Truyền động cơ khí – truyền động bánh ma sát

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 momen 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). Hình 1.1. Truyền động bằng ma sát + 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 vit – đai ốc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. _ Sử dụng các bộ truyền làm khâu nối giữa động cơ với các bộ phận làm việc của máy liên quan đến việc giải quyết những nhiệm vụ đặt ra cho máy. + Đối với ô tô, máy vận chuyển, khi khởi động cần mômen xoắn lớn, khi chuyển động đòi hỏi vận tốc có giá trị và chiều thay đổi, thì bản thân động cơ không thể đáp ứng được vì động cơ có thể làm việc ổn định trong phạm vi thay đổi hẹp của vận tốc và mô men. + Đa số các thiết bị công nghệ, vận tốc của bộ phận công tác thường thấp hơn vận tốc hợp lý của động cơ điện tiêu chuẩn ( nếu dùng động cơ có tốc độ chậm, kích thước sẽ lớn giá thành đắt ) nhiều khi chỉ dùng một động cơ để dẫn động nhiều bộ phận làm việc với vận tốc khác nhau … Từ những nhận định trên, ta thấy việc hoàn thiện và phát triển các bộ truyền được đặt biệt quan tâm để mở rộng giới hạn truyền công suất, vận tốc, giảm khối lượng và kích thước, tăng tuổi thọ và độ tin cậy làm việc của chúng . 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 ; P(N) : lực vòng ; V(m/s) : vận tốc. + Hiệu suất ; với Nm : công suất tiêu hao + 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) + Tỉ số truyền i : ; i > 1 : giảm tốc; i < 1 : tăng tốc + Mômen xoắn M (N.mm): ; Ta có M2 = M1.i.h 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 h = h1.h2.h3 … với i1 , i2 , i3 và h1 , h2 , h3 là tỉ số truyền và hiệu suất của từng cặp chi tiết truyền động. Bảng1. Phạm vi sử dụng của từng loại bộ truyền Các thông số cơ bản Loại truyền động Tỉ số truyền Vận tốc tiếp tuyến (m/s) Công suất (kw) Hiệu suất (%) 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 Phần B – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc P Q S1 S1, n1 const Hình 2.1 Truyền động bánh ma sát truyền chuyển động và cơ năng nhờ ma sát sinh ra tại chỗ 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) S2, n2 var S2 2.1.2 Phân loại - Theo hình thức tiếp xúc, truyền động bánh ma sát được chia làm hai loại là bộ truyền tiếp xúc ngoài và bộ truyền tiếp xúc trong. - Theo khả năng điều chỉnh tỉ số truyền, người ta chia ra bộ truyền không điều chỉnh được tỷ số truyền (hình 2.1a, b) hay 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 Bánh ma sát có cấu tạo đơn giản; làm việc êm, có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ. b. Nhược điểm _ Lực tác dụng lên trục và ổ 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 _ Truyền động bánh ma sát thường 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, dụng cụ đo, các thiết bị cần trục v.v… 2.2 Cơ học truyền động bánh ma sát 2.2.1 Hiện tượng trượt trong truyền động bánh ma sát Trượt là nguyên nhân gây mòn, giảm hiệu suất, làm cho tỉ số truyền không ổn định. Có ba dạng: trượt hình học, trượt đàn hồi và trượt trơn. a. Trượt hình học _ Vận tốc vòng trên của bề mặt làm việc của con lăn 1 là hằng số trên suốt chiều rộng của nó và bằng v1. Trong khi đó, vận tốc v2 tại những điểm tiếp xúc khác nhau của đĩa 2 thay đổi tỉ lệ với khoảng cách từ những điểm này đến tâm đĩa (v2 = v2max tại mép đĩa 2). Như vậy, với kết cấu đang xét, lăn thuần túy (v1 = v2) chỉ xảy ra tại điểm P nằm trên đường tiếp xúc. Điểm P gọi là tâm lăn được xác định theo đường kính d2 sao cho n1/ n2 = d2/d1. Ở tất cả điểm còn lại trên đường tiếp xúc, đều trượt với vận tốc trượt vt = v1-v2. _ Khi chịu moment ngoài M1, tâm lăn P không nằm chính giữa đường tiếp xúc mà dịch chuyển một khoảng ∆. Trị số ∆ có thể xác định theo: ∆= T1.b/(f.Fe.d1) T1: momen xoắn trên bánh 1. b: chiều rộng bánh 1. f : hệ số ma sát. Fe : lực ép. d1: đường kính bánh 1. Đồng thời xác định được trị số lớn nhất của vận tốc trượt vt = (2v1/d1).(b/2 +∆) = π.n1 (b/2 + ∆)/ (30u) Như vậy, trượt hình học xuất hiện trên diện tích tiếp xúc dọc theo đường sinh của bánh ma sát và phụ thuộc vào hình dạng bánh ma sát và 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 Hình 2.3 _ Trượt đàn hồi xảy ra do biến dạng đàn hồi tại vùng tiếp xúc của các bánh ma sát theo phương tiếp tuyến. Trong bất kỳ bộ truyền ma sát nào khi làm việc đều có trượt đàn hồi. _ 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 ra khỏi điểm 3 thì bị dãn (hình 2.3). Ngược lại các phân tố bề mặt bánh bị động thì bị dãn ra khi vào điểm 1 và bị nén chùn lại khi ra khỏi điểm 3. Thực ra sự thay đổi biến dạng (từ nén sang dãn và 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 không đều nhau của các phân tố trên bề mặt các bánh ma sát ở cung 2 – 3 gây nên sự trượt. Hiện tượng trượt này gọi là hiện tượng trượt đàn hồi, xảy ra do tính chất đàn hồi của vật liệu bánh ma sát. Cung 2 – 3 gọi là cung trượt (hợp lực ma sát trên cung 2 – 3 cân bằng với lực vòng). 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. _ Chú ý không nên dùng hiện tượng trượt trơn trong bộ truyền ma sát để ngăn ngừa quá tải vì như vậy sẽ làm hỏng bộ truyền. 2.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền a. Truyền động bánh ma sát trụ Gọi v1, v2 lần lượt là vận tốc vòng của bánh dẫn đường kính D1 và bánh bị dẫn đường kính D2 ,ta có: và (2-1) Vì có hiện tượng trượt nên v2 < v1. Gọi ξ là hệ số trượt; ta có v2 = (1 – ξ).v1 Vậy: tỷ số truyền với (hệ số trượt ξ = 1 ÷ 3%). Hình 2.4 b. Truyền động bánh ma sát nón Gọi D1 và D2 là đường kính trung bình của các bánh ma sát nón dẫn 1 và bị dẫn 2. Ta có: Tỷ số truyền mà D1 = 2(L – 0,5b)sinφ1 (2-2a) D2 = 2(L – 0,5b)sinφ2 (2-2b) Suy ra : (2-3) với L : chiều dài đường sinh côn (mm) b : chiều dài tiếp xúc đo dọc theo đường sinh của bánh ma sát côn (mm) φ1 và φ2 : góc côn bánh 1 và 2 (độ) Hình 2.5 c.Bộ biến tốc mặt đĩa con lăn Gọi R1 bán kính của con lăn. Bán kính làm việc của mặt đĩa thay đổi trong khoảng Rmin ÷ Rmax, nên số vòng quay trong một phút của đĩa này cũng thay đổi trong khoảng nmax ÷ nmin. Ta có tỷ số truyền : Khoảng điều chỉnh tốc độ ; Thông thường hạn chế D ≤ 3. 