Chương 3: Bộ truyền đai

CHƯƠNG 3 BỘ TRUYỀN ĐAI 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG 3.1.1. Nguyên lý Hình 3.1: - Bộ truyền đai hoạt động theo nguyên lý ma sát: công suất từ bánh chủ động (1) truyền cho bánh bị động (3) nhờ vào ma sát sinh ra giữa dây đai (3) và bánh đai (1), (2). - Ma sát sinh ra giữa hai bề mặt xác định theo công thức: Như vậy, để có lực ma sát thì cần thiết phải có áp lực pháp tuyến. Trong bộ truyền đai, để tạo lực pháp tuyến thì phải tạo lực căng đai ban đầu, ký hiệu là F0. 3.1.2. Phân loại - Theo tiết diện đai: bao gồm đai dẹt, đai hình thang, đai răng lược, đai tròn, đai răng, đai lục giác. - Theo kiểu truyền động: truyền động giữa hai trục song song cùng chiều, truyền động giữa hai trục song song ngược chiều, truyền động giữa các trục chéo nhau 3.1.3. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng Ưu điểm: - Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau (<15m) - Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẽo của đai nên có thể truyền động với vận tốc lớn - Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu. - Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ - Kết cấu và vận hành đơn giản Nhược điểm - Kích thước bộ tuyền đai lớn so với các bộ truyền khác: xích, bánh răng. - Tỉ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt trơn giữa đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng) - Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (thường gấp 2-3 lần so với bộ truỵền bánh răng) do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai tạo lực ma sát) - Tuổi thọ của bộ truyền thấp Þ Hiện nay, bộ truyền đai thang được sử dụng rộng rãi, đai dẹt ngày càng ít sử dụng. Khuynh hướng dùng bộ truyền đai răng ngày cang phổ biến vì tận dụng được ưu điểm của bộ truyền bánh răng và bộ truyền đai. 3.1.4. Các phương pháp căng đai Căng đai nhằm tạo lực căng ban đầu cho bộ truyền đai. Tuỳ vào từng điều kiện cụ thể, ta có các biện pháp căng đai khác nhau a. Định kỳ điều chỉnh sức căng đai Bánh đai chủ động được nối trên trục động cơ điện, lực căng đai được điều chỉnh bằng vis đẩy động cơ trượt trên rãnh b. Tự động điều chỉnh lực căng Lực căng đai luôn được giữ không đổi nhờ động cơ (1) được treo lên tấm lắc (2). Vít (3) có nhiệm vụ giữ và điều chỉnh vị trí động cơ điện 1 2 3 c. Điều chỉnh lực căng theo tải trọng Lực căng đai sẽ tự thay đổi theo sự thay đổi của tải trọng. Kết cấu của cơ cấu ăng đai này có thể tham khảo trên hình (3.4d/104) 3.2. VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ĐAI 3.2.1. Vật liệu đai Vật liệu làm đai phải thỏa mãn : độ bền mỏi, mòn, hệ số ma sát tương đối lớn và có tính đàn hồi cao. a. Đai dẹt - Bao gồm các loại đai sau: đai da, đai vải cao su, đai sợi bông, đai sợi len, đai làm bằng vật liệu tổng hợp. * Đai da: + Có khả năng tải cao, bền và chịu va đập. + Giá thành cao, không chịu ẩm. + Vận tốc làm việc <40…45m/s. * Đai vải cao su : gồm nhiều lớp vải, liên kết lại với nhau nhờ cai su được sulfua hoá. + Độ bền cao, đàn hồi tốt. + Ít chịu ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ, chịu ẩm. + Sử dụng rộng rãi. * Đai sợi bông: + Khối lượng nhỏ, giá thành rẻ. + Làm việc với vận tốc cao, bánh đai có đường kính nhỏ. + Công suất nhỏ, không làm việc trong môi trường ẩm ướt. * Đai sợi len: chế tạo từ sợi len, được tẩm oxit chì và dầu gai. + Tính đàn hồi cao, lam việc được với tải trọng không ổ định và va đập. + Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm, axít … + Khả năng tải kém, giá thành cao. - Trừ một số loại đai bằng vật liệu tổng hợp