Tính toán khả năng chịu tải của truyền động đai răng TS. Trần vĩnh hng Bộ môn Thiết kế máy Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Ngy nay nhờ sự truyền động đai răng đợc ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật. Để có một bộ truyền động đạt yêu cầu kỹ thuật, cần phải tính toán khả năng chịu tải của nó. Cho đến nay các phơng pháp tính toán vẫn cha đợc thống nhất. Bi báo đa ra một phơng pháp tính toán kết hợp đợc tính hợp lý v khoa học của phơng pháp khác. Summary: Today, gear transmission is widely applied in technical fields. Loading capacity should be carefully calculated for a gear transmission which satisfies technical requirements. Up to now, methods of calculation have still been under disscussion associated with characteristic features of other methods. i. mở đầu Ngày nay nhờ sự phát triển của khoa học vật liệu, chất lợng chế tạo dây đai răng không ngừng tăng lên. Do chức năng và lợi ích về kinh tế nên bộ truyền động đai răng đợc sử dụng rất rộng rãi [1]. Truyền động đai răng kết hợp đợc những u điểm của truyền động xích và truyền động đai. Đó là chịu đợc tải trọng lớn, không ồn, độ chính xác truyền động góc quay cao, vận tốc lớn và không phải bảo dỡng. Với phạm vi sử dụng rộng lớn của truyền động đai răng, đòi hỏi dây đai răng phải có chất lợng cao và kích thớc hình học tối u. Vì vậy phải có những tính toán thiết kế lựa chọn các loại dây đai, bớc dây đai và bề rộng cần thiết để thoả mãn các điều kiện truyền động của bộ truyền đai răng. Cho đến nay vẫn cha có những tiêu chuẩn chung của các nhà sản xuất để tính toán khả năng chịu tải của truyền động đai răng. ii. khả năng chịu tải 2.1. Lựa chọn loại và bớc răng dây đai Đối với các nhà thiết kế, hiện nay có hai loại dây đai để lựa chọn, loại dây đai răng hình thang đợc chế tạo từ chất dẻo Polyurethan với lõi chịu kéo là các sợi thép xoắn, loại dây đai răng đợc chế tạo từ cao su Neoprene với lõi chịu kéo là các sợi thuỷ tinh. Về biên dạng răng, phổ biến nhất là biên dạng răng hình thang do khả năng chịu tải lớn. Việc lựa chọn loại dây đai phụ thuộc vào điều kiện sử dụng (đợc chỉ dẫn theo bảng 1) và chất lợng sản phẩm (giá và dịch vụ sau khi bán hàng của nhà sản xuất). Bảng 1. Những tính chất cơ bản của các loại dây đai răng Loại dây đai Tính chất Đai răng PUR với lõi chịu kéo là các sợi thép xoắn (Biên dạng răng hình thang) - Lõi chịu kéo có độ bền kéo đứt cao - Lõi chịu kéo có độ biến dạng thấp - Dới tác dụng của tải trọng, bớc răng tăng lên chủ yếu trên góc ôm - Lõi có khả năng bị rỉ khi gặp môi trờng ăn mòn - Cần thiết bôi trơn Đai răng Neoprene với lõi chịu kéo là các sợi thuỷ tinh (Biên dạng răng hình thang) - Chỉ đợc phép dùng loại dầu bôi trơn thích hợp với cao su Neoprene - Khi ứng suất ban đầu lớn không thích hợp cho bánh đai răng quá nhỏ - Dới tác dụng của tải trọng, bớc răng tăng lên chủ yếu là do biến dạng dài của lõi chịu kéo Đai răng Neoprene với lõi chịu kéo là các sợi thuỷ tinh (Biên dạng răng - HTD) [4] - Tính chất giống nh đai răng Neoprene biên dạng răng hình thang, nhng chỉ dùng cho những truyền động có