Cơ sở thiết kế máy và robot - Bài giảng Chi tiết máy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT BÀI GIẢNG MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY 1 MỞ ĐẦU 1. Khái niệm về chi tiết máy (CTM) Máy bộ phận CTM CTM: là phần tử hoàn chỉnh đầu tiên để tạo thành máy Phân loại: - CTM có công dụng chung - CTM có công dụng riêng 2 MỞ ĐẦU CTM công dụng chung - Dùng phổ biến trong các máy khác nhau - Không phụ thuộc vào công dụng máy - Ví dụ: bulong, đai ốc, trục, ổ, bánh răng ... CTM công dụng riêng - Dùng trong một máy hoặc một số máy chuyên dụng - Liên quan mật thiết đến chức năng của máy - Ví dụ: trục khuỷu, thanh truyền ... 3 MỞ ĐẦU 2. Môn học CTM - Là môn học nghiên cứu, tính toán, thiết kế hợp lý các CTM công dụng chung - Kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực nghiệm Lý thuyết: xây dựng trên cơ sở các môn học: toán, vật lý, cơ lý thuyết, sbvl, nlm, vật liệu .... 4 MỞ ĐẦU NỘI DUNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 2. Các CTM ghép 3. Các CTM truyền động 4. Các CTM đỡ và nối TÀI LIỆU 1. Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy, Tập 1,2 NXB Giáo dục 2. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1,2 5 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM a. Hiệu quả sử dụng Hiệu suất cao, tốn ít năng lượng, độ chính xác cao, chi phí vận hành thấp b. Khả năng làm việc Hoàn thành các chức năng yêu cầu mà vẫn giữ được độ bền, không thay đổi kích thước c. Độ tin cậy cao Đảm bảo được các chỉ tiêu sử dụng trong thời gian quy định. Độ tin cậy được đặc trưng bởi xác suất làm việc không hỏng hóc trong thời gian quy định 6 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM d. An toàn trong sử dụng rất cần thiết e. Tính công nghệ và kinh tế - Tính công nghệ: + Hình dạng, kết cấu, vật liệu phải phù hợp với đk sản xuất + Càng ít chi tiết, càng dễ chế tạo càng tốt - Tính kinh tế: Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ -> giá thành giảm 7 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 2. Tải trọng và ứng suất 2.1. Tải trọng - Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá trình làm việc (Kí hiệu Q) - Phân loại: • Tải trọng tĩnh: không đổi theo t/g • Tải trọng động: thay đổi theo t/g (phương, chiều, độ lớn, điểm đặt) Tải trọng va đập: tăng mạnh và giảm nhanh 8 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM Trong tính toán CTM: tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương, tải trọng tính toán. -Tải trọng danh nghĩa (Qdn) là tải trọng tác động lên máy hoặc CTM ở chế độ ổn định Thường chọn tải trọng lớn hoặc tải trọng tác động lâu dài nhất - Với tải trọng thay đổi nhiều mức, thay thế bằng tải trọng một mức Tải trọng tương đương (Qtđ) 9 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM Tương đương về khả năng làm việc, tuổi thọ, độ bền Qtđ = Qdn .KN KN hệ số phụ thuộc vào - Chế độ thay đổi tải trọng - Việc chọn Qdn 10 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM -Tải trọng tính toán (Qt) : là tải trọng có xét đến ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng, mức độ chấn động, điều kiện làm việc ... Qt = Qtđ.Kt Kt :hệ số > 1, phụ thuộc nhiều yếu tố 11 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 2.2. Ứng suất a. Các loại ứng suất Kéo, nén, uốn, xuắn, ứng suất tiếp xúc b. Ứng suất tiếp xúc là ứng suất xuất hiện trên bề mặt của 2 vật tiếp xúc nhau nhưng diện tích tiếp xúc rất nhỏ US tiếp xúc được tính theo CT Herzt 12 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 13 - Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - mphẳng)   2 n MH q Z H F F d1 d2  222121 21 )1()1( 2 EE EE ZM    EZM 591,0   Eqn H 415,0 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 14 -Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - mphẳng) 3 2 2 288,0   EFn H  Theo thời gian mà phân loại: + Ứng suất tĩnh + Ứng suất thay đổi (Chú ý: Vật liệu là thép) CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 15 