chế tạo thành vòng kín, các loại đai còn lại cần phải nối đai theo chiều dài. b. Đai hình thang - Cho phép tăng khả năng tải của bộ truyền nhờ tang hệ số ma sát giữa đai và bánh đai. Điều này có thể chứng minh như sau: Xét phần tử đai dl chịu tác dụng của lực dR. Lực ma sát dFs sinh ra theo hướng lực vòng dFt như sau: (3.1) với f ‘ = f/sin(j/2) : hệ số ma sát tương đương (thay thế) j - góc chêm đai có giá trụ tiêu chuẩn 400 suy ra: f ‘ = 3f – tăng lên 3 lần so với bộ truyền đai dẹt dR dF n /2 dF n /2 j - Bề mặt làm việc của đai hình thang là hai mặt bên, giữa đáy đai và bánh đai có khe hở. Dây đai không ngoài bánh đai để tránh hư hỏng do cạnh bánh đai. - Đai thang gồm: đai sơi xếp, đai sợi bện. Đai được chế tạo thành vòng kín và được tiêu chuẩn hoá kích thước cũng như chiều dài đai 3.2.2. Kết cấu bánh đai - Kết cấu bánh đai phục thuộc vào loại đai, khả năng công nghệ và quy mô sản xuất: + Đường kính <100mm: đúc + Đường kính lớn: bánh đai khoét lõm, có lổ hoặc nan hoa để giảm khối lượng - Kết cấu vành đai thang có kích thước tương ứng với tiết diện đai. Góc chêm bánh và đai hình răng lược = 400, góc chêm bánh đai thang giảm theo chiều tăng tải trọng ( 400, 380, 360, 340) - Kết cấu bánh đai dẹt: trụ, tang trống, côn. Thông thường, bánh đai dẫn mặt trụ và đai bị dẫn tang trống. Nếu vận tốc lớn (> 40m/s) thì khoét rãnh để thoát không khí. - Bánh đai tròn được khoét rãnh nữa đường tròn có bán kính bằng bán kính dây đai 3.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI 3.3.1. Thông số hình học bộ truyền đai: - Thông số hình học chủ yếu: a – khoảng cách trục; a1 – góc ôm bánh đai nhỏ b a 1 b/2 O 1 d 1 O 2 d 2 - Do căng đai và đai có độ võng, nên a1 lấy gần đúng với vì b < 300 nên: - Chiều dài đai được xác định theo công thức: (3.3) - Chiều dài đai được chọn lại theo tiêu chuẩn. Sau đó tính lại khoảng cách trục a: (3.4) trong đó: 3.3.2. Lực tác dụng lên bộ truyền đai a. Lực tác dụng lên đai 2 F 1 d 1 - Gọi F0 là lực căng ban đầu F1, F2 là lực căng trên nhánh căng và nhánh chùng khi bộ truyền chịu tải Ft = 2T1 / d1 lực vòng hay tải trọng có ích - Điều kiện cân bằng lực: (3.5) Do chiều dài L không thay đổi khi chịu tải trọng nên độ co và giãn trên hai nhánh bằng nhau. (3.6) từ (3.5) và (3.6): (3.7) Mối quan hệ giữa F1 và F2 : (3.8) Từ (3.5), (3.7), (3.8) ta có: (3.9) Suy ra: . Như vậy, nếu tăng góc ôm a và hệ số ma sát f lên thì sẽ tăng khả năng tải của bộ truyền. - Khi đai chuyển động trên bánh đai, mỗi phần tử đai chịu lực ly tâm, lực ly tâm tạo nên lực căng phụ Fv trên đai: Trong đó r - khối lượng riêng của vật liệu làm đai, kg/m3 A = bd - diện tích mặt cắt ngang của đai v – vận tốc, m/s Phương trình cân bằng lực : dC = 2Fvsin (dj/2) » Fv dj Từ hai phương trình này, suy ra: (3.10) qm – khối lượng trên 1m dây đai, kg/m - Phương trình Ole có kể đến lực căng phụ b. Lực tác dụng lên trục và ổ - Lực tác dụng lên truc: n - là góc hợp bởi đường tâm trục và Fr, n rất nhỏ nên có thể bỏ qua đai lượng này. Khi đó: (3.11) 3.3.3. Ứng suất sinh ra trong đai Lực căng đai gây ra các ứng suất sau: + sv = Fv/A = r v2. 