhƣ trên hình 4.3. Tuy   nhiên thay vì tác động lên A hai lực P và Q độc lập nhau, ta tác động lên A một lực  S duy nhất (hình 4.4).  Lực S hợp với trục của hình nón ma sát một góc bằng α và đƣợc phân làm hai thành phần:   - Thành phần Q vuông góc với mặt phẳng (π). Dƣới tác động của Q , B tác động    lên A áp lực NNQ:   - Thành phần P song song với mặt phẳng (π): P = Qtgα. gây nên xu hƣớng  chuyển động tƣơng đối, do đó tại chỗ tiếp xúc giữa A và B xuất hiện lực ma sát F với F = f.N = Ntgυ.  Khi lực S nằm trong hình nón ma sát (N), hay α < υ thì cho dù giá trị của lực có lớn bao nhiêu đi nữa, ta vẫn luôn có P = Qtgα < Ntgυ = N.f = F, nghĩa là lực đẩy P luôn luôn nhỏ hơn lực ma sát F: A không thể chuyển động tƣơng đối so với B. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng tự hãm trong ma sát trƣợt khô khi tiếp xúc theo mặt phẳng. 4.1.3. Ma sát lăn a. Hiện tượng ma sát lăn * Xét hình trụ A tiếp xúc với mặt phẳng B theo một đƣờng sinh của nó. Hình 4.5 mô tả mặt cắt ngang của hình trụ A và mặt phẳng B. Ta sẽ xét bài toán trên mặt cắt ngang này. Hình 4.5. Ma sát lăn  Đặt lên hình trụ A lực Q đi qua tâm O của hình trụ và vuông góc với mặt phẳng  B. Dƣới tác động của , B tác động lên A áp lực N vuông góc với mặt phẳng B:   NQ . 59  Đặt tiếp lên B lực P có giá trị không đổi, có điểm đặt là H, có phƣơng song song  với mặt phẳng B. Điểm đặt H của lực P cách mặt phẳng B một khoảng bằng h, giả sử P < f.Q.   Lực P đặt tại H tƣơng đƣơng với lực PI đặt tại điểm tiếp xúc I và mô men ML = P.h * Xét lực đặt tại I. Lực này có xu hƣớng làm cho vật A trƣợt lên mặt phẳng B.  Do đó tại điểm tiếp xúc I, xuất hiện lực ma sát F cản lại chuyển động này: F = f.N. Do P < f.Q = f.N = F nên A không thể trƣợt trên B. * Xét mô men ML = P.h. Cho giá trị mô men ML tăng dần từ 0 (bằng cách tăng dần khoảng cách h từ giá trị 0). Lúc đầu A chƣa chuyển động. Khi ML đạt đến một giá trị nhất định ML0 thì A bắt đầu lăn trên B. Nếu giữ nguyên giá trị ML = ML0 thì A sẽ lăn đều trên B. Nếu tiếp tục tăng ML thì A sẽ lăn nhanh dần. * Có thể giải thích quá trình trên nhƣ sau: + Khi mô men ML tăng dần từ 0 thì A mới chỉ có xu hƣớng lăn trên B. Giữa A và B lúc này có hiện tƣợng ma sát lăn tĩnh. Điều kiện cân bằng lực của A chứng tỏ phải có một mô men MMSLT cản lại chuyển động lăn. Đây chính là mô men ma sát lăn tĩnh. Mô men ma sát tĩnh MMSLT tăng dần theo giá trị của mô men ML. Khi ML đạt giá trị ML0 thì A bắt đầu lăn trên B, điều này chứng tỏ MMSLT đã đạt đến một giá trị cực đại. + Khi ML đạt giá trị ML0 và A lăn trên B, ma sát giữa A và B bây giờ là ma sát lăn động. Nếu A lăn đều trên B thì theo điều kiện cân bằng lực của A chứng tỏ phải có một mô men MMSL cản lại chuyển động lăn: MMSL = ML0. MMSL đƣợc gọi là mô men ma sát lăn động. * Thực nghiệm cho thấy mô men ma sát lăn động tỷ lệ thuận với áp lực N: MMSL = kL.N. Hệ số kL đƣợc gọi là hệ số ma sát lăn. Hệ số ma sát lăn kL phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu. b. Nguyên nhân của hiện tượng ma sát lăn * Tính đàn hồi trễ của vật liệu Có thể giải thích hiện tƣợng ma sát lăn nhờ tính đàn hồi trễ của vật liệu nhƣ sau: Với cùng một biến dạng, thì ứng suất khi tăng biến dạng sẽ lớn hơn ứng suất giảm biến dạng. Hình 4.6a mô tả quan hệ giữa ứng suất biến dạng và đƣợc gọi là đƣờng cong ứng suất – biến dạng. Trên hình 4.6a ta thấy với cùng một biến dạng ε, ứng suất σ1 khi tăng biến dạng lớn hơn ứng suất σ2 khi giảm biến dạng. 60 Hình 4.6a. Đường cong ứng suất biến dạng * Giải thích hiện tượng ma sát lăn  + Khi đặt lên A ngoại lực Q đi qua O và giả sử chỉ có A biến dạng còn B không biến dạng, thì A và B sẽ tiếp xúc nhau theo cung CD. Biến dạng ở vùng tiếp xúc phân bố đối xứng nhau qua phƣơng của lực . Do ứng suất tỷ lệ với biến dạng, nên phân bố  ứng suất cũng tƣơng tự áp lực N từ B tác động lên A là tổng của các ứng suất này sẽ   đi qua tâm O và NQ (hình 4.6b). Hình 4.6b. Biến dạng phân bố đối xứng  + Khi đặt tiếp lên A lực đẩy P và A đang lăn trên B thì biến dạng vẫn phân bố  đối xứng qua phƣơng của lực Q nhƣ trƣớc, nhƣng trên cung DT có quá trình tăng biến dạng, còn trên cung CT có quá trình giảm biến dạng, do đó ứng suất không còn phân  bố đối xứng nữa mà lệch về phía D. Do sự phân bố lệch của các ứng suất nên áp lực N từ B lên A cũng lệch về phía D một đoạn kL (hình 4.6c). 61 Hình 4.6c. Biến dạng phân bố lệch     Hai lực N và Q với NQ tạo thành một ngẫu lực có mô men MMSL = kL.Q cản lại chuyển động lăn của hình trụ A đây chính ... 5,2.VC 5,2.KF . + Tính ứng suất sinh ra trong thân bu lông,  22 ....d11 f i d + So sánh σ và [σk], rút ra kết luận: Nếu σ > [σk], mối ghép không đủ bền. Nếu σ << [σk](quá nhỏ hơn), mối ghép quá dƣ bền, có tính kinh tế thấp. Nếu σ ≤ [σk], mối ghép đủ bền. Bài toán thiết kế mối ghép bu lông chịu lực ngang đƣợc thực hiện nhƣ sau: 135 + Chọn vật liệu chế tạo bu lông. Tra bảng để có giá trị [σk]. + Giả sử các tấm ghép không bị trƣợt, tính VC: VC= K.F/(f.i). + Giả sử bu lông không bị hỏng, tính đƣờng kính chân ren cần thiết d1C: 5,2.KF . d1C  fi.. k  + Tra bảng tìm bu lông tiêu chuẩn, có đƣờng kính chân ren d1≥d1C. Ghi ký hiệu của bu lông. + Vẽ kết cấu của mối ghép 5.5.2.5. Tính bu lông xiết chặt chịu lực dọc trục Sau khi xiết chặt, cho mối ghép chịu lực F, song song với đƣờng tâm của bu lông ( hình 5.54). F F Hình 5.55. Mối ghép chịu lực dọc Nhận xét: Mối ghép không bị phá hỏng, khi các tấm ghép không bị tách hở, tức là trên mặt tiếp xúc giữa chúng vẫn còn áp suất, p>0 và bu lông không bị phá hỏng σ ≤ [σk]. Quan sát sự biến đổi của mối ghép: + Khi xiết mối ghép, lực xiết V làm các tấm ghép bị co lại một lƣợng là ΔS; đồng thời phản lực Ft làm thân bu lông bị dãn ra một lƣợng Δl, Δl = ΔS. + Khi tác dụng lực F dọc trục, lực F đƣợc chia làm hai phần: - Phần F1= χ. F, cộng thêm với lực Ft, làm bu lông dãn dài thêm một lƣợng. - Phần F2= (1-χ). F, triệt tiêu bớt lực xiết V, làm các tấm ghép bớt co. χ đƣợc gọi là hệ số phân bố ngoại lực, giá trị của χ phụ thuộc vào độ cứng của thân bu lông và độ cứng của phần tấm ghép chịu tác dụng của lực xiết. - Khi các tấm ghép bằng vật liệu thép hoặc gang, còn bu lông bằng thép có thể lấy χ = 0,2÷0,3. - Nhƣ vậy, sau khi có lực dọc trục, lực tác dụng lên thân bu lông là Ft+ χ.F, và lực ép lên các tấm ghép là V-(1- χ).F. 136 + Điều kiện để các tấm ghép không bị tách hở là V-(1- χ).F >0 + Ứng suất trong thân bu lông gồm hai phần, một phần do lực xiết, một phần do 5,2.VF 4. . lực F1 gây nên,  22 ; FVt  ..dd11 Bài toán kiểm tra bền của mối ghép ren chịu lực dọc trục, đƣợc thự hiện theo trình tự sau: + Tra bảng để có giá trị d1 và [σk]. + Giả sử mối ghép không bị tách hở, ta tính đƣợc lực xiết cần thiết VC. VC > (1-χ).F, lấy VC=K.(1- χ).F K là hệ số an toàn, có thể lấy K =1,3 ÷ 1,5. 5,2.VC 4. .F + Tính ứng suất trong thân bu lông,  22 ; FVt  ..dd11 + So sánh σ và [σk], rút ra kết luận: Nếu σ > [σk], mối ghép không đủ bền. Nếu σ << [σk](quá nhỏ hơn), mối ghép quá dƣ bền, có tính kinh tế thấp. Nếu σ ≤ [σk], mối ghép đủ bền. Bài toán thiết kế mối ghép ren chịu lực dọc trục, đƣợc thực hiện theo các bƣớc sau: + Chọn vật liệu chế tạo bu lông, tra bảng để có [σk]. + Giả sử các tấm ghép không bị tách hở, tính VC, VC = K.(1-χ).F + Tính đƣờng kính chân ren cần thiết của d1C. 5,2.KFF .(1  ). 4. . d1C  .[ kk ]  .[  ] + Tra bảng tìm bu lông tiêu chuẩn, có đƣờng kính d1≥d1C + Ghi ký hiệu của bu lông. + Vẽ kết cấu của mối ghép. 5.5.2.6. Tính bu lông xiết chặt chịu đồng thời lực dọc và lực ngang Xét mối ghép chịu lực nhƣ trên (hình 5.55). Lực F đƣợc chia thành 2 phần: lực dọc Fd và lực ngang Fn. Nhận xét: Mối ghép không bị phá hỏng, khi các tấm ghép không bị trƣợt, không bị tách hở, và bu lông không bị hỏng. Có nghĩa là mối ghép phải thỏa mãn các điều kiện Fms> Fn, σ ≤ [σk] Áp dụng kết quả tính toán mối ghép bu lông chịu lực ngang, chịu lực dọc, đã trình bày ở trên, để giải quyết các bài toán trong phần này. Bài toán kiểm tra bền đƣợc thực hiện theo các bƣớc. + Tra bảng để có giá trị d1 và [σk]. + Giả sử các tấm ghép không bị trƣợt, ta tính đƣợc lực xiết cần thiết VC: 137 Fms= [VC – (1-χ). Fd]. f.i > Fn lấy [VC – (1-χ). Fd]. f.i = K.Fn Suy ra Vc= K.Fn/(f.i) + (1-χ).Fd F Fd F Fn Hình 5.56. Mối ghép chịu lực dọc và ngang 5,2.VFCd 4. . + Tính ứng suất sinh ra trong thân bu lông,  22 ..dd11 + So sánh σ và [σk], rút ra kết luận: Nếu σ > [σk], mối ghép không đủ bền. Nếu σ << [σk](quá nhỏ hơn), mối ghép quá dƣ bền, có tính kinh tế thấp. Nếu σ ≤ [σk], mối ghép đủ bền. Bài toán thiết kế đƣợc thực hiện nhƣ sau: + Chọn vật liệu chế tạo bu lông, tra bảng để có [σk] + Giả sử các tấm ghép không bị trƣợt, ta tính đƣợc lực xiết cần thiết VC: Fms= [VC – (1-χ). Fd]. f.i > Fn lấy [VC – (1-χ). Fd]. f.i = K.Fn Suy ra: Vc= K.Fn/(f.i) + (1-χ).Fd + Tính đƣờng kính cần thiết của chân ren, 5,2.VFCd 4. . d1C  .