Trục – bền tĩnh, mỏi, võng

CT14DIN 743-1…4:2012 (phương pháp ứng suất danh nghĩa)

Trục 2 gối đỡ, một lực hướng kính F và mô-men xoắn T. Kiểm tra tại tiết diện x (có rãnh then/vai trục): hệ số an toàn tĩnh SF và mỏi SD ≥ 1,2; độ võng, góc xoắn và tốc độ tới hạn.

Giải thích chi tiết

Bài toán dùng để làm gì

Kiểm tra đầy đủ một trục 2 gối đỡ chịu một lực hướng kính F (từ bánh răng, puly, xích) và mô-men xoắn T, tại một tiết diện nguy hiểm (đầu rãnh then, vai trục). Bài toán trả lời: trục có gãy do quá tải đỉnh không (SF), có gãy mỏi sau hàng triệu vòng quay không (SD), có võng quá nhiều làm bánh răng ăn khớp lệch không, có xoắn quá mức không và có quay gần tốc độ cộng hưởng không.

Hình dung đơn giản

Hãy tưởng tượng

Bẻ đi bẻ lại một sợi dây thép: mỗi lần chỉ bẻ nhẹ nhưng sau nhiều lần thì gãy. Trục quay cũng vậy: lực F đứng yên nhưng trục quay, nên mỗi thớ thép lần lượt bị kéo rồi nén mỗi vòng. Sau hàng triệu vòng, vết nứt nhỏ ở góc rãnh then lớn dần và trục gãy. Vì thế với trục, bền mỏi thường quyết định chứ không phải bền tĩnh.

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.4 mô-men · 0.5 ứng suất · 0.6 vật liệu · 0.7 hệ số an toàn · 0.8 uốn · 0.9 xoắn · 0.11 chuyển động quay · 0.14 mỏi

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệuÝ nghĩaĐơn vịLấy số liệu ở đâu
F, l, a, xLực hướng kính; khoảng cách 2 gối; vị trí lực và vị trí tiết diện kiểm tra tính từ gối AN, mmBản vẽ lắp; F lấy từ lực ăn khớp (CT18) hoặc tải lên trục của đai, xích (CT25–CT27)
T, Ta/TMô-men xoắn và tỉ lệ dao động của nó (0 = không đổi, 1 = đổi chiều hoàn toàn)Nm, –CT17; máy chạy một chiều đều đặn thì Ta/T = 0
dĐường kính trục tại tiết diện kiểm trammTừ CT13 hoặc bản vẽ
KAHệ số tải đỉnh: tải lớn nhất / tải danh nghĩa (khởi động, kẹt máy)–Lấy theo tải đỉnh thật. Động cơ không đồng bộ khởi động trực tiếp có mô-men khởi động và mô-men cực đại khoảng 2–3 lần mô-men định mức (xem catalogue động cơ), nên thường KA ≈ 2–3; nếu có ly hợp an toàn thì lấy theo mô-men trượt của ly hợp
σB, σS, dB, deffGiới hạn bền, giới hạn chảy (theo mẫu chuẩn dB), đường kính phôi khi nhiệt luyệnMPa, mmDIN 743-3 và EN 10083; xem Bảng vật liệu trục bên dưới. deff: đường kính phôi lúc tôi (thường lớn hơn d vài mm do còn lượng dư gia công)
K1Hệ số giảm bền do phôi to, tôi không thấu–Công cụ gợi ý K1g = 1 − 0,26·lg(deff/16) – công thức DIN 743-2 cho thép tôi ram, áp cho σB, 16 < deff ≤ 300 mm. Với giới hạn chảy σS, DIN 743-2 dùng K1 = 1 − 0,34·lg(deff/16) (nhỏ hơn); khi SF sát Smin nên nhập K1 theo công thức này để kiểm tra tĩnh an toàn hơn
βσ, βτHệ số tập trung ứng suất hiệu dụng khi uốn, khi xoắn tại rãnh/vai trục–Rãnh then phay bằng dao phay ngón: βσ = 3,0·(σB/1000)^0,38 (giá trị tại d = 40 mm), βτ = 0,56·βσ + 0,1 (DIN 743-2), công cụ gợi ý sẵn ở dòng 16 và 18; vai trục r/d = 0,05 ≈ 1,8–2,2 (tra chính xác theo r, D/d và σB trong DIN 743-2); trục trơn 1,0
Rz, KV, γFĐộ nhám, hệ số tăng bền bề mặt, hệ số nâng giới hạn chảy tại rãnhµm, –Tiện tinh Rz 6,3, mài 1,6–3,2; KV = 1 nếu không xử lý bề mặt, các giá trị KV > 1 cho phun bi, cán lăn, thấm tôi lấy theo DIN 743-2; γF = 1,0–1,15 theo DIN 743-1, phụ thuộc dạng rãnh và βσ
E, G, lt, m, nMô-đun đàn hồi, mô-đun trượt, chiều dài đoạn chịu xoắn, khối lượng lắp trên trục, tốc độ làm việcMPa, mm, kg, v/phThép: E = 210 000, G = 81 000; m từ bản vẽ bánh răng, puly. Góc xoắn tính trên 1 m nên lt không làm thay đổi kết quả φ

