Bài giảng Chi tiết máy - Chương 2: Truyền động cơ khí – truyền động bánh ma sát - Phần A: Truyền động cơ khí

Bải giảng Chi tiết máy Chương 2 TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT Phần A - TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ 1.1 Khái niệm truyền động cơ khí _ Trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ sử dụng nhiều loại truyền động: + Truyeàn ñoäng cô khí. + Truyền động điện. + Truyền động thủy lực, khí nén Trong đó, truyền động cơ khí được dùng nhiều nhất. Truyền động cơ khí là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ động cơ đến các bộ phận của máy, thường có biến đổi lực, vận tốc hoặc moment hay đôi khi biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động. _ Theo nguyên lý làm việc có thể chia truyền động cơ khí làm hai nhóm chính : + Truyền động bằng ma sát, bao gồm: truyền động bánh ma sát ( tiếp xúc trực tiếp) và truyền động đai ( tiếp xúc gián tiếp). + Truyền động bằng ăn khớp, bao gồm: truyền động bánh răng, truyền động trục vít – bánh vít (tiếp xúc trực tiếp) và truyền động xích (tiếp xúc gián tiếp ). Ngoài các bộ truyền chuyển động quay trên, trong thực tế còn sử dụng truyền động vítme – đai ốc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Chương 2. Truyền động bánh ma sát 1 Bải giảng Chi tiết máy 1.2 Các thông số cơ bản của một hệ truyền động cơ khí + Công suất N(kw), N1 : trên trục dẫn, N2 : trên trục bị dẫn PV. N  ; P(N) : lực vòng ; V(m/s) : vận tốc. 1000 N2 Nm + Hiệu suất   1  ; với Nm : công suất tiêu hao N1 N1 + Tốc độ vòng n (vòng / phút) n1 : tốc độ vòng quay của trục dẫn (trục chủ động) n2 : tốc độ vòng quay của trục bị dẫn (trục bị động) n + Tỉ số truyền i : i  1 ; i > 1 : giảm tốc; i < 1 : tăng tốc n2 9,55.106 .N + Mômen xoắn M (N.mm): M  ; Ta có M2 = M1.i. n M1 _ mômen xoắn trục chủ động M2 _ mômen xoắn trục bị động + Trường hợp có nhiều chi tiết truyền động nối tiếp : i = i1 .i2 .i3 và  = 1.2.3 với i1 , i2 , i3 và 1 , 2 , 3 là tỉ số truyền và hiệu suất của từng cặp chi tiết truyền động. Chương 2. Truyền động bánh ma sát 2 Bải giảng Chi tiết máy Bảng1. Phạm vi sử dụng của từng loại bộ truyền Các thông số cơ bản Vận tốc tiếp Công suất Hiệu suất Tỉ số truyền tuyến (m/s) (kw) (%) Loại truyền động Đai truyền ≤ 10 ≤ 30 ≤ 100 94 – 97 Bánh răng ≤ 7 ≤ 30 ≤ 50.000 94 – 98 Trục vít 8 – 80 ≤ 15 ≤ 50 50 – 90 Xích ≤ 8 ≤ 25 ≤ 100 90 – 97 Chương 2. Truyền động bánh ma sát 3 Bải giảng Chi tiết máy Phần B – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc Truyền động bánh ma sát truyền chuyển động và cơ năng nhờ ma sát sinh ra tại chổ tiếp xúc của các bánh ma sát. Để tạo ra ma sát cần phải tác dụng lực ép các bánh lại với nhau (hình 2.1) Hình 2.1 2.1.2 Phân loại - Theo hình thức tiếp xúc, truyền động bánh ma sát tiếp xúc ngoài và tiếp xúc trong. - Theo khả năng điều chỉnh tỉ số truyền, bộ truyền không điều chỉnh được tỷ số truyền (hình 2.1a, b) hay bộ truyền điều chỉnh được tỷ số truyền còn gọi là bộ biến tốc ma sát (hình 2.1c). 