Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY 1.1 Khái niệm về máy và Chi tiết máy Trong đời sống chúng ta bắt gặp rất nhiều các sản phẩm cơ khí đã được thiết kế và chế tạo. Các sản phẩm này thuộc các lĩnh vực khác nhau như các sản phẩm gia dụng: máy cắt cỏ, máy điều hòa, máy chế biến thức ăn…; Các sản phẩm thuộc hệ thống sản xuất: máy gia công kim loại, máy nâng và vận chuyển, các thiết bị đóng gói, Rôbốt công nghiệp, máy điều khiển số như các máy CNC.…; Máy móc và thiết bị trong ngành xây dựng, khai khoáng, máy nông nghiệp, máy vận tải hoặc các thiết bị phục vụ nghiên cứu không gian… Hình 1.1 là hộp giảm tốc (HGT) một cấp bánh trụ răng nghiêng trong dây chuyền sản xuất Axit Sunphuric thuộc nhà máy phân đạm. Bánh dẫn có z1 = 30 được làm liền trục, bánh bị dẫn có z2 = 78 được lắp với trục bằng mối ghép độ dôi. Đầu vào được lắp với turbin khí quay với tốc độ 17077vg/ph; công suất P1 = 2304KW (tương đương T1 = 1288470Nmm), còn đầu trục ra được lắp quạt nén khí, quay với tốc độ n2 = 6568vg/ph.
Trục đỡ bánh răng được lắp trên các gối (ổ trượt) còn ổ được lắp lên vỏ (thân HGT). Tại các gối đỡ trục được lắp các thiết bị để kiểm tra nhiệt độ và độ rung; độ di dọc trục cũng như áp lực dầu bôi trơn. Như vậy, Máy hoặc Bộ phận máy được cấu tạo từ nhiều chi tiết khác nhau để thực hiện một công hữu ích nhằm thay thế lao động chân tay có năng suất thấp bằng lao động máy móc có năng suất và chất lượng cao.2 Phân loại chi tiết máy Chi tiết máy thực hiện chức năng nhất định trong bộ phận hay cơ cấu máy. Chi tiết có thể là 1 chi tiết hoàn chỉnh (bánh răng, trục, then, lò xo.), cũng có thể là 1 cụm các chi tiết được liên kết với nhau để tạo thành chi tiết hoàn chỉnh (ổ lăn, khớp nối, dây xích…).
Chi tiết máy có thể phân thành hai loại: - Chi tiết công dụng chung là những chi tiết có hình dạng kết cấu, cùng chức năng và có thể gặp ở bất cứ loại máy công tác nào như các loại ốc vít, bánh răng, đai, xích, trục, ổ lăn…. - Chi tiết công dụng riêng là những chi tiết chỉ xuất hiện trong 1 số máy công tác như trục khuỷu, trục mềm, cam… 1.2 NỘI DUNG VÀ QUÁ TRÌNH THIÊT KẾ MÁY, CHI TIẾT MÁY 1.1 Nội dung và yêu cầu thiết kế máy và chi tiết máy Máy được thiết kế nhằm đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật (yêu cầu của khách hàng) và phải có độ tin cậy, hiệu suất cao, an toàn, kinh tế và thực tế trong chế tạo. Ngoài ra còn một số yêu cầu khác như kiểu dáng, thay thế và có tính thân thiện với môi trường (sử dụng nguồn năng lượng và vật liệu, không ồn, không gây ô nhiễm…). Vì vậy việc thiết kế máy để đảm 2 bảo các yêu cầu trên là một vấn đề hết sức phức tạp.
Thiết kế máy và chi tiết máy (được xây dựng trên cơ sở các yêu cầu cụ thể của máy được thiết kế) bao gồm các nội dung sau: 1.1 Nội dung của thiết kế máy Nội dung của việc thiết kế máy là đáp ứng tối đa yêu cầu của khách hàng hoặc trên cơ sở tìm hiểu thị trường để đưa ra một loại sản phẩm mới. Cần chú ý là mọi sản phẩm được thiết kế ra đều phải đáp ứng tối đa nhu cầu và kỳ vọng của khách hàng và một vấn đề nữa không kém phần quan trọng là vấn đề bảo dưỡng, thay thế trong suốt chu kỳ tuổi thọ của nó và cũng cần cân nhắc đến việc sản phẩm sẽ được giải quyết thế nào sau khi nó hết thời gian sử dụng. Dựa vào các yêu cầu trên và trên cơ sở phân tích, xác định chức năng, yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá của máy được thiết kế đòi hỏi người thiết kế phải biết phân tích, tổng hợp về động lực học máy và khả năng công nghệ thực hiện để đưa ra sơ đồ nguyên lý hợp lý (chọn phương án thiết kế cuối cùng). Mặt khác người thiết kế phải có kỹ năng thiết kế chi tiết như việc lựa chọn vật liệu và công nghệ để chế tạo, lắp ráp các chi tiết để nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy làm việc của chi tiết và bộ phận máy.
Và nội dung cuối cùng của quá trình thiết kế máy là lập hồ sơ máy và các chỉ dẫn về vận hành, bảo dưỡng, thay thế các chi tiết.2 Nội dung của thiết kế chi tiết máy Thiết kế chi tiết máy là một phần và không thể thiếu trong quá trình thiết kế máy, vì vậy quá trình thiết kế chi tiết máy được tiến hành theo các bước sau: a) Xác lập sơ đồ hoặc nguyên lý làm việc của chi tiết máy để xác định các thông số động lực học và chế độ làm việc của các chi tiết. b) Chọn vật liệu và khả năng công nghệ để gia công chi tiết xuất phát từ yêu cầu làm việc của chi tiết và việc cung ứng vật tư. c) Tính thiết kế (tính sơ bộ) để xác định kích thước cơ bản của chi tiết theo chỉ tiêu về khả năng làm việc. Trên cơ sở đó tiến hành thiết kế kết cấu của chi tiết thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện công nghệ ( công nghệ chế tạo, công nghệ lắp ghép và chú ý đến vấn đề thay thế chi tiết khi hỏng hóc).