c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi  Chu trình ứng suất: là một vòng thay đổi ứng suất qua giá trị giới hạn này đến giá trị giới hạn khác rồi trở về giá trị ban đầu  Chu kỳ ứng suất: là thời gian thực hiện một chu trình CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 16 c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi  Ứng suất trung bình  Biên độ ứng suất  Hệ số tính chất chu trình 2 minmax m   2 minmax a   max minr    CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 17 Căn cứ và r -> các dạng chu trình - Chu trình đối xứng r = -1 - Chu trình mạch động r = 0 CHƢƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM 18 3. Độ bền mỏi 3.1 Hiện tƣợng phá hủy vì mỏi Khi CTM chịu us thay đổi theo chu kỳ, sau một số chu trình thì CTM bị phá hủy. Sự phá hủy xảy ra đột ngột, không có biến dạng dư. Giá trị us gây ra phá hủy << giới hạn bền của vật liệu 3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi Nguyên nhân: Do sự phát triển các vết nứt tế vi. 19 Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do us tĩnh 3.1 Hiện tƣợng phá hủy vì mỏi  Khả năng CTM chống lại sự phá hủy vì mỏi gọi là độ bền mỏi  Đối với nhiều loại vật liệu, tồn tại giá trị us giới hạn mà tác dụng với một số chu trình rất lớn mà vẫn không phá hủy chi tiết -> gọi là giới hạn mỏi 3.2 Đƣờng cong mỏi  Đường cong mỏi thể hiện quan hệ giữa us với số chu trình thay đổi us (N) mà CTM chịu được cho đến khi hỏng  Đường cong mỏi được xây dựng bằng thực nghiệm: Cho i tác động, sau Ni chu trình thì CTM bị phá hủy 21 3.2 Đƣờng cong mỏi Phương trình đường cong mỏi m.N = const  m : bậc của đường cong mỏi. VD thép : m=6  Khi i tăng thì Ni giảm tức là tuổi thọ giảm  Khi giảm i < r thì mẫu không bị phá hỏng. r : giới hạn mỏi dài hạn N0: số chu trình cơ sở Ví dụ : thép N0 = 10 6  107 22 N  i r Ni N0 3.2 Đƣờng cong mỏi Chú ý: đường cong mỏi Veler với vật liệu là thép và us thay đổi đối xứng r=-1 r = -1 Đối với kim loại màu : Không có đoạn nằm ngang Quy ước N0 = 10 8 23 N  i r Ni N0 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi Trong thí nghiệm người ta sử dụng mẫu có:  Đường kính d0 = 7  10 mm  Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt  Không có tập trung ứng suất.  Chu trình ứng suất là đối xứng. Trong thực tế các chi tiết máy có hình dạng, kích thước, độ nhám bề mặt khác mẫu. Để xác định giới hạn mỏi của chi tiết máy -> các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi. 24 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu CTM có hình dạng càng phức tạp thì giới hạn mỏi Nguyên nhân: tại những nơi thay đổi hình dạng có sự tập trung ứng suất. Ví dụ: trục Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ,  là ứng suất trung bình tại mặt cắt có sự tập trung ứng suất. 25    max    max 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu Tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp hệ số ,  vào tính toán thực tế nhiều khi không thích hợp. Hệ số tập trung ứng suất thực tế r,r là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất. rc,rc là g/h mỏi của mẫu có tập trung ứng suất. 26 rc rk    rc rk    3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối Chi tiết có kích thước càng lớn thì giới hạn mỏi giảm Nguyên nhân:  Do sự không đồng đều về cơ tính cũng như nhiều khuyết tật hơn.  Chiều dày tương đối của lớp bề mặt được tăng bền nhờ gia công cơ hoặc nhiệt luyện giảm xuống. 