[ kk ]  .[  ] + Tra bảng tìm bu lông tiêu chuẩn, có đƣờng kính d1≥ d1C. Ghi ký hiệu của bu lông. 5.5.2.7 Ứng suất cho phép Ứng suất cho phép của bu lông, vít đƣợc chọn theo giới hạn chảy σch của vật liệu (bảng 5.7) và hệ số an toàn [S], [Sa], cho trong bảng 5.8 và 5.9. Trƣờng hợp không kiểm tra lực xiết, phải giảm ứng suất cho phép, nhất là đối với bu lông có đƣờng kính nhỏ, vì bu lông có thể bị quá tải hoặc hỏng do vặn quá tay. 138 Bảng 5.8. Hệ số an toàn và ứng suất cho phép đối với bu lông Loại tải trong Các trị số cho phép Lực dọc trục bu lông - Không xiết chặt bu lông [σk] = 0,6σch Tải trọng tĩnh: - Xiết chặt bu lông [σk] = σch/[S]; [S] tra theo bảng 5.9 khi không kiểm tra lực xiết [S] = 1,2 ÷ 1,5 khi có kiểm tra lực xiết Tải trọng thay đổi: [Sa] ≥ 2,5 ÷4 khi không kiểm tra lực xiết [Sa] = 1,5 ÷ 2,5 khi có kiểm tra lực xiết Lực ngang Tải trọng tĩnh hoặc thay đổi - Bu lông lắp có khe hở [S] – Theo bảng 5.9 khi không kiểm tra lực xiết [S] = 1,2 ÷ 1,5 khi có kiểm tra lực xiết - Bu lông lắp không có khe hở [τ] = 0,4σch – tải trọng tĩnh [τ] = (0,2 ÷ 0,3) σch – tải trọng thay đổi [σ] = 0,8σch – đối với thép [σ] = 0,8σb – đối với gang Bảng 5.9. Hệ số an toàn [S] khi lực xiết không được kiểm tra Vật liệu bu lông Tải trọng tĩnh Tải trọng thay đổi chu kỳ M6 – M16 M16 – M30 M30 – M60 M6 – M16 M16 – M30 Thép các bon 4÷3 3÷2 2÷1,3 10÷6,5 6,5 Thép hợp kim 5÷4 4÷2,5 2,5 7,5÷5 5 5.5.3. Tính mối ghép nhóm bu lông Trong mối ghép nhóm bu lông không phải bao giờ tải trọng cũng phân bố đều trên tất cả các bu lông. Trong mục này trình bày vấn đề xác định tải trọng tác dụng lên bu lông chịu tải lớn nhất trong mối ghép. Khi xác định đƣợc tải trọng, theo các công thức trong mục trƣớc để tính kích thƣớc của bu lông. Thông thƣờng đƣờng kính các bu lông trong mối ghép đƣợc lấy bằng nhau, tuy rằng về phƣơng diện tính toán cách giải quyết này chỉ đúng trong trƣờng hợp tải trọng phân bố đều giữa các bu lông. Sở dĩ nhƣ vậy là vì trong thực tế sản xuất dùng nhóm bu lông có đƣờng kính bằng nhau sẽ giảm bớt phiền phức về công nghệ, giảm bớt loại bu lông cần chế tạo. Khi tính toán ta giả thiết rằng: 139 - Các tiết máy đƣợc ghép khá cứng, do đó bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép (bề mặt ghép) vẫn phẳng. - Các bu lông trong mối ghép có kích thƣớc nhƣ nhau và chịu lực xiết bằng nhau. 5.5.3.1. Tải trọng tác dụng trong mặt phẳng vuông góc với trục của bu lông Mối ghép chịu lực ngang, đi qua trọng tâm của bề mặt ghép. Giả thiết rằng ngoại lực Q phân bố đều cho tất cả Z bu lông trong mối ghép. Ngoại lực F tác dụng lên một bu lông (khi lắp không khe hở) Q F  (5.23) Z Nếu lắp có khe hở, lực xiết V cần thiết đối với mỗi bu lông kF kQ V  (5.24) ifZ if k – hệ số an toàn Đƣờng kính của bu lông đƣợc tính nhƣ trƣờng hợp bu lông có khe hở hoặc bu lông lắp không khe hở. r2 d r1 D2 ri D D1 M M a) b) Hình 5.57. Mối ghép chịu mô men Mối ghép chịu mô men (hình 5.56). Trƣờng hợp bu lông lắp có khe hở: thông thƣờng ngƣời ta dùng cách tính gần đúng, coi hợp lực ma sát do mỗi bu lông đƣợc xiết chặt gây nên, đi qua tâm của mỗi bu lông. Để chống xoay mối ghép, mô men các lực ma sát đối với trọng tâm mối ghép phải lớn hơn mô men ngoại lực M. Trƣờng hợp mối ghép có hình vành khăn (hình 5.56b), lực xiết cần thiết đối với 1 2M bu lông. V  ZfD 140 2kM Hoặc: V  (5.25) ZfD D – đƣờng kính vòng tròn qua tâm các bu lông. Đối với mối ghép có dạng đối xứng tùy ý, gọi ri là khoảng cách từ trọng tâm mối ghép đến tâm bu lông, điều kiện bền của mối ghép đƣợc viết nhƣ sau: VfZii r M Trong đó Zi – số bu lông có cùng khoảng cách đến tâm mối ghép là ri Lực xiết cần thiết đối với mỗi bu lông M V  f Zii r kM Hoặc V  (5.26) f Zii r Trƣờng hợp bu lông lắp không khe hở: + Đối với mối ghép có hình vành khăn, lực ngang tác dụng lên một bu lông 2M F  (5.27) ZD Khi mối ghép có hình tùy ý, tải trọng tác dụng lên mỗi bu lông tỷ lệ thuận với khoảng cách từ tâm bu lông đến trọng tâm mối ghép. Gọi F1 là tải trọng tác dụng lên bu lông có khoảng cách r1 ở xa trọng tâm nhất, F2 là tải trọng tác dụng lên bu lông có khoảng cách r2, F3 ứng với r3..., ta có FFF 123 r1 r 2 r 3 Do đó  r FF 2  21r  1  r2 FF31 (5.28)  r1 ..............   