2.1.3 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng a. Ưu điểm _ Cấu tạo đơn giản; _ Làm việc êm, có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ (bộ biến tốc ma sát) mà không phải dừng lại. b. Nhược điểm _ Lực tác dụng lên trục và ổ trục khá lớn. _ Tỉ số truyền không ổn định, do có hiện tượng trượt. _ Khả năng tải tương đối thấp (so với bánh răng). c. Phạm vi sử dụng _ Dùng để truyền công suất nhỏ hoặc trung bình (dưới 20 kw); vận tốc v ≤ (15 ÷ 20 ) m/s; tỉ số truyền i ≤ 7; hiệu suất η = 0,80 ÷ 0,95. _ Chủ yếu dùng trong các máy vận chuyển, các thiết bị cần trục, tốc kế, máy ghi âm, ngành dụng cụ đo, máy cắt kim loại, máy hàn, máy dệt Chương 2. Truyền động bánh ma sát 4 Bải giảng Chi tiết máy 2.2 Cơ học truyền động bánh ma sát 2.2.1 Hiện tượng trượt trong truyền động bánh ma sát Có ba dạng: trượt hình học, trượt đàn hồi và trượt trơn. a. Trượt hình học _ Vận tốc v1 = const : trên suốt chiều rộng của bánh 1. _Vận tốc v2 tại các điểm tiếp xúc khác nhau trên đĩa 2 tỉ lệ với khoảng cách từ những điểm này đến tâm đĩa (v2 = v2max tại mép đĩa 2). _ Điểm xảy ra lăn thuần túy không trượt (v1 = v2) chỉ xảy ra tại P. Điểm P gọi là tâm lăn (n1/ n2 = d2/d1).  Ở tất cả điểm còn lại trên đường tiếp xúc, đều trượt với vận tốc trượt vt = v1-v2. Như vậy, trượt hình học phụ thuộc vào hình dạng bánh ma sát: khi chiều dài tiếp xúc càng lớn thì trượt càng nhiều (ở đây, chiều dài tiếp xúc bằng chiều rộng con lăn). b. Trượt đàn hồi _ Trượt đàn hồi xảy ra do biến dạng đàn hồi tại vùng tiếp xúc của các bánh ma sát theo phương tiếp tuyến. _ Nguyên nhân gây ra trượt đàn hồi: khi truyền mômen xoắn các phân tố bề mặt bánh chủ động đi vào vùng tiếp xúc, bắt đầu từ điểm tiếp xúc 1 thì bị nén lại và đi M1 ra khỏi điểm 3 thì bị dãn (hình 19.2). Ngược lại các phân tố bề mặt bánh bị động thì bị dãn ra khi vào điểm 1 và bị nén lại khi ra khỏi điểm 3. Thực ra sự thay đổi biến dạng (từ nén sang dãn và M 2 ngược lại) không phải bắt đầu ngay từ điểm 1 mà bắt đấu từ điểm 2 nào đó trên cung tiếp xúc. Hiện tượng dãn và chùn(nén) không đều nhau của các phân tố trên bề mặt các bánh ma sát ở cung 2 – 3 gây nên sự trượt. Cung 2 – 3 gọi là cung trượt đàn hồi. Hình 2.3 Chương 2. Truyền động bánh ma sát 5 Bải giảng Chi tiết máy c. Trượt trơn _ Khi tải trọng tăng, cung trượt đàn hồi cũng tăng. Nếu tiếp tục tăng lực vòng P, đến lúc nào đó cung trượt sẽ bằng cung tiếp xúc. Đó là giới hạn của hiện tượng trượt đàn hồi. Khi đó, nếu tiếp tục tăng P thì P > Fms, xảy ra hiện tượng trượt trơn: bánh 1 quay, bánh 2 đứng yên gây mòn cục bộ, xước bề mặt. 2.