27 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối Hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối rd0 rd0 : giới hạn mỏi của mẫu có kích thước d0 = 7  10 mm rd rd :giới hạn mỏi của mẫu có đường kính d. 28 0rd rd    0rd rd    3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt Bề mặt của chi tiết được đánh bóng hoặc được gia công đặc biệt làm cho cứng có tác dụng làm tăng giới hạn mỏi. Hệ số trạng thái bề mặt   < 1 nếu bề mặt chi tiết được nhiệt luyện hoặc gia công tăng bền (phun bi, cán lăn )  > 1 nếu bề mặt được gia công bằng tiện, phay nhưng không gia công tăng bền. 29 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 3.3.4 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất Mẫu được thí nghiệm với r = -1, m = 0 Thực tế r  -1, m  0 Hệ số ảnh hƣởng của ứng suất trung bình   30 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi Giới hạn mỏi của chi tiết được tính thông qua giới hạn mỏi của mẫu như sau: 31   k rrc    k rrc  3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi Các biện pháp chế tạo  Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ(tăng tính đàn hồi của kết cấu)  Tránh các nguyên nhân gây ra sự tập trung ứng suất. Các biện pháp công nghệ  Mài nhẵn, đánh bóng hoặc mạ bề mặt chi tiết để loại trừ các vết nứt phá sinh trong quá trình gia công cắt gọt.  Làm cứng bề mặt ngoài của chi tiết như nhiệt luyện, hóa-nhiệt luyện. 32 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 33 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.1 Độ bền Độ bền là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM Gẫy: độ bền thể tích Phá hủy bề mặt: độ bền bề mặt Độ bền tĩnh: tránh bị phá hủy do ứng suất tĩnh gây ra. Độ bền mỏi: tránh các dạng phá hủy do ứng suất thay đổi theo chu kỳ. 34 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.1 Độ bền Phương pháp tính: ứng suất sinh ra khi CTM chịu tải trọng không được vượt quá ứng suất cho phép   []   [] H  [H] 35 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.2 Độ cứng là khả năng chống biến dạng của CTM khi chịu tác động của tải trọng ngoài Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng thể tích Độ cứng tiếp xúc: liên quan đến biến dạng các lớp bề mặt Phƣơng pháp tính toán: y  [y] l  [l]   []   [] 36 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.3 Độ bền mòn Mòn là hiện tượng giảm dần kích thước và thay đổi hình dáng do ma sát gây ra. Điều kiện để gây ra mòn 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) Hậu quả do mòn - Giảm độ chính xác (vd: các dụng cụ đo) - Giảm hiệu suất (vd: xy lanh và pittông) - Giảm độ bền (do kích thước giảm) 37 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.3 Độ bền mòn Cường độ mòn phụ thuộc các yếu tố : áp suất, vận tốc trượt, bôi trơn, độ nhẵn bề mặt, hệ số ma sát. Phƣơng pháp tính toán để hạn chế mòn: - hạn chế áp suất p  [p] - hạn chế tích p.v  [pv] - Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm hệ số ma sát) Biện pháp nâng cao độ bền mỏi (chủ yếu là giảm hệ số ma sát) - Tăng chất lượng bề mặt tiếp xúc .Ví dụ như mạ - Chọn cặp vật liệu có hệ số ma sát nhỏ. 38 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.4 Khả năng chịu nhiệt Trong quá trình làm việc do ma sát trong các cơ cấu, nhiệt độ của chi tiết máy tăng lên. Ảnh hƣởng của nhiệt độ: - Giảm khả năng làm việc - Biến dạng nhiệt gây cong vênh - Giảm độ nhớt dầu 39 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.4 Khả năng chịu nhiệt Nguyên tắc tính nhiệt: dựa trên phương trình cân bằng nhiệt nhiệt lượng sinh = nhiệt lượng thoát P(1-) = AKt(t-t0) kiểm tra điều kiện t  [t] Phƣơng pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt - Tăng diện tích thoát nhiệt - Tăng hệ số thoát nhiệt (làm mát bằng nước, quạt gió ) 40 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.5 Độ ổn định dao động Độ ổn định dao động là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép. Nguyên nhân: - Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn. - Sự mất cân bằng các chi tiết quay. Hậu quả: - Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ. - Giảm khả năng làm việc của máy. VD dao động trong các máy công cụ làm giảm độ chính xác gia công và độ nhẵn bề mặt. 41 4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 4.5 Độ ổn định dao động Phƣơng pháp tính: - Xác định tần số dao động để tránh hiện tượng cộng hưởng. - Xác định biên độ dao động và hạn chế nhỏ hơn giá trị 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) 42 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Tính toán