<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

11/09/2015

Những vấn đề cơ bản về thiết kế

chi tiết máy

TS. Phạm Minh Hải

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY (ME3090)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT

thietkemay.edu.vn

Nội dung

Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

Tải trọng và ứng suất

Độ bền mỏi của chi tiết máy

Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

Những vấn đề chung về tính tốn và thiết kế CTM

2
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

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

d. An toàn trong sử dụng:con người, cơng trình

e.

Tính cơng nghệ và kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật
liệu, cấp chính xác, số lượng chi tiết máy, khối lượng
và kích thước …

3
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Tải trọnglà lực, momen tác động lênCTMtrong quá
trình làm việc

4
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng

Phân loại:

Tải trọng tĩnh: không đổi theo thời gian

Tải trọng động: thay đổi theo thời gian
- phương

- chiều
- độ lớn
- điểm đặt
* Tải trọng va đập

Tải trọng danh nghĩa(Qdn): tải trọng tác động lên máy

hoặc CTM ở chế độ ổn định (tải trọng lớn nhất / tải
trọng tác động lâu dài nhất)

5
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng

Tải trọng tương đương(Qtđ):Khi có nhiều chế độ tải trọng
- Chọn 1 chế độ làm Qdn

- Quy đổi về 1 chế độ tải trọng tương đương (tuổi thọ, độ bền)
Qtđ= Qdn.KN

KNhệ số (hệ số tuổi thọ) phụ thuộc vào

- Chế độ thay đổi tải trọng

- Tương quan giữa Qdn và các chế độ tải trọng cịn lại

Tải trọng tính tốn

(Q

_t

) :

Q

_t

= Q

_tđ

K

_t

K

_t

= K

_tt

K

_đ

K

_đk

…

>1

K

_tt

: hệ số xét đến sự phân bố không đều tải

trọng trên bề mặt tiếp xúc

K

_đ

: hệ số tải trọng động

K

_đk

: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

6
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

11/09/2015

a. Các loại ứng suất

:

ứng suất

kéo

, ứng suất

nén

, ứng suất

uốn

, ứng

suất

xoắn

ứng suất

tiếp xúc

, ứng suất

dập

7
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

2. Tải trọng và ứng suất

2.2. Ứng suất

Các đặc trưng của ứng suất
thay đổi (tuần hồn)

Chu trình ứng suất

Chu kỳ ứng suất

Biên độ ứng suất

Ứng suất trung bình

Hệ số tính chất chu trìnhr

8

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

+ Ứng suất thay đổi

2

min
max
m

σ
+
σ
=

σ

2

min
max
a

σ
−
σ
=
σ

max
min

r
σ
σ
=
-Chu trình đối xứng r = -1
-Chu trình mạch động r = 0

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

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

9

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Phá hủy mỏi:

Ứng suất thay đổi theo chu kỳ

Sau một số chu trình US,
CTM bị phá hủy

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

US<< giới hạn bền của vật
liệu.

Phá hủy tĩnh

Ứng suất tĩnh

Xảy ra tức thì

Có co tiết diện tại vết gãy (vật
liệu dẻo)

US > giới hạn bền của vật liệu.

3.2 Cơ chế của phá hủy mỏi

Vết nứt
tế vi trên

bề mặt

10
Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do us tĩnh

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Vết nứt
phát
triển
Tải trọng thay đổi theo chu kỳ

CTM
yếu đi

Phá hủy
khi vết
quá lớn

3.3 Đường cong mỏi

σm_{.N = const}

m : bậc của đường cong mỏi (thép: m=6)

σ : biên độ ứng suất

N : Số chu trình ứng suất khi CTM bị
hỏng do mỏi

σr: giới hạn mỏi dài hạn

N0: số chu trình cơ sở (thép N0= 106÷

107

)

11

N
σ

σ_i

σr

Ni N0

Thép

Kim loại màu

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

• Đối với kim loại màu: Khơng ∃giới hạn mỏi dài hạn
Quy ước N0= 108

Chú ý:

đường cong mỏi Vê-le (Wohler ) ứng với:
- Vật liệu là thép

- US thay đổi đối xứng r=-1

σr= σ-1

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

11/09/2015

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

Thí nghiệm mỏi

Đường kính d0= 7 ÷10 mm

Mẫu được mài nhẵn, khơng tăng bền bề mặt

Khơng có tập trung ứng suất.

Chu trình ứng suất là đối xứng.

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

13

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 14

<i>dn</i>

σ
σ

ασ= max

<i>dn</i>

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

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

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

rc
r
k

σ
σ
=
σ

rc
r
k

τ
τ
=

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

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

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

• Khơng đồng
đều về cơ tính

• Nhiều khuyết
tật

15
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối

Ví dụ: trục chịu uốn

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

trục chịu xoắn

Kích thước càng lớn giới hạn mỏi giảm

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những

vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 16

β

> 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh
bóng …).

β

< 1 : tiện, phay + khơng gia cơng tăng bền.

