Luậ văn thạc sĩ thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm xoắn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------

NGUYỄN THU HƢỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XOẮN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Thu Hƣờng - Học viên cao học lớp K15 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, khóa 2012 - 2014 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm xoắn”
Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa
và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành.
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa
từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác.
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 12 năm 2014.
Học viên

Nguyễn Thu Hƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo,giúp đỡ Tôi rất nhiều trong quá trình Tôi nghiên
cứuvàhoàn thành luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chú Nguyễn Đức Dũng – Xƣởng cơ khí
Dũng Trình, Chú đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảoTôi trong thời gian Tôi triển khai thực
hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận
văn này.
Cuối cùng Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình Tôi, bạn bèđã ủng hộ và
động viên Tôi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Nguyễn Thu Hƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
CHƢƠNG 1TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN ............................................ 10
CHƢƠNG 2CƠ SỞ BÀI TOÁN THIẾT KẾ .................................................................. 6
2.1. Cơ sở xác định thông số kĩ thuật của thiết bị. ...................................................... 6
2.1.1. Momen xoắn trong vùng đàn hồi. .................................................................... 7
2.1.2. Momen xoắn trong vùng biến dạng dẻo. ......................................................... 8
2.2. Phân tích bài toán thiết kế. ................................................................................... 8
2.3. Chọn sơ bộ các thành phần chính cho thiết bị. .................................................. 13
CHƢƠNG 3THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................... 27
3.1. Thiết kế hệ thống thiết bị thí nghiệm. ................................................................ 27
3.2. Kiểm nghiệm khả năng tải của bộ truyền. ......................................................... 29
3.2.1. Bộ truyền đai. ................................................................................................. 29
3.2.1.1. Kiểm nghiệm khả năng tải của bánh đai chủ động. .................................... 29
3.2.1.2. Kiểm nghiệm khả năng tải của bánh đai bị động. ....................................... 30
3.2.2. Bộ truyền xích. ................................................................................................ 34
3.3. Xác đinh khả năng quá tải cho thiết bị thí nghiệm. ........................................... 37
CHƢƠNG 4THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO MOMEN XOẮN ................ 39
4.1. Thiết kế khung đỡ. ............................................................................................. 39
4.2. Thiết kế đĩa kẹp. ................................................................................................. 39
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4.3. Thiết kế tay đòn .................................................................................................. 39
4.4. Thiết kế trục. ...................................................................................................... 40
CHƢƠNG 5 HIỆU CHỈNH THIẾT BỊ ........................................................................ 48
5.1. Thiết kế mô hình hiệu chỉnh ............................................................................. 48
5.2. Kết quả và đánh giá. ........................................................................................... 50

5.3. Kết luận và kiến nghị. ........................................................................................ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 56
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 57
1. Bảng kết quả thí nghiệm 5 lần đo lực trên mô hình thí nghiệm............................ 57
2. Bảng xử lí kết quả đo và tính toán quy đổi giá trị điện áp trên loadcell. .............. 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Kí hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

τ

Ứng suất cắt

2

σ

Ứng suất pháp

3

G

Modun đàn hồi cắt

4

E

Modun đàn hồi

5

θ

Góc xoắn tỉ đối

6

υ

Góc xoắn tuyệt đối

7

ρ,R

Bán kính trục chịu xoắn

8

D, d

Đƣờng kính trục chịu xoắn

9

γ

Biến dạng cắt

10

Jp

Momen quán tính

11

MZ, T

Momen xoắn

12

MZY

Momen xoắn trong miền đàn hồi

13

MZU

Momen xoắn trong miền biến dạng dẻo

14

L, l

Chiều dài

15

P

Công suất xoắn trục mẫu thí nghiệm

16

PY

Công suất xoắn trục mẫu thí nghiệm trong miền đàn hồi
Công suất xoắn trục mẫu thí nghiệm trong miền biến

17

PU

dạng dẻo

18

Pdc

Công suất động cơ
Công suất động cơ xoắn trục mẫu thí nghiệm trong miền

19

đàn hồi

PYdc

Công suất động cơ xoắn trục mẫu thí nghiệm trong miền
20

PUdc

biến dạng dẻo

21

η

Hiệu suất

22

n

Tốc động vòng quay

23

i

Tỉ số truyền các bộ truyền

24

Lđai

Chiều dài dây đai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

25

Loại dây đai

K
a

26

*

, a1

Khoảng cách trục.

