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

11/09/2015
1
Những vấn đề cơ bản về thiết kế
chi tiết máy
TS. Phạm Minh Hải
hai.phamminh1@hust.edu.vn
hai.phamminh.hust@gmail.com
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CHI TIẾT MÁY (ME3090)
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ ROBOT 
thietkemay.edu.vn
Nội dung

Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM

Tải trọng và ứng suất

 Độ bền mỏi của chi tiết máy

Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM

Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
2TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy và CTM 
a. Hiệu quả sử dụng: Hiệu suất, mức tiêu hao
năng lượng, độ chính xác, chi phí vận hành.
b. Khả năng làm việc: độ bền, độ cứng, 
c. Độ tin cậy cao: xác suất làm việc không hỏng hóc
trong thời gian quy định.
d. An toàn trong sử dụng: con người, công trình
e. Tính công nghệ và kinh tế: Hình dạng, kết cấu, vật
liệu, cấp chính xác, số lượng chi tiết máy, khối lượng
và kích thước  
3TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy

Tải trọng là lực, momen tác động lên CTM trong quá
trình làm việc
4TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng

Phân loại:
 Tải trọng tĩnh: không đổi theo thời gian
 Tải trọng động: thay đổi theo thời gian
- phương
- chiều 
- độ lớn 
- điểm đặt
* Tải trọng va đập
Tải trọng danh nghĩa (Qdn): tải trọng tác động lên máy
hoặc CTM ở chế độ ổn định (tải trọng lớn nhất / tải
trọng tác động lâu dài nhất)
5TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng
Tải trọng tương đương (Qtđ): Khi có nhiều chế độ tải trọng
- Chọn 1 chế độ làm Qdn
- Quy đổi về 1 chế độ tải trọng tương đương (tuổi thọ, độ bền)
Qtđ = Qdn .KN
KN hệ số (hệ số tuổi thọ) phụ thuộc vào
- Chế độ thay đổi tải trọng
- Tương quan giữa Qdn và các chế độ tải trọng còn lại
Tải trọng tính toán (Qt) :
Qt = QtđKt
Kt = KttKđKđk>1
Ktt : hệ số xét đến sự phân bố không đều tải
trọng trên bề mặt tiếp xúc
Kđ: hệ số tải trọng động
Kđk: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc
6TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.1. Tải trọng
11/09/2015
2
a. Các loại ứng suất : 

ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất uốn, ứng
suất xoắn

ứng suất tiếp xúc, ứng suất dập
7TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
2. Tải trọng và ứng suất
2.2. Ứng suất
Các đặc trưng của ứng suất
thay đổi (tuần hoàn)
 Chu trình ứng suất
 Chu kỳ ứng suất
 Biên độ ứng suất
Ứng suất trung bình
Hệ số tính chất chu trình r
8
* Nếu theo thời gian mà phân loại:
+ Ứng suất tĩnh
+ Ứng suất thay đổi
2
minmax
m
σ+σ
=σ
2
minmax
a
σ−σ
=σ
max
minr
σ
σ
=
-Chu trình đối xứng r = -1
-Chu trình mạch động r = 0
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
3. Độ bền mỏi của chi tiết máy
3.1 Đặc điểm của phá hủy do mỏi
9TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Phá hủy mỏi:
 Ứng suất thay đổi theo chu kỳ
 Sau một số chu trình US, 
CTM bị phá hủy
 Sự phá hủy xảy ra đột ngột, 
không có co tiết diện.
 US<< giới hạn bền của vật
liệu.
Phá hủy tĩnh
 Ứng suất tĩnh
 Xảy ra tức thì
 Có co tiết diện tại vết gãy (vật
liệu dẻo)
 US > giới hạn bền của vật liệu.
3.2 Cơ chế của phá hủy mỏi
Vết nứt
tế vi trên
bề mặt
10
Vết gẫy do mỏi Vết gẫy do us tĩnh
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Vết nứt
phát
triển
Tải trọng thay đổi theo chu kỳ
CTM 
yếu đi
Phá hủy
khi vết
quá lớn
3.3 Đường cong mỏi
σm.N = const
m : bậc của đường cong mỏi (thép: m=6)
σ : biên độ ứng suất
N : Số chu trình ứng suất khi CTM bị
hỏng do mỏi
σr : giới hạn mỏi dài hạn
N0: số chu trình cơ sở (thép N0 = 106 ÷
107)
11
N
σ
σi
σr
Ni N0
Thép
Kim loại màu
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
• Đối với kim loại màu : Không ∃ giới hạn mỏi dài hạn
Quy ước N0 = 108
Chú ý:
đường cong mỏi Vê-le (Wohler ) ứng với:
- Vật liệu là thép
- US thay đổi đối xứng r=-1
σr = σ-1
12TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
11/09/2015
3
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Thí nghiệm mỏi
Đường kính d0 = 7 ÷ 10 mm
Mẫu được mài nhẵn, không tăng bền bề mặt
 Không có tập trung ứng suất.
 Chu trình ứng suất là đối xứng.
Thực tế: hình dạng, kích thước, chất lượng bề mặt, tính
chất chu trình ứng suất, -> ảnh hưởng đến giới hạn bền
mỏi của chi tiết.
13TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 14
dnσ
σ
ασ
max
=
dnτ
τ
ατ
max
=
3.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng kết cấu
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
Hệ số tập trung ứng suất thực tế
rc
rk
σ
σ
=σ
rc
rk
τ
τ
=τ
σr,τr là g/h mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất.
σrc,τrc là g/h mỏi của mẫu có tập trung ứng suất.
Kết cấu CTM càng phức tạp -> tăng tập trung ứng suất -> giảm giới hạn bền mỏi
• Không đồng
đều về cơ tính
• Nhiều khuyết
tật
15TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
3.3.2 Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối
Ví dụ: trục chịu uốn
do: đường kính mẫu thí nghiệm
d: đường kính của chi tiết máy
Hệ số a/h của kích thước tuyệt đối
trục chịu xoắn
Kích thước càng lớn giới hạn mỏi giảm
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những 
vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 16
β > 1 : nhiệt luyện / gia công tăng bền (phun bi, cán lăn, mài, đánh
bóng ).
β < 1 : tiện, phay + không gia công tăng bền.
17TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
3.3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt

 =
giới	hạn	mỏi	của	mẫu	có	bề	mặt	giống	chi	tiết
giới	hạn	mỏi	của	mẫu	thí	nghiệm	mỏi
Hệ số trạng thái bề mặt β
Chất lượng bề mặt tốt
-> ít khả năng phát triển vết nứt tế vi 
-> giới hạn bền mỏi tăng
Hệ số ảnh hưởng của ứng suất trung bình ψσ ψτ
(xem chương “Trục”)
18TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
3.3.4 Ảnh hưởng của tính chất chu trình ứng suất
Mẫu thí nghiệm Chi tiết máy
11/09/2015
4
Giới hạn mỏi của chi tiết được tính theo giới hạn mỏi của
mẫu như sau:
19
σ
σ βεσσ
krrc
=
τ
τ βεττ
krrc
=
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
3.4 Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi
• Hạn chế các nguyên nhân gây tải trọng thay đổi theo chu kỳ (tăng 
tính đàn hồi của kết cấu)
• Thiết kế: Tránh gây tập trung ứng suất 
• Công nghệ: Mài, đánh bóng, gia công tăng bền bề mặt
4. Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM
5 chỉ tiêu chủ yếu:
Độ bền
Độ cứng
Độ bền mòn
Khả năng chịu nhiệt
Độ ổn định dao động
20TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
là khả năng chống lại sự phá hỏng của CTM
Độ bền thể tích
Độ bền bề mặt
Độ bền tĩnh
Độ bền mỏi
21TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
4.1 Độ bền
Phương pháp tính:
σ ≤ [σ]
τ ≤ [τ]
σH ≤ [σH], σd ≤ [σd]
S>=[S] (mỏi, xem phần trục)
S là hệ số an toàn; σlim là giới hạn phá hủy của vật liệu chi tiết máy
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
22TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
4.2 Độ cứng
Phương pháp tính toán: 
Độ võng: y ≤ [y] 
Độ dãn dài: ∆l ≤ [∆l]
Góc xoắn: ϕ ≤ [ϕ]
Góc xoay: θ ≤ [θ]
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)
23TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
4.3 Độ bền mòn
Phương pháp tính toán để hạn chế mòn:
p ≤ [p]
p.v ≤ [pv]
Tính toán để đảm bảo bôi trơn ma sát ướt
(giảm hệ số ma sát)
Trong quá trình làm việc + do ma sát trong các cơ cấu, nhiệt độ
của máy và chi tiết máy tăng lên.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:
- Giảm khả năng làm việc (thép >300, KLM >50 độ C)
- Biến dạng nhiệt gây cong vênh
- Giảm độ nhớt dầu
24TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
4.4 Khả năng chịu nhiệt
Phương pháp:
t ≤ [t]
11/09/2015
5
Nguyên nhân của dao động:
- Độ cứng của máy không đảm bảo, biến dạng đàn hồi lớn.
- Sự mất cân bằng các chi tiết quay.
Hậu quả của dao động:
- Gây ứng suất phụ thay đổi theo chu kỳ.
- Giảm khả năng làm việc của máy.
25TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
4.5 Độ ổn định dao động
là khả năng làm việc với vận tốc cần thiết mà
không bị rung quá mức 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)
26
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM
Xác định ứng suất cho phép
Vật liệu
Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa
27
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
5. Những vấn đề chung về tính toán và thiết kế CTM
5.1 Đặc điểm tính toán và thiết kế CTM
điều kiện làm việc, tải trọng
1 kích thước chính
Công thức thiết kế
các kích thước còn lại
(tiêu chuẩn, yêu cầu về công nghệ, lắp ghép)
Các chỉ tiêu về khả
năng làm việc
Chọn vật liệu
Sai khác
Kết thúc tính toán
thỏa mãn
không thỏa mãn
nhỏ
Lớn
TÍNH THIẾT KẾ
TÍNH KIỂM NGHIỆM
σlim ứng suất giới hạn của vật liệu
Vì nhiều yếu tố chưa tính đến nên trong tính toán
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(1,2-1,5).
s2 :hệ số an toàn xét đến độ đồng nhất cơ tính của
vật liệu (1,5-2,5).
s3 : hệ số an toàn kể đến mức độ quan trọng của
chi tiết (1-1,5)
28
s
lim][ σσ =
s
lim][ ττ =
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
5.2 Xác định ứng suất cho phép
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những 
vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 29
Khi tính theo độ bền tĩnh: 
σlim = σb đối với vật liệu giòn (gang)
σlim = σch đối với vật liệu dẻo (thép) a. Ứng suất thay đổi ổn định
- Chi tiết máy làm việc lâu dài N ≥ N0, σlim = σr
- Chi tiết máy làm việc ngắn hạn N < N0, σlim = σrN = σrKN
là hệ số tuổi thọ.
30
m 0N N
NK =
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
b. Ứng suất thay đổi không ổn định
Ni, σi ∑ 





