Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 1 pot

MỤC LỤC Trang
PHẦN I CƠ SỞ CỦA THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT……………………….9
Chương 1 Bản chất của thiết kế cơ khí ………………………………………………10
Tổng quan ………………………………………………………………………………11
Bạn là nhà thiết kế ………………………………………………………………………17
1.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………… 17
1.2 Quá trình thiết kế cơ khí …………………………………………………………… 17
1.3 Các kĩ năng cần thiết trong thiết kế cơ khí ………………………………………… 19
1.4 Chức năng, yêu cầu thiết kế, và chỉ tiêu đánh giá ……………………………………20
1.5 Ví dụ về kết hợp các chi tiết máy trong thiết kế cơ khí …………………………… 23
1.6 Sự trợ giúp của máy tính trong giáo trình ……………………………………………25
1.7 Các tính toán trong thiết kế ………………………………………………………… 26
1.8 Các kích thước ưu tiên, ren vít, và các tiết diện tiêu chuẩn ………………………….26
1.9 Hệ đơn vị …………………………………………………………………………… 32
1.10 Phân biệt giữa trọng lượng, lực, khối lượng …………………………………… 34
Tham khảo ………………………………………………………………………………35
Các địa chỉ internet …………………………………………………………………… 36
Bài tập ………………………………………………………………………………… 37
Chương 2 Vật liệu trong thiết kế cơ khí ……………………………………………… 39
Tổng quan ……………………………………………………………………………….40
Bạn là nhà thiết kế ………………………………………………………………………41
2.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………… 42
2.2 Các đặc trưng của vật liệu ……………………………………………………………43
2.3 Phân loại kim loại và hợp kim ……………………………………………………….55
2.4 Sự thay đổi của các thông số đặc trưng của vật liệu …………………………………56
2.5 Thép cácbon và thép hợp kim ……………………………………………………… 57
2.6 Các chế độ nhiệt luyện thép ………………………………………………………….60
2.7 Thép không gỉ ……………………………………………………………………… 64
2.8 Thép kết cấu ………………………………………………………………………….64
3
2.9 Thép dụng cụ …………………………………………………………………………65

2.10 Gang ……………………………………………………………………………… 65
2.11 Kim loại bột …………………………………………………………………………67
2.12 Nhôm ……………………………………………………………………………… 68
2.13 Hợp kim kẽm ……………………………………………………………………… 70
2.14 Titan ……………………………………………………………………………… 71
2.15 Đồng, đồng thau, đồng thanh ……………………………………………………….72
2.16 Hợp kim niken ………………………………………………………………………72
2.17 Nhựa ……………………………………………………………………………… 73
2.18 Vật liệu compozit ………………………………………………………………… 77
2.19 Lựa chọn vật liệu ……………………………………………………………………89
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………… 90
Địa chỉ internet ………………………………………………………………………….91
Bài tập ………………………………………………………………………………… 92
Chương 3 Phân tích ứng suất và biến dạng ………………………………………… 96
Tổng quan ……………………………………………………………………………….97
Bạn là nhà thiết kế ………………………………………………………………… 98
3.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….102
3.2 Quan điểm thiết kế ………………………………………………………………….103
3.3 Biểu diễn các ứng suất trên một phân tố ứng suất ………………………………….103
3.4 Ứng suất pháp: kéo và nén ………………………………………………………….104
3.5 Biến dạng dưới tải trọng dọc trục ………………………………………………… 105
3.6 Ứng suất cắt trực tiếp ……………………………………………………………….106
3.7 Liên hệ giữa mômen xoắn, công suất và tốc độ quay ………………………………108
3.8 Ứng suất xoắn ………………………………………………………………………109
3.9 Biến dạng xoắn …………………………………………………………………… 111
3.10 Xoắn trong chi tiết có mặt cắt ngang không tròn ………………………………….112
3.11 Xoắn trong ống thành mỏng, kín ………………………………………………… 113
3.12 Ống hở và sự so sánh với ống kín …………………………………………………114
3.13 Ứng suất cắt ……………………………………………………………………… 116
3.14 Những công thức ứng suất cắt đặc biệt ……………………………………………118

3.15 Ứng suất uốn ………………………………………………………………………119
4
3.16 Tâm uốn của dầm ………………………………………………………………….121
3.17 Độ võng của dầm ………………………………………………………………….122
3.18 Phương trình đường đàn hồi
……………………………………………………….124
3.19 Dầm có mômen uốn tập trung …………………………………………………… 126
3.20 Ứng suất pháp tổng hợp: nguyên lý cộng tác dụng ……………………………… 131
3.21 Tập trung ứng suất ……………………………………………………………… 133
3.22 Độ nhạy với vết khía và hệ số giảm độ bền ……………………………………….136
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….137
Địa chỉ internet ……………………………………………………………………… 137
Bài tập ………………………………………………………………………………….137
Chương 4 Ứng suất tổng hợp và vòng Mo ………………………………………… 150
Tổng quan …………………………………………………………………………… 151
Bạn là nhà thiết kế …………………………………………………………………… 151
4.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….153
4.2 Trường hợp tổng quát của ứng suất tổng hợp ………………………………………153
4.3 Vòng tròn Mo ……………………………………………………………………….161
4.4 Bài tập về vòng tròn Mo …………………………………………………………….167
4.5 Trường hợp cả hai ứng suất chính có cùng dấu …………………………………….171
4.6 Vòng tròn Mo của những chế độ ứng suất cụ thể ………………………………… 175
4.7 Phân tích các chế độ tải trọng phức tạp …………………………………………… 177
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….178
Địa chỉ internet ……………………………………………………………………… 178
Bài tập ………………………………………………………………………………….178
Chương 5 Thiết kế với các loại tải trọng khác nhau ………………………………… 180
Tổng quan …………………………………………………………………………… 181
Bạn là nhà thiết kế …………………………………………………………………… 183
5.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….183

5.2 Các loại tải trọng và hệ số ứng suất ……………………………………………… 183
5.3 Giới hạn mỏi ……………………………………………………………………… 189
5.4 Xác định giới hạn mỏi thực, s
n
’ …………………………………………………… 190
5
5.5 Ví dụ xác định giới hạn mỏi thực tế ……………………………………………… 197
5.6 Quan điểm thiết kế ………………………………………………………………….199
5.7 Hệ số an toàn ……………………………………………………………………… 201
5.8 Dự đoán các hư hỏng ……………………………………………………………….202
5.9 Các phương pháp phân tích trong thiết kế ………………………………………….210
5.10 Qui trình thiết kế tổng quát ……………………………………………………… 214
5.11 Ví dụ thiết kế ………………………………………………………………………218
5.12 Phép xấp xỉ thống kê trong thiết kế ……………………………………………… 230
5.13 Tuổi thọ hữu hạn và phương pháp tích luỹ phá huỷ ………………………………231
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….235
Bài tập ………………………………………………………………………………….236
Chương 6 Cột …………………………………………………………………………….248
Tổng quan ………………………………………………………………………….….249
Bạn là nhà thiết kế ……………………………………………………………………250
6.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….250
6.2 Các đặc trưng của mặt cắt ngang của cột ………………………………………… 251
6.3 Liên kết đầu cột và chiều dài làm việc …………………………………………… 251
6.4 Độ mảnh …………………………………………………………………………….253
6.5 Độ mảnh giới hạn ………………………………………………………………… 253
6.6 Tính toán cột dài: Công thức Euler …………………………………………………254
6.7 Tính toán cột ngắn: Công thức J.B. Johnson ……………………………………….258
6.8 Bảng tính toán cột ………………………………………………………………… 260
6.9 Các dạng phù hợp với mặt cắt ngang của cột ……………………………………….263
6.10 Thiết kế cột ……………………………………………………………………… 264

