Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 5 pdf

Chương 5

Thiết kế với các loại tải trọng khác nhau

Tổng quan

Bạn là nhà thiết kế

5.1 Nội dung của chương

5.2 Các loại tải trọng và hệ số ứng suất

5.3 Giới hạn mỏi

5.4 Xác định giới hạn mỏi thực, sn’

5.5 Ví dụ xác định giới hạn mỏi thực tế

5.6 Quan điểm thiết kế

5.7 Hệ số an toàn

5.8 Dự đoán các hư hỏng

5.9 Các phương pháp phân tích trong thiết kế

5.10 Qui trình thiết kế tổng quát

5.11 Ví dụ thiết kế

5.12 Phép xấp xỉ thống kê trong thiết kế

5.13 Tuổi thọ hữu hạn và phương pháp tích luỹ phá huỷ

180

Tổng quan: Thiết kế với các loại tải trọng khác nhau

Nội dung thảo luận

 Chương này cung cấp các công cụ

bổ sung mà bạn có thể sử dụng để

thiết kế các bộ phận mang tải

trọng sao cho an toàn, hợp lý hiệu

quả cao trong sử dụng vật liệu.

 Bạn cần phải học cách phân loại

các dạng tải trọng tác dụng lên chi

tiết: tĩnh, lặp và đảo chiều, thay

đổi, va đập, và xung.

 Bạn sẽ học để xác định các

phương pháp phân tích phù hợp

dựa vào các loại tải trọng và loại

vật liệu

Tìm hiểu

Xác định các bộ phận của sản phẩm hoặc kết cấu

thực tế chịu tải trọng tĩnh.

Xác định các bộ phận chịu tải trọng lặp bằng nhau

nhưng đổi chiều.

Xác định các bộ phận chịu tải trọng thay đổi theo

thời gian.

Xác định các bộ phận chịu tải va đập, hoặc xung,

như dập bằng búa đóng hoặc búa rơi trên một bề

mặt cứng.

Sử dụng các phương pháp trong chương này sẽ giúp

bạn hoàn thành nhiều công việc thiết kế khác nhau.

Để đề cập đến các khái niệm trong chương này, phần tổng quan đưa ra một lượng lớn các ví dụ,

trong đó bạn sẽ dựa vào những nguyên lý về sức bền vật liệu đã được ôn lại và mở rộng trong

chương 3 và 4, từ cách thức phân tích đến cách thiết kế. Một vài bước là khá phức tạp, và bạn cần

phải học để đưa ra các quyết định hợp lí về phương pháp hoàn thiện thiết kế.

1. Trong chương này bạn sẽ học những nội dung sau:

2. Nhận biết loại tải trọng trên một chi tiết: tĩnh, lặp và đổi chiều (đối xứng), thay đổi, va

đập, hoặc xung?

3. Chọn phương pháp phù hợp để phân tích các ứng suất.

4. Xác định đặc trưng độ bền của vật liệu phù hợp với loại tải trọng, và loại vật liệu: Vật

liệu kim loại hay phi kim? Nó là giòn hay dẻo? Thiết kế sẽ dựa trên giới hạn chảy,

giới hạn bền kéo, giới hạn bền nén, giới hạn mỏi, hay một số đặc trưng khác của vật

liệu?

5. Xác định hệ số thiết kế an toàn phù hợp, thường gọi là hệ số an toàn.

6. Thiết kế các chi tiết mang tải thay đổi trong một phạm vi rộng sao cho chúng được an

toàn.

Phần dưới đây đưa ra ví dụ về một số nội dung sẽ được học trong chương này.

Tải trọng tĩnh lí tưởng là loại tác dụng chậm và không bao giờ thay đổi. Một số tải trọng

tác dụng chậm và thay đổi rất ít cũng có thể coi như tải trọng tĩnh. Bạn hãy kể một số ví dụ các

sản phẩm hoặc các bộ phận của chúng mà bạn cho rằng chịu tải trọng tĩnh? Chú ý đến các cấu

kiện chịu tải, các bộ phận của đồ đạc trong nhà, và các dầm hoặc trụ đỡ các thiết bị trong nhà bạn

hoặc nơi làm việc, trong nhà máy. Chọn một số ví dụ đặc biệt, và mô tả chúng cho các bạn học.

Thảo luận xem tải trọng tác dụng như thế nào, và trong đó bộ phận mang tải nào có ứng suất cao

hơn. Một số ví dụ mà bạn đã đưa ra trong phần Tổng quan ở chương 3 cũng có thể dùng lại ở

đây.

