Bài giảng Chi tiết máy - Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CHI TIẾT MÁY
1
MỞ ĐẦU
1. Khái niệm về chi tiết máy (CTM)
Máy bộ phận CTM
CTM: là phần tử hoàn chỉnh đầu tiên 
để tạo thành máy
Phân loại:
- CTM có công dụng chung
- CTM có công dụng riêng
2
MỞ ĐẦU
CTM công dụng chung
- Dùng phổ biến trong
các máy khác nhau
- Không phụ thuộc vào
công dụng máy
- Ví dụ: bulong, đai ốc, 
trục, ổ, bánh răng ... 
CTM công dụng riêng
- Dùng trong một máy
hoặc một số máy
chuyên dụng
- Liên quan mật thiết
đến chức năng của
máy
- Ví dụ: trục khuỷu, 
thanh truyền ...
3
MỞ ĐẦU
2. Môn học CTM
- Là môn học nghiên cứu, tính toán, 
thiết kế hợp lý các CTM công dụng 
chung
- Kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực 
nghiệm
Lý thuyết: xây dựng trên cơ sở các môn học: 
toán, vật lý, cơ lý thuyết, sbvl, nlm, vật liệu ....
4
MỞ ĐẦU
NỘI DUNG
1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
2. Các CTM ghép
3. Các CTM truyền động
4. Các CTM đỡ và nối
TÀI LIỆU
1. Nguyễn Trọng Hiệp
Chi tiết máy, Tập 1,2 NXB Giáo dục
2. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển
Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1,2
5
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM
a. Hiệu quả sử dụng
Hiệu suất cao, tốn ít năng lượng, độ chính xác 
cao, chi phí vận hành thấp
b. Khả năng làm việc
Hoàn thành các chức năng yêu cầu mà vẫn giữ 
được độ bền, không thay đổi kích thước
c. Độ tin cậy cao
Đảm bảo được các chỉ tiêu sử dụng trong thời 
gian quy định. Độ tin cậy được đặc trưng bởi 
xác suất làm việc không hỏng hóc trong thời 
gian quy định
6
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM
d. An toàn trong sử dụng
rất cần thiết
e. Tính công nghệ và kinh tế
- Tính công nghệ:
+ Hình dạng, kết cấu, vật liệu phải phù hợp với
đk sản xuất
+ Càng ít chi tiết, càng dễ chế tạo càng tốt
- Tính kinh tế:
Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ -> giá
thành giảm
7
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng
- Tải trọng là lực, momen tác động lên
CTM trong quá trình làm việc (Kí hiệu Q) 
- Phân loại:
• Tải trọng tĩnh: không đổi theo t/g
• Tải trọng động: thay đổi theo t/g 
(phương, chiều, độ lớn, điểm đặt)
Tải trọng va đập: tăng giảm trong
khoảng thời gian rất ngắn.
8
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
Trong tính toán CTM: tải trọng danh nghĩa, 
tải trọng tương đương, tải trọng tính toán.
-Tải trọng danh nghĩa (Qdn) là tải trọng tác 
động lên máy hoặc CTM ở chế độ ổn định
Thường chọn tải trọng lớn hoặc tải trọng 
tác động lâu dài nhất
- Với tải trọng thay đổi nhiều mức, thay 
thế bằng tải trọng một mức Tải trọng 
tương đương (Qtđ) 9
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
Tương đương về khả năng làm việc, tuổi 
thọ, độ bền
Qtđ = Qdn .KN
KN hệ số phụ thuộc vào
- Chế độ thay đổi tải trọng
- Việc chọn Qdn 
10
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
-Tải trọng tính toán (Qt) : là tải trọng có 
xét đến ảnh hưởng của sự phân bố tải 
trọng, mức độ chấn động, điều kiện làm 
việc ... 