6.11 Cột cong ………………………………………………………………………… 269
6.12 Cột chịu tải lệch tâm ………………………………………………………………272
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….276
Bài tập ………………………………………………………………………………….276
PHẦN II THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ ………………………………………….281
Chương 7 Truyền động đai và xích ………………………………………………… 284
6
Tổng quan …………………………………………………………………………… 285
Bạn là nhà thiết kế …………………………………………………………………… 287
7.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….287
7.2 Phân loại bộ truyền đai …………………………………………………………… 288
7.3 Truyền động đai thang …………………………………………………………… 290
7.4 Thiết kế bộ truyền đai thang ……………………………………………………… 293
7.5 Truyền động xích ………………………………………………………………… 306
7.6 Thiết kế bộ truyền xích …………………………………………………………… 308
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….322
Địa chỉ internet ……………………………………………………………………… 322
Bài tập ………………………………………………………………………………….323
Chương 8 Động học bánh răng …………………………………………………326
Tổng quan …………………………………………………………………………… 327
Bạn là nhà thiết kế …………………………………………………………………… 330
8.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….332
8.2 Kết cấu của bánh răng trụ thẳng ……………………………………………………332
8.3 Biên dạng răng thân khai của bánh răng trụ thẳng …………………………………333
8.4 Các thuật ngữ của bánh răng trụ thẳng và đặc trưng của răng …………………… 335
8.5 Hiện tượng cắt chân răng của bánh răng trụ thẳng …………………………………348
8.6 Tỉ số truyền và hệ bánh răng ……………………………………………………… 350
8.7 Thông số hình học của bánh răng nghiêng …………………………………………358
8.8 Thông số hình học của bánh răng côn …………………………………………… 363
8.9 Các loại truyền động trục vít-bánh vít …………………………………………… 369

8.10 Thông số hình học của trục vít và bánh vít ……………………………………….371
8.11 Kết cấu của bộ truyền trục vít-bánh vít ………………………………………… 374
8.12 Tỉ số truyền của hệ bánh răng …………………………………………………….378
8.13 Thiết kế hệ bánh răng …………………………………………………………… 381
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….389
Địa chỉ internet ……………………………………………………………………… 389
Bài tập ………………………………………………………………………………….390
Chương 9 Thiết kế bánh răng trụ thẳng ………………………………………………397
7
Tổng quan …………………………………………………………………………… 398
Bạn là nhà thiết kế …………………………………………………………………… 399
9.1 Nội dung của chương ……………………………………………………………….400
9.2 Các khái niệm ôn tập lại ……………………………………………………………400
9.3 Lực, mômen xoắn, và công suất trong truyền động bánh răng …………………… 401
9.4 Chế tạo bánh răng ………………………………………………………………… 405
9.5 Chất lượng bánh răng ……………………………………………………………….407
9.6 Giới hạn mỏi ……………………………………………………………………… 413
9.7 Vật liệu kim loại làm bánh răng …………………………………………………….414
9.8 Ứng suất uốn ……………………………………………………………………… 421
9.9 Chọn vật liệu bánh răng theo ứng suất uốn …………………………………………431
9.10 Khả năng chống tróc rỗ của răng ……………………………………………….437
9.11 Chọn vật liệu bánh răng theo ứng suất tiếp xúc
……………………………… 440
9.12 Thiết kế bánh răng trụ thẳng ……………………………………………………445
9.13 Thiết kế bánh răng trụ thẳng theo môđun hệ mét ………………………………452
9.14 Phân tích và thiết kế bánh răng trụ thẳng với sự trợ giúp của máy tính ……… 454
9.15 Sử dụng bảng tính để thiết kế bánh răng trụ thẳng …………………………… 458
9.16 Công suất truyền lớn nhất ………………………………………………………468
9.17 Những khảo sát thực tế về bánh răng và các yếu tố liên quan khác ……………470
9.18 Bánh răng nhựa …………………………………………………………………474

Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………….484
Địa chỉ internet ……………………………………………………………………… 485
Bài tập ………………………………………………………………………………….487
8
PHẦN I CƠ SỞ CỦA THIẾT KẾ VÀ
PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA PHẦN I
Sáu chương đầu của quyển sách này trình bày các quan điểm trong thiết kế dựa trên những
kiến thức cơ bản đã được học về sức bền vật liệu, khoa học vật liệu và quá trình sản xuất. Những
kiến thức thu được từ các chương này sẽ được sử dụng trong suốt giáo trình cũng như trong thiết
kế máy hay các dự án thiết kế sản phẩm.
Chương 1: Bản chất của thiết kế cơ khí giúp bạn thấy được tổng quan quá trình thiết kế
máy. Một số ví dụ được lấy từ các lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: sản phẩm tiêu
dùng, hệ thống sản xuất, các thiết bị xây dựng, nông nghiệp, các thiết bị vận chuyển, tàu thuyền
và các hệ không gian. Tính hợp lí của thiết kế sẽ được thảo luận, cùng với sự minh hoạ về tính lặp
của quá trình thiết kế. Các hệ đơn vị và chuyển đổi cũng được trình bày đầy đủ.
Chương 2: Vật liệu trong thiết kế cơ khí làm nổi bật các đặc trưng thiết kế của vật liệu.
Với bạn có thể nhiều phần trong chương này đã được học qua, nhưng nó vẫn được trình bày ở đây
để nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chọn vật liệu trong quá trình thiết kế, các thông số của vật
liệu được giải thích ở đây có thể tra trong phần phụ lục.
Chương 3: Phân tích ứng suất và biến dạng nhắc lại các khái niệm cơ bản về ứng suất
và chuyển vị. Cần phải nắm chắc các khái niệm cơ bản được tổng kết ở đây trước khi nghiên cứu
nội dung sau này. Chương này nhắc lại về lực kéo nén đúng tâm, ứng suất cắt, ứng suất uốn, ứng
suất xoắn.
Chương 4: Ứng suất tổng hợp và vòng Mo đây là vấn đề quan trọng bởi vì nhiều vấn đề
tổng quát trong thiết kế và thiết kế các chi tiết máy ở các chương sau đều liên quan đến ứng suất
tổng hợp. Bạn có thể đã được học những nội dung này trong môn học về sức bền của vật liệu.
Chương 5: Thiết kế với các loại tải trọng khác nhau là một sự thảo luận kĩ lưỡng về
các yếu tố thiết kế, hệ số an toàn, độ bền mỏi, và nhiều phân tích ứng suất cụ thể khác.
Chương 6: Cột thảo luận về chiều dài, độ mảnh, các bộ phận chịu tải đúng tâm có xu

