Thiết kế máy: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 12 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Bánh răng và hệ bánh răng

Bánh răng ăn khớp
n1·N1 = n2·N2
Mômen xoắn
T2 = T1·(N2/N1)·η
Công suất
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Hệ bánh răng ghép
tỉ số truyền tổng = tích các tỉ số truyền từng cấp

Xoắn của trục

Ứng suất tiếp
τ = T·r/J
Trục đặc
J = πd⁴/32
Trục rỗng
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Góc xoắn
φ = TL/(GJ)
Công suất
P = T·ω = 2πnT/60

Phương pháp

  1. Tìm mômen quán tính độc cực: J = πd⁴/32 cho trục đặc.
  2. Ứng suất tiếp ở bề mặt: τ = T·r/J, với r là bán kính ngoài.
  3. Góc xoắn: φ = TL/(GJ) theo radian.
  4. Nếu cho công suất, hãy tìm mômen xoắn trước bằng P = T·ω, ω = 2πn/60.

Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Tâm
C = (σx + σy)/2
Bán kính
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Ứng suất chính
σ1,2 = C ± R
Phương chính
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Mặt phẳng nghiêng
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Phương pháp

  1. Tính tâm của vòng tròn Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Tính bán kính: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Các ứng suất chính là C ± R và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.
  4. Các góc trên vòng tròn gấp đôi các góc trên phần tử: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Ứng suất và biến dạng dọc trục

Ứng suất pháp
σ = F/A
Biến dạng
ε = ΔL/L
Định luật Hooke
σ = E·ε
Độ giãn dài
ΔL = FL/(EA)
Biến dạng nhiệt
εT = α·ΔT

Mất ổn định cột

Tải Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Hệ số chiều dài tính toán
K = 1 khớp–khớp, 0,5 ngàm–ngàm, 0,7 ngàm–khớp, 2 ngàm–tự do
Ứng suất tới hạn
σcr = Pcr/A
Độ mảnh
λ = KL/r, r = √(I/A)

Dao động cơ học

Tần số riêng
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Từ độ võng tĩnh
ωn = √(g/δst)
Cản tới hạn
cc = 2√(km) = 2mωn
Hệ số cản
ζ = c/cc
Tần số có cản
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Giảm lượng logarit
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Lò xo song song
k = k1 + k2
Lò xo nối tiếp
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Bài tập

1.Bánh răng và hệ bánh răngTrung bình
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Một puli 100 mm ở 720 vòng/phút dẫn động một puli 400 mm bằng dây đai với độ trượt 2,5 %. Tìm tốc độ n2 của puli bị dẫn.

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 400 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
A = 20B = 48C = 12D = ?

Trong một hệ bánh răng ghép, bánh răng A (20 răng) trên trục vào quay ở 1500 rpm và dẫn động bánh răng B (48 răng). Bánh răng C (12 răng) được gắn cố định trên cùng trục với B và dẫn động bánh răng D trên trục ra. Trục ra phải quay ở 125 rpm. Bánh răng D phải có bao nhiêu răng ND?

nin = 1500 rpmA = 20B = 48C = 12nout = 125 rpm
ND =
3.Xoắn của trụcTrung bình
d = 15 mmT = 40 N·m200 mmφ = 3,55°

Trong một thí nghiệm xoắn, một mẫu đặc đường kính 15 mm bị xoắn bởi mô-men xoắn 40 N·m. Hai đầu của một đoạn đo dài 200 mm quay 3,55° so với nhau (vật liệu vẫn còn đàn hồi). Tìm mô-đun cắt G của vật liệu.

T = 40 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 3,55°
G = GPa
4.Xoắn của trụcKhó
Tdo​ = 60 mm, di​ = 45 mm

Một trục rỗng truyền 30 kW ở 1000 rpm. Tìm ứng suất tiếp lớn nhất τmax trong trục.

P = 30 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtTrung bình
σx​ = 80σy​ = −70τxy​ = −10MPa

Một điểm trong chi tiết chịu tải có σₓ = 80 MPa, σᵧ = −70 MPa và τₓᵧ = −10 MPa (kéo là dương). Tìm ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng τmax.

σx = 80 MPaσy = −70 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtKhó
σx​τxy​bề mặt của trục

Một trục đặc đường kính 40 mm chịu một lực kéo dọc trục 180 kN cùng với mô-men xoắn 400 N·m. Tại bề mặt của trục, hãy tìm ứng suất chính lớn nhất σ1.

d = 40 mmF = 180 kNT = 400 N·m
σ1 = MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trụcTrung bình
150 kNØ30120 GPaØ120/60600 mmδ = ?

Một thanh thép (đường kính 30 mm, E = 200 GPa) nằm trong một ống làm bằng đồng (đường kính ngoài 120 mm, đường kính trong 60 mm, E = 120 GPa). Cả hai dài 600 mm và bị nén cùng nhau giữa các tấm cứng bởi 150 kN. Tìm độ co ngắn δ.