Từ điều kiện: Z1F1r1 + Z2F2r2 + ...= M Và chú ý đến các hệ thức (5.25), ta đƣợc tải trọng F1 tác dụng lên bu lông chịu lực lớn nhất (bu lông ở xa trọng tâm nhất). Mr11 Mr F1 2 2 2 (5.29) Z1 r 1 Z 2 r 2 ...  Zii r 5.5.3.2. Tải trọng tác dụng trong mặt phẳng song song với trục bu lông 141 Giả sử mối ghép chịu lực bất kỳ, nằm trong mặt phẳng đối xứng (hình 5.57). Hình 5.58. Biểu đồ ứng suất Trƣờng hợp này thƣờng thấy trong thực tế. Ta coi nhƣ tấm ghép đủ cứng và bu lông đƣợc bố trí đều trong mối ghép. Ngoại lực Q đƣợc chia ra hai thành phần là R và F. Đƣa R và F về trọng tâm của mối ghép, ta có mô men. M = F.l1 – R.l2 Nói chung tọa độ trọng tâm của bề mặt ghép đƣợc xác định theo phƣơng pháp lấy mô men tĩnh đối với một trục nào đó rồi chia cho diện tích. Thông thƣờng trong thực tế bề mặt ghép có hai trục đối xứng và trọng tâm là giao điểm của hai trục này. 142 R và M có xu hƣớng tách hở bề mặt ghép, còn F là tấm ghép bị trƣợt. Muốn cho các chi tiết máy đƣợc ghép khỏi bị tách hở và bị trƣợt cần xiết bu lông với lực xiết V cần thiết. Các tải trọng R và M đƣợc chia làm hai phần: một phần là Rb và Mb tác dụng vào bu lông và phần kia Rm và Mm tác dụng vào các tiết máy đƣợc ghép. Ta có   RRR m  b   bm  b RRRm (1  )   bm  (5.30)  MMM m  b   bm  MMM(1  )  b  m  bm Gọi Z là số bu lông trong mối ghép, ta tính lực xiết V cần thiết đối với bu lông chịu tải trọng lớn nhất để mối ghép không bị tách hở và trƣợt. Tính toán theo điều kiện mối ghép không bị tách hở Trƣớc khi ngoại lực Q tác dụng, mối ghép chịu ứng suất dập (biểu đồ a, hình 5.57) do xiết các bu lông ZA V  (5.31) Aròng Trong đó Aròng - diện tích ròng của bề mặt ghép. Dƣới tác dụng của lực Rm (phần tác dụng của R lên các tiết máy đƣợc ghép), ứng suất dập trên bề mặt ghép đƣợc giảm bớt một trị số (biểu đồ b, hình 5.57) Rm  R  (5.32) Aròng Khi chịu mô men M, mối ghép có xu hƣớng bị xoay quanh một trục nào đó nằm trong mặt phẳng ghép. Áp dụng nguyên tắc mô men cản nhỏ nhất, có thể coi trục xoay là trục đối xứng xx (hình 5.57) vì mô men cản đối với trục này là nhỏ nhất. Điều này chỉ đúng khi lực xiết các bu lông khá lớn để bảo đảm bề mặt ghép không bị hở. Nếu mối ghép bị tách hở, trục xoay sẽ di chuyển dần từ trục đối xứng đến mép mối ghép (trên hình vẽ, trục xoay sẽ di chuyển dần sang phải). Nếu không có lực xiết bu lông, trục xoay sẽ là đƣờng mép bên phải. Với tấm ghép khá cứng, biến dạng uốn trong mối ghép đƣợc phân bố theo quy luật đƣờng thẳng, và nhƣ vậy, trong phạm vi biến dạng đàn hồi, ứng suất cũng phân bố theo quy luật đƣờng thẳng. Biểu đồ c trên hình 5.57 trình bày quy luật phân bố ứng suất do mô men Mm (phần tác dụng của M lên các tiết máy ghép) gây nên. Trị số cực đại của ứng suất này. 143 M m  M  (5.33) Wròng Trong đó Wròng – mô men cản uốn của tiết diện ròng của mối ghép Ứng suất tổng cực đại và cực tiểu do các lực xiết và ngoại lực tác dụng lên bề mặt ghép ZV RM M m max   V   R   M    AAròng r òngW r òng ZV RM M m min  VRM        AAròng r òngW r òng Biến thiên của ứng suất tổng đƣợc trình bày trên biểu đồ d hình 5.57. Thƣờng thƣờng diện tích bề mặt ghép khá lớn so với diện tích các lỗ lắp bu lông, nên có thể coi Aròng, Mròng gần bằng A và W (diện tích và mô men cản uốn của tiết diện nguyên, bỏ qua các lỗ) và vì các tiết máy đƣợc ghép khá cứng, nên Rm, Mm cũng đƣợc coi là gần bằng R, M. Do đó có thể viết ZV R M     max AAW (5.34) ZV R M     min AAW Theo điều kiện mối ghép không bị tách hở, cần có σmin > 0 Hoặc ZV R M  >0 AAW Ta tính đƣợc lực xiết V cần thiết đối với mỗi bu lông 1 MA VR Z W Để đƣợc an toàn k MA VR() (5.35) Z W Trong đó k - hệ số an toàn để đảm bảo mối ghép không bị hở, đƣợc lấy bằng 1,3 ÷ 