Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và thiết kế máy chi tiết máy - Phần 1: Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy - Lê Văn Uyển

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và thiết kế máy chi tiết máy - Phần 1: Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy - Lê Văn Uyển

1. LÊ VĂN UYỂN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Và THIẾT KẾ MÁY CHI TIẾT MÁY Hà nội tháng 9-2015
2. LÊ VĂN UYỂN PHẦN THỨ NHẤT CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Hà nội tháng 9-2015
3. Lời nói đầu Cuốn tài liệu “Cơ sở Thiết kế máy và Thiết kế Chi tiết máy “ đƣợc biên soạn dựa trên cơ sở cuốn sách Cơ sở Thiết kế máy do nhà xuất GIÁO DỤC VIỆT NAM xuất bản tháng 12 năm 2011 có sửa chữa và bổ sung thêm phần II. Cuốn sách bao gồm hai phần: Phần I: Cơ sở Thiết kế máy gồm 12 chƣơng trình bày về phƣơng pháp thiết kế các chi tiết máy. Phần II: Thiết kế Chi tiết máy gồm 3 chƣơng trình bày về thiết kế các chi tiết máy trong hệ dẫn động cơ khí nhằm phục vụ cho sinh viên làm ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY. Trong phần này, tác giả đƣa vào nội dung tự động thiết kế các chi tiết bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế trong Autodest Inventor. Sách đƣợc biên soạn nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế chi tiết máy làm cơ sở cho việc thiết kế các máy công tác. Ngoài ra sách còn làm tài liệu để rèn luyện các kỹ năng tƣ duy và phân tích về hệ thống làm việc của máy công tác, khả năng áp dụng các kiến thức đƣợc trang bị vào công việc thiết kế, kiểm tra và thẩm định.Trong tài liệu còn đƣợc bổ sung thêm các chi tiết máy mà trong các tài liệu khác chƣa đƣợc đề cập hoặc đề cập chƣa đầy đủ. Cuốn sách là tài liệu tham khảo để học lý thuyết và làm Đồ án môn học chi tiết máy cho các bạn sinh viên hiện đang theo học tại các trƣờng Đại học và Cao đẳng, cho các các cán bộ trẻ đang giảng dạy môn học Cơ sở Thiết kế máy tại các trƣờng Đại học và Cao đẳng. Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi các sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc của đồng nghiệp và các bạn đọc. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về tác giả theo điạ chỉ: levanuyen_cstkm@yahoo.com Tác giả
4. MỤC LỤC PHẦN I CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY Chƣơng 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 Khái niệm về thiết kế máy và chi tiết máy 1 1.2 Nội dung và quá trình thiết kế máy và chi tiết máy 2 1.3 Tải trọng và ứng suất 4 1.4 Chỉ tiêu về khả năng làm việc và phƣơng pháp tính toán thiết kế chi tiết máy 6 1.5 Ứng suất cho phép 12 1.6 Vật liệu sử dụng trong cơ khí 22 1.7 Tiêu chuẩn hóa và tính công nghệ trong thiết kế 25 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 2 BỘ TRUYỀN ĐAI 2.1 Khái niệm chung 28 2.2 Cơ sở tính toán bộ truyền đai 34 2.3 Tính bộ truyền đai 39 2.4 Kết cấu bánh đai 48 2.5 Các bƣớc thiết kế bộ truyền đai 48 2.6 Biến tốc đai 52 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 3 BỘ TRUYỀN XÍCH 3.1 Khái niệm chung 55 3.2 Cơ sở tính toán bộ truyền xích 57 3.3 Tính bộ truyền xích 60 3.4 Các bƣớc thiết kế bộ truyền xích 64 3.5 Kết cấu đĩa xích 65 3.6 Ƣu nhƣợc điểm và phạm vi sử dụng 65 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 4 BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNGác 4.1 Khái niệm chung 66 4.2 Cơ sở tính toán thiết kế bánh răng 81 4.3 Tính toán bộ truyền bánh răng trụ 98 4.4 Tính toán bộ truyền bánh răng côn 108 4.5 Các bƣớc thiết kế bánh răng 110 4.6 Kết cấu bánh răng .116 4.7 Ƣu nhƣợc điểm và phạm vi sử dụng 116 4.8 Bộ truyền bánh răng sóng Câu hỏi ôn tập
5. Chƣơng 5 BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT 5.1 Khái niệm chung 123 5.2 Cơ sở tính toán bộ truyền trục vít . 128 5.3 Tính toán bộ truyền trục vít 137 5.4 Các bƣớc thiết kế bộ truyền trục vít 140 5.5 Kết cấu trục vít và bánh vít 142 5.6 Ƣu nhƣợc điểm và phạm vi sử dụng 142 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 6 TRUYỀN ĐỘNG VIT ĐAI ỐC 6.1Khái niệm chung 144 6.2 Cơ sở tính toán truyền động vít đai ốc 146 6.3 Tính toán truyền động vít me ma sát trƣợt 148 6.4 Tính toán truyền động vít me ma sát lăn .152 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 7 TRỤC 7.1 Khái niệm chung 158 7.2 Tính trục 163 7.3 Các bƣớc thiết kế trục 175 Câu hỏi gợi ý Chƣơng 8 Ổ TRƢỢT Gối đỡ trục 8.1 Khái niệm chung 178 8.2 Cơ sở tính toán ổ trƣợt 185 8.3 Tính ổ trƣợt 188 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 9 Ổ LĂN 9.1 Khái niệm chung 194 9.2 Cơ sở tính toán ổ lăn 198 9.3 Chọn ổ lăn 203 9.4 Các bƣớc chọn ổ lăn 208 9.5 So sánh ổ trƣợt và ổ lăn 209 Câu hỏi ôn tập Chƣơng 10 LO XO 10.1 Khái niệm chung 212 10.2 Lò xo xoắn ốc trụ chịu kéo (chịu nén) 213 10.3 Lò xo xoắn xoắn 217 Chƣơng 11 KHỚP NỐI 11.1 Khái niệm chung 218 11.2 Nối trục 219 11.3 Ly hợp 229 11.4 Ly hợp tự động 236
6. Câu hỏi ôn tập Chƣơng 12 CHI TIẾT MÁY GHÉP 12.1 Khái niệm chung 242 12.2 Kết cấu và phƣơng pháp tính toán mối ghép . 243
7. Chƣơng 1 NHỮNG VẤN Ề CƠ ẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1.1 Khái niệm về máy và Chi tiết máy Trong đời sống chúng ta bắt gặp rất nhiều các sản phẩm cơ khí đã đƣợc thiết kế và chế tạo. Các sản phẩm này thuộc các lĩnh vực khác nhau nhƣ các sản phẩm gia dụng: máy cắt cỏ, máy điều hòa, máy chế biến thức ăn ; Các sản phẩm thuộc hệ thống sản xuất: máy gia công kim loại, máy nâng và vận chuyển, các thiết bị đóng gói, Rôbốt công nghiệp, máy điều khiển số nhƣ các máy CNC ; Máy móc và thiết bị trong ngành xây dựng, khai khoáng, máy nông nghiệp, máy vận tải hoặc các thiết bị phục vụ nghiên cứu không gian Hình 1.1 Hình 1.1 là hộp giảm tốc (HGT) một cấp bánh trụ răng nghiêng trong dây chuyền sản xuất Axit Sunphuric thuộc nhà máy phân đạm. Bánh dẫn có 1
8. z1 = 30 đƣợc làm liền trục, bánh bị dẫn có z2 = 78 đƣợc lắp với trục bằng mối ghép độ dôi. Đầu vào đƣợc lắp với turbin khí quay với tốc độ 17077vg/ph; công suất P1 = 2304KW (tƣơng đƣơng T1 = 1288470Nmm), còn đầu trục ra đƣợc lắp quạt nén khí, quay với tốc độ n2 = 6568vg/ph. Trục đỡ bánh răng đƣợc lắp trên các gối (ổ trƣợt) còn ổ đƣợc lắp lên vỏ (thân HGT). Tại các gối đỡ trục đƣợc lắp các thiết bị để kiểm tra nhiệt độ và độ rung; độ di dọc trục cũng nhƣ áp lực dầu bôi trơn. Như vậy, Máy hoặc Bộ phận máy được cấu tạo từ nhiều chi tiết khác nhau để thực hiện một công hữu ích nhằm thay thế lao động chân tay có năng suất thấp bằng lao động máy móc có năng suất và chất lượng cao. 1.1.2 Phân loại chi tiết máy Chi tiết máy thực hiện chức năng nhất định trong bộ phận hay cơ cấu máy. Chi tiết có thể là 1 chi tiết hoàn chỉnh (bánh răng, trục, then, lò xo ), cũng có thể là 1 cụm các chi tiết đƣợc liên kết với nhau để tạo thành chi tiết hoàn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích ). Chi tiết máy có thể phân thành hai loại: - Chi tiết công dụng chung là những chi tiết có hình dạng kết cấu, cùng chức năng và có thể gặp ở bất cứ loại máy công tác nào nhƣ các loại ốc vít, bánh răng, đai, xích, trục, ổ lăn . - Chi tiết công dụng riêng là những chi tiết chỉ xuất hiện trong 1 số máy công tác nhƣ trục khuỷu, trục mềm, cam 1.2 NỘI DUNG VÀ QUÁ TRÌNH THIÊT KẾ MÁY, CHI TIẾT MÁY 1.2.1 Nội dung và yêu cầu thiết kế máy và chi tiết máy Máy đƣợc thiết kế nhằm đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ thuật ( yêu cầu của khách hàng) và phải có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế và thực tế trong chế tạo. Ngoài ra còn một số yêu cầu khác nhƣ kiểu dáng, thay thế và có tính thân thiện với môi trƣờng ( sử dụng nguồn năng lƣợng và vật liệu, không ồn, không gây ô nhiễm ). Vì vậy việc thiết kế máy để đảm bảo các yêu cầu trên là một vấn đề hết sức phức tạp. Thiết kế máy và chi tiết máy (đƣợc xây dựng trên cơ sở các yêu cầu cụ thể của máy đƣợc thiết kế) bao gồm các nội dung sau: 2
9. 1.2.1.1 Nội dung của thiết kế máy Nội dung của việc thiết kế máy là đáp ứng tối đa yêu cầu của khách hàng hoặc trên cơ sở tìm hiểu thị trƣờng để đƣa ra một loại sản phẩm mới. Cần chú ý là mọi sản phẩm đƣợc thiết kế ra đều phải đáp ứng tối đa nhu cầu và kỳ vọng của khách hàng và một vấn đề nữa không kém phần quan trọng là vấn đề bảo dƣỡng, thay thế trong suốt chu kỳ tuổi thọ của nó và cũng cần cân nhắc đến việc sản phẩm sẽ đƣợc giải quyết thế nào sau khi nó hết thời gian sử dụng. Dựa vào các yêu cầu trên và trên cơ sở phân tích, xác định chức năng, yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá của máy đƣợc thiết kế đòi hỏi ngƣời thiết kế phải biết phân tích, tổng hợp về động lực học máy và khả năng công nghệ thực hiện để đƣa ra sơ đồ nguyên lý hợp lý (chọn phƣơng án thiết kế cuối cùng). Mặt khác ngƣời thiết kế phải có kỹ năng thiết kế chi tiết nhƣ việc lựa chọn vật liệu và công nghệ để chế tạo, lắp ráp các chi tiết để nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy làm việc của chi tiết và bộ phận máy. Và nội dung cuối cùng của quá trình thiết kế máy là lập hồ sơ máy và các chỉ dẫn về vận hành, bảo dƣỡng, thay thế các chi tiết. 1.2.1.2 Nội dung của thiết kế chi tiết máy Thiết kế chi tiết máy là một phần và không thể thiếu trong quá trình thiết kế máy, vì vậy quá trình thiết kế chi tiết máy đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau: a) Xác lập sơ đồ hoặc nguyên lý làm việc của chi tiết máy để xác định các thông số động lực học và chế độ làm việc của các chi tiết. b) Chọn vật liệu và khả năng công nghệ để gia công chi tiết xuất phát từ yêu cầu làm việc của chi tiết và việc cung ứng vật tƣ. c) Tính thiết kế ( tính sơ bộ) để xác định kích thƣớc cơ bản của chi tiết theo chỉ tiêu về khả năng làm việc. Trên cơ sở đó tiến hành thiết kế kết cấu của chi tiết thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện công nghệ ( công nghệ chế tạo, công nghệ lắp ghép và chú ý đến vấn đề thay thế chi tiết khi hỏng hóc). d) Tính toán kiểm nghiệm theo chỉ tiêu về khả năng làm việc hoặc theo hệ số an toàn đảm bảo chi tiết không hỏng hóc trong quá trình vận hành. e) Hoàn thiện về thiết kế kỹ thuật chi tiết để chế tạo chi tiết. 1.2.2 Những kỹ năng cần có trong thiết kế cơ khí Thiết kế các sản phẩm nói chung và thiết kế cơ khí nói riêng cần có những kỹ năng (kỹ năng cứng và kỹ năng mềm), bao gồm: a) Kỹ năng xây dựng bản vẽ phác, bản vẽ kỹ thuật và thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD) 3
10. b) Nắm bắt đƣợc các đặc trƣng của vật liệu, xử lý vật liệu và công nghệ chế tạo các chi tiết. c) Các kiến thức cơ bản của các môn học Cơ học, Sức bền, Dung sai, Lý thuyết về cơ cấu, Cơ học chất lỏng, Thủy lực, Kỹ thuật truyền nhiệt, Kỹ thuật điều khiển, Khai thác và sử dụng các phần mềm trong tính toán thiết kế, Các phƣơng pháp dự đoán các hƣ hỏng, Cơ sở thiết kế máy ( Chi tiết máy), các kiến thức về thiết bị, các phƣơng pháp gia công chi tiết d) Khả năng xây dựng và thực hiện kế hoạch. Sự sáng tạo, giải quyết vấn đề và quản lý chƣơng trình, dự án. e) Các kỹ năng giao tiếp, lắng nghe và khả năng làm việc theo nhóm. f) Thích ứng nhanh với môi trƣờng và điều kiện làm việc mới. 1.3 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT 1.3.1 Tải trọng Ngƣời thiết kế cần phải nhận biết đƣợc loại tải trọng tác dụng lên chi tiết, đó là tải trọng tĩnh hay thay đổi, va đập hay tải trọng ngẫu nhiên. Trên cơ sở đó chọn phƣơng pháp phù hợp để phân tích ứng suất, chọn vật liệu, hệ số an toàn sao cho chi tiêt khi mang tải làm việc an toàn trong một phạm vi rộng. Tải trọng thƣờng ký hiệu chung là Q: đó là lực F(N), là mô men T(Nmm) tác dụng lên chi tiết hay bộ phận máy trong quá trình làm việc. Cần phân biệt các loại tải trọng sau: T  a) Tải trọng tác dụng lên chi Tm  tiết và bộ phận máy trong quá trình T1  làm việc, bao gồm: T2 Tải trọng tĩnh nếu giá trị thay  đổi chậm hoặc không thay đổi theo T3 thời gian. Tải trọng thay đổi nếu phƣơng chiều hoặc cƣờng độ thay đổi theo t t thời gian. Hình 1.2 là trƣờng hợp t1 t2 t3 t1 t2 t3 tải trọng thay đổi tuần hoàn theo T bậc. a) b) Tải trong thay đổi đƣợc qui về hai dạng tải trọng sau: Hình 1.2 Chế độ tải trọng thay đổi theo bậc - Tải trọng danh nghĩa Qdn 4