Qt = Qtđ.Kt
Kt :hệ số > 1, phụ thuộc nhiều yếu tố
11
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
2.2. Ứng suất
a. Các loại ứng suất
Kéo, nén, uốn, xuắn, ứng suất tiếp xúc
b. Ứng suất tiếp xúc
là ứng suất xuất hiện trên bề mặt của 2 
vật tiếp xúc nhau nhưng diện tích tiếp 
xúc rất nhỏ
US tiếp xúc được tính theo CT Herzt
12
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
13
- Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - mphẳng)
r
s
2
n
MH
qZ= [ ]222121
21
)1()1(
2
EE
EEZM µµp -+-
=
qn - Cường độ tải trọng pháp
tuyến
E - Mô đun đàn hồi của vật
liệu
µ - Hệ số Poát-xông
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
14
-Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - mphẳng)
Theo thời gian mà phân loại:
+ Ứng suất tĩnh
+ Ứng suất thay đổi
(Chú ý: Vật liệu là thép)H = 0.388
3
s
FnE2
⇢2
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
15
c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi
ü Chu trình ứng suất: là một vòng thay
đổi ứng suất qua giá trị giới hạn này đến
giá trị giới hạn khác rồi trở về giá trị ban 
đầu
ü Chu kỳ ứng suất: là thời gian thực hiện
một chu trình
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
16
c. Các đặc trưng của ứng suất thay đổi
ü Ứng suất trung bình
ü Biên độ ứng suất
ü Hệ số tính chất chu trình
2
minmax
m
s+s
=s
2
minmax
a
s-s
=s
max
minr
s
s
=
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
17
Căn cứ vào giá trị của r có các dạng chu
trình:
- Chu trình đối xứng r = -1
- Chu trình mạch động r = 0
CHƯƠNG 1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế CTM
18
3. Độ bền mỏi
3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi
Khi CTM chịu us thay đổi theo chu kỳ, sau 
một số chu trình thì CTM bị phá hủy.
Sự phá hủy xảy ra đột ngột, không có biến 
dạng dư.
Giá trị us gây ra phá hủy << giới hạn bền 
của vật liệu
3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi
Nguyên nhân: Do sự phát triển các vết nứt tế vi.
19
Vết gẫy do mỏi
Vết gẫy do us tĩnh
3.1 Hiện tượng phá hủy vì mỏi
Ø Khả năng CTM chống lại sự phá hủy vì 
mỏi gọi là độ bền mỏi
Ø Đối với nhiều loại vật liệu, tồn tại giá trị 
us giới hạn mà tác dụng với một số chu 
trình rất lớn mà vẫn không phá hủy chi 
tiết -> gọi là giới hạn mỏi
3.2 Đường cong mỏi
Ø Đường cong mỏi thể hiện quan hệ 
giữa us với số chu trình thay đổi us 
(N) mà CTM chịu được cho đến khi 
hỏng
Ø Đường cong mỏi được xây dựng bằng 
thực nghiệm:
Cho si tác động, sau Ni chu trình thì 
CTM bị phá hủy
21
3.2 Đường cong mỏi
Phương trình đường cong mỏi
sm.N = const
Ø m : bậc của đường cong mỏi. 
VD thép : m=6
Ø Khi si tăng thì Ni giảm
tức là tuổi thọ giảm
Ø Khi giảm si < sr thì 
mẫu không bị phá hỏng.
sr : giới hạn mỏi dài hạn
N0: số chu trình cơ sở
Ví dụ : thép N0 = 106 ÷ 107
22
N
s
si
sr
Ni N0
3.2 Đường cong mỏi
Chú ý:
đường cong mỏi Veler (Wöhler)
với vật liệu là thép
và us thay đổi đối xứng r=-1
sr = s-1
Đối với kim loại màu :
Không có đoạn nằm ngang
Quy ước N0 = 108
23
N
s
si
sr
Ni N0
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Trong thí nghiệm người ta sử dụng mẫu có:
Ø Đường kính d0 = 7 ÷ 10 mm
Ø Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt
Ø Không có tập trung ứng suất.
Ø Chu trình ứng suất là đối xứng.
