Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………… 02
Chương I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 . Một số nội dung, khái niệm cơ bản……… 03
1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy 05
1.3. Bản chất của phương pháp tính toán theo xác suất 10
1.4. Lịch sử phát triển và thực trạng nghiên cứu 14
1.5. Nội dung nghiên cứu 15
Chương II: LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT
2.1. Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế …………………16
2.2. Hàm phân phối đại lượng ngẫu nhiên……………… 18
2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy…… 20
Chương III: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY
3.1. Phân tích và thiết kế trên cở sở độ tin cậy theo độ bền……… …41
3.2. Tính toán chi tiết máy theo dạng trục chịu xoắn … 45
3.3. Ứng dụng phần mềm matlab trong tính toán, thiết kế ………………….48
Chương IV: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÁN TRỤC Ô TÔ
4.1. Đặt vấn đề…………………………………………………
……………… 57
4.2. Giới thiệu xe Zil 130 và bán trục xe Zil 130…………………
…………… 59
4.3. Tính toán bán trục theo phương pháp tĩnh…………………… ………….
… 62
4.4. Tính toán bán trục theo phương pháp mỏi………………… ……
………… 65
4.5. Tính toán bán trục theo phương pháp xác suất……………………
……… 67
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 1 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
hoàn thành đồ án của mình đúng tiến độ. Tuy nhiên do thời gian và trình độ
bản thân còn có hạn, nên sai sót là điều không thể tránh khỏi. Em mong được
sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài tốt nghiệp của em
được hoàn thiên hơn và có thể được ứng dụng trong thực tế thiết kế. Em xin
chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang cùng các thầy cô
trong Bộ môn cơ khí ô tô – Khoa Cơ Khí - Trường ĐHGTVT Hà Nội đã giúp
đỡ em hoàn thành đồ án này.
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 3 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Quang
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Một số nội dung, khái niệm cơ bản
1.1.1. Máy và chi tiết máy
Bất kỳ một máy nào dù đơn giản hay phức tạp cũng được cấu tạo từ nhiều
bộ phận máy, thí dụ máy tiện gồm: bàn máy, ụ máy, ụ động, hộp tốc độ, bàn
giao, cơ cấu truyền dẫn từ động cơ đến hộp tốc độ.
Mỗi máy lại gồm nhiều chi tiết máy, chẳng hạn như ụ đứng của máy tiện
gồm có: trục chính, ổ trục, bánh răng…
Vậy chi tiết máy là phần tử cấu tạo đầu tiên, hoàn thiện của máy mặc dù chi
tiết máy gồm rất nhiều loại, kiểu, khác nhau về hình dạng và kích thước, về
nguyên lý làm việc, về tính năng…Nhưng trên quan điểm thiết kế có thể xếp
chúng vào hai nhóm: Nhóm chi tiết máy có công dụng chung và chi tiết máy
có công dụng riêng.
• Chi tiết máy có công dụng chung như bulông, bánh răng, trục, ổ trục…là
các chi tiết máy được dùng phổ biến trong các loại máy khác nhau
• Chi tiết máy có công dụng riêng như trục khuỷu, van, trục cam, bánh
tuabin…chỉ được dùng trong một số loại máy nhất định.
1.1.2. Ô tô và chi tiết ô tô
pháp tăng bền.
• Độ tin cậy cao: Độ tin cậy là tính chất của máy, bộ phận máy hoặc chi tiết
máy thực hiện được các chức năng đã định, đồng thời vẫn giữ được các chỉ
tiêu về tính sử dụng ( năng suất, công suất, độ chính xác). Trong suốt thời
gian làm việc nào đó hoặc trong suốt thời gian thực hiện khối lượng công
việc đã định.
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 5 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
• An toàn trong sử dụng: Một số kết cấu làm việc an toàn có nghĩa là trong
điều kiện sử dụng bình thường kết cấu đó không gây ra tai nạn nguy hiểm
cho người sử dụng, không gây hư hại cho các thiết bị xung quanh.
