Cơ khí chế tạo máy - Chương 8. Ổ lăn

CHƢƠNG 8. Ổ LĂN 1 NỘI DUNG 1. Khái niệm chung 2. Một số loại ổ lăn thông dụng 3. Cơ sở tính toán ổ lăn 4. Tính toán lựa chọn ổ lăn 5. So sánh ổ lăn và ổ trượt 2 3 4 8.1 Khái niệm chung 5 • Đỡ trục • Giữ trục có vị trí xác định trong không gian • Tiếp nhận tải trọng Lịch sử phát triển  Leonardo da Vinci is said to have described a type of ball bearing around the year 1500. One of the issues with ball bearings is that they can rub against each other, causing additional friction, but this can be prevented by enclosing the balls in a cage. The captured, or caged, ball bearing was originally described by Galileo in the 1600s. The first patent for a ball race was by Philip Vaughan of Carmarthen in 1794.  The modern, self-aligning design of ball bearing is attributed to Sven Wingquist of the SKF ball-bearing manufacturer in 1907.  Henry Timken, a 19th century visionary and innovator in carriage manufacturing, patented the tapered roller bearing, in 1898. 6 8.1 Khái niệm chung 7 8.1 Khái niệm chung a. Cấu tạo 8 1 2 3 4 4 3 1 2 1. Vòng ngoài (lắp lên gối trục) 2. Vòng trong (lắp lên ngõng trục) 3. Con lăn 4. Vòng cách 8.1 Khái niệm chung a. Cấu tạo 9 Vòng cách • Giữ cho các con lăn cách nhau 1 khoảng cố định • Giảm số lượng con lăn 8.1 Khái niệm chung b. Phân loại Theo khả năng tiếp nhận tải trọng  Ổ đỡ : chịu lực hướng tâm Fr, không chịu hoặc chỉ chịu được một phần nhỏ lực dọc trục Fa .  Ổ đỡ chặn: chịu được đồng thời cả lực hướng tâm Fr và lực dọc trục Fa  Ổ chặn: chỉ chịu được dọc trục Fa , không chịu được lực hướng tâm  Ổ chặn đỡ: chịu lực dọc trục Fa và một ít lực hướng tâm Fr 10 8.1 Khái niệm chung b. Phân loại Theo dạng con lăn  Bi : ổ bi (hình a)  Đũa : +đũa trụ ngắn (hình b) +đũa trụ dài (hình c) +đũa côn (hình d) +đũa hình tang trống (hình e, f) 11 a) b) c) d) e) f) 8.1 Khái niệm chung b. Phân loại Theo số dãy con lăn 12 Ổ một dãy Ổ hai dãy Ổ bốn dãy 8.1 Khái niệm chung b. Phân loại Theo cỡ đƣờng kính ngoài Với cùng đường kính trong chia ra các loại cỡ siêu nhẹ, đặc biệt nhẹ, nhẹ, nhẹ rộng, trung, trung rộng, nặng Ngoài ra còn phân ổ thành hai loại Ổ tự lựa và ổ không tự lựa 13 8.1 Khái niệm chung b. Phân loại Ngoài ra còn phân ổ thành hai loại Ổ tự lựa và ổ không tự lựa 14 8.2 Một số ổ lăn thông dụng Ký hiệu 15 Ổ bi đỡ một dãy (Deep groove ball bearings)  Cho phép trục nghiêng  Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ  Khả năng chịu va đập kém 16 Four-point bearings 17 18 Ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy (Self-aligning ball bearings)  Thích hợp với trục truyền chung có nhiều ổ trục hoặc khó đảm bảo lắp đồng tâm 19 20 Barrel roller bearings 21 Spherical roller bearings 22 Ổ đũa trụ ngắn đỡ một dãy (Cylindrical roller bearings, single row)  Chịu tải hướng tâm lớn  Chịu va đập tốt  Không chịu lực dọc trục  Đắt hơn ổ bi đỡ một dãy 23 24 Ổ bi đỡ chặn một dãy (Angular contact ball bearings, single row) 25 Angular contact ball bearings, double row 26 Ổ kim (Needle roller bearings)  Dùng ở chỗ có yêu cầu kích thước hướng kính hạn chế 27 Ổ đũa đỡ chặn (Tapered roller bearings)  Dễ tháo lắp  Dễ điều chỉnh khe hở để bù lượng mòn 28 29 Ổ bi chặn (Thrust ball bearings) 30 Angular contact thrust ball bearings 31 Ổ đũa chặn (Cylindrical roller thrust bearings) 32 Spherical roller thrust bearings 33 Ký hiệu ổ lăn  Theo TCVN 3776-83 ổ lăn được ký hiệu bởi 4 chữ số : ví dụ 7204  Hai chữ số cuối cùng biểu thị đường kính trong của ổ (mm) Đường kính trong của ổ 10 12 15 17 20 Ký hiệu 00 01 02 03 04  Từ 04 , mỗi giá trị cách nhau 5 mm  Số thứ 3 từ phải sang biểu thị cỡ ổ 1-> 9 ví dụ 2 là cỡ nhẹ  Số thứ 4 từ phải sang biểu thị loại ổ . Ví dụ 7 là loại ổ đũa côn 34 8.3 Cơ sở tính toán ổ lăn 1. Sự phân bố tải trọng trên các con lăn 2. Ứng suất và chu kỳ chịu tải 35 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Xét Ổ bi đỡ chỉ chịu lực hướng tâm 36 F r 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 37 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 38  Fr F0 F1 F1 F2 F2 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Phƣơng trình cân bằng lực 39  Fr F0 F1 F1 F2 F2  ncosF2...cosF2FF n10r 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Phƣơng trình về quan hệ biến dạng 40  Fr F0 F1 F1 F2 F2 3/1 21 2 21 2 R 1 R 1 E 1 E 1 F775.0                      j ii CF C : hằng số phụ thuộc vật liệu và dạng tiếp xúc j : số mũ, phụ thuộc dạng tiếp xúc tiếp xúc điểm (con lăn là bi) j = 2/3 tiếp xúc đường (con lăn côn) j = 1 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Giả thiết: - Ổ không có khe hở hướng tâm - Các vòng ổ giữ nguyên dạng tròn 41 0 1  8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn  Phƣơng trình về quan hệ biến dạng 42  o 1 0 1   cos01  2cos02  icos0i 8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 43 Trường hợp tiếp xúc điểm (ổ bi) z kF F r0  với     n 1i 2/5 icos21 z k z = 10; 15; 20 tính được k = 4.38; 4.37;4.36 Trong thực tế các giả thiết không được thỏa mãn, do đó z 5F F r0  Trường hợp tiếp xúc đường (ổ đũa) z 4.5F F r0  8.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Nhận xét  Sự phân bố tải trọng phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo  Càng nhiều con lăn thì có khả năng chịu tải hướng tâm lớn 44 45 8.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải 46 Công thức Hertz 3 2 2 0 maxH EF 38.0   Tại điểm A A2A1A 111      Tại điểm B B1A1B 111      Do đó ta có A < B HA > HB dẫn đến vòng trong nhanh hỏng hơn vòng ngoài Fo A B 8.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải 47 t t   Hmax Hmax 8.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải Nhận xét  Vòng quay có số chu kỳ chịu tải nhỏ hơn vòng đứng yên  Vòng trong chịu ứng suất lớn hơn vòng ngoài => nên để vòng trong quay, vòng ngoài đứng yên 48 8.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn 1. Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 2. Khả năng tải động của ổ lăn 49 50 51 52 53  Mòn 54  Biến dạng 55 8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn  Dưới tác động của ứng suất thay đổi theo chu kỳ nên dạng hỏng chủ yếu là hỏng vì mỏi.  Phƣơng trình đƣờng cong mỏi +H ứng suất tiếp xúc của con lăn, tỷ lệ với tải trọng Q +N số chu kỳ chịu tải, tỷ lệ với tuổi thọ của con lăn L (triệu vòng quay) 56 constNH m H  8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn  => QmL = const +m = 3 đối với ổ bi +m =10/3 đối với ổ đũa • Thực nghiệm có thể xác định tải trọng không đổi ứng với tuổi thọ L = 1 triệu vòng quay QmL = const = Cm C : khả năng tải động của ổ lăn 57 constNH m H  8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn • Khả năng tải động là tải trọng tĩnh do ổ tiếp nhận mà không ít hơn 90% số ổ cùng loại, cùng kích thước lấy làm thí nghiệm chưa xuất hiện các dấu hiệu tróc mỏi sau tối thiểu 1 triệu chu kỳ. 58 8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn QmL = const Q: tải trọng tương đương • Tải trọng tƣơng đƣơng đối với ổ lăn đỡ và đỡ chặn là tải trọng hướng tâm không đổi Q, dưới tác dụng của tải trọng này ổ lăn có tuổi thọ bằng với tuổi thọ của ổ làm việc trong điều kiện