dựa các công thức lý thuyết hoặc thực nghiệm Tính theo 2 giai đoạn: -Tính thiết kế -Tính kiểm nghiệm 43 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Tính thiết kế: xuất phát từ điều kiện làm việc, tải trọng tác động tìm ra 1 kích thước chính rồi suy ra các kích thước còn lại (chú ý đến các tiêu chuẩn, các yêu cầu về công nghệ, lắp ghép). VD: khi tính trục, xác định đường kính trục d  f([]) bộ truyền bánh răng, xác định khoảng cách tâm bánh răng d  f([H]) 44 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM Kiểm nghiệm: sau khi thiết kế sơ bộ, có hình dạng, kích thước, kết cấu cụ thể phải kiểm nghiệm lại để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc.   []   [] s  [s] 45 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.2 Xác định ứng suất cho phép lim ứng suất giới hạn s hệ số an toàn 46 s lim][    s lim][    5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.2.1 Ứng suất giới hạn Độ bền tĩnh: lim = b đối với vật liệu dòn (gang) lim = ch đối với vật liệu dẻo (thép) Độ bền mỏi: lim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất. 47 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM a. Ứng suất thay đổi ổn định - Chi tiết máy làm việc lâu dài N  N0, lim = r - Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0, lim = rN = là hệ số tuổi thọ. 48 m 0 r N N  m 0 N N N K  5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM b. ứng suất thay đổi không ổn định Ni là số chu kỳ chịu tải ứng với mức ứng suất i Khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi không ổn định, ta chuyển về chế độ làm việc ổn định với ứng suất lớn nhất là 1 trong chu kỳ chịu tải tương đương Ntđ. 49 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM b. ứng suất thay đổi không ổn định - Nếu Ntđ  N0 thì lim = r - Nếu Ntđ < N0 thì lim = 50         i m i tđ NN 1  m tđ r N N0 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.2.2 Hệ số an toàn Do điều kiện làm việc thực tế có nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán cần đưa vào hệ số an toàn nhằm đảm bảo cho kết cấu có độ an toàn cần thiết. Hệ số an toàn xác định theo công thức s = s1.s2.s3 - s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất. - s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của vật liệu - s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của chi tiết. 51 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.3 Vật liệu Các yêu cầu chung đối với vật liệu là  Phù hợp với các chỉ tiêu về khả năng làm việc của chi tiết máy như độ bền, độ cứng  Đáp ứng các yêu cầu về khối lượng và kích thước của chi tiết máy.  Có tính công nghệ thích ứng với hình dạng chi tiết máy và phương pháp gia công. 52 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.3 Vật liệu Vật liệu thƣờng dùng là:  Kim loại đen: gồm gang và thép được dùng rộng rãi nhờ độ bền và độ cứng cao và tương đối rẻ. Thép kết cấu : CT + giới hạn bền Thép chất lượng tốt : C + thành phần Cacbon Gang : có tính đúc, trọng lượng lớn 53 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.3 Vật liệu  Kim loại màu như đồng, kẽm, nhôm thường được sử dụng dưới dạng hợp kim màu như đồng thanh, đồng thau, babít ưu điểm là có tính giảm ma sát, chống rỉ nhưng đắt tiền nên chỉ được dùng khi cần thiết 54 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.3 Vật liệu  Kim loại gốm được chế tạo bằng cách nung và ép bột kim loại với các chất phụ gia, có ưu điểm là khó nóng chảy, hệ số ma sát thấp nhưng giá thành cao, kích thước bị hạn chế bởi điều kiện chế tạo. 55 5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM 5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa Tuân thủ các tiêu chuẩn - Hình dạng - Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm) - Đk kỹ thuật 56 Câu hỏi ôn tập 1. Tải trọng, các loại tải trọng? 2. Ứng suất, các loại ứng suất? 3. Độ bền mỏi, các nhân tố a/h tới độ bền mỏi ?? 4. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc của CTM ? 5. Ứng suất cho phép? 57