P = 150 kNthanh: Ø30 mm, E = 200 GPaống: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trụcKhó
Ø 35 mmThép1 mØ 12 mmThép0,5 mP = 95 kN

Thanh bậc được ngàm vào tường và chịu tải ở đầu tự do. Tìm ứng suất pháp lớn nhất σmax trong thanh.

P = 95 kNđoạn 1: Ø35 mm, 1 m, thép (E = 200 GPa)đoạn 2: Ø12 mm, 0,5 m, thép (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Mất ổn định cộtTrung bình
PL = 2 md = 50 mmmặt cắt ngang

Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm ở chân và tự do ở đỉnh. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn Pcr của nó.

L = 2 mE = 70 GPa (nhôm)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
PL = 5 md = 50 mmmặt cắt ngang

Một cột dài L làm bằng thép được ngàm cả hai đầu. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σcr theo công thức Euler.

L = 5 mE = 200 GPa (thép)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Dao động cơ họcTrung bình
k = 50 kN/mc = 350 N·s/mm = 250 kg

Một vật 250 kg được đỡ bởi một lò xo có độ cứng 50 kN/m và một bộ cản nhớt có hệ số cản 350 N·s/m. Tìm hệ số cản ζ.

m = 250 kgk = 50 kN/mc = 350 N·s/m
ζ =
12.Dao động cơ họcKhó
k1​ = 40k2​ = 15k3​ = 80m = 20 kg

Một vật 20 kg treo vào lò xo k₃ = 80 kN/m. Đầu trên của k₃ được gắn vào một thanh cứng treo bằng hai lò xo đặt cạnh nhau, k₁ = 40 kN/m và k₂ = 15 kN/m; thanh giữ nằm ngang. Bỏ qua lực cản và khối lượng của các lò xo và thanh. Tìm tần số riêng fn của dao động thẳng đứng theo Hz.

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Dung dịch

1.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: n2 = 175,5 rpm

Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.

Tốc độ khi không trượt

720·100/400 = 180 rpm

Khi có trượt

n2 = 180·0,975 = 175,5 rpm

Đáp số

n2 = 175,5 rpm
2.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: ND = 60

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Tốc độ của trục trung gian

nB = nC = 1500·20/48 = 625 rpm

Số răng của bánh răng D

ND = C·nC/nout = 12·625/125 = 60

Đáp số

ND = 60
3.Xoắn của trục

Đáp số: G = 25,98 GPa

Xoắn thanh tròn: ứng suất tiếp tăng tuyến tính từ không ở tâm đến τmax = T·r/J ở bề mặt, với J = πd⁴/32 cho trục đặc và J = π(do⁴ − di⁴)/32 cho trục rỗng. Góc xoắn là φ = TL/(GJ) tính bằng radian. Công suất và mômen xoắn liên hệ với nhau qua P = T·ω.

Mô-men quán tính độc cực và góc

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 3,55·π/180 = 0,06196 rad

Mô đun trượt

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(4970·0,06196) = 25979 MPa
G = 25,98 GPa

Đáp số

G = 25,98 GPa

So sánh: thép ≈ 80 GPa, đồng thau ≈ 39 GPa, nhôm ≈ 26 GPa.

4.Xoắn của trục

Đáp số: τmax = 9,881 MPa

Xoắn thanh tròn: ứng suất tiếp tăng tuyến tính từ không ở tâm đến τmax = T·r/J ở bề mặt, với J = πd⁴/32 cho trục đặc và J = π(do⁴ − di⁴)/32 cho trục rỗng. Góc xoắn là φ = TL/(GJ) tính bằng radian. Công suất và mômen xoắn liên hệ với nhau qua P = T·ω.

Mômen xoắn

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Mômen quán tính độc cực của mặt cắt

J = π(60⁴ − 45⁴)/32 = 869767 mm⁴

Ứng suất tiếp lớn nhất

τmax = T·(do/2)/J = 286479·30/869767 = 9,881 MPa

Đáp số

τmax = 9,881 MPa
5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: τmax = 75,66 MPa

Biến đổi ứng suất phẳng: trên một mặt xoay góc θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Vòng tròn Mohr cho thấy tất cả các mặt cùng lúc: tâm của nó ở C = (σₓ + σᵧ)/2 và bán kính là R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Các ứng suất chính là C ± R, và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.

στxyCτmax​

Bán kính vòng tròn Mohr

τmax = R = √(((80 − −70)/2)² + −10²) = 75,66 MPa

Đáp số

τmax = 75,66 MPa
6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: σ1 = 150 MPa

Biến đổi ứng suất phẳng: trên một mặt xoay góc θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Vòng tròn Mohr cho thấy tất cả các mặt cùng lúc: tâm của nó ở C = (σₓ + σᵧ)/2 và bán kính là R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Các ứng suất chính là C ± R, và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.