Số chêm dây đai

30

[P0]

Công suất cho phép

31

Kd

Hệ số tải trọng động

32

Cα

Hệ số kể đến ảnh hƣởng của góc ôm trên bánh đai nhỏ

33

Cl

Hệ số kể đến ảnh hƣởng đến chiều dài đai

34

Cu

Hệ số kể đến ảnh hƣởng của tỉ số truyền

35

v

Vận tốc

36

qm10

Khối lƣợng 1m đai có 10 chêm

37

Mtd, Mx, My

Momen ngoại lực

38

F0đai

Lực căng đai ban đầu

39

Fr

Lực hƣớng kính tác dụng lên trục

40

Fvđai

Lực căng đai do lực li tâm sinh ra

41

Ft

Lực vòng

42

Z1 , Z2

Số răng đĩa xích

43

Q

Tải trọng phá hủy xích

44

D0 , Da , Df

Đƣờng kính vòng chia, vòng đỉnh, vòng chân đĩa xích

45

Z

Giá trị điện áp ứng với 1 Kg trên loadcell

46

M

Khối lƣợng

47

Vin

Điện áp kích thích

48

D
Vout

Điện áp đầu ra trên bộ hiển thị 3570

49

QĐ
Vout

Điện áp đầu ra quy đổi theo điện áp loadcell

50

TB
Vout

Điện áp đầu ra trung bình trên bộ hiển thị 3570

51

TT
Vout

Điện áp đầu ra tính toán trên loadcell

52

VKD

Điện áp khoảng đo

53

∆%

Sai số

2

t

1

F

Z

Z

d

Zđai

l

29

u

Góc ôm lắp bánh đai

C

α

K

28

C

Đƣờng kính bánh đai

C





27

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Thiết bị đo momen dạng tĩnh.

2

Hình 1.2

Thiết bị đo lực xiết hay vặn nắp chai

2

Hình 1.3

Hình 1.4

Hình 1.5

Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu tín hiệu có vòng
trƣợt – chổi quét.
Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu sử dụng máy biến
áp quay sử dụng khớp nối.
Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu tín hiệu không
dây ( sóng hồng ngoại hoặc radio )

3

3

4

Hình 1.6

Cấu tạo thiết bị đo momen dạng động vòng trƣợt – chổi quét.

4

Hình 1.7

Thiết bị thí nghiệm xoắn gia lực bằng tay

5

Hình 1.8

Thiết bị thí nghiệm xoắn gia lực bằng động cơ.

5

Hình 2.1

Sơ đồ xác định đặc tính xoắn của vật liệu.

6

Hình 2.2

Nguyên lí hoạt động của thiết bị thí nghiệm.

12

Hình 3.1

Sơ đồ thiết kế thiết bị thí nghiệm xoắn.

25

Hình 3.2

Sơ đồ đoạn trục lắp bánh đai bị động và ổ.

29

Hình 3.3

Biểu đồ momen ngoại lực tác dụng lên trục lắp bánh đai và ổ.

30

Hình 3.4

Sơ đồ đoạn trục lắp xích và ổ.

32

Hình 3.5

Biểu đồ momen ngoại lực tác dụng lên trục lắp xích và ổ.

32

Hình 4.1

Hình vẽ 3D thiết kế, chế tạo khung đỡ.

37

Hình 4.2

Bản vẽ chế tạo đĩa kẹp

38

Hình 4.3

Hình vẽ 3D tay đòn lắp với loadcell, gối trục và bản vẽ chế tạo
tay đòn.