công suất lớn Trong tài liệu chỉ dẫn của nhà sản xuất dây đai răng Neoprene, (ví dụ [5]), việc lựa chọn bớc răng cha hợp lý mà chỉ thích hợp với việc lựa chọn bề rộng dây đai và cha quan tâm đến những nguyên tắc đánh giá ảnh hởng của số răng ăn khớp với khả năng truyền lực vòng. Việc chọn công suất theo điều kiện giới hạn [6] đối với loại dây đai chất dẻo PUR cũng nh loại dây đai cao su Neoprene theo hãng Mulco(BRD) là nh nhau, bởi vì cả hai loại dây đai răng đó lực vòng đều phụ thuộc vào số răng ăn khớp [7]. Bảng 2 là sự lựa chọn bớc răng chung cho cả hai loại dây đai răng Polyurethan và Neoprene. Bảng 2. Lựa chọn bớc răng (theo [6]) Bớc Khoảng 2mm Khoảng 5mm Khoảng 10mm Khoảng 20mm Ví dụ loại T 2,5 T 5; XL T10; L;H HTD 8mm T 20; XH; XXH HTD 14mm Công suất kw đến 0,2 đến 2 đến 20 trên 20 Số vòng quay vòng/phút đến 40.000 đến 40.000 đến 15.000 đến 6.000 Tốc độ m/giây đến 80 đến 80 đến 60 đến 40 10 ữ 35 10 ữ 40 12 ữ 45 14 Số răng của bánh đai bé để chống bị uốn ví dụ có bánh căng đai thì số răng nhỏ nhất phải lớn hơn 50% Ví dụ ứng dụng cho bộ truyền nhỏ máy móc văn phòng, Rôbốt máy công cụ, máy dệt và các máy công nghệ khác máy xây dựng, máy nông nghiệp, ô tô và những máy có công suất lớn. 2.2 Tính toán bề rộng dây đai Cho đến nay, chọn bề rộng dây đai cho loại dây đai PUR khác với loại dây đai Neoprene. Những chỉ dẫn lựa chọn bớc răng, những quy định về tính toán khả năng truyền lực vòng đối với loại dây đai Neoprene sẽ không hợp lý nếu không xét đến số răng ăn khớp, hoặc lực vòng cho phép và số vòng quay. Các chỉ dẫn của hãng Mulco [6] đối với loại dây đai PUR nói chung là hợp lý vì khả năng truyền lực vòng phải phụ thuộc vào số răng ăn khớp. Khi số răng ăn khớp đến một giới hạn nào đó thì khả năng truyền lực vòng cũng đến một giá trị nhất định, lúc ấy ta phải để ý đến độ bền của lõi chịu kéo. Phơng pháp tính toán không những đúng cho loại dây đai PUR mà còn đúng cho loại dây đai Neoprene, bởi vì khả năng chịu tải của hai loại dây đai răng này khác nhau rất ít [7]. Vì vậy những chỉ dẫn trong bảng 3 là cho cả hai loại dây đai răng PUR và Neoprene. Bảng 3. Giá trị về lực vòng cho phép F 1 (đơn vị N) trên một đơn vị mm bề rộng dây đai, tơng ứng với một răng ăn khớp của bánh đai nhỏ Loại dây đai F 1 N/mm một răng ăn khớp PUR và Neoprene bớc răng từ (2,0 ữ 2,5)mm 0,8 PUR-T 5; Neoprene-XL 1,5 PUR với bớc răng đặc biệt từ khoảng 7,5 mm; Neoprene-L 2,2 PUR-T10; Neoprene H; HTD-8mm 3,0 PUR-AT10 4,0 PUR-T20; Neoprene-XH; HTD-14mm 6,0 Neoprene-XXH 9,0 Hớng dẫn sử dụng bảng 3: - Lựa chọn giá trị lực vòng cho phép cần phải để ý khả năng chịu kéo hai bên mép của dây đai là không có. Bề rộng hai bên mép đợc tính khoảng 0,15 x bớc của dây đai. Giá trị này đợc cộng thêm vào bề rộng của dây đai khi tính toán. - Khi số răng ăn khớp lớn thì việc tính toán lực vòng cho phép phải so sánh với độ bền của lõi chịu kéo. - Khi số vòng quay lớn hơn 100 vòng/phút thì phải tính đến việc cờng độ mài mòn tăng lên làm giảm khả năng chịu lực vòng của dây đai. - Lựa chọn giá trị lực vòng cho phép cha tính đến hệ số an toàn. Nó phụ thuộc vào