Trước khi nghiên cứu thiết kế máy, chi tiết máy, chúng ta cần biết như thế nào là một máy tốt. Để làm được điều đó, cần biết các thông số đánh giá chất lượng của máy, hay những yêu cầu chủ yếu đối với máy và chi tiết máy.
Một bản thiết kế máy hoặc chi tiết máy được gọi là hợp lý, khi máy thỏa mãn 6 yêu cầu chủ yếu sau:
- Máy có hiệu quả sử dụng cao, thể hiện ở chỗ:
- Tiêu tốn ít năng lượng cho một sản phẩm gia công trên máy,
- Năng suất gia công cao,
- Độ chính xác của sản phẩm gia công trên máy cao,
- Chi phí sử dụng máy thấp,
- Kích thước, khối lượng của máy hợp lý.
- Máy có khả năng làm việc cao: máy hoàn thành tốt chức năng đã định trong điều kiện làm việc của cơ sở sản xuất, luôn luôn đủ bền, đủ cứng, chịu được nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, không bị rung động quá mức.
- Máy có độ tin cậy cao: máy luôn luôn họat động tốt, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật theo thiết kế. Trong suốt thời gian sử dụng, máy ít bị hỏng hóc, thời gian và chi phí cho việc sửa chữa thấp.
- An toàn trong sử dụng: không gây nguy hiểm cho người sử dụng, cho các máy, bộ phận máy khác, khi máy làm việc bình thường và ngay cả khi máy có sự cố hỏng hóc.
- Máy có tính công nghệ cao, thể hiện ở chỗ:
- Kết cấu của máy phải phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất,
- Kết cấu của các chi tiết máy đơn giản, hợp lý,
- Cấp chính xác và cấp độ nhám chọn đúng mức,
- Chọn phương pháp chế tạo phôi hợp lý.
- Máy có tính kinh tế cao, thể hiện ở chỗ:
- Công sức và phí tổn cho thiết kế là ít nhất,
- Vật liệu chế tạo các chi tiết máy rẻ tiền, dễ cung cấp,
- Dễ gia công, chi phí cho chế tạo là ít nhất,
- Giá thành của máy là thấp nhất.
Các bước thiết kế một máy
Trước khi bắt đầu thiết kế một máy, chúng ta phải nắm vững nhiệm vụ thiết kế, cần biết các số liệu sau đây:
- Số lượng máy cần chế tạo. Chế tạo bao nhiêu chiếc?
- Sản phẩm gia công trên máy. Hình dạng, kích thước, vật liệu, độ chính xác?
- Năng suất gia công trên máy. Cần gia công bao nhiêu sản phẩm trong 1 giờ?
- Tuổi thọ của máy, hay thời gian sử dụng máy cho đến lúc bỏ đi?
- Yêu cầu về kích thước, khối lượng của máy?
- Đặc điểm của môi trường máy sẽ làm việc?
Các yêu cầu khác?
- Công việc thiết kế được tiến hành theo 7 bước:
- Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của máy. Nên tham khảo các máy hiện có để chọn nguyên tắc hoạt động thích hợp. Chế độ làm việc của máy, cơ cấu máy có liên quan đến việc chọn giá trị các hệ số tính toán trong quá trình xác định kích thước của chi tiết máy.
- Lập sơ đồ chung toàn máy, sơ đồ các bộ phận máy. Sơ đồ phải thỏa mãn yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế. Cần lập một vài phương án sơ đồ máy, sau đó so sánh chọn phương án tốt nhất.
- Xác định tải trọng tác dụng lên máy, bộ phận máy và từng chi tiết máy. Đây là bước quan trọng. Nếu xác định không đúng tải trọng, chúng ta sẽ thiết kế ra máy hoặc là không đủ bền, hoặc là không đảm đảm bảo tính kinh tế.
- Tính toán thiết kế các chi tiết máy. Xác định hình dạng, kích thước, vẽ được kết cấu của từng chi tiết máy.
- Lập quy trình công nghệ gia công từng chi tiết máy.
- Lập quy trình lắp ráp các bộ phận máy và lắp ráp toàn máy.
- Lập hồ sơ thiết kế cho máy. Lập các bản vẽ, bản thuyết minh, tài liệu chỉ dẫn sử dụng và sửa chữa máy.
Các bước thiết kế một chi tiết máy
Để thực hiện bước thứ 4 trong quy trình thiết kế máy, chúng ta phải lần lượt tính toán thiết kế từng chi tiết máy. Trước khi thực hiện thiết kế chi tiết máy, cần phải biết các số liệu liên quan đến chi tiết máy:
- Các tải trọng tác dụng lên chi tiết máy: cường độ, phương, chiều, điểm đặt
- và đặc tính của nó.
