Khi thiết kế một hệ thống máy hoặc một chi tiết nào đó, một việc hết sức quan trọng đó là bạn phải xem xét độ bền của chúng. Độ bền có thể nói chính là "độ cứng vững", nhưng trong thiết kế độ bền được định nghĩa như thế nào? Trong bài viết lần này, chúng tôi sẽ giải thích rõ ràng hơn về "độ bền" trong thiết kế. Rất hi vọng bài viết cung cấp cho các bạn một cái nhìn mới mẻ và thực tế, hãy cùng bắt đầu nhé.

1. Các loại lực quan trọng để thiết kế, tính toán độ bền

Độ bền là đại lượng thể hiện khả năng chống chịu lực đến giá trị bao nhiêu của chi tiết hay của một hệ thống máy trước tác động của ngoại lực và chính khối lượng của chúng.

Tuy nhiên, máy móc và các chi tiết phải chịu tác động của nhiều loại lực khác nhau tùy thuộc vào cách chúng được sử dụng. Để thiết kế chi tiết đủ độ bền và không bị vỡ hỏng trong quá trình sử dụng, bạn phải trang bị cho mình những kiến thức về các loại lực đó và xem xét cách thức chống chịu lại tác động của chúng.

Lực tác động lên chi tiết hay hệ thống máy có thể chia làm ba dạng chính như sau:

• Lực kéo
• Lực nén
• Lực cắt ngang

Ví dụ, chúng ta có thể thấy lực kéo tác dụng lên dây treo thang máy hoặc trục nối giữa các hệ thống máy. Lực nén là lực tác dụng lên bề mặt của răng bánh răng khi ăn khớp hay các cột của kết cấu khung nhà xưởng. Lực kéo và lực nén rất dễ hình dung, nhưng lực cắt có thể bị hiểu không rõ ràng bằng từ ngữ.

Lực cắt là lực tác dụng lên một vật thể theo hướng ngược chiều nhau. Ví dụ, nếu bạn cố gắng ấn xuống phần nhô ra của một cái thước đang đặt sao cho nó nhô ra khỏi mép bàn, thì thước sẽ nhận được lực đẩy lên từ mặt bàn và lực hướng ngược lại từ tay bạn ấn xuống. Trường hợp như vậy là lực cắt. Ví dụ khác đó là lực tác dụng lên bu lông nằm ngang kết nối hai phần dầm của kết cấu.

Khi thiết kế một máy hoặc một bộ phận, cần phải xem xét lực nào tác dụng lên từng bộ phận và tạo cho nó một hình dạng có thể chịu được từng thành phần lực đó. Ngay cả trong các cuộc đánh giá thiết kế (design preview) được tiến hành trước khi tạo mẫu hoặc sản xuất hàng loạt các máy móc và chi tiết, khả năng chịu tải, loại và cường độ lực tác dụng lên từng bộ phận, hệ số an toàn, v.v… là những chủ đề quan trọng cần thảo luận nghiêm túc. Vì mọi sai lầm đều phải trả giá bằng tiền mặt. 😊

2. Ứng suất, tính cứng là gì.

“Ứng suất” là thành phần quan trọng khi xem xét độ bền của chi tiết. Ứng suất là nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, v.v…(lực tác dụng trên 1 ㎟). Ví dụ, nếu các cột trụ của một công trình kiến ​​trúc không thể chịu được tải trọng, rất dễ hình dung ra trường hợp các cột trụ sẽ trở lên cứng vững hơn bằng cách làm cho chúng dày hơn. Điều này là do diện tích mặt cắt ngang của trụ tăng lên làm giảm lực tác dụng trên 1 mm².

Vì vậy, khi thiết kế máy và các chi tiết, phải xác định hình dạng và kích thước sao cho ứng suất của từng bộ phận nhỏ hơn ứng suất cho phép (ứng suất có thể chịu được) của từng loại vật liệu.

Một từ tương tự như độ bền là "tính cứng". Tính cứng là tính chất thể hiện sự “khó biến dạng”. Ví dụ, dây thừng đủ chắc để treo vật xuống, nhưng nó có thể dễ dàng bị biến dạng khi luồn nó giữa các ròng rọc hoặc quấn quanh tang trống. Nói cách khác, tính cứng của dây thừng không cao.

Mặt khác, đồ gốm và những thứ tương tự hầu như không bị biến dạng ngay cả khi có lực tác dụng. Tuy nhiên, nó là một vật liệu tương đối yếu và mỏng manh so với dây thừng. Nói cách khác, nó là vật liệu có tính cứng cao nhưng độ bền không cao.

3. Hệ số an toàn.

Khi thiết kế máy móc hay chi tiết, một thiết kế "vừa đủ chịu lực" là rất nguy hiểm. Điều này là do chúng sẽ bị vỡ hỏng do một yếu tố bất ngờ cho dù lực tác động không lớn, chẳng hạn như bị đẩy từ bên cạnh trong quá trình sử dụng. Do đó, hãy cân nhắc đến hệ số an toàn.

Hệ số an toàn là một giá trị số cho biết có thể chịu được lực cho phép bao nhiêu lần. Ví dụ, trong trường hợp khung đặt máy hoạt động với tải trọng tối đa là 100 kg, hãy xem xét hệ số an toàn là 3 và thiết kế bộ khung đó để chịu được tối đa 300 kg.

Tiêu chuẩn về hệ số an toàn được xác định bởi JIS, v.v ... tùy thuộc vào cách sử dụng máy móc, bộ phận và vật liệu. Ví dụ, dây cáp của cần trục là 3,35 đến 5, và hệ số an toàn của máy phải chịu tải siêu nặng lặp đi lặp lại, chịu va đập mạnh là 12.

Nếu nâng hệ số an toàn lên quá cao vì muốn máy móc, chi tiết máy mạnh thì chi phí sẽ tăng lên. Cần phải thiết kế với hệ số an toàn thích hợp bằng cách tham khảo hướng dẫn, hay từ các thành viên có nhiều kinh nghiệm.

4. Tổng kết

Độ bền là một giá trị số cho biết lực mà một hệ máy hoặc một chi tiết có thể chịu được, và có ba loại lực tác động: lực kéo, lực nén và lực cắt ngang. Thiết kế máy thông qua việc tính toán ứng suất, tính cứng và hệ số an toàn. Luôn cân nhắc việc sử dụng vật liệu và sản phẩm, thiết kế sao cho chúng có thể được sử dụng, đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật mà không lãng phí chi phí. Đó là ý nghĩa của thiết kế.

Trên đây là bài viết “Độ bền của chi tiết. Đại lượng cơ bản trong thiết kế”. Mọi ý kiến đóng góp xin để lại ở phần bình luận bên dưới bài viết. Xin cảm ơn và hẹn gặp lại các bạn ở những bài viết tiếp theo.

Tác giả: Nguyễn Văn Hòa.

Tham khảo tại: 設計の基本。部品の強度とは？ | meviy | ミスミ (misumi-ec.com)