chương 8 tính toán thiết kế ổ lăn

Chi tiết máy Chương VIII 101 CHƯƠNG 8 Ổ TRỤC 8A. Ổ LĂN 8A.1. KHÁI NIỆM a. Các bộ phận chính của ổ lăn  Cấu tạo ổ lăn gồm vòng ngồi, vòng trong, con lăn. Giữa các con lăn còn có vòng cách  Nhờ có con lăn nên ma sát trong ổ là ma sát lăn. Hệ số ma sát lăn f = 0,0015…0,006  Chế độ bơi trơn khá đơn giản. Kết cấu cho phép chế tạo hàng loạt nên giá thành thấp b. Phân loại  Theo hình dạng con lăn: bi, đũa trụ ngắn, đũa trụ dài, đũa cơn, đũa hình trống đối xứng hoặc khơng đối xứng, đũa kim, đũa xoắn …  Theo khả năng chịu tải trọng: o Ổ đỡ: chỉ chịu tải trọng hướng tâm và một phần lực dọc trục (ổ bi đỡ) hoặc chỉ chịu được tải trọng hướng tâm (ổ đũa trụ ngắn) o Ổ đỡ chặn: chịu tải trọng hướng tâm và dọc trục (ổ bi đỡ chặn, ổ đũa cơn đỡ chặn) o Ổ chặn đỡ: chủ yếu chịu tải trọng dọc trục, đồng thời một phần tải trọng hướng tâm o Ổ chặn: chỉ chịu tải trọng dọc trục  Theo số dãy con lăn: ổ một dãy, ổ hai dãy, ổ bốn dãy…  Theo kích thước ổ: siêu nhẹ, đặc biệt nhẹ, nhẹ, nhẹ rộng, trung, trung rộng, nặng…  Theo khả năng tự lựa: có hoặc khơng có khả năng tự lựa Chi tieát maùy Chương VIII 102 c. Ký hiệu ổ lăn: Ổ lăn được ký hiệu như sau:  Hai số đầu tiên từ bên phải ký hiệu đường kính vòng trong d và có giá trị d/5 nếu d  20mm. Nếu d < 20mm thì ký hiệu như sau: - d = 10mm ký hiệu 00 - d = 12mm ký hiệu 01 - d = 15mm ký hiệu 02 - d = 17mm ký hiệu 03  Chữ thứ 3 từ bên phải ký hiệu cỡ ổ: o 8,9 – siêu nhẹ o 1,7 – đặc biệt nhẹ o 2,5 – nhẹ o 6 – trung o 4 – nặng  Chữ số thứ tư từ phải sang biểu thị loại ổ: o 0 – ổ bi đỡ một dãy o 1 – ổ bi đỡ lồng cầu một dãy o 2 – ổ đũa trụ ngắn đỡ o 3 – ổ đũa lồng cầu hai dãy o 4 – ổ kim o 5 – ổ đũa trụ xoắn o 6 – ổ bi đỡ chặn o 7 – ổ đũa côn o 8 – ổ bi chặn o 9 – ổ đũa chặn  Số thứ 5 và 6 từ bên phải sang biểu thị đặc điểm kết cấu  Số thứ 7 ký hiệu loạt chiều rộng ổ d. Ưu nhược điểm Ưu:  Giá thành thấp do sản xuất hàng loạt  Mất mát công suất do ma sát thấp  Tính lắp lẫn cao, thậun tiện khi sửa chữa  Chăm sóc và bôi trơn đơn giản  So với ổ trượt thì kích thước dọc trục nhỏ hơn Nhược điểm:  Khả năng quay nhanh, chịu va dập kém  Kích thước hướng kính tương đối lớn  Độ tin cậy thấp khi làm việc với vận tốc cao (do ổ bị nóng lên, vỡ vòng cách do lưc ly tâm của con lăn)  Ồn khi làm việc với vận tốc cao Chi tieát maùy Chương VIII 103 8A.2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC Ổ LĂN 8A.2.1. Phân bố lực trên các con lăn Phương trình cân bằng lực:  ncosF2 3cosF22cosF2cosF2FF n3210r (8.1) với : Fi – lực tác dụng lên con lăn thứ i. Max{Fi} = F 0 z 360 0  - góc giữa các con lăn F 2 F 1 F 0 F 1 F 2             Trong phương trình (10.1) thì n < 90 0 vì chỉ có số con lăn dưới chịu tải trọng. Bỏ qua độ uốn vòng trong ổ và giả sử không có khe hở hướng tâm thì điểm tiếp xúc giữa con lăn và ổ sẽ bị biết dạng. Các đại lượng biến dạng có thể xác định theo độ biến dạng lớn nhất  0 như sau:  ncos, ,2cos,cos 0n0201 (8.2)  Giữa độ biến dạng và tải trọng có mối liên hệ sau: - Đối với ổ bi: 3/2 cF - Đối với ổ đũa: cF (8.3) Do đó:  ncosFF, ,2cosFF,cosFF 2/3 0n 2/3 02 2/3 01 (8.4) )ncos2 3cos22cos2cos21( F F 2/52/52/52/5 r 0   (8.5) Mặt khác: 37,4 )ncos2 3cos22cos2cos21( z 2/52/52/52/5   (8.6) nên: z F5 F r 0  (8.7)  Khi tính đến khe hở hướng tâm và độ không chính xác của các chi tiết trong ổ, có thể tính giá trị F 0 như sau: Chi tieát maùy Chương VIII 104 z F5 F r 0  và z ncosF5 F 2/3 r n   (8.8) 8A.2.2. Ứng suất tiếp xúc sinh ra trong các chi tiết ổ:  Khi xác định được các giá trị F 0 , F 1 , F 2 ,…, Fn. Có thể tính toán được ứng suất tiếp xúc tại vi trí tiếp xúc của con lăn như sau: 3 2 2 n H EF 388,0   (8.9) Trong đó: 21 21    ;  1 ,  2 : bán kính cong con lăn và vòng ổ tại điểm tiếp xúc. Vòng trong và con lăn tiếp xúc ngoài: 21 21    . Vòng ngoài ổ và con lăn tiếp trong : 21 21    .Thường ứng suất tiếp xúc giữa vòng trong ổ và con lăn lớn hơn ứng suất tiếp giữa vòng ngoài và con lăn. Do đó, thông thường đối với ổ lăn thì vòng trong là vòng quay 8A.2.3. Động học ổ lăn  Con lăn trong ổ thực hiện chuyển động hành tinh 2 D v 1 1   và 2 v v 1 0  (8.10) Với D 1 – đường kính ngoài vòng trong  Vận tốc góc con lăn góc con lăn quay quanh trục trục của nó: w 1 w 01 w D D5,0 D )vv(2     (8.11)  Vận tốc góc con lăn quay quanh trục lắp ổ (vận tốc vòng cách)     5,0 DD D5,0 D v2 1w 1 pw 0 C (8.12) Hay chính là bằng ½ vận tốc trục  Theo công thức (10.12), vận tốc con lăn phụ thuộc vào đường kính con lăn Dw. khi Dw lớn thì  c nhỏ. Khi gia con con lăn không chính xác thì con lăn lớn làm giảm vận tốc vòng cách, con lăn nhỏ làm tăng vận tốc vòng cách. Giữa con lăn và vòng cách sinh ra áp lực lớn và ma sát, là nguyên nhân phá vỡ vòng cách, mòn con lăn, mát mát công suất trong ổ. Chi tieát maùy Chương VIII 105 8A.2.4. Động lực học ổ lăn  Khi quay con lăn sẽ sinh ra một lực ly tâm tác dụng lên vòng ngoài của ổ: 2 Dm F pw 2 cw c   (8.13) mw – khối lượng con lăn  Vì ứng suất tiếp xúc trên vòng ngoài nhỏ hơn rãnh vòng trong, nên khi làm việc với số vòng quay nhỏ thì lực ly tâm không làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc của ổ. Nhưng khi làm việc với vận tốc cao thì lực ly tâm có ảnh hưởng đáng kể đặc biệt là trên ổ chặn. Khi đó có thể bị kẹt bi, làm tăng sự mài mòn vòng cách. 8A.3. CÁC DẠNG HỎNG VÀ CHỈ TIÊU TÍNH  Các dạng hỏng bao gồm:  Tróc rỗ bề mặt do mỏi: do sự thay đổi ứng suất tiếp xúc, sau một thời gian làm việc, các vết nứt tế vi phát triển thành tróc trên rãnh vòng và trên con lăn  Mòn con lăn và vòng ổ: thường xảy ra với ổ bôi trơn không tốt có các hạt kim loại rơi vào ổ  Vỡ vòng cách: thường xảy ra đối với các ổ quay nhanh  Biến dạng dư bề mặt rãnh vòng và con lăn: xảy ra đối với các ổ của máy chịu tải trọng nặng và quay chậm.  Vỡ vòng ổ và con lăn: do tải trọng rung và va đập, do lắp ráp và vận hành không đúng, do kẹt con lăn…  Hiện nay tính toán ổ theo kha năng tải mà không theo ứng suất theo hai tiêu chuẩn: - Theo khả năng tải tĩnh: tránh biến dạng dư đ/v ổ làm việc có số vòng quay thấp (< 1v/p) - Theo kha năng tải động: để tránh tróc rỗ bề mặt 8A.4. TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY ỔLĂN  Ứng suất tiếp  H sinh ra ra trong ổ lăn có chu kỳ thay đổi theo phương trình đường cong mõi: constN H m H  (8.14) Trong đó: N – số chu kỳ làm việc mH – bậc của đường cong mỏi  Số chu kỳ làm việc N tỉ lệ bậc nhất với số vòng quay L. Nếu đơn vị tính L là triệu vòng thì (10.14) có thể viết: constL H m H  Chi tieát maùy Chương VIII 106   H tỉ lệ theo căn bậc 3 với tải trọng. Do đó có thể biểu diễn công thức trên dưới dạng sau mm CLQ  (8.15) Trong đó: Q – tải trọng quy ước tác dụng lên ổ m = mH/3 – chỉ số mũ. m = 3 đối với ổ bi, m = 10/3 đối với ổ đũa C – khả năng tải của ổ (là tải trọng mà khi đó 90% số ổ cùng loại làm việc không xuất hiện dấu hiệu mỏi sau 1 triệu vòng quay). Giá trị này thu đượctừ con đường thực nghiệm  Tuổi thọ ổ lăn theo độ bền mỏi được xác định theo công thức: m Q C L          (8.16)  Nếu tính đến xác suất làm việc không hỏng, vật liệu chế tạo, điều kiện vận hành thì tuổi thọ được xác định theo công thức: m 231 Q C aaL          (8.17) trong đó: a 1 – hệ số phụ thuộc vào xác suất làm việc không hỏng R(t): R(t) 0.9 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 a 1 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 a 23 – hệ số xét đến ảnh hưởng của vật liệu chế tạo và điều kiện vận hành các loại ổ. Có thể tra các giá trị này trên bảng 8a.1[1]  Tuổi thọ ổ được tính bằng giờ như sau: n60 L10 L 6 h  (8.18) 8A.5. LỰA CHỌN Ổ THEO KHẢ NĂNG TẢI ĐỘNG  Từ công thức (10.17), có thể tính được khả năng tải động tính toán theo thời gian làm việc L(triệu vòng quay) và tải trong quy ước Q(kH) m 1 tt QLC  (8.19)  Chọn ổ lăn theo điều kiện tải động như sau: CC tt  (8.20) trong đó C – là giá trị tra cứu trong sổ tay  Tải trọng quy ước được xác định như sau:  Đối với ổ đỡ và ổ đỡ chặn Q là tải trọng hướng tâm không đổi Qr  Đối với ổ chặn và ổ chặn đỡ Q là tải trọng dọc trục Qa arr YFXVFQQ  (8.21) Chi