Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy ppsx

Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
Chương 1: (2 tiết)
CƠ SỞ VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY
MỤC TIÊU:
Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khả năng:
- Hình thành tư duy tổng quát về yêu cầu và điều kiện để thiết kế một chi
tiết máy.
- Sử dụng được các công thức tính toán về độ cứng, độ bền, độ bền mỏi,
khả năng chịu nhiệt và chịu dao động của chi tiết máy.
NỘI DUNG:
I. Các yêu cầu chung của thiết kế máy
II. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
1. Độ bền
a) Khái niệm
b) Các biện pháp nâng cao độ bền và độ bền mỏi
2. Độ cứng
a) Khái niệm
b) Tính toán độ cứng
c) Các biện pháp nâng cao độ cứng
3. Độ bền mòn
a) Khái niệm
b) Tính toán độ bền mòn
c) Các biện pháp giảm mài mòn
d) Các biện pháp để giảm ảnh hưởng xấu của độ mòn tới khả năng
làm việc của máy
4. Khả năng chịu nhiệt
5. Dao động và tiếng ồn
Câu hỏi ôn tập
NHỮNG LƯU Ý VỀ GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP:
1. Chương này chỉ mới đưa ra những khái niệm, tiền đề cho nên bài giảng mang
tính chất thống kê. Các công thức sinh viên đã học ở môn học Cơ kỹ thuật, vì vậy

chỉ nhắc lại mà không yêu cầu phải chứng minh hay luyện tập tính toán.
2. Chương này sinh viên có thể hoàn toàn tự học. Vì vậy cần liên hệ thêm các
ứng dụng thực tế về chống rung động, biện pháp làm đều chuyển động máy (đã
nghiên cứu ở học phần Nguyên lý máy), biện pháp làm mát máy, . . .
Giáo trình Chi tiết máy
7
Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
I. CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA THIẾT KẾ MÁY
Một bản thiết kế máy hoặc chi tiết máy được gọi là hợp lý, khi máy thỏa
mãn 6 yêu cầu chủ yếu sau:
1. Máy có hiệu quả sử dụng cao, thể hiện ở chỗ:
- Tiêu tốn ít năng lượng cho một sản phẩm gia công trên máy;
- Năng suất gia công cao;
- Độ chính xác của sản phẩm gia công trên máy cao;
- Chi phí sử dụng máy thấp;
- Kích thước, khối lượng của máy hợp lý.
2. Máy có khả năng làm việc cao: máy hoàn thành tốt chức năng đã định
trong điều kiện làm việc của cơ sở sản xuất, luôn luôn đủ bền, đủ cứng, chịu
được nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, không bị rung động quá mức.
3. Máy có độ tin cậy cao: máy luôn luôn hoạt động tốt, đảm bảo các chỉ
tiêu kỹ thuật theo thiết kế. Trong suốt thời gian sử dụng, máy ít bị hỏng hóc, thời
gian và chi phí cho việc sửa chữa thấp.
4. An toàn trong sử dụng: không gây nguy hiểm cho người sử dụng, cho
các máy, bộ phận máy khác, khi máy làm việc bình thường và ngay cả khi máy
có sự cố hỏng hóc.
5. Máy có tính công nghệ cao, thể hiện ở chỗ:
- Kết cấu của máy phải phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất;
- Kết cấu của các chi tiết máy đơn giản, hợp lý;
- Cấp chính xác và cấp độ nhám chọn đúng mức;
- Chọn phương pháp chế tạo phôi hợp lý.