- Tuổi thọ của chi tiết máy. Thông thường tuổi thọ của chi tiết máy bằng tuổi
- thọ của máy, cũng có trường hợp chỉ bằng một phần tuổi thọ của máy.
- Điều kiện làm việc của chi tiết máy.
- Các yêu cầu về vật liệu, khối lượng, kích thước.
- Khả năng gia công của cơ sở cơ khí sẽ chế tạo chi tiết máy.
Thiết kế một chi tiết máy thường tiến hành qua 7 bước:
1. Lập sơ đồ tính toán chi tiết máy - sơ đồ hóa kết cấu chi tiết máy.
2. Đặt các tải trọng lên sơ đồ tính toán chi tiết máy [Hình 1-2].
3. Chọn vật liệu chế tạo chi tiết máy.
4. Tính toán các kích thước chính của chi tiết máy theo điều kiện bền hoặc điều kiện cứng.
5. Chọn các kích thước khác và vẽ kết cấu của chi tiết máy.
6. Kiểm nghiệm chi tiết máy theo độ bền, độ cứng, tính chịu nhiệt, tính chịu dao động. Nếu không đảm bảo thì phải tăng kích thước, nếu quá dư thì phải giảm kích thước của chi tiết máy.
7. Lập bản vẽ chế tạo chi tiết máy. Trên đó thể hiện đầy đủ hình dạng, kích thước, dung sai, chất lượng bề mặt, vật liệu, phương pháp nhiệt luyện, các yêu cầu kỹ thuật về gia công, lắp rắp.
Chương1 NHỮNG VẪN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THIẾT KẾ MÁY1. Nội dung và trình tự thiết kế máy2. Khái quát về các yêu cầu đối với máy và chi tiết máy3. Tải trọng và ứng suất4. Độ bền mỏi của chi tiết máy5. Chọn vật liệu6. Vấn đề tiêu chuẩn hoá chi tiết máy1. NỘI DUNG VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ MÁY1.1. Nội dung thiết kế máyThiết kế máy để thoả mãn được các yêu cầu trên là một công việc phức tạp, mà nội dung chủ yếu bao gồm các vấn đề:- Xác định nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của máy được thiết kế.- Lập sơ đồ chung toàn máy và các bộ phận máy, thoả mãn các yêu cầu cho trước.- Xác định lực, mômen tác dụng lên các bộ phận máy và đặc tính thay đổi của tải trọng theo thời gian.- Chọn vật liệu chế tạo các chi tiết máy.- Tiến hành tính toán về động học, động lực học, về khả năng làm việc, tính toán kinh tế v.v… , định hình dạng, kích thước tất cả các bộ phận và chi tiết máy.- Quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết máy và lắp ráp các bộ phận máy.- Lập thuyết minh và các chỉ dẫn về sử dụng và sửa chữa máy1. NỘI DUNG VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ MÁY1.2. Trình tự thiết kế chi tiết máy- Lập sơ đồ tính toán- Xác định tải trọng tác dụng lên chi tiết máy.- Chọn vật liệu- Tính toán các kích thước chính của chi tiết máy theo các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc- Dựa theo Tính toán và các điều kiện chế tạo, lắp ghép v.v… vẽ kết cấu cụ thể của chi tiết máy với đầy đủ kích thước, dung sai, độ nhám bề mặt, các yêu cầu đặc biệt về công nghệ [nhiệt luyện, mạ, lăn ép tăng bền v.v…].- Tiến hành tính toán kiểm nghiệm2. KHÁI QUÁT CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI MÁY VÀ CHI TIẾT MÁY2.1. Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng2.2. Khả năng làm việc2.3. Độ tin cậy cao2.4. An toàn trong sử dụng.2.5. Tính công nghệ và tính kinh tếVề phương diện tính công nghệ, chi tiết máy cần đảm bảo các yêu cầu sau:- Kết cấu phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất.- Kết cấu đơn giản và hợp lí.- Cấp chính xác và độ nhám đúng mức.- Chọn phương pháp tạo phôi hợp lí.3. TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT3.1. Tải trọng- Tải trọng tĩnh- Tải trọng thay đổi- Trong tính toán chi tiết máy người ta còn phân biệt tải trọng danh nghĩa, tải trọng tương đương và tải trọng tính toán.- Tải trọng danh nghĩa: Thường chọn tải trọng lớn hoặc tác dụng lâu dài nhất làm tải trọng danh nghĩa.- Tải trọng tương đương:- : hệ số tuổi thọ, phụ thuộc đồ thị thay đổi tải trọng và tải trọng nào trong các tải trọng thay đổi này được chọn làm tải trọng danh nghĩa.