hướng bị hỏng bởi mất ổn định hơn là do nén, hay cắt khi vượt quá giới hạn của vật liệu. Phương
pháp phân tích và thiết kế cụ thể cũng được nhắc lại tại đây.
9
Chương 1 Bản chất của thiết kế cơ khí
Tổng quan
Bạn là nhà thiết kế
1.5 Nội dung của chương
1.6 Quá trình thiết kế cơ khí
1.7 Các kĩ năng cần thiết trong thiết kế cơ khí
1.8 Chức năng, yêu cầu thiết kế, và chỉ tiêu đánh giá
1.11 Ví dụ về kết hợp các chi tiết máy trong thiết kế cơ khí
1.12 Sự trợ giúp của máy tính trong giáo trình
1.13 Các tính toán trong thiết kế
1.14 Các kích thước ưu tiên, ren vít, và các tiết diện tiêu chuẩn
1.15 Hệ đơn vị
1.16 Phân biệt giữa trọng lượng, lực, khối lượng
10
Tổng quan
Nội dung thảo luận
 Để thiết kế các bộ
phận và thiết bị máy
móc bạn cần thành
thạo trong việc thiết
kế các chi tiết máy
riêng lẻ có trong hệ
thống
 Nhưng bạn cũng
cần biết cách kết
hợp các bộ phận và
thiết bị để tạo ra

một hệ thống đáp
ứng yêu cầu của
khách hàng.
Tìm hiểu
Bây giờ hãy suy nghĩ về những vấn đề mà bạn có thể gặp trong thiết
kế máy:
Hãy nêu các sản phẩm trong một số lĩnh vực?
Các sản phẩm đó được làm từ những loại vật liệu gì?
Điểm đặc trưng nhất của sản phẩm là gì?
Các chi tiết được làm ra như thế nào?
Các bộ phận của sản phẩm được lắp ráp như thế nào?
Miêu tả các sản phẩm tiêu dùng, các thiết bị xây dựng, máy móc
nông nghiệp, hệ thống sản xuất, các thiết bị vận chuyển trên mặt đất,
trên không, trong không gian và cả dưới nước
Trong giáo trình này bạn sẽ thấy các công cụ để nghiên cứu những
khái niệm cơ bản về chi tiết máy trong thiết kế cơ khí.
Thiết kế chi tiết máy là phần không thể thiếu trong một lĩnh vực rộng hơn, tổng quát hơn đó là
thiết kế cơ khí nói chung. Những người thiết kế và các kĩ sư thiết kế tạo ra các máy hay hệ thống
đáp ứng những yêu cầu xác định. Các thiết bị cơ khí bao gồm những bộ phận truyền công suất và
tạo ra những dạng chuyển động riêng biệt. Hệ thống cơ khí được tạo thành từ một số cơ cấu cơ
khí.
Vì vậy, để thiết kế các thiết bị và hệ thống cơ khí bạn cần phải thành thạo trong thiết kế
các chi tiết máy riêng lẻ tạo nên hệ thống đó. Nhưng bạn cũng cần biết cách kết hợp một số thành
phần và thiết bị vào cùng một hệ để có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu của khách hàng. Những logíc
trên đây dẫn đến tên của quyển sách này là Chi tiết máy trong thiết kế cơ khí
Hãy xem xét một số lĩnh vực mà bạn có thể phải sử dụng thiết kế cơ khí. Thảo luận các
vấn đề đó với giáo viên và các đồng nghiệp, những người bạn học. Nói chuyện với những người
đang làm công việc thiết kế cơ khí trong các lĩnh vực công nghiệp. Cố gắng tham quan các nhà
máy nếu có thể, hay gặp gỡ những người thiết kế và kĩ sư thiết kế tại các buổi nói chuyện của các
hội chuyên nghiệp. Mô tả các sản phẩm cơ khí đã được thiết kế và chế tạo.

 Sản phẩm tiêu dùng: các thiết bị gia dụng (dụng cụ mở hộp, máy chế biến thức ăn,
máy trộn, lò nướng, máy hút bụi, máy giặt), máy cắt cỏ, cưa xích, các dụng cụ máy,
mở cửa gara, hệ thống điều hoà không khí, và nhiều thứ khác. Trên hình 1-1 và 1-2 là
một số ví dụ về các sản phẩm.
 Hệ thống sản xuất: thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu, băng chuyền, máy cẩu, thiết
bị vận chuyển, rôbốt công nghiệp, máy công cụ, hệ thống lắp ráp tự động, hệ thống xử
lý chuyên dùng, xe nâng, và các thiết bị đóng gói. Xem hình 1-3, 1-4, và 1-5.
11
Hình 1-1 Máy khoan truyền động đai
Hình 1-2 Cưa xích
12
Hình 1-3 Hệ thống băng tải xích (Richards-Wilcox, Inc., Aurora, IL)
 Thiết bị xây dựng: máy kéo với gầu xúc phía trước hoặc phía sau, cần trục, máy xúc,
máy cạp, máy san, xe đổ đất, máy lát đường, máy rải và máy dập máy đầm, và nhiều
thiết bị khác. Xem hình 1-5 và 1-6.
 Máy nông nghiệp: máy kéo, máy thu hoạch (ngũ cốc, lúa mì, cà chua, bông, hoa quả,
và nhiều cây trồng khác), cái cào, máy làm cỏ, cái cày, máy bừa, máy cày, và các máy
vận chuyển. Xem hình 1-6, 1-7, và 1-8.
 Thiết bị vận chuyển: (a) Ôtô, xe tải, và xe bus, chúng bao gồm hàng trăm chi tiết cơ
khí ví dụ như hệ thống treo (lò xo, bộ giảm chấn, và hệ thống giằng); hệ thống cửa; cơ
cấu cần gạt nước cho kính xe; hệ thống lái; mui và thân xe gài bằng chốt; hệ thống ly
hợp và phanh; hộp số; trục điều khiển; đệm điều chỉnh; và nhiều chi tiết khác của hệ
thống động cơ. (b) Máy bay, với càng hạ cánh có thể thu lại được, cơ cấu điều chỉnh
13
bánh lái và các van, thiết bị vận chuyển hàng hoá, cơ cấu ngả của ghế nằm, và rất
nhiều then, các thành phần kết cấu, và các cửa điều khiển. Xem hình 1-9, 1-10.
 Tàu thuỷ: bộ tời để kéo mỏ neo, cẩu tay để nâng hàng hoá, rada và ăngten quay, cơ
cấu lái bánh lái, bánh răng và trục dẫn, nhiều bộ cảm biến và hệ thống bảng điều
khiển.
 Thiết bị không gian: vệ tinh, tàu con thoi, trạm vũ trụ, hệ thống phóng tàu, trong đó

là rất nhiều hệ thống cơ khí với các thiết bị như giàn ăngten, cửa, hệ thống cập bến,
các tay rôbốt, các thiết bị giảm chấn, thiết bị an toàn cho hàng hoá, thiết bị điều chỉnh
dụng cụ đo, bộ khởi động động cơ đẩy, và hệ thống đẩy.
Hình 1-4 Máy lắp ráp tự động với các bộ phận tự hành
Hình 1-5 Máy cẩu công nghiệp (Air Technical Industries, Mentor, OH)
14
Hình 1-6 Máy kéo với bộ phận chất tải lắp phía trước (Case IH, Racine, WI)
Hình 1-7 Máy kéo và dụng cụ (Case IH, Racine, WI)
Hình 1-8: Máy kéo (Case IH, Racine, WI)
Bạn có thể thêm bao nhiêu ví dụ về các thiết bị, hệ thống cơ khí vào danh sách trên đây?
Một số điểm đặc biệt của các sản phẩm trong danh sách trên?
Hãy nêu một số loại cơ cấu đã được đưa ra?
Hãy nêu một số loại vật liệu đã được sử dụng trong các sản phẩm?
Các bộ phận được làm ra như thế nào?
Các chi tiết được lắp thành sản phẩm hoàn chỉnh như thế nào?
Trong giáo trình này, bạn sẽ tìm thấy các công cụ cần thiết để nghiên cứu về chi tiết máy
trong thiết kế cơ khí. Trong phần giới thiệu của mỗi chương là bản tiến trình tóm tắt “Bạn là nhà
thiết kế”. Mục đích của các bước trên là khơi dậy suy nghĩ của bạn với nội dung đã trình bày
trong chương và nêu ra các ví dụ về các vấn đề thực tế mà bạn có thể áp dụng.
15
Hình 1-9 Cơ cấu dẫn động cửa máy bay (The Boeing Company, Seattle. WA)
Hình 1-10 Lắp ráp càng hạ cánh của máy bay (The Boeing Company, Seattle. WA)
16
Bạn là nhà thiết kế
Bây giờ, xem như bạn là một người thiết kế
chịu trách nhiệm về thiết kế những sản phẩm
mới, ví dụ như máy khoan đai cho gia đình
trong hình 1-1. Bạn cần chuẩn bị những gì về
chuyên môn để có thể hoàn thành thiết kế đó?
Các bước tiếp theo sẽ là gì? Bạn sẽ cần những