• Tính công nghệ và tính kinh tế: Đây là một trong những yêu cầu cơ bản đối
với máy và chi tiết máy. Để thoả mãn yêu cầu về tính công nghệ và tính
kinh tế, chi tiết máy thiết kế phải có hình dạng, kết cấu, vật liệu phù hợp
với điều kiện sản xuất cụ thể, đảm bảo khối lượng và kích thước nhỏ nhất,
tốn ít vật liệu và chi phí về chế tạo thấp nhất, giá thành rẻ nhất.
1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy
Máy và chi tiết máy thường được tính toán theo phương pháp độ bền.
Phương pháp tính độ bền thông dụng nhất hiện nay được tiến hành theo các so
sánh ứng suất sinh ra khi chi tiết chịu tải được ký hiệu là
σ
đối với ứng suất
pháp và
τ
là đối với ứng suất tiếp, với ứng suất cho phép lần lượt là: và .
Điều kiện bền được viết như sau:
[ ]
σσ
hoạ bằng hình vẽ dưới đây:
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 6 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
P
Q
Q
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Hình1.1. Biểu đồ mô men, lực cắt tác dụng lên chi tiết minh hoạ
Bằng phương pháp mặt cắt ta vẽ được biểu đồ mô men và lực cắt tác
dụng lên chi tiết , từ đó ta xác định được ứng suất tại mặt cắt nguy hiểm ta có:
=
=
Trong đó: - Mô men chống uốn của chi tiết máy tại mặt cắt nguy hiểm.
- Mô men tỉnh của chi tiết tại mặt cắt nguy hiểm.
- Bề rộng của chi tiết tại mặt cắt nguy hiểm.
- Mô men quán tính tính trung tâm tại mặt cắt nguy hiểm.
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 7 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
t
t
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Điều kiện bền phải thoả mạn là:
hoặc .
Nếu tại mặt cắt nguy hiểm tồn tại cả và người ta tiến hành tính theo và được
tính:
Theo lý thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng:
Theo lý thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất :
1.2.2. Tính chi tiết máy theo độ bền mỏi
Chi tiết máy khi làm việc chịu ứng suất thay đổi không ổn định. Giả sử tải
N
td
=
Trong đó:
m - Bậc của đường cong mỏi;
- Ứng suất sinh ra tương ứng với chu kỳ thứ i;
- Ứng suất lớn nhất.
Bằng việc tiến hành thí nghiệm (Wohler) trên một số mẫu thử. Trong
loạt thí nghiệm với mẫu thử thứ nhất, người ta đặt tải trọng để ứng suất cực đại
trên mẫu vào khoảng 70% giới hạn bền. Với giá trị này chỉ sau một số chu kỳ
N
1
mẫu bị gãy. Với loạt thí nghiệm thứ 2 người ta giảm tải trọng để có ứng
suất cực đại là tương ứng với số chu trình làm gãy mẫu tăng N
2
. Nếu tiếp tục
thí nghiệm với nhiều mẫu thử ta đưa ra được đồ thị biểu hiện mối quan hệ
giữa ứng suất (ứng suất hoặc ứng suất biên độ ) và số chu kỳ thay đổi ứng suất
N mà chi tiết máy hay mẫu thử có thể chịu được cho đến khi hỏng.
Hình1.3 Đồ thị đường cong mỏi
Trong đó:
r
σ
- Giới hạn bền mỏi của vật liệu
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 9 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
N
0
- Số chu kỳ cơ sở của vật liệu (N
2
=1,5-2,5.
s
3
- Hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn cũng như mức độ
quan trọng của chi tiết máy.
• Xác định ứng suất cho phép
Khi làm việc với ứng suất tĩnh, vật liệu dẻo
chgh
σσ
=
với vật liệu dòn
bgh
σσ
=
Khi làm việc với ứng suất thay đổi giới hạn mỏi được xác định theo số chu kỳ
làm việc N nếu:
N > N
0
thì lấy
rgh
σσ
=
(
r
σ
là giới hạn mõi dài hạn)
N < N
0
thì dùng giới hạn mõi ngắn hạn
- Ứng suất của chi tiết máy.