11. (Fdn; Tdn) là tải trọng đƣợc chọn trong số các tải trọng tác dụng ổn định trong thời gian dài. - Tải trọng tƣơng đƣơng Qtđ (Ftđ; Ttđ) là tải trọng thay thế cho tải trọng thay đổi. Qtđ = Qdn.KN. b) Tải trọng tính toán là tải trọng thực tế tác dụng lên chi tiết và dùng để tính toán chi tiết. Qtt = KQtđ Vậy Qtt = KNKQdn (1.1) trong đó: - KN là hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào đồ thị thay đổi của tải trọng ( xét cụ thể cho từng chi tiết với chế độ tải trọng khác nhau). - K là hệ số tải trọng tính toán, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và xác định tuỳ thuộc lọai máy công tác, vào loại chi tiết (xem các chƣơng về truyền động công suất). 1.3.2 Ứng suất Khi chi tiết làm việc, tùy thuộc vào dạng tải trọng tác dụng, điều kiện làm việc và vật liệu của chi tiết mà ứng suất bên trong chi tiết có thể là ứng suất kéo (k); ứng suất uốn (u); ứng suất tiếp () Và ứng suất tiếp xúc H (khi hai chi tiết tiếp xúc với nhau với diện tích tiếp xúc rất nhỏ) hoặc ứng suất dập d (khi diện tích tiếp xúc lớn). Giá trị của các ứng suất này hoàn toàn có thể xác định đƣợc nhờ các công thức trong Sức bền và Chi tiết máy (xem cụ thể khi tính toán các chi tiết ở các chƣơng sau). Các ứng suất này có thể là: - Ứng suất không đổi là ứng suất có giá trị không thay đổi hoặc thay không đáng kể theo thời gian. - Ứng suất thay đổi khi giá trị và phƣơng thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi có thể ổn định (hình 1.3) hoặc thay đổi không ổn định. Ứng suất thay đổi ổn định bao gồm: Ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng (hình 1.3a), thay đổi theo chu kỳ mạch động dƣơng (hinh 1.3b) và thay đổi theo chu kỳ không đối xứng (hình 1.3c). Có thể sử dụng các đại lƣợng sau đây để đặc trƣng cho một chu trình thay đổi ứng suất (ví dụ cho chi tiết chịu ứng suất pháp): Biên độ ứng suất: a = (max - min)/2 (1.2) Ứng suất trung bình: m = (max + min)/2 Hệ số chu trình ứng suất: r = min / max 5
12. max   max  a max  t t m t  min  min a) b) c)  a = max ; m = 0 và r = -1 a = m = 0,5max và r = 0 a ; m và r Hình 1.3 Đồ thị về ứng suất thay đổi và các đại lượng đặc trưng Ví dụ 1.1 Khi trục quay 1 chiều chịu tác động của lực (M và T) không đổi thì ứng suất pháp thay đổi theo chu trình đối xứng còn ứng suất tiếp thay đổi theo chu kỳ mạch động vì vậy các đặc trƣng thay đổi ứng suất trong trƣờng hợp này sẽ là: a = max = M / Wu ; m = 0; r = -1 và a = m = 0,5max = T / 2Wo; r = 0 trong đó Wu và Wo là mô men chống uốn và chống xoắn tƣơng ứng của tiết diện trục. Ghi chú - Các gía trị của ứng suất hoàn toàn có thể xác định đƣợc bằng các công thức trong cơ học (Sức bền, chi tiết máy). - Với ứng suất bề mặt thì tùy thuộc vào dạng tiếp xúc ban đầu mà có thể là ứng suất tiếp xúc khi diện tích tiếp xúc ban đầu là điểm hoặc đƣờng, giá trị của ứng suất đƣợc xác định theo các công thức (xem phần tính sức bền bánh răng và ổ lăn) sau: Khi tiếp xúc ban đầu: đƣờng Khi tiếp xúc ban đầu: điểm (Ví dụ tiếp xúc giữa các bề mặt răng) (Tiếp xúc giữa con lăn với vòng ổ) 2 qn NE  Z 3 H M (1.3a)  H 0,388 2 (1.3b) 2 Nếu tiếp xúc ban đầu là mặt thì ứng suất bề mặt gọi là ứng suất dập (trƣờng hợp tiếp xúc của thân bu lông với lỗ tấm ghép trong mối ghép bu lông tinh) khi đó d = F / Ad (xem chƣơng 13). - Các công thức tính các đại lƣợng đặc trƣng đã nêu ở trên chỉ là 1 trƣờng hợp, ta có thể tính cho các trƣờng hợp khác. 1.4 CHỈ TIÊU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHI TIẾT MÁY Khi thiết kế máy hay bộ phận máy cần đảm bảo đƣợc các yêu cầu sau: - Đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ khi làm việc 6
13. - An toàn và hiệu quả trong sử dụng - Tính kinh tế Ngƣời thiết kế cần nắm vững các dạng hƣ hỏng khác nhau có thể xảy ra khi chi tiết làm việc (gọi là các chỉ tiêu về khả năng làm việc của chi tiết máy (CTM)) và đảm bảo rằng các hƣ hỏng đó không xuất hiện. Có thể sử dụng một vài phƣơng pháp khác nhau để dự đoán các dạng phá hỏng và trách nhiệm của ngƣời thiết kế là phải tìm ra dạng hỏng chính của CTM. Nhiệm vụ của ngƣời thiết kế là phải căn cứ vào tình hình làm việc cụ thể của chi tiết để phán đoán, tìm ra dạng phá hỏng nguy hiểm nhất (chỉ tiêu quan trọng nhất) và trên cơ sở đó tiến hành chọn vật liệu, xác định kích thƣớc và kết cấu của chi tiết cho phù hợp. Các chỉ tiêu khác của chi tiết có thể đƣợc xem xét trong phần kiểm nghiệm hay có thể bỏ qua tùy từng loại chi tiết. Có thể đƣa ra một số ví dụ để minh họa về khả năng làm việc của một số chi tiết. Ví dụ 1.2 Bộ truyền xích có nhiệm vụ truyền chuyển động và lực từ đĩa chủ động sang đĩa bị động. Yêu cầu là chuyển động của đĩa bị dẫn phải ổn định, bộ truyền phải làm việc tin cậy, lâu dài. Tuy nhiên khi bản lề của xích và răng đĩa xích bị mòn làm cho các mắt xích không ăn khớp đúng với răng đĩa dẫn đến dây xích có khả năng bị tuột khỏi răng đĩa. Ngoài ra khi chịu tải máng lót có thể bị vỡ hay chốt có thể bị gãy hoặc má xích có thể bị đứt. Nhƣ vậy chỉ tiêu về khả năng làm việc của bộ truyền xích là mòn bản lề xích, mòn răng đĩa, gãy chốt hay vỡ máng lót hoặc má xích bị đứt. Ví dụ 1.3 Ổ lăn là chi tiết dùng để đỡ trục quay và đảm bảo cho trục luôn quay quanh tâm hình học. Khi trong ổ xuất hiện tróc rỗ bề mặt thì xuất hiện tiếng ồn làm phá vớ tính chất làm việc êm của chúng. Khi con lăn và vòng ổ bị mòn thì độ đồng tâm của trục quay sẽ không còn nữa do đó sẽ gây nên va đập, rung động và tiếng ồn. Khi con lăn và vòng ổ bị biến dạng nhiều dẫn đến trục quay không ổn định hoặc không quay đƣợc. Nhƣ vậy chỉ tiêu về khả năng làm việc của ổ lăn là tróc rỗ bề mặt, mòn và biến dạng của con lăn. Trong thực tế chúng ta gặp rất nhiều chi tiết, mỗi chi tiết đều có những dạng phá hỏng khác nhau và bạn đọc có thể đƣa ra nhiều thí dụ để minh họa cho chỉ tiêu về khả năng làm việc của tùng chi tiết cụ thể. 1.4.1 Chỉ tiêu về độ bền Độ bền là khả năng tiếp nhận tải trọng của CTM mà không gây nên hiện tƣợng biến dạng dƣ lớn, gẫy hỏng hoặc bề mặt của chi tiết bị phá hủy nhƣ cào xƣớc, tróc rỗ. Đây là yêu cầu hết sức quan trong đối với đa số các CTM, ví dụ khi chi tiết không đủ độ bền thể tích sẽ bị gẫy dẫn đến những tổn thất khó lƣờng hoặc khi chi tiết xuất hiện vết tróc trên bề mặt tiếp xúc sẽ làm phá hủy tính chất làm việc êm, dẫn đến va đập, rung động và gây ồn Tùy theo dạng hỏng xẩy ra bên trong thể tích hay trên bề mặt của chi tiết mà phân ra hai dạng độ bền cơ bản là: 7
14. - Độ bền thể tích là hiện tượng chi tiết bị biến dạng dư lớn hay gãy hỏng (độ bền kéo hay nén, độ bền uốn hay xoắn ) ví dụ nhƣ trục bị gãy, răng của bánh răng khi chịu tải bị gãy - Độ bền bề mặt là hiện tƣợng hỏng xuất hiện trên lớp bề mặt của chi tiết ví dụ hiện tƣợng tróc rỗ bề mặt của răng hoặc của con lăn, rãnh lăn trong ổ lăn. Tùy theo tính chất của ứng suất sinh ra trong CTM mà phân ra Độ bền tĩnh và Độ bền mỏi. Nếu chi tiết chịu ứng suất là không đổi thì chi tiết bị phá hủy do độ bền tĩnh và nếu chi tiết chịu ứng suất thay đổi thì chi tiết bị phá hủy do hiện tƣợng mỏi gây nên và gọi là độ bền mỏi. Phƣơng pháp tính toán theo độ bền chủ yếu hiện nay là phƣơng pháp so sánh ứng suất. Điều kiện bền của chi tiết đƣợc viết dƣới dạng tổng quát sau: Ƣng suất < [Ứng suất] hoặc  [] và  [  ] (1.4) Trong đó:  và  là ứng suất của chi tiết khi chịu tác dụng của tải trọng gọi là ứng suất thực tế, xác định tùy thuộc vào chi tiết tính toán và cách xác định ứng suất lớn nhất. [] và [] là các ứng suất cho phép. Để cải thiện khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ thƣờng sử dụng các phƣơng pháp nâng cao độ bền (Xem các phƣơng pháp nâng cao độ bền của chi tiết). 1.4.2 Chỉ tiêu về độ cứng Độ cứng của chi tiết là khả năng chịu tác dụng của ngoại lực mà không đƣợc gây ra biến dạng đàn hồi quá giới hạn cho phép. Đây cũng là một trong những chỉ tiêu làm việc quan trọng của chi tiết máy, bởi vì: - Trong một số trƣờng hợp, kích thƣớc của chi tiết đƣợc xác định từ chỉ tiêu độ cứng, ví dụ trục chính của máy tiện, máy mài hay trục động cơ điện. - Trong nhiều trƣờng hợp, chất lƣợng làm việc đƣợc quyết định bởi độ cứng của CTM (ví dụ trục chính máy cắt gọt ảnh hƣởng đến chất lƣợng gia công) và điều kiện làm việc của tiết máy liên quan (chất lƣợng làm việc của bánh răng và ổ trƣợt phụ thuộc vào độ cứng của trục quay). - Một số trƣờng hợp kích thƣớc của chi tiết đƣợc xác định từ chỉ tiêu độ cứng ví dụ trục động cơ điện hoặc kích thƣớc và kết cấu cuả dầm cầu lăn. Nhƣ vậy yêu cầu về độ cứng của chi tiết đƣợc quyết định bởi những yếu tố sau: - Điều kiện bền của chi tiết máy - Điều kiện tiếp xúc giữa các tiết máy với nhau 8
15. - Điều kiện công nghệ - Yêu cầu đảm bảo chất lƣợng làm việc của chi tiết và máy Cần phân biệt hai loại độ cứng, đó là: - Độ cứng thể tích là biến dạng của chi tiết khi chịu lực, ví dụ độ võng hay góc hay góc xoay của trục khi chịu tác dụng của tải trọng. - Độ cứng tiếp xúc (biến dạng tiếp xúc tại chỗ tiếp xúc). Độ cứng tiếp xúc phụ thuộc vào chất lƣợng bề mặt nhƣ nhấp nhô bề mặt, độ không phẳng và đặc biệt độ rắn bề mặt (HB hay HRC). Tính toán theo độ cứng nghĩa là đảm bảo cho chi tiết hoặc kết cấu không bị biến dạng quá giới hạn cho phép theo điều kiện sau: Biến dạng < [biến dạng] Nghĩa là: y < [ y ] (1.5a) hoặc < [ ] (1.5b) Trong đó: y hoặc là độ võng và góc xoay xác định nhờ các công thức tính toán trong sức bền (xem phần tính trục theo độ cứng) và [ y ] hoặc [ ] là độ võng và góc xoay cho phép (tới hạn) xác định xuất phát từ các yêu cầu nhƣ độ nhƣ độ chính xác, chất lƣợng sử dụng của cơ cấu hay bộ phận máy. Ví dụ độ võng cho phép của trục chính các máy gia công cơ khí thƣờng trong giới hạn [y] = (0,0002 0,003)l với l là khoảng cách giữa 2 gối, còn độ võng cho phép của kết 1 1 cấu dầm cầu lăn với y L , với L là khẩu độ. 300 700 1.4.3 Chỉ tiêu về độ bền mòn Độ bền mòn là khả năng chống lại sự hao mòn bề mặt tiếp xúc do ma sát gây nên. Đây cũng là chỉ tiêu quan trọng của các chi tiết máy, bởi vì: Khi chi tiết bị mài mòn (đạt đến lƣợng mòn U chẳng hạn) sẽ làm tăng khe hở giữa các bề mặt tiếp xúc dẫn đến các hậu quả: - Máy là việc sẽ ồn do xuất hiện tải trọng động phụ - Làm giảm độ chính xác của chi tiết gia công (đối với máy gia công cắt gọt), giảm hiệu suất sử dụng và tăng tiêu hao nhiên liệu ( mòn của piston- xilanh) hoặc giảm độ tin cậy của cơ cấu. Quá trình mài mòn của các bề mặt đƣợc biểu diễn trên hình 1.4. Đầu tiên là các mấp mô bề mặt bị mài mòn, giai đoạn này gọi là quá trình chạy rà các chi tiết. Trong giai đoạn này quá trình mài mòn xẩy ra tƣơng đối nhanh. Tiếp theo là quá trình mài mòn ổn định (giai đoạn II). 9
16. Trong giai đoạn này thì lƣợng hao mòn_U tỷ lệ với quãng đƣờng ma sát hoặc thời gian sử dụng T(h) (gọi là tuổi thọ về mòn của chi tiết) (Có thể xác định lƣợng hao mòn do ma sát bằng hệ thức sau đây: U = I.s; trong đó s là quãng đƣờng ma sát còn I là cƣờng độ mài mòn của vật liệu đƣợc xác định bằng thực nghiệm và có thể tìm thấy trong sổ tay về vật liệu ma sát). Khi lƣợng hao mòn đạt đến giá trị Umax thì quá trình mài mòn xẩy ra rất nhanh (giai đoạn III). Giữa áp suất po và quãng đƣờng ma sát s có mối quan hệ sau: m po s const (1.6) Trong đó: m là số mũ phụ thuộc chế độ ma sát. Nếu ma sát khô và nửa khô thì m =1 2; Nếu ma sát nửa ƣớt thì m = 3. s là quãng đƣờng ma sát cho đến khi đạt đến độ mòn lớn nhất, có thể tính s theo công thức sau: s = v.t∑ (v là vận tốc và t∑ (h) là thời gian sử dụng. Hệ thức (1.5) cho thấy khi po và v giảm thì tuổi thọ về mòn tăng lên. Có nhiều nhân tố ảnh hƣởng đến độ bền mòn của CTM: - Áp lực (po) trên bề mặt tiếp xúc và vận tốc trƣợt - Chất lƣợng lớp bề mặt ma sát (độ nhám bề mặt; Cấu trúc kim loại và thành phần hóa học lớp vật liệu bề mặt; Độ rắn bề mặt HB hoăc HRC). - Bôi trơn và bảo dƣỡng trong quá trình sử dụng. Quá trình mài mòn phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có tải trọng (áp lực), vận tốc trƣợt, chất lƣợng bề mặt, bôi trơn Để hạn chế mòn, tốt nhất là giữa hai bề mặt tồn tại lớp dầu bôi trơn. Tuy nhiên trong trƣờng hợp không thể tạo ra màng dầu bôi trơn thì mài mòn sẽ xẩy ra. Để hạn chế mài mòn cần hạn chế giá tri áp suất po hoặc tích số po.v, Nghĩa là: po [po] (1.7a) Hoặc po.v [po.v] (1.7b) Có thể sử dụng các giải pháp sau đây để tăng khả năng chịu mài mòn của chi tiết: - Sử dụng vật liệu có hệ số ma u sát thấp nhƣ đồng thanh, gang xám hoặc chất dẻo ( xem phần chọn vật liệu vành răng bánh vít và lót ổ trƣợt). - Nâng cao độ chính xác chế umax tạo (độ phẳng ) và độ nhám bề uo t mặt để giảm tải trọng và để tải I II III trọng phân bố đều trên bề mặt tiếp s xúc. - Thay thế bề mặt ma sát trƣợt Hình 1.4 Qui luật mài mòn theo thời gian bằng các bề mặt ma sát lăn (bánh răng chốt con lăn; trục vít me ma sát lăn; ổ lăn; rãnh dẫn hƣớng ma sát lăn ) 10