tieát maùy Chương VIII 107 ara YFXFQQ  (8.22) trong đó: Fr , Fa – tổng lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên ổ X, Y – hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục V – hệ số tính đến vòng nào quay, V = 1 nếu vòng trong quay và V = 1,2 nếu vòng ngoài quay. Các hệ số X, Y tra bảng (8a.2)[1] trang 322  Nếu tải trọng thay đổi theo bậc thì tải trọng quy ước tương đương QE theo tải trọng qui ước Qi như sau: 3 i i 3 i E L LQ Q    (8.24) Li – số triệu vòng quay làm việc ở chế độ thứ i với tải trọng Qi  Nếu tải trọng thay đổi liên tục thì tuổi thọ tương đương được xác định theo công thức sau:   h HEhE LKL (8.25) trong đó:    i h tL - tổng số giờ làm việc K HE – hệ số chế độ tải trọng (tra bảng 5.11[1]trang 233) a. Xác định lực hướng tâm Fr 2 ry 2 rxr FFF  (8.26) F rx , Fry – tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ theo hai mặt phẳng vuông góc với nhau. b. Xác định Fa  Đối với ổ bi, ổ đũa trụ ngắn, ổ bi lồng cầu hai dãy thì Fa là tổng các lực dọc trục ngàoi tác dụng lên ổ  Đối với các ổ đỡ chặn thì ngoài lực tác dụng ngoài tác dụng lên ổ còn lực tác dụng phụ Si do lực hướng tâm Fri tác dụng gây nên  Đối với ổ bi đỡ chặn: rii eFS  (8.27a)  Đối với ổ đũa côn: rii eF83,0S  (8.27b)  Để xác định lực Fa 1ù và Fa 2 tại hai ổ ta có phương trình cân bằng sau: 0FFF 2a1aa  (8.28) Vì F a1 và Fa 2 không bằng nhau nên cần thêm một phương trình phụ. Lực dọc trụ phụ Si do lực hướng tâm gây nên có tác dụng làm tách các vòng ổ ra khỏi ô lăn theo phương dọc trục. Hiện tượng này không xãy ra khi các lực thõa mãn điều kiện: 11a SF  và 22a SF  Chi tieát maùy Chương VIII 108 Ngoài ra một trong hai ổ phải có giá trị Fai = Si. Ta có phương pháp xác định lực như sau: Sơ đồ lực Tỉ lệ giữa các lực Lực dọc trục a S 2 S 1 F a 0F SS a 21   12a 21 SSF SS   11a SF  a12a FSF  a S 1 S 2 F a 21 SS  12a SSF  a21a FSF  22a SF  8A.6. LỰA CHỌN Ổ THEO KHẢ NĂNG TẢI TĨNH  Khả năng tải tĩnh sử dụng để chọn ổ lăn khi số vòng quay n < 1 vòng/phút. Ngoài ra, còn dùng để kiểm tra ổ lăn sau khi chọn theo khả năng tải động. Điều kiện chọn và kiểm tra ổ: 00 CQ  (8.29) Q 0 – tải trọng quy ước C 0 – là khả năng tải tĩnh (là tải trọng tĩnh gây nên tại vùng tiếp xúc chịu tải lớn nhất giữa con lăn và rãnh với biến biến dạng dư tổng cộng bằng 0,0001 đường kính con lăn. Ứng suất lớn nhất sinh ra tại điểm tiếp xúc:  Đối với ổ bi là 3000Mpa  Đối với ổ đũa là 500Mpa  Tải trọng tĩnh quy ước Q 0 xác định theo công thức;  Đối với ổ đỡ và ổ đỡ chặn: chọn giá trị lớn trong hai giá trị sau: a0r00 FYFXQ  và r0 FQ  (8.30)  Đối với ổ chặn và ổ chặn đỡ:  tgF3,2FQ ra0 (8.31) Khi  = 90 0 (ổ chặn) a0 FQ   Hệ số X 0 và Y 0 được