181

Tải trọng thay đổi là tải trọng biến thiên trong quá trình làm việc bình thường của sản

phẩm. Đặc trưng của chúng là tác dụng trong một thời gian khá dài trải qua hàng nghìn hoặc hàng

triệu chu trình ứng suất trong suốt tuổi thọ mong muốn của sản phẩm. Có nhiều ví dụ trong các

sản phẩm tiêu dùng quanh nhà bạn, trong ô tô của bạn, trong các nhà hàng, trong trang thiết bị sản

xuất. Chú ý đến gần như tất cả các sản phẩm có bộ phận chuyển động. Một lần nữa, thử xác định

các ví dụ đặc biệt, và mô tả chúng cho các bạn học của mình. Tải trọng thay đổi như thế nào? Tải

trọng tác dụng và sau đó thôi tải hoàn toàn trong mỗi chu trình? Hoặc thường có một số mức tải

trọng trung bình và một tải trọng đổi chiều tác dụng chồng lên? Tải trọng thay đổi tuần hoàn từ

giá trị cực đại dương đến giá trị cực tiểu âm có cùng độ lớn trong mỗi chu kì tải trọng? Chú ý đến

các bộ phận có trục quay, như các động cơ hoặc máy nông nghiệp, máy sản xuất, máy xây dựng.

Xét đến các sản phẩm bị hư hỏng. Bạn có thể đã xác định được một số từ phần Tổng

quan của chương 3. Chúng bị hỏng ngay lần sử dụng đầu tiên? Hay chúng bị hỏng sau một thời

gian làm việc khá dài? Tại sao bạn lại cho rằng chúng có thể làm việc một thời gian trước khi hư

hỏng?

Bạn có thể tìm một số chi tiết bị hỏng một cách đột ngột do vật liệu của chúng giòn, như

là gang, một số ceramic, hoặc một vài loại nhựa? Bạn có thể tìm một số chi tiết khác bị hỏng chỉ

sau một vài biến dạng đáng kể? Những hư hỏng như vậy được gọi là phá hủy dẻo.

Hậu quả của những hư hỏng mà bạn thấy được là gì? Có ai bị thương không? Nó có phá

hủy các bộ phận hoặc tải sản có giá trị khác không? Hay hư hỏng đó đơn giản chỉ gây phiền phức?

Các hư hỏng đó gây tổn thất như thế nào? Câu trả lời cho những câu hỏi trên có thể giúp bạn đưa

ra những quyết định hợp lí về hệ số an toàn được sử dụng trong các thiết kế.

Trách nhiệm của người thiết kế là bảo đảm cho chi tiết máy hoạt động an toàn với những

điều kiện có thể dự đoán trước. Điều đó đòi hỏi phải thực hiện phân tích ứng suất và so sánh mức

ứng suất dự tính trong chi tiết với ứng suất thiết kế (ứng suất cho phép), hoặc xác định mức ứng

suất cho phép theo những điều kiện làm việc.

Tính toán ứng suất có thể được thực hiện bằng phân tích hoặc theo thực nghiệm, tùy thuộc

vào mức độ phức tạp của chi tiết, hiểu biết về các chế độ tải trọng, và đặc trưng của vật liệu.

Người thiết kế cần kiểm tra xem ứng suất mà chi tiết phải chịu ở mức an toàn.

Phương pháp tính toán ứng suất thiết kế phụ thuộc vào kiểu tải trọng và loại vật liệu. Các

kiểu tải trọng bao gồm:

Tĩnh

Lặp và đảo chiều

Thay đổi

Va đập hoặc xung

Ngẫu nhiên

Các loại vật liệu thì có rất nhiều và đa dạng. Trong đó gồm các vật liệu kim loại, phân

thành hai loại là vật liệu dẻo và vật liệu giòn. Những cách phân loại khác là theo phương pháp tạo

hình vật liệu (đúc, rèn, cán, cắt gọt, …), theo chế độ nhiệt luyện, mức độ hoàn thiện bề mặt, kích

thước vật lý, môi trường vật liệu làm việc, hình dạng của chi tiết. Các loại vật liệu khác là chất

dẻo, compozit, ceramic, gỗ, …

182

Chương này tóm tắt các phương pháp phân tích chi tiết máy mang tải trọng để bảo đảm

chúng được an toàn. Một vài trường hợp khác đòi hỏi kiến thức tổng hợp về các loại vật liệu và sơ

đồ tải để xác định phương pháp phân tích phù hợp. Khi đó công việc của bạn là áp dụng những

công cụ này một cách đúng đắn và sáng suốt.

Bạn là nhà thiết kế

Xem xét lại nhiệm vụ đã trình bày ở phần

bắt đầu của chương 4, ở đó bạn đã thiết kế

một dầm công xôn để giữ mẫu sợi, trong thí

nghiệm xác định khả năng biến dạng lâu dài

của nó. Hình 4-2 đã chỉ ra một thiết kế dự kiến

Bây giờ bạn được yêu cầu tiếp tục công

việc thiết kế đó bằng việc chọn vật liệu cho

hai thanh tròn chịu uốn, được hàn vào gối tựa

cứng. Bạn cũng cần xác định đường kính thích

hợp của hai thanh khi một tải trọng đã biết

được đặt lên vật liệu thí nghiệm.