17. 1.4.4 Chỉ tiêu về khả năng chịu nhiệt Khả năng chịu nhiệt của chi tiết là chi tiết có thể làm việc bình thƣờng đến nhiệt độ nào đó mà không gây ra các dạng hỏng hoặc sự cố. Trong quá trình làm việc của cơ cấu thì tổn hao công suất sẽ biến thành nhiệt làm cho nhiệt độ trong máy tăng lên. Khi nhiệt tăng có thể gây nên các hiện tƣợng có hại nhƣ: - Làm giảm khả năng chịu tải của chi tiết do cơ tính của vật liệu bị thay đổi. (Ví dụ với thép thì điều này xảy ra khi to > 300 400oC và với kim lạoi màu thì to > 100 150oC) - Làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn dẫn đến quá trình ma sát và mòn tăng hoặc gây nên hiện tƣợng dính (ổ trƣợt) - Các chi tiết bị biến dạng nhiệt làm thay đổi khe hở cần thiết giữa các bộ phận hoặc gây nên hiện tƣợng kẹt, cong vênh (trong truyền động trục vít) - Làm thay đổi tính chất làm việc của lớp bề mặt nhƣ làm giảm hệ số ma sát, tăng mài mòn Tính toán đơn giản nhất là hạn chế nhiệt độ trung bình khi làm việc theo điều kiện sau: to < [ to ] (1.8) o trong đó: t là nhiệt độ trung bình, xác định từ điều kiện cân bằng lƣợng nhiệt sinh ra do mất mát về ma sat với nhiệt độ thoát ra ngoài (xem phần tính nhiệt trong truyền động trục vít và ổ trƣợt) và [ to] là nhiệt độ cho phép của máy thƣờng chọn theo nhiệt độ cho phép của dầu bôi trơn. 1.4.5 Chỉ tiêu về độ ổn định dao động và tiếng ồn Độ ổn định của chi tiết là khả năng của chi tiết có thể làm việc trong phạm vi tốc độ cần thiết mà không bị rung động quá mức cho phép. Đây cũng là chỉ tiêu quan trọng đặc biệt khi cơ cấu làm việc ở tốc độ cao. Khi xuất hiện dao động, cơ cấu hoặc chi tiết có thể: - Làm giảm chất lƣợng làm việc của máy (máy làm việc sẽ ồn khi xuất hiện dao động) hoặc làm giảm độ chính xác chi tiết gia công (độ chính xác và độ chính xác hình dạng hình học (với máy cắt gọt). - Gây nên hiện tƣơng gẫy hỏng do xuất hiện ứng suất phụ thay đổi chu kỳ. Tính toán dao động thƣờng tiến hành tính toán cho cả hệ. Dao động kèm theo tiếng ồn do các chi tiết khi làm việc va đập vào nhau. Để giảm dao động cho hệ và tiếng ồn thƣờng tiến hành nhờ các giải pháp sau: 11
18. - Cân bằng vật quay, đặc biệt các chi tiết quay với tốc độ cao nhƣ cánh turbin. - Tăng độ cứng của các chi tiết nhƣ làm thêm các gân tăng cứng (các dầm của cầu trục). - Thay đổi tính chất động lực học của hệ bằng cách sử dụng các bộ phận giảm chấn. 1.5 ỨNG SUẤT GIỚI HẠN CỦA CHI TIẾT 1.5.1 Ứng suất cho phép và hệ số an toàn Ứng suất cho phép ([ƢS]) là giá trị giới hạn để khi làm việc thì chi tiết không xẩy ra sự hỏng hóc. Nhƣ vậy ứng suất cho phép trong công thức (1.4) đƣợc xác định theo quan hệ sau:   lim (1.9a) s lim và  (1.9b) s Trong đó: - lim,lim là trị số ứng suất giới hạn không làm chi tiết bị phá hủy phụ thuộc vào dạng hỏng của chi tiết khi chịu tải. - [s] là hệ số an toàn bền cho phép theo giới hạn bền của vật liệu, có thể chọn theo bảng 1.1. Hệ số an toàn s là số đo độ an toàn tƣơng đối của bộ phận mang tải. Trong thực tế thì hệ số an toàn là tỷ số giữa ứng suất giới hạn của vật liệu chia cho ứng suất cho phép và khi đó ứng suất thực tế trên chi tiết phải nhỏ hơn ứng suất giới hạn của vật liệu. Nhƣ vậy công thức (1.9a,b) cũng có thể viết dƣới dạng khác:   s lim hoặc s lim   Vì vậy điều kiện để đảm bảo chi tiết làm việc an toàn đƣợc viết nhƣ sau: s [s] (1.10) Ngƣời thiết kế cần xác định một giá trị hợp lý cho hệ số an toàn trong mọi trƣờng hợp, thông thƣờng giá trị của hệ số an toàn hoặc ứng suất cho phép bị chi phối bởi những qui tắc có sẵn do các tổ chức đặt ra các tiêu chuẩn. Trong trƣờng hợp không có một qui tắc nào hoặc tiêu chuẩn thì ngƣời thiết kế cần sử dụng sự phán đoán để xác định hệ số an toàn cần có. Nhƣ vậy trong thiết kế Chi tiết máy, điều kiện bền của chi tiết có thể biểu diễn dƣới dạng công thức (1.4) hoặc (1.10). 12
19. Bảng 1.1 Chọn hệ số an toàn khi tính toán các chi tiết Hệ số an toàn Điều kiện đặt tải Vật liệu dẻo [s] = 1,5 2,0 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, các thông số thiết kế có độ tin cậy cao [s] = 2,0 2,5 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng động, các thông số thiết kế có độ tin cậy trung bình [s] = 2,5 4,0 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng tĩnh hoặc chịu tải trọng động không chắc chắn về các tải trọng, các thông số thiết kế có độ tin cậy không cao [s] 4,0 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng tĩnh hoặc chịu tải trọng động không chắc chắn về một số tổ hợp của tải trọng, đặc trƣng của vật liệu, phân tích ứng suất hoặc môi trƣờng làm việc hoặc thiết kế các chi tiết yêu cầu mức độ quan trong. Vật liệu dòn [s] = 3,0 4,0 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, các thông số thiết kế có độ tin cậy cao [s] = 4,0 8,0 Khi thiết kế các chi tiết chịu tải trọng động, các thông số thiết kế có độ tin cậy trung bình 1.5.2 Ứng suất giới hạn của vật liệu Tùy thuộc vào tính chất của ứng suất phát sinh khi chi tiết làm việc (ứng suất không đổi hay ứng suất thay đổi) mà ứng suất giới hạn của vật liệu sẽ có giá trị khác nhau. 1.5.2.1 Khi chịu ứng suất không đổi thì dạng phá hỏng xẩy ra đột ngột (gọi là độ bền tĩnh), vì vậy ứng suất giới hạn lim hoặc lim đƣợc xác định tuỳ thuộc vào vật liệu (hình 1.5). - Vật liệu dẻo: lim = ch hoặc lim = ch - Vật liệu dòn: lim = b hoặc lim = b   b b ch øng suÊt øng suÊt øng l l   BiÕn d¹ng BiÕn d¹ng a) Vật liệu dẻo b) vật liệu dòn Hình 1.5 Đồ thị ứng suất -biến dạng khi chịu kéo 13
20. 1.5.2.2 Khi chịu ứng suất thay đổi Khi chiu ứng suất thay đổi thì dạng phá hỏng là do hiện tƣợng mỏi của vật liệu gây ra, vì vậy ứng suất giới hạn sẽ là ứng suất giới hạn mỏi. Ứng suất giới hạn mỏi là mức ứng suất mà vật liệu vẫn có thể làm việc đƣợc với chu kỳ chịu tải đã xác định. Sự phá hủy về mỏi khác hẳn sự phá hủy do ứng suất tĩnh (không đổi) gây ra về bản chất cũng nhƣ về hiện tƣợng bên ngoài. Phá hủy về tĩnh là do tác động của ứng suất có giá trị lớn hơn so với ứng suất giới hạn (là ứng suất giới hạn chảy với vật liệu dẻo và ứng suất giới hạn bền với vật liệu dòn) và sự phá hủy tĩnh bao giờ cũng kèm theo hiện tƣợng biến dạng dẻo. Trong khi đó sự phá hủy mỏi xẩy ra ngay cả khi ứng suất còn nhỏ hơn ứng suất giới hạn bền hoặc giới hạn chảy và không có dấu hiệu báo trƣớc. Chi tiết bị phá hủy mỏi có thể dƣới dạng gẫy đứt hoàn toàn hoặc có những vết nứt lớn khiến chi tiết không thể tiếp tục làm việc đƣợc nữa. Hiện tƣợng phá hỏng mỏi là quá trình tích luỹ dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dƣới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian và khả năng của kim loại chống lại sự phá hủy mỏi gọi là sức bền mỏi hay độ bền mỏi (90% các tổn thất của chi tiết có liên quan đến sự phát sinh và phát triển của vết nứt). Ứng suất giới hạn mỏi là một đặc trƣng cơ học của vật liệu đƣợc xác định bằng các thí nghiệm (TN) mỏi (có thể là TN kéo, mỏi uốn, mỏi xoắn với mẫu TN có do = 7 10mm, mẫu nhẵn (không có tập trung ứng suất) với Ra  0,8 1,6m (hình 1.6). Thuận tiện nhất là TN mỏi uốn với chu kỳ ứng suất thay đổi đối xứng (thay đổi ổn định hoặc thay đổi không ổn định). Quá trình TN mỏi: Đặt tải trọng lên mẫu (tƣơng ứng với mức ứng suất ), cho máy làm việc cho đến khi mẫu gẫy ta thu đƣợc N (số chu kỳ chịu tải cho đến khi mẫu gẫy, còn gọi là tuổi thọ), ta có cặp giá trị (,N). Bằng cách thay đổi giá trị i ta tìm đƣợc một giá trị Ni tƣơng ứng và trên cơ sở các kết quả đó vẽ nên đƣờng cong gọi là đƣờng cong ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu (hình 1.7 khi TN mỏi uốn) và phƣơng trình đƣờng cong mỏi (Vơler) có dạng nhƣ sau: m N N const (1.11) Trong đó: N là ứng suất tác dụng lên mẫu ứng với tuổi thọ N N đƣợc gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất N m là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, với thép thì m = 6. Từ các kết quả thí nghiệm với mỗi loại vật liệu, ta thấy: - Khi chịu ứng suất càng lớn thì tuổi thọ càng thấp. Khi ứng suất  hay  giảm đến -1 hay -1 thì số chu kỳ chịu tải tăng lên vô hạn. Giá trị -1 hoặc -1 đƣợc gọi là ứng suất giới hạn mỏi dài hạn của vật liệu làm việc 14
21. 5 6 trong chu trình đối xứng và No = 5.10 10 (với thép) đƣợc gọi là số chu kỳ cơ sở. 8 - Riêng đối với kim loại màu không có phần nằm ngang và khi No = 10 coi nhƣ chế độ làm việc dài hạn (xem hình 1.7). - Tuổi thọ hữu hạn và tuổi thọ vô hạn Đồ thị đƣờng cong mỏi (hình 1.7) đƣợc phân thành 2 vùng: 6 Vùng chi tiết làm việc lâu dài (tƣơng ứng  = -1 và N No = 10 ) Vùng chi tiết làm việc ngắn hạn (N -1 ) và giá trị N hoặc N ( gọi là ứng suất mỏi ngắn hạn). Một câu hỏi đƣợc đặt ra đối với một chi tiết làm việc trong điều kiện cụ thể thì phải mất bao nhiêu lâu mới đạt đƣợc một triệu chu kỳ chịu tải? Trong thực tế có những chi tiết phải mất 50 100 năm mới đạt đến một triệu chu kỳ chịu tải. Với những chi tiết này hợp lý nhất là thiết kế với tuổi thọ ngắn hạn. Giá trị ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu có thể tra trong sổ tay vật liệu hoặc theo số liệu của nhà cung cấp vật liệu. Với vật liệu bằng thép có thể xác định ứng suất giới hạn mỏi theo công thức gần đúng sau (khi không có bảng tra): -1 = (0,4 0,5).b và -1 = (0,22 0,25).b o = (1,4 1,6).-1 và o = 0,3.ch Có thể xác định đƣợc N hoặc N của vật liệu khi biết tuổi thọ N nhờ công thức sau: N = KN. -1 (1.12a) N = KN. -1 (1.12b) Với K là hệ số tuổi thọ xác định nhƣ sau: No (1.13) N K m N N Trong đó N chu kỳ chịu tải đến khi phá hỏng phụ thuộc vào chế độ tải. - Khi chế độ ứng suất thay đổi ổn định: r o d  N Kim lo¹i ®en r l Kim lo¹i mµu N No N Hình 1.6 Mẫu thí mghiệm mỏi Hình 1.7 Đồ thị đường cong ứng suất giới hạn mỏi 15
22. N = 60nt (1.14a) - Khi ứng suất thay đổi không ổn định (hình 1.8). Chi tiết chịu i ứng với tuổi thọ Ni và  nếu gọi ni là chu kỳ làm việc ứng với mức ứng  suất i, theo nguyên lý tích lũy phá hủy (định luật Miner, 1945) thì vật liệu hoàn toàn bị phá  hỏng khi:  i k n  i 1 i 1 Ni Trong tính toán, ngƣời ta thƣờng chuyển chế độ làm việc không ổn định về chế độ làm n;t việc ổn định với mức ứng suất lớn nhất (1), n1;t1 n2;t2 n3;t3 khi đó chu kỳ chịu tải cho đến khi phá hỏng là NE (gọi là số chu kỳ tƣơng đuơng) đƣợc xác định theo công thức sau Hình 1.8 Chế độ thay đổi ứng suất i m không ổn định N E 60( ) .n i .t i (1.14b) 1 1.5.3 Ứng suất giới hạn mỏi của chi tiết Do hình dạng, kết cấu và kích thƣớc của chi tiết hoàn toàn khác với mẫu thí nghiệm, Vì vậy ứng suất giới hạn mỏi của chi tiết hoàn toàn khác ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu. Khi thiết kế chi tiết nhất  thiết phải xác định đƣợc các 1,0 ứng suất giới hạn của chi tiết. 1.5.3.1 Các yếu tố ảnh h- 0,9 ƣởng đến ứng suất giới hạn 0,8 mỏi 0,7 a) Yếu tố kích thước chi tiết. Kích thƣớc mẫu thí nghiệm 0 rất nhỏ (do = 7 10mm), trong 50 100 150 200 250 d(mm) khi kích thƣớc của chi tiết lại Hình 1.9 Đồ thị xác định hệ số kích thước [19] rất lớn. Và khi kích thƣớc tăng lên thì khuyết tật cũng tăng lên, đồng thời tính không đồng nhất về cấu trúc mạng và kích thƣớc hạt cũng tăng lên vì vậy tính chất cơ học của vật liệu cũng bị giảm xuống. Để đặc trƣng cho hiện tƣợng này ngƣời ta dùng hệ số ảnh hƣởng của kích thƣớc:  16
23. Hệ số kích thƣớc đƣợc đánh giá bởi tỷ số giữa ứng suất giới hạn của chi tiết có kích thƣớc d với mẫu có kích thƣớc do.  = limd / limdo (  < 1 ) Hệ số kích thƣớc  có thể lấy theo đồ thị hình 1.9 hoặc tính nhƣ sau: Đƣờng kính d d 7,62mm 7,62 < d < 50 50 < d < 250mm Hệ số   = 1,0  = (d / 7,62)-0,11  = 0,859 – 0,000837d b)Yếu tố kết cấu của chi tiết Hiện tƣợng tập trung ứng suất (ttƣs) do hình dạng kết cấu của chi tiết. Hình 1.10 là đồ thị về sự phân bố ứng suất trong thạnh tiết diện A = bs chịu lực kéo F đúng tâm. Khi thanh có tiết diện không đổi thì ứng suất kéo phân bố đều và k = F/A (hình 1.10a). Khi thanh bị khoét bởi lỗ có đƣờng kính d0 thì giá trị ứng suất và qui luật phân bố của ứng suất kéo thay đổi tùy thuộc vào hình dạng, kích thƣớc lỗ (hình 1.10b). Hiện tượng khi mà qui luật phân bố ứng suất và giá trị ứng suất thay đổi tùy thuộc vào hình dạng và kết cấu của chi tiết gọi là hiện tượng tập trung ứng suất. Do kết cấu của chi tiết rất đa dạng nên trong thực tế cũng có nhiều kiểu gây nên tập trung ứng suất khác nhau (ví dụ nhƣ rãnh khía, nhám bề mặt, hình dạng và kích thƣớc của phần chuyển tiếp (còn gọi là bán kính góc lƣợn) giữa hai tiết diện có kích thƣớc khác nhau ). Hiện tƣợng ttƣs do kết cấu của chi tiết gây nên có ảnh F F hƣởng rất lớn đến độ bền mỏi của chi tiết, vì vậy khi xác định độ bền b max mỏi của chi tiết cần xét đến yếu tố k này. min Trong tính toán sử dụng hệ số tập trung ứng suất (k, k) để đánh s do giá độ bền mỏi của chi tiết có tập trung ứng suất so với độ bền mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất (k = r / rk và k = r / rk). F F Các hệ số này đƣợc tra bảng tùy Hình 1.10 Qui luật phân bố ứng suât trong thuộc vào kết cấu cụ thể của chi thanh chịu kéo đúng tâm tiết (xem chƣơng 8). a- Thanh không có tt ưs b- Thanh có tt ưs Trong đó: r và r là ứng suất giới hạn mỏi của mẫu không có tt ƣs rk và rk là ứng suất giới hạn mỏi của mẫu có có ttƣs 17