Bảng vật liệu trục thông dụng (đường kính mẫu chuẩn dB = 16 mm)

Mác thépTrạng tháiσB(dB), MPaσS(dB), MPa
C45Thường hóa (+N)620340
C45Tôi ram (+QT)700490
42CrMo4Tôi ram (+QT)1 100900
34CrNiMo6Tôi ram (+QT)1 2001 000
Giá trị nhỏ nhất cho tiết diện đến 16 mm. Nguồn: EN 10083-2 (thép không hợp kim), EN 10083-3 (thép hợp kim); DIN 743-3 dùng các giá trị này làm σB(dB), σS(dB). Phôi lớn hơn thì giảm bằng K1(deff).

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Phản lực gối và mô-men uốn tại tiết diện

Coi trục là dầm 2 gối. Cân bằng mô-men cho phản lực, rồi mô-men uốn tại x bằng phản lực nhân khoảng cách:


RA = F·b/l ; RB = F·a/l ; Mb = RA·x (x ≤ a) hoặc RB·(l − x)

Bước 2. Ứng suất danh nghĩa

Trục quay nên uốn đổi chiều (chỉ có biên độ σba). Xoắn có phần trung bình τtm và biên độ τta:


σba = Mb/Wb, Wb = π·d³/32 ; τtm = T/Wt, Wt = π·d³/16 ; τta = (Ta/T)·τtm

Bước 3. Giới hạn mỏi của chính chi tiết

Mẫu thép nhẵn chịu được σbW = 0,5·σB khi uốn đổi chiều và τtW = 0,3·σB khi xoắn đổi chiều (DIN 743-3). Trục thật yếu hơn do rãnh (βσ), kích thước (K2), độ nhám (KFσ); bề mặt được tăng bền thì khỏe hơn (KV). Gộp lại thành hệ số Kσ (Kτ tính tương tự với βτ, KFτ):


Kσ = (βσ/K2 + 1/KFσ − 1)/KV ; σbWK = 0,5·σB·K1/Kσ ; τtWK = 0,3·σB·K1/Kτ

Bước 4. Trừ ảnh hưởng ứng suất trung bình

Ứng suất trung bình (ở đây chủ yếu do xoắn không đổi) làm giảm biên độ mỏi cho phép một chút, theo độ nhạy ψσK = σbWK/(2·K1·σB − σbWK). Công cụ dùng trường hợp ứng suất trung bình không đổi khi tải thay đổi (trường hợp 1 của DIN 743-1); σzd ở đây là ứng suất kéo/nén trung bình do Fax:


σmv = √(σzd² + 3·τtm²) ; σbADK = σbWK − ψσK·σmv

Bước 5. Hệ số an toàn mỏi

So biên độ thực với biên độ cho phép của uốn và xoắn, gộp theo căn tổng bình phương. Với mỏi, F và T là tải làm việc thường xuyên (không nhân KA). Smin = 1,2 là mức tối thiểu của DIN 743-1, chỉ bù sai số của phương pháp tính, khi tải chưa chắc chắn nên lấy lớn hơn:


SD = 1 / √[(σba/σbADK)² + (τta/τtADK)²] ≥ Smin

Bước 6. Hệ số an toàn tĩnh

Tải đỉnh = KA × tải danh nghĩa, so với giới hạn chảy của chi tiết σbFK = K1·K2F·γF·σS, trong đó K2F = 1,2 là hệ số tựa tĩnh cho trục đặc chịu uốn, xoắn (kéo/nén K2F = 1,0) và τtFK = σbFK/√3:


SF = 1 / √[(σzd,max/σzdFK + σb,max/σbFK)² + (τmax/τtFK)²] ≥ Smin

Bước 7. Độ võng, góc xoắn, tốc độ tới hạn

Võng tại vị trí lực theo dầm 2 gối; góc xoắn theo mô-men quán tính cực; tốc độ tới hạn theo Rayleigh từ độ võng do trọng lượng chi tiết lắp trên trục (coi trục không có khối lượng). Giới hạn f ≤ 0,0003·l cho trục máy nói chung và f ≤ 0,01·m tại vị trí bánh răng trụ (m là mô-đun) là giá trị kinh nghiệm thường dùng trong thiết kế máy; I tính với đường kính d không đổi trên cả chiều dài nên trục bậc thực tế võng nhiều hơn một chút:


f = F·a²·b²/(3·E·I·l) ≤ 0,0003·l ; φ = T·l/(G·Ip) ; nk = (30/π)·√(g/fst)

Hình CT14.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận
Hình CT14.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Ảnh động minh họa

Ảnh động CT14.1
Ảnh động CT14.1

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TTĐại lượngKý hiệuGiá trịĐơn vịGhi chú / nguồn
1Lực hướng kínhF5 000N
2Khoảng cách 2 gốil200mm
3Vị trí lực tính từ gối Aa80mm
4Vị trí tiết diện kiểm tra tính từ Ax75mmThường là đầu rãnh then, vai trục cạnh ổ
5Mô-men xoắnT300Nm
6Tỉ lệ dao động mô-men xoắn Ta/TTa00 = xoắn không đổi; 1 = xoắn đổi chiều hoàn toàn
7Lực dọc trụcFax0N
8Đường kính trục tại tiết diệnd40mm
9Hệ số tải đỉnh (cho kiểm tra tĩnh)KA2Tỉ số tải lớn nhất / tải danh nghĩa (khởi động, kẹt máy)
10Giới hạn bền σB(dB)σB1 100MPa42CrMo4 tôi ram: 1100 / 900 / dB 16 · C45 tôi ram: 700 / 490 / dB 16 · C45 thường hóa: 620 / 340 / dB 16 · 34CrNiMo6: 1200 / 1000 / dB 16
11Giới hạn chảy σS(dB)σS900MPa
12Đường kính mẫu chuẩndB16mm
13Đường kính phôi khi nhiệt luyệndeff45mm
15Hệ số kích thước công nghệ K1 (dùng tính)K10,9Nhập theo gợi ý trên hoặc DIN 743-2
17Hệ số tập trung ứng suất hiệu dụng uốn βσβσ3,1Rãnh then: theo gợi ý · vai trục r/d=0,05: ≈1,8–2,2 · trơn: 1,0
19Hệ số tập trung ứng suất hiệu dụng xoắn βτβτ1,84
20Độ nhám RzRz6,3µmTiện tinh 6,3 · mài 1,6–3,2
21Hệ số tăng bền bề mặtKV11 = không xử lý; cán lăn/phun bi 1,1–1,3; thấm tôi 1,2–2
22Hệ số nâng giới hạn chảy tại rãnh γFγF1,051,0–1,15 tùy độ sắc rãnh
23Hệ số an toàn tối thiểuSmin1,2
51Mô-đun đàn hồiE210 000MPa
52Mô-đun trượtG81 000MPa
53Chiều dài đoạn chịu xoắnlt150mm
54Khối lượng lắp trên trục tại vị trí lựcm10kgBánh răng, puly…
59Góc xoắn cho phépφzul1°/mKinh nghiệm: trục truyền dẫn dài 0,25 °/m; trục máy thông thường 0,5–1 °/m
63Tốc độ làm việcn1 450v/ph