Trong thực tế các chi tiết máy có hình dạng, kích 
thước, độ nhám bề mặt khác mẫu. Để xác định 
giới hạn mỏi của chi tiết máy -> các yếu tố ảnh 
hưởng đến độ bền mỏi.
24
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu
CTM có hình dạng càng phức tạp thì giới hạn mỏi¯
Nguyên nhân: tại những nơi thay đổi hình dạng 
có sự tập trung ứng suất. Ví dụ: trục 
Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
s, t là ứng suất trung bình tại mặt cắt có sự tập 
trung ứng suất.
25
s
s
=as
max
t
t
=at
max
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu
Tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp hệ số as, at vào tính 
toán thực tế nhiều khi không thích hợp. 
Hệ số tập trung ứng suất thực tế
sr,tr là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất.
src,trc là g/h mỏi của mẫu có tập trung ứng suất.
26
rc
rk
s
s
=s
rc
rk
t
t
=t
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối
Chi tiết có kích thước càng lớn thì giới hạn mỏi 
giảm
Nguyên nhân:
Ø Do sự không đồng đều về cơ tính cũng như 
nhiều khuyết tật hơn.
Ø Chiều dày tương đối của lớp bề mặt được 
tăng bền nhờ gia công cơ hoặc nhiệt luyện 
giảm xuống.
27
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối
Hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối
srd0 trd0 : giới hạn mỏi của mẫu có kích thước 
d0 = 7 ÷ 10 mm
srd trd :giới hạn mỏi của mẫu có đường kính d.
28
0rd
rd
s
s
=es
0rd
rd
t
t
=et
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt
Bề mặt của chi tiết được đánh bóng hoặc được 
gia công đặc biệt làm cho cứng có tác dụng 
làm tăng giới hạn mỏi.
Hệ số trạng thái bề mặt b
b < 1 nếu bề mặt chi tiết được nhiệt luyện hoặc gia 
công tăng bền (phun bi, cán lăn )
b > 1 nếu bề mặt được gia công bằng tiện, phay 
nhưng không gia công tăng bền.
29
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
3.3.4 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất
Mẫu được thí nghiệm với r = -1, sm = 0
Thực tế r ¹ -1, sm ¹ 0
Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình
ys yt
30
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Giới hạn mỏi của chi tiết được tính thông qua 
giới hạn mỏi của mẫu như sau:
31
s
s bess
krrc
=
t
t bett
krrc
=
3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi
Các biện pháp chế tạo
Ø Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi
theo chu kỳ (tăng tính đàn hồi của kết cấu)
Ø Tránh các nguyên nhân gây ra sự tập trung ứng
suất. 
Các biện pháp công nghệ
Ø Mài nhẵn, đánh bóng hoặc mạ bề mặt chi tiết để
loại trừ các vết nứt phá sinh trong quá trình gia
công cắt gọt.
Ø Làm cứng bề mặt ngoài của chi tiết như nhiệt
luyện, hóa-nhiệt luyện.
32
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
5 chỉ tiêu chủ yếu:
Ø Độ bền
Ø Độ cứng
Ø Độ bền mòn
Ø Khả năng chịu nhiệt
Ø Độ ổn định dao động
33
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.1 Độ bền
Độ bền là khả năng chống lại sự phá hỏng
của CTM
ØGẫy: độ bền thể tích
ØPhá hủy bề mặt: độ bền bề mặt
Độ bền tĩnh: tránh bị phá hủy do ứng 
suất tĩnh gây ra.
Độ bền mỏi: tránh các dạng phá hủy do 
ứng suất thay đổi theo chu kỳ.
34
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.1 Độ bền
Phương pháp tính:
ứng suất sinh ra khi CTM chịu tải trọng 
không được vượt quá ứng suất cho phép
s £ [s]
t £ [t]
sH £ [sH]
35
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.2 Độ cứng
là khả năng chống biến dạng của CTM khi 
chịu tác động của tải trọng ngoài
Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng thể tích
Độ cứng tiếp xúc: liên quan đến biến dạng các lớp 
bề mặt
Phương pháp tính toán: 
y £ [y] Dl £ [Dl]
j £ [j] q £ [q]
36
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.3 Độ bền mòn
Mòn là hiện tượng giảm dần kích thước và thay đổi
hình dáng do ma sát gây ra.