2. Trong trƣờng hợp bệ hoặc đế máy lắp vào nền bê tông hoặc gỗ, cần kiểm tra độ bền dập của nền theo điều kiện. mdax  [] (5.36) Đối với bê tông [σd] = 1 ÷2 MPa; đối với gỗ [σd] = 2 ÷ 4 MPa Nếu điều kiện (5.23) không thỏa mãn, cần tăng kích thƣớc bề mặt ghép. Tính toán theo điều kiện đảm bảo mối ghép không bị trượt 144 Đối với mối ghép dùng bu lông lắp có khe hở giữa lỗ và thân đinh và không có các chi tiết nhƣ chốt... để giữ cho tấm ghép khỏi bị trƣợt, lực F bị cản bởi lực ma sát sinh ra trên bề mặt ghép. Mối ghép không bị trƣợt nếu lực F nhỏ hơn lực ma sát cực đại, nghĩa là: f(ZV – Rm) > F vì Rm ≈ R nên có thể viết f(ZV – R) > F Để đƣợc an toàn f(ZV – R) >k F (5.37) trong đó k lấy khoảng 1,3 ÷ 2. Để thỏa mãn điều kiện (5.24), lực xiết V đối với mỗi bu lông phải đạt trị số kF fR V  (5.38) fZ Trƣờng hợp lực F lớn, ngƣời ta dùng bu lông lắp không khe hở hoặc dùng thêm các chi tiết đặc biệt nhƣ: then, chốt, gờ...để cản trƣợt. Trong các mối ghép có kết cấu nhƣ vậy, bu lông (lắp có khe hở) chỉ chịu tải trọng có xu hƣớng tách hở mối ghép. Để tính bu lông, lấy lực xiết bằng trị số lớn trong hai trị số tìm đƣợc từ các công thức (5.30) và (5.32). Ngoài lực xiết V, dƣới tác dụng của ngoại lực mỗi bu lông còn chịu các lực do Rb và Mb gây nên. Rb Do Rb tác dụng mỗi bu lông chịu một lực là .Do Mb tác dụng, bu lông chịu lực Z không đều nhau, hàng bu lông ngoài cùng phía bên trái, có khoảng cách đến trục xoay xx là y1 xa nhất, chịu lực kéo lớn nhất. Gọi F1, F2, F3... là lực do Mb gây nên tại các bu lông cách trục xx là y1, y2, y3..., ta có y2 FF21 y1 y3 FF21 y1 ............... Ta có điều kiện cân bằng: Mb = Z1F1y1 + Z2F2y2 + Z3F3y3 + ..., Trong đó Z1, Z2, Z3... là số bu lông có khoảng cách đến trục xx là y1, y2, y3... tƣơng ứng. y2 y3 Thay F2, F3... bởi F1 , F1 ... y1 y1 145 2 2 y2 y3 Mb  Z1 F 1 y 1  Z 2 F 2  Z 3 F 3 ... yy11 F1 2   Zyii y1 Do đó tìm đƣợc lực kéo F1 do mô men Mb gây nên đối với bu lông ở xa trục xoay xx nhất (phía bên trái) Myb 1 F1  2 (5.39) Zyii Trị số của Mb đƣợc tính theo công thức trên. Tổng các lực tác dụng lên bu lông chịu tải lớn nhất R FVF b  (5.40) t Z 1 Khi tính toán bu lông chịu tải trọng tĩnh, lực xiết V cần nhân với 1,3 vì xét đến ứng suất xoắn do mô men ren gây nên. Khi tính bu lông chịu tải trọng thay đổi, biên độ ứng suất σa có trị số R b  F Z 1  a  (5.41) 2Ab Ab – diện tích tiết diện bu lông Thí dụ Tính mối ghép bu lông của một giá chịu tải nhƣ trên hình 5.58: Hình 5.59. Mối ghép bu lông 146 Biết: R = 20000N, l =1050mm, a = 130mm, b = 500mm, h = 50mm; giá bằng gang (σb = 280MPa); bu lông bằng thép CT3, lực xiết không kiểm tra. Tính toán theo hai phƣơng án; bu lông lắp không khe hở và bu lông lắp có khe hở. Giải Đƣa lực R về tâm O của mối ghép, ta có lực R đặt tại O và mô men M = RL. Trƣờng hợp này chỉ khác trƣờng hợp hình 5.56 ở chỗ có thêm lực ngang R. 1. Phương án 1: Dùng bu lông lắp không khe hở giữa lỗ và bu lông. Do tác dụng của lực R đặt tại O, các bu lông chịu lực ngang F bằng nhau: R 20000 FN   3340 Z 6 Lực mô men M gây nên tại các bu lông không bằng nhau. Áp dụng công thức xác định lực Q do M gây nên ở bu lông 1 có khoảng cách đến tâm O là r1. Mr1 Q1  22 42rr12 6 Trong đó M = Rl = 20000.1050 = 21.10 Nmm b r250 mm 2 2 2 2 2 2 r12 r  a 250  130  280 mm Do đó 21.106 .280 QN13000 1 4.28022 2.250 Trị số các lực Q3, Q4, Q6 do M gây nên đối với các bu lông 3, 4, 6 cũng bằng trị số lực Q1 Các lực Q2 và Q5 có trị số bằng nhau. Ta có r2 250 QQN21 13000.  11000 r1 280 Các lực Q1, Q2..., có phƣơng vuông góc với bán kính r1, r2..., còn lực F có phƣơng theo phƣơng lực R (hình 5.58). Dùng phƣơng pháp tính hoặc phƣơng pháp đồ thị, có thể tìm thấy hợp lực F1 (do F và Q1, tác dụng vào bu lông số 1) và hợp lực F3 (do F và Q3 tác dụng vào bu lông số 3) là lớn nhất, có trị số F1 = F3 = 16000N. Bu lông số 2 chịu các lực cùng chiều F và Q2, hợp lực F2 = F + Q2 = 14340N. Nhƣ vậy bu lông 1 và bu lông 3 chịu tải lớn nhất. Theo điều kiện bền cắt xác định đƣờng kính thân bu lông. 4F 4.16000 d1  16 mm 0 [  ]  .80 Trong đó: [τ] = 0,4σch = 0,4.200 = 80MPa. 147 Theo trị số d0 tìm đƣợc, ta chọn bu lông tinh lắp vào lỗ doa có đƣờng kính danh