Truyền động trục vít

Chương 6 TRUYỀN ĐỘNG TRỤC VÍT 1. Khái niệm chung 1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ truyền trục vít a. Cấu tạo _ Cấu tạo bộ truyền động trục vít gồm: trục vít 1 và bánh vít 2, thường hai trục chéo nhau một góc bằng 900. Hình 6-1 1 2 _ Trục vít có cấu tạo như một trục ren (các đường ren này cũng có thể gọi là răng của trục vít), thường làm bằng thép. _ Bánh vít: giống như một bánh răng nghiêng, nhưng có dạng răng khác (hình 6.1, 6.2), thường làm bằng hợp kim màu. b. Nguyên lý làm việc _ Truyền động trục vít thuộc loại truyền động bánh răng đặc biệt dùng để truyền chuyển động quay và công suất giữa hai trục chéo nhau, góc giữa hai trục thường là 900. 1.2 Phân loại _ Theo hình dạng ren trục vít: trục vít Asimet, trục vít Convôlut, trục vít thân khai ... + Trục vít Asimet (hình 6.2a) có cạnh ren thẳng trong mặt cắt dọc, được chế tạo trên máy tiện thông thường, mặt ren không mài do đó thường được dùng trong các bộ truyền có yêu cầu độ rắn trục vít nhỏ hơn 350 HB. + Trục vít Convôlut (hình 6.2b) có cạnh ren thẳng trong mặt cắt pháp tuyến với mặt trụ cơ sở. + Trục vít thân khai (hình 6.2c) có cạnh ren thẳng trong mặt cắt tiếp tuyến với mặt trụ cơ sở. Trục vít thân khai có thể mài bằng đá mài dẹt, sử dùng khi yêu cầu độ rắn trục vít lớn hơn 45 HRC. _ Theo hình dáng của trục vít : + Trục vít trụ + Trục vít lõm (Glôbôit) Hình 6.2 Trong chương này, chủ yếu trình bày bộ truyền trục vít trụ có dạng ren Asimét. Các loại khác được trình bày trong giáo trình riêng về bộ truyền trục vít. 1.3 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng a. Ưu điểm _ Tỷ số truyền lớn; _ Làm việc êm và không ồn; _ Có khả năng tự hãm. b. Nhược điểm _ Hiệu suất thấp, sinh nhiệt nhiều. _ Vật liệu chế tạo bánh vít bằng kim loại màu để giảm ma sát nên đắt tiền. c. Phạm vi ứng dụng _ Công suất truyền nhỏ và trung bình _ Tỷ số truyền : _ Có khả năng tự hãm nên thường sử dụng trong các cơ cấu nâng: trục, tời, … máy cắt kim loại, ôtô … 2. Các thông số hình học chính của bộ truyền trục vít Ascimet _ Môđun : m = (mm), _ t: bước ren trục vít bằng bước răng bánh vít . _ Góc tiết diện của ren : () _ Hệ số đường kính q (môđun m và hệ số đường kính q đều được tiêu chuẩn hóa) _ Bước của đường xoắn ốc : s _ Số mối ren của trục vít :. Ta có : _ Số răng bánh vít : _ Đường kính mặt trụ lăn : (Trường hợp không dịch chỉnh). _ Để hạn chế số dao gia công bánh vít, người ta tiêu chuẩn hóa các giá trị m và q đi đôi với nhau (tiêu chuẩn hóa giá trị : được tra trong sách hướng dẫn TK CTM). _ Đường kính vòng lăn bánh vít : _ Góc nâng của ren trục vít : Ta có: Mặt khác _ Đường kính mặt trụ đỉnh ren và mặt trụ đáy ren trục vít: ; _ Đường kính vòng đỉnh răng và vòng đáy răng bánh vít: ; _ Khoảng cách trục của bộ truyền không dịch chỉnh : 3. Cơ học truyền động trục vít 3.1 Vận tốc vòng (v) _ Vận tốc vòng của trục vít: (m/s) _ Vận tốc vòng của bánh vít: (m/s) Với, d1 _ đường kính vòng lăn trục vít, d1 = mq d2 _ đường kính vòng lăn bánh vít, d2 = m.Z2 Hình 6.3 n1 _ Số vòng quay của trục vít (v/p) n2 _ Số vòng quay của bánh vít (v/p) m _ Môđun mặt đáy của răng (tra bảng) q _ Hệ số đường kính trục (tra bảng) Z2 _ Số răng của bánh vít Vì 3.2 Vận tốc trượt (vt) _ Vì và nên có hiện tượng trượt. Vận tốc trượt : nằm dọc theo phương ren trục vít (hoặc dọc theo phương răng bánh vít). _ Độ lớn: Với : ; ; và _ Do đó : (m/s) _ Vì vt có giá trị lớn nên bộ truyền trục vít có hiệu suất thấp mòn nhanh, dễ bị dính răng. 3.3 Tỷ số truyền (i) Hình 6.4 _ Khi