5-1 Nội dung của chương

Sau khi hoàn thành chương này bạn có thể:

1. Xác định các loại tải trọng khác nhau thường gặp ở các chi tiết máy, bao gồm tải trọng

tĩnh, lặp và đổi chiều, thay đổi, va đập hoặc xung, và ngẫu nhiên.

2. Khái niệm về hệ số chu trình ứng suất và tính toán giá trị với các loại tải trọng khác

nhau.

3. Khái niệm độ bền mỏi.

4. Xác định đặc trưng giới hạn bền mỏi của vật liệu và xác định độ lớn ước tính của nó

với các loại vật liệu khác nhau.

5. Nhận biết các yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn bền mỏi.

6. Khái niệm hệ số an toàn.

7. Xác định giá trị hợp lí của hệ số an toàn.

8. Thuyết phá hủy ứng suất pháp cực đại và phương pháp Mo hiệu chỉnh dùng cho thiết

kế các vật liệu giòn.

9. Thuyết phá hủy ứng suất tiếp cực đại.

10. Thuyết năng lượng biến dạng, còn được gọi là thuyết von Mises hoặc Mises-Hencky

11. Phương pháp Goodman và áp dụng vào thiết kế các chi tiết chịu ứng suất thay đổi.

12. Chú ý đến phép xấp xỉ thống kê, tuổi thọ hữu hạn, và phương pháp tích luỹ phá huỷ

trong thiết kế.

5-2 Các loại tải trọng và hệ số chu trình ứng suất

Những chỉ tiêu ban đầu được sử dụng để định rõ loại tải trọng tác dụng lên chi tiết máy là

kiểu biến thiên của tải trọng và sự thay đổi ứng suất theo thời gian. Sự thay đổi ứng suất thể hiện

bởi bốn giá trị cơ bản:

1. Ứng suất cực đại, σmax

183

2. Ứng suất cực tiểu, σmin

3. Ứng suất trung bình, σm

4. Biên độ ứng suất, σa

Các ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất thường được tính từ các thông số đã biết nhờ phân tích

ứng suất, phương pháp phần tử hữu hạn, hoặc bằng phương pháp phân tích ứng suất thực nghiệm.

Khi đó ứng suất trung bình và biên độ ứng suất có thể được tính từ:

max min σ σ σ m = + ( ) 2 (5-1)

max min σ σ σ a = − ( ) 2 (5-2)

Ứng suất biến đổi theo những kiểu biến thiên khác nhau sẽ gây ảnh hưởng khác nhau đến

vật liệu. Một cách thức dùng để miêu tả sự biến thiên là sử dụng hệ số chu trình ứng suất. Hai loại

hệ số chu trình ứng suất thường dùng là

Hệ số chu trình ứng suất min

max

R

σ

σ

= (5-3)

Hệ số chu trình ứng suất

m

a A

σ

σ

=

Ứng suất tĩnh

Khi chi tiết chịu tải trọng tác dụng rất chậm, không va đập, và được giữ ở một giá trị

không đổi, khi đó ứng suất trong chi tiết được gọi là ứng suất tĩnh. Ví dụ tải trọng trên một kết cấu

do trọng lượng không đổi của các vật liệu xây dựng. Hình 5-1 chỉ ra đồ thị của ứng suất và thời

gian do tải trọng tĩnh. Vì σ σ max min = , hệ số chu trình ứng suất của ứng suất tĩnh là R = 1.0.

Khi tải trọng được đặt lên và dỡ đi thật chậm sau đó tác dụng lại, với số lần đặt tải nhỏ,

thấp hơn vài nghìn chu kì tải, thì cũng có thể giả thiết đó là tải trọng tĩnh.

Hình 5-1 Ứng suất tĩnh

184

Hình 5-2 Chu trình ứng suất đối xứng

Hình 5-3 Thiết bị kiểm tra giới hạn mỏi R.R.Moore

Ứng suất lặp và đổi dấu (chu trình đối xứng)

Ứng suất đổi dấu xuất hiện khi một phân tố đã cho của bộ phận mang tải chịu một mức

ứng suất kéo đã biết sau đó chịu ứng suất nén cùng mức. Nếu chu trình ứng suất này được lặp lại

nhiều nghìn lần, ứng suất đó được gọi là lặp và đổi dấu. Hình 5-2 chỉ ra đồ thị ứng suất – thời

gian cho ứng suất lặp và đổi dấu (chu trình đối xứng). Vì σ σ max min = − , hệ số chu trình ứng

suất R = - 1.0 và ứng suất trung bình bằng 0.

Một ví dụ quan trọng trong thiết kế máy là trục tròn, quay chịu tải trọng uốn như trong

hình 5-3. Ở vị trí như trong hình, một phân tố ở mặt dưới trục chịu ứng suất kéo trong khi một

phân tố ở mặt trên chịu ứng suất nén với độ lớn tương đương. Khi trục quay 1800

từ vị trí đã cho,

hai phân tố ứng suất trên phải chịu một ứng suất đổi dấu hoàn toàn. Bây giờ nếu trục tiếp tục

185