39

Hình 4.4

Bản vẽ chế tạo trục.

40

Hình 4.5

Mô hình 3D thiết bị thí nghiệm hoàn chỉnh.

41

Hình 4.6

Thiết bị đo hoàn chỉnh

42

Hình 5.1

Mô hình thí nghiệm giá trị lực tác dụng – điện áp.

44

Hình 5.2

Đồ thị momen - điện áp đầu ra trên bộ hiển thị 3570.

48

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Nội dung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

Trang
/>

Bảng 2.1

Bảng 2.2

Bảng 2.3

Bảng tra modun và ứng suất cho một số vật liệu thông dụng.
Bảng giá trị momen lớn nhất trong vùng đàn hồi và vùng biến
dạng dẻo của một số vật liệu thông dụng.
Bảng giá trị góc xoắn lớn nhất trong vùng đàn hồi của một số
vật liệu thông dụng.

8
19

10

Bảng 2.4

Bảng giá trị công suất xoắn.

14

Bảng 2.5

Bảng tỉ số truyền i.

16

Bảng 2.6

Bảng hiệu suất các phƣơng án ghép nối các bộ truyền.

17

Bảng 2.7

Bảng tính sơ bộ công suất động cơ.

18

Bảng 3.1

Thông số của đĩa xích.

26

Bảng 3.2

Thông số của xích con lăn hai dãy.

26

Bảng 5.1

Bảng thông số loadcell.

43

Bảng 5.2

Bảng tính toán sai số phép đo.

46

Bảng 1

Bảng kết quả 5 lần thí nghiệm.

51

Bảng 2

Bảng kết xử lí kết quả thí nghiệm và quy đổi điện áp.

54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN
Việc xác định giá trị momen xoắn có ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực
thực tiễn.Giá trị momen xoắn dùng để xây dựng đƣờng đặc tuyến làm việc của động
cơ, máy phát, từ đó xác định đƣợc công suất cơ của động cơ, máy phát và xác định khả
năng quá tải của động cơ, hoặc dùng để xác định momen quay của bánh đà, hộp giảm
tốc. Giá trị momen xoắn cũngđƣợc dùng trong việc xác định lực vặn của bulong – đai
ốc trong các mối ghép kẹp chặt chi tiết, đặc biệt là những mối ghép kẹp chặt các chi
tiết chuyển động để tránh hiện tƣợng tự tháo lỏng, hay dùng để xác định lực vặn sử
dụng quá trình đóng nắp chai tự động...
Trong lĩnh vực cơ học vật liệu, giá trị momen xoắn đƣợc xác định nhằm khảo sát

ứng xử cơ học của vật liệu ở trạng thái trƣợt thuần túy. Thông qua việc đo các giá trị
momen xoắn,góc xoắn, biến dạngsẽ cho phép xây dựng biểu đồ momen xoắn – góc
xoắn hay biểu đồmomen xoắn – biến dạng trong vùng đàn hồi và vùng biến dạng dẻo
của vật liệu. Từ đó, dùng cho việcxác định modun đàn hồi trƣợt một cách trực tiếp
hoặc dùng để xây dựng biểu đồ ứng suất – biến dạng cắtvà xác địnhgiá trị ứng suất cắt
lớn nhất đối vớimỗi loại vật liệu. Bên cạnh đó, việc xây dựng mối tƣơng quan giữa
momen xoắn – góc xoắn, ứng suất – biến dạng cắt của vật liệu đƣợc dùng làm cơ sở
trong các bài toán tính toán thiết kế các trục truyền động trong kĩ thuật, cho phép xác
định sơ bộ loại vật liệu và kích thƣớc trục sẽ đƣợc thiết kế, và dùng cho các bài toán tối
ƣu hóa thiết kế kĩ thuật.
Trong thực tế có các thiết bị đo giá trị momen xoắn : thiết bị đo momen xoắn
dạng tĩnh và thiết bị đo momen xoắn dạng động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

2

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Hình 1.1. Thiết bị đo momen dạng tĩnh.
Thiết bị kiểm tra, xác định giá trị momen dùng cho việc thiết kế, chế tạo dụng
cụ đo momen dạng cầm tay để xác định lực kẹp hay vặn của bulong.