24. Cần phân biệt hệ số tập trung ứng suất (hstt) lý thuyết  = max /  và hệ số tập trung ứng suất thực tế (k; k ) và  > k c) Yếu tố chất lượng bề mặt Lớp bề mặt của chi tiết (còn gọi là chất lƣợng bề mặt, lớp này có chiều dày khoảng vài trăm m đến vài mm) có ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền và chất lƣợng sử dụng của chi tiết. Bởi vì đa số các chi tiết thì lớp bề mặt chịu ứng suất lớn nhất (uốn, xoắn, tiếp xúc ); lớp bề mặt luôn bị tổn thƣơng (hƣ hỏng) ít nhiều bởi việc gia công trƣớc đó; lớp bề mặt chịu ảnh r hƣởng của môi trƣờng và đa số các vết nứt về mỏi đều xuất hiện -0 trƣớc tiên ở lớp bề mặt. Vì vậy r0 cần phải quan tâm đến lớp bề -0,5 r-0,5 mặt. -1 r-1 Chất lƣợng bề mặt của chi tiết bao gồm: Thành phần hóa học vật liệu và cấu trúc mạng, kích thước hạt kim loại N0 N (Mactenxit hay Pherít); Nhám bề Hình 1.12 Ảnh hưởng của chu trình thay đổi ứng suất mặt và lớp biến cứng. Hình 1.11 đến ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu cho chúng ta biết ảnh hƣởng của phƣơng pháp gia công bề mặt đến ứng suất giới hạn mỏi của thép. (Ví dụ với thép có b = 1100MPa, nếu mài nhẵn bề mặt thì ứng suất giới hạn mỏi giảm khoảng 0,9 so với -1 1 phƣơng pháp đánh bóng. Tƣơng 2 tự -1 giảm khoảng 0,8 0,6 600 nếu gia công bề mặt bằng cắt 3 gọt). Trong tính toán sử 500 dụng hệ số ảnh hƣởng  400 4 để xét ảnh hƣởng của chất 300 lƣợng bề mặt đến giới hạn 5 200 bền mỏi. Hệ số này đƣợc xác định phụ thuộc vào 100 b MPa) phƣơng pháp tăng bền. Ngoài ra còn một số 0 600 800 1000 1200 1400 yếu tố khác nữa cũng ảnh hƣởng đến giới hạn mỏi Hình 1.11 Ảnh hưởng của chất lượng bề của vật liệu nhƣ vật liệu, mặt đến ứng suất giới hạn mỏi[19] nhiệt độ và trạng thái ứng 1- Đánh bóng 2- Mài 4- Cán nóng 3- Cắt gọt hoặc gia công nguội 5- Rèn 18
25. suất, ứng suất dƣ (Đa phần các số liệu về giới hạn mỏi r (MPa) nhận đƣợc từ thí nghiệm mỏi  r (ksi) uốn với chu trình đối xứng. Ở   đó các vết gãy do mỏi thƣờng   xuất hiện bắt đầu ở vùng ứng  suất kéo cao, tỷ lệ vật liệu chịu  ứng suất nhƣ vậy rất nhỏ. Nó   tƣơng phản với trƣờng hợp  thanh tròn chịu kéo với tất cả   các điểm của mặt cắt ngang  đều chịu ứng suất lớn nhất,  dẫn đến ứng suất giới hạn mỏi giảm xuống khoảng 0,8 so với trƣờng hợp chiu uốn lặp lại. 104 5.104 5.105 106 N Hình 1.12 minh họa về sự thay đổi ứng suất giới hạn mỏi ứng Hình 1.13 Ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu với chu trình thay đổi ứng suất 1 Thép Hkim xử lý nhiệt; 2 Thép cacbon thường khác nhau). 3 Nhôm 4 Gang d) Yếu tố trạng thái ứng suất - Khi chi tiết chịu ứng suất thay đổi không đối xứng a: đây là thành phần gây nên hiện tƣợng phá hỏng về mỏi m: cũng ảnh hƣởng đến độ bền mỏi của chi tiết, nếu m> 0 và tăng thì r giảm Nếu ứng suất kéo tăng lên thì dù a nhỏ cũng có thể gây nên phá hỏng về mỏi - Chi tiết chịu ứng suất phức tạp (đồng thời chịu uốn và chịu xoắn) khi đó có thể sử dụng công thức thực nghiệm “ Gao “ sau đây: 2 2 a a 1  1  1 e) Ảnh hưởng nhiệt độ Khi to >250oC thì tính chất cơ học (E) bị giảm. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ bền của vật liệu có thể xác định nhờ hệ số ảnh hƣởng sau (Với vật liệu gang và thép). 0 -2 t = 1-kt(t-25 )10 f) Yếu tố vật liệu. Vật liệu và cấu trúc vật liệu khác nhau cho ứng suất giới hạn mỏi khác nhau (hình 1.13 [19]). 19
26. 1.5.3.2 Ứng suất cho phép và ứng suất giới hạn mỏi của chi tiết Tùy thuộc vào điều kiện chịu tải mà ứng suất cho phép và ứng suấtgiới hạn mỏi của chi tiết đƣợc xác định nhƣ sau: a) Khi chi tiết khi chịu ứng suất không đổi, ứng suất cho phép của chi tiết xác định theo công thức sau:     Vật liệu dẻo:    ch ;  ch (1.15a) s s     Vật liệu dòn  b ;  b (1.15b) s  s b) Khi chi tiết khi chịu ứng suất thay đổi, ứng suất giới hạn mỏi trong chu trình đối xứng của chi tiết tƣơng ứng với chu kỳ chịu tải N sẽ là:  1vl.. t .  1ct .K N (1.16a) k   1vl..t . Hoặc  1ct .K N (1.16b) k  Trong đó KN hệ số tuổi thọ xác định theo (1.13), với N xác định theo (1.14a hoặc 1.14b) tùy thuộc chế độ tải trọng. -1ct; -1ct và -1vl; -1vl là ứng suất giới hạn mỏi của chi tiết và của vật liệu. Ví dụ 1.1 a) Xác định ứng suất cho phép của chi tiết biết vật liệu chế tạo chi tiết là thép có ch = 580 MPa; chi tiết có kích thƣớc khoảng 50mm; hệ số an toàn cho phép [s] = 5. 4 b) Xác định ứng suất giới hạn mỏi N khi chi tiết làm việc với tuổi thọ N = 4.10 ; chi tiết không đƣợc tăng bền; các hệ số tập trung ứng suất k = 1,5 và -1 = 400MPa. ài giải a) Ƣng suất cho phép của chi tiết xác định theo công thức (1.15a):   (580).(0,84)  ch 97,4MPa s 5,0 b) Ứng suất giới hạn mỏi ngắn hạn N xác định theo (1.16a): N = KN. -1 20
27.  .. (400).(0,84).(1) 1. N K N .1,77 396MPa k  1,5 Trong đó: Ứng với kích thƣớc chi tiết d = 50mm:  = 0,84 N 10 6 K m o 6 1,77 N N 10 4 1.5.4 Các giải pháp nâng cao giới hạn bền mỏi chi tiết máy Để cải thiện khả năng chịu tải hoặc kéo dài tuổi thọ của chi tiết, cần có những giải pháp nâng cao độ bền mỏi của chi tiết, bao gồm: 1.5.4.1 Giải pháp thiết kế là hạn chế tối đa các nguyên nhân gây nên ứng suất thay đổi chu kỳ hoặc ứng suất lớn nhất tác dụng lên chi tiết nhƣ: hạn chế tải trọng chu kỳ lặp lại tác dụng lên chi tiết (gây nên ứng suất thay đổi) bằng cách sử dụng các nối trục đàn hồi; sử dụng ổ trƣợt thay cho ổ lăn hoặc khi thiết kế kết cấu cần hạn chế các nguyên nhân gây ttƣs vì các vết nứt về mỏi thƣờng xuất hiện trƣớc tiên tại vùng có ứng suất lớn nhất, ví dụ làm bán kính góc lƣợn tại chỗ có thay đổi kích thƣớc, chọn nhám bề mặt hợp lý; tăng diện tích tiếp xúc (với các chi tiết chịu ứng suất tiếp xúc thay đổi); thay thế các kết cấu có tập trung ứng suất cao bằng các kết cấu có ttƣs thấp (ví dụ trong mối ghép độ dôi tại các mép thƣờng có ứng suất rất lớn vì vậy cần chọn đƣờng kính may ơ hợp lý hoặc khi không có may ơ thì làm rãnh vòng giảm ứng suất lắp). 1.5.4.2 Giải pháp công nghệ. Thực chất của giải pháp này là chọn qui trình công nghệ gia công chi tiết hợp lý bao gồm: Công nghệ xử lý bề mặt và Công nghệ gia công chi tiết. Công nghệ xử lý bề mặt bao gồm các phƣơng pháp nhƣ nhiệt luyện (tôi cải thiện, thƣờng hóa, tôi và ram thấp, tôi bề mặt ), các phƣơng pháp thấm ( thấm các bon, thấm Nitơ ), thấm kết hợp với tôi nhằm cải thiện chất lƣợng của lớp bề mặt kim loạị. Công nghệ gia công nhƣ gia công tinh bề mặt: đánh bóng, mài nghiền để giảm các mấp mô bề mặt chi tiết. Các phƣơng pháp gia công gây biến dạng dẻo lớp bề mặt nhƣ phun bi, lăn nén (một mặt gây cứng nguội lớp bề mặt do đó làm tăng độ cứng và tạo ra ứng suất nén dƣ trong lớp bề mặt, mặt khác làm san bằng các đỉnh mấp mô dẫn đến các Ra và Rz giảm đáng kế) hoặc sử dụng các phƣơng pháp nong, chuốt để gia công lỗ, các phƣơng pháp cán để tạo hình chi tiết nhƣ cán ren, cán rãnh lăn trong truyền động vít me bi, cán răng trong truyền động bánh răng sóng hoặc cán ren đối với các chi tiết ren (vừa đạt năng suất cao vừa đảm bảo độ bền của ren tốt nhất là khi chịu tải trọng thay đổi). 21
28. 1.6 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CƠ KHÍ Chọn vật liệu là một bƣớc quan trong trong thiết kế chi tiết máy. Muốn chọn đƣợc vật liệu hợp lý và phù hợp cần hiểu biết sâu sắc các đặc trƣng của vật liệu và các phƣơng pháp nhiệt luyện, các phƣơng pháp thấm để cải thiện cơ lý tính của vật liệu, phải nắm đƣợc các yêu cầu và các dạng phá hỏng của chi tiết cũng nhƣ phải hiểu biết về phƣơng thức công nghệ để tạo ra sản phẩm. Chú ý rằng giá thành của vật liệu chiếm trung bình khoảng 50% giá thành với máy có độ chính xác cao; với ô tô là 60 70%, còn với cầu trục và cần trục thì tỷ trọng này khoảng 70 80%. Vì vậy khi chọn vật liệu cần xét đến những yêu cầu chính sau đây: - Xuất phát từ yêu cầu về khả năng làm việc của chi tiết máy: độ bền, độ cứng hay khả năng chịu mài mòn - Vật liệu phải có tính công nghệ phù hợp với hình dáng và phƣơng pháp gia công - Có lợi nhất về phƣơng diện giá thành: kích thƣớc nhỏ gọn, vật liệu dễ tìm và dễ cung ứng và dễ thay thế khi cần thiết. - Giảm số chủng loại vật liệu sử dụng Trong một số trƣờng hợp, vật liệu đƣợc chọn xuất phát từ một số chỉ tiêu kết hợp, ví dụ xuất phát từ giá thành hay khối lƣợng là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo đƣợc độ bền tĩnh, độ bền mỏi hay độ cứng của chi tiết. Ngoài ra một số chi tiết máy mà điều kiện làm việc đòi hỏi từng phần phải đáp ứng các yêu cầu khác nhau thì phải sử dụng nguyên tắc chất lƣợng cục bộ. Trong ngành có khí thƣờng sử dụng 3 nhóm vật liệu chính sau đây: 1.6.1 Vật liệu thép là loại vật liệu đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết máy bởi vì các tính chất nổi trội của nó nhƣ độ bền, độ cứng và độ dẻo cao, có tính công nghệ cao so với gang và kim loại màu. Có rất nhiều loại thép đƣợc sử dụng, bao gồm: thép cacbon và thép hợp kim -Thép cacbon thấp (loại thép có hàm lƣợng cacbon < 0,3%). Loại thép này có độ bền tƣơng đối thấp, nhƣng dế biến dạng vì vậy đƣợc lựa chọn để chế tạo các chi tiết không yêu cầu độ bền cao. Trong trƣờng hợp cần tăng cƣờng khả năng chịu mài mòn thì sử dụng phƣơng pháp thấm cacbon để nâng cao khả năng chống mòn. - Thép cacbon trung bình chứa 0,3% đến 0,5% cacbon. Với các chi tiết máy yêu cầu độ bền và độ cứng trung bình nhƣng độ dẻo cao đều làm từ loại thép này. - Thép cacbon cao có 0,5% đến 0,95% cacbon. Do hàm lƣợng cacbon cao nên khả năng chống mài mòn rất tốt vì vậy thích hợp để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn nhƣ các lƣỡi cắt (các dụng cụ cắt gọt) hoặc các chi tiết sử 22
29. dụng trong máy nông nghiệp, máy xây dựng Với các ổ trục thƣờng dùng thép với hàm lƣợng 1% cacbon. Bảng 1.2 Một số thép và các ứng dụng để chế tạo các chi tiết máy Mã số thép Các ứng dụng TCVN AISI C15 1015 Chi tiết dạng tấm: Đĩa ma sát, vòng đệm, ống lót; Các chi tiêt định hình (có thể thấm cácbon):vít C20;C30 1020; 1030 Những chi tiết đa năng chịu tải trọng nhỏ: dạng thanh (cần gạt); chi tiết nối, bạc lót, chốt C40;C45 1040; 1045 Trục, bánh răng C80 1080 Lò xo, các chi tiết máy nông nghiệp chịu mài mòn (đĩa, lƣỡi cày, răng cào ) - 1112 Dùng cho các chi tiết có ren - 4140 Trục, bánh răng và chi tiết có ren 40CrNi;42CrMo4 4340 Trục, bánh răng và chi tiết tôi thể tích - 5150 Trục, bánh răng có kích thƣớc lớn; lò xo - 9260 Lò xo - Các thép hợp kim: nhờ có thêm các nguyên tố nhƣ Cr, Mn mà tính chất của thép đƣợc cải thiện. Ví dụ Niken cải thiện độ dai, độ thấm tôi và khả năng chống ăn mòn của thép; Crôm cải thiện độ thấm tôi, chống mài mòn và độ bền nhiệt. - Thép kết cấu về cơ bản đó là thép cacbon thấp dạng bản, dầm tiêu chuẩn chữ T; L; U để chế tạo các kết cấu, đƣợc sử dụng dạng cung cấp không qua xử lý nhiệt. Do yêu cầu chất lƣợng không cao nên hàm lƣợng P,S khá lớn (P khoảng 0,040 0,070% và S là 0,050 0,060%). Thép kết cấu có ký hiệu CTx với các chữ sau: s thép nửa sôi và n thép nửa lằng. Ví dụ CT38; 2 CT38s hoặc CT38n. (có b = 38 KG/mm hoặc b = 380MPa). - Thép không gỉ là loại thép có khả năng chống ăn mòn cao nhờ các hợp kim chứa trong thép. Thép không gỉ bao gồm 3 nhóm chính là austenit; ferit và mactenxit. Thép không gỉ austenit là loại thép có độ bền trung bình và không xử lý nhiệt. Thép không gỉ chủ yếu để chế tạo các chi tiết trong ngành dầu khí (bình lọc dầu ), các chi tiết trang trí trong ngành ô tô hoặc trong thiết bị thực phẩm. Thép không gỉ austenit thuộc nhóm AISI 200 và 300. Thép không rỉ ferit thuộc nhóm có từ tính và sử dụng tốt ở nhiệt độ cao, từ 13000F đến 19000F (7000C đến 10400C), chúng có khả năng xử lý nhiệt, thƣờng để chế tạo các chi tiết các ống trao đổi nhiệt, thiết bị lọc dầu, trang 23
