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​ = 200 mm720 rpmT1​ = 500 NT2​ = 150 NP = ?

Một dây đai chạy trên puli dẫn 100 mm ở 720 vòng/phút. Lực căng là 500 N ở nhánh căng và 150 N ở nhánh chùng. Tìm công suất P truyền đi, theo kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 500 NT2 = 150 N
P = kW
2.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm1440 rpmC = 600 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Một dây đai hở nối puli dẫn 80 mm ở 1440 vòng/phút với puli 400 mm; tâm cách nhau 600 mm. Hệ số ma sát là 0,35 và lực căng nhánh căng không được vượt quá 800 N. Tìm công suất lớn nhất P mà dây đai có thể truyền mà không trượt, theo kW (bỏ qua hiệu ứng ly tâm).

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
3.Xoắn của trụcTrung bình
d = 12 mmT = 20 N·m300 mmφ = 6,49°

Trong một thí nghiệm xoắn, một mẫu đặc đường kính 12 mm bị xoắn bởi mô-men xoắn 20 N·m. Hai đầu của một đoạn đo dài 300 mm quay 6,49° so với nhau (vật liệu vẫn còn đàn hồi). Tìm mô-đun cắt G của vật liệu.

T = 20 N·md = 12 mmL = 300 mmφ = 6,49°
G = GPa
4.Xoắn của trụcKhó
do​ = ?50 kW, 1450 rpm

Một trục rỗng phải truyền 50 kW ở 1450 rpm. Đường kính trong của nó bằng 0,8 lần đường kính ngoài, và ứng suất cắt không được vượt quá 60 MPa. Tìm đường kính ngoài nhỏ nhất do.

P = 50 kWN = 1450 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtTrung bình
σx​ = 20σy​ = 30τxy​ = 40MPa

Một điểm trong chi tiết chịu tải có σₓ = 20 MPa, σᵧ = 30 MPa và τₓᵧ = 40 MPa (kéo là dương). Tìm góc θp từ trục x đến phương của ứng suất chính lớn nhất, trong khoảng −90° đến 90°.

σx = 20 MPaσy = 30 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suấtKhó
σy​ = 40τxy​ = −10MPa

Một điểm trong một tấm mỏng ở trạng thái ứng suất phẳng: σₓ = 0 MPa, σᵧ = 40 MPa và τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Tìm ứng suất tương đương von Mises σvM.

σx = 0 MPaσy = 40 MPaτxy = −10 MPa
σvM = MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trụcTrung bình
Ø 12 mmNhôm3 mP = 90 kN

Tìm độ giãn dài δ của thanh nhôm dưới tải trọng dọc trục.

P = 90 kNd = 12 mmL = 3 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trụcKhó
P = ?Ø40110 GPaØ80/50400 mm

Một thanh thép (đường kính 40 mm, E = 200 GPa, ứng suất cho phép 250 MPa) nằm trong một ống làm bằng đồng thanh (đường kính ngoài 80 mm, đường kính trong 50 mm, E = 110 GPa, ứng suất cho phép 60 MPa). Chúng bị nén cùng nhau giữa các tấm cứng. Tìm tải lớn nhất Pmax.

thanh: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPaống: Ø80/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Mất ổn định cộtTrung bình
PL = 2 m30 × 40 mmmặt cắt ngang

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

L = 2 mE = 200 GPa (thép)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
PL = 3 md = 60 mmmặt cắt ngang

Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm ở chân và tự do ở đỉnh. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σcr theo công thức Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (nhôm)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Dao động cơ họcTrung bình
k = 50 kN/mζ = 0,4m = 80 kg

Một vật 80 kg trên lò xo có độ cứng 50 kN/m có bộ cản nhớt cho hệ số cản 0,4. Tìm tần số riêng có cản fd của dao động tự do theo Hz.

m = 80 kgk = 50 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Dao động cơ họcKhó
k1​ = 5k2​ = 100k3​ = 100m = 40 kg

Một vật 40 kg treo vào lò xo k₃ = 100 kN/m. Đầu trên của k₃ được gắn vào một thanh cứng treo bằng hai lò xo đặt cạnh nhau, k₁ = 5 kN/m và k₂ = 100 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 = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Dung dịch

1.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: P = 1,319 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 = 3,77 m/s

Công suất

P = (500 − 150)·3,77 = 1319 W = 1,319 kW

Đáp số

P = 1,319 kW
2.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: P = 2,884 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.