điều kiện sử dụng. Nếu tính đến tải trọng và thời gian sử dụng thì hệ số an toàn khoảng từ 1,0 đến 2,5. Tải trọng va đập trong thời gian dài, chọn hệ số an toàn 2,5. Nếu bộ truyền làm việc với tải trọng ổn định, chọn hệ số an toàn 1,0. Ngoài ra cần phải chú ý, nếu bề rộng dây đai lớn giá thành sẽ cao, kích thớc lớn sẽ làm giảm hiệu suất truyền động. Qua các chỉ dẫn ở bảng 3, khả năng truyền lực vòng đợc tính theo công thức sau: F u = F 1 . (b b 0,3p). Z e .K. D S 1 (1) trong đó: b b : Bề rộng dây đai: mm p: Bớc của dây đai răng: mm Z e : Số răng ăn khớp của bánh nhỏ K: Hệ số suy giảm theo hình 1 S D : Hệ số an toàn 100 500 1000 5000 20000 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 K U/min V/phút Hình 1. Hệ số suy giảm tơng ứng với số vòng quay Từ công thức (1) ta tính đợc bề rộng dây đai cần thiết: b b = .K.ZF .SF e 1 DU + 0,3 P (2) Nếu tính theo công suất truyền động ta sẽ có: b b = .K e .v.ZF P.S 1 D + 0,3 P (3) trong đó: - P: Công suất - v là vận tốc dây đai: m/s Khi lựa chọn bề rộng của đai răng cũng phải lu ý đến các bề rộng tiêu chuẩn của nhà sản xuất đai răng đa ra. iii. Lực căng dây đai Lực căng dây đai đảm bảo một lực căng tối thiểu trên nhánh bị dẫn, để cho răng của nhánh bị dẫn ăn khớp đúng với răng của bánh đai bị dẫn. Theo các tài liệu hớng dẫn sử dụng, các hãng sản xuất không quan tâm đến mối quan hệ giữa kích thớc dây đai và lực căng cần thiết. Những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng độ dài của dây đai có ảnh hởng rất lớn đến lực tác dụng lên nhánh dẫn và nhánh bị dẫn. Mối quan hệ cần thiết giữa lực căng dây đai và lực vòng không thể tính toán đợc từ tính chất đàn hồi của dây đai. Mối quan hệ đó chỉ nhận đợc từ các kết quả thực nghiệm: F V = 100 Z b . F U (4) trong đó: F V : Lực căng dây đai, đơn vị: N F U : Lực vòng, đơn vị: N Z b : Số răng của dây đai Nếu không biết đợc lực vòng một cách chính xác và bề rộng dây đai đợc xác định bằng thực nghiệm thì lực căng dây đai có thể đợc xác định qua lực vòng cho phép của bộ truyền động. Đo và kiểm tra lực căng có thể thông qua độ uốn của dây đai theo hình vẽ 2. F e Hình 2. Đo lực căng dây đai răng F: Lực kiểm tra e: Độ võng Trong rất nhiều trờng hợp nếu tải trọng không đều, ví dụ nh khi lực khởi động lớn hoặc bị phanh tức thời, sẽ xuất hiện lực va đập trong thời gian ngắn. Trong những trờng hợp nh vậy, để đảm bảo cho sự ăn khớp đúng, cần phải thực hiện một số biện pháp sau đây: - Xác định độ lớn của lực căng đai tơng ứng với độ lớn của mức chịu tải tối đa. - Sử dụng cơ cấu căng dây đai ở nhánh bị dẫn (bảng 4, ví dụ 5) hoặc con lăn trên các nhánh khi thay đổi hớng quay hoặc hớng tải trọng. - Sử dụng con lăn cố định đặt ở vị trí vào khớp của nhánh bị dẫn. Trong bảng 4 minh hoạ các khả năng thực hiện lực căng cần thiết. Bảng 4. Các phơng pháp điều chỉnh lực căng Các phơng pháp Sơ đồ nguyên lý Giải thích 1. Cố định khoảng cách trục Dây đai răng có sai số sẽ gây ra sự thay đổi lớn của lực căng dây đai 2. Khoảng cách trục có thể điều chỉnh Yêu cầu dịch chuyển ít và đảm bảo an toàn cho ổ trục 3. Căng dây đai bên ngoài (con lăn