trục vít quay một vòng thì mỗi điểm trên vòng lăn của bánh vít di chuyển được một khoảng s (bước của đường xoắn ốc), nghĩa là bánh vít quay được : (vòng). _ Nếu trong một phút trục vít quay được n1 vòng thì bánh vít quay được n2 = (vòng ) _ Tỷ số truyền : Vì : và nên : .Do z1 có giá trị nhỏ (, còn z2 là một số tùy ý nên tỷ số truyền có trị số lớn _ Nếu biểu thị bước của đường xoắn ốc ren trục vít theo hệ thức : Ta có : 3.4 Hiệu suất (η) Công suất mất mát trong bộ truyền trục vít do: + Ma sát trên ren (tùy thuộc vào trục vít hay bánh vít dẫn động). + Quá trình khuấy dầu. a. Trường hợp trục vít dẫn động _ Hiệu suất : Do khuấy dầu Do khớp ren vít Với, :là góc nâng của ren trục vít ; ; f là hệ số ma sát . _ Khảo sát hàm số cho thấy tăng thì tăng ; khi góc (thực tế chọn góc nâng không quá 250 ) b. Trường hợp bánh vít dẫn động _ Hiệu suất : Do khuấy dầu Do khớp ren vít _ Có thể thấy rằng thì . Đó là điều kiện tự hãm của bộ truyền trục vít . _ Đối với bộ truyền tự hãm, chuyển động không thể truyền từ bánh vít sang trục vít . Lưu ý : Đối với bộ truyền tự hãm, khi trục vít dẫn động hiệu suất thấp . 3.5 Lực tác dụng _ Xem bánh vít như bánh răng nghiêng (với ). Từ đó, ta có thể phân tích lực tác dụng trong bộ truyền trục vít. _ Các lực thành phần : _ Lực toàn phần : 3.6 Tải trọng tính _ Tải trọng tính = K x Tải trọng danh nghĩa. Với, K - Hệ số tải trọng : Kđ a. Hệ số tập trung tải trọng Nguyên nhân chủ yếu gây ra tập trung tải trọng là do trục vít bị võng. Việc xác định hệ số Ktt dựa vào các bảng tra (sách hướng dẫn TK CTM). b. Hệ số tải trọng động Tải trọng động sinh ra do các sai số chế tạo. Các sai số này dẫn đến ăn khớp kém chính xác, vận tốc càng cao thì tải trọng động càng lớn. Nếu (m/s) thì lấy Kđ =1,1 Nếu (m/s) thì lấy Ktt = 4. Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 4.1 Các dạng hỏng 1. Dính Nếu vật liệu làm bánh vít cứng hơn vật liệu làm ren trục vít, khi tải trọng lớn hay vận tốc lớn, các hạt kim loại ở bánh vít bị đứt ra bám chặt vào mặt ren trục vít làm cho mặt ren sần sùi, tiếp xúc giữa ren trục vít với răng bánh vít kém sẽ gây mài mòn nhanh răng bánh vít. Do đó, người ta thường làm bánh vít bằng vật liệu mềm hơn như đồng thanh thiếc, đồng thanh nhôm v.v… 2. Mòn Mòn thường xảy ra ở bánh vít do lắp ghép không chính xác, dầu bôi trơn có cặn bẩn, mặt ren trục vít không đủ nhẵn và bộ truyền hay đóng mở máy. Răng bánh vít mòn nhiều sẽ bị gãy. 3. Tróc rỗ bề mặt Tróc rỗ bề mặt thường xảy ra ở bánh vít bằng đồng thanh thiếc. 4.2 Chỉ tiêu tính toán Căn cứ vào các dạng hư hỏng, chỉ tiêu tính toán truyền động trục vít-bánh vít cần chú ý tới hiện tượng dính và mòn. Để đảm bảo độ tin cậy trong tính toán, hiện nay người ta thường tính bộ truyền trục vít-bánh vít theo ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn. + Với bộ truyền kín, hiện tượng dính, bong tróc bề mặt xảy ra là chính, ta tính theo sức bền tiếp xúc và kiểm nghiệm theo sức bến uốn. + Với bộ truyền hở, hiện tượng mòn dẫn đến gãy xảy ra là chính, ta tính theo sức bền uốn. 5. Tính bền bộ truyền trục vít 5.1 Tính theo sức bền tiếp xúc a. Mục đích và điều kiện tính toán _ Giới hạn ứng suất tiếp xúc trên bánh vít để tránh dạng hỏng dính và một phần hạn chế dạng hỏng mòn. _ Tính lại tâm ăn khớp vì tại đây xảy ra hiện tượng dính . _ Xem bánh vít như bánh răng nghiêng(). Trục vít như thanh răng nghiêng. b. Thiết lập công thức _ Dùng công thức Héc : * Tải trọng riêng q : Ta có : với Pn : Lực pháp tuyến, ltx : Chiều dài tiếp xúc . Với : với và 2d = 100o (góc ôm của bánh vít với trục vít) x = 0,75 ; eS = 2 => * Bán kính cong tương đương: 1 - Trục vít (Tương tự thanh răng dạng thanh răng thẳng) 2 - Bánh vít (Tương tự bánh răng nghiêng : ) * Môđun đàn hồi tương đương : Trong đó : E1 = Ethép = 2,15.105 N/mm2; E2 = Ehợpkim màu = 0,9.105 (N/mm2) _ Thế q, E, vào công thức Héc, lấy ; (l @ 18o) rồi rút gọn, ta được công thức kiểm nghiệm theo sức bền tiếp xúc: _ Thay d1= m.q; d2= m.Z2 vào công thức kiểm nghiệm rồi biến đổi ta được công thức thiết kế sau: Lưu ý :Chọn tích số theo tiêu chuẩn (sách hướng dẫn TK CTM trang 73) sau đó suy ra m và q cho phù hợp. 5.2 Tính theo sức bền uốn a. Mục đích và điều kiện tính _ Tính sức bền uốn cho răng bánh vít để tránh hiện tượng gãy do mỏi. _ Tính như bánh răng nghiêng , bổ sung các đặc điểm sau: * Chiều dài tiếp xúc : + Bánh vít : + Bánh răng nghiêng : Vậy thay “”. * Bánh vít có chân răng cong và chiều dài chân răng ở các tiết diện khác lớn hơn _ Ở tiết diện mặt phẳng chính (hiện tượng dịch chỉnh tự nhiên ). Đặc điểm về dạng răng này khiến sức bền uốn của bánh vít tốt hơn của bánh rănh nghiêng. _ Do đó lấy hệ số dạng răng :ytđ ( ytđ xác định theo ztđ = ) _ Do vận tốc trượt lớn nên răng bánh vít bị mòn nhanh. Nhằm đảm bảo cho răng bánh vít đủ sức bền uốn đến khi bị mòn 20% lấy ứng suất uốn tăng lên gấp 1,5 lần. b. Thiết lập công thức _ Ta sử dụng công thức tính sức bền uốn của bánh răng nghiêng: _ Bổ xung các đặc điểm, suy ra công thức tính ứng suất uốn của răng bánh vít : Thay : ; ; ; ( l 18o) _ Rút gọn ta được công thức kiểm nghiệm sức bền uốn : Lưu ý : Tích số phải chọn theo tiêu chuẩn, từ đó suy ra m và q. 5.3 Tính toán nhiệt a. Mục đích Giới hạn nhiệt độ làm việc của dầu, vì nếu nhiệt độ cao thì độ nhớt của dầu bị giảm dẫn đến mòn răng. b. Thiết lập công thức _ Nhiệt lượng sinh ra trong một giờ: Q1 = 3600.(1- h).N1 (kJ/h) Hay: Q1 = 860.( ).N1 (kcal/h) Trong đó : N1 : Công suất của bộ truyền(kW) _ Nhiệt được thoát qua vách hộp ra ngoài trong một giờ: (kJ/h) Trong đó : kt : Hệ số tỏa nhiệt (kJ/m.g.độ) t và t0 : Nhiệt độ của dầu và của môi trường xung quanh (0C) Ft : Diện tích bề mặt thoát nhiệt (m2) _ Từ điều kiện cân bằng nhiệt Q1 = Q2 ta xác định được nhiệt độ làm việc của dầu: _ Điều kiện tính nhiệt là _ Nếu điều kiện trên không thỏa phải làm nguội nhân tạo: dùng quạt gió, dùng ống dẫn nước làm nguội, dùng dầu chống dính. Lưu ý: Dùng dầu bôi trơn có độ nhớt lớn thì chống dính tốt nhưng công suất mất mát do khuấy dầu lớn và sinh nhiều nhiệt . 6. Vật liệu và ứng suất cho phép 6.1 Vật liệu _ Trục vít Thường dùng loại thép hợp kim 15Cr ,20Cr , 12Cr Ni A … thấm than rồi tôi hoặc thép Cacbon trung bình như C45 …tôi bề mặt hoặc tôi thể tích. _ Bánh vít Vành răng thường dùng bằng hợp kim đồng thanh thiếc, đồng thanh nhôm còn may ơ chế tạo bằng sắt hoặc gang (Vt) 6.2 Ứng suất cho phép Xác định dựa vào điều kiện làm việc và vật liệu. Phải xác định cả ứng suất tiếp xúc cho phép và ứng suất uốn cho phép . 7. Trình tự thiết kế bộ truyền trục vít Dự đoán vận tốc trượt . Chọn vật liệu chế tạo bánh vít, trục vít… Xác định ứng suất cho phép chọn số mối ren Z1, hệ số đường kính q, tính Z2, chọn sơ bộ h Tính khoảng cách trục A, xác định mođun theo công thức .Chọn mođun theo tiêu chuẩn và tính lại khoảng cách trục Kiểm nghiệm vận tốc trượt, hệ số tải trọng tính, hiệu suất kiểm nghiệm ứng suất uốn của bánh vít Xác định kích thước chính của bộ truyền Kiểm nghiệm độ bền thân trục vít theo hệ số an toàn như trong chương trục Tính nhiệt kiểm tra độ cứng trục vít