( )
mch
gh
σ
- Ứng suất giới hạn của mẫu chảy.
σ
ε
- Hệ số tăng cường bề mặt.
σ
k
- Hệ số tập trung ứng suất.
Các hệ số này được tra trong bảng sổ tay về chi tiết máy
1.2.4. Ưu nhược điểm của phương pháp tính chi tiết máy theo độ bền tỉnh
và mỏi
Đây là hai phương pháp tính toán máy và chi tiết máy truyền thống, bằng
cách thiết kế máy và chi tiết máy thoả mãn điều kiện:
Để đảm bảo độ tin cậy và làm việc an toàn của máy và chi tiết máy người ta
đã đưa vào hệ số an toàn s = s
1
.s
2
.s
3
. Để tăng độ bền, khả năng làm việc thì
tăng s lên, điều đó dẫn đến độ tin cậy của máy và chi tiết cao hơn nhưng
nhược điểm là chi tiết máy trở nên to nặng, cồng kềnh không đảm bảo được
)
130120
110
90
80
706050
40
30
L
tb
=75
Tần suất liên quan
80
90
100
110
120
130
140
150
160 170
180
S
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Hình 1.5 Phân phối độ bền mối ghép bu lông
Giá trị trung bình hoặc kỳ vọng của độ bền S và tải trọng L là: L
tb
= 75KG/mm
2
180
190
Tần suất liên quan
Ltb=75 Stb=135
L
S
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Từ đó có thể kết luận rằng bulông hoàn toàn không bị hỏng khi làm việc
Tuy nhiên nếu ta biểu diễn 2 phân phối S và L trên cùng một hệ trục toạ độ thì
chúng có phần giao thoa với nhau, chính tại nơi đó xẩy ra khả năng tải cao hơn
độ bền và đó là nguyên nhân dẫn đến hỏng ngẫu nhiên tuy hệ số an toàn là rất
cao.
Hình 1.6 Phân phối độ bền S và tải trọng L trên một hệ toạ độ
Trong trường hợp cùng nâng S và L lên một lượng c ta có hệ số an toàn
không thay đổi, nhưng miền giao thoa của chúng nhỏ đi, điều đó chứng tỏ
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 14 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
L, S (KG/mm
2
)
Vùng gây ra hỏng hóc
ngâu nhiên cho bulông
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
cường độ hỏng ngẫu nhiên củng nhỏ đi. Trong trường hợp S và L tuân theo các
quy luật ngẫu nhiên thì S
tb
và L
tb
vẫn giữ nguyên.
Mỹ không hoạt động tốt. Vào năm 1950, nước Mỹ thành lập nhóm nghiên cứu
đầu tiên về độ tin cậy các thiết bị điện tử.
Hướng nghiên cứu kết cấu theo độ an toàn được nghiên cứu năm 1929.
Tương tự nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của vật liệu và vấn đề liên quan về lý
thuyết giá trị cực trị ứng dụng đối với sức bền vật liệu và tải trọng bắt đầu vào
giữa các năm 1930 đã bắt đầu đóng góp vào việc giải quyết độ tin cậy của máy
và chi tiết máy.