chịu tải thực. • Với ổ lăn chặn và chặn đỡ, là tải trọng dọc trục không đổi 59 8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn Tải trọng tƣơng đƣơng – Ổ đỡ và đỡ chặn Q = (XVFr + YFa)KđKt – Ổ chặn đỡ Q = (XFr + YFa)KđKt – Ổ chặn Q = FaKđKt – Ổ trụ ngắn đỡ Q = VFrKđKt 60 8.4.2 Khả năng tải động của ổ lăn  Ý nghĩa của các hệ số – V hệ số kể đến ảnh hưởng của vòng nào quay, khi vòng trong quay V = 1, vòng ngoài quay V = 1.2 – Kđ hệ số kể đến ảnh hưởng của đặc tính tải trọng – Kt hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ. Kt = 1 khi t  100oC – X, Y yếu tố xét đến ảnh hưởng của tải trọng hướng tâm và dọc trục đến tuổi thọ. Tra bảng 17.1 – i : số dãy con lăn – Fr, Fa lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên ổ 61 8.4.3 Khả năng tải tĩnh của ổ lăn  Khả năng tải tĩnh (C0) là tải trọng tĩnh gây nên tại vùng tiếp xúc chịu tải lớn nhất của con lăn và rãnh lăn biến dạng dư tổng cộng bằng 0.0001 giá trị đường kính con lăn.  C0 được cho trong các bảng ổ lăn, phụ thuộc lại ổ và kích thước ổ.  Điều kiện kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh Q0  C0 Q0 là tải trọng tĩnh tương đương (KN) C0 tra trong bảng 62 8.4.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải động Cđ = Q L 1/m  Q : tải trọng tương đương.  L : tuổi thọ cần thiết (triệu vòng) Trường hợp tuổi thọ tính bằng giờ (Lh) thì L = 60.10-6nLh +n n = 10 +n chọn theo khả năng tải tĩnh 63 8.4.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải động Xác định tải trọng dọc trục tác động lên ổ • Tải trọng dọc trục tác động lên ổ phụ thuộc vào loại ổ, sơ đồ lắp. • Ổ bi đỡ và ổ bi lòng cầu hai dẫy Fa = Fat Fat: ngoại lực tác động dọc trục 64 8.4.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải động  Ổ bi đỡ chặn và ổ đũa côn 65 1 0 Fs0 Fs1 Fr0 Fr1 Fs0 Fr0 Fr1 Fr1 0 1 8.4.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải động  Fs :nội lực dọc trục do lực hướng tâm Fr gây ra +Ổ bi : Fsi = e.Fri +Ổ đũa Fsi = 0.85e.Fri +Chiều của Fs : tác dụng lên ổ đối diện  Giá trị của e: tra bảng 17.1  Tổng lực dọc trục tác động lên ổ Fai = Fsj  Fat +Nếu Fai > Fsi  Fai = Fai +Nếu Fai < Fsi  Fai = Fsi 66 8.4.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải động  Xác định kích thƣớc ổ lăn  Tính Cđ = Q L 1/m  Sau khi xác định được Cđ, dựa vào loại ổ, đường kính ngõng trục, tra bảng chọn loại ổ thoả mãn điều kiện Cđ ≤ Cbảng 67 8.4.5 Các bƣớc chọn ổ lăn 1. Chọn loại ổ và sơ đồ bố trí ổ  Yêu cầu về kết cấu Trục dài, có nhiều gối tựa  dùng ổ tự lựa Trục cần dịch chuyển dọc trục  ổ tùy động  Vận tốc làm việc của ổ Vận tốc cao nên chọn ổ bi thay ổ đũa Đối với trục vít với chiều dài trục > 150 mm 68 69 2. Tính tải trọng tương đương Qi 3. Tính tải trọng động C 4. Chọn kích thước ổ lăn sao cho +dổ = dtrục +C ≤ [Cbảng] Nếu không thỏa mãn : Tăng góc  Ổ bi ko đủ bền -> ổ côn Giảm thời gian làm việc 70 Câu hỏi ôn tập  Các loại ổ lăn và phạm vi sử dụng của chúng.  Nêu ý nghĩa, viết và giải thích công thức tính tải trọng tương đương trong tính toán khả năng tải động của ổ lăn. Trình bày cách xác định tải trọng dọc trục trong ổ đỡ - chặn.  So sánh ưu nhược điểm của ổ lăn so với ổ trượt. Những trường hợp nào dùng ổ trượt tốt hơn ổ lăn. 71 Câu hỏi ôn tập  Các dạng ma sát trong ổ trượt và nguyên lý bôi trơn thuỷ động. Chứng minh rằng trong ổ trượt đỡ có khả năng hình thành chế độ ma sát ướt.  Tính toán ổ trượt bôi trơn ma sát ướt. Nêu các giải pháp khi ổ không đảm bảo chế độ bôi trơn ma sát ướt.  Mục đích và phương pháp tính ổ trượt bôi trơn ma sát ướt theo áp suất p và tích số pv. 72