thông tin gì? Bạn sẽ trình bày các tính toán
như thế nào, để bản thiết kế là tin cậy, và sản
phẩm sẽ thực hiện được chức năng yêu cầu
của nó?
Câu trả lời tổng quát cho các câu hỏi trên
được trình bày trong chương này. Khi bạn
hoàn thành chương trình của quyển sách này,
bạn sẽ học được các phương pháp thiết kế, nó
sẽ trợ giúp cho bạn khi thiết kế các chi tiết
máy khác nhau. Bạn cũng sẽ biết cách để kết
hợp một vài chi tiết máy thành một hệ thống
cơ khí hoàn chỉnh theo mối quan hệ giữa
chúng với nhau.
1-1 Nội dung của chương
Sau khi hoàn thành chương này bạn sẽ có tiếp thu được
1. Nhận dạng các hệ thống cơ khí dựa trên các nguyên lý được thảo luận trong giáo trình
để hoàn thành việc thiết kế các hệ thống đó.
2. Liệt kê những kĩ năng thiết kế cần thiết để sử dụng trong thiết kế cơ khí
3. Nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các chi tiết máy riêng lẻ thành một hệ
thống máy hoàn thiện hơn.
4. Mô tả các nội dung chính của qui trình tạo ra sản phẩm.
5. Viết báo cáo về chức năng và yêu cầu thiết kế cho các thiết bị cơ khí
6. Xây dựng tiêu chí để đánh giá các thiết kế đề ra.
7. Làm việc với những hệ đơn vị thích hợp trong tính toán thiết kế cơ khí gồm cả hai hệ
là hệ Anh và hệ mét SI.
8. Phân biệt giữa lực và khối lượng, biểu diễn một cách chính xác trong cả hai hệ đơn vị.
9. Trình bày các tính toán thiết kế một cách chuyên nghiệp, rõ ràng, và ngăn nắp để
những người chỉ thông thạo trong các lĩnh vực khác cũng có thể hiểu và đánh giá
được.
1-2 Quá trình thiết kế cơ khí

Mục tiêu cơ bản của thiết kế cơ khí là tạo ra các sản phẩm hữu ích đáp ứng nhu cầu của
khách hàng và có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế, cũng như thực tế trong chế tạo. Hãy
xem xét một cách tổng quát khi trả lời câu hỏi, “Ai là khách hàng của sản phẩm hay hệ thống mà
mình sắp thiết kế?” Xem xét tiến trình sau đây:
 Bạn đang thiết kế một dụng cụ mở đồ hộp trong gia đình. Khách hàng là người sẽ
mua dụng cụ mở đồ hộp và sử dụng nó trong bếp của gia đình. Một số khách hàng
17
khác có thể bao gồm người thiết kế quá trình đóng gói, nhân viên chế tạo dụng cụ, và
nhân viên bảo dưỡng, sửa chữa dụng cụ.
 Bạn đang thiết kế một bộ phận của thiết bị máy móc phục vụ cho hoạt động sản
xuất. Khách hàng gồm kĩ sư sản xuất người chịu trách nhiệm về hoạt động sản xuất,
người vận hành máy, nhân viên lắp đặt máy, và nhân viên bảo dưỡng máy để chúng
hoạt động tốt.
 Bạn đang thiết kế hệ thống công suất để mở cánh cửa lớn trên máy bay chở
khách. Khách hàng bao gồm những người cần cánh cửa hoạt động được cả trong trạng
thái bình thường cũng như khi có sự cố, người đi qua cánh cửa trong khi làm việc,
những nhân viên chế tạo thiết bị mở, người lắp đặt, người thiết kế kết cấu máy bay –
người phải điều chỉnh tải trọng tạo ra bởi thiết bị mở trong khi bay và trong khi hoạt
động, các chuyên viên bảo dưỡng – người bảo dưỡng cho hệ thống, và những người
thiết kế nội thất cần che chắn thiết bị mở khi sử dụng và cho phép tiếp cận để lắp đặt
và bảo dưỡng.
Điều cốt yếu mà bạn nên biết là nhu cầu và kỳ vọng của tất cả các khách hàng trước khi bắt đầu
quá trình thiết kế. Người tiếp thị chuyên nghiệp thường chú ý nắm bắt chính xác nhu cầu của
khách hàng, và người thiết kế có thể làm việc với họ như là thành viên của nhóm phát triển sản
phẩm.
Nhiều phương pháp được sử dụng để xác định nhu cầu của khách hàng. Một phương pháp
phổ biến được gọi là phân phối chức năng hay QFD, yêu cầu (1) xác định tất cả đặc điểm và hệ số
sử dụng mà khách hàng mong muốn và (2) đánh giá tầm quan trọng tương ứng của các hệ số. Kết
quả của phương pháp QFD là một tập hợp chi tiết các yêu cầu về chức năng và thiết kế của sản
phẩm. (xem tham khảo 8)

Một vấn đề cũng rất quan trọng cần chú ý là thiết kế thế nào để đáp ứng tất cả các hoạt
động theo ý khách hàng và bảo dưỡng sản phẩm trong suốt chu kì tuổi thọ. Trên thực tế, sẽ là rất
quan trọng khi cân nhắc đến việc giải quyết sản phẩm thế nào sau khi làm hết thời gian sử dụng.
Tất cả các yếu tố như trên, có tác động đến sản phẩm cũng như qui trình tạo ra sản phẩm hay
PRP. (xem tham khảo 3, 10). Một số yếu tố bao gồm trong PRP như sau:
 Đặc trưng về thương mại để đánh giá các yêu cầu của khách hàng
 Nghiên cứu để xác định công nghệ phù hợp được sử dụng trong sản phẩm.
 Các nguyên liệu và bộ phận sẵn có có thể kết hợp với sản phẩm.
 Thiết kế và phát triển sản phẩm.
 Vận hành thử.
 Tài liệu thiết kế.
 Liên hệ với người bán và người mua.
 Chú ý đến tất cả các nguồn nguyên liệu và tiếp thị
 Tay nghề của nguồn lao động
 Các máy móc và phương tiện sẵn có.
 Khả năng của hệ thống sản xuất.
18
 Kế hoạch sản xuất và sự điều chỉnh hệ thống sản xuất.
 Hệ thống và nhân viên cung cấp sản phẩm
 Các yêu cầu về hệ thống chất lượng.
 Kế hoạch hoạt động và bảo dưỡng.
 Hệ thống phân phối để sản phẩm đến tay khách hàng.
 Hoạt động và kế hoạch bán hàng.
 Giá gốc và các giá cạnh tranh đưa ra.
 Yêu cầu phục vụ của khách hàng.
 Ảnh hưởng đến môi trường trong khi sản xuất, hoạt động, và tiêu huỷ sản phẩm.
 Các yêu cầu pháp lý.
 Khả năng huy động các nguồn vốn.
Bạn có thể bổ sung vào danh sách này?
Bạn sẽ thấy thiết kế sản phẩm chỉ là một phần của quy trình tổng thể. Trong giáo trình này, chúng

