Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy

1. Cũng có khi tính độ bền xuất phát từ điều kiện đảm bảo hệ số an toàn lớn hơn hoặc bằng hệ số an toàn cho phép: s ≥ [s] (1.2.6) c- Tính độ bền thể tích c.1- Tr−ờng hợp ứng suất không đổi Tính toán theo điều kiện bền (1.2.4) với chú ý: σlim , τlim - giới hạn bền (đối với vật liệu dòn) hoặc giới hạn chảy (đối với vật liệu dẻo). c.2- Tr−ờng hợp ứng suất thay đổi c.2.1- Hiện t−ợng phá hỏng vì mỏi Khi chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi đạt tới số chu kỳ đủ lớn, nó có thể bị phá hỏng một cách đột ngột, ngay cả khi ứng suất sinh ra trong nó còn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn bền tĩnh của vật liệu. Hiện t−ợng này th−ờng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra tại vùng chịu ứng suất lớn, theo thời gian các vết nứt này phát triển theo cả bề rộng và bề sâu, làm cho CTM bị hỏng đột ngột. Do đó vết hỏng do mỏi gây ra trên CTM th−ờng gồm hai vùng: vùng ngoài chứa các hạt nhỏ, mịn; vùng trong chứa các hạt thô hoặc các thớ kim loại. c.2.2- Đ−ờng cong mỏi - Giới hạn mỏi Đồ thị đ−ờng cong mỏi: Qua nghiên cứu cho thấy giữa ứng suất phá hỏng CTM với số chu kỳ lặp lại t−ơng ứng của ứng suất có quan hệ xác định: số chu kỳ càng nhiều thì ứng suất phá hỏng CTM càng bé và ng−ợc lại. Bằng nhiều thí nghiệm và thống kê toán học, ng−ời ta đã thiết lập đ−ợc đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất (biên độ ứng suất hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ ứng suất t−ơng ứng mà mẫu thử có thể chịu đ−ợc cho tới khi bị phá huỷ (hình1.2.5). Đây là đồ thị đ−ờng cong mỏi (hay còn gọi là đ−ờng cong Vêle). Đồ thị gồm 2 phần: -Phần đ−ờng cong có ph−ơng trình: σ m ⋅ N = const (1.2.6) Trong đó: σ σ- ứng suất phá hỏng (giới hạn mỏi ngắn hạn) củaCTM; m- bậc của đ−ờng cong mỏi; m N- số chu kỳ ứng suất ứng với σ. σ .N=const -Phần đ−ờng thẳng: Khi σ giảm đến σ trị số σr thì có thể tăng N khá lớn mà mẫu k thử không bị hỏng vì mỏi. Điều này t−ơng ứng với phần đ−ờng thẳng song song với σr trục hoành đi qua điểm (σr , N0) và đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình: σr = const. (1.2.7) Nk N0 N σr là giới hạn mỏi dài hạn, N0 là số chu kỳ cơ sở của vật liệu, (các loại thép Hình1.2.5: Đồ thị đ−ờng cong mỏi 6 8 thông th−ờng có N0 = 10 - 10 ). Chú ý: - Đa số kim loại màu và hợp kim của chúng không có giới hạn mỏi dài hạn, tức là đ−ờng cong mỏi không có nhánh nằm ngang. Nh− vậy, khi tính toán chi tiết máy làm bằng kim loại và hợp kim màu (ví dụ bánh vít), ng−ời ta dựa vào giới hạn mỏi ngắn hạn. Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng kim loại mầu dù làm việc với ứng suất thấp vẫn bị hỏng sau khi số chu kỳ ứng suất đã khá lớn (N > 108). - Mỗi vật liệu ở chế độ nhiệt luyện nhất định có một độ bền mỏi nhất định. Đồ thị ứng suất giới hạn 10