30. trí ô tô và thiết bị hóa học. Thép không gỉ ferit thuộc nhóm AISI 400, bao gồm: 405; 409; 430; 446 Thép không gỉ mactenxit cũng nằm trong nhóm 400, bao gồm: 403; 410; ; 416; 420; 431 và 440. Chúng có từ tính và có thể xử ký nhiệt và có độ bền cao hơn nhóm 200 và 300, trong khi độ dai vẫn tốt. Chúng đƣợc sử dụng để chế tạo các chi tiết thuộc bộ phận của động cơ tuabin, dụng cụ y học, các bộ phận bơm, van, ống nối và các thiết bị hàng hải. Với những chi tiết sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ do yêu cầu độ bền cao nhƣng lại nhẹ đều do các hãng sản xuất độc quyền cung cấp. 1.6.2 Vật liệu gang là hợp chất của sắt với cacbon có hàm lƣợng từ 2,14 6,67%. Gang dùng để chế tạo các chi tiết có kích thƣớc lớn nhƣ khung, bệ máy, giá đỡ hoặc bánh răng, bánh đai Một số loại gang có độ bền, độ dẻo, khả năng chống mài mòn nên đƣợc dùng rộng rãi. Có 3 loại gang chính là gang xám, gang dẻo và gang cầu. - Gang xám là loại vật liệu có giới hạn bền kéo trong khoảng bk = 138 414MPa, còn bn thì lớn hơn khoảng từ 3 4 lần so với bk. Nhƣợc điểm của gang xám là dòn nên không sử dụng đƣợc cho các chi tiết chịu uốn, va đập. Khả năng chịu mài mòn của gang xám thì tuyệt vời, dễ gia công và có khả năng tôi mặt ngoài vì vậy gang xám sử dụng để chế tạo các chi tiết nhƣ bánh răng, block động cơ, bệ máy hoặc bộ phận hãm. TCVN 1659-75 có qui định ký hiệu gang xám bằng GXxx-xx ( chỉ số chỉ giới hạn bền kéo và bền nén của gang), ví dụ GX15-32 (bk =150 và bn =320MPa). - Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất, graphit ở dạng cầu, ít chia cắt nền kim loại và hầu nhƣ không có đầu nhọn gây tập trung ứng suất nên về độ bền của gang cầu không thua thép bao nhiêu và có thể thay thế nó, (bk = 400 800MPa; 0,2 = 250 600MPa, tƣơng đƣơng thép cacbon chế tạo máy; độ dẻo trong khoảng 2 15%). Chi tiết quan trọng, điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu của các loại xe ô tô, đây là chi tiết phức tạp, chịu tải trọng lớn, va đập và chịu mài mòn. Với yêu cầu đó, trục khuỷu có thể làm bằng thép ví dụ C45 hoặc bằng gang cầu, nhƣng làm bằng gang cầu kinh tế hơn rất nhiều. TCVN 1659-75 có qui định ký hiệu gang cầu bằng GCxx-xx - Gang dẻo do graphit ở dạng cụm và lƣợng cacbon của gang thấp nên gang dẻo có độ bền gần nhƣ gang cầu và cao hơn gang xám. Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn 3 yêu cầu sau: kết cấu phức tạp; thành mỏng và chịu va đập. Nếu một trong 3 yêu cầu trên không thỏa mãn thì việc chế tạo bằng gang dẻo là không thể hoặc không kinh tế. Thƣờng các sản phẩm làm từ gang dẻo có chiều dày thành khoảng 20 30mm (không vƣợt quá 40mm). TCVN 1659-75 có qui định ký hiệu gang dẻo bằng GZxx-xx 24
31. 1.6.3 Kim loại màu và hợp kim của kim loại màu Đồng đƣợc sử dụng ở dạng gần nguyên chất trong các ứng dụng của ngành điện nhƣ làm dây dẫn, ống do đồng có độ dẫn điện tốt và chống ăn mòn cao. Trong ngành cơ khí chủ yếu sử dụng dạng hợp kim nhƣ đồng thau hay đồng thanh - Đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm, với hàm lƣợng kẽm khoảng từ 5 40%. Đồng thau có tính cắt gọt, có khả năng chịu mài mòn và chống dính tốt vì vậy đƣợc sử dụng để chế tạo các chi tiết nhƣ vành răng bánh vít. Loại vật liệu này có khả năng chống ăn mòn nên cũng đƣợc sử dụng để chế tạo các chi tiết trong ngành hàng hải. Tùy thuộc vào hàm lƣợng của Zn mà phân ra đồng thau vàng; đồng thau đỏ. Ngoài ra còn có một số hợp kim khác nhƣ thiếc, chì, niken hoặc nhôm để cải thiện một số tính chất của đồng thau nhƣ khả năng chịu mài mòn hoặc khă năng chống dính khi vận tốc trƣợt và áp suất lớn. - Đồng thanh là hợp kim của đồng và một số thành phần khác mà chủ yếu là thiếc, săt, nhôm dùng để chế tạo các chi tiết yêu cầu độ bền cao và khả năng chống mòn nhƣ vành răng bánh vít, bạc hoặc bánh răng trong các máy gia dụng. ( ký hiệu và cơ tính các loại hợp kim đồng xem chƣơng 6). 1.6.4 Vật liệu phi kim và kim loại gốm Chất dẻo chủ yếu để chế tạo các chi tiết cần giảm hoặc tăng ma sát, giảm chấn. Các ứng dụng của chất dẻo có thể tham khảo thêm ở chƣơng 8; 9 và 10). 1.7 TIÊU CHUẨN HÓA VÀ TÍNH CÔNG NGHỆ TRONG THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.7.1 Tiêu chuẩn hóa và thống nhất hóa trong thiết kế Tiêu chuẩn hóa là việc qui định những tiêu chuẩn, qui phạm hợp lý và thống nhất về hình dạng, thông số, chất lƣợng của sản phẩm. Nó có ý nghĩa vô cùng to lớn trong ngành kinh tế nói chung và ngành cơ khí nói riêng. Khi thiết kế các sản phẩm cơ khí chúng ta gặp rất nhiều dạng tiêu chuẩn khác nhau nhƣ: Dãy số tiêu chuẩn (dãy cấp số nhân với số sau bằng số trƣớc nhân với công bội n 10 , n có thể là 5;10;20 nhƣ dãy R10 hay dãy R20 hoặc dãy cấp số cộng nhƣ dãy tiêu chuẩn đƣờng kính trong ổ lăn: Tiêu chuẩn về nhám bề mặt, khoảng cách tâm trong truyền động bánh răng ) hoặc chi tiết và bộ phận dƣới dạng tiêu chuẩn nhƣ bu lông, đai ốc, ổ lăn, khớp nối, dây xích . Các thông số tiêu 25
32. chuẩn nhƣ mô đun bánh răng, bƣớc xích, đƣờng kính thân và ngỗng trục, nhám bề mặt, kích thƣớc và qui cách mối ghép Vì vậy người thiết kế cần nắm vững các qui cách, các tiêu chuẩn để áp dụng khi thiết kế các sản phẩm. Hiện nay ở nƣớc ta cũng nhƣ ở hầu hết các nƣớc trên thế giới đã xây dựng các tiêu chuẩn cấp nhà nƣớc nhƣ: - Tiêu chuẩn nhà nƣớc Việt nam: TCVN kèm theo số thứ tự tiêu chuẩn và năm ban hành - Tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Standard Organization): ISO - AISI (American Institut of Steel Construction) - GOST ( Nga) - DIN ( Đức) và JIS ( Nhật) Ngoài tiêu chuẩn cấp nhà nƣớc còn có tiêu chuẩn ngành, công ty, tỉnh Thống nhất hóa trong thiết kế là hạn chế về số lƣợng chủng loại các chi tiết hoặc bộ phận, nhƣng lại tăng về số lƣợng chi tiết trong một chủng loại. Việc áp dụng tiêu chẩn hóa và thống nhất vào quá trình tạo ra sản phẩm sẽ mang lại nhiều lợi ích thiết thực như giá thành rẻ do thiết kế và chế tạo trở nên đơn giản và nhanh, thay thế các chi tiết bị hỏng thuận lợi và nhanh chóng. 1.7.2 Tính công nghệ của chi tiêt máy Tính công nghệ của chi tiêt máy là một trong những yếu quan trọng liên quan đến giá thành sản xuất của sản phẩm. Một chi tiết có tính công nghệ là chi tiết vừa phải thỏa mãn các yêu cầu về khả năng làm việc nhƣng phải có giá thành rẻ nhất về phƣơng diện chế tạo, lắp ráp và thay thế khi hỏng hóc. Tính công nghệ của chi tiết phụ thuộc vào hình dạng và kết cấu (Khi thiết kế kết cấu chi tiết cần quan tâm đến độ bền, phƣơng pháp chế tạo phôi (phôi rèn, đúc hay hàn), vật liệu, kích thƣớc, nhiệt luyện và phƣơng pháp gia công căt gọt (xem thêm [5];[15])), độ chính xác và độ nhám các bề mặt gia công. Một điểm cần quan tâm là tính công nghệ của chi tiết liên quan đến tính công nghệ của cả máy. CÂU HỎI KIỂM TRA KIẾN THỨC Câu 1. Chi tiết bằng thép C45, có -1 = 400Mpa. Ứng suất giới hạn mỏi N bằng bao nhiêu khi chịu ứng suất không đổi trong N = 4,5.105 chu kỳ. Đáp số: N = 466MPa Câu 2. Trục bằng thép C45; kích thƣớc d = 40 50mm, chịu ứng suất không đổi. Vật liệu chế tạo trục có ch = 580MPa và b = 850Mpa, hệ số an toàn cho phép [s] = 2,5 và hệ số kích thƣớc ε = 0,85. Ứng suất cho phép [] bằng bao nhiêu? Đáp số: [] =197MPa 26
33. Câu 3. Xác định tuổi thọ (triệu chu kỳ) của chi tiết quay với tốc độ n = 950vg/ph. Thời gian sử dụng 5 năm. Mỗi năm 300 ngày; mỗi ngày làm việc 2 ca và mỗi ca 7 tiếng. Đáp số: N= 19,95.106 chu kỳ Câu 4. Hai hình trụ tiếp xúc ngoài, vật liệu bằng thép nên E1 = E2 = 5 2.10 Mpa; μ1 = μ1 = 0.3. Bán kính tại điểm tiếp xúc tƣơng ứng r1= 10mm và r2 = 40mm; áp lực q = 500N/mm do tải trọng pháp tuyến Fn gây ra. Ứng suất tiếp xúc H lớn nhất? Đáp số: H = 1477,8Mpa. Câu 5. Hai hình cầu tiếp xúc ngoài, vật liệu bằng thép nên E1 = E2 = 5 2.10 Mpa; μ1 = μ1 = 0.3. Bán kính tại điểm tiếp xúc tƣơng ứng r1= 10mm và r2 = 40mm; chịu tải trọng pháp tuyến Fn= 500N. ứng suất tiếp xúc H bằng? Đáp số: H = 2632,9Mpa. Câu 6. Xác định ứng suất giới hạn mỏi ngắn hạn của chi tiết Nct. Biết vật liệu chế tạo có -1vl = 370MPa; hệ số tăng bền bề mặt  = 1,25; Hệ sô tập trung ứng suất; Hệ số kích thƣớc ε = 0,81; K = 1,70 và chi tiết làm việc ở nhiệt độ bình thƣờng và chu kỳ chịu tải đến khi hỏng N = 5.105. Đáp số: N =246Mpa. Câu 7. Một chi tiết làm việc với chế độ tải trong thay đổi nhƣ sau: Ở chế độ 1: 1 và t1 = 7000giờ; Ở chế độ 2: 2/1= 0,7 và t2=5000giờ và ở chế độ 3: 3/1= 0,5 và t3=3000giờ. Tốc độ quay n= 950vg/ph; Tổng thời gian làm việc của máy là t = (t1 + t2 + t3)giờ. Xác định chu kỳ chịu tải tƣơng đƣơng Ntđ (triệu chu kỳ) của chi tiết. Chi tiết bằng thép nên lấy m = 6. 6 Đáp số: Ntđ = 435,2.10 Câu 8. a) Thế nào là ứng suất không đổi, ứng suất thay đổi. Ứng suất thay đổi phụ thuộc vào những yếu tố nào? b) Tải trọng không đổi có gây nên ứng suất thay đổi không? Lấy ví dụ minh họa. c) Khi trục quay 1 (hoặc 2) chiều thì ứng suất pháp và ứng suất uốn thay đổi theo chế độ nào? Viết công thức tính các đại lƣợng đặc trƣng biết trục chịu M và T là không đổi, trục có Wu và Wo. d) Ứng suất không đổi hay ứng suất thay đổi có liên quan đến dạng phá hỏng của chi tiết không? Nêu phƣơng pháp tính toán chi tiết cho 2 trƣờng hợp nói trên. Câu 9. Nguyên tắc chọn vât liệu khi thiết kế máy và chi tiết máy. Câu 10. Ứng suất giới hạn mỏi của kim loại màu đƣợc chọn ứng với số chu kỳ cơ sở bằng bao nhiêu? 27
34. Chƣơng 2 Ộ TRUYỀN AI 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 2.1.1 Cấu tạo bộ truyền đai 2.1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc v Hình 2.1 là cấu tạo bộ truyền đai trong một máy công 2 1 tác, trong đó bánh đai dẫn 1 có d d2 n1 đƣờng kính d1 đƣợc lắp trên trục động cơ, còn bánh đai bị 1 dẫn 2 (bánh đai lớn), đƣờng 3 2 kính d2 đƣợc lắp trên trục công tác hoặc trục vào HGT (hộp a giảm tốc) và dây đai 3 đƣợc vòng qua hai bánh đai và ôm Hình 2.1a Bộ truyền đai thang thường lấy bánh đai các góc tƣơng ứng 1 và 2 (Tùy thuộc vào cách mắc dây đai mà hai trục có thể song song quay cùng hoặc ngƣợc chiều nhau hoặc hai trục có thể vuông góc với nhau).Truyền động đai có thể cho tỷ số truyền không đổi hoặc tỷ số truyền thay đổi (gọi là biến tốc đai, hình 2.1b). Trong bộ truyền đai thì chuyển động và lực đƣợc truyền từ trục sơ cấp (bánh đai dẫn hoặc còn gọi bánh đai sơ cấp) sang trục thứ cấp (bánh đai bị dẫn Hình 2.1b Bộ biến tốc đai hoặc bánh đai thứ cấp) nhờ lực ma sát trên mặt tiếp xúc giữa dây đai và bánh đai và vì thế truyền động đai đƣợc gọi là truyền động ma sát gián tiếp (cho phép truyền chuyển động từ 1 trục đền nhiều trục với khoảng cách trục tƣơng đối lớn, giữa hai trục song song quay cùng chiều 28
35. hoặc ngƣợc chiều nhau, giữa hai trục chéo nhau thƣờng bằng 90o) và vì vậy mà khi mắc dây đai vào bánh đai phải đảm lực căng ban đầu cần thiết. Như vậy truyền động đai thực hiện nhiệm vụ truyền chuyển chuyển động và truyền công suất một cách linh hoạt từ bánh đai sơ cấp sang bánh đai thứ cấp nhờ ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa dây đai và bánh đai. 2.1.1.2 Các phƣơng pháp căng đai Bánh căng Để tạo và giữ cho lực căng của dây đai đai không thay đổi trong quá trình làm việc (hoặc để đảm bảo công suất truyền của đai không bị thay đổi) thì cần phải có bộ phận căng đai. Về nguyên tắc có thể phân ra hai phƣơng pháp nhƣ sau: Căng đai bằng con lăn căng đai (hình 2.2a). Trƣờng hợp này sử dụng bánh căng đai tỳ vào một trong các nhánh của dây đai, thƣờng bánh căng đai đƣợc tỳ vào nhánh chùng và gần bánh đai dẫn. Hình 2.2a Căng đai nhờ bánh căng Căng đai bằng F2 cách thay đổi khoảng cách n1 tâm a (hình 1 2.2b). Khi dây đai 4 bị dãn dài, muốn 2 F1 5 cho dây đai căng 3 lại thì phải tăng khoảng cách tâm a lên một lƣợng a tƣơng ứng a. a+ a Việc thay đổi khoảng cách tâm Hình 2.2b Căng đai bằng cách thay đổi khoảng cách a nhờ vít 4 a có thể thực hiện 1. Động cơ điện 2. Bu lông kẹp chặt Đ/Cơ định kỳ (hình 3. Bu lông cố định giá 4.Vít điều chỉnh 5. Giá cố định 2.2a) (khi dây đai bị chùng thì tiến hành căng lại bằng vít căng) hoặc thiết kế cơ cấu sao cho khi dây đai dãn dài thì khoảng cách tâm a tự động tăng lên lƣợng tƣơng ứng a. Hình 2.2c là sơ đồ nguyên lý về việc thay đổi a bằng cách cho giá 4 xoay quanh tâm tâm bản lề 5. Lực F để căng đai có thể thực hiện bằng lò xo kéo (nén) hoặc đối trọng. 29