tôi sẽ chỉ tập trung chủ yếu vào quá trình thiết kế, về khả năng chế tạo các thiết kế của bạn
cũng cần được xem xét. Sự chú ý đồng thời đến thiết kế sản phẩm và thiết kế quá trình sản
xuất thường được gọi là thiết kế đồng thời. Chú ý rằng quá trình này là một phần nhỏ của
quá trình tạo ra sản phẩm. Rất nhiều tài liệu khác sẽ trình bày cách tiếp cận chung đến
thiết kế cơ khí như tham khảo 6,7 và 12-16.
1-3 Những kĩ năng cần có trong thiết kế cơ khí
Các kĩ sư và người thiết kế cơ khí sử dụng nhiều kĩ năng và kiến thức trong công việc
hàng ngày của họ, bao gồm:
1. Bản vẽ phác, bản vẽ kĩ thuật, và thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD).
2. Các đặc trưng của vật liệu, xử lí vật liệu, và công nghệ chế tạo.
3. Các ứng dụng hoá học như chống mài mòn, lớp phủ, sơn.
4. Tĩnh học, động lực học, sức bền vật liệu, động học, và cơ cấu.
5. Các kĩ năng giao tiếp, lắng nghe, trình bày, và làm việc theo nhóm.
6. Cơ học chất lỏng, nhiệt động học, và truyền nhiệt.
7. Công suất thuỷ lực, những vấn đề cơ bản của hiện tượng điện, và điều khiển công
nghiệp
8. Sơ đồ thí nghiệm và thử nghiệm các vật liệu và hệ thống cơ khí.
9. Sự sáng tạo, giải quyết các vấn đề, và quản lý dự án.
10. Phân tích ứng suất.
11. Các kiến thức riêng về đặc điểm làm việc của các chi tiết máy như bánh răng, bộ
truyền đai, bộ truyền xích, trục, gối đỡ, chốt, then, nối trục, đệm kín, lò xo, các mối
19
ghép (bulông, đinh tán, hàn, dính), động cơ điện, các thiết bị chuyển động thẳng, li
hợp, và phanh.
Bạn nên hoàn thành tốt các yêu cầu trong mục 1-5 trước khi bắt đầu đọc giáo trình này.
Các kiến thức ở mục 6-8 thuộc về các môn học khác được học trước, đồng thời, hoặc sau
khi học thiết kế các chi tiết máy. Mục 9 trình bày các kĩ năng được phát triển liên tục qua
quá trình học tập tại trường và qua kinh nghiệm. Giáo trình này sẽ giúp bạn đạt được kiến
thức và những kĩ năng quan trọng về các vấn đề nêu ra ở mục 10 và 11.
1-4 Chức năng, yêu cầu thiết kế, và chỉ tiêu đánh giá

Mục 1-2 đã nhấn mạnh tầm quan trọng trong việc xác định cẩn thận nhu cầu và kì vọng
của khách hàng trước khi bắt đầu thiết kế các thiết bị cơ khí. Bạn có thể đề ra một sản lượng rõ
ràng, hoàn chỉnh các báo cáo về chức năng , yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn đánh giá.
Chức năng chỉ ra tại sao thiết bị cần được chế tạo, cách sử dụng chung, các hướng dẫn
định tính dùng để thực hiện các công việc như mang tải trọng, chuyển động, truyền công suất,
hoặc liên kết hai chi tiết với nhau.
Hình 1-11 Các bước của quá trình thiết kế
Yêu cầu thiết kế được nêu chi tiết, thường dùng các hướng dẫn định lượng về hiệu suất
mong muốn, điều kiện môi trường để thiết bị làm việc, kích thước bao hoặc khối lượng, các
nguyên liệu và bộ phận có sẵn có thể được sử dụng.
Chỉ tiêu đánh giá là những chỉ dẫn về chỉ tiêu chất lượng mong muốn của thiết kế giúp
cho người thiết kế trong việc quyết định phương án thiết kế tối ưu - phương án có lợi ích tối đa và
nhược điểm là tối thiểu.
20
Các yếu tố trên đây cũng có thể được gọi là các thông số thiết kế.
Tất cả các tiến trình thiết kế đều đi qua trình tự như sơ đồ hình 1-11. Bạn nên đưa ra một
vài ý tưởng thiết kế cụ thể. Từ đó rèn luyện sự sáng tạo và đưa ra những thiết kế thật sự mới. Mỗi
một ý tưởng thiết kế cần thoả mãn các chức năng và yêu cầu thiết kế. Bạn nên hoàn thiện một tiêu
chuẩn đánh giá các chức năng mong muốn, các ưu điểm, và nhược điểm của mỗi một ý tưởng
thiết kế. Sau đó dựa trên sự phân tích sử dụng các tiêu chuẩn đánh giá để quyết định ý tưởng thiết
kế nào là tối ưu và nên được thực hiện.
Khối cuối cùng của sơ đồ thiết kế là thiết kế chi tiết, và mục tiêu chính của quyển sách là
phần thiết kế chi tiết của qui trình thiết kế tổng thể. Vấn đề quan trọng ở đây là bạn phải thấy một
lượng công việc đáng kể được tiến hành trước phần thiết kế chi tiết .
Ví dụ về chức năng, yêu cầu thiết kế, và chỉ tiêu đánh giá
Giả thiết bạn là người thiết kế hộp giảm tốc là một phần của thiết bị truyền công suất của
một máy kéo nhỏ. Động cơ máy máy kéo làm việc ở tốc độ khá cao, trong khi cơ cấu dẫn động
bánh lái quay với tốc độ chậm hơn nhiều và truyền mômen xoắn cao hơn nhiều mômen có được ở
đầu ra của động cơ.
Để bắt đầu quá trình thiết kế, chúng ta hãy liệt kê danh sách các chức năng của hộp giảm