2. Đồ thị đ−ờng cong mỏi Vêle đ−ợc dùng phổ biến khi tiến hành các thí nghiệm mỏi, nh−ng nó không cho phép xác định các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của ứng suất trong chu trình ứng suất thay đổi không đối xứng. Nh−ng chính hai trị số này mới xác định rõ trị số ứng suất thay đổi làm CTM hỏng hay không hỏng vì mỏi. Vì vậy, khi nghiên cứu về mỏi ng−ời ta sử dụng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất so với ứng suất trung bình, và gọi là đồ thị ứng suất giới hạn. (xem hình1.2.6). Miền nằm giữa hai nhánh AB và CD là những trị số ứng suất không làm hỏng chi tiết. c.2.3- Các nhân tố ảnh h−ởng tới giới hạn mỏi Độ bền mỏi đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Nh−ng trong thực tế CTM có những sai khác về hình Hình1.2.6: Đồ thị ứng suất giới hạn dáng, kích th−ớc, tính chất cơ lý, đặc tính tải trọng, trạng thái ứng suất Vì vậy khi tính toán cần kể đến các ảnh h−ởng này vào giới hạn mỏi đã đ−ợc xác định cho mẫu thử: - ảnh h−ởng của hình dáng kết cấu: Hình dáng kết cấu có ảnh h−ởng lớn đến độ bền mỏi của CTM. D−ới tác dụng của tải trọng, ở những chỗ có tiết diện thay đổi đột ngột (nh− vai trục, rãnh then, lỗ khoan ) có sự tập trung ứng suất làm cho ứng suất thực tế lớn hơn ứng suất danh nghĩa. ảnh h−ởng đó đ−ợc kể đến bằng hệ số tập trung ứng suất: Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ασ và ατ xác định theo công thức: ασ = σmax / σ , ατ = τmax / τ Trong đó: σmax , τmax - ứng suất lớn nhất sinh ra tại nơi có tiết diện thay đổi; σ , τ - ứng suất danh nghĩa tại tiết diện đó. Tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp các trị số ασ và ατ vào tính toán thực tế nhiều khi không thích hợp. Thí nghiệm chứng tỏ rằng do tại chỗ tập trung ứng suất xuất hiện trạng thái căng khối và do ảnh h−ởng của biến dạng dẻo cho nên các đỉnh nhọn ứng suất cục bộ tuỳ theo điều kiện chịu tải đ−ợc san bằng một phần. Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng bền do hiện t−ợng cứng nguội trên lớp bề mặt khi gia công cơ cũng làm ảnh h−ởng đến độ bền mỏi. Do vậy phải dùng hệ số tập trung ứng suất thực tế (nhỏ hơn so với hệ số tập trung ứng suất lý thuyết) để đánh giá sự tập trung ứng suất. Hệ số tập trung ứng suất thực tế kσ và kτ là tỷ số giữa giới hạn mỏi của mẫu nhẵn không có tập trung ứng suất (σr , τr ) và giới hạn mỏi của CTM có hình dáng tập trung ứng suất (σrc , τrc ) chế tạo cùng vật liệu và kích th−ớc tiết diện nh− mẫu: kσ = σr / σr c , kτ = τr / τr c Các giá trị này cho trong các sổ tay tính toán CTM. - ảnh h−ởng của kích th−ớc tuyệt đối: Kích th−ớc tuyệt đối của CTM càng tăng thì giới hạn mỏi càng giảm. Vì khi kích th−ớc tăng lên thì sự không đồng đều về cơ tính vật liệu tăng lên, CTM có thể thêm nhiều khuyết tật, đồng thời tỷ lệ giữa chiều dày lớp bề mặt đ−ợc tăng bền nhờ nhiệt luyện hoặc gia công cơ so với kích th−ớc tổng sẽ giảm xuống. ảnh h−ởng của kích th−ớc tuyệt đối đ−ợc đặc tr−ng bởi hệ số ảnh h−ởng kích th−ớc ε. Đó là tỷ số giữa giới hạn mỏi của chi tiết có đ−ờng kính d và giới hạn mỏi của mẫu có đ−ờng kính d0 ( thông th−ờng d0 = 7 ữ10 mm): εσ = σr d / σr do , ετ = τr d / τr do Các hệ số này có trong các sổ tay tính toán CTM. - ảnh h−ởng của công nghệ gia công bề mặt: Lớp bề mặt của chi tiết máy sau khi gia công cắt gọt (tiện, phay, mài ) và gia công tăng bền (lăn ép, phun bi v.v ) có ảnh h−ởng rất lớn đến giới hạn mỏi. Vì tại đó: 11