Hình 1.2. Thiết bị đo lực xiết hay vặn nắp chai
Thiết bị đo momen dùng để xác định lực vặn lắp chai, sử dụng cho quá trình
đóng nắp chai tự động.

Với yêu cầu xác định đƣợc giá trị momen xoắncủa các cơ cấu máy : momen động
cơ, momen quay của bánh đà, momen của hộp bánh răng, hộp giảm tốc, momen quay
của các trục truyền động... hiện nay có nhiều loại thiết bị đo momen động. Các thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

3

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

đo momen dạng động đo ở dạng tiếp xúc hoặc không tiếp xúc nên thích hợp với việc
xác định giá trị momen ở tốc độ quay lớn.

Hình 1.3. Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu tín hiệu có vòng trƣợt – chổi
quét.

Hình 1.4. Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu sử dụng máy biến áp quay sử
dụng khớp nối.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

4

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng động sử dụng bộ thu tín hiệu không dây ( sóng
hồng ngoại hoặc radio )
Từ yêu cầu xác định đƣợc giá trị momen, cùng với sự phát triển của các thiết bị
cảm biến có độ chính xác cao, hiện nay hầu hết các thiết bị đo giá trị momen xoắn dạng
tĩnh và thiết bị đo momen dạng động đều hoạt động dựa trên nguyên lí đo biến dạng
của trục mẫu chịu xoắn nhờ bộ cảm biến cầu biến dạng strain gauge.
Trục chịu xoắn
Strain gauge

Hình 1.6. Cấu tạo thiết bị đo momen dạng động vòng trƣợt – chổi quét.
Trong chế tạo thiết bị đo momen xoắn, một trong những công đoạn quan trọng là
phải xây dựng đƣợc đƣờng đặc tuyến momen – biến dạng. Việc xây dựng đƣờng đặc
tuyến momen – biến dạng của vật liệu đƣợc tiến hành trên các máy thí nghiệm xoắn vật
liệu :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

5

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Hình 1.7. Thiết bị thí nghiệm xoắn gia lực bằng tay

Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm xoắn gia lực bằng động cơ.

Bên cạnh đó, trong lĩnh vực cơ học vật liệu, việc xây dựng đƣờng đặc tuyến
momen – biến dạng hay momen – góc xoắn nhằm khảo sát ứng xử cơ học của vật liệu
ở trạng thái trƣợt thuần túy và xác định hằng số modul đàn hồi một cách trực tiếp. Từ
những phân tích trên, vấn đề cần đặt ra là phải có thiết bị xác định đặc tính chịu xoắn
trên trục mẫu vật liệu đƣợc thí nghiệm. Vì vậy tác giả chọn đề tài: “ Thiết kế, chế tạo
thiết bị thí nghiệm xoắn ”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

6

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ BÀI TOÁN THIẾT KẾ
2.1. Cơ sở xác định thông số kĩ thuật của thiết bị.
Thiết bị đƣợc thiết kế, chế tạo là thiết bị thí nghiệm(thiết bị tạo momen xoắn),
nguyên lí xác định giá trị momen do thiết bị tạo ra dựa vào định luật III Niuton: Định
luật lực và phản lực. Các thông số kĩ thuật của thiết bị bao gồm: Phạm vi giá trị
momen xoắn và phạm vi góc xoắn mà thiết bị đo đƣợc. Do đó, cơ sở để xác định các
thông số kĩ thuật của thiết bị dựa trên ứng dụng lí thuyết sức bền vật liệu trong việc
xác định đặc tính chịu xoắn của trục mẫu.Việc tính toán giá trị momen xoắn, góc xoắn
cho trục chịu xoắn sẽ đƣợc dùng làm cơ sở để:
+ Xác định giá trị momen xoắn cần thiết mà thiết bị cần tạo ra khi tiến hành xoắn
trục nhằm xác định đƣợc công suất của động cơ dùng trong thiết bị và phục vụ cho
việc thiết kế, tính toán khả năng làm việc của các bộ truyền dùng trong việc chế tạo