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền a. Truyền động bánh ma sát trụ _ Vận tốc vòng: ..D n .D. n v  1 1 m/ s và v  2 2 m/ s (2-1) 1 60.1000 2 60.1000 Vì có hiện tượng trượt nên v2 < v1. v1  v2  Gọi ξ là hệ số trượt:    v2 = (1 – ξ).v1 v1 n1 D2 D2 _ Tỷ số truyền i    n2 D1 1  D1 với (hệ số trượt ξ = 1 ÷ 3%). Chương 2. Truyền động bánh ma sát 6 Bải giảng Chi tiết máy b. Truyền động bánh ma sát nón Gọi dtb1 và dtb2 là đường kính TB của các bánh ma sát nón dẫn 1 và bị dẫn 2. Ta có: n1 dtb2 dtb2 Tỷ số truyền i    n2 dtb1 1  dtb1 dtb2 mà dtb1 = 2(L – 0,5b)sinφ1 (2-2a) dtb2 = 2(L – 0,5b)sinφ2 (2-2b) n1 sin2 tg2 Suy ra : i     tg2 (2-3) n2 1 .sin1 1  với L : chiều dài đường sinh côn (mm) dtb1 b : chiều dài tiếp xúc đo dọc theo đường sinh của bánh ma sát côn (mm) Hình 2.4 φ1 và φ2 : góc côn bánh 1 và 2 (độ) c. Bộ biến tốc mặt đĩa con lăn Con laên (chuû ñoäng) n1 Gọi R1, R2:bán kính của con lăn, đĩa. 1 R n1, n2: số vòng quay trong một phút con lăn, đĩa. Rmin R Ñóa (bò ñoäng) R2  (Rmin ÷ Rmax) n2  (nmax ÷ nmin) R max n 2 Ta có tỷ số truyền : Hình 2.5 n R i  1  2 n2 R1 1  n1 Rmax imax   nmin R1 1  n1 Rmin imin   nmax R1 1  n R Khoảng điều chỉnh tốc độ D  max  max ; Thông thường hạn chế D ≤ 3. nmin Rmin Chương 2. Truyền động bánh ma sát 7 Bải giảng Chi tiết máy 2.2.3 Lực ép trong bộ truyền bánh ma sát a. Lực pháp tuyến cần thiết (Q) Điều kiện để bộ truyền bánh ma sát không bị trượt là: Fms = f. Q ≥ P với f : hệ số ma sát Q : là lực pháp tuyến (N) P : lực vòng (N) Để an toàn lấy : Fms = f. Q = k. P với k : hệ số an toàn (k = 1,25 ÷ 1,5) k. P Như vậy: Fms = f. Q = k. P  Q  (2-4) f b. Lực ép cần thiết (S) Q * Trường hợp bộ truyền bánh ma sát trụ k. P F  Q  P e f * Trường hợp bộ truyền bánh ma sát nón Có thể ép bánh 1 vào bánh 2 với lực ép Fe1 hoặc ngược lại với lực ép Fe2. Dựa vào điều kiện cân bằng ta có: Fe1 = Q.sinφ1 (2-5a) Fe2 = Q.sinφ2 (2-5b) Nếu bộ truyền giảm tốc: dtb1 < dtb2  sin φ1 < sin φ2 => Fe1 < Fe2 Chương 2. Truyền động bánh ma sát 8 Bải giảng Chi tiết máy 2.3 Tính toán bộ truyền bánh ma sát 2.3.1 Các dạng hư hỏng và chỉ tiêu tính toán _ Nếu bộ truyền được bôi trơn đầy đủ, bề mặt hỏng chủ yếu do tróc vì mỏi. _ Nếu bộ truyền làm việc ở chế độ ma sát khô hoặc nửa ướt bánh ma sát bị mòn hoặc bị xước lớp bề mặt. Để tránh các dạng hỏng chủ yếu trên, phải tính toán sức bền tiếp xúc bộ truyền bánh ma sát. 2.3.2 Tính sức bền tiếp xúc bộ truyền bánh ma sát _ Tính ứng suất tiếp xúc theo công thức Héc: QE.   0,418 (2-8) tx b. trong đó: Q: lực pháp tuyến tại vùng tiếp xúc (N) b : chiều dài tiếp xúc (mm)  : bán kính cong tương đương (mm) E : môdun đàn hồi của vật liệu (N/mm2) a. Đối với bộ truyền động bánh ma sát trụ Từ công thức ( 2-4 ), ta có: k. P k 2M k 2 9,55.106 .N Q   1  1 f f d1 f d1 n1 d  d d i 1 2A mà A  2 1  1  d  ; 2 2 1 i 1 k. N i 1 k. N i 1 Vậy Q  9.55x 106 .  