3. - Có các yếu tố tập trung ứng suất nh− các nhấp nhô, các vết x−ớc sau gia công cơ hoặc phát sinh trong quá trình sử dụng; - Có chứa những tinh thể bị phá huỷ làm giảm sức bền ở vùng bề mặt; - ứng suất khi chịu tải uốn, xoắn, tiếp xúc đều lớn hơn ứng suất ở lớp bên trong; - Là nơi trực tiếp chịu ảnh h−ởng của môi tr−ờng. Để đánh giá ảnh h−ởng của lớp bề mặt đến độ bền của chi tiết máy ng−ời ta dùng hệ số trạng thái bề mặt β, là tỉ số giữa giới hạn bền mỏi của mẫu có trạng thái bề mặt nh− của chi tiết máy (đ−ợc mài, đánh bóng hoặc tiện , có gia công tăng bền hay không) với giới hạn mỏi của mẫu có bề mặt mài mà không đ−ợc gia công tăng bền. Nếu bề mặt chi tiết đ−ợc tăng bền thì β > 1, nếu không đ−ợc tăng bền thì β ≤ 1. - ảnh h−ởng của trạng thái ứng suất: Tình trạng thay đổi của ứng suất (giá trị của σa , σm ) ảnh h−ởng đến giới hạn mỏi: Biên độ ứng suất là thành phần chủ yếu gây nên phá huỷ mỏi. Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy trị số của ứng suất trung bình cũng có ảnh h−ởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Từ hình 1.2.6 ta thấy, khi ứng suất trung bình σm > 0 , σm càng lớn thì giới hạn biên độ ứng suất σa càng nhỏ, tức là khi σm tăng thì σa tuy nhỏ cũng có thể gây nên phá huỷ mỏi. Khi ứng suất trung bình σm = 0 , giới hạn của biên độ ứng suất bằng giới hạn mỏi ở chu kỳ đối xứng σ -1 . Khi ứng suất trung bình σm < 0 , σa cao hơn giới hạn bền mỏi trong chu kỳ đối xứng σ -1 . c.2.4- Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi Để tránh cho CTM không bị hỏng do mỏi hoặc để kéo dài tuổi thọ của nó, ng−ời ta dùng các biện pháp kết cấu và các biện pháp công nghệ. Các biện pháp kết cấu: Dạng hỏng do mỏi là do CTM chịu ứng suất thay đổi. Những vết nứt do mỏi th−ờng sinh ra ở những chỗ có tập trung ứng suất. Do đó khi định kết cấu của CTM cần chú ý dùng các biện pháp làm giảm tập trung ứng suất. Cụ thể nh− sau: - Bố trí các chỗ gây tập trung ứng suất ở xa các phần chịu ứng suất cao của CTM (nếu có thể đ−ợc). - Tại chỗ l−ợn chuyển tiếp giữa các bậc của CTM, cần tạo hình dạng hợp lý nh− thay chỗ l−ợn sắc cạnh bằng các chỗ l−ợn tròn có bán kính lớn nhất có thể, hoặc chỗ l−ợn có cung e - lip. - Dùng rãnh để giảm tập trung ứng suất. - Khi có rãnh then bằng, nên dùng rãnh then chế tạo bằng dao phay đĩa. - Dùng then hoa răng thân khai thay cho then hoa răng chữ nhật. - Đối với mối ghép bằng độ dôi phải vát mép mayơ hoặc tăng độ mềm của mayơ để áp suất giữa trục và mép mayơ giảm xuống, dẫn đến ứng suất trong mối ghép phân bố