17
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt

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

Chất lượng bề mặt tốt

-> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi

-> giới hạn bền mỏi tăng

Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình

ψ

_σ

ψ

_τ

(xem chương “Trục”)

18
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.3.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

11/09/2015

Giới hạn mỏi của chi tiết được tính theo giới hạn mỏi của
mẫu như sau:

19

σ
σ

β

ε

σ

σ

<i>k</i>

<i>r</i>
<i>rc</i>

=

τ
τ

β

ε

τ

τ

<i>k</i>

<i>r</i>
<i>rc</i>

=

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi

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

• Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất

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

4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

5 chỉ tiêu chủ yếu:
Độ bền

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

20
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

là khả năng chống lạisự phá hỏngcủa CTM

Độ bền thể tích
Độ bền bề mặt

Độ bền tĩnh

Độ bền mỏi

21
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.1 Độ bền

Phương pháp tính:

σ ≤

[

σ

]

τ ≤

[

τ

]

σ

H

≤

[

σ

H

],

σ

d

≤

[

σ

d

]

<i>S>=[S] (m</i>

ỏ

<i>i, xem ph</i>

ầ

<i>n tr</i>

ụ

<i>c)</i>

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

là khả năng chống biến dạng của CTM khi chịu

tác động của tải trọng ngồi

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

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

22
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.2 Độ cứng

Phương pháp tính tốn:

Độ võng: y

≤

[y]

Độ dãn dài:

∆

l

≤

[

∆

l]

Góc xoắn:

ϕ ≤

[

ϕ

]

Góc xoay:

θ ≤

[

θ

]

Mịn là hiện tượng giảm dần kích thước và thay đổi hình dáng do
ma sát gây ra.

Điều kiện để gây ra mịn là

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

23
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.3 Độ bền mịn

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

p.v≤[pv]

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

Trong quá trình làm việc + do ma sát trong các cơ cấu, nhiệt độ
của máy và chi tiết máy tăng lên.

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

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

- Giảm độ nhớt dầu

24
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.4 Khả năng chịu nhiệt

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

11/09/2015

Nguyên nhân của dao động:

- Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn.
- Sự mất cân bằng các chi tiết quay.

Hậu quả của dao động:

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

25
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

4.5 Độ ổn định dao động

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

Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động

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

26
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5.

Những vấn đề chung về tính tốn và thiết kế CTM

Đặc điểm tính tốn và thiết kế CTM

Xác định ứng suất cho phép

Vật liệu

Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

27
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5. Những vấn đề chung về tính tốn và thiết kế CTM

5.1 Đặc điểm tính tốn và thiết kế CTM

điều kiện làm việc, tải trọng

1 kích thước chính
Cơng thức thiết kế

các kích thước cịn lại
(tiêu chuẩn, u cầu về cơng nghệ, lắp ghép)

Các chỉ tiêu về khả
năng làm việc
Chọn vật liệu

Sai khác

Kết thúc tính tốn
thỏa mãn

khơng thỏa mãn
nhỏ

Lớn
TÍNH THIẾT KẾ

TÍNH KIỂM NGHIỆM

σlimứng suất giới hạn của vật liệu

Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính tốn

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

s

₁

:hệ số an tồn xét đến mức độ chính xác trong

việc xác định tải trọng và ứng suất(1,2-1,5).

s

₂

:hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của

vật liệu (1,5-2,5).

s

₃

: hệ số an tồn kể đến mức độ quan trọng của

chi tiết (1-1,5)

28

<i>s</i>

lim

]

[

σ

=

σ

<i>s</i>

lim

]

[

τ

=

τ

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5.2 Xác định ứng suất cho phép

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

σlim= σbđối với vật liệu giòn (gang)

σlim= σchđối với vật liệu dẻo (thép) _{a. Ứng suất thay đổi ổn định}

- Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥N0, σlim= σr

- Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0,σlim= σrN= σrKN

là hệ số tuổi thọ.

30

m 0
N

N
N

K =

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

b. Ứng suất thay đổi không ổn định

Ni, σi

∑

_






= <i>i</i>

<i>m</i>
<i>i</i>

<i>t</i>đ <i>N</i>

<i>N</i>

1
σ

σ _N

td, σ1

không ổn định ổn định

Khi tính theo độ bền mỏi:

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

11/09/2015

• Các u cầu chung đối với vật liệu là

Độ bền, độ cứng…

Yêu cầu về khối lượng, kích thước

Có tính cơng nghệ

Ngun tắc chất lượng cục bộ

31
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5.3 Vật liệu

• Vật liệu thường dùng là:

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

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

Kim loại gốm:nung + ép bột kim loại với các chất phụ gia; khó
nóng chảy, hệ số ma sát thấp, giá thành cao, kích thước hạn chế.

Vật liệu phi kim: gỗ, da, cao su, chất dẻo, a-mi-ăng

• Tn thủ các tiêu chuẩn:
- Hình dạng

- Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm)
- Yêu cầu kỹ thuật

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

- V.v…

32
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa

Những vấn đề chính trong chương 1

•

5 u cầu cơ bản

•

5 chỉ tiêu cơ bản

•

Độ bền mỏi: cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng,

đường cong mỏi

•

Tải trọng: tĩnh, động

•

Ứng suất: khơng đổi, thay đổi (tuần hồn), thể

tích, bề mặt

•

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

chuẩn hóa

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những

vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 33 34

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

US tiếp xúc được tính theo CT Héc [TLTK 1]

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập

ρ
σ

2
<i>n</i>
<i>M</i>
<i>H</i>

<i>q</i>
<i>Z</i>

=

_[

_]

2
2
2
1
2
1

2

1

)
1
(
)
1
(

2

<i>E</i>
<i>E</i>

<i>E</i>
<i>E</i>
<i>ZM</i>

µ
µ

π − + −

=

qn- Cường độ tải trọng pháp tuyến

E - Mô đun đàn hồi của vật liệu

µ- Hệ số Pốt-xơng

Tiếp xúc điểm(cầu – cầu, cầu - phẳng)

35

3
2

2

388
,
0

ρ

σ <i>FnE</i>

<i>H</i>= (Vật liệu là thép)
Fn: Tải trọng pháp tuyến

Khi

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

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 36

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

TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

</div>

<!--links-->