chọn như sau:  Ổ bi đỡ một dãy và hai dãy : X 0 = 0,6 và Y 0 = 0,5  Ổ bi đỡ chặn ( = 12 36 0 ) : X 0 = 0,5 và Y 0 = 0,47 0,28  Ổ côn và ổ lồng cầu : X 0 = 0,5 và Y 0 = 0,22ctg Chi tieát maùy Chương VIII 109 8A.7. TRÌNH TỰ LỰA CHỌN Ổ LĂN Tiến hành chọn ổ lăn có số vòng quay n > 1v/p theo trình tự sau:  Chọn loại ổ theo khả năng tải trọng  Chọn kích thước ổ theo trình tự sau:  Xác định Fr, Fa  Tính tải trọng quy ước Q  Tính Ctt  Chọn kích thước theo điều kiện Ctt < C  Kiểm tra khả năng tải tĩnh của ổ Chi tieát maùy Chương VIII 110 8B.OÅ TRÖÔÏT 8B.1. KHÁI NIỆM CHUNG * Công dụng Dùng để đỡ các chi tiết quay. Thông thường trục quay còn ổ đứng yên nên khi làm việc bề của ngõng trục trượt lên bề mặt ổ trượt. * Phân loại - Theo hình dạng bề mặt làm việc : mặt trụ, mặt nón, mặt cầu, mặt phẳng F r F a F r F r F a - Theo khả năng chịu tải trọng: ổ đỡ, ổ đỡ chặn và ổ chặn - Theo phương pháp bôi trơn: ổ bôi trơn thuỷ (động hoặc tĩnh), ổ bôi trơn khí, bôi trơn từ * Kết cấu ổ - Lót ổ: - Thân ổ: [...]... nhưng khi đóng mở máy hay khi tải trọng thay đổi đột ngột thì vẫn xảy ra nửa ướt Do đó tính toán cho ổ trượt cần phải tính theo ma sát nửa ướt Tính toán này gọi là tính toán quy ướt ổ trượt Ngoài ra do hai bề mặt tiếp xúc nhau nên cần tính toán nhiệt cho ổ  8B.7 TÍNH TOÁN Ổ TRƯỢT 8B.7.1 Tính toán quy ướt ổ trượt khi bôi trơn ma sát nửa ướt Tính toán cho các ổ làm việc với số vòng quay thấp, thường xuyên... tiếp tiếp xúc nhau Khi khe hở giữa ngõng trục và ổ nhỏ thì ổ trượt có thể bị hỏng do biến dạng nhiệt làm ngõng trục kẹt chặt vào trong ổ  Mỏi rỗ: xảy ra trên lớp bề mặt khi ngõng trục chịu tải trọng thay đổi lớn 115 Chương VIII Chi tieát maùy Tính toán chủ yếu của ổ trượt là tính toán ma sát ướt Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng tạo được điều kiện ổ làm việc ở chế độ ma sát ướt, thông thường là... không ổ định, bôi trơn không tốt… a Tính theo áp suất cho phép Tính trong trường hợp ổ quay chậm, bôi trơn gián đoạn: F (11.5) p  r  [ p] ld trong trường hợp tỉ số  = l/d có thể dùng công thức này thiết kế ổ trượt: d Fr [p] (11.6) b Tính theo tích số pv Trong trường hợp ổ trượt làm việc với vận tốc trong bình: (11.7) pv  [pv] vì p = F/(ld) và v = d/2 nên : pv  F  [pv] 2l Đối với lót ổ làm... theo công thức Fr dl 2v f  p p  f  2v p Trong trường hợp ổ trượt: v = dn d – đường kính ổ trượt, n – số vòng quay của ổ f  22dn p Công thức trên gọi là định luật Petroff Tích số sát trong ổ Mô ment ma sát: n p gọi là đặc tính chế độ ma fF r d 2 Tms n P 9,55.106 Tms  Công suất mất mát: 114 Chương VIII Chi tieát maùy 8B.5 NGUYÊN LÝ BÔI TRƠN THUỶ ĐỘNG y F x h hm pmax - Giả sử có hai... 4 8Mpa.m/s  Vật liệu