đều hơn v.v Các biện pháp công nghệ: - Dùng các biện pháp nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện nh− tôi bề mặt, thấm than, thấm nitơ v.v - Dùng biện pháp biến cứng nguội nh− lăn nén, phun bi - Dùng các biện pháp gia công tinh bề mặt nh− đánh bóng, mài nghiền v.v để giảm độ nhám bề mặt. c.2.5- Cách tính độ bền khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi ổn định Tính toán theo điều kiện bền (1.2.4). Nếu CTM làm việc ở chế độ dài hạn, tức khi số chu kỳ chịu tải N lớn hơn hoặc bằng số chu kỳ cơ sở N0, ứng suất giới hạn lấy theo giới hạn mỏi dài hạn: σlim=σr Nếu CTM làm việc ở chế độ ngắn hạn, tức N<N0 thì từ công thức (1.2.6) ta có: m m σ rN .N = σ r .N0 do đó giới hạn mỏi ngắn hạn ứng với số chu kỳ chịu tải N sẽ là: 12
4. N σ = σ m 0 rN r N và ta có: σ lim = σ rN = σ r .K L N Trong đó: K = m 0 - hệ số tuổi thọ, kể đến ảnh h−ởng của thời hạn phục vụ và chế độ L N tải trọng đến giới hạn mỏi. c.2.6- Cách tính độ bền khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi bất ổn định Giả sử CTM chịu các ứng suất thay đổi σ1, σ2 ứng với các chu kỳ ứng suất t−ơng ứng N ’, N ’ σ 1 2 σm.N=cosnt Khi chịu ứng suất σ1 với chu kỳ N1 thì CTM bị phá hỏng vì mỏi, nh−ng cũng với ứng suất đó, mà chỉ chịu số chu kỳ N’1<N1 thì nó ch−a bị phá hỏng σ1 vì mỏi , tuy vậy, bên trong nó đã chịu một tổn thất mỏi, ứng với tỷ suất mỏi σ N’ / N < 1, (nếu N’ / N =1 thì CTM 2 1 1 1 1 σ bị phá hỏng vì mỏi). r T−ơng tự, khi chịu σ2 thì trong CTM có tổn thất mỏi ứng với N’2/ N2 < N1’N1 N2’N1 N 1 Một cách tổng quát, khi CTM Hình 1.2.7: Sơ đồ tính độ bềnkhi chịu các ứng suất thay đổi [σi] với các ứng suất thay đổi bất ổn định số chu kỳ t−ơng ứng [N’i] (i=1, 2, n): - Tổn thất mỏi ứng với chế độ ứng suất thứ i sẽ là N’i/ Ni . - Theo điều kiện cộng bậc nhất đơn giản các tổn thất mỏi, ta có điều kiện để CTM bị N ' phá hỏng vì mỏi sẽ là: Σ i = 1 (a) N i m ' m σ i N i Nhân cả tử số và mẫu số của biểu thức (a) với σi ta có: Σ m = 1 , nh−ng vì σ i N i m m m m σi Ni= σr N0 , nên : Σσi N’i= σr N0 (b) Từ biểu thức (b) có thể có hai cách tính độ bền khi ứng suất thay đổi bất ổn định: + Cách thứ nhất: Có thể thay tác dụng của các ứng suất [σi] trong suốt thời gian phục vụ của chúng bằng tác dụng của ứng suất lớn nhất với chu kỳ t−ơng đ−ơng NE . m m m m Vì σmax NE = σr N0 nên từ (b) có thể rút ra: Σσi N’i= σmax NE , do đó số chu kỳ t−ơng đ−ơng là: m ⎛ σ ⎞ ⎜ i ⎟ ' N E = ∑⎜ ⎟ ⋅ N i (1.2.8) ⎝σ max ⎠ và tính toán đ−ợc đ−a về chế độ ứng suất thay đổi ổn định, có ứng suất σmax với số chu kỳ N 0 NE xác định theo (1.2.8). Nếu NE ≥ N0 thì σlim=σr , nếu NE < N0 thì σ lim = σ r m . N E Cách tính này th−ờng dùng trong tính toán các bộ truyền cơ khí. + Cách thứ hai: Có thể thay tác dụng của các ứng suất [σi] trong suốt thời gian phục vụ của chúng bằng tác dụng của ứng suất t−ơng đ−ơng nào đó (σt đ) ứng với số chu kỳ t−ơng đ−ơng định tr−ớc NΣ = ΣNi . m m m m Vì σt đ NE = σr N0, nên từ (b) có thể rút ra : Σσi N’i= σt đ NΣ 13