36. F2 1 F 2 F1 3 4 5 Hình 2.2c Căng đai bằng cách thay đổi khoảng cách a nhờ giá quay 4 1. Động cơ điện 2. Bu lông kẹp chặt Đ/Cơ 3. Cơ cấu tạo lực căng 4. Giá quay 5. Chốt cố định Ngoài ý nghĩa tạo lực căng không đổi trong quá trình làm việc, thì bộ phận căng đai còn có ý nghĩa để mắc dây đai vào bánh đai đƣợc dễ dàng đặc biệt với đai hình thang. Vì vậy việc điều chỉnh khoảng cách trục phải đƣợc thực hiện theo cả chiều tăng và chiều giảm. 2.1.1.3 Phân loại đai (theo tiết diện dây đai) Dây đai là bộ phận quan trọng nhất của bộ truyền đai. Đai chủ yếu đƣợc phân loại theo tiết diện dây đai. a) Đai det. Đai dẹt có tiết diện chữ nhật, kích thƣớc: Chiều rộng dây đai b và δ là chiều dày. Vật liệu chế tạo đai chủ yếu là vải cao su hoặc sợi tổng hợp. Tùy thuộc vào số lớp vải mà chiều dày dây đai có thể khác nhau. Kích thƣớc b và  đƣợc tiêu chuẩn hóa (bảng 2.1 và bảng 2.2). Bảng 2.1 Kích thước b và  của đai vải cao su Kí hiệu đai B - 800 và B - 820 BKHL-65 và BKHL-65-2 Số Chiều Chiều dày , mm và đƣờng kính d1min lớp rộng đai Có lớp lót Không có lớp Có lớp lót Không có lớp lót b (mm) lót  d1min  d1min  d1min  d1min 3 20 112 4,5 180 3,75 140 3,0 140 3,0 125 4 20 250 6,0 224 5,00 200 4,6 180 4,0 160 5 20 250 7,5 315 6,25 350 6,0 224 5,0 200 6 20 250 9,0 355 7,50 315 7,2 280 6,0 224 Ghi chú: Chiều rộng tiêu chuẩn:20; 25; (30); 32; 40; 50; (60); 63; (70); 71; (75); 80; (86); 90; 100; (115); (120); 125; 140; (150); (160); (175); 180; 200; 224; (225); 250; Kích thước ghi trong dấu ngoặc ít dùng. 30
37. Bảng 2.2 Kích thước b và  của đai dẹt sợi tổng hợp Loại vật liệu Chiểu dày Chiểu rộng Chiều dài trong , mm b,mm Danh nghĩa l,mm Sai lệch l Sợi Caprôn phủ 10 250, 260, 280, 300, 320, 340; 20 bằng mang poliamid 15 350, 380, 400, 420, 450, 480; 20 trộn cao su nitrin 0,4 0,6 20 500, 530, 560, 600, 630, 670; 20 CKH-40 25 710, 750, 800, 850, 900, 950; 20 30 1000; 1060, 1120, 1180, 1250, 25 1320, 1400. Sợi Caprôn trên cốt 1,0 1,2 40 1500, 1600, 1700, 1800, 1900 40 vải chéo hai sợi và 2000. ngang phủ bằng 50 và 60 2120, 2240, 2360, 2500, 2650, 45 nhựa natrit 2800, 3000, 3150 và 3350 80 và 100 3550, 3750 và 4000 55 b) Đai thang Đai có tiết diện hình thang (hình 2.3a) vì vậy bánh đai cũng có rãnh b1 bt hình thang tƣơng ứng. Đai đƣợc tiêu chuẩn cả diện tích tiết diện lẫn chiều dài dây đai. Bảng 3.3 cho biết H Fr kích thƣớc cơ bản của tiết diện dây đai, chiều dài tiêu chuẩn và đƣờng a d kính tối thiểu d1. d t e Fn/2 Fn/2 Chú ý: tùy thuộc vào tỷ số b/h mà đai thang còn đƣợc phân ra: Đai thang hẹp khi b/h = 1,05 1,1 Đai thƣờng khi b/h = 1,4 Đai thang rộng khi b/h = 2,5 4,5 Hình 2.3a Đai hình thang Tùy thuộc vào yêu cầu khi thiết kế mà chọn loại tiết diện đai cho phù hợp (thƣờng dựa vào công suất truyền P1 và tốc độ quay n1 của puli dẫn để chọn tiết diện dây đai đồ thị hình 2.8). Ở đai thang do dây đai đƣợc chế tạo thành vòng khép kín nên đai làm việc ổn định, mặt khác do đai có tiết diện hình thang nên khả năng tải của đai thang sẽ lớn hơn f so với đai dẹt (hệ số ma sát giữa đai và bánh đai lớn hơn f ' , với là góc sin 2 chêm của rãnh bánh đai và khi thay đổi từ 34 400 thì f’ tăng 3,42 đến 2,92 lần). 31
38. Bảng 2.3 Các kích thước cơ bản của đai thang thường và đai thang hẹp Loại đai Kí Kích thƣớc tiết diện, mm Diện Chiều dài Đƣờng hiệu tích A đai l (mm) kính bánh nhỏ T1,Nm (mm2) bt b h h0 d1, mm Đai thang thƣờng Z 8,5 10 6 2,1 47 400 2500 70 140 < 25 b A 11 13 8 2,8 81 560 4000 100 200 11 70 bt o B 14 17 10,5 4,0 138 800 6300 140 280 40 190 h C 19 22 13,5 4,8 230 1800 10600 200 400 110 550 h 2000 D 27 32 19,0 6,9 476 3150 15000 315 630 450 E 32 38 23,5 8,3 692 4500 18000 500 1000 1100 4500 Đai thang hẹp SPZ 8,5 9,7 8 2,0 56 630 3350 63 100 < 500 b bt SPA 11 12,7 10 2,8 95 800 4500 90 140 90 400 o h SPB 14 16,3 13 3,5 158 1250 8000 140 224 300 2000 h SPC 19 22 18 4,8 325 2000 12500 224 555 400 3000 Chiều dài tiêu chuẩn của đai: 400, (425), 450, (475), 500, (530), 560, (600), 630, 710, (750), 800,(850), 900, (950), 1000, (1060),1120, (1180),1250, (1320), 1400, (1500),1600, (1700), 1800, (1900), 2000, (2120), 2240, (2360), 2500, (2650), 2800, (3000), 3150, (3350), 3550, (3750), 4000, (5000), 5600, (6000), 6300, 7100, (7500), 8000,(8500), 9000, (9500), 10000, 11200, 12500, 14000, 16000 và 18000 Đƣờng kính bánh đai d: 63; 71; 80; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315; 355; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800; 1000; 1120; 1250; 1400; 1600; 1800; 2000; ; 3150; 3550; 4000. c) Đai nhiều chêm hoặc đai hình lược (hình 2.3b) Với đai thang có z dây đai thì các dây đai độc lập nên khả năng tải giữa các đây đai là không đều nhau, mặt khác do chiều cao dây đai h tƣơng đối lớn (ví dụ với đai thang hẹp nên tuổi thọ của đai sẽ giảm xuống) để khắc phục các nhƣợc điểm trên các nhà sản xuất đã đề xuất loại đai nhiều chêm (bảng 2.4). Đai nhiều chêm có các đặc điểm sau: Bảng 2.4 Kích thước cơ bản của đai nhiều chêm (ANSI/RMA IP-26 1977) b h t Loại tiết H t Số chêm z diện inch mm inch mm H 0,12 3,0 0,063 1,6 4; 6; 10; 16. J 0,16 4,0 0,92 2,4 4; 6; 10; 16; 20 K 0,24 6,1 0,140 3,5 4; 6; 10; 16; 20 L 0,38 9,65 0,185 4,6 6; 8; 10; 12; 14; 18; 20 M 0,66 16,76 0,370 9,5 6; 8; 10; 12; 14; 18; 20 32
39. - Các chêm (gân) phân bố dọc theo chiều rộng và liền khối. Đai dẻo hơn vì vậy khi thiết kế cho phép chọn đƣờng kính d1,2 nhỏ - Đai có khả năng bám tốt hơn nên khả năng tải lớn, làm việc ổn định và cho phép thiết kế bộ truyền với tỷ số truyền lớn. - Đai đƣợc tiêu chuẩn với chiều dài l = 400 6000mm 2.4 Đai răng Trong đai răng có các răng phân bố dọc theo chiều dài ở mặt trong hoặc ở cả hai mặt của dây đai và khi làm việc thì các răng của dây đai ăn khớp với răng của bánh đai vì vậy tải trọng đƣợc truyền nhờ sự Hình 2.3b Đai chêm ăn khớp giữa các răng do đó khả năng tải lớn, không trƣợt, hiệu suất cao hơn và lực căng ban đầu Fo nhỏ hơn so với các loại đai khác. Răng của đai răng có thể dạng cung tròn hay hình thang (hình 2.4). Ở đai răng có những ƣu điểm sau: Hình 2.4 Hình dạng và kích thước đai răng - Kích thƣớc bộ truyền nhỏ - Không có hiện tƣợng trƣợt giữa đai và bánh đai - Tỷ số truyền lớn, thƣờng u < 12 - Hiệu suất truyền động cao = 0,92 0,98 - Lực tác dụng lên trục nhỏ do lực căng đai ban đầu nhỏ. Truyền đông đai răng có thể dùng để truyền công suất có thể lên tới 200KW (thậm chí có thể còn lớn hơn) và vận tốc tối đa có thể đạt 80m/s, tỷ số truyền có thể đạt umax = 30. Thƣờng dùng lọai dai răng bằng cao su nhân tạo có cốt bằng bằng sợi kim loại. Mặt ngoài của đai thƣờng đƣợc phủ bằng lớp ni lông vừa để nâng cao độ bền mòn và bảo vệ bề mặt. Thông số cơ bản của đai răng là m và đƣợc tiêu chuẩn theo dãy sau: Mô đun đƣợc tiêu chuẩn hóa: m = 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 7 và 10 Tƣơng ứng với p = 3,14 31,42 33
40. 2.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN Ộ TRUYỀN AI Đai 2.2.1 Các thông số và kích thƣớc của bộ truyền đai răng 2.2.1.1 ƣờng kính bánh đai Đường kính bánh đai dẫn d1 đƣợc chọn tùy thuộc vào loại tiết diện dây đai (bảng 2.3 và 2.13), còn đường kính bánh đai bị dẫn d2 = u.d1 và chọn theo giá trị tiêu chuẩn (bảng 2.3) hoặc làm tròn tận cùng 0 hoặc 5. 2.2.1.2 Chiều dài dây đai l và khoảng cách trục a Thƣờng chọn trƣớc khoảng cách tâm theo tỷ số truyền u hoặc theo công thức sau đây: 0,55(d1 +d2) 1min (2.1c) o o Thƣờng 1min = 120 với đai thang và 1min = 140 với đai dẹt. Từ (2.1c), xác định đƣợc amin nhƣ sau: d 2 d1 a min 57. (2.1d) 180 1min 34
41. 2.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền Vận tốc dây đai xác định theo công thức sau: d n d n v 1 1 m / s v 2 2 1 60.1000 2 60.1000 n d Suy ra tỷ số truyền nhƣ sau: u 1 2 (2.2a) n 2 d1 Thực tế, khi bộ truyền mang tải do có hiện tƣợng trƣợt đàn hồi giữa dây đai và bánh đai nên mặc dù bánh dẫn quay với n1 = cost nhƣng bánh bị dẫn quay với n2 thay đổi và tỷ số truyền thực xác định nhƣ sau: n d u 1 2 (2.2b) n 2 d1 (1 ) v v v Trong đó  1 2 1 2 gọi là hệ số trƣợt. Hệ số trƣợt phụ thuộc vào v1 v1 tải trọng tác dụng, loại đai ( tiết diện dây đai và vật liệu đai), thƣờng  = 0,01 0,02. Vì  rất nhỏ nên trong tính toán có thể bỏ qua và d2 u.d1. Khuyến cáo: Đƣờng kính bánh đai dẫn d1 có ảnh hƣởng đến khả năng tải và tuổi thọ (ứng suất uốn) của dây đai, vì vậy nên chọn d1 sao cho vận tốc dây đai < vmax vì khi vận tốc lớn sẽ xẩy ra hiện tƣợng dao động xoắn, tăng lực ly tâm làm giảm khả năng tải và tuổi thọ. Thƣờng nên chọn d1 sao cho vận tốc dây đai trong khoảng 20 25m/s là hợp lý nhất và v < vmax = 30m/s. 2.2.3 Lực và ứng suất trên các nhánh dây đai 2.2.3.1 Lực tác dụng trên các nhánh dây đai Để bộ truyền có thể truyền đƣợc tải trọng đã cho thì cần phải căng dây đai với lực Fo (gọi là lực căng ban đầu. Lực này có ảnh 3 hƣởng lớn đến khả năng tải và F2 F2 tuổi thọ của dây đai vì vậy cần 2 2 xác định giá trị hợp lý của Fo) 01 1 02 và khi truyền tải trọng T1 1 2 thì lực căng trên các d2  nhánh đai sẽ thay đổi và 1 dễ dàng nhận thấy: 1 F1 F1 Ở nhánh căng thì lực 4 căng tăng lên F và 1 Hình 2.4 Lực căng trên các nhánh dây đai F1= Fo + 0,5Ft Và ở nhánh chùng thì lực căng giảm xuống còn F2 và F2 = Fo – 0,5Ft 35
42. Nhƣ vậy lực căng trên 2 nhánh đai thay đổi và phụ thuộc vào lực căng ban đầu Fo, tải trọng ngoài Ft = 2.T1/d1 (hình 2.4). Ngoài ra trên các nhánh dây đai còn chịu thêm lực căng do lực ly tâm Fv xác định nhƣ sau: 2 Fv = qmv Để truyền đƣợc tải trọng và không cho phép trƣợt xảy ra thì lực căng trên các nhánh dây đai tuân theo công thức Ơ le sau đây: ' f 1 F1 F2e F2 Do khi làm việc, ngoài các lực F1 và F2, dây đai còn chịu hêm lực ly tâm, vì vậy công thức Ơ le cho bộ truyền đai có dạng sau: 2 2 f (F1 qv ) (F2 qv ).e Kết hợp với công thức tính F1 và F2 suy ra: - Lực căng cần thiết ban đầu Fo để truyền lực Ft ứng với bộ truyền có f và góc ôm xác định nhƣ sau: f Ft e 1 2 Fo f q m v (2.3a) 2 e 1 - Và tải lớn nhất mà bộ truyền có thể kéo đƣợc (khả năng tải của đai) ứng với lực căng ban đầu Fo sẽ là: f 2 e 1 Ft 2(Fo q m v ) f (2.3b) e 1 Chú ý: - Khi cùng vật liệu thì hệ số ma sát trong đai thang: f' = f/sin( /2) do vậy khi: 1, f' tăng thì  tăng và khả năng tải của đai tăng lên. - Cần kiểm tra lực căng đai bằng cách kiểm tra độ căng :  = 0,016a - Lực căng Fomin và tải trọng Ftmax đặt lên bộ truyền đai tính theo (2.3a,b) 2.2.3.2 Lực tác dụng lên trục Khi chịu tải thì trục mang bánh đai sẽ chịu tác dụng một mô 2 men T và lực hƣớng tâm Fr có giá 02 trị: Fr Fr 2Fosin( 1/2) (2.4) Fr còn phƣơng của lực Fr (gần đúng) Fry hƣớng theo đƣờng nối tâm 0102 1 (hình 2.5). 01 Frx 1 Hình 2.5 Lực tác dụng lên trục 36
43. 2.2.3.3 Ƣng suất trong đai Khi chịu tải, trên các nhánh dây đai chịu tác dụng của các lực F1 và F2. Các lực này sẽ gây nên các ứng suất tƣơng ứng là ζ1 và ζ2 xác định nhƣ sau: a) Ưng suất trên các nhánh dây đai do lực căng gây ra F1 và F2:     t và   t 1 o 2 2 o 2 b) Ưng suất uốn do biến dạng uốn của đai khi vòng qua bánh đai Trên cung ôm 1 và 2, dây đai bị biến dạng uốn và phát sinh ứng suất uốn xác định theo công thức sau (giả thiết vật liệu dây đai tuân theo định luật Húc): u = .E = .E/d Suy ra trên cung ôm 1 dây đai chịu thêm u1 = .E/d1 và trên cung ôm 2 dây đai chịu thêm u2 = .E/d2 c) Ứng suất do lực ly tâm. Do lực ly tâm tác dụng lên mọi vị trí nên dây đai chịu thêm ứng suất do lực ly tâm gây ra xác định theo công thƣc sau: F  v v 210 6 (Trong đó là khối lƣợng riêng của vật liệu đai (kg/m3), v là v A vận tốc nhánh đai, m/s). Nhƣ vậy khi làm việc, ứng suất trong dây đai thay đổi chu kỳ từ ζmax đến ζmin (hình 2.6). Điểm chịu ứng suất lớn nhất nằm gần với điểm dây đai bắt đầu tiếp xúc với cung ôm 1 (phụ thuộc vào sự trƣợt 1t). t max o u1 v 2 min u2 Hoặc u1 f 1  .e 2 t     max (ef 1) u1 v 1 Và ζmin nằm trên nhánh chùng max của dây đai Hình 2.6 Biểu đồ về sự thay đổi ứng suất trong các nhánh đai nhánh đai t    min o 2 v 37
