Bải giảng Chi tiết máy
Chương 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN
VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY
1. Các khái niệm cơ bản – môn học chi tiết máy
1.1 Khái niệm chi tiết máy
_ Khi chúng ta tháo rời một máy, một bộ phận máy sẽ nhận được những phần tử nhỏ
của máy, ví dụ như: bu lông, đai ốc, bánh răng, trục. Các phần tử này không còn có
thể tách rời được nữa và được gọi là chi tiết máy.
_ Có thể định nghĩa như sau: Chi tiết máy là phần tử cơ bản cấu thành nên máy, có
hình dạng và kích thước xác định, có công dụng nhất định trong máy.
_ Chi tiết máy có thể phân thành 2 nhóm:
+ Nhóm chi tiết máy có công dụng chung. Bao gồm các chi tiết máy được sử
dụng trong nhiều loại máy khác nhau. Trong các loại máy khác nhau, chi tiết máy có
hình dạng và công dụng như nhau. Ví dụ: bánh răng, khớp nối, trục, bu lông, ổ lăn …
+ Nhóm chi tiết máy có công dụng riêng. Bao gồm các chi tiết máy chỉ được sử
dụng trong một loại máy nhất định. Trong các lọai máy khác nhau, hình dạng hoặc
công dụng của chi tiết máy là khác nhau. Ví dụ: trục khuỷu, tua bin, vỏ hộp giảm tốc,
thân máy …
Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các chi tiết máy có công dụng chung.
1.2 Nhiệm vụ, tính chất, vị trí môn học Chi tiết máy
_ Chi tiết máy là khoa học về thiết kế hợp lý các chi tiết máy có công dụng chung.
_ Môn học chi tiết máy vừa mang tính chất lý thuyết vừa gắn liền với các kết quả thực
nghiệm.
_ Chi tiết máy là một trong những môn học cơ sở của chương trình đào tạo kỹ sư cơ
khí nói chung, là cầu nối giữa kiến thức khoa học cơ bản, cơ sở và các kiến thức
chuyên môn.
2. Tải trọng và các dạng ứng suất
2.1 Tải trọng
_ Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm: lực, mô men và áp suất. Tải
trọng là đại lượng véc tơ, được xác định bởi các thông số: cường độ, phương, chiều,

2.2 Ứng suất
_ Ứng suất là ứng lực xuất hiện trong các phần tử của chi tiết máy, khi nó chịu tác
dụng của tải trọng.
_ Ứng suất là đại lượng véc tơ, nó được xác định bởi phương, chiều, cường độ. Đơn vị
đo của ứng suất là MPa, 1 MPa = 1 N/mm
2
.
_ Tương ứng với các tải tác dụng, ứng suất được phân thành các loại:
+ Ứng suất kéo, ký hiệu là σ
k
,
+ Ứng suất nén, ký hiệu là σ
n
,
+ Ứng suất uốn, ký hiệu là σ
u
,
+ Ứng suất tiếp xúc, ký hiệu là σ
tx
, hoặc σ
H
,
+ Ứng suất dập, ký hiệu là σ
d
,
+ Ứng suất xoắn, ký hiệu là τ
x
,
+ Ứng suất cắt, ký hiệu là τ
c

: σ
a
= (σ
max
- σ
min
)/2 ,
Hệ số chu kỳ ứng suất r: r = σ
max
/ σ
min
,
hoặc r = σ
min
/ σ
max
, khi σ
min
= 0.
_ Căn cứ vào giá trị của hệ số chu kỳ ứng suất r, người ta chia ứng suất thành các loại:
+ Ứng suất thay đổi đối xứng, khi chu trình ứng suất có r = -1.
+ Ứng suất thay đổi không đối xứng, khi chu trình ứng suất có r ≠ 1, nếu σ
min
=
0 hay σ
max
= 0, chu trình ứng suất mạch động.
_ Với cùng một giá trị ứng suất như nhau, nhưng r khác nhau thì khả năng phá hủy vật
liệu của ứng suất cũng khác nhau. Chi tiết máy chịu ứng suất tĩnh có tuổi thọ cao hơn
chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi mạch động, chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi đối