Hiện nay, ở nước ta các tài liệu viết về phương pháp thiết kế máy và chi tiết
máy theo xác suất độ tin cậy không nhiều. Một số cuốn có viết nhưng chưa đi
sâu vào phương pháp cụ thể. Hầu như các tài liệu đều của nước ngoài chủ yếu
viết bằng tiếng Nga và tiếng Anh. Sinh viên chuyên ngành cơ khí đang được
học cuốn giáo trình chi tiết máy của NXB Giáo dục và trung học chuyên
nghiệp nhưng giáo trình cũng chỉ mới đưa ra phương pháp thiết kế máy và chi
tiết máy theo phương pháp truyền thống. Vì vậy trong quá trình thiết kế chưa
khắc phục được nhược điểm của phương pháp cổ điển để lại đó là thời gian
thiết kế kéo dài, sản phẩm to, cồng kềnh, không có sức cạnh tranh, hiệu quả
kinh tế thấp.Trong khi đó ngày nay các kỹ sư thiết kế phải đối mặt với những
thử thách mới, yêu cầu sử dụng mô phỏng tính toán, rút ngắn thời gian thiết
kế. Từ ý tưởng đến thị trường, độ tin cậy và chất lượng cao ít ảnh hưởng đến
môi trường đòi hỏi ngưòi kỹ sư cần phải có kiến thức cần thiết để áp dụng xác
suất thống kê toán học vào phân tích thiết kế kỹ thuật.
1.5. Nội dung Nghiên cứu
Từ những phân tích và đánh giá trên thì đề tài “Tính toán chi tiết ôtô theo
phương pháp suất “ đi vào nghiên cứu phương pháp tính toán chi tiết máy nói
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 16 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
chung bằng phương pháp xác suất độ tin cây. Chỉ ra các phương pháp và trình
tự tiến hành cho việc tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác suất.
Xây dựng phần mền áp dụng cho công việc tính toán. Và cuối cùng là áp dụng
khác nhau do sự khác nhau ngẫu nhiên về thành phần hoá học, nhiệt luyện và
quá trình gia công chi tiết.
Các đặc tính thống kê của cơ tính vật liệu được quan sát theo thực
nghiệm và được ghi lại dưới bảng sau. [Bảng 2.1]
Bảng 2.1: Các đặc tính cơ của vật liệu dẻo
Các hệ số Giá trị Hệ số biến
phân
Số mẫu thử
nghiệm
E(kéo) 2,075.10
5
Mpa 0,01 67
E(nén) 2,079.10
5
Mpa 0,01 67
μ(xoắn) 0,269 0.026 57
μ(n én) 0,298 0,021 41
G 8,44312.10
4
Mpa 0.042 81
E:mô đun đàn hồi của vật liệu .
Người thiết kế chọn loại vật liệu sử dụng trong thiết kế theo giá trị giới
hạn chảy. Mà giới hạn chảy của thép phụ thuộc vào thành phần hoá học của
các hợp kim và phương pháp chế tạo. Nên giới hạn chảy và giới hạn bền của
vật liệu là các đại lương ngẫu nhiên [Bảng 2.2].
Bảng 2.2: Giới hạn bền chảy của các loại vật liệu sử dụng phổ biến
Loại thép Giới hạn chảy 10
3
(Mpa) Giới hạn bền 10
3
quan trọng.
Trong quá trình gia công các chi tiết thì các kích thước này luôn thay đổi
chung quanh một giá trị gọi là giá trị danh nghĩa. Khi đó ta đo kích thước thực
của chi tiết và giá trị này luôn nằm trong một khoảng giá trị nào đó và có sai
lệch nhất định với giá trị giới hạn [Bảng 2.3].
Bảng 2.3: Khoảng sai lệch kích thước do các máy gia công gây ra
Phương pháp phay khoan Mài bóng
Sai lệch 0.025 51
2.2. Hàm phân phối các đại lượng ngẫu nhiên
Trong tính toán độ tin cậy, các tham số được khảo sát như là các đại lượng
ngẫu nhiên, giá trị của chúng có thể thay đổi trong một miền mà ta không thể
biết trước cụ thể được. Các đại lượng này có thể là rời rạc hoặc liên tục
a) Hàm phân phối xác suất:
Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X, kí hiệu là F(x) được
xác định:
F(x) = P(X<x), x ; (2.1)
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 19 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
F(x)
x
1 - Điểm trung vị
2 - Mốt
3 - Kỳ vọng toán
x
1
2
3
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Hàm số F(x) là hàm số không giảm, tăng đơn điệu đối với quá trình liên
tục và tăng theo bậc đối với quá trình rời rạc. Trong giới hạn của đại lượng
Dx =*
2
(2.5)
Phương sai đặc trưng cho độ phân tán của biến ngẫu nhiên quanh giá trị
trung bình của biến đó. Phương sai càng lớn thì độ bất định của biến ngẫu
nhiên đó càng lớn
• Sai lệch bình phương trung bình: Sx = có cùng thứ nguyên với x.