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TTĐại lượngKý hiệuKết quảĐơn vịCông thức / cách tính
14K1(deff) gợi ý cho thép tôi ramK1g0,883Gợi ý xấp xỉ – giảm bền do tôi không thấu. Tra đúng công thức DIN 743-2 theo nhóm thép rồi nhập vào ô K1 bên dưới
16βσ gợi ý cho rãnh then phay ngónbsg3,11βσ(dBK=40) = 3,0·(σB/1000)^0,38 (DIN 743-2, rãnh then)
18βτ gợi ý cho rãnh thenbtg1,84βτ = 0,56·βσ + 0,1
24Khoảng cách lực tới gối Bb120mmb = l − a
25Phản lực gối ARA3 000NRA = F·b/l
26Phản lực gối BRB2 000NRB = F·a/l
27Mô-men uốn tại tiết diện xMb225 000NmmMb = RA·x (x≤a) hoặc RB·(l−x)
28Mô-men chống uốnWb6 283mm³Wb = π·d³/32
29Biên độ ứng suất uốnσba35,81MPaσba = Mb/Wb (trục quay → uốn đổi chiều)
30Ứng suất xoắn trung bìnhτtm23,87MPaτtm = T/Wt, Wt = π·d³/16
31Biên độ ứng suất xoắnτta0MPaτta = (Ta/T)·τtm
32Ứng suất kéo/nénσzd0MPaσzd = Fax/(π·d²/4)
33Hệ số kích thước hình học K2(d)K20,888K2 = 1 − 0,2·lg(d/7,5)/lg20 (7,5 ≤ d < 150)
34Hệ số nhám KFσKFσ0,878KFσ = 1 − 0,22·lg(Rz)·(lg(σB(d)/20) − 1)
35Hệ số nhám KFτKFτ0,93KFτ = 0,575·KFσ + 0,425
36Hệ số tổng KσKσ3,63Kσ = (βσ/K2 + 1/KFσ − 1)/KV
37Hệ số tổng KτKτ2,15Kτ = (βτ/K2 + 1/KFτ − 1)/KV
38Giới hạn mỏi uốn của chi tiếtσbWK136,4MPaσbWK = 0,5·σB·K1/Kσ (σbW = 0,5σB, thép)
39Giới hạn mỏi xoắn của chi tiếtτtWK138,3MPaτtWK = 0,3·σB·K1/Kτ (τtW = 0,3σB)
40Độ nhạy ứng suất trung bình ψσKψσK0,074ψσK = σbWK/(2·K1·σB − σbWK)
41Độ nhạy ứng suất trung bình ψτKψτK0,0751ψτK = τtWK/(2·K1·σB − τtWK)
42Ứng suất trung bình tương đươngσmv41,35MPaσmv = √((σzdm+σbm)² + 3τtm²)
43Biên độ mỏi cho phép – uốnσbADK133,3MPaσbADK = σbWK − ψσK·σmv (σmv không đổi)
44Biên độ mỏi cho phép – xoắnτtADK136,5MPaτtADK = τtWK − ψτK·τmv, τmv = σmv/√3
45HỆ SỐ AN TOÀN MỎISD3,72SD = 1/√[(σba/σbADK)² + (τta/τtADK)²]
46SD ≥ SminKiểm traĐẠT
47Giới hạn chảy uốn của chi tiếtσbFK1 021MPaσbFK = K1·K2F·γF·σS, K2F = 1,2 (trục đặc)
48Giới hạn chảy xoắn của chi tiếtτtFK589,2MPaτtFK = K1·K2F·γF·σS/√3
49HỆ SỐ AN TOÀN TĨNHSF9,33SF = 1/√[(σzd,max/σzdFK + σb,max/σbFK)² + (τmax/τtFK)²]
50SF ≥ SminKiểm traĐẠT
55Mô-men quán tínhI125 664mm⁴I = π·d⁴/64 (tính gần đúng trục đường kính đều d)
56Độ võng tại vị trí lựcf0,0291mmf = F·a²·b²/(3·E·I·l)
57f ≤ 0,0003·l (trục truyền động chung)Kiểm traĐẠTVị trí bánh răng: f ≤ 0,01·m
58Góc xoắn trên 1 mφ0,844°/mφ = T·l/(G·Ip), Ip = π·d⁴/32
60φ ≤ φzulKiểm traĐẠT
61Độ võng tĩnh do trọng lượngfst0,000571mmfst = m·g·a²·b²/(3EIl)
62Tốc độ tới hạn uốnnk39 581v/phnk = (30/π)·√(g/fst) (Rayleigh, bỏ qua khối lượng trục)
64n ≤ 0,7·nk hoặc n ≥ 1,3·nkKiểm traĐẠT

Bước C – Kết luận ví dụ

Kết quả chính: HỆ SỐ AN TOÀN MỎI = 3,72; HỆ SỐ AN TOÀN TĨNH = 9,33; Độ võng tại vị trí lực = 0,0291 mm; Tốc độ tới hạn uốn = 39 581 v/ph.