Bải giảng Chi tiết máy
[ ] [ ]
,
σ τ
: là ứng suất cho phép
n: hệ số an toàn.
c. Cách xác định ứng suất cho phép
_ Xác định ứng suất cho phép bằng cách tra bảng. Bảng số liệu ứng suất cho phép
được thiết lập bằng cách thí nghiệm, hoặc bằng những kinh nghiệm đúc kết trong quá
trình sử dụng chi tiết máy. Cách xác định này cho kết quả khá chính xác.
_ Tính ứng suất cho phép theo công thức gần đúng:
[ ]
gh
n
σ
σ
=
[ ]
gh
n
τ
τ
=
,
gh gh
σ τ
: là ứng suất giới hạn
Tùy theo từng trường hợp cụ thể ứng suất giới hạn có thể là giới hạn chảy (σ
ch
,

máy bằng thép rèn hoặc cán lấy n
2
= 1,5 , các chi tiết máy bằng gang có thể lấy n
2
= (2
÷ 2,5).
n
3
: là hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn, đối với các chi tiết máy
quan trọng trong máy, hoặc có liên quan trực tiếp đến an toàn lao động, lấy n
3
= (1,2 ÷
1,5).
_ Ứng suất cho phép cũng có thể được tính theo công thức thực nghiệm.
3.2 Chỉ tiêu độ cứng
a. Định nghĩa:
_ Độ cứng của chi tiết là khả năng của chi tiết máy cản lại biến dạng đàn hồi dưới tác
dụng của tải trọng. Có hai dạng độ cứng: độ cứng thể tích và độ cứng tiếp xúc.
b. Phương pháp tính
_ Độ cứng thể tích
Điều kiện : chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc không vượt quá giá trị cho phép.
+ Chi tiết máy chịu tải trọng dọc trục:
]l[
EA
lF
l
a
∆≤=∆
F
a

=
với : F
n
- lực nén
y - đại lượng biến dạng do tiếp xúc
* Con lăn tiếp xúc với mặt phẳng: được xác định theo công thức Héc - Belaev:
3
2
2
n
dE
F
55,1y
=
d : đường kính con lăn
+ Trường hợp bề mặt nhấp nhô tiếp xúc nhau, khi chịu tải trọng thì các nhấp nhô bị
biến dạng. Khi đó, độ cứng tiếp xúc được tính theo công thức Votinov:
y
Ap
j
0
=
p
0
– áp suất riêng tại chổ tiếp xúc
A - diện tích tiếp xúc
y - biến dạng tiếp xúc
m
0
Kpy =

+ Giảm sức bền chi tiết máy
+ Gây tiếng ốn do va đập các bộ phận
c. Các phương pháp giảm mòn sau
+ Sử dụng vật liệu giảm ma sát: đồng thanh, gang chịu mài mòn
+ Giảm tải cho bề mặt chịu ma sát, phân bố tải trọng đều trên bề mặt tiếp xúc
tránh tập trung
+ Bôi trơn và làm nguội tốt, giảm độ nhám bề mặt, tính toán hợp lý vận tốc
trượt để hình thành lớp dầu bôi trơn trên bề mặt ma sát.
+ Hạn chế hạt mài rơi bề mặt ma sát bằng cách che chắn, hoặc trên bề mặt tạo
những rãnh chứa hạt mài sinh ra trong quá trình làm việc.
1 Ngoài ra để tránh ăn mòn điện hóa, những bề mặt không làm việc của chi tiết
máy cần được bảo vệ bằng cách phủ sơn chống gỉ, hoặc bằng phương pháp mạ.
3.3 Chỉ tiêu chịu nhiệt
a. Tác hại của nhiệt
Trong quá trình máy làm việc, công suất bị tổn hao do ma sát biến thành nhiệt
năng đốt nóng các chi tiết máy. Nhiệt độ làm việc cao quá giá trị cho phép, có thể gây
nên các tác hại sau đây:
+ Làm giảm cơ tính của vật liệu, dẫn đến làm giảm khả năng chịu tải của chi tiết
máy.
+ Làm giảm độ nhớt của dầu, mỡ bôi trơn, tăng khả năng mài mòn.
+ Chi tiết máy bị biến dạng nhiệt lớn làm thay đổi khe hở trong các liên kết động,
có thể dẫn đến kẹt tắc, hoặc gây nên cong vênh.
b. Phương pháp tính toán
Tính toán đon giản nhất là kiểm nghiệm điều kiện chịu nhiệt:
[ ]
θ θ
≤
Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 6
Bải giảng Chi tiết máy
Trong đó: θ là nhiệt độ làm việc của máy, bộ phận máy.