thiết bị.
+ Xác định phạm vi đo góc xoắn trong vùng biến dạng đàn hồi và vùng biến dạng
dẻo của trục mẫu dùng trong việc thiết kế xích truyền động của thiết bị và nghiên cứu
các phƣơng án đo góc xoắn trên trục mẫu.
+ Xác định phạm vi kích thƣớc trục mẫu( đƣờng kính trục, chiều dài trục) có thể
tiến hành các thí nghiệm xoắn trục trên thiết bị phục vụ cho việc tính toán, thiết kế
kích thƣớc của thiết bị.
τ
θ

υ

ρ

R

Mz
τ
L

dA

Hình 2.1. Sơ đồ xác định đặc tính xoắn của vật liệu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

7

Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại :

 max    

 max 
2

( MPa )

(2.1)

Ứng suất cắt đƣợc xác định theo công thức :

   G  G  
 max  GR 


 max ( MPa )
R

M Z .R
(MPa)
Jp

Trong đó :
- Momen quán tính :



T
rục đặc :

Jp 

 R4
2



 D4
32

 0,1D 4

(mm 4 )

(2.2)

 Trục rỗng :
Jp 

 R14
2



 R24

2




32

( D14  D24 )  0,1D14 (1  k 4 )

(mm 4 )

với : k  D2
D1
- Biến dạng cắt :   tan  

r
(rad )
L

-

G
óc xoắn tỉ đối :  

180M z 180  

(độ/mét)
 GJ p  RG

(2.3)

-

G
óc xoắn tuyệt đối :   L. (độ )

(2.4)

-

M
odun đàn hồi trƣợt :

G


M z .L

(GPa)

J p .

(2.5)

2.1.1. Momen xoắn trong vùng đàn hồi.
a. Momen xoắn tại điểm lớn nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

8
- Trục đặc :

 max 

M z max .D / 2

 D / 32
4



16 M z max

D

3



M z max .R
Jp

(MPa)

(2.6)

- Trục rỗng :
 max 

16M z max .D1

 ( D14

 D24 )



16M z max .D1

 D14 (1  k 4 )



M z max .R1
J p (1  k 4 )

(MPa)

b. Góc xoắn.
-

G

180 M z 180  max
óc xoắn tỉ đối :  max 

(độ/mét)

 GJ p
 RG

(2.7)

-

G
óc xoắn tuyệt đối : 

max

 L. max (độ )

(2.8)

2.1.2. Momen xoắn trong vùng biến dạng dẻo.
a. Momen xoắn tại điểm lớn nhất.
-

T
rục đặc :

 max 

12M z max

D

3



- Trục rỗng :  max 

3M z max
2 R3

(MPa)

12M z max .D1

 ( D14  D24 )



(2.9)

3M z max
2 R13 (1  k 4 )

(MPa)

b. Góc xoắn.
Trong vùng biến dạng dẻo, quan hệ giữa momen xoắn và góc xoắn không còn
tuyến tính. Do đó, việc tính toán xác định góc xoắn không xác định đƣợc bằng công
thức mà đƣợc xác định bằng các thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm.
2.2.Phân tích bài toán thiết kế.