trụ trơn) Góc ôm đợc tăng lên; do hớng chịu uốn luôn thay đổi, nên số răng tối thiểu của bánh đai răng nhỏ phải tăng lên 50% (bảng 2); đờng kính con lăn bằng đờng kính bánh đai răng nhỏ 4. Căng dây đai bên trong (con lăn trụ trơn hoặc bánh răng) Góc ôm bị giảm đi; đờng kính của con lăn phải lớn hơn hai lần đờng kính bánh đai răng nhỏ khi sử dụng con lăn là trụ trơn; khi sử dụng con lăn là bánh răng, thì đờng kính con lăn và bánh đai răng nhỏ bằng nhau. 5. Căng dây đai bằng lò xo kéo, nén a) b) Nhánh bị dẫn Thích hợp cho truyền động cần dừng nhanh; lực nén lò xo tạo ra lực căng ở nhánh bị dẫn bằng lực căng ban đầu của dây đai. Khi bộ truyền động thay đổi chiều quay nên dùng con lăn ở cả hai nhánh dây đai. 6. Sử dụng con lăn ép trên bánh dẫn ở nhánh đai bị dẫn. Nhánh bị dẫn Mức chịu tải tối đa cần phải ổn định lực căng; có vai trò rất cần thiết khi tải trọng hoặc vận tốc góc thay đổi. iv. Bôi trơn Đai răng loại cao su Neoprene không cần thiết phải bôi trơn, tốt nhất là tránh tiếp xúc với chất bôi trơn, bởi vì nó không thích hợp đợc với các loại dầu bôi trơn hiện nay. Đối với đai răng PUR yêu cầu bôi trơn nhẹ. Vật liệu bôi trơn phải phù hợp với vật liệu bánh đai, ví dụ mỡ bôi trơn vòng bi phù hợp bánh đai đợc chế tạo từ thép Molipden, còn các loại vật liệu khác là không phù hợp. v. Kết luận Các chỉ dẫn tính toán khả năng chịu tải của truyền động đai răng trong các tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất rất khác nhau. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc tính toán và lựa chọn loại dây đai, bớc và bề rộng dây đai vẫn cha đi đến thống nhất cũng nh việc xác định sức căng có để ý đến tính đàn hồi của dây đai, kích thớc hình học của bộ truyền và sự thích hợp của lực vòng. Tổ hợp vật liệu và chất bôi trơn cũng là yếu tố căn bản đối với khả năng chịu tải của truyền động đai răng. Tài liệu tham khảo [1]. Krause, W; Metzner,D. Anwendung von Zahnriemengetrieben. Maschinenbautechnik, Berlin 27. [2]. Trần Vĩnh Hng. Độ chính xác kích thớc của bánh đai răng. Tạp chí khoa học Giao thông vận tải - số 8 2004. [3]. Trần Vĩnh Hng. Tính chất bộ truyền động bánh đai răng. Tạp chí khoa học Giao thông vận tải - số 7 - 2004. [4]. Metzner,D; Urban sky, W. Entwicklungsstand bei Zahnriemengetrieben. Feingeritetechnick, Berlin 31. [5]. Power Grip. Berechnungsunterlagen. Firma Uniroyal BRD. [6]. Synchroflex - Zahnriemen. Firma Mulco BRD. [7]. Metzner, D. Scheibengeometrieben und Verschleiverhaltenvon. Zahnriemengetrieben. Diss. TU. Dresden . kiện truyền động của bộ truyền đai răng. Cho đến nay vẫn cha có những tiêu chuẩn chung của các nhà sản xuất để tính toán khả năng chịu tải của truyền động đai răng. ii. khả năng chịu tải 2.1 Tính toán khả năng chịu tải của truyền động đai răng TS. Trần vĩnh hng Bộ môn Thiết kế máy Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Ngy nay nhờ sự truyền động đai răng đợc ứng. điểm của truyền động xích và truyền động đai. Đó là chịu đợc tải trọng lớn, không ồn, độ chính xác truyền động góc quay cao, vận tốc lớn và không phải bảo dỡng. Với phạm vi sử dụng rộng lớn của