Điều kiện để gây ra mòn là
- Có áp suất bề mặt tiếp xúc (hai chi tiết tiếp xúc
nhau)
- Có chuyển động tương đối giữa hai chi tiết tiếp
xúc (có vận tốc trượt)
Hậu quả do mòn
- Giảm độ chính xác (vd: các dụng cụ đo)
- Giảm hiệu suất (vd: xy lanh và pittông)
- Giảm độ bền (do kích thước giảm) 37
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.3 Độ bền mòn
Cường độ mòn phụ thuộc các yếu tố : áp suất, vận 
tốc trượt, bôi trơn, độ nhẵn bề mặt, hệ số ma sát.
Phương pháp tính toán để hạn chế mòn:
- hạn chế áp suất p £ [p]
- hạn chế tích p.v £ [pv]
- Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt (giảm 
hệ số ma sát)
Biện pháp nâng cao độ bền mỏi (chủ yếu là giảm 
hệ số ma sát)
- Tăng chất lượng bề mặt tiếp xúc .Ví dụ như mạ
- Chọn cặp vật liệu có hệ số ma sát nhỏ. 38
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.4 Khả năng chịu nhiệt
Trong quá trình làm việc do ma sát trong các cơ 
cấu, nhiệt độ của chi tiết máy tăng lên.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:
- Giảm khả năng làm việc
- Biến dạng nhiệt gây cong vênh
- Giảm độ nhớt dầu
39
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.4 Khả năng chịu nhiệt
Nguyên tắc tính nhiệt: dựa trên phương trình cân 
bằng nhiệt
nhiệt lượng sinh = nhiệt lượng thoát 
P(1-h) = AKt(t-t0)
kiểm tra điều kiện t £ [t]
Phương pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt
- Tăng diện tích thoát nhiệt
- Tăng hệ số thoát nhiệt (làm mát bằng nước, quạt 
gió ) 40
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.5 Độ ổn định dao động
Độ ổn định dao động là khả năng làm việc với vận 
tốc cần thiết mà không bị rung quá mức cho phép.
Nguyên nhân:
- Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn 
hồi lớn.
- Sự mất cân bằng các chi tiết quay.
Hậu quả:
- Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ.
- Giảm khả năng làm việc của máy. VD dao động 
trong các máy công cụ làm giảm độ chính xác gia 
công và độ nhẵn bề mặt.
41
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
4.5 Độ ổn định dao động
Phương pháp tính:
- Xác định tần số dao động để tránh hiện tượng 
cộng hưởng.
- Xác định biên độ dao động và hạn chế nhỏ hơn giá 
trị cho phép.
Biện pháp nâng cao độ ổn định dao động
- Triệt tiêu nguyên nhân gây dao động
- Thay đổi các thông số động học động lực học
- Thiết kế các bộ phận chống rung (giảm chấn)
42
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM
Tính toán dựa các công thức lý thuyết hoặc 
thực nghiệm
Tính theo 2 giai đoạn:
-Tính thiết kế
-Tính kiểm nghiệm
43
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM
Tính thiết kế: xuất phát từ điều kiện làm 
việc, tải trọng tác động tìm ra 1 kích thước 
chính rồi suy ra các kích thước còn lại (chú 
ý đến các tiêu chuẩn, các yêu cầu về công 
nghệ, lắp ghép).