6. Máy có tính kinh tế cao, thể hiện ở chỗ:
- Công sức và phí tổn cho thiết kế là ít nhất;
- Vật liệu chế tạo các chi tiết máy rẻ tiền, dễ cung cấp;
- Dễ gia công, chi phí cho chế tạo là ít nhất;
- Giá thành của máy là thấp nhất.
II. CÁC CHỈ TIÊU VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC
1. Độ bền
a) Khái niệm
Độ bền là chỉ tiêu quan trọng nhất của chi tiết máy. Nếu chi tiết máy
không đủ bền nó sẽ bị hỏng do gãy, vỡ, đứt, cong, vênh, mòn, dập, rỗ bề mặt,
vv và chi tiết máy không còn tiếp tục làm việc được nữa, nó mất khả năng làm
việc.
Chi tiết máy được đánh giá có đủ độ bền, khi nó thỏa mãn các điều kiện
bền. Các điều kiện bền được viết như sau:
σ ≤ [σ]
τ ≤ [τ]
n ≥ [n].
Trong đó: σ và τ là ứng suất sinh ra trong chi tiết máy khi chịu tải.
[σ] và [τ] là ứng suất cho phép của chi tiết máy.
n là hệ số an toàn tính toán của chi tiết máy,
[n] là hệ số an toàn cho phép của chi tiết máy.
Giáo trình Chi tiết máy
8
Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
Độ bền gồm có độ bền tĩnh và
độ bền mỏi.
Sự phá hỏng do độ bền tĩnh vượt
quá giới hạn cho phép thường xảy ra
đột ngột; sự phá hỏng do độ bền mỏi
xảy ra trong một quá trình.

Quan sát vết gãy thấy rõ phần
chi tiết máy bị hỏng do mỏi - bề mặt cũ
và nhẵn - và phần chi tiết máy bị hỏng
do không đủ sức bền tĩnh - bề mặt mới
và nhám (Hình 1-1b).
b) Các biện pháp nâng cao độ bền và độ bền mỏi
Nâng cao độ bền chi tiết máy nói chung là tăng kích thước, giảm rung
động, tăng độ tản nhiệt, thiết kế thêm các gân tăng bền, . . .
Đối với các chi tiết máy chuyển động có chu kỳ, ngoài độ bền thì độ bền
mỏi cũng là một yếu tố dễ dẫn tới phá hỏng chi tiết.
Qua nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy,
ta thấy độ bền mỏi của chi tiết máy có thể được nâng cao bằng các biện pháp sau:
- Tìm cách giảm giá trị tuyệt đối của biên độ ứng suất. Tránh cho chi tiết
máy làm việc với trạng thái ứng suất có hệ số bất đối xứng của chu trình ứng suất
(hệ số chu trình ứng suất) r =
max
min
σ
σ
< 1 (Đây là trạng thái ứng suất vừa kéo vừa
nén, có độ bền mỏi thấp nhất) [6].
(Bạn đọc có thể tham khảo thêm về Sức bền vật liệu)
- Kích thước của chi tiết máy không nên thay đổi một cách đột ngột, các
bậc không nên lệch nhau nhiều, tại bậc có kích thước thay đổi đột ngột nên làm
cung lượn, bán kính cung lượn càng lớn càng tốt. Tránh khoét lỗ, làm rãnh trên
chi tiết máy, nếu như không thật cần thiết.
- Các bề mặt cần gia công với độ bóng cao, hoặc dùng các biện pháp tăng
bền bề mặt. Cần giữ cho bề mặt chi tiết máy không bị xước, không bị gỉ, không
bị ăn mòn.
2. Độ cứng

a) Khái niệm
Chi tiết máy được coi là không đủ độ cứng, khi lượng biến dạng đàn hồi
của nó vượt quá giá trị cho phép.
Khi chi tiết máy không đủ cứng, độ chính xác làm việc của nó sẽ giảm,
nhiều khi dẫn đến hiện tượng kẹt không chuyển động được, hoặc làm tăng thêm
tải trọng phụ trong chi tiết máy, hoặc ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của các
chi tiết máy khác lắp ghép với nó.
Độ cứng cũng là chỉ tiêu quan trọng của chi tiết máy. Trong một số trường
hợp chi tiết máy đủ bền nhưng chưa đủ cứng, lúc đó phải tăng kích thước của chi
tiết máy cho đủ cứng, chấp nhận thừa bền.
Giáo trình Chi tiết máy
9
Hình 1.1a: Vết
gãy do không
đủ độ bền
Hình 1.1b: Vết
gãy do không
đủ độ bền mỏi
Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
b) Tính toán độ cứng
Chi tiết máy đủ chỉ tiêu độ cứng, khi nó thỏa mãn các điều kiện cứng sau:
Δl ≤ [Δl],
y ≤ [y],
θ ≤ [θ],
ϕ ≤ [ϕ],
Δh ≤ [Δh].
Trong đó: Δl là độ dãn dài hoặc độ co của chi tiết máy khi chịu tải,
y là độ võng của chi tiết máy bị uốn,
θ là góc xoay của tiết diện chi tiết máy bị uốn,
ϕ là góc xoắn của chi tiết máy bị xoắn,