nghĩa của ren M14 và đƣờng kính phần không có ren 16mm. Kiểm nghiệm về độ bền dập. F1 16000  d    20MPa dho 16.50 Trị số ứng suất dập cho phép [σd] = 0,8σb = 0,8.280 = 110MPa Điều kiện bền về dập đƣợc thỏa mãn. 2. Phương án 2 Dùng bu lông lắp có khe hở giữa lỗ và bu lông. Tải trọng đƣợc cân bằng với lực ma sát sinh ra trên bề mặt ghép, do xiết chặt bu lông với lực V cần thiết ( đối với mỗi bu lông). Giả thiết một cách gần đúng rằng hợp lực ma sát do mỗi bu lông gây nên đi qua trục của bu lông. Mối ghép sẽ đủ bền (nghĩa là không bị xoay) nếu lực ma sát do từng bu lông tạo ra đƣợc cân bằng với hợp lực do R và M gây nên (F và Q1) đối với bu lông đó. Vì các bu lông đƣợc xiết đều nhau nên lực xiết cần thiết cho mỗi bu lông phải xác định theo bu lông chịu ngoại lực lớn nhất, cụ thể là bu lông 1 hoặc bu lông 3. (Lực ma sát còn dƣ trong các bu lông chịu tải ít hơn, có tính chất thụ động, không tham gia truyền tải trọng). Nhƣ vậy lực xiết V đƣợc xác định theo F1 hoặc F3. Ta có kF V  1 f Lấy hệ số k =1,5; f = 0,15 và theo trên F1 = 16000N, ta tính đƣợc: kF 1,5.16000 VN1  160000 f 0,15 Theo bảng 5.9 lấy [S] = 1,5 (giả thiết đƣờng kính bu lông trong khoảng 30 đến 60 mm), xác định ứng suất kéo cho phép.  200   ch  133MPa k S 1,5 Ta tìm đƣợc đƣờng kính d1 của bu lông 4.1,3.V 4.1,3.160000 d1    44,6 mm  k  .133 Cần bu lông M48x3 có đƣờng kính trong 44,752mm Kết luận. Không nên dùng bu lông lắp có khe hở vì kích thƣớc bu lông quá lớn (bu lông M48) so với kích thƣớc của giá, ngoài ra rất khó đảm bảo đƣợc lực xiết V =160000N. Ta dùng bu lông lắp không khe hở giữa lỗ và bu lông. 148 5.5.3.3. Xác định ứng suất cho phép Ứng suất cho phép [σk] của bu lông, vít, vít cấy có thể lấy nhƣ nhau: - Các bu lông xiết chặt chịu lực dọc trục, lấy [σk] =0,6.σch, σch là giới hạn chảy của vật liệu chế tạo bu lông. - Các bu lông xiết chặt chịu tải trọng không đổi Có kiểm tra lực xiết, lấy [σk] =σch/(1,2÷1,5); Không kiểm tra lực xiết, lấy [σk] =σch/(3÷4); - Các bu lông xiết chặt chịu tải trọng thay đổi; Có kiểm tra lực xiết, lấy [σk] =σch/(1,5÷2,5); Không kiểm tra lực xiết, lấy [σk] =σch/(3÷4). CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5 Câu 1: Trình bày cấu tạo mối ghép đinh tán. Câu 2: Trình bày các cách phân loại mối ghép đinh tán. Câu 3: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép đinh tán. Câu 4: Trình bày các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán của mối ghép đinh tán. Câu 5: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép đinh tán chịu lực ngang. Câu 6: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép đinh tán chịu mô men uốn. Câu 7: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép đinh tán chắc kín. Câu 8: Trình bày cấu tạo mối ghép hàn. Câu 9: Trình bày các cách phân loại mối ghép. Câu 10: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép hàn. Câu 11: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép hàn giáp mối. Câu 12: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép hàn chồng. Câu 13: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép hàn góc. Câu 14: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép hàn tiếp xúc. Câu 15: Trình bày cấu tạo mối ghép có độ dôi. Câu 16: Trình bày các phƣơng pháp lắp ghép tạo mối ghép độ dôi. Câu 17: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép có độ dôi. Câu 18: Trình bày các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán của mối ghép có độ dôi. Câu 19: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép có độ dôi chịu mô men xoắn. Câu 10: Trình bày cấu tạo mối ghép then. 149 Câu 21: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép then bằng. Câu 22: Trình bày các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán của mối ghép then bằng. Câu 23: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép then bằng chịu mô men xoắn. Câu 24: Trình bày cấu tạo mối ghép then hoa. Câu 25: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép then hoa. Câu 26: Trình bày các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán của mối ghép then hoa. Câu 27: Trình bày phƣơng pháp tính toán mối ghép then hoa chịu mô men xoắn. Câu 28: Trình bày cấu tạo mối ghép ren. Câu 29: Trình bày các chi tiết máy trong mối ghép ren. Câu 30: Trình bày các kích thƣớc chủ yếu của mối ghép ren. Câu 31: Trình bày cách ghi ký hiệu lắp ghép cho mối ghép ren Câu 32: Trình bày hiện tƣợng tự nới lỏng và các biện pháp phòng lỏng. Câu 33: Trình bày các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán của mối ghép ren. Câu 34: Trình bày phƣơng pháp tính bu lông ghép lỏng chịu lực dọc trục bu lông. Câu 35: Trình bày phƣơng pháp tính bu lông xiết chặt không chịu tải trọng. Câu 36: Trình bày phƣơng pháp tính bu lông xiết chặt chịu lực ngang. Câu 37: Trình bày phƣơng pháp tính bu lông xiết chặt chịu lực dọc trục bu lông. Câu 38: Trình bày phƣơng pháp tính bu lông xiết chặt chịu đồng thời cả lực ngang và lực dọc trục bu lông. Câu 39: Trình bày phƣơng pháp tính mối ghép nhóm bu lông chịu tải trọng tác dụng trong mặt phẳng vuông góc với trục của bu lông. Câu 40: Trình bày phƣơng pháp tính mối ghép nhóm bu lông chịu tải trọng tác dụng trong mặt phẳng song song với trục của bu lông. 150 CHƢƠNG 6 PHÂN TÍCH CHỌN MỐI GHÉP Trên cơ sở đã nghiên cứu các mối ghép về kết cấu, phƣơng pháp gia công lắp ráp, nguyên tắc liên kết, các dạng hỏng và tính toán thiết kế, trong chƣơng này chúng ta so sánh các mối ghép với nhau, xác định ƣu nhƣợc điểm, phạm vi sử dụng của từng mối ghép. Đây là tƣ liệu cần thiết để phân tích lựa chọn loại mối ghép, khi chúng ta muốn ghép các chi tiết máy lại với nhau. 6.1. Mối ghép ren 6.1.1. Ƣu điểm - Dễ tháo lắp, không làm hỏng các chi tiết máy ghép và tấm ghép. - Chi tiết máy có ren đƣợc tiêu chuẩn hóa cao, thuận tiện cho việc thay thế, sửa chữa nhanh chóng, tốn ít công sức. - Có thể lắp ghép đƣợc các tấm ghép có vật liệu bất kỳ. 6.1.2. Nhƣợc điểm - Mối ghép nặng nề, nhất là trƣờng hợp dùng nhiều bu lông trong một mối ghép. - Có tập trung ứng suất ở chân ren, nên chịu tải trọng va đập kém. - Tốn vật liệu khi tạo mối ghép, do khi gia công lỗ phải bỏ vật liệu đi. - Tạo mối ghép vít, vít cấy tƣơng đối phức tạp, tốn công sức. 6.1.3. Phạm vi sử dụng - So với hàn và đinh tán, mối ghép ren đƣợc dùng nhiều hơn cả. Đƣợc dùng rộng rãi trong các loại máy khác nhau. - Dùng cho mối ghép phải tháo lắp nhiều lần trong quá trình sử dụng. - Dùng lắp ghép các tấm ghép bằng vật liệu không chịu đƣợc nhiệt độ cao, vật liệu kém bền. - Dùng lắp ghép khi một tấm ghép có chiều dày quá lớn. 6.2. Mối ghép đinh tán 6.2.1. Ƣu điểm - Mối ghép đinh tán chắc chắn, chịu đƣợc tải trọng va đập, tải rung động. - Dễ quan sát kiểm tra chất lƣợng của mối ghép - Ít làm hỏng các chi tiết máy đƣợc ghép khi cần tháo rời mối ghép. - Có thể lắp ghép các tấm ghép bằng vật liệu phi kim loại. 6.2.2. Nhƣợc điểm - Tốn vật liệu, gia công lỗ sau đó lại điền đầy bằng vật liệu đinh tán. 151 - Chế tạo mối ghép phức tạp, giá thành chế tạo mối ghép cao. - Kích thƣớc của mối ghép tƣơng đối cồng kềnh, khối lƣợng lớn. 6.2.3. Phạm vi sử dụng - Do sử phát triển của ngành hàn, chất lƣợng của mối hàn ngày càng cao, nên phạm vi sử dụng của đinh tán đang dần bị thu hẹp. - Thƣờng dùng trong những mối ghép đặc biệt quan trọng, những mối ghép chị tải trọng rung động hoặc va đập. - Dùng trong các mối ghép không đƣợc phép đốt nóng tấm ghép. - Dùng trong mối ghép cố định, các tấm ghép bằng vật liệu chƣa hàn đƣợc. 6.3. Mối ghép hàn 6.3.1. Ƣu điểm - Mối hàn có khối lƣợng, kích thƣớc nhỏ, hình dáng đẹp. - Tiết kiệm đƣợc kim loại. So với mối ghép đinh tán tiết kiệm đƣợc 15 ÷ 20%. - Tiết kiệm đƣợc công sức, giảm đƣợc giá thành gia công. Công nghệ hàn dễ tự động hóa, có năng suất cao. - Dùng hàn để tạo nên chi tiết máy gồm nhiều kim loại khác nhau, sử dụng hợp lý vật liệu, đảm bảo điều kiện bền của các phần trên chi tiết máy. - Dễ dàng hồi phục các chi tiết máy bị hỏng do sứt mẻ, gẫy hoặc mòn. 6.3.2. Nhƣợc điểm - Cần phải có thiết bị hàn và thiết bị kiểm tra, tƣơng đối đắt tiền. - Chất lƣợng mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của công nhân hàn. Nên khó kiểm soát chất lƣợng của mối hàn. - Khó kiểm tra đánh giá chính xác chất lƣợng mối hàn, khó phát hiện các khuyết tật bên trong. - Không hàn đƣợc các vật liệu phi kim loại. - Các tấm ghép bị