5. m ' σ i ⋅ N i m do đó : σ td = Σ (1.2.9) N Σ và tính toán đ−ợc đ−a về chế độ ứng suất thay đổi ổn định, có ứng suất σtd xác định theo N 0 (1.2.9) với số chu kỳ NΣ = ΣNi . Nếu NΣ ≥ N0 thì σlim=σr , nếu NΣ < N0 thì σ lim = σ r m . N Σ Cách tính này th−ờng dùng để tính chọn ổ lăn. Chú ý: Có tr−ờng hợp ng−ời ta tính toán tổn thất mỏi thông qua giá trị tải trọng [Qi]. Lúc đó, số mũ m đ−ợc thay bằng m’ tuỳ theo quan hệ tải trọng với ứng suất. Ví dụ, tải gây ứng suất kéo, nén, uốn thì m’= m , tải gây ứng suất tiếp xúc đ−ờng thì m’ = m/2. d-Tính độ bền tiếp xúc Ph−ơng trình cơ bản có dạng: σH ≤ [σH] (1.2.10) Trong đó: σH – ứng suất tiếp xúc sinh ra; [σH]-ứng suất tiếp xúc cho phép; d.1- Khi ứng suất tiếp xúc không đổi 1 Tính toán theo (1.2.10) với: ứng suất tiếp xúc tính theo công thức Héc; ứng suất tiếp xúc cho phép xác định bằng thực nghiệm theo điều kiện bền tĩnh để tránh biến dạng dẻo và gẫy dòn lớp bề mặt. Hình1.2.8: Cơ chế tróc vì mỏi Tính ổ lăn chịu tải tĩnh theo cách tính này. d.2- Khi ứng suất tiếp xúc thay đổi Để có cơ sở tính độ bền khi CTM chịu ứng suất thay đổi, tr−ớc tiên phải nghiên cứu dạng tróc rỗ bề mặt vì mỏi. d.2.1- Dạng hỏng tróc rỗ bề mặt vì mỏi Xét tr−ờng hợp hai hình trụ tiếp xúc chịu tải và quay trong dầu bôi trơn (hình 1.2.8). Bánh dẫn 1 quay với vận tốc góc ω1 , bánh bị dẫn 2 quay với vận tốc góc ω2 . Từng điểm trên bề mặt các bánh lần l−ợt chịu tải và thôi tải, ứng suất tiếp xúc ở các điểm này thay đổi theo chu trình mạch động gián đoạn (hình 1.2.8d). ứng suất tiếp xúc thay đổi gây nên hiện t−ợng mỏi lớp bề mặt của chi tiết máy. Trên bề mặt sẽ sinh ra các vết nứt nhỏ. Thực nghiệm chứng tỏ rằng kèm theo chuyển động lăn còn có cả tr−ợt. Khi bị tr−ợt các vết nứt nhỏ không phát triển theo h−ớng vuông góc với bề mặt tiếp xúc mà h−ớng nghiêng theo chiều của lực ma sát, vì đó là h−ớng của bề mặt chịu ứng suất (tổng hợp) lớn nhất (hình 1.2.8a). Dầu bôi trơn sẽ chui vào các vết nứt. Trên bánh dẫn 1, dầu trong các vết nứt sẽ chảy ra ngoài khi các vết nứt này đi vào vùng tiếp xúc (vì bị ép từ chân về phía đỉnh vết nứt). Trên bánh bị dẫn 2, do bị ép và dồn từ miệng về phía chân vết nứt nên dầu không thoát ra ngoài đ−ợc. áp lực dầu sẽ thúc đẩy vết nứt phát triển và đến một lúc nào đó (sau một số chu kỳ nhất định) sẽ làm tróc ra những mảnh kim loại nhỏ. Hiện t−ợng này gọi là tróc rỗ bề mặt vì mỏi. Tróc rỗ sẽ không xảy ra nếu trị số ứng suất tiếp xúc không v−ợt quá trị số ứng suất tiếp xúc cho phép. d.2.2- Tính độ bền tiếp xúc - Giới hạn mỏi bề mặt cũng tuân theo đ−ờng cong mỏi. - Cách tính mỏi bề mặt theo ứng suất tiếp xúc cũng t−ơng tự nh− tính độ bền thể tích khi ứng suất thay đổi. 2- Độ cứng a- Khái niệm Độ cứng của CTM là khả năng chống lại biến dạng đàn hồi hoặc thay đổi hình dáng của nó khi chịu tải. Cần phân biệt độ cứng thể tích và độ cứng bề mặt. 14
