Cơ sở thiết kế máy và Robot - Cơ sở thiết kế máy

CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
1
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Cơ sở thiết kế máy & Chi tiết máy- Trịnh Chất
2. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (1,2) – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển
3. Chi tiết máy (1,2) – Nguyễn Trọng Hiệp
https://sites.google.com/site/quannm187/
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
2
Phần I. CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY
Chỉ tiêu:
- Năng suất, độ tin cậy, tuổi thọ
- Chi phí
- An toàn
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
3
=> Nội dung thiết kế máy:
1. Xác định nguyên tắc hoạt động, chế độ làm việc
2. Lập hồ sơ
3. Xác định tải trọng
4. Chọn vật liệu
5. Tính toán thiết kế => kích thước
Xác định hình dạng kích thước cụ thể (khả năng làm việc, TC, )
6. Lập thuyết minh, hướng dẫn
Kinh tế
Kỹ thuật
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
4
Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN
§1. Giới thiệu chung
1. Khái niệm
- Chi tiết máy: đơn vị nhỏ nhất hợp thành của máy (không
nguyên công lắp ráp)
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
5
- Nhóm tiết máy: Σ các chi tiết
Ưu điểm:
- Tiết kiệm kim loại quý
- Dễ chế tạo
- Dễ thay thế
- Bộ phận máy: Σ các chi tiết, nhóm tiết
- Máy
§1. Giới thiệu chung
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
6
2. Phân loại
- CTM có công dụng chung
- CTM có công dụng riêng
3. Học phần Cơ sở thiết kế máy
- Nguyên lý làm việc, kết cấu
- Phương pháp tính toán thiết kế
§1. Giới thiệu chung
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
7
§2. Tải trọng và ứng suất
1. Tải trọng
Khái niệm
P
Tải trọng làm việc
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
8
Phân loại
* Thay đổi theo thời gian
- Tải trọng tĩnh
- Tải trọng thay đổi
- Tải trọng va đập
* Tính toán
- Tải trọng danh nghĩa
- Tải trọng tương đương
- Tải trọng tính toán
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
9
2. Ứng suất
Đặc tính thay đổi ứng suất
Ứng suất không đổi
Ứng suất thay đổi => chu kỳ ứng suất, chu trình thay đổi ứng suất
Chế độ bình ổn
Chế độ không bình ổn
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
10
Loại ứng suất
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
11
Ứng suất dập
𝜎𝑑 =
𝐹
𝑙. 𝑑
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
12
Ứng suất tiếp xúc
𝜎𝐻 = 𝑍𝑀 .
𝑞𝐻
2𝜌
𝑍𝑀 =
2𝐸1𝐸2
𝜋[𝐸1 1 − 𝜇2
2 + 𝐸2 1 − 𝜇1
2
𝜌 =
𝜌1𝜌2
𝜌1 ± 𝜌2
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
13
𝜎𝐻 = 0,388
3 𝐹𝑛𝐸2
𝜌2
§2. Tải trọng và ứng suất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
14
§3. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
1. Độ bền
- Khả năng tiếp nhận tải trọng của CTM mà không bị phá hỏng
- Tác hại
- 2 loại:
+ Độ bền tĩnh
+ Độ bền mỏi
- Điều kiện đảm bảo độ bền:
σ ≤ [σ]
τ ≤ [τ]
S ≥ [S] với [S] = σgh/[σ]
- Biện pháp tăng bền
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
15
2. Độ cứng
- Khả năng cản lại sự thay đổi hình dạng dưới tác dụng tải trọng
- Tác hại
- Điều kiện đảm bảo độ cứng:
y ≤ [y]
θ ≤ [θ]
- Biện pháp tăng cứng
§3. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
16
3. Độ bền mòn
- Mòn: kết quả tác dụng của ứng suất tiếp xúc hay áp suất khi các bề
mặt tiếp xúc trượt tương đối với nhau mà không đủ dầu bôi trơn
- Tác hại
- Điều kiện đảm bảo độ bền mòn
§3. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
17
4. Độ chịu nhiệt
- Khả năng chi tiết máy có thể làm việc trong phạm vi nhiệt độ cần
thiết mà khong bị nung nóng quá mức cho phép
- Tác hại
+ Làm cong vênh, thay đổi khe hở giữa các chi tiết
+ Giảm độ bền (giòn)
+ Giảm độ nhớt
- Điều kiện đảm bảo độ chịu nhiệt
§3. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
18
5. Độ ổn định dao động
- Khả năng CTM có thể làm việc trong phạm vi vận tốc mà không bị
rung quá mức cho phép
- Tác hại
- Điều kiện đảm bảo
§3. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
19
§4. Độ bền mỏi
1. Hiện tượng phá hủy mỏi
3 giai đoạn:
- Xuất hiện vết nứt tế vi
- Phát triển
- Hỏng
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
20
§4. Độ bền mỏi
2. Đường cong mỏi
𝜎𝑚𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
21
§4. Độ bền mỏi
3. Đồ thị ứng suất giới hạn
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
22
§4. Độ bền mỏi
4. Các yếu tố ảnh hưởng độ bền mỏi
- Hình dạng kết cấu
Thay đổi tiết diện => tập trung ứng suất
hệ số tập trung ứng suất
𝛼𝜎 =
𝜎𝑚𝑎𝑥
𝜎
;𝛼𝜏 =
𝜏𝑚𝑎𝑥
𝜎
𝑘𝜎 =
𝜎𝑟
𝜎𝑟𝑐
; 𝑘𝜏 =
𝜏𝑟
𝜏𝑟𝑐
r
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
23
§4. Độ bền mỏi
- Kích thước tuyệt đối
Ảnh hưởng
Hệ số kích thước tuyệt đối:
𝜀𝜎 =
𝜎𝑟𝑑
𝜎𝑟𝑑0
; 𝜀𝜏 =
𝜏𝑟𝑑
𝜏𝑟𝑑0
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
24
§4. Độ bền mỏi
- Công nghệ gia công bề mặt
Hệ số trạng thái bề mặt β: tỉ số giữa giới hạn mỏi của mẫu có trạng thái
bề mặt giống chi tiết và giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt không được
gia công tăng bền
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
25
§4. Độ bền mỏi
- Trạng thái ứng suất
Ảnh hưởng của ứng suất trung bình
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
26
§4. Độ bền mỏi
5. Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi
Biện pháp kết cấu
Biện pháp công nghệ
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
27
§5. Độ tin cậy
1. Khái niệm
- Khả năng sản phẩm thực hiện chức năng và duy trì trong thời gian
xác định
- Không đảm bảo tin cậy => thiệt hại
- Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
28
§5. Độ tin cậy
2. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy
- Xác suất làm việc không hỏng
Xác suất không xảy ra hỏng hóc trong thời gian đã định
𝑅(𝑡) =
𝑁𝑡
𝑁𝑐
=
𝑁𝑐 −𝑁𝑐ℎ
𝑁𝑐
= 1 − 𝑄(𝑡)
𝑅(𝑡) = 
𝑖=1
𝑛
𝑅𝑖(𝑡)
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
29
§5. Độ tin cậy
- Cường độ hỏng
Tỉ số giữa số hỏng hóc trong 1 đơn vị thời gian và tổng số chi tiết sử
dụng tại thời điểm đó
𝜆 𝑡 =
Δ𝑁𝑡ℎ
𝑁𝑡Δ𝑡
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
30
§5. Độ tin cậy
- Tuổi thọ
Khoảng thời gian hoạt động của chi tiết (máy) từ khi bắt đầu hoạt động
cho đến khi hỏng
γ = 100 R(t) (%)
- Hệ số sử dụng
Ks = tlv/T = tlv / (tlv + tc + tp)
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
31
§5. Độ tin cậy
3. Phương pháp nâng cao độ tin cậy
Thiết kế
Chế tạo
Sử dụng
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
32
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
1. Đặc điểm
- Thiết kế Kiểm nghiệm
- Chọn trước thông số => thông số đặc trưng
- Công thức lý thuyết + hệ số
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
33
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
2. Chọn vật liệu
Yêu cầu
- Chỉ tiêu về khả năng làm việc
- Khối lượng, kích thước
- Điều kiện sử dụng
- Tính công nghệ phù hợp
- Giá thành
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
34
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
Các loại vật liệu
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
35
Kim loại đen Kim loại màu
Kim loại gốm Phi kim
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
3. Xác định ứng suất cho phép
[σ] = σgh / S
Xác định ứng suất giới hạn
- Ứng suất tĩnh:
+ Vật liệu dẻo: σgh = σch (giới hạn chảy)
+ Vật liệu giòn: σgh = σb (giới hạn bền)
- Ứng suất thay đổi ổn định
N > N0: σgh = σr
N < N0: 𝜎𝑔ℎ = 𝜎𝑟 .
𝑚 𝑁0
𝑁
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
36
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
- Ứng suất thay đổi không ổn định
- NE ≥ N0: σgh = σr
- NE < N0: 𝜎𝑔ℎ = 𝜎𝑟 .
𝑚 𝑁0
𝑁𝐸
''
0
'
1
1
'
'
1 1
1
1
1
1 1 1 )
.
(
n mmn n
i i mi i i i
i im m
i ii i i i i
n m m m m
i i i r E
m
n
E i
i
ii
i
co
NN N
N
N N N
N N N N
nst
N N




 
   
 


 
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
37
§6. Tính toán thiết kế chi tiết máy
Xác định hệ số an toàn
S = S1 S2 S3
Tải trọng, ứng suất
1,2 – 1,5 
Cơ tính vật liệu
1,5 – 2,5 
Mức độ quan trọng
1 – 1,5
Th.S Nguyễn Minh Quân – Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Đại học Bách Khoa Hà Nội - https://sites.google.com/site/quannm187/
38