3 d) Tính toán kiểm nghiệm theo chỉ tiêu về khả năng làm việc hoặc theo hệ số an toàn đảm bảo chi tiết không hỏng hóc trong quá trình vận hành. e) Hoàn thiện về thiết kế kỹ thuật chi tiết để chế tạo chi tiết.2 Những kỹ năng cần có trong thiết kế cơ khí Thiết kế các sản phẩm nói chung và thiết kế cơ khí nói riêng cần có những kỹ năng (kỹ năng cứng và kỹ năng mềm), bao gồm: a) Kỹ năng xây dựng bản vẽ phác, bản vẽ kỹ thuật và thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD) b) Nắm bắt được các đặc trưng của vật liệu, xử lý vật liệu và công nghệ chế tạo các chi tiết. c) Các kiến thức cơ bản của các môn học Cơ học, Sức bền, Dung sai, Lý thuyết về cơ cấu, Cơ học chất lỏng, Thủy lực, Kỹ thuật truyền nhiệt, Kỹ thuật điều khiển, Khai thác và sử dụng các phần mềm trong tính toán thiết kế, Các phương pháp dự đoán các hư hỏng, Cơ sở thiết kế máy (Chi tiết máy), các kiến thức về thiết bị, các phương pháp gia công chi tiết… d) Khả năng xây dựng và thực hiện kế hoạch. Sự sáng tạo, giải quyết vấn đề và quản lý chương trình, dự án.
e) Các kỹ năng giao tiếp, lắng nghe và khả năng làm việc theo nhóm. f) Thích ứng nhanh với môi trường và điều kiện làm việc mới.3 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT 1.1 Tải trọng Tải trọng thường ký hiệu chung là Q: đó là lực F(N), là mô men T(Nmm) tác dụng lên chi tiết hay bộ phận máy trong quá trình làm việc. Cần phân biệt các loại tải trọng sau: a) Tải trọng tác dụng lên chi tiết và bộ phận máy trong quá trình làm việc, bao gồm: Tải trọng tĩnh nếu giá trị thay đổi ít hoặc không thay đổi theo thời gian. Tải trọng thay đổi nếu phương chiều hoặc cường độ thay đổi theo thời gian.2 là trường hợp tải trọng thay đổi theo bậc.
4 Tải trong thay đổi được qui về hai dạng tải trọng sau: - Tải trọng danh nghĩa Q dn (Fdn; Tdn) là tải trọng được chọn trong số các tải trọng tác dụng ổn định trong thời gian dài. T T m - Tải trọng tương đương Qtđ (Ftđ; T 1 Ttđ) là tải trọng thay thế cho tải trọng thay đổi. T 2 T3 b) Tải trọng tính toán là tải trọng thực tế tác dụng lên chi tiết và dùng để tính toán chi tiết t1 t t1 t t2 t3 t2 t3 T Qtt = KNKQdn (1.2 Tải trọng thay đổi the bậc trong đó: - KN là hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào đồ thị thay đổi của tải trọng ( xét cụ thể cho từng chi tiết với chế độ tải trọng khác nhau). - K là hệ số tải trọng tính toán, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và xác định tuỳ thuộc lọai máy công tác, vào loại chi tiết (xem các chương về truyền động công suất).2 Ứng suất Khi chi tiết làm việc, tùy thuộc vào dạng tải trọng tác dụng, điều kiện làm việc và vật liệu của chi tiết mà ứng suất bên trong chi tiết có thể là ứng suất kéo (k); ứng suất uốn (u); ứng suất tiếp ().Và ứng max max a max t t t m min min a) b) c) a = max ; m = 0 và r = -1 a = m = 0,5max và r = 0 a ; m và r Hình 1.3 Đồ thị về ứng suất thay đổi và các đại lượng đặc trưng 5 suất tiếp xúc H (khi hai chi tiết tiếp xúc với nhau với diện tích tiếp xúc rất nhỏ) hoặc ứng suất dập d (khi diện tích tiếp xúc lớn).
Giá trị của các ứng suất này hoàn toàn có thể xác định được nhờ các công thức trong Sức bền và Chi tiết máy (xem cụ thể khi tính toán các chi tiết ở các chương sau). Các ứng suất này có thể là: - Ứng suất không đổi là ứng suất có giá trị không thay đổi hoặc thay không đáng kể theo thời gian. - Ứng suất thay đổi khi giá trị và phương thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi có thể ổn định (hình 1.3) hoặc thay đổi không ổn định.
Ứng suất thay đổi ổn định bao gồm: Ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng (hình 1.3a), thay đổi theo chu kỳ mạch động dương (hinh 1.3b) và thay đổi theo chu kỳ không đối xứng (hình 1. Có thể sử dụng các đại lượng sau đây để đặc trưng cho một chu trình thay đổi ứng suất (ví dụ cho chi tiết chịu ứng suất pháp): Biên độ ứng suất: a = (max - min)/2 (1.2) Ứng suất trung bình: m = (max + min)/2 Hệ số chu trình ứng suất: r = min / max Ví dụ 1.