C
A
t
: diện tích tỏa nhiệt của máy, tính bằng m
2
,
θ
0
: nhiệt độ môi trường làm việc của máy,
0
C.
Ω
2
là nhiệt lượng do thiết bị làm mát tải ra ngoài trong một giờ, kCal/h.
Thay vào phương trình cân bằng nhiệt, ta có công thức tính nhiệt độ làm việc θ
như sau:
2
860(1 )
t t
P
k A
η
θ
− − Ω
=
Khi chi tiết máy không đủ chỉ tiêu chịu nhiệt, có nghĩa là θ > [θ], lúc đó cần
tìm biện pháp xử lý. Có thể chọn lại chất bôi trơn để tăng nhiệt độ cho phép [θ]. Hoặc
là giảm nhiệt độ làm việc θ bằng cách:
+ Tăng diện tích bề mặt tỏa nhiệt A
t

ω
0
.
4 + Dùng các thiết bị giảm rung…
4. Độ bền mỏi
4.1 Hiện tượng phá hỏng do mỏi – độ bền mỏi
Đối với các chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi theo thời gian, sau một
số chu kỳ sẽ có những vết nứt tế vi tại vùng chịu ứng suất lớn. Khi số chu kỳ làm việc
đến một giới hạn nào đó, số vết nứt và kích thước các vết nứt tăng lên dẫn đến phá
hủy chi tiết máy.
Đó là hiện tượng phá hủy mỏi và khả năng của chi tiết máy cản lại sự phá hủy
mỏi gọi là độ bền mỏi.
4.2 Đường cong mỏi
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa giá trị ứng suất và số chu kỳ làm việc cho đến khi
hỏng của chi tiết máy gọi là đường cong mỏi.
Trong đó:
N
O
: là số chu kỳ cơ sở.
σ
r
: giới hạn mỏi của vật liệu.
m : mũ của đường cong mỏi.
σ
N
: giới hạn mỏi ngắn hạn:
σ
N
=K
N

Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 8
Hình 3. Đường cong mỏi
Hình 4. Những nơi tập
trung ứng sất
Bải giảng Chi tiết máy
Qua thí nghiệm người ta thấy rằng: với vật liệu như nhau, khi tăng kích thước tuyệt
đối của chi tiết máy thì giới hạn bền mỏi của chi tiết máy giảm xuống.
Lý do: kích thước của chi tiết máy càng lớn, vật liệu càng không đồng đều, khả năng
xuất hiện các khuyết tật trong lòng chi tiết máy càng nhiều. Những vết nứt, rỗ xỉ, rỗ
khí trong lòng chi tiết máy là những điểm có tập trung ứng suất, là những điểm bắt
đầu cho sự phá hỏng vì mỏi.
d. Công nghệ gia công bề mặt chi tiết máy
_ Lớp bề mặt chi tiết máy thường là lớp chịu ứng suất lớn nhất, các vết nứt đầu tiên
cũng hay xảy ra ở đây.
_ Những chi tiết máy qua nguyên công gia công tinh, có độ bóng bề mặt cao sẽ có độ
bền mỏi cao hon những chi tiết máy chỉ qua nguyên công gia công thô
_ Các bề mặt được gia công tăng bền như phun bi, lăn ép sẽ san bằng các nhấp nhô và
làm chai cứng bề mặt, độ bền mỏi của chi tiết máy được nâng cao.
e. Trạng thái ứng suất
_ Chi tiết máy chịu ứng suất đơn có độ bền mỏi cao hơn khi chịu ứng suất phức tạp.
_ Trong các trạng thái ứng suất đơn, nếu σ
max
< 0 (trạng thái ứng suất nén) chi tiết máy
có độ bền mỏi cao nhất, kế đến là trạng thái ứng suất kéo (có σ
min
> 0), trạng thái ứng
suất vừa kéo vừa nén (r < 1) có độ bền mỏi thấp nhất.
4.4 Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của chi tiết máy
_ Tìm cách giảm giá trị tuyệt đối của biên độ ứng suất. Tránh cho chi tiết máy làm
việc với trạng thái ứng suất có hệ số chu kỳ ứng suất r < 1.