tốc. Nhiệm vụ của nó? Một số câu trả lời cho câu hỏi đó như sau:
Chức năng
1. Nhận công suất từ động cơ máy kéo qua trục quay
2. Truyền công suất đến các chi tiết máy mà tốc độ quay đã được giảm đến giá trị mong
muốn.
3. Truyền công suất ở tốc độ quay thấp cho một trục ra cuối cùng để dẫn động bánh lái
của máy kéo.
Tiếp theo là các yêu cầu thiết kế. Danh sách sau đây mang tính giả thiết, nhưng nếu bạn ở
trong một nhóm thiết kế máy kéo, bạn sẽ có khả năng nhận ra các yêu cầu thiết kế từ kinh nghiệm
và sự khéo léo của bản thân và/hoặc bàn bạc với những thành viên thiết kế, nhân viên tiếp thị, kĩ
sư sản xuất, nhân viên bảo dưỡng, người cung cấp, và các khách hàng.
Quá trình thực hiện sản phẩm đòi hỏi các nhân viên từ tất cả các bộ phận đều phải tập
trung từ những giai đoạn thiết kế đầu tiên.
Yêu cầu thiết kế
1. Hộp giảm tốc truyền công suất 15.0 hp.
2. Đầu vào là động cơ xăng hai xylanh với tốc độ quay là 2000 v/ph.
3. Đầu ra truyền công suất với tốc độ quay trong phạm vi từ 290 đến 295 v/ph.
4. Hiệu suất cơ học yêu cầu là lớn hơn 95%.
5. Mômen xoắn nhỏ nhất trên đầu ra bộ giảm tốc là 3050 pound.in (lb.in).
6. Đầu ra hộp giảm tốc được nối với trục dẫn bánh lái của máy kéo nông nghiệp. Ở đây
xuất hiện bộ giảm chấn.
7. Trục vào và trục ra phải thẳng hàng.
21
8. Hộp giảm tốc sẽ được gắn vào khung thép cố định của máy kéo.
9. Yêu cầu kích thước nhỏ. Hộp giảm tốc cần vừa với không gian lớn nhất là 20 in × 20
in, với chiều cao lớn nhất là 24 in.
10. Máy kéo làm việc 8 giờ/ngày, 5 ngày/tuần, với tuổi thọ thiết kế là 10 năm.
11. Hộp giảm tốc cần được bảo vệ trước thời tiết và cần có khả năng làm việc ở mọi địa
điểm tại Hoa Kì với nhiệt độ trong phạm vi từ 0 đến 130
0

F.
12. Các khớp nối đàn hồi sẽ được sử dụng trên trục vào và ra để ngăn tải trọng hướng trục
và tải trọng uốn truyền cho Hộp giảm tốc.
13. Số lượng sản phẩm là 10 000 hộp/năm.
14. Giá thành hộp giảm tốc quyết định đến thành công của việc tiếp thị.
15. Cần thoả mãn tất cả các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp và nhà nước.
Chuẩn bị kĩ lưỡng các yêu cầu thiết kế sẽ bảo đảm chắc chắn rằng nỗ lực thiết kế sẽ tập
trung đúng kết quả mong muốn. Ngược lại có thể gây lãng phí nhiều thời gian và tiền bạc trong
thiết kế, mặc dù kĩ thuật được sử dụng rất tốt. Các yêu cầu thiết kế bao gồm tất cả mọi thứ cần
thiết, nhưng đồng thời chúng sẽ đưa đến nhiều cơ hội sáng tạo.
Chỉ tiêu đánh giá sẽ được hoàn thiện bởi tất cả các thành viên trong nhóm phát triển sản
phẩm để chắc chắn rằng những ý kiến của tất cả đều được xem xét. Thông thường trọng lượng
được coi là chỉ tiêu đánh giá tầm quan trọng của chúng.
Độ an toàn là chỉ tiêu quan trọng nhất. Các quan điểm thiết kế khác nhau có thể có các
mức an toàn riêng, được bổ xung để phù hợp với các yêu cầu về an toàn, như đã lưu ý trong danh
sách yêu cầu thiết kế. Những người thiết kế và các kĩ sư có trách nhiệm về mặt pháp lý nếu có
người bị thương vì sai sót trong thiết kế. Bạn cần xét đến mọi trường hợp có thể xảy ra khi sử
dụng thiết bị và bảo đảm an toàn khi nó làm việc hoặc ngừng làm việc.
Đạt được hiệu suất cao cũng là một ưu tiên quan trọng. Phải chắc chắn rằng các ý tưởng
thiết kế với các chức năng có thể chưa được trình bày trong các thiết kế khác.
Các chỉ tiêu còn lại sẽ tương ứng với các yêu cầu cụ thể của từng bản thiết kế riêng. Danh
sách sau đây đưa ra các minh hoạ về chỉ tiêu đánh giá có thể cho một máy kéo nhỏ.
Chỉ tiêu đánh giá
1. An toàn (vấn đề liên quan đến an toàn bao trùm toàn bộ các yêu cầu được trình bày)
2. Hoạt động (mức độ vượt yêu cầu của các ý tưởng thiết kế)
3. Sự đơn giản trong sản xuất.
4. Sự đơn giản trong bảo dưỡng hay thay thế các bộ phận
5. Sự đơn giản trong vận hành.
6. Chí phí ban đầu thấp
7. Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp

8. Kích cỡ nhỏ và khối lượng thấp
9. Tiếng ồn và dao động nhỏ, làm việc êm
22
10. Sử dụng các vật liệu sẵn có và các bộ phận có thể mua được
11. Thận trọng khi sử dụng các chi tiết được thiết kế đặc biệt và các chi tiết sẵn có.
12. Hình dạng bên ngoài phải thu hút và tương thích với các ứng dụng
1-5. Ví dụ về kết hợp các chi tiết máy trong thiết kế cơ khí
Thiết kế cơ khí là một quá trình thiết kế và/hoặc chọn lựa các chi tiết máy và lắp chúng
với nhau để đạt được chức năng mong muốn. Dĩ nhiên, các chi tiết máy cần phải tương thích, lắp
vừa với nhau, sử dụng an toàn và hiệu quả. Người thiết kế cần lưu ý không chỉ khả năng làm việc
của chi tiết được thiết kế ở một thời điểm định sẵn mà còn các chi tiết lắp ghép.
Để minh hoạ cách kết hợp thiết kế chi tiết máy với thiết kế cơ khí, chúng ta xét thiết kế
của hộp giảm tốc của máy kéo kéo nhỏ đã thảo luận trong mục 1-4. Giả thiết để hoàn thành việc
giảm tốc độ, bạn quyết định chọn giảm tốc hai cấp, hộp giảm tốc bánh răng thẳng. Bạn định rõ 4
bánh răng, 3 trục, 6 ổ và vỏ để chứa từng chi tiết riêng lẻ trong mối liên hệ chính xác với các chi
tiết khác, như ví dụ trên hình 1-12.
Các chi tiết chính của hộp giảm tốc trong hình 1-12 là:
1. Trục vào (trục 1) được nối với nguồn công suất là động cơ xăng có tốc độ 2000 v/ph.
Một nối trục đàn hồi được sử dụng để giảm thiểu sự khó khăn trong chỉnh đồng tâm
hai trục.
2. Cặp bánh răng đầu tiên, A và B, làm giảm tốc ở trục trung gian (trục 2) tương ứng với
tỉ lệ số răng của hai bánh răng. Bánh răng B và C đều lắp trên trục 2 và quay với cùng
tốc độ.
3. Một then được sử dụng tại mặt phân cách giữa mayơ của mỗi bánh răng và trục để
truyền mômen xoắn giữa bánh răng và trục.
4. Cặp bánh răng thứ hai, C và D, giảm tốc độ của bánh răng D và trục ra (trục 3) xuống
phạm vi từ 290 đến 295 v/ph.
5. Trục ra mang đĩa xích (không thể hiện). Truyền động xích ở cuối được nối với truyền
động bánh lái của máy kéo.
6. Mỗi một trục được đỡ bởi 2 ổ bi, được coi như các gối tĩnh định cho phép sử dụng các