nung nóng, biến dạng nhiệt, dễ bị cong vênh, có thể làm thay đổi cấu trúc kim loại của tấm thép. 6.3.3. Phạm vi sử dụng - Mối hàn ngày càng đƣợc dùng rộng rãi trong ngành chế tạo máy, đóng tàu, sản xuất nồi hơi, bình chứa. - Sử dụng trong các công trình xây dựng, kể cả xây dựng cầu. - Dùng để khôi phục các chi tiết máy bị hỏng. Những chi tiết bị mòn, có thể hàn đắp, sau đó gia công cơ. 152 6.4. Mối ghép độ dôi 6.4.1. Ƣu điểm - Chịu đƣợc tải trọng lớn và tải trọng va đập. - Dễ đảm bảo độ đồng tâm giữa chi tiết trục và bạc lắp trên trục. - Kết cấu đơn giản, chế tạo nhanh, giá thành hạ. 6.4.2. Nhƣợc điểm - Lắp và tháo phức tạp, có thể làm hỏng bề mặt các chi tiết máy ghép. - Khó xác định chính xác khả năng tải của mối ghép, vì nó phụ thuộc vào hệ số ma sát và độ dôi. - Khả năng tải của mối ghép không cao. 6.4.3. Phạm vi sử dụng - Dùng trong mối ghép ổ lăn trên trục, đĩa tuabin trên trục. - Dùng ghép các phần của trục khuỷu, lắp ghép vành răng bánh vít với mayơ. - Dùng kết hợp với mối ghép then để lắp bánh răng, bánh vít, bánh đai, đảm bảo độ đồng tâm cao. 6.5. Mối ghép then, then hoa và trục định hình 6.5.1. Ƣu điểm - Mối ghép then chế tạo đơn giản, giá thành hạ, tháo lắp dễ dàng. - Mối ghép then ma sát đảm bảo an toàn cho các chi tiết máy khi quá tải. - Mối ghép then bán nguyệt có thể tùy động thích ứng với độ nghiêng của rãnh mayơ để mối ghép làm việc bình thƣờng. - Mối ghép trục định hình chịu đƣợc tải trọng va đập, rung động. 6.5.2. Nhƣợc điểm - Mối ghép then gây tập trung ứng suất trên trục, nhất là khi gia công bằng dao phay ngón. Khả năng tải của mối ghép then không cao. - Mối ghép then bằng, đặc biệt là then bán nguyệt làm yếu trục đi nhiều - Mối ghép then vát và then ma sát thƣờng gây nên độ lệch tâm giữa bạc và trục. - Mối ghép then hoa chế tạo phức tạp, cần có dụng cụ và thiết bị chuyên dùng để gia công, giá thành cao. Tải trọng phân bố không đều trên các then của then hoa. - Mối ghép trục định hình, gia công lỗ không tròn khó đạt đƣợc độ chính xác cao. Do đó độ đồng tâm giữa trục và bạc không cao. 6.5.3. Phạm vi sử dụng - Mối ghép then, đặc biệt là then bằng đƣợc dùng để lắp ghép các chi tiết máy trên trục, nhƣ bánh răng, bánh vít, bánh đai, đĩa xích. 153 - Khi vừa truyền mô men xoắn vừa di trƣợt các chi tiết máy dọc trục nên dùng mối ghép then hoa. Ví dụ, lắp các bánh răng trong hộp số, lắp ly hợp trên trục. - Khi cần truyền tải trọng lớn, và cần độ đồng tâm giữa trục và bạc cao, nên dùng mối ghép then hoa. - Mối ghép trục định hình thƣờng dùng để lắp các tay quay, hoặc lắp các chi tiết máy lên trục quay chậm. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 6 Câu 1: Mối ghép nào đƣợc sử dụng nhiều nhất trong ngành chế tạo máy? Giải thích vì sao? Câu 2: Mối ghép nào đƣợc sử dụng nhiều nhất trong ngành đóng tầu? Giải thích vì sao? Câu 3: Mối ghép nào đƣợc sử dụng hạn chế trong ngành chế tạo máy? Giải thích vì sao? Câu 4: Mối ghép nào thƣờng đƣợc sử dụng để truyền mô men xoắn trong ngành chế tạo máy? Giải thích vì sao? Câu 5: Mối ghép nào có tính kinh tế cao nhất? Giải thích vì sao? Câu 6: Những mối ghép nào tháo, lắp không làm hỏng các chi tiết ghép? Câu 7: Những mối ghép nào tháo, lắp làm hỏng các chi tiết ghép? 154 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyên lý máy. Đinh Gia Tƣờng, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến, NXB Đại học và THCN, Hà Nội 1969. [2] Nguyên lý máy, tập 1. Đinh Gia Tƣờng, Tạ Khánh Lâm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 1995. [3] Nguyên lý máy, tập 2. Đinh Gia Tƣờng, Phan Văn Đồng, Tạ Khánh Lâm, NXB Giáo dục, Hà Nội 1998. [4] Bài tập Nguyên lý máy. Phan Văn Đồng, Tạ Ngọc Hải, NXB Khoa học và kỹ thuật 2002. [5] Nguyên lý máy. Phan Văn Đồng, Tạ Ngọc Hải, Tập 1 và tập 2, Đại học Bách khoa Hà Nội xuất bản 1982 [6] Nguyên lý máy. Bùi Thanh Liêm, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 1981 [7] Cơ sở kỹ thuật cơ khí. Đỗ Xuân Định, Bùi Lê Gôn, Phạm Đình Sùng, NXB Xây dựng, Hà Nội 2001 [8] Chi tiết cơ cấu chính xác. Nguyễn Trọng Hùng, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2002 [9] Chi tiết máy, tập 1. Nguyễn Trọng Hiệp, NXB Giáo dục. 155