6. Khái niệm chung về tính toán, thiết kế chi tiết máy
6.1 Đặc điểm thiết kế
_ Các công thức dùng trong tính toán thiết kế chi tiết máy có 3 loại: công thức chính
xác, công thức gần đúng, và công thức thực nghiệm.
+ Công thức chính xác, được xây dựng trên cơ sở lý thuyết Toán học và Vật lý
học. Sử dụng công thức chính xác, trong mọi trường hợp ta luôn nhận được kết quả
đúng. Trong lĩnh vực thiết kế chi tiết máy, các công thức loại này rất ít.
+ Công thức gần đúng, được xây dựng trên cơ sở phải đặt ra các giả thiết. Ví
du: giả thiết vật liệu đồng chất, đẳng hướng, hoặc cứng tuyệt đối. Kết quả tính toán
được coi là chính xác khi điều kiện của bài toán trùng với các giả thiết. Do đó, người
ta đưa vào các hệ số để điều chỉnh độ chính xác của kết quả tính Loại công thức này
rất phổ biến trong lĩnh vực thiết kế chi tiết máy.
+ Công thức thực nghiệm, hoặc công thức kinh nghiệm. Kết quả tính toán thiết
kế bằng công thức thực nghiệm chỉ được chấp nhận, khi điều kiện của bài toán trùng
với điều kiện thí nghiệm, hoặc trùng với kinh nghiệm sử dụng.
_ Thông thường phải tính sơ bộ trước, sau đó tính kiểm nghiệm lại.
_ Một chi tiết máy thường có rất nhiều kích thước, chỉ nên tính toán những kích thước
của các tiết diện chính (bao gồm các tiết diện tham gia lắp ghép, tiết diện có gía trị
ứng suất lớn, tiết diện hay xảy ra hỏng hóc). Các kích thước còn lại sẽ được chọn
trong quá trình vẽ kết cấu của chi tiết máy. Chọn theo điều kiện lắp ghép với các chi
tiết khác, theo tính hợp lý, tính thẩm mỹ của kết cấu, hoặc theo kinh nghiệm của
người thiết kế.
_ Trong mỗi bước tính thiết kế chi tiết máy, có thể có nhiều phương án cùng thỏa mãn
yêu cầu của đầu bài, chúng ta nên phân tích chọn 2 đến 3 phương án hợp lý nhất để
tính toán tiếp tục. Ở bước cuối cùng, cần so sánh, chọn ra phương án tốt nhất làm kết
quả thiết kế.
6.2 Vấn đề tiêu chuẩn hóa
a. Khái niện chung
“Tiêu chuẩn hóa là sự quy định hợp lý về quy cách, tính chất, hình dạng, kích thước
của các đối tượng, và thống nhất sử dụng trong một phạm vi nhất định”

- Tiêu chuẩn cơ sở: thống nhất sử dụng trong từng cơ sở sản xuất, xí nghiệp, nhà máy,
viết tắt là TC.
Chương 1. Những vấn đề cơ bản trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 11