khái niệm cơ học để phân tích lực và ứng suất.
7. Các ổ được lắp lên vỏ hộp, vỏ được cố định vào khung của máy kéo. Chú ý phương
pháp lắp ổ với vòng trong quay cùng trục còn vòng ngoài cố định.
8. Vòng phớt được lắp trên trục vào và trục ra để ngăn dầu không chảy ra ngoài và tạp
chất vào trong hộp.
9. Một số phần khác của vỏ được biểu diễn dưới dạng đơn giản. Cách thức lắp đặt, bôi
trơn, và căn chỉnh các chi tiết chỉ được đưa ra ở bước này của quá trình thiết kế để
chứng minh tính khả thi. Quá trình lắp ráp có thể thực hiện được như sau:
 Bắt đầu bằng định vị trí bánh răng, then, vòng đệm, và ổ trên các trục tương ứng.
 Tiếp theo lắp trục 1 vào gối đỡ ổ ở phía trái vỏ.
23
 Lắp đầu bên trái trục 2 vào gối đỡ trong khi điều chỉnh cho bánh răng A và B ăn
khớp.
 Lắp giá mang trục để cung cấp gối đỡ cho ổ bên phải trục 1.
 Lắp trục 3 bằng việc đặt ổ bên trái vào gối đỡ trong giá mang trục đồng thời làm
cho bánh răng C và D ăn khớp.
 Lắp vỏ bên phải hộp trong khi định vị hai ổ cuối vào gối đỡ của chúng.
 Bảo đảm trục được căn chỉnh một cách cẩn thận
 Bố trí chất bôi trơn bánh răng ở phần dưới của vỏ.
Hình 1-12 Thiết kế ý tưởng cho hộp giảm tốc
Bạn có thể quan sát chi tiết hộp giảm tốc hai cấp bánh răng thương phẩm trong các hình 9-
34 đến 9-36 chương 9.
Bạn cần phải đưa ra giải pháp để lắp ráp các bánh răng, bố trí các ổ đỡ sao cho bánh răng
nằm ở giữa, thiết kế hình dạng chung của vỏ hộp. Quá trình thiết kế không thể tiến hành một cách
hợp lý cho đến khi các các quyết định này được đưa ra. Chú ý rằng bản vẽ phác trên hình 1-12 là
nơi bắt đầu kết hợp các chi tiết thành một thiết kế tổng thể. Khi mà thiết kế tổng thể được xác
định, có thể tiến hành thiết kế các chi tiết máy riêng lẻ trong hộp giảm tốc. Với mỗi chi tiết được
đề cập, được trình bày trong các chương thích hợp của giáo trình. Phần II của giáo trình, gồm
chương 7-15, trình bày cụ thể các chi tiết của hộp giảm tốc. Bạn nên đưa ra nhiều giải pháp thiết
kế bằng cách biểu diễn dưới dạng bản vẽ phác. Đầu tiên, bạn đã chọn bánh răng trụ răng thẳng

thay vì bánh trụ răng nghiêng, trục vít và bánh vít, hoặc bánh răng côn. Trên thực tế một số dạng
giảm tốc khác như bộ truyền đai, xích, hoặc một số khác cũng có thể phù hợp.
Bánh răng
Với các cặp bánh răng, bạn cần xác định số răng của mỗi bánh, bước (cỡ) răng, các đường
kính vòng chia, chiều rộng vành răng, và vật liệu cùng chế độ nhiệt luyện. Những thông số kĩ
thuật đó phụ thuộc vào yêu cầu về độ bền, độ bền mòn của răng và các yêu cầu về chuyển động
(động học). Bạn cũng thấy rằng bánh răng cần được lắp trên trục sao cho bảo đảm định vị chính
xác, mômen xoắn cần thiết được truyền từ bánh răng sang trục (thông qua các then), sau đó thiết
kế trục.
24
Trục
Sau khi hoàn thành thiết kế bánh răng, bước tiếp theo là thiết kế trục (chương 12). Trục
chịu tải trọng uốn và xoắn do lực tác dụng trên răng của bánh răng. Vì vậy, khi thiết kế cần chú ý
đến độ bền và độ cứng, và cần tính đến vị trí của các bánh răng so với ổ trên trục. Trục bậc
(đường kính thay đổi) có vai trục để bánh răng và ổ tỳ vào. Trên trục có thể có các rãnh then
(chương 11). Trục vào và trục ra sẽ kéo dài ra ngoài vỏ hộp cho phép nối với động cơ và trục lái.
Bên cạnh đó cần lưu ý đến các kiểu nối trục , nó có thể tạo ra các ảnh hưởng lớn đến phân tích
ứng suất trên trục (chương 11). Các vòng phớt trên trục vào và trục ra bảo vệ các bộ phận bên
trong (chương 11).
Ổ
Thiết kế ổ là phần tiếp theo (chương 14). Nếu sử dụng ổ lăn, đa phần bạn sẽ chọn các ổ
sẵn có trên thị trường từ catalog của các nhà sản suất, hơn là thiết kế duy nhất một ổ. Đầu tiên bạn
cần xác định độ lớn của tải trọng trên mỗi ổ từ phần phân tích trục và thiết kế bánh răng. Cần lưu
tâm đến tốc độ quay, tuổi thọ, và khả năng lắp với trục. Ví dụ, trên cơ sở của phân tích trục, bạn
có thể định rõ đường kính trục nhỏ nhất cho phép tại mỗi vị trí lắp ổ để đảm bảo ứng suất ở mức
an toàn. Ổ đã chọn để đỡ trục cần có đường kính lỗ (đường kính trong) không nhỏ hơn đường
kính an toàn của trục. Dĩ nhiên, ổ sẽ không lớn quá giá trị cần thiết. Khi chọn ổ, đường kính trục
tại vị trí lắp ổ và dung sai cho phép cũng cần được định rõ, tuỳ thuộc vào khuyến cáo của nhà sản
xuất để ổ đảm bảo làm việc chính xác và tuổi thọ trung bình.
Then

Bây giờ tiến hành thiết kế then (chương 11) và rãnh then. Đường kính trục tại vị trí lắp
then quyết định các kích thước cơ bản của then (rộng và cao). Mômen xoắn cần truyền được sử
dụng trong tính toán sức bền để xác định chiều dài và vật liệu của then. Khi mà các bộ phận làm
việc đã được thiết kế, quá trình thiết kế vỏ có thể bắt đầu.
Vỏ hộp
Quá trình thiết kế vỏ hộp đòi hỏi cả sự sáng tạo lẫn tính thực tiễn. Chúng ta cần chuẩn bị
những gì để lắp ráp ổ một cách chính xác, và đảm bảo an toàn khi truyền tải trọng từ ổ qua vỏ đến
kết cấu mà hộp giảm tốc được lắp trên đó? Các chi tiết khác nhau sẽ được lắp vào vỏ như thế nào?
Các bánh răng và ổ sẽ được bôi trơn thế nào? Vật liệu của vỏ được sử dụng là gì? Vỏ sẽ là một chi
tiết đúc, một chi tiết hàn, hoặc lắp ráp từ các bộ phận khác nhau?
Quá trình thiết kế như các bước trên đây đưa đến thiết kế có thể tiến hành theo một trình
tự: từ các bánh răng đến các trục, đến các ổ, đến then và khớp nối, và kết thúc là vỏ. Tuy nhiên
với thiết kế đã cho sẽ rất hiếm khi đi theo lôgíc đó chỉ một lần. Thông thường người thiết kế cần
quay lại nhiều lần để điều chỉnh thiết kế của các bộ phận đã biết bị lỗi bởi sự thay đổi trong một
số bộ phận khác. Quá trình này gọi là sự lặp, tiếp tục cho đến khi đạt một thiết kế tổng thể chấp
nhận được. Đa số các mẫu ban đầu sẽ được phát triển và kiểm tra trong các phép lặp.
Chương 15 trình bày cách thức kết hợp các chi tiết máy thành một khối thống nhất.
1-6 Sự trợ giúp của máy tính trong giáo trình
Bởi vì thường xuyên cần đến các phép lặp và vì nhiều phương pháp thiết kế rất dài, tính
toán phức tạp, các bảng tính, các phần mềm giải tích, các chương trình máy tính, hoặc chương
25
trình tính toán thường được sử dụng hiệu quả trong thiết kế, phân tích. Các bảng tính và chương
trình tương tác cho phép bạn, người thiết kế, đưa ra các quyết định thiết kế trong quá trình thiết
kế. Bằng cách này nhiều phép thử có thể thực hiện trong một thời gian ngắn, và có thể khảo sát
ảnh hưởng của việc thay đổi các biến số. Các bảng tính sử dụng Microsoft Excel được sử dụng rất
phổ biến trong giáo trình này như là ví dụ cho thiết kế có sự trợ giúp của máy tính.
1-7 Các tính toán trong thiết kế
Khi bạn học giáo trình này và khi bạn ứng dụng vào công việc như một người thiết kế,
bạn sẽ làm rất nhiều phép tính. Việc ghi lại các tính toán một cách gọn gàng, đầy đủ, và theo một
thứ tự nhất định là rất quan trọng. Bạn có thể phải giải thích cho người khác bạn đã tiếp cận các