- Tải trọng tính toán:NdntdkQQ .=NkdkdttNdndkdtttdtkkkkQkkkQQ ==3. TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT3.2. Ứng suất-Ứng suất tĩnh- Ứng suất thay đổiChu trình ứng suất được đặc trưng bởi:- Biên độ ứng suất: - Ứng suất trung bình:- Hệ số tính chất chu trình:2minmaxσσσ−=a2minmaxσσσ+=mmaxminσσ=r4. ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT MÁY4.1. Hiện tượng phá huỷ mỏi- Vật liệu có thể bị phá huỷ khi trị số ứng suất lớn nhất không những thấp hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu, nếu số lần thay đổi ứng suất [số chu kì ứng suất] khá lớn.- Đối với một số loại vật liệu, có tồn tại một trị số ứng suất giới hạn tác dụng vào vật liệu với số chu kì rất lớn mà không phá hỏng vật liệu.- Sự phá huỷ mỏi bao giờ cũng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ [còn gọi là vết nứt tế vi], không nhìn thấy được bằng mắt thường. Các vết nứt này phát triển dần cùng với sự gia tăng số chu trình ứng suất, đến một lúc nào đó chi tiết máy bị gãy hỏng hoàn toàn.4. ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT MÁY4.2. Đường cong mỏiĐồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ thay đổi ứng suất - Ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm- Nếu giảm ứng suất đến một giới hạn nào đó đối với một số loại vật liệu, tuổi thọ N có thể tăng lên khá lớn mà mẫu thử không bị gẫy hỏng. - Giới hạn bền mỏi của vật liệu. No - Số chu kì cơ sở.[Số chu kì cơ sở No của một số loại thép thông thường có thể ở trong khoảng 106 đến 107 ]rσ4. ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT MÁY4.3. Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy- Vật liệu: hàm lượng các bon cao thì độ bền mỏi cao hơn- Hình dạng kết cấu- Kích thước tuyệt đối- Công nghệ gia công bề mặt- Trạng thái ứng suất4.4. Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi-Biện pháp công nghệCác biện pháp thiết kế5. CHỌN VẬT LIỆU5.1. Nguyên tắc chung-Phải đảm bảo cho chi tiết máy có đủ khả năng làm việc [thí dụ như đủ độ bền, độ cứng, độ bền mòn v.v…].- Thoả mãn yêu cầu về khối lượng và kích thước chi tiết máy và cả bộ máy- Vật liệu phải có tính chất công nghệ thích ứng với hình dạng và phương pháp gia công chi tiết máy, tốn ít công sức chế tạo nhất.- Có lợi nhất về phương diện giá thành sản phẩm5.2. Các loại vật liệu dùng trong chế tạo máy- Hợp kim màu: Hợp kim đồng, babít, hợp kim nhẹ, vật liệu kim loại sợi hỗn hợp.- Kim loại gốm.- Vật liệu không kim loại.6. VẤN ĐỀ TIÊU CHUẨN HÓA CHI TIẾT MÁY6.1. Lợi ích của tiêu chuẩn hoá- Có thể sản xuất hàng loạt.- Các điều kiện kĩ thuật và phương pháp thí nghiệm được tiêu chuẩn hoá, tạo điều kiện nâng cao chất lượng, khả năng làm việc và tuổi thọ chi tiết máy- Việc sửa chữa được nhanh chóng, khối lượng sửa chữa giảm bớt, giá sửa chữa hạ.- Khối lượng thiết kế giảm bớt, do đó tiết kiệm được công sức thiết kế.6. VẤN ĐỀ TIÊU CHUẨN HÓA CHI TIẾT MÁY6.2. Những đối tượng được tiêu chuẩn hoá trong chế tạo máy- Các vấn đề chung: các dãy số và kích thước, số vòng quay trong 1 phút v.v… độ côn, các kí hiệu quy ước trên bản vẽ.- Vật liệu: thành phần hoá học, đặc tính cơ học chủ yếu và phương pháp nhiệt luyện.- Các thuật ngữ, các kí hiệu.- Đơn vị đo lường.- Cấp chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết máy.- Hình dạng, kích thước của chi tiết máy thường dùng: các tiết máy ghép, xích, đai, ổ lăn, khớp nối, các thiết bị bôi trơn, v.v…- Các yếu tố cấu tạo của chi tiết máy: ren, mô đun và dạng khởi thuỷ [dạng sinh] của bánh răng, đường kính và chiều rộng bánh đai, v.v…- Các thông số cơ bản và các chỉ tiêu về chất lượng của máy, thiết bị.- Các tài liệu thiết kế, tài liệu công nghệ.