Δh là biến dạng của bề mặt tiếp xúc.
[Δl], [y], [θ], [ϕ] và [Δh] là giá trị cho phép của các biến dạng.
Giá trị của Δl, y, θ, ϕ được tính theo công thức của Sức bền vật liệu.
Giá trị Δh của vật thể tiếp xúc ban đầu theo điểm hoặc đường được xác
định theo lý thuyết của Héc-Beliaep, của vật thể có diện tích tiếp xúc lớn được
xác định bằng thực nghiệm.
Giá trị của [Δl], [y], [θ], [ϕ], [Δh] được chọn theo điều kiện làm việc cụ
thể của chi tiết máy, có thể tra trong các Sổ tay thiết kế cơ khí, hoặc sách Bài tập
Chi tiết máy.
Để đánh giá khả năng chống biến dạng của chi tiết máy, người ta còn
dùng hệ số độ cứng C, là tỷ số giữa biến dạng và lực tác dụng do chúng gây nên.
Chi tiết máy có hệ số độ cứng càng cao thì khả năng biến dạng càng nhỏ.
Hệ số C được xác định theo công thức của Sức bền vật liệu.
c) Các biện pháp nâng cao độ cứng
Để tăng độ cứng cho chi tiết máy cần chọn hình dạng tiết diện của chi tiết
máy hợp lý, đặc biệt nên sử dụng tiết diện rỗng. Trường hợp cần thiết nên dùng
thêm các gân tăng cứng. Đối với chi tiết máy cần độ cứng cao, nên chọn vật liệu
có cơ tính thấp, không nên dùng các loại thép hợp kim để tránh dư bền, chấp
nhận kết cấu cồng kềnh.
3. Độ bền mòn
a) Khái niệm
- Mòn làm mất đi một lượng vật liệu trên bề mặt chi tiết, kích thước dạng
trục của chi tiết máy giảm xuống, kích thước dạng lỗ tăng lên, các khe hở tăng
lên, làm giảm độ chính xác, giảm hiệu suất của máy. Khi kích thước giảm quá
nhiều có thể dẫn đến chi tiết máy không đủ bền. Mòn cũng làm giảm chất lượng
bề mặt chi tiết máy, giảm khả năng làm việc của máy, đồng thời đẩy nhanh tốc
độ mòn.
- Chi tiết máy được coi là đủ chỉ tiêu bền mòn, nếu như trong thời gian sử
dụng lượng mòn chưa vượt quá giá trị cho phép.
Giáo trình Chi tiết máy