Khảo sát ứng xử cơ học của vật liệu ở trạng thái trƣợt thuần túy là việc xác định
đặc tính chịu xoắn của vật liệu. Đặc tính chịu xoắn của vật liệu đƣợc xác định thông
qua việc đo các giá trị momen xoắn, góc xoắn và biến dạng xoắn của vật liệu trên thiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

9

bị thí nghiệm. Từ đó, xây dựng biểu đồ momen xoắn – góc xoắn hay biểu đồ ứng suất
tiếp – biến dạng cắt.
Biến dạng của vật liệu xảy ra trong hai vùng : vùng biến dạng đàn hồi và vùng
biến dạng dẻo. Việc tính toán momen xoắn, góc xoắn trong vùng đàn hồi và vùng biến
dạng dẻo sẽ cho phép xác định đƣợc giá trị momen xoắn, góc xoắn và kích thƣớc trục
mẫu thí nghiệm. Từ đó, làm cơ sở cho việc thiết kế, tính toán các thành phần chính cho
thiết bị thí nghiệm.
Từ công thức [2.1 – 2.9] tính toán giá trị momen xoắn và góc xoắn cho một số vật
liệu thông dụng trong kĩ thuật :
Ứng suất đàn

Ứng suất giới

Modun đàn

Modun cắt

hồi E(Gpa)

G(Gpa)

Nhôm 7075 – T6

72

27

480

550

Đồng

96 - 110

36 - 41

70 – 550

220 – 620

Thép đúc

83 - 170

32 - 69

120 – 290

69 – 480

Thép dụng cụ

190 - 210

75 – 80

520

900

Thép không gỉ

190 - 210

75 – 80

280 – 700

400 – 1000

ASTM – A514

190 - 210

75 – 80

700

830

Vật liệu

hồi

Mpa)

hạn

(Mpa)

Bảng 2.1. Bảng tra modun và ứng suất cho một số vật liệu thông dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

10

Nhôm 7075 – T6

Đồng

d

d

(mm)

(N.m)

(N.m)

(mm)

(N.m)

(N.m)

10

48

72,0

10

55

81,1

15

162

242,9

15

185,6

273,8

20

384

575,7

20

440,0

648,9

25

750

1124,3

25

859,4

1267,4

Thép không gỉ

Thép đúc

d

d

(mm)

(N.m)

(N.m)

(mm)

(N.m)

(N.m)

10

70

130,8

10

29

62,8

15

236,3

441,6

15

97,9

212,0

20

560,0

1046,7

20

232,0

502,4

25

1093,8

2044,3

25

453,1

981,3

Thép dụng cụ

ASTM – A514

d

d

(mm)

(N.m)

(N.m)

(mm)

(N.m)

(N.m)

10

52

117,8

10

70

108,6

15

175,5

397,4

15

236,3

366,5

20

416

942,0

20

560,0

868,7

25

812,5

1839,8

25

1093,8

1696,7

Bảng 2.2.Bảng giá trị momen lớn nhất trong vùng đàn hồi và vùng biến dạng dẻo của
một số vật liệu thông dụng.
Với : + MZY: Momen xoắn trục mẫu trong miền đàn hồi
+ MZU: Momen xoắn trục mẫu trong miền biến dạng dẻo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

11

Nhôm 7075 – T6
d

θ

υ ( độ )

(mm)

( độ/mét

L = 100 mm L = 200 mm L = 300 mm

10

101,9

10,19

20,38

30,57

15

67,9

6,79

13,59

20,38

20

51,0

5,10

10,19

15,29

25

40,8

4,08

8,15

12,23

Thép không gỉ
d

θ

υ ( độ )

(mm)

( độ/mét)

L = 100 mm L = 200 mm L = 300 mm

10

53,5

5,35

10,70

16,05

15

35,7

3,57

7,13

10,70

20

26,8

2,68

5,35

8,03

25

21,4

2,14

4,28

6,42

Thép dụng cụ
d

θ

υ ( độ )

(mm)

( độ/mét )

L = 100 mm L = 200 mm L = 300 mm

10

39,7

3,97

7,95

11,92

15

26,5

2,65

5,30

7,95

20

19,9

1,99

3,97

5,96

25

15,9

1,59

3,18

4,77

Bảng 2.3. Bảng giá trị góc xoắn lớn nhất trong vùng đàn hồi của một số vật liệu thông
dụng.
Với: + θ: Góc xoắn tỉ đối
+ υ: Góc xoắn tuyệt đối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

