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​ = 200 mmd2​ = 500 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 500 NP = ?

Một dây đai chạy trên puli dẫn 200 mm ở 1440 vòng/phút. Lực căng là 1000 N ở nhánh căng và 500 N ở nhánh chùng. Tìm công suất P truyền đi, theo kW.

d1 = 200 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
2.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
A = 15B = 24C = 20D = ?

Trong một hệ bánh răng ghép, bánh răng A (15 răng) trên trục vào quay ở 1440 rpm và dẫn động bánh răng B (24 răng). Bánh răng C (20 răng) được gắn cố định trên cùng trục với B và dẫn động bánh răng D trên trục ra. Trục ra phải quay ở 720 rpm. Bánh răng D phải có bao nhiêu răng ND?

nin = 1440 rpmA = 15B = 24C = 20nout = 720 rpm
ND =
3.Xoắn của trụcTrung bình
T = 500 N·md = 40 mmL = 3 mφ = ?

Một trục đặc nhôm được ngàm vào tường và bị xoắn bởi mômen xoắn T ở đầu tự do. Tìm góc xoắn φ của đầu tự do, theo độ.

T = 500 N·md = 40 mmL = 3 mG = 26 GPa
φ = °
4.Xoắn của trụcKhó
Td = ?

Một trục đặc phải truyền 15 kW ở 300 rpm mà ứng suất tiếp không vượt quá 60 MPa. Tìm đường kính nhỏ nhất d thỏa mãn.

P = 15 kWN = 300 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtTrung bình
σx​ = 120σy​ = 70τxy​ = 30MPa

Một điểm có σₓ = 120 MPa, σᵧ = 70 MPa và τₓᵧ = 30 MPa (kéo là dương). Phân tố được xoay 30° cùng chiều kim đồng hồ. Tìm ứng suất pháp σy′ trên các mặt của phân tố đã xoay vuông góc với trục y′ sau khi xoay.

σx = 120 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtKhó
σx​ = 110σy​ = −70τxy​ = −60MPa

Một điểm trong chi tiết chịu tải có σₓ = 110 MPa, σᵧ = −70 MPa và τₓᵧ = −60 MPa (kéo là dương). Tìm ứng suất pháp σθ trên một mặt có pháp tuyến xoay 45° ngược chiều kim đồng hồ so với trục x.

σx = 110 MPaσy = −70 MPaτxy = −60 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trụcTrung bình
300 kNØ4070 GPaØ100/70800 mmδ = ?

Một thanh thép (đường kính 40 mm, E = 200 GPa) nằm trong một ống làm bằng nhôm (đường kính ngoài 100 mm, đường kính trong 70 mm, E = 70 GPa). Cả hai dài 800 mm và bị nén cùng nhau giữa các tấm cứng bởi 300 kN. Tìm độ co ngắn δ.

P = 300 kNthanh: Ø40 mm, E = 200 GPaống: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trụcKhó
Ø 30 mmNhôm1 mØ 20 mmThép0,5 mP = 100 kN

Thanh bậc được ngàm vào tường và chịu tải ở đầu tự do. Tìm tổng độ giãn dài δ.

P = 100 kNđoạn 1: Ø30 mm, 1 m, nhôm (E = 70 GPa)đoạn 2: Ø20 mm, 0,5 m, thép (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Mất ổn định cộtTrung bình
PL = 2,5 m20 × 80 mmmặt cắt ngang

Một cột dài L làm bằng thép được hai đầu khớp. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn Pcr của nó.