44. Ý kiến chuyên gia - Khi chịu tải, dây đai chịu ứng suất thay đổi chu kỳ vớí max = 1+ u1 + v và min = 2 +v và đây là nguyên nhân chính gây nên hiện tƣợng hỏng về mỏi của dây đai đặc biệt khi đai quay với vận tốc lớn. Ứng suất trong đai phụ thuộc không chỉ vào tải trọng tác dụng Ft mà còn phụ thuộc vào chiều dày dây đai  và đƣờng kính bánh đai d1. Vì vậy khi thiết kế cần lƣu ý đến việc chọn các thông số nhƣ đƣờng kính bánh đai, chiều dày ( chiều cao) và chiều dài hay khoảng cách trục hợp lý. - Khi bộ truyền đai quay với v F2 nên dây đai có xu hƣớng co lại gây nên hiện tƣợng trƣợt giữa dây đai và bánh đai dẫn đến dây đai chuyển động chậm hơn so với bánh đai. Điều tƣơng tự cũng xẩy ra khi đai di chuyển trên cung ôm 2, ở đây dây đai có hiện tƣợng bị dãn dài khi di chuyển từ điểm 3 về điểm 4. Sự trƣợt càng tăng khi tải trọng ngoài tăng do chênh lệch lực căng trên hai nhánh đai tăng lên. Tuy nhiên hiện tƣợng trƣợt đàn hồi chỉ xẩy ra trên cung nhất định, cung a2 trên bánh đai dẫn và cung b4 trên bánh đai bị dẫn (tùy thuộc vào Ft), đƣợc gọi là cung trượt và cung còn lại gọi là cung tĩnh. Kết quả của hiện tƣợng trƣợt là làm cho tỷ số truyền đai thay đổi và nếu kể đến sự trƣợt thì tỷ số truyền đai đƣợc xác định theo công thức (2.2b), đồng thời hiệu suất truyền động của đai giảm và gây nên hiện tƣợng mòn dây đai làm giảm khả năng tải. b) Trượt trơn. Nếu tiếp tục tăng Ft thì cung trƣợt chiếm toàn bộ cung ôm và khi Fms < Ft thì xẩy ra hiện tƣợng trƣợt trơn. Nếu hiện tƣợng quá tải từng phần thì xảy ra trƣợt trơn từng phần còn nếu quá tải xẩy ra lâu dài thì xẩy ra trƣợt trơn hoàn toàn. Khi xẩy ra trƣợt trơn hoàn toàn thì bánh bị dẫn dừng lại còn bánh dẫn vẫn quay, dây đai có thể dừng lại hay chuyển động trƣợt trên bánh đai dẫn. Nhƣ vậy: - Sự trƣợt của đai phụ thuộc vào Ft, loại đai (vật liệu và tiết diện). 38
45. - Trƣợt làm giảm khả năng tải và hiệu suất đồng thời làm tỷ số truyền của đai thay đổi và đai chóng bị mài mòn. 2.2.4.2 ƣờng cong trƣợt và hiệu suất Để thấy rõ hơn về hệ quả của hiện trƣợt khi đai chịu tải, ta tiến hành làm thí nghiệm để thiết lập mối quan hệ giữa tải trọng ngoài Ft, lực căng ban đầu Fo (đặc trƣng bởi hệ số kéo = Ft /2Fo) với hiệu suất η và hệ số trƣợt  cho từng loại vật liệu và tiết diện dây đai. - Hiệu suất  = P2/ P1= (P1- Pm)/P1 với Pm = Pmol + Pmtrƣợt - Hệ số trƣợt  = ( v1 – v2) / v1 Tiến hành TN: Đặt tải Ft, tiến hành đo các đại lƣợng: P1 và P2; n1 và n2 và dựa vào các công thức trên thiết lập đƣợc mối quan hệ -  và -  (hình 2.7). Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng tải trọng ( tăng) thì hệ số trƣợt tăng lên và trong khoảng 0 o thì hệ số trƣợt tăng theo bậc nhất, đồng thời hiệu suất bộ truyền tăng nhanh do trong giai đoạn này mất mát chủ yếu để khắc phục biến dạng đàn hồi của dây đai còn mất mát trong ổ trục là không % đổi. Tiếp tục tăng Ft và khi > o % thì hệ số trƣợt tăng rất nhanh, đồng  thời hiệu suất cũng giảm rất nhanh 80 do mất mát tăng nhanh và khi = 4 max thì xẩy ra trƣợt trơn hoàn toàn, khi đó  = 0. 3 60 Nhƣ vậy thông qua đồ thị đƣờng cong trƣợt và đƣờng 2 40 cong hiệu suất, cho phép: - Xác định đƣợc hệ số kéo 1 o ứng với vật liệu đai và tiết  diện dây đai. Với đai vải cao 0 su thì o = 0,55 0,7.(Giá trị 0.2 0.4 0 0.6 max tham khảo để làm bài tập thiết kế đai) - Xác định đƣợc miền làm Hình 2.7 Quan hệ giữa hiệu suất và hệ số trượt việc thích hợp của đai làm cơ với hệ số kéo trong bộ truyền đai sở để tính đai theo khả năng ĐKTN: u = 1; bộ truyền nằm ngang, v = 10m/s, tải trọng ổn định và bộ truyền tự căng. kéo: o. 2.3 TÍNH Ộ TRUYỀN AI 2.3.1 Chỉ tiêu và phƣơng pháp tính bộ truyền đai Nhƣ đã phân tích ở trên, khi bộ truyền đai làm việc thì ứng suất trong đai thay đổi từ min đến max, đồng thời có hiện tƣợng trƣợt làm ảnh hƣởng 39
46. đến khả năng truyền tải và tuổi thọ của đai, vì vậy đai đƣợc thiết kế theo hai chỉ tiêu sau đây: - Tính đai theo khả năng kéo. Đai đƣợc thiết kế sao cho khi chịu tải thì trƣợt trơn không xẩy ra, đây là chỉ tiêu quan trọng nhất. Trong thực tế, tính toán đai dựa vào số liệu thí nghiệm khi xây dựng đƣờng cong trƣợt và đƣờng cong hiệu suất kết hợp điều kiện làm việc thực tế của bộ truyền thiết kế. Tính toán nhƣ vậy gọi là tính đai theo khả năng kéo. Để đai không xẩy ra trƣợt trơn và đạt max thì o, suy ra: t [t]= [to].C = 2 oo.C (a) Trong đó: t và [t] là ứng suất kéo và ứng suất kéo hữu ích cho phép của bộ truyền thiết kế. [to]= 2 oo là ứng suất kéo hữu ích cho phép xác định trong điều kiện thí nghiệm. C là hằng số xét đến ảnh hƣởng của điều kiện làm việc thực tế khác điều kiện thí nghiệm khi xác định [to]. - Tính theo tuổi thọ. Do khi chịu tải, ứng suất trong đai thay đổi cho nên đai có thể bị hỏng do mỏi. Tuổi thọ của đai phụ thuộc không chỉ vào giá trị của ứng suất mà còn phụ thuộc vào đặc tính và tần số thay đổi ứng suất biểu thị bằng số vòng chạy của dây đai trong một giây i = v/l. Trong đó: v là vận tốc vòng (m/s) và l là chiều dài dây đai (m). Giá trị i càng lớn thì tuổi thọ của đai càng thấp. Giá trị [i] có thể chọn tùy thuộc vào loại đai, yêu cầu về tuổi thọ Với đai thang [i] 5s-1; Đai dẹt [i] 10s-1. Với bộ truyền quay nhanh thì có thể chọn [i] (10 20)s-1. Thực tế, đai đƣợc tính theo khả năng kéo là chính, đồng thời để đảm bảo tuổi thọ của đai (đối với bộ truyền làm việc với tốc độ lớn v >10m/s) cần lựa chọn các thông số hợp lý khi thiết kế đai (chiều dày hoặc chiều cao dây đai, khoảng cách trục hay chiều dai dây đai, đƣờng kính bánh đai dẫn). Ta có công thức tính đai theo khả năng kéo nhƣ sau: K F  đ t   (2.5) t A t Trong đó: 1000P1 F là lực kéo, P1(KW) là công suất truyền và v(m/s) là vận tốc t v dây đai. A là diện tích tiết diện của bộ truyền xác định tùy thuộc vào loại đai (đai dẹt , đai thang hay đai hình lƣợc) và [t] là ứng suất kéo hữu ích cho phép [t]= [to].C = 2 oo.C . 40
47. Kđ là hệ số chế độ làm việc xét đến khả năng tăng tải trọng tác dụng do rung động, va đập, thay đổi tốc độ hay các điều kiện đặc biệt khác. Cần khảo sát cẩn thận các yếu tố cụ thể để xác định Kđ. Cần lƣu ý rằng nguồn công suất dẫn động và cơ cấu chấp hành là hai yếu tố chủ yếu. Tùy thuộc vào trƣờng hợp nguồn công suất dẫn động và cơ cấu chấp hành để quyết định xem bộ truyền đang làm biệc ở chế độ nào. Bảng 2.5 cho phép xác định hệ số chế độ làm việc Kđ. Với nguồn dẫn động: - Chế độ ổn định: động cơ điện hoặc động cơ tuabin khí với tốc độ không đổi. - Chế độ va đập nhẹ: Tuabin thủy lực, bộ dẫn động thay đổi tốc độ - Chế độ va đập trung bình: Động cơ nhiều xi lanh. Với cơ cấu chấp hành, chia ra nhƣ sau: - Chế độ ổn định: Máy phát vận hành liên tục - Chế độ va đập nhẹ: Quạt và bơm li tâm tốc độ thấp; máy khuấy chất lỏng; Máy phát vận hành không liên tục; Băng chuyền chịu tải ổn định hoặc Bơm thể tích quay chậm. - Chế độ va đập trung bình: Bơm li tâm tốc độ cao; Bơm pitông và máy nén; Băng chuyền hạng nặng; Cơ cấu dẫn động máy công cụ; Máy trộn bê tông; máy dệt; máy nghiền thịt, máy cƣa. - Chế độ va đập mạnh: Máy nghiền đá; Cơ cấu dẫn động của máy đột; Máy nghiền; máy phay; Trống quay; Máy bào gỗ; Sàng rung và cơ cấu lật xe. Phối hợp hai chỉ tiêu trên đề đề xuất chế độ làm việc của các chi tiết truyền động và xác định hệ số chế độ làm việc Kđ. Bảng 2.5 Chế độ làm việc và hệ số chế độ làm việc đề xuất Kđ Cơ cấu chấp hành Nguồn dẫn động CĐ ổn định CĐ va đập nhẹ CĐ va đập CĐ va đập trung bình nặng Ổn định 1,0 1,25 1,5 1,75 Va đập nhẹ 1,1 1,4 1,7 2,25 Va đập trung bình 1,2 1,7 2,0 2,75 Va đập nặng 1,3 1,9 2,1 2,90 2.3.2 Tính đai dẹt theo khả năng kéo 1000P1  1 1 Từ (2.5), thay Ft , A = b. và chọn trƣớc suy ra v d1 30 40 công thức tính chiều rộng của đai nhƣ sau: 1000.K P b đ 1 (2.6) .v.t  Giá trị của  đƣợc chọn theo đƣờng kính d1 và lấy theo tiêu chuẩn, chiều rộng đai b tính theo 3.6 phải đƣợc chọn theo tiêu chuẩn (bảng 2.1). Trong đó: 41
48. C = C CvCb là hệ số xét đến ảnh hƣởng của điều kiện làm việc thực tế của bộ truyền thiết kế khác với điều kiện thí nghiệm. - C hệ số xét đến ảnh hƣởng của góc ôm đến khả năng tải. o C = 1 - 0,003(180 - 1) hoặc tra bảng 2.6 Bảng 2.6 Ảnh hưởng của góc ôm đến khả năng tải của đai dẹt o o o o o o o 1 120 130 140 150 160 170 180 C 0,79 0,82 0,88 0,91 0,95 0,97 1 - Cv hệ số xét đến ảnh hƣởng của vận tốc đến khả năng tải. 2 Cv = 1,04 - 0,0004v , có thể chọn Cv theo bảng 2.7 dƣới đây Bảng 2.7 Ảnh hưởng của vận tốc đến khả năng tải của đai dẹt v(m/s 5 10 20 25 30 60 lấy Cb = 0,8 0,9 [t]= [to].C là ứng suất kéo hữu cho phép của bộ truyền thiết kế. [to] là ứng suất kéo hữu cho phép xác định trong điều kiện thí nghiệm. Bảng 2.8 là giá trị [to] của một số loại đai dẹt ứng với o=1,8MPa. Bảng 2.8 Ứng suất cho phép [to] của một số đai dẹt, xác định bằng thí nghiệm Loại đai d1/ 20 25 30 35 40 45 50 60 75 100 Vải cao su - 2,10 2,17 2,21 2,25 2,28 2,30 2,33 2,37 2,40 Đai da 1,40 1,70 1,90 2,04 2,15 2,23 2,30 2,40 2,50 2,60 Đai sợi bông 1,35 1,50 1,60 1,67 1,72 1,80 1,85 1,70 1,90 1,95 Đai len 1,05 1,20 1,30 1,37 1,42 1,47 1,50 1,55 1,60 1,65 - Nếu o=2MPa thì giá trị [to] tăng thêm 10%, ngƣợc lại nếu chọn o=1,6MPa thì giá trị [to]giảm đi khoảng 10%. - Nếu bánh đai làm bằng chất dẻo hoặc gỗ thì [to]tăng thêm 20%. - Nếu bộ truyền làm việc trong môi trƣờng ẩm, nhiều bụi thì [to] giảm đi10% 30%. 2.3.3 Tính đai thang theo khả năng kéo 1000P1 Tƣơng tự, từ (2.5), thay F và A = z.A1 suy ra công thức tính t v số dây đai nhƣ sau: 42
49. K P z đ 1 (2.7a) A .  .C 1  to K .P Hoặc z đ 1 (2.7b) Po .C Trong đó: Kđ là hệ số chế độ làm việc, tra theo bảng 2.5. P1 là công suất ttruyền,KW C = C ClCuCz là hệ số xét đến ảnh hƣởng của điều kiện làm việc thực tế của bộ truyền thiết kế khác với điều kiện thí nghiệm. - C là hệ số xét đến ảnh hƣởng của góc ôm 1 đến khả năng kéo của đai 0 C = 1- 0,0025(180 - 1) hoặc tra bảng 2.9. - Cl là hệ số xét đến ảnh hƣởng của chiều dài đai, phụ thuộc l/lo (l là chiều dài bộ truyền đang xét và lo chiều dài bộ truyền thí nghiệm, bảng 2.13), tra bảng 2.10. - Cu là hệ số xét đến ảnh hƣởng của tỷ số truyền, bảng 2.11 - Cz là hệ số xét đến ảnh hƣởng của sự phân bố không đều tải trọng trên các dây đai, tra bảng 2.12. Sơ bộ tính z' = P1/[Po] để tra trị số Cz. [Po] là công suất truyền cho phép của bộ truyền đai thang 1 dây đai, có tiết diện A1 đƣợc xác định trong điều kiện thí nghiệm. Giá trị [Po] của một số loại đai có thể tham khảo ở bảng 2.13. Bảng 2.9 Ảnh hưởng của góc ôm đến khả năng tải của đai thang o o o o o o o o 1 120 120 130 140 150 160 170 180 C 0,82 0,82 0,86 0,89 0,92 0,95 0,98 1 Bảng 2.10 Ảnh hưởng của chiều dài dây đai đến khả năng tải l/lo 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 2,2 2,4 2,5 Cl 0,8 0,85 0,89 0,91 0,96 1,0 1,03 1,06 1,08 1,11 1,12 1,14 1,15 Bảng 2.11 Ảnh hưởng của tỷ số truyền đến khả năng tải u 1 1,2 1,6 1,8 2,2 2,4 >3 Cu 1 1,07 1,11 1,12 1,13 1,135 1,14 Bảng 2.12 Ảnh hưởng của số dây đai đến khả năng tải Z 1 2 và 3 4 và 5 6 Cz 1 0,95 0,9 0,85 43
50. Bảng 2.13 Công suất cho phép [Po] của đai thang thường và đai thang hẹp Loại đai Đƣờng kính Vận tốc đai, m/s và chiều bánh đai dẫn 5 10 15 20 25 30 35 dài TN d1,mm Z 63 0,49 0,83 1,04 1,14 - - - lo=1320 90 0,64 1,17 1,54 1,80 1,88 - - 120 0,75 1,33 1,78 2,12 2,30 - - 112 1,08 1,85 2,4 2,73 2,85 - - A 125 1,17 2,0 2,75 3,08 3,26 - - lo=1700 140 1,25 2,20 2,92 3,44 3,76 - - 160 1,32 2,34 3,14 3,78 4,00 - - 180 1,38 2,47 3,37 4,06 4,46 - - 125 1,38 2,25 2,61 - - - - B 180 2,13 3,38 4,61 5,34 5,93 - - lo=2240 224 2,30 4,0 5,53 5,46 7,08 - - 280 2,51 4,47 5,57 7,38 8,22 - - 200 2,73 4,55 5,75 6,28 - - - 250 3,54 6,02 8,0 9,23 9,69 - - C 280 3,77 6,59 8,82 10,27 11,0 - - lo=3750 315 3,88 7,39 9,71 11,33 12,27 - - 355 4,29 7,57 11,53 12,42 13,27 - - D 355 6,67 11,17 14,91 16,50 17,51 - - lo=6000 500 9,75 15,57 20,23 24,90 26,47 - - 630 10,76 17,46 23,60 27,89 32,19 - - 63 0,93 1,46 1.77 1,85 - - - SPZ 71 1,15 1,85 2,46 2,72 2,69 - - lo=1600 90 1,46 2,74 3,74 4,23 4,52 4,54 - 112 1,73 3,15 4,26 5,23 5,85 6,15 6,0 140 1,88 3,54 ,93 6,14 7,0 7,54 7,74 180 2,23 4,0 5,74 6,87 7,28 8,74 8,96 180 3,05 5,33 7,53 9,15 10.26 11,03 11 SPA 220 3,14 5,77 9,77 9,77 11,15 11,92 12,07 lo=2500 224 3,26 6,02 10,30 8,46 11,85 12,73 13,5 250 4,72 6,61 10,85 8,77 12,55 13,74 14,0 Khuyến cáo: Số dây đai z tính theo 2.7b đƣợc lấy nguyên. Để các dây đai có thể chịu tải nhƣ nhau thì nên hạn chế z 6. Nếu z > 6 thì có thể hoặc tăng đƣờng kính bánh đai nhỏ (khi kích thƣớc bộ truyền không bị hạn chế) hoặc sử dụng loại đai có tiết diện lớn hơn. Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp cho phép z có thể vƣợt quá 6. 2.3.4 Tính đai nhiều chêm theo khả năng kéo Tƣơng tự đai thang, từ công thức (2.7b), với đai nhiều chêm ta có công thức tính số chêm nhƣ sau: 10.K .P z đ 1 (2.8) Po .C 44