12

Đồng
υ ( độ )

d

θ

(mm)

( độ/mét )

L = 100 mm

L = 200 mm

L = 300 mm

10

76,9

7,69

15,38

23,07

15

51,3

5,13

10,25

15,38

20

38,4

3,84

7,69

11,53

25

30,8

3,08

6,15

9,23

Thép đúc
d

υ ( độ )

θ

(mm) ( độ/mét )

L = 100 mm

L = 200 mm

L = 300 mm

10

24,1

2,41

4,82

7,23

15

16,1

1,61

3,21

4,82

20

12,0

1,20

2,41

3,61

25

9,6

0,96

1,93

2,89

ASTM – A514
d

υ ( độ )

θ

(mm) ( độ/mét )

L = 100 mm

L = 200 mm

L = 300 mm

10

53,5

5,35

10,70

16,05

15

35,7

3,57

7,13

10,70

20

26,8

2,68

5,35

8,03

25

21,4

2,14

4,28

6,42

Bảng 2.3. Bảng giá trị góc xoắn lớn nhất trong vùng đàn hồi của một số vật liệu thông
dụng.
Với: + θ: Góc xoắn tỉ đối
+ υ: Góc xoắn tuyệt đối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

13

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Bảng 2.2 và 2.3 cho thấy, khi tăng đƣờng kính trục mẫu thí nghiệm, momen xoắn

trong vùng đàn hồi và trong vùng biến dạng dẻo tăng, nhƣng góc xoắn trong vùng đàn
hồi lại giảm. Để khảo sát điều này bằng thực nghiệm, yêu cầu đƣợc thiết bị chế tạo
phải có momen xoắn khá lớn.
Mặt khác dựa vào bảng 2.3 nhận thấy, góc xoắn trong vùng đàn hồi của vật liệu
thƣờng rất nhỏ, góc xoắn giảm khi tăng đƣờng kính trục mẫu,ví dụ: Nhôm 7075-T6, l =
100mm: Ød = 10 mm,

; Ød = 15 mm,

; Ød = 20 mm,

; và tăng theo chiều dài trục mẫu thí nghiệmvới

; Ød = 25 mm,

cùng một đƣờng kính trục, ví dụ: Với Nhôm 7075-T6, Ød = 10 mm: l = 100mm,
, l = 300mm,

; Với thép dụng cụ, Ød = 10 mm: l = 100mm,

, l = 300mm,
, l = 300mm,

; Với thép đúc, Ød = 10 mm: l = 100mm,
. Do đó,để đo đƣợc góc xoắn, quan sát biến dạng

trong vùng đàn hồi của vật liệuvàghi lại số liệu thì tốc độ quay của thiết bị đƣợc thiết
kế cần nhỏ. Vì vậy, dự kiến thiết kế thiết bị thí nghiệm xoắn có :
- Momen xoắn : Mz = 800 – 1200 N.m
- Góc xoắn :

 Trong vùng đàn hồi :
 Trong vùng biến dạng dẻo :
Việc thiết kế phạm vi đo góc xoắn trong vùng đàn hồi
biến dạng dẻo

và trong vùng

nhằm tăng khoảng khảo sát trong vùng biến dạng đàn hồi của

vật liệu,thuận tiện cho việc xác định giới hạn chảy của vật liệuphục vụ cho việc xây
dựng đồ thị ứng suất – biến dạng.
2.3. Chọn sơ bộ các thành phần chính cho thiết bị.
Thiết bị đƣợc chế tạo là thiết bị tạo momen, nguyên lí xác định giá trị momen do
thiết bị tạo ra đƣợc xác định thông qua việc đo giá trị momen phản lực trên gối cố định
của cơ cấu kẹp trục mẫu. Momen phản lực bằng tích số của lực tác dụng nhân với
chiều dài cánh tay đòn.
Sơ đồ nguyên lí hoạt động của thiết bị thí nghiệm nhƣ sau :
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