9,55.106 (2-9) f.. A n1 f... Ai n2 Bán kính cong tương đương 1 1 1 2 2 2D  D  2i 1 i 12      2 1    1  2 D2 D1 D1D2 i.D1 A.i Modun đàn hồi tương đương 2EE E  1 2 (N/mm2) E1  E2 Chương 2. Truyền động bánh ma sát 9 Bải giảng Chi tiết máy Thay Q,  vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát trụ : 3 1290 k.. N E i 1     (2-10) tx  tx Ai. f.. n2 b b Đặt   là hệ số chiều rộng bánh ma sát (ψA = 0,2÷0,4 ) A A Thay ( b = ψA. A ) vào CT kiểm nghiệm và biến đổi ta có công thức thiết kế : 2 k.. N E  1290  A  (i 1) 3 .  (2-11) f.. n2  A  i[] tx  Trong đó: A : khoảng cách trục (mm) k : hệ số an toàn f : hệ số ma sát n2 : số vòng quay trong một phút của bánh bị dẫn (v/p) N : công suất trên trục dẫn (kw) i = n1/n2 : tỉ số truyền 2 [σ]tx : ứng suất tiếp xúc cho phép (N/mm ) Dấu ‘ + ‘ứng với trường hợp tiếp xúc ngoài; dấu ‘ – ‘ trường hợp tiếp xúc trong. b. Đối với truyền động bánh ma sát nón Từ hình vẽ ta thấy: ρ1 = (L – 0,5b).tgφ1 và ρ2 = (L – 0,5b).tgφ2 1 Lưu ý: i  tg2  tg1 1 2 i. L  0,5b Bán kính cong tương đương:    2 1  2 i 1 Lực pháp tuyến k 2 N Q  . .9,55.106 . f D1 n1 Hình 2.7 với n1 = i. n2; 1 D mà: L  0.5b  D2  D2  1 i2 1 2 2 1 2 2L  0,5b Do đó : D1  i2 1 Chương 2. Truyền động bánh ma sát 10 Bải giảng Chi tiết máy k N i2 1 => Q  9,55.106 . . . f n2 L  0,5b . i Thay các giá trị Q, ρ vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát nón: 1290 k.. N E 3/2   . i2 1   tx    tx (2-12) L  0,5b . i f.. b n2 b Đặt   , (ψL = 0,20 ÷ 0,25) L L ψL : hệ số chiều rộng bánh ma sát nón. Vậy ψL. L = b thay b vào công thức ( ) ta có: 2   2 k.. E N 1290 L  i 1 3   (2-13) f . .n 1 0,5 ..i  L 2  L   tx  Trong đó: L : chiều dài nón (mm) b : chiều rộng tiếp xúc dọc theo đường sinh bánh ma sát (mm) Các đại lượng khác giống như trường hợp bánh ma sát trụ. Trường hợp các bộ truyền bánh ma sát làm bằng vật liệu phi kim, người ta còn qui ước tính theo công thức: Q qn   qn  (2-14) b với [qn] (N/mm) : cường độ lực pháp tuyến cho phép, tra bảng trong sổ tay. + Tếchtôlít với thép hoặc gang, lấy [q ] = (40 ÷ 80) N/mm, n + Phíp với thép hoặc gang, lấy [q ] = (35÷ 40) N/mm, n + Da với gang, lấy [q ] = (15 ÷ 25) N/mm, n + Gỗ với gang, lấy [q ] = (2,5 ÷ 5) N/mm. n Chương 2. Truyền động bánh ma sát 11 Bải giảng Chi tiết máy 2.4 Vật liệu và ứng suất cho phép 2.4.1 Vật liệu Thường dùng thép tôi, có thể dùng gang. Có thể dùng bánh ma sát thép đã tôi hoặc gang với bánh ma sát bằng tếctôlit hoặc phíp. Trường hợp tải trọng nhỏ có thể dùng bánh ma sát gỗ hoặc bọc da, vải cao su, amiăng ép làm việc với bánh thép hoặc gang. Bánh dẫn nên làm bằng vật liệu mềm hơn bánh bị dẫn để khi bị trượt trơn ít bị mòn vẹt. 2.4.2 Ứng suất cho phép Ứng suất tiếp xúc [σ]tx có thể lấy bằng giới hạn mỏi bề mặt của vật liệu. Đối với 2 thép tôi có HRC ≥ 60 có thể lấy [σ]tx = 800 ÷ 1200 N/mm khi tiếp xúc ban đầu theo 2 đường; chọn [σ]tx = 2500 N/mm khi tiếp xúc ban đầu theo điểm. 2 Đối với têctôlit, khi tiếp xúc ban đầu theo đường, có thể lấy [σ]tx = 80 ÷ 100N/mm . 2.5 Bài tập ứng dụng Chương 2. Truyền động bánh ma sát 12