2.2.3 Lực ép trong bộ truyền bánh ma sát Để hình thành ma sát ở vùng tiếp xúc giữa các bánh ma sát, người ta phải ép các bánh ma sát lại với nhau. Để xác định lực ép trước hết ta phải tính lực pháp tuyến cần thiết (hình 2.6). a. Lực pháp tuyến cần thiết (Q) Điều kiện để bộ truyền bánh ma sát không bị trượt là: Fms ≥ P Fms = f. Q với P: lực vòng f : hệ số ma sát Q : là lực pháp tuyến (N) Để an toàn lấy : Fms = k. P với k : hệ số an toàn (k = 1,25 ÷ 1,5) P : lực vòng (N) Như vậy: Fms = f. Q = k. P (2-4) b. Lực ép cần thiết (S) * Trường hợp bộ truyền bánh ma sát trụ * Trường hợp bộ truyền bánh ma sát nón Có thể ép bánh 1 vào bánh 2 với lực ép S1 hoặc ngược lại với lực ép S2. Dựa vào điều kiện cân bằng ta có: S1 = Q.sinφ1 (2-5a) S2 = Q.sinφ2 (2-5b Nếu bộ truyền giảm tốc: D1 < D2 sin φ1 < sin φ2 è S1 < S2 2.2.4 Lực tác dụng lên trục a. Truyền động bánh ma sát trụ Lực tác dụng vuông góc với trục: với ; suy ra: (2-6) Pr1 P Pr2 P P Pr1 P S2 Pr2 S1 Hình 2.6 b. Truyền động bánh ma sát nón Theo hình vẽ ta có: với : Pr1 = S2 = Q.cosφ1 và Pr2 = S1 = Q .cosφ2 mà Suy ra: và (2-7) 2.3 Tính toán bộ truyền bánh ma sát 2.3.1 Các dạng hư hỏng và chỉ tiêu tính toán _ Dưới tác dụng của lực ép, tại các vùng tiếp xúc của các bánh ma sát sinh ra ứng suất tiếp xúc. Khi các bánh chuyển động, vùng tiếp xúc thay đổi, do đó ứng suất tiếp xúc tại mỗi điểm trên bề mặt làm việc của bánh ma sát cũng thay đổi theo chu kỳ mạch động gián đoạn. _ Nếu bộ truyền được bôi trơn đầy đủ, bề mặt hỏng chủ yếu do tróc rỗ vì mỏi. _ Nếu bộ truyền làm việc 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: (2-8) 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 ( ), ta có: mà ; Vậy (2-9) Bán kính cong tương đương Modun đàn hồi tương đương (N/mm2) Thay Q, vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát trụ : (2-10) Đặt là hệ số chiều rộng bánh ma sát (ψA = 0,2÷0,4 ) Thay b = ψA. A vào CT kiểm nghiệm và biến đổi ta có công thức thiết kế (2-11) 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 [σ]tx : ứng suất tiếp xúc cho phép (N/mm2) 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 Hình 2.7 Lưu ý: Bán kính cong tương đương: Lực pháp tuyến với n1 = i. n2; mà: Do đó : => Thay các giá trị Q, ρ vào công thức Hezt, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát nón: (2-12) Đặt , (ψL = 0,20 ÷ 0,25) ψL : hệ số chiều rộng bánh ma sát nón. Vậy ψL. L = b thay b vào công thức ( ) ta có: (2-13) 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: (2-14) với [qn] (N/mm) : cường độ lực pháp tuyến cho phép, tra bảng trong sổ tay. + Tếchtôlít với thép hoặc gang, lấy [qn] = (40 ÷ 80) N/mm, + Phíp với thép hoặc gang, lấy [qn] = (35÷ 40) N/mm, + Da với gang, lấy [qn] = (15 ÷ 25) N/mm, + Gỗ với gang, lấy [qn] = (2,5 ÷ 5) N/mm. 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 thép tôi có HRC ≥ 60 có thể lấy [σ]tx = 800 ÷ 1200 N/mm2 khi tiếp xúc ban đầu theo đường; chọn [σ]tx = 2500 N/mm2 khi tiếp xúc ban đầu theo điểm. Đối với têctôlit, khi tiếp xúc ban đầu theo đường, có thể lấy [σ]tx = 80 ÷ 100N/mm2. 2.5 Bài tập ứng dụng