6. - Độ cứng thể tích liên quan đến biến dạng của toàn bộ khối vật liệu chi tiết. - Độ cứng tiếp xúc liên quan đến biến dạng của lớp bề mặt của chi tiết. b- Tầm quan trọng của độ cứng Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng về khả năng làm việc của CTM. Trong nhiều tr−ờng hợp, chất l−ợng làm việc của máy đ−ợc quyết định bởi độ cứng của CTM. Ví dụ trục chính của máy cắt kim loại không đủ độ cứng sẽ làm tăng sai số của các sản phẩm gia công. Các trục trong hộp giảm tốc không đủ độ cứng sẽ bị biến dạng quá mức cho phép, gây tập trung tải trọng trên các bánh răng, gây mòn, thậm chí làm kẹt ổ Cũng có khi kích th−ớc CTM đ−ợc xác định theo độ bền thì khá nhỏ, song vẫn phải lấy tăng lên nhiều để thoả mãn yêu cầu về độ cứng, chẳng hạn nh− thân máy cắt kim loại. Yêu cầu về độ cứng đ−ợc quyết định bởi: - Điều kiện bền của CTM, ví dụ nh− tiết máy quay cần cân bằng, tiết máy chịu nén dọc trục - Điều kiện tiếp xúc đều giữa các CTM: các bánh răng ăn khớp với nhau, ngõng trục với ổ tr−ợt vv - Điều kiện công nghệ, có ý nghĩa lớn trong sản xuất hàng loạt: đ−ờng kính trục cần định theo khả năng gia công vv - Yêu cầu đảm bảo chất l−ợng làm việc của máy: ví dụ độ cứng của các CTM trong máy công cụ có ảnh h−ởng rất lớn đến độ chính xác gia công. c- Ph−ơng pháp tính toán độ cứng c.1- Tính toán độ cứng thể tích Trong tr−ờng hợp cần phải đảm bảo CTM có đủ độ cứng thể tích cần thiết, tính toán về độ cứng nhằm giới hạn biến dạng đàn hồi của CTM trong một phạm vi cho phép. Các ph−ơng trình tính toán cơ bản là: - Khi chịu kéo (nén): ∆l ≤ [∆l] (1.2.11) - Khi chịu xoắn : ϕ ≤ [ϕ] (1.2.12) - Khi chịu uốn: f ≤ [f]; θ ≤ [θ ] (1.2.13) Cách xác định trị số của chuyển vị khi kéo (nén) ∆l, độ võng f và góc xoay θ khi uốn, góc xoắn ϕ khi chịu xoắn đ−ợc xác định theo các công thức của “Sức bền vật liệu”. c.2- Tính toán độ cứng tiếp xúc Biến dạng tiếp xúc của các vật thể nhẵn, đồng nhất, tiếp xúc ban đầu theo điểm hoặc đ−ờng đ−ợc tính theo lý thuyết Héc và Bêliaép. Biến dạng tiếp xúc của các vật thể có diện tích tiếp xúc lớn (ví dụ bàn tr−ợt với sống máy tiện vv ) đ−ợc xác định bằng thí nghiệm. d- Các biện pháp nâng cao độ cứng Đối với độ cứng thể tích, có thể tăng độ cứng bằng cách: - Giảm chiều dài chịu kéo (nén), chịu xoắn, chịu uốn (rút ngắn khoảng cách gối; thêm gối tựa; tránh dùng dầm công xôn); - Tăng tiết diện khi chịu kéo (nén), tăng mômen quán tính tiết diện khi chịu uốn, xoắn; - Dùng vật liệu có môđun đàn hồi lớn. Đối với độ cứng tiếp xúc, có thể tăng độ cứng bằng cách: - Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc đến mức cần thiết; - Dùng vật liệu có môđun đàn hồi lớn. Chú ý: Khi sử dụng thép hợp kim độ bền tăng nhiều nh−ng độ cứng hầu nh− không tăng (do mô đun đàn hồi hầu nh− không thay đổi) nên phải chú ý kiểm tra độ cứng. Cũng có tr−ờng hợp lại yêu cầu phải giảm độ cứng của CTM, ví dụ dùng bu lông có độ cứng thấp, giảm độ cứng của răng và vành bánh răng vv sẽ làm tăng độ bền mỏi của chúng. 3- Độ bền mòn a- Khái niệm 15