14

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Hình 2.2. Nguyên lí hoạt động của thiết bị thí nghiệm.
Nguyên lí làm việc của thiết bị: Trục mẫu đƣợc kẹp chặt hai đầu bằng cơ cấu kẹp,
một đầu của cơ cấu kẹp lắp với tay đòn gắn loadcell và đƣợc lắp trên gối cố định,

loadcell dùng để đo lực tác dụng. Một đầu của cơ cấu kẹp đƣợc lắp với gối có chuyển
động quay tròn khi xoắn trục, gối có chuyển động quay đƣợc lắp với xích truyền động
và động cơ trên thiết bị. Dựa vào định luật III Niuton xác định đƣợc: momen đo đƣợc
trên gối cố định bằng momen do gối có chuyển động quay tạo ra, do đó xác định đƣợc
giá trị momen khi tiến hành xoắn trục mẫu.
Theo bảng 1.3, góc xoắn trong miền đàn hồi của hầu hết các loại vật liệu là rất
nhỏ. Từ đơn vị tốc độ vòng quay n (vg/phút) nhận thấy, với n = 1 (vg/phút), cứ sau 1
giây thì quay đƣợc

, mà góc xoắn trong miền đàn hồi dự kiến thiết kế :

.

Do điều kiện hạn chế, nên thiết bị thí nghiệm không đƣợc thiết kế theo hƣớng ghi lại
các giá trị momen xoắn, góc xoắn và biến dạng xoắn của vật liệu một cách tự động.
Việc ghi lại giá trị momen xoắn, góc xoắn và biến dạng xoắn đƣợc thực hiện bằng cách
ấn dừng động cơ và ghi chép bằng tay. Vì vậy, để dễ dàng quan sát biến dạng và ghi lại
số liệu dùng cho việc khảo sát ứng xử cơ học của vật liệu ở trạng thái trƣợt thuần túy
trong miền đàn hồi thì tốc độ trục xoắn của thiết bị thí nghiệm nên nằm trong khoảng n
= 0,5 – 1 (vg/phút).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

15

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

Để xác định công suất của động cơ, tỉ số truyền và khả năng tải của các bộ truyền
dùng cho thiết bị thí nghiệm, tiến hành tính toán công suất xoắn cần thiết cho các giá
trị momen xoắn đƣợc thiết kế trên thiết bị thí nghiệm.
Công suất xoắn đƣợc xác định theo công thức :

M z  9550

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

P
( N.m )
n

(2.10)

/>

Luận văn Thạc Sĩ Kĩ Thuật

Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ khí

16

Nhôm 7075 – T6
PY (KW)
d

PU (KW)

n = 0,5

n=1

n = 0,5

n=1

(mm)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

10

48

0,003

0,005

72,0

0,004

0,008

15

162

0,008

0,017

242,9

0,013

0,025

20

384

0,020

0,040

575,7

0,030

0,060

25

750

0,039

0,079

1124,3

0,059

0,118

Đồng
PY (KW)
d

n = 0,5

n=1

PU (KW)
n = 0,5

n=1

(mm)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

10

55

0,003

0,006

81,1

0,004

0,008

15

185,6

0,010

0,019

273,8

0,014

0,029

20

440,0

0,023

0,046

648,9

0,034

0,068

25

859,4

0,045

0,090

1267,4

0,066

0,133

Thép không gỉ
PY (KW)
d

n = 0,5

n=1

PU (KW)
n = 0,5

n=1

(mm)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

(N.m)

(vg/ph)

(vg/ph)

10

70

0,004

0,007

130,8

0,007

0,014

15

236,3

0,012

0,025

441,6

0,023

0,046

20

560,0

0,029

0,059

1046,7

0,055

0,110

25

1093,8

0,057

0,115

2044,3

0,107

0,214

Bảng 2.4. Bảng giá trị công suất xoắn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>