Góc ôm

θ = 2,602 rad

Lực căng nhánh chùng

eμθ = e0,9106 = 2,486, T₂ = 800/2,486 = 321,8 N

Công suất

P = (800 − 321,8)·6,032 = 2,884 kW

Đáp số

P = 2,884 kW
3.Xoắn của trục

Đáp số: G = 26,02 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·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 6,49·π/180 = 0,1133 rad

Mô đun trượt

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·300/(2036·0,1133) = 26020 MPa
G = 26,02 GPa

Đáp số

G = 26,02 GPa

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

4.Xoắn của trục

Đáp số: do = 36,18 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 50000/151,8 = 329,3 N·m

Đường kính ngoài từ ứng suất cho phép

T = 329,3 N·m = 329286 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·329286/(π·60·0,5904)) = 36,18 mm
di = 0,8·36,18 = 28,94 mm

Đáp số

do = 36,18 mm

Một trục đặc sẽ cần d = 30,35 mm; trục rỗng lớn hơn một chút nhưng nhẹ hơn nhiều.

5.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: θp = 48,56 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Góc trên vòng tròn

Điểm x nằm ở góc 2θp so với trục σ trên vòng tròn Mohr; góc phần tư suy ra từ dấu của σₓ − σᵧ và τₓᵧ.

2θp = atan2(2·40, 20 − 30) = 97,13°

Góc trên phần tử

θp = 48,56°

Đáp số

θp = 48,56°

Góc dương là ngược chiều kim đồng hồ.

6.Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

Đáp số: σvM = 43,59 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. Tiêu chuẩn chảy: von Mises dự đoán vật liệu chảy khi σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) đạt σY; Tresca khi ứng suất cắt lớn nhất tuyệt đối đạt σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Ứng suất chính

C = 20 MPa, R = 22,36 MPa
σ1 = 42,36 MPa, σ2 = −2,361 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(42,36² − 42,36·(−2,361) + (−2,361)²) = 43,59 MPa

Đáp số

σvM = 43,59 MPa
7.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: δ = 34,1 mm

Định luật Hooke: trong giới hạn đàn hồi σ = E·ε. Kết hợp với σ = P/A và ε = δ/L ta được δ = PL/(AE).

Ứng suất

A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 90·1000/113,1 = 795,8 MPa

Biến dạng (định luật Hooke)

E for nhôm = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 795,8/70000 = 0,01137 = 11368 µε

Độ giãn dài

δ = ε·L = 0,01137·3000 mm = 34,1 mm

Đáp số

δ = 34,1 mm
8.Ứng suất và biến dạng dọc trục

Đáp số: Pmax = 320,9 kN

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(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Độ cứng dọc trục kết hợp

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·3063 = 5,883 × 10⁸ N

Biến dạng quyết định

ε = min(0,00125, 0,0005455) = 0,0005455 (đồng thanh)

Tải lớn nhất

Pmax = 0,0005455·5,883 × 10⁸ = 320871 N = 320,9 kN

Đáp số

Pmax = 320,9 kN
9.Mất ổn định cột

Đáp số: Pcr = 177,7 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Tải trọng tới hạn

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/1000² = 177653 N = 177,7 kN

Đáp số

Pcr = 177,7 kN
10.Mất ổn định cột

Đáp số: σcr = 4,318 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Bán kính quán tính và độ mảnh

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/15 = 400

Ứng suất tới hạn

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Đáp số

σcr = 4,318 MPa
11.Dao động cơ học

Đáp số: fd = 3,647 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.

Tần số riêng không cản

ωn = √(50000/80) = 25 rad/s
fn = 25/(2π) = 3,979 Hz

Tần số riêng có cản

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,979·√(1 − 0,4²) = 3,647 Hz

Đáp số

fd = 3,647 Hz
12.Dao động cơ học

Đáp số: fn = 5,695 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 = 5 + 100 = 105 kN/m
keq = 105·100/(105 + 100) = 51,22 kN/m

Tần số riêng

ωn = √(51220/40) = 35,78 rad/s
fn = 35,78/(2π) = 5,695 Hz

Đáp số

fn = 5,695 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design