51. Trong đó: Bảng 2.14 Ảnh hưởng của chiều dài dây đai đến khả năng tải l/lo 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2,0 2,4 Cl 0,8 0,85 0,89 0,91 0,96 1 1,03 1,06 1,08 1,12 1,15 Bảng 2.15 Công suất cho phép [Po] của đai nhiều chêm Loại tiết Đƣờng Vận tốc đai,m/s diện kính 5 10 15 20 25 30 35 d1,mm 50 1,65 2,90 4,00 4,80 5,30 - - 56 1,80 3,10 4,30 5,20 5,90 6,20 - 63 1,90 3,40 4,60 5,70 6,40 6,80 - 71 2,00 3,60 4,90 6,00 6,90 7,40 7,60 K 80 2,05 3,70 5,20 6,40 7,30 7,90 8,20 lo = 710 90 2,15 3,90 5,40 6,70 7,70 8,40 - 100 2,20 4,00 5,60 6,90 8,00 8,70 - 112 2m,25 4,10 5,80 7,20 8,20 9,10 - 125 2,30 4,20 6,00 7,50 8,70 9,50 - 140 2,35 4,30 6,20 7,60 8,80 9,60 - 80 3,90 6,40 7,90 8,30 - - - 90 4,50 7,60 9,70 10,8 - - - 100 5,00 8,60 11,2 12,7 13,0 - - 112 5,50 9,60 12,7 14,7 15,3 - - L 125 5,90 10,40 13,9 16,3 17,4 17 - lo = 140 6,3 11 15 17,8 19,2 19 17,2 1600 160 6,70 12 16,2 19,4 21,2 21,5 20 180 7,00 12,6 17 20,6 22,8 23,4 23,6 200 7,20 13 19,9 21,6 24 24,8 - 224 7,50 15 18,6 22,6 25,2 26,2 - 250 7,70 14 19,7 23,4 26,2 27,5 - 180 14 24 30,2 32,8 33,8 34,2 - 200 16,3 27,7 35,8 40,3 43,4 45,4 - 224 18 31,3 41,2 47,5 49,5 50,3 - M 250 19,7 34,7 45,9 53,8 57 58 - lo = 280 21 37,4 50,3 59,8 65 68 - 2240 315 22,5 40 54,3 65 71 72 - 355 23,7 42,4 58 70 75 80 - 400 24,8 44,6 61 74 83 86 - Kđ là hệ số chế độ làm việc, bảng 2.5 P1 là công suất truyền, KW. C = C ClCu là hệ số xét đến ảnh hƣởng của điều kiện làm việc thực tế của bộ truyền thiết kế khác với điều kiện thí nghiệm. 45
52. - C là hệ số xét đến ảnh hƣởng của góc ôm 1 đến khả năng kéo của đai 0 C = 1- 0,0025(180 - 1) hoặc tra bảng 2.9. - Cu là hệ số xét đến ảnh hƣởng của tỷ số truyền, bảng 2.10 - Cl là hệ số xét đén ảnh hƣởng của chiều dài đai, phụ thuộc l/lo (l là chiều dài bộ truyền đang xét và lo chiều dài bộ truyền thí nghiệm, bảng 2.14), tra bảng 2.14. [Po] là công suất truyền cho phép ứng với z = 10 chêm đƣợc xác định bằng thí nghiệm, bảng 2.15. Số chêm xác định theo công thức (2.8) cần đƣợc chọn theo tiêu chuẩn (bảng 2.4). 2.3.5 Tính đai răng Ở đai răng, đai làm việc nhờ sự ăn khớp các răng của dây đai với răng của bánh đai nên dạng hỏng chủ yếu là cắt vì vậy đai răng đƣợc tính theo độ bền cắt. Mô đun đƣợc xác định theo công thức sau: P1 m 35.3 (2.9) n1 Trong đó: P1, n1 là công suất truyền và tốc độ quay của bánh đai chủ động Trị số m tính theo (2.9) đƣợc chọn theo giá trị tiêu chuẩn. Đai cần đƣợc kiểm nghiệm theo điều kiện bền sau: K F q.v2 p đ. t p  p C (2.10) t b 10 t o Trong đó: C = Cu.CZ là hệ số ảnh hƣởng của điều kiện làm việc thực tế khác điều kiện thí nghiệm. - Cu ảnh hƣởng của tỷ số truyền, bảng 2.16 - Cz ảnh hƣởng của số răng đồng thời ăn khớp, bảng 2.17 Ft là lực vòng, N b là chiều rộng của đai, mm q là khối lƣợng 1 mét dây đai có chiều rộng b = 10mm, phụ thuộc vào m (bảng 2.19). [po] là tải trọng riêng cho phép, bảng 2.19 Bảng 2.18 cho biết số răng và chiều dài đai răng cần đƣợc chọn theo tiêu chuẩn và bảng 2.19 là các thông số cơ bản liên quan khi thiết kế đai răng Ghi chú: Các số liệu cho trong các bảng về các loại đai chỉ có tính chất tham khảo để giải các bài tập hoặc thiết kế môn học chi tiết máy. Nếu bạn muốn thiết kế bộ truyền đai, đặc biệt là đai răng và đai nhiều chêm cần tham khảo số liệu của các hãng sản xuất. 46
53. Bảng 2.16 Ảnh hưởng của tỷ số truyền đến khả năng tải của đai răng Tỷ số truyền,u 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,3 0,3 Cu 1,0 0,95 0,90 0,85 0,8 Bảng 2.17 Ảnh hưởng của số răng ăn khớp đến khả năng tải của đai răng Số răng ăn khớp 6 5 4 Cz 1 0,8 0,6 Bảng 2.18 Sô răng và chiều dài của đai răng Số răng Zđ Mô đun m, mm 2 3 4 5 7 10 32 201 - - - - - 36 226,1 339,1 - - - - 40 251,2 376,8 502,4 - - - 45 282,6 423,9 565,2 706,5 - - 50 314 471 628 875 989,1 - 55 351,7 527,5 703,4 879,2 1099 1570 63 395,6 539,5 791,3 989,1 1230,9 1758,4 71 445,9 668,8 891,8 1114,7 1384,7 1978,2 80 502,4 753,6 1004,8 1256 1526,6 2229,4 90 565,2 847,8 1130,4 1413 1758,4 2512 100 628 942 1256 1570 1978,2 2826 112 703,4 1055 1406,7 1758,4 2198 3140 125 785 1177,5 1570 1962,5 2461,8 - 140 - 1318,8 1758,4 2198 2747,5 - 160 - 1507,2 2009,6 - - - Bảng 2.19 Các thông số cơ bản của đai răng Kích thƣớc khi môđun,mm Thông số 2 3 4 5 7 10 Chiều cao răng 1,2 1,8 2,4 3,0 4,2 6,0 h,mm Đƣờng kính sợi chịu 0,35 0,35 0,35; 0,65 0,65 0,65 0,65 lực,mm Khảng cách ,mm 0,6 0,6; 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 Chiều rộng b,mm 8;10;12,5;16 12,5;16;20;25 20;25;32;40 25;32;40;50 50;63;80 50;63;80 Số răng zp 32;40;50;63; 36;40;50;63;80; 40;50;63;80; 40;50;63;80; 45;50;63; 50;63; 80;100;125 100;125;160 100;125;160 100;125;140 8;100;125 8;100 Sử dụng khi T1,Nm 0,2 2,4 22 49 19 1900 Khối lƣợng q,kg/m 0,032 0,04 0,05;0,065 0,075 0,09 0,11 khi b = 10mm Vận tốc vmax,m/s 25 30 35 40 40 40 Tải trọng riêng cho phép [po], N/mm - Đai gờ hình thang 5,0 9,0 25,0 32 35 42 - Đai gờ hình tròn - 12 35 42 - - 47
54. 2.4 KẾT CẤU ÁNH AI (Xem chi tiết chƣơng 15) 2.5 CÁC ƢỚC THIẾT KẾ Ộ TRUYỀN AI 2.5.1 Dữ liệu thiết kế Để thiết kế bộ truyền đai cần biết trƣớc: Công suất truyền (P1); tỷ số truyền (u); chế độ làm việc, đặc tính của tải trọng và các yêu cầu khác. 2.5.2 Các bƣớc thiết kế truyền động đai dẹt và đai thang Thiết kế đai thƣờng đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau đây: ƣớc 1. Tính công suất tính (công suất thiết kế) và tiến hành chọn loại đai: - Công suất thiết kế: Pt = Kđ.P1 Với Kđ là hệ số chế độ làm việc phụ thuộc vào loại máy công tác, bảng 2.5 - Chọn loại đai phụ thuộc công suất truyền, điều kiện làm viêc cụ thể (vận tốc, môi trƣờng làm việc ) và các yêu cầu khác (kích thứơc khuôn khổ, sai lệch vận tốc ). Vì vậy tùy thuộc vào yêu cầu loại bộ truyền đai thiết kế mà tiến hành chọn nhƣ sau: Nếu thiết kế đai dẹt: Chọn vật liệu dây đai Nếu thiết kế đai thang: Từ đồ thị hình 2.8 và dựa vào P1 và n1 để chọn tiết diện dây đai. n,vg/ph  3180 2000   1250 C 800 D 500 E 315 200             P,KW Hình 2.8 Chọn tiết diện dây đai thang theo công suất truyền P1và n 48
55. ƣớc 2. Xác định các kích thƣớc d1, d2, a và l. 2.1) Đường kính bánh đai - Đƣờng kính bánh đai dẫn d1 Bạn là ngƣời thiết kế nên bạn biết rõ đang thiết kế loại đai nào và dựa vào loại tiết diện dây đai mà có cách lựa chọn khác nhau về đƣờng kính bánh đai dẫn. a. Bộ truyền đai det b. Bộ truyền đai thang - Xác định d1 theo công thức: - Dựa vào lọai tiết diện đai (A1), tra 3 bảng 2.2, d1đƣợc chọn trong giới d1 5,2 6,4 T1 sau đó chọn d1 hạn: d . d theo dãy tiêu chuẩn sau: 40, 50, 55, 1min 1max - Họăc lấy d > 1,2d (nếu không 63, 71, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 1 1min hạn chế về kích thƣớc và muốn 180, 200, 224, 250, 315, 400, 450, tăng tuổi thọ, sau đó chọn d theo 500, 560, 630, 710, 800, 900 1 dãy tiêu chuẩn). - Đƣờng kính bánh đai bị dẫn d2 : d2 = u.d1. Giá trị của d2 có thể lấy theo dãy tiêu chuẩn (bảng 2.3) hay làm tròn tuỳ thuộc vào sai số u hoặc n2 Tính tỷ số truyền thực ut = d2/d1(1-) với  = 0,01 0,02 tùy thuộc loại đai. Chú ý - Kiểm tra điều kiện: v1 v/ [i] , hoặc chọn theo lmin > v/[i] với [i] = 3 5. với [i] = 10 (cá biệt có thể đến 20), hoặc amin > 57.(d2-d1)/(180- 1) hoặc amin > 57.(d2-d1)/(180- 1) - Xác định chính xác l hoặc a - Chọn l theo tiêu chuẩn và tính chính xác a. Bảng 2.20 Chọn sơ bộ khoẳng cách trục theo tỷ số truyền u Tỷ số truyền u 1 2 3 4 5 6 Khoảng cách trục a 1,5d2 1,2d2 d2 0,95d2 0,9d2 0,85d2 Chú ý: - a cần thoả mãn điều kiện: 2(d1+ d2) > a > 0,55 (d1+ d2) +h - Đối với đai thang, do chiều dài đai đƣợc tiêu chuẩn nên sau khi xác định sơ bô lsơbộ, cần chọn l theo tiêu chuẩn và tính chính xác lại a 49
56. - a và l đã chọn cần thỏa mãn điều kiện sau: i = v/l 1min o o (với đai dẹt bằng chất dẻo: 1min= 120 và 140 vật liệu khác. Đai o thang 1min = 120 ) ƣớc 3. Xác định các kích thƣớc tiết diện đai.(Tùy thuộc loại bộ truyền mà bạn đang thiết kế để lựa chọn công thức tính tiết diện hay số dây đai cho phù hợp). a) Bộ truyền đai det b) Bộ truyền đai thang Chiều rộng dây đai : K .P Sô dây đai: đ 1 1000.K P z b đ 1 Po .C .v.t  Trong đó: Trong đó: - P1 là công suất truyền, KW - Kđ là hệ số chế độ làm việc, bảng - [P0]: tra bảng 2.13 theo tiết diện 2.5. dây đai (A1) - [ t]= [ to].C - Hệ số ảnh hƣởng C = C CuClCz [ to] có thể chọn theo bảng 2.6 Số dây đai z cần chọn nguyên và - Hệ số ảnh hƣởng C = C Cv Cb nên hạn chế z 6 (cá biệt có thể lớn - Chọn chiều dày đai  theo d1 phụ hơn). thuộc loại vật liệu đai, thƣờng - /d1 = (1/30 1/40) Chiều rộng b cần đƣợc theo tiêu chuẩn (bảng 2.1 hoặc 2.2) ƣớc 4. Xác định lực tác dụng lên trục ƣớc 5. Tính kích thƣớc kết cấu bánh đai ( xem chƣơng 15). 2.5.3 Các bƣớc thiết kế đai nhiều chêm Với đai nhiều chêm thì các bƣớc thiết kế tƣơng tự nhƣ đai thang. Riêng đƣờng kính bánh đai dẫn có thể xác định theo công thức sau: 3 d1 3. T1 (2.11) Trong đó: T1 là mô men truyền trên bánh đai dẫn, Nmm Đƣờng kính d1 tính theo (2.11) cần đƣợc lấy theo tiêu chuẩn. d1,mm: 25, 40, 45, 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000. 2.5.3 Ví dụ về thiết kế đai dẹt và đai thang (xem ví dụ 14.1&2) 2.5.4 Các bƣớc thiết kế đai răng ƣớc 1. Chọn mô đun Mô đun đai răng xác định theo công thức: 50
57. P1 m 353 (2.12) n1 trong đó P1(KW) và n1(vg/ph) lần lƣợt là công suất và tốc độ quay trên trục dẫn. ƣớc 2. Xác định các thông số bộ truyền: a; z1; z2; zp và zo - Số răng z1 đƣợc chọn phụ thuộc vào tốc độ quay n1, bảng 2.21. Bảng 2.20 Số răng z1 tương ứng với m và n1 Tốc độ quay z1 khi mô đun m,mm bánh nhỏ 2 3 4* 4 5 6 7 10 n1,vg/ph 500 1000 12 12 12 14 16 20 20 22 24 1500 2000 12 14 16 18 18 24 26 28 26 28 2500 3500 12 16 18 20 20 26 30 32 30 32 4000 5000 14 18 - - 22 - - - 6000 7500 18 16 - - - - - - Ghi chú: m = 4* khi  = 0,36mm và m = 4 khi  = 0,65mm - Số răng z2: z2 = u.z1. - Đƣờng kính tính toán di = m.zi (i = 1,2) - Khoảng cách trục a và chiều dài đai: Chọn sơ bộ khoảng cách trục a thỏa mãn điều kiện: amin = 0,55 (d2 + d1) +2m < a < amax = 2(d2 + d1) Xác định chiều dài đai theo a vừa chọn: l 2a + ( d1 + d2)/2 + (d2 - d1)2/4a Sau đó theo bảng 2.18 chọn chiều dài dây đai theo tiêu chuẩn l và suy ra răng của dây đai (zđ). -Tính chính xác khoảng cách tâm theo chiều dài dây đai l, d1 và d2. 1 a ( 2 8. 2 ) 4 Trong đó:  = 1 – 0,5. (d2 + d1) và = (d2 - d1)/2 Xác đinh số răng số răng của dây đai vào ăn khớp với bánh đai z0 z z . 1 (2.13) 0 1 360 51
58. Nên chọn zo 6, trƣờng hợp zo < 6 nên tăng khoảng cách tâm. 1 góc ôm của đai trên bánh đai dẫn. ƣớc 3. Kiểm nghiệm độ bền kéo của đai Chọn chiều rộng đai theo bảng 2.19 Kiểm nghiệm độ bền dây đai theo công thức sau: K F q.v2 p đ t p  p C t b 10 t o ƣớc 4. Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục ƣớc 5. Xác định kích thƣớc bánh đai (chƣơng 15). 2.6 IẾN TỐC AI 2.6.1 iến tốc Biến tốc là cơ cấu dùng để thay đổi tốc độ trục thứ cấp khi tốc độ trục sơ cấp không thay đổi. Tùy thuộc vào kết cấu, dạng tiếp xúc mà ta có thể phân chia biến tốc thành các loại sau đây: a) Biến tốc tiếp xúc trực tiếp (hình 2.9ab), bao gồm hai loại cơ bản: Biến tốc ma sát đĩa (hình 2.9a) và biến tốc đĩa ma sát côn (hình 2.9b). Trong trƣờng hợp này bằng cách thay đổi đƣờng kính tiếp xúc d2 từ d2min đến d2max thì ta có đƣợc tốc độ quay của 2 trục thứ cấp 1 thay đổi theo R1 mặc dù tốc độ 2 quay của d trục sơ cấp R2 không thay 2 1 đổi. Loại này a) 1 có nhƣợc d điểm là do đĩa b) ma sát lắp Hình 2.9 Biến tốc ma sát đĩa hình trụ và hình côn trên trục thứ cấp thay đổi nên gặp khó khăn khi thực hiện kết cấu. b) Biến tốc có phần tử trung gian, bao gồm biến tốc ma sát đĩa hình xuyến (hình 2.10a) và biến tốc đai (hình 2.10b) hoặc biến tốc xích. Trong trƣờng 52
59. hợp này do đƣờng kính d1 và d2 thay đổi nên phạm vi điều chỉnh sẽ rộng hơn. 1 1 2 d d 2 Hình 2.10a Biến tốc ma sát đĩa hình xuyến 1 a a c d2max d b d1min Hình 2.10b Biến tốc đai 2 2.6.2 Phạm vi điều chỉnh của biến tốc.  d Tỷ số D 2 max 2 max đƣợc gọi là phạm vi điều chỉnh của biến tốc. Về 2 min d 2 min lý thuyết có thể chọn d2min = 0, nhƣng khi d2min = 0 thì hệ số trƣợt sẽ rất lớn nên trong thực tế thƣờng thiết kế với biến tốc có D 3. Khi thiết kế biến tốc, đƣờng kính của các khâu có thể thực hiện theo hai cách sau đây: a) Với biến tốc có d1 = cost và d2 thay đổi từ d2min đến d2max.  d Khi đó: D 2 max 2 max (2.14) 2 min d 2 min b) Với biến tốc có d1 và d2 thay đổi từ dimin đến dimax (với i = 1,2). d 2 max d1min Thì D d1min d 2 min Với biến tốc ma sát đĩa hình xuyến, thƣờng chọn d1min= d2min = dmin, 53