L = 2,5 mE = 200 GPa (thép)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
PL = 1,5 md = 20 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 = 1,5 mE = 200 GPa (thép)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Dao động cơ họcTrung bình
tx50 mm4 chu kỳ2,4 mm

Trong một thí nghiệm dao động tự do của hệ vật–lò xo có cản, một đỉnh độ dời 50 mm được theo sau 4 chu kỳ sau bởi đỉnh 2,4 mm. Tìm hệ số cản ζ.

x0 = 50 mmx4 = 2,4 mmn = 4
ζ =
12.Dao động cơ họcKhó
k1​ = 100k2​ = 12k3​ = 12m = 10 kg

Một vật 10 kg treo vào lò xo k₃ = 12 kN/m. Đầu trên của k₃ được gắn vào một thanh cứng treo bằng hai lò xo đặt cạnh nhau, k₁ = 100 kN/m và k₂ = 12 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 = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Dung dịch

1.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: P = 7,54 kW

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 dây đai

v = 15,08 m/s

Công suất

P = (1000 − 500)·15,08 = 7540 W = 7,54 kW

Đáp số

P = 7,54 kW
2.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: ND = 25

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 = 1440·15/24 = 900 rpm

Số răng của bánh răng D

ND = C·nC/nout = 20·900/720 = 25

Đáp số

ND = 25
3.Xoắn của trục

Đáp số: φ = 13,15 °

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 quán tính độc cực của mặt cắt

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Góc xoắn

φ = TL/(GJ) = 500·1000·3000/(26000·251327) = 0,2296 rad
φ = 0,2296·180/π = 13,15°

Đáp số

φ = 13,15°
4.Xoắn của trục

Đáp số: d = 34,35 mm

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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 15000/31,42 = 477,5 N·m

Đường kính từ ứng suất cho phép

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·477465/(π·60)) = 34,35 mm

Đáp số

d = 34,35 mm

Trong thực tế bạn sẽ làm tròn lên kích thước tiêu chuẩn kế tiếp.

5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: σy′ = 108,5 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.

Phương trình biến đổi cho mặt y′

σy′ = 95 − 25·0,5 − 30·(−0,866) = 108,5 MPa

Kiểm tra

Tổng các ứng suất pháp không thay đổi khi xoay.

σx′ = 81,52 MPa, σx′ + σy′ = 190 = σx + σy

Đáp số

σy′ = 108,5 MPa
6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: σθ = −40 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.

Phương trình biến đổi

σθ = 20 + 90·0 + −60·1 = −40 MPa

Đáp số

σθ = −40 MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: δ = 0,4514 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Độ cứng dọc trục kết hợp

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·4006 = 5,317 × 10⁸ N

Độ co ngắn

δ = 300000·800/5,317 × 10⁸ = 0,4514 mm

Đáp số

δ = 0,4514 mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: δ = 2,817 mm

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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 141,5 MPa
σ2 = 318,3 MPa

Cộng độ giãn dài của các đoạn

δ1 = σ1L1/E1 = 141,5·1000/70000 = 2,021 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 318,3·500/200000 = 0,7958 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,817 mm

Đáp số

δ = 2,817 mm
9.Mất ổn định cột

Đáp số: Pcr = 16,84 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

Hình chữ nhật oằn quanh trục yếu, dùng kích thước nhỏ hơn lập phương.

Imin = h·b³/12 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 1·2500 = 2500 mm

Tải trọng tới hạn

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/2500² = 16844 N = 16,84 kN

Đáp số

Pcr = 16,84 kN
10.Mất ổn định cột

Đáp số: σcr = 87,73 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Bán kính quán tính và độ mảnh

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·1500 = 750 mm
KL/r = 750/5 = 150

Ứng suất tới hạn

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/150² = 87,73 MPa

Đáp số

σcr = 87,73 MPa
11.Dao động cơ học

Đáp số: ζ = 0,1199

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.

Giảm lượng logarit

δ = (1/4)·ln(50/2,4) = 0,7591

Hệ số cản

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7591/√(39,48 + 0,5763) = 0,1199

Đáp số

ζ = 0,1199
12.Dao động cơ học

Đáp số: fn = 5,24 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 = 100 + 12 = 112 kN/m
keq = 112·12/(112 + 12) = 10,84 kN/m

Tần số riêng

ωn = √(10839/10) = 32,92 rad/s
fn = 32,92/(2π) = 5,24 Hz

Đáp số

fn = 5,24 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design