Hệ số biến phân: Để đánh giá độ phân tán người ta sử dụng hệ số biến phân
bằng tỉ số giữa sai lệch bình phương trung bình và kỳ vọng toán: Vx= .
Phương sai và sai lệch bình phương trung bình đặc trưng độ phân tán điển
hình hơn các đại lượng khác như giá trị trung bình các đại lượng ngẫu
nhiên.
Mốt: Là giá trị của biến ngẫu nhiên X có khả năng xuất hiện lớn nhất trong
một lân cận nào đó của nó.Với biến rời rạc, mốt là giá trị của x ứng với xác
suất lớn nhất, còn đối với biến liên tục mốt là giá trị làm hàm phân phối đạt
max.
Điểm phân vị: Được gọi là giá trị của đại lượng ngẫu nhiên tương ứng với
xác suất cho trước. Điểm phân vị ứng với xác suất 0,5 được gọi là điểm
trung vị. Điểm trung vị đặc trưng cho vị trị tâm nhóm của đại lượng ngẫu
nhiên
2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế
chi tiết máy
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 21 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Thiết kế theo xác suất bao gồm:
Thiết kế theo độ tin cậy
Thiết kế bền vững
Thiết kế 6 sigma
Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế cộng với tính tiên phong của đề tài
chi phí vận hành của thiết bị có độ tin cậy cao giảm xuống (Hình 2.2).
Hình 2.2: Phụ thuộc giá thành vào độ tin cậy
Để đánh giá độ tin cậy người ta dùng các chỉ tiêu :
Xác suất làm việc không hỏng R(t)
Cường độ hỏng f(t)
Thời gian làm việc cho đến lúc hỏng
2.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của chi tiết máy
a) Xác suất làm việc không hỏng
Ta khảo sát số lượng lớn N các chi tiết trong thời gian làm việc hoặc vận
hành t. Giả sử đến cuối thời gian t thử nghiệm còn lại N
s
(t) các chi tiết còn khả
năng làm việc và N
f
(t) các chi tiết hỏng, xác suất làm việc không hỏng được
đánh giá bằng số lượng tương đối các chi tiết còn khả năng làm việc :
R(t)==1 - = 1- F(t) (2.6)
F(t) - Số lượng hư hỏng tương đối
R(t) + F(t) =1;
Khi t = 0 = 0 và R(t) =1
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 23 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn
Bang
Khi t = ) = 0 và F(t) =1
Phần tử hỏng theo thời gian được đặc trưng bởi hàm mật độ phân phối
hỏng f(t)
f(t)= =* = - (2.7)
Xác suất hỏng và không hỏng có thể xác định ngược lại theo hàm số mật
độ phân phối
F(t) = ; (2.8)
56350 61650 52200 57200 46700 45900
52650 43500 64750 44200 51700 63450
Sự phân bố tuổi thọ làm việc của má phanh được biểu diễn dưới dạng đồ thị
dưới đây; các số liệu được xử lí qua các bước sau:
Giá trị nhỏ nhất và cao nhất là 26100km và 86300km lấy tròn là 25000km và
90000km
Chia giải tuổi thọ thành 13 khoảng ,ứng với mỗi khoảng là 5000km
Số lần hỏng hóc xảy ra nằm trong khoảng tương ứng với bảng cho dưới đây
Khoảng tuổi
thọ ( km hoạt
động )
Số lần hỏng
hóc được quan
sát trong
khoảng thời
gian
Khoảng tuổi
thọ ( km hoạt
động )
Số lần hỏng
hóc được quan
sát trong
khoảng thời
gian
25001-30000 1 60001-65000 14
SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 25 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45
Copyright: Tài liệu đại học ©