thiết kế như thế nào, dữ liệu bạn đã dùng là gì, và các giả thiết, phán đoán mà bạn đưa ra. Trong
một số trường hợp, một số người khác thậm chí sẽ kiểm tra công việc của bạn khi bạn không có
lời giải thích hoặc trả lời cho các câu hỏi. Hơn nữa một bản thuyết minh chính xác về các tính
toán thiết kế sẽ hữu ích nếu có sự thay đổi trong thiết kế. Trong tất cả các trường hợp trên, bạn cần
phải chia sẻ thiết kế của mình cho một số người khác dưới dạng thuyết minh và bản vẽ.
Để chuẩn bị cẩn thận cho báo cáo thiết kế, bạn thường theo các bước sau:
1. Xác định chi tiết đang được thiết kế và bản chất của các tính toán thiết kế.
2. Vẽ phác chi tiết, chỉ ra các đặc trưng ảnh hưởng đến sự vận hành hoặc phân tích ứng
suất.
3. Chỉ ra trên bản vẽ các lực tác đụng lên chi tiết (sơ đồ tách vật), và cung cấp các bản vẽ
khác để diễn giải cụ thể.
4. Xác định kiểu phân tích được thực hiện, ví dụ ứng suất do uốn, độ võng của dầm, sự
mất ổn định của cột,
5. Liệt kê các số liệu ban đầu và các giả thiết.
6. Viết các công thức được sử dụng ở dạng kí hiệu, và làm sáng tỏ các giá trị và thứ
nguyên của các biến số phức tạp. Nếu một công thức không thuận tiện cho người kiểm
tra, hãy chỉ ra nguồn gốc. Người kiểm tra có thể muốn tham khảo để đánh giá sự thích
hợp của công thức.
7. Giải từng phương trình để thu được biến mong muốn
8. Đưa dữ liệu vào, kiểm tra các thứ nguyên, và thực hiện các tính toán.
9. Xem xét tính hợp lí của kết quả
10. Nếu kết quả không hợp lí, thay đổi giải pháp thiết kế và tính toán lại. Có thể thay đổi
hình dạng hoặc vật liệu sẽ cho kết quả hợp lý hơn.
11. Khi đạt được kết quả thoả đáng, định rõ các giá trị cuối cùng cho tất cả các thông số
thiết kế quan trọng, sử dụng kích thước tiêu chuẩn, các vật liệu sẵn có,
Hình 1-13 đưa ra một ví dụ về tính toán thiết kế. Một dầm bắc qua khe rộng 60 in để đỡ
một thiết bị lớn nặng 2050 (lb). Thiết kế giả thiết rằng dầm có tiết diện chữ nhật. Có thể sử dụng
một số tiết diện khác. Mục đích là tính kích thước yêu cầu của tiết diện dầm, xét đến cả ứng suất
và độ võng của dầm. Bên cạnh đó cần chọn vật liệu dầm. Tham khảo chương 3 để xem lại ứng
suất ứng uốn của dầm.

26
1-8 Các kích thước ưu tiên, ren vít, và các tiết diện tiêu chuẩn
Nhiệm vụ của người thiết kế là định rõ kích thước cuối cùng cho kết cấu chịu lực. Sau khi
hoàn thành việc phân tích ứng suất và biến dạng, người thiết kế sẽ biết giá trị kích thước nhỏ nhất
có thể đảm bảo kết cấu làm việc theo đúng yêu cầu. Tiếp theo người thiết kế định rõ các kích
thước cuối theo tiêu chuẩn hoặc đưa về các giá trị ưu tiên nhằm giảm bớt các vật liệu phải mua và
các chi tiết cần chế tạo. Mục này trình bày một số hướng dẫn giúp đưa ra các quyết định như trên
và các tiêu chuẩn .
THIẾT KẾ MỘT THANH ĐỠ CÁC THIẾT BỊ TRONG LÒ NUNG
CHIỀU DÀI THANH LÀ 60 IN
TRỌNG LƯỢNG THIẾT BỊ 2050 LB
TREO CÁCH NHAU 24 IN
THANH LÀ MỘT DẦM CHỊU UỐN
1. σ = M/S
GIẢ THIẾT TIẾT DIỆN THANH
HÌNH CHỮ NHẬT
S = MÔMEN CHỐNG UỐN CỦA
MẶT CẮT
S= t.h
2
/6
CHO h = 3t
KHI ĐÓ S = t.(3t)
2
/6 = 9t
3
/6
S = 1.5t
3
2. CẦN TÌM t =

3
5.1
S

THỬ THANH THÉP AISI 1040 HR
S
y
= 42 000 PSI (GIỚI HẠN
CHẢY)
CHO σ = σ
d
= S
y
/N = ỨNG SUẤT
THIẾT KẾ
N = HỆ SỐ AN TOÀN TRONG THIẾT KẾ
CHO N = 2 ( TẢI TĨNH)
σ
d
= 42000/2 = 21000 PSI
KHI ĐÓ TỪ 1: S = M/σ
d
= MÔMEN CHỐNG UỐN CẦN TÌM
S =
IN
LB
INLB
2
.21000
.18450

= 0.879 IN
3
TỪ 2: t =
3
5.1
S
= =
3
3
5.1/879.0
IN
= 0.873 IN
KHI ĐÓ h = 3t = 3.(0.873 IN) = 2.51 IN
NHÀ CUNG CẤP CÓ SẴN ¾ × 2 ¾ [h/t = 2.75/0.75 = 3.67 ok]
KIỂM TRA S = t.h
2
/6 = (0.75 IN).(2.75 IN)
2
/6 = 0.945 IN
3
> 0.879 IN
3
ok
σ = M/S = 18450 LB.IN/ 0.945 IN
3
= 19500 PSI
N = S
y
/σ = 42000 PSI/19500 PSI = 2.15 ok
KIỂM TRA ĐỘ VÕNG TẠI GIỮA DẦM

y =
( )
al
EI
Wa
22
43
24
−
(MACHINERY’S HANDBOOK. XUẤT BẢN LẦN 26. TRANG 238. PHẦN 4)
27