Kiểm tra: SD ≥ Smin: ĐẠT; SF ≥ Smin: ĐẠT; f ≤ 0,0003·l (trục truyền động chung): ĐẠT; φ ≤ φzul: ĐẠT; n ≤ 0,7·nk hoặc n ≥ 1,3·nk: ĐẠT.

Kết luận: trục d = 40 mm, thép 42CrMo4 tôi ram, tại tiết diện có rãnh then x = 75 mm ĐẠT cả 5 điều kiện: SD = 3,72 và SF = 9,33 đều ≥ Smin = 1,2; f = 0,0291 mm ≤ 0,0003·200 = 0,06 mm; φ = 0,844 °/m ≤ 1 °/m; n = 1 450 v/ph < 0,7·39 581 v/ph. Dự trữ rất lớn (SD gấp 3 lần Smin) nên có thể thử giảm d hoặc dùng C45 tôi ram rồi kiểm tra lại.

Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.

Áp dụng thực tế và lưu ý

  • Nếu SD không đạt: tăng bán kính góc lượn ở vai trục, chuyển rãnh then ra xa chỗ mô-men uốn lớn, dùng thép tốt hơn (42CrMo4), mài hoặc phun bi bề mặt (KV > 1). Tăng đường kính là cách chắc chắn nhất.
  • Phải kiểm tra từng tiết diện nguy hiểm riêng: chỗ Mb lớn nhất chưa chắc là chỗ nguy hiểm nhất, vì một vai trục sắc ở chỗ Mb nhỏ hơn có thể có βσ cao hơn nhiều.
  • Độ võng tại vị trí bánh răng nên ≤ 0,01·m (m là mô-đun) để răng ăn khớp đều; quá võng làm KHβ ở CT18 tăng.
  • Tốc độ làm việc phải tránh vùng 0,7–1,3 lần tốc độ tới hạn. Công thức bỏ qua khối lượng trục và chỉ xét một khối lượng nên chỉ là ước lượng; trục dài, nhiều chi tiết thì tính theo công thức Dunkerley hoặc phần mềm.
  • Công cụ chỉ xét một lực hướng kính trong một mặt phẳng. Trục có nhiều lực (bánh răng nghiêng có lực dọc trục, lực ở hai mặt phẳng) thì phải tính mô-men uốn tổng tại tiết diện Mb = √(Mby² + Mbz²) và ứng suất do lực dọc trục, rồi kiểm tra theo cùng các công thức DIN 743 ở trên; kết quả của công cụ khi đó chỉ là gần đúng.

Căn cứ và tài liệu tham khảo

  • DIN 743-1:2012 (Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen – Grundlagen) – hệ số an toàn mỏi SD và tĩnh SF, ứng suất trung bình tương đương σmv, biên độ mỏi cho phép σADK, Smin = 1,2, hệ số K2F, γF.
  • DIN 743-2:2012 (Formzahlen und Kerbwirkungszahlen) – βσ, βτ của rãnh then, hệ số kích thước K1(deff), K2(d), hệ số nhám KFσ, KFτ, hệ số bề mặt KV.
  • DIN 743-3:2012 (Werkstoff-Festigkeitswerte) – σbW = 0,5·σB, τtW = 0,3·σB và σB(dB), σS(dB) của thép.
  • EN 10083-2, EN 10083-3 (thép tôi ram) – giới hạn bền, giới hạn chảy trong Bảng vật liệu trục.
  • Roloff/Matek – Maschinenelemente, chương Achsen, Wellen und Zapfen – độ võng dầm hai gối, góc xoắn, tốc độ tới hạn uốn theo Rayleigh; giới hạn góc xoắn 0,25 °/m cho trục truyền dẫn dài.

← CT13 Trục sơ bộ  ·  CT15 Ổ lăn – tuổi thọ, tải tĩnh →

Lên đầu trang