10
Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
b) Tính toán độ bền mòn
- Để đảm bảo độ bền mòn, chi tiết máy được tính theo công thức thực
nghiệm sau:
p ≤ [p]
hoặc pv ≤ [pv].
Trong đó p là áp suất trên bề mặt tiếp xúc, v là vận tốc trượt tương đối
giữa hai bề mặt.
c) Các biện pháp giảm mài mòn
- Để nâng cao độ bền mòn của chi tiết máy, cần thực hiện bôi trơn bề mặt
tiếp xúc đầy đủ, dùng vật liệu có hệ số ma sát thấp, thay thế ma sát trượt bằng ma
sát lăn. Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc để giảm áp suất. Chọn hình dạng chi tiết
máy và quy luật chuyển động của nó hợp lý để vận tốc trượt tương đối là nhỏ
nhất. Dùng các biện pháp nhiệt luyện bề mặt để tăng độ rắn, làm tăng áp suất cho
phép của bề mặt.
- Ngoài ra để tránh ăn mòn điện hóa, những bề mặt không làm việc của
chi tiết máy cần được bảo vệ bằng cách phủ sơn chống gỉ, hoặc bằng phương
pháp mạ.
d) Các biện pháp để giảm ảnh hưởng xấu của độ mòn tới khả năng
làm việc của chi tiết máy
- Đảm bảo độ mòn đều cho các chi tiết để có thể thay thế và sửa chữa
đồng thời.
- Chuyển độ mài mòn vào các chi tiết ít ảnh hưởng tới độ chính xác của
máy, hay các chi tiết dễ thay thế sửa chữa.
- Sử dụng các kết cấu điều chỉnh được hoặc kết cấu tự điều chỉnh trong
quá trình làm việc.
4. Khả năng chịu nhiệt
Trong quá trình máy làm việc, công suất tổn hao do ma sát biến thành
nhiệt năng đốt nóng các chi tiết máy. Nhiệt độ làm việc cao quá giá trị cho phép,

có thể gây nên các tác hại sau đây:
- Làm giảm cơ tính của vật liệu, dẫn đến làm giảm khả năng chịu tải của
chi tiết máy.
- Làm giảm độ nhớt của dầu, mỡ bôi trơn, tăng khả năng mài mòn.
- Chi tiết máy bị biến dạng nhiệt lớn làm thay đổi khe hở trong các liên kết
động, có thể dẫn đến kẹt tắc, hoặc gây nên cong vênh.
Máy hoặc bộ phận máy được coi là đủ khả năng chịu nhiệt, khi nó thỏa
mãn điều kiện chịu nhiệt:
θ ≤ [θ],
Trong đó: θ là nhiệt độ làm việc của máy, bộ phận máy.
[θ] là nhiệt độ cho phép của máy.
Nhiệt độ làm việc θ được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt.
5. Dao động và tiếng ồn
Trong kết cấu của máy, mỗi chi tiết máy là một hệ dao động có tần số dao
động riêng ω
0
. Nếu chi tiết máy dao động quá mức độ cho phép, sẽ gây nên rung
lắc làm giảm độ chính xác làm việc của chi tiết máy và các chi tiết máy khác.
Giáo trình Chi tiết máy
11
Chương 1: Cơ sở về thiết kế máy và chi tiết máy
Đồng thời gây nên tải trọng phụ làm cho chi tiết biến dạng lớn, có thể dẫn đến
phá hỏng chi tiết máy. Hoặc gây tiếng ồn lớn, tiếng ồn khó chịu.
Nguồn gây dao động thông thường là các chi tiết máy quay có khối lượng
lệch tâm, các chi tiết máy chuyển động qua lại có chu kỳ, hoặc do các máy xung
quanh truyền đến. Biên độ dao động của nguồn càng lớn thì chi tiết máy dao
động càng nhiều, đặc biệt là khi tần số của nguồn bằng hoặc gần bằng với tần số
riêng ω
0
, lúc đó chi tiết máy dao động rất mạnh (hiện tượng cộng hưởng).

Các biện pháp hạn chế dao động của chi tiết máy là:
- Triệt tiêu các nguồn gây dao động bằng cách cân bằng máy, hạn chế sử
dụng các quy luật chuyển động qua lại trong máy, cách biệt máy với các nguồn
rung động xung quanh.
- Cho chi tiết máy làm việc với số vòng quay khác xa số vòng quay tới
hạn (ứng với tần số riêng ω
0
) để tránh cộng hưởng.
- Thay đổi tính chất động lực học của hệ thống, để làm thay đổi tần số
riêng ω
0
.
- Dùng các thiết bị giảm rung.
CÂU HỎI ÔN TẬP:
1. Trình bày 6 yêu cầu chung khi thiết kế một chi tiết máy.
2. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc của chi tiết máy có ảnh hưởng tới khả năng
làm việc của máy như thế nào?
3. Biện pháp chung để nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.
Giáo trình Chi tiết máy
12