7. Độ bền mòn là khả năng chống lại sự suy giảm chiều dày lớp bề mặt tiếp xúc của CTM. Mòn là kết quả tác dụng của ứng suất tiếp xúc hoặc áp suất khi các bề mặt tiếp xúc tr−ợt t−ơng đối với nhau trong điều kiện không có bôi trơn ma sát −ớt. b- Tác hại của mòn - Làm giảm độ chính xác của máy, đặc biệt là dụng cụ đo; - Giảm hiệu suất của máy, đặc biệt là các thiết bị động lực với hệ thống pít tông xi lanh; - Giảm độ bền do chất l−ợng lớp bề mặt mất hiệu lực (ví dụ lớp nhiệt luyện, phun phủ, tăng bền); - Làm tăng khe hở của các liên kết động, dẫn tới tải trọng động tăng và gây ồn; - Mòn nhiều có thể làm mất hoàn toàn khả năng làm việc của CTM. b- Quá trình mòn Thực tiễn chứng tỏ quá trình mòn chia làm M 3 giai đoạn (hình 1.2.9): vM Giai đoạn I (giai đoạn chạy rà): sự tiếp xúc xuất hiện chủ yếu ở các điểm nhấp nhô để lại sau gia công cơ. Các điểm này sẽ bị cắt giảm chiều cao hoặc biến dạng dẻo. Giai đoạn này kết thúc khi chiều rộng các phần tiếp xúc lớn hơn chiều rộng chân các vết lõm. Giai đoạn này tạo điều kiện phân bố đều tải trọng và th−ờng diễn ra G/đ I G/đ II G/đ III khá ngắn so với tuổi thọ của CTM, mặt khác nó th−ờng do con ng−ời chủ động tiến hành. Độ Hình 1.2.9: Quá trình mòn mòn M (đ−ờng 1) tăng nhanh và vận tốc mòn vM (đ−ờng2) giảm nhanh, nên trong giai đoạn này cần (G/đ- giai đoạn) chú ý có chế độ tải, bôi trơn và làm mát thích hợp. Giai đoạn II (giai đoạn mòn ổn định): Độ mòn tăng bậc nhất với thời gian, tốc độ dM mòn thấp và không đổi (đoạn nằm ngang của đ−ờng 2): v = = tgα . M dt Giai đoạn này là giai đoạn làm việc của CTM. Trong giai đoạn này cần chú ý định kỳ thay dầu và bảo d−ỡng máy. Giai đoạn III (giai đoạn mòn khốc liệt): chi tiết máy mòn rất nhanh. Đến giai đoạn này thì tuổi thọ của CTM đã hết, cần thay thế hoặc phục hồi nó. d- Biện pháp giảm mài mòn Vì độ mòn và tốc độ mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, mà chủ yếu là ứng suất tiếp xúc hoặc áp suất, vận tốc tr−ợt, hệ số ma sát, chống mòn của vật liệu, bôi trơn . Do đó, biện pháp giảm mài mòn có thể là: - Chọn vật liệu và phối hợp vật liệu các bề mặt đối tiếp hợp lý để giảm ma sát, thoát nhiệt và chống dính tốt. - Chọn chế độ công nghệ gia công hợp lý, thay đổi cơ tính bề mặt nh− nhiệt luyện, phun phủ tăng bền, mạ - Vận hành máy đúng chế độ, bôi trơn và che kín tốt. e- Ph−ơng pháp tính toán độ bền mòn Tính toán độ bền mòn xuất phát từ điều kiện bảo đảm ma sát −ớt, nghĩa là khi làm việc, hai bề mặt tiếp xúc luônluôn đ−ợc ngăn cách bởi một lớp chất bôi trơn. Tr−ờng hợp không thể tạo thành ma sát −ớt thì phải tính toán để giới hạn áp suất (hoặc ứng suất tiếp xúc) giữa hai bề mặt tiếp xúc đảm bảo cho CTM có đủ tuổi thọ quy định. Giữa áp suất (hoặc ứng suất tiếp xúc) và quãng đ−ờng ma sát có quan hệ: pm. s = const (1.2.14) trong đó: p - áp suất (hoặc ứng suất tiếp xúc); s - quãng đ−ờng ma sát; 16