10-6 – ứng suất do lực căng phụ + s1 = F1/A, s2 = F2/A, - Ứng suất trên nhánh chủ động và bị động + s0 = F0/A - Ứng suất do lực căng ban đầu + st = Ft/A - Ứng suất có ích sinh ra trong đai Ngoài ra còn ứng suất uốn tuân theo định luật Hooke: su = eE = Ed/d (3.12) e = y/r – độ giãn dài tương đối của thớ ngoài cùng y = d/2 – khoảng cách từ đường trung hoà tới thớ đai ngoài cùng r » d/2 – bán kính cong đường trung hòa - Ứng suất lớn nhất sinh ra trên nhánh căng khi đai bắt đầu tiếp xúc trên bánh đai nhỏ : (3.13) (3.14) (3.15) - Khả năng kéo của bộ truyền đai đặc trưng bởi ứng suất có ích st: (3.16) Þ s0 tăng thì khả năng kéo tăng tuy nhiên tuổi tho của đai giảm. Vì vậy hạn chế s0 : s0 £ 1,5Mpa (đối với đai thang); s0 £ 0,8Mpa (đối với đai dẹt) - Ứng suất do lực ly tâm khi giá trị khối lượng riên đai =1000kh/m3 v = 10 m/s Þ sv = 0,1Mpa v = 20 m/s Þ sv = 0,4Mpa v = 30 m/s Þ sv = 1,6Mpa - Ứng suất uốn sinh ra trong đai khi E=200MPa d/d =200 Þ su = 1 MPa d/d =100 Þ su = 2 MPa d/d =50 Þ su = 4 MPa d/d =25 Þ su = 8 MPa Ứng suất uốn làm phá hủy mỏi đai - Tuổi thọ đai không những phụ thuộc vào ứng suất mà còn phụ thuộc vào đặc tính và chu kỳ thay đổi tần số ứng suất. Tần số này xác định bằng số vòng chạy của đai tong một giây: I = v/L (3.17) I càng lớn thì tuổi thọ càng thấp. Đối với đai thang: i £ 3..5 s-1; Đối với đai dẹt: i £ 10..20 s-1 3.3.4. Hiện tượng trượt trong bộ truyền đai Bao gồm: trượt hình học, trượt đàn hồi, trượt trơn - Trượt hình học: xảy ra khi bộ truyền chưa làm việc, dưới tác dụng của tải trong F0, đai bị giãn ® hiện tượng trượt trơn -Trượt đàn hồi: do lực F1 trên nhánh căng > F2 trên nhánh chùng, nên độ biến dạng đai l1 khi vào đai sẽ > độ biến dạng đai khi ra đai. Do đó, khi đai vào tiếp xúc với bánh dẫn đai sẽ bị co lại gây nên hiện tượng trượt đàn hồi Trên bánh bị dẫn xãy ra hiện tượng trượt đàn hồi khi ra đai. - Trượt trơn: xảy ra khi moment truyền lớn hơn moment ma sát 3.3.5. Vận tốc và tỉ số truyền - Vận tốc vòng trên các bánh đai: + Trên bánh dẫn: v1 = pd1n1/60000 + Trên bánh bị dẫn: v2 = pd2n2/60000 (3.18) - Giữa vận tốc vòng hai bánh đai có sự liên hệ: (3.19) với: x - hệ số trượt tưong đối. x = 0,01 .. 0,02 - Tỉ số truyền của bộ truyền đai: (3.20) 3.4. TÍNH TRUYỀN ĐỘNG ĐAI 3.4.1. Tiêu chuẩn về khả năng làm việc và chỉ tiêu tính a. Khả năng làm việc và chỉ tiêu tính - Khả năng kéo. - Tuổi thọ đai. Hiện nay, tính toán bộ truyền đai chủ yếu tính theo khả năng kéo Để tránh xảy ra hiện tượng trượt trơn, hệ số kéo phải thỏa mãn điều kiện: b. Tuổi thọ đai: Ứng suất thay đổi sẽ gây phá hủy mỏi đai. Quan hệ giữa ứng suất smax và số chu kỳ làm việc tương đương NE biểu thị bằng phương trình đường cong mỏi như sau smax mNE = sr m N0 với sr – giới hạn mỏi của đai (MPa) N0 – Số chu kỳ làm việc cơ sở = 107 m – chỉ số của đường cong mỏi; m = 5 đối với đai dẹt, m = 8 đối với đai thang sr = 6 MPa – đai vải cao su có lớp đệm sr = 7 MPa – đai vải cao su không có lớp đệm sr = 9 MPa – đai thang sr = 4..5 MPa – đai sợi bông Þ (3.24a) Chu kỳ NE liên hệ với tuổi thọ Lh (3.24b) i = v/L :số vòng chạy của đai trong một giây. xb – số bánh đai cùng đường kính nu – Hệ số ảnh hưởng khác nhau của ứng suất uốn trên các bánh đai (=1,2..2) - Tuổi thọ đai ( xác định bằng giờ) (3.25) 3.4.2. Tính toán bộ truyền đai dẹt - Ứng suất có ích: (3.27) với Ft = 1000P1/v A = bd - tiết diện đai [st] – ứng suất có ích cho phép (3.28) + [st] – ứng suất có ích cho phép. Tra bảng (3.4) [1] + Ca - hệ số ảnh hưởng của góc ôm đai: Ca = 1 – 0.003(180 -a1) + Cv – hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc cv = 0,04 đối với tất cả bộ đai dẹt với vận tốc trung bình Khi vận tốc cao: cv = 0,03 (đai vải cao su), cv = 0,02 (đai sợi bông), cv = 0,01 (đai vật liệu tổng hợp) + C0 – hệ số xét đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền, phụ thuộc vào góc đường nối tâm và phương ngang. Khi góc nghiêng 0..600 thì C0 = 1 Khi góc nghiêng 60..800 thì C0 = 0.9 Khi góc nghiêng 80..900 thì C0 = 0.8 Khi bộ truyền đai có bánh căng điều chỉnh tự động C0 =1 + Cr hệ số làm việc tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi theo chu kỳ của tải trọng đến tuổi thọ đai. Tra bảng (3.5) [1]. Chiều rộng đai được tính theo công thức: (3.29) 3.4.3. Tính toán bộ truyền đai thang (3.30) [P] – công suất có ích cho phép bộ truyền đai. Được xác định theo thực nghiệm (3.31) +[P]0 – công suất có ích cho phép được xác định bằng con đường thực nghiệm + + + Cu – hệ số xét đến ảnh hưởng của tỉ số truyền. Tra bảng (3.6) [1] + + Cz - hệ số xét đến sự ảnh hưởng của sự phân bố không đều tải trọng giữa các dây đai: z = 2..3 thì Cz = 0.95; z = 4..6 thì Cz = 0.9; khi z>6 thì Cz = 0.85. Số dây đai cần thiết: (3.32) 3.5. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ ĐAI 3.5.1. Trình tự thiết kế đai dẹt Thực hiện theo các bước sau: 1. Chọn đai theo điều kiện làm việc 2. Tính đường kính bánh đai nhỏ theo công thức: Hoặc d1 được chọn theo tiêu chuẩn :40, 45, 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 315, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000. Đường kính bánh đai lớn xác định theo công thức (3.20) và cho theo giá trị tiêu chuẩn. Tính v1, nếu v1 > 30 m/s thì chọn đường kính đai nhỏ hơn. 3. Xác định khoảng cách trục a và chiều dài đai L. Có thể xác định a theo chiều dài Lmin theo công thức (3.4). Lmin = v/(3..5) bộ truyền đai hở. Lmin = v/(8..10) bộ truyền đai có bánh căng. Kiểm nghiệm khoảng cách trục a theo điều kiện: + trường hợp bộ truyền đai hở. + trường hợp bộ truyền đai có bánh căng. Sau khi xác định a, tính L theo công thức (3.3) và tăng L lên 100...400 để nối đai. 4. Tính góc ôm đai a1 theo công thức (3.2) và kiểm nghiệm điều kiện a1 ³ 1500 5. Chọn chiều dày đai theo điều kiện: d1/d ³ 25 đối với đai da d1/d ³ 30 đối với đai vải cao su. Tính chiều rộng b của đai theo công thức (3.29) 6. Tính chiều rộng bánh dai 7. Tính lực tác dụng lên trục Fr theo (3.11) và lực căng ban đầu 3.5.2. Trình tự thiết kế đai thang 1. Chọn loại đai theo công suất P1 và n1 theo đồ thị 2. Tính đuờng kính bánh đai nhỏ d1 » 1,2 dmin với dmin tra bảng (3.3)[1]. Chọn d1 theo dãy tiêu chuẩn sau: 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000. Theo công thức (3.18) tính d2 và chọn ttheo tiêu chuẩn (bảng 3.3) 3. Chọn sơ bộ khoảng cách trục a theo đường kính d2 u 1 2 3 4 5 ³ 6 a 1,5d2 1,2d2 d2 0,95d2 0,9d2 0,85d2 Theo công thức (3.3) xác định sơ bộ L và chọn theo tiêu chuẩn. Tính chính xác khoảng cách trục a theo giá trị L tiêu chuẩn bằng công thức (3.4). kiểm nghiệm điều kiện : h : chiều cao mặt cắt ngang của đai 4. Tính góc gôm a1 theo công thức (3.2). Kiểm nghiệm a1>=1200 5. tính số đai z theo công thức (3.32) và chọn theo số nguyên và không nên quá 6 6. Tính chiều rộng và đường kính ngoài da 7. Xác định lực tác dụng lên trục và lực căng đai ban đầu 3.6. BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG - Làm việc nhờ sự ăn khớp giữa các gờ trên đai và các rãnh của bánh đai. Ưu điểm: +Kích thước bộ truyền nhỏ + Không có hiện tượng trượt đai + Tỉ số truyền lớn (đến 20) + Hiệu suất cao (0.92 ..0.98) + Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ + Công suất truyền đến 200Kw Kích thước hình học chủ yếu cho trong bảng (3.8) [1] - Các kích thước chủ yếu: + Mođun đai: m = p/p. P là bước đai. Modun đai có thể xác định bằng công thức thực nghiệm sau: P1 – công suất truyền n1 – số vòng quay bánh dẫn Sua khi xác định mođun, sẽ chọn lại theo tiêu chuẩn + Chiều cao răng h: h = (0.6..0.9)m + Chiều rộng nhỏ nhất của đai S = (1…12,2)m + Đường kính vòng chia ; + Khoảng cách trục nhỏ nhất: C = 2m khi m<=5 C =3m khi m>=5