= i
m
i
tđ NN
1σ
σ Ntd, σ1
không ổn định
ổn định
Khi tính theo độ bền mỏi:
σlim phụ thuộc số chu trình N và chế độ thay đổi ứng suất.
11/09/2015
6
• Các yêu cầu chung đối với vật liệu là
 Độ bền, độ cứng
 Yêu cầu về khối lượng, kích thước
 Có tính công nghệ
 Nguyên tắc chất lượng cục bộ
31TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
5.3 Vật liệu
• Vật liệu thường dùng là:
 Kim loại đen: gang, thép (độ bền, độ cứng cao và tương đối rẻ).
 Kim loại màu: đồng, kẽm, nhôm(dạng hợp kim màu) có tính
giảm ma sát, chống rỉ, đắt tiền
 Kim loại gốm: nung + ép bột kim loại với các chất phụ gia; khó
nóng chảy, hệ số ma sát thấp, giá thành cao, kích thước hạn chế.
 Vật liệu phi kim: gỗ, da, cao su, chất dẻo, a-mi-ăng
• Tuân thủ các tiêu chuẩn:
- Hình dạng
- Kích thước (thường lấy tròn đến 0 và 5mm)
- Yêu cầu kỹ thuật
- Các yếu tố cấu tạo (mô đun răng, bước ren)
- Cấp chính xác
- V.v
32TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
5.4 Những vấn đề về tiêu chuẩn hóa
Những vấn đề chính trong chương 1
• 5 yêu cầu cơ bản
• 5 chỉ tiêu cơ bản
• Độ bền mỏi: cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng, 
đường cong mỏi
• Tải trọng: tĩnh, động
• Ứng suất: không đổi, thay đổi (tuần hoàn), thể
tích, bề mặt
• Các vấn đề thiết kế: vật liệu, hệ số an toàn, tiêu
chuẩn hóa
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những 
vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 33 34
Ứng suất tiếp xúc: khi diện tích tiếp xúc rất nhỏ
Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng)
US tiếp xúc được tính theo CT Héc [TLTK 1]
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Ví dụ về ứng suất tiếp xúc và ứng suất dập
ρ
σ
2
n
MH
qZ= [ ]222121
21
)1()1(
2
EE
EEZM µµpi −+−
=
qn - Cường độ tải trọng pháp tuyến
E - Mô đun đàn hồi của vật liệu
µ - Hệ số Poát-xông
Tiếp xúc điểm (cầu – cầu, cầu - phẳng)
35
3
2
2
388,0
ρ
σ
EFn
H = (Vật liệu là thép)
Fn: Tải trọng pháp tuyến
Khi
Tiếp xúc đường (trụ - trụ, trụ - phẳng) công thức gần đúng
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy 36
Ứng suất dập: khi diện tích tiếp xúc lớn [TLTK 1]
TS Phạm Minh Hải ME3090 C1. Những vấn đề cơ bản về thiết kế chi tiết máy
Giả thiết: áp suất phân bố đều trên bề mặt chịu lực