VD: khi tính trục, xác định đường kính trục 
d ³ f([s])
bộ truyền bánh răng, xác định khoảng 
cách tâm bánh răng d ³ f([sH])
44
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM
Kiểm nghiệm: sau khi thiết kế sơ bộ, có 
hình dạng, kích thước, kết cấu cụ thể phải 
kiểm nghiệm lại để đảm bảo các chỉ tiêu 
làm việc.
s £ [s]
t £ [t]
s £ [s]
45
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.2 Xác định ứng suất cho phép
slim ứng suất giới hạn
s hệ số an toàn
46
s
lim][ ss = s
lim][ tt =
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.2.1 Ứng suất giới hạn
Độ bền tĩnh: 
slim = sb đối với vật liệu dòn (gang)
slim = sch đối với vật liệu dẻo (thép)
Độ bền mỏi: slim phụ thuộc số chu trình N và chế 
độ thay đổi ứng suất.
47
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
a. Ứng suất thay đổi ổn định
- Chi tiết máy làm việc lâu dài N ³ N0, 
slim = sr
- Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0, 
slim = srN = 
là hệ số tuổi thọ.
48
m 0r N
N
s
m 0N N
NK =
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
b. ứng suất thay đổi không ổn định
Ni là số chu kỳ chịu tải ứng với mức ứng 
suất si
Khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi 
không ổn định, ta chuyển về chế độ làm 
việc ổn định với ứng suất lớn nhất là s1
trong chu kỳ chịu tải tương đương Ntđ.
49
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
b. ứng suất thay đổi không ổn định
- Nếu Ntđ ³ N0 thì slim = sr
- Nếu Ntđ < N0 thì slim = 
50
å ÷÷
ø
ö
çç
è
æ
= i
m
i
tđ NN
1s
s
m
tđ
r N
N0s
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.2.2 Hệ số an toàn
Do điều kiện làm việc thực tế có nhiều yếu tố chưa 
tính đến nên trong tính toán cần đưa vào hệ số an 
toàn nhằm đảm bảo cho kết cấu có độ an toàn cần 
thiết.
Hệ số an toàn xác định theo công thức
s = s1.s2.s3
- s1 :hệ số an toàn xét đến mức độ chính xác trong việc 
xác định tải trọng và ứng suất.
- s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của vật 
liệu
- s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của chi tiết.
51
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.3 Vật liệu
Các yêu cầu chung đối với vật liệu là
Ø Phù hợp với các chỉ tiêu về khả năng làm 
việc của chi tiết máy như độ bền, độ cứng
Ø Đáp ứng các yêu cầu về khối lượng và kích 
thước của chi tiết máy.
Ø Có tính công nghệ thích ứng với hình dạng 
chi tiết máy và phương pháp gia công.
52
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.3 Vật liệu
Vật liệu thường dùng là:
Ø Kim loại đen: gồm gang và thép được 
dùng rộng rãi nhờ độ bền và độ cứng cao 
và tương đối rẻ.
Thép kết cấu : CT + giới hạn bền
Thép chất lượng tốt : C + thành phần Cacbon
Gang : có tính đúc, trọng lượng lớn
53
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.3 Vật liệu
Ø Kim loại màu như đồng, kẽm, nhôm 
thường được sử dụng dưới dạng hợp kim 
màu như đồng thanh, đồng thau, babít ưu 
điểm là có tính giảm ma sát, chống rỉ 
nhưng đắt tiền nên chỉ được dùng khi cần 
thiết
54
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.3 Vật liệu
Ø Kim loại gốm được chế tạo bằng cách 
nung và ép bột kim loại với các chất phụ 
gia, có ưu điểm là khó nóng chảy, hệ số ma 
sát thấp nhưng giá thành cao, kích thước bị 
hạn chế bởi điều kiện chế tạo.
55
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa
Tuân thủ các tiêu chuẩn
- Hình dạng
- Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm)
- Đk kỹ thuật
56
Câu hỏi ôn tập
1. Tải trọng, các loại tải trọng?
2. Ứng suất, các loại ứng suất?
3. Độ bền mỏi, các nhân tố a/h tới độ 
bền mỏi ??
4. Các chỉ tiêu về khả năng làm việc của 
CTM ?
5. Ứng suất cho phép?
57