8. m - số mũ, (thông th−ờng m = 1 ữ 3; tr−ờng hợp ma sát −ớt và nửa −ớt m ≅ 3; tr−ờng hợp ma sát khô, nửa khô và tải lớn m =1ữ2; tr−ờng hợp có hạt mài mòn, hoặc áp suất thấp, ma sát nửa khô m ≈ 1). Biểu thức (1.2.14) chứng tỏ nếu áp suất p càng giảm thì tuổi thọ về mòn càng tăng, đặc biệt khi trị số m càng lớn. Có nhiều nhân tố phức tạp ảnh h−ởng đến quá trình mòn, do đó hiện nay ch−a xây dựng đ−ợc ph−ơng pháp tính chính xác về độ bền mòn của CTM. Để hạn chế mòn th−ờng quy −ớc tính theo cách kiểm nghiệm điều kiện áp suất p hoặc tích số pv tại bề mặt làm việc không đ−ợc v−ợt quá trị số cho phép t−ơng ứng: p ≤ [p] (1.2.15) pv ≤ [pv] (1.2.16) Độ bền mòn (và cả độ bền mỏi) của CTM bị giảm đi rất nhiều nếu khi nó bị gỉ. Để tránh gỉ, có thể phủ sơn chống gỉ, mạ, phun phủ lên bề mặt chi tiết, hoặc chế tạo CTM bằng các vật liệu thích hợp. Cần đặc biệt chú ý các CTM làm việc ở chỗ ẩm −ớt, có axit hoặc bazơ v.v 4- Độ chịu nhiệt a- Khái niệm Độ chịu nhiệt của CTM là khả năng làm việc bình th−ờng của nó trong một phạm vi nhiệt độ cần thiết. Nhiệt sinh ra th−ờng là do ma sát trong các cơ cấu và máy, đặc biệt là ở những chỗ chi tiết tiếp xúc bị tr−ợt nhiều, bôi trơn kém. b- Tác hại của nhiệt - Làm giảm khả năng tải của CTM; - Làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn, tăng độ mòn và dễ gây dính; - Biến dạng nhiệt gây ra cong vênh và làm giảm khe hở giữa các chi tiết ghép; - Làm sai lệch độ chính xác của máy và dụng cụ đo. c- Ph−ơng pháp tính toán về nhiệt o Tính toán nhiệt th−ờng kiểm nghiệm theo điều kiện nhiệt độ trung bình ổn định t t b o của máy hoặc CTM không đ−ợc v−ợt quá trị số cho phép [t t b]: o o t t b ≤ [t t b] (1.2.17) o Nhiệt độ [t t b] đ−ợc xác định bằng thực nghiệm tuỳ theo điều kiện làm việc cụ thể của máy và CTM hoặc xác định theo nhiệt độ cho phép của dầu bôi trơn đ−ợc sử dụng . o Nhiệt độ t t b đ−ợc xác định từ ph−ơng trình cân bằng nhiệt. Nhiệt l−ợng sinh ra Ω và nhiệt l−ợng truyền đi Ω’ trong cùng một đơn vị thời gian là bằng nhau: Ω = Ω’ (1.2.18) Ví dụ, với một bộ truyền làm việc trong dầu có thể tính Ω từ công suất mất mát Pm (kW) trong 1 giờ biến thành nhiệt năng: 3600 Ω = 3600P (KJ/h) = P (Kcal / h) ≈ 860P (kcal/h) (1.2.19) m 4,18 m m Nhiệt l−ợng truyền đi Ω’ cũng trong 1 giờ: Ω’ = At kt ( t - t0 ) (1.2.20) 2 Trong đó: At - diện tích bề mặt thoát nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh (m ); 2 0 2 0 kt - hệ số thoát nhiệt (kcal/m h C ), th−ờng lấy kt = 7,5 ữ 15 (kcal/m h C), tuỳ theo tốc độ l−u thôngcủa môi tr−ờng toả nhiệt; t - nhiệt độ của dầu (th−ờng không đ−ợc quá 75-90oC); 0 t0 - nhiệt độ của môi tr−ờng xung quanh (th−ờng lấy t0 = 20 C ). Thay (1.2.19), (1.2.20) vào ph−ơng trình (1.2.18) ta có: 860 Pm = At kt (t - t0) (1.2.21) Từ công thức (1.2.21), khi đã biết At có thể xác định đ−ợc nhiệt độ t để kiểm nghiệm điều kiện (1.2.17), hoặc với t cho tr−ớc có thể xác định diện tích cần làm nguội At . Nếu 17