Các ứng suất tại bề mặt

σ = F/A = 180000/(π·40²/4) = 180000/1257 = 143,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
στxyCσ1​σ2​

Vòng tròn Mohr

C = σ/2 = 71,62 MPa
R = √(71,62² + 31,83²) = 78,37 MPa
σ1 = C + R = 150 MPa
σ2 = C − R = −6,755 MPa

Đáp số

σ1 = 150 MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: δ = 0,07764 mm

Hai vật liệu: khi nối tiếp (cái này sau cái kia) mỗi đoạn chịu cùng một lực và các độ giãn dài cộng lại: δ = P·Σ L/(E·A). Khi song song (cạnh nhau giữa các tấm cứng) cả hai phần co lại cùng một lượng, nên biến dạng của chúng bằng nhau: phần cứng hơn nhận phần tải lớn hơn, Pi = P·EiAi/ΣEA, và σi = Ei·ε. Một thanh bị giữ giữa hai vách cứng với tải đặt tại chỗ nối là siêu tĩnh: hai đoạn chia tải theo tỉ lệ độ cứng k = EA/L của chúng.

Diện tích

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Độ cứng dọc trục kết hợp

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·8482 = 1,159 × 10⁹ N

Độ co ngắn

δ = 150000·600/1,159 × 10⁹ = 0,07764 mm

Đáp số

δ = 0,07764 mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: σmax = 840 MPa

Cấu kiện chịu tải dọc trục: mỗi đoạn lăng trụ tuân theo δ = PL/(AE). Với các cấu kiện nối tiếp, độ giãn dài cộng lại.

Cùng một lực trong cả hai đoạn

Đầu tự do chịu lực P, nên mọi mặt cắt của thanh đều chịu cùng một lực dọc trục P. Chỉ có diện tích và vật liệu thay đổi.

A1 = π·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 98,74 MPa
σ2 = 840 MPa

Ứng suất lớn nhất

Đoạn mảnh hơn có diện tích nhỏ hơn, nên chịu ứng suất lớn hơn.

σmax = 840 MPa

Đáp số

σmax = 840 MPa
9.Mất ổn định cột

Đáp số: Pcr = 13,25 kN

Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = π²EI/(KL)², trong đó KL là chiều dài tính toán: K = 1 cho khớp–khớp, 2 cho ngàm–tự do, 0,7 cho ngàm–khớp và 0,5 cho ngàm–ngàm. Cột oằn quanh trục có I nhỏ nhất. Công thức đúng với cột mảnh, có ứng suất tới hạn thấp hơn ứng suất chảy.

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 2·2000 = 4000 mm

Tải trọng tới hạn

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/4000² = 13247 N = 13,25 kN

Đáp số

Pcr = 13,25 kN
10.Mất ổn định cột

Đáp số: σcr = 49,35 MPa

Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = π²EI/(KL)², trong đó KL là chiều dài tính toán: K = 1 cho khớp–khớp, 2 cho ngàm–tự do, 0,7 cho ngàm–khớp và 0,5 cho ngàm–ngàm. Cột oằn quanh trục có I nhỏ nhất. Công thức đúng với cột mảnh, có ứng suất tới hạn thấp hơn ứng suất chảy.

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Bán kính quán tính và độ mảnh

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/12,5 = 200

Ứng suất tới hạn

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Đáp số

σcr = 49,35 MPa
11.Dao động cơ học

Đáp số: ζ = 0,0495

Dao động tự do của hệ vật–lò xo: tần số riêng không cản là ωn = √(k/m) theo rad/s, và fn = ωn/(2π) theo Hz. Một bộ cản nhớt c cho hệ số cản ζ = c/cc, với cản tới hạn cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Hệ cản dưới tới hạn (ζ < 1) dao động ở ωd = ωn·√(1 − ζ²). Các lò xo song song cộng lại, k = k₁ + k₂; các lò xo nối tiếp cộng theo nghịch đảo, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Cản tới hạn

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·250) = 7071 N·s/m

Hệ số cản

ζ = c/cc = 350/7071 = 0,0495

Đáp số

ζ = 0,0495

ζ < 1, nên hệ cản dưới tới hạn và dao động khi tắt dần.

12.Dao động cơ học

Đáp số: fn = 6,425 Hz

Dao động tự do của hệ vật–lò xo: tần số riêng không cản là ωn = √(k/m) theo rad/s, và fn = ωn/(2π) theo Hz. Một bộ cản nhớt c cho hệ số cản ζ = c/cc, với cản tới hạn cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Hệ cản dưới tới hạn (ζ < 1) dao động ở ωd = ωn·√(1 − ζ²). Các lò xo song song cộng lại, k = k₁ + k₂; các lò xo nối tiếp cộng theo nghịch đảo, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Độ cứng tương đương

Chỉ k1 và k2 song song. Cặp đó nối tiếp với k3, nên gộp chúng theo nghịch đảo.

k12 = 40 + 15 = 55 kN/m
keq = 55·80/(55 + 80) = 32,59 kN/m

Tần số riêng

ωn = √(32593/20) = 40,37 rad/s
fn = 40,37/(2π) = 6,425 Hz

Đáp số

fn = 6,425 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design