là babit: [p] = 5 15Mpa; [pv] = 5 15Mpa.m/s Các giá trị này có thể tham khảo thêm trên [4] 8B.7.2 Tính toán bôi trơn ma sát ướt Để ổ trượt làm việc trong chế độ bôi trơn ma sát ướt thì chiều dày lớp dầu phải lớn hơn tông độ nhấp nhô bề mặt ngõng trục và lót ổ Ngoài ra, do sai số khi chế tạo và do biến dạng đàn hồi trục ta đưa vào hệ số an toàn quy ước S Do đó, điều kiện để ổ được... đối lớn Phạm vi sử dụng - Khi kết cấu làm việc với vận tốc tương đối lớn (v.30m/s) - Các máy móc thiết bị chịu tải trọng va đập - Trong các máy chính xác đòi hỏi độ chính xác hướng trục và khả năng điều chỉnh khe hở - Ổ có thể làm việc trong nước, môi trường ăn mòn - Ổ quay chậm, không quan trọng, rẻ tiền - Đường kính ngõng trục quá lớn 8B.2 CÁC DẠNG BÔI TRƠN VÀ MA SÁT 8B.2.1.Các dạng bôi trơn Bao gồm:... tải trọng ngoài 8B.6 CÁC DẠNG HỎNG VÀ CHỈ TIÊU TÍNH  Các dạng hỏng chủ yếu của ổ trượt: mòn, dính và mỏi rỗ bề mặt  Mòn: xảy ra khi giữa ổ và ngõng trục không hình thành lớp dầu bôi trơn, hoặc khi có lớp dầu bôi trơn nhưng không đủ dày để ngăn cách sự tiếp xúc  Dính: thường xảy ra do áp suất và nhiệt cục bộ trong ổ lớn lớp dầu bôi trơn không hình thành được khiến ngõng trục và lót ổ trực tiếp tiếp...  h min  S(R z1  R z 2 ) Tính toán ổ trượt theo điều kiện bôi trơn ma sát ướt có thể tiến hành theo trình tự sau: 1 Chọn trước   l  0,5 1 Tiến hành kiểm tra điều kiện (11.5) và (11.7) d 116 Chương VIII Chi tieát maùy 2 Chọn độ hở tương đối  d 2  d1 d theo công thức thực nghiệm (d2 – đường kính lót ổ, d1 – đường kính ngõng trục, d – đường kính danh nghĩa):   0 ,8. 103 v 0,25 Đối với trục... nhiệt dung riêng dầu C = 1,7…2,1 kJ/kg0C 0 – Khối lượng riêng dầu; 0 = 85 0…900kg/m3 q – lưu lượng dầu chảy qua ổ trong 1 giây, m3/s t – sự thay đổi nhiệt độ của dầu, 0C  Qt2 – nhiệt thoát qua trục và thân ổ trong 1 giây Q t 2  K T ldt  K T At  K T ld  K T A Trong đó: KT = 0,04…0, 08 – hệ số thoát nhiệt qua trục và thân ổ, kW/m2.0C Từ phương trình cân bằng nhiệt ta có: t  t r  t v  fF r...Chi tieát maùy Chương VIII * Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng Ưu điểm: - Làm việc có độ tin cậy cao khi vận tốc lớn mà khi đó ổ lăn có tuổi thọ thấp - Chịu được tải trọng độngvà va đập nhở vào khả năng giảm chấn của màng dầu bôi trơn - Kích thước hướng kính tương đối nhỏ - Làm việc êm Nhược điểm - Yêu cầu chăm sóx bảo dưỡng thường xuyên, chi phí lớn về dầu bôi trơn - Tổn thất về ma sát khi mở . và con lăn: do tải trọng rung và va đập, do lắp ráp và vận hành không đúng, do kẹt con lăn…  Hiện nay tính toán ổ theo kha năng tải mà không theo ứng suất theo hai tiêu chuẩn: - Theo khả. cỡ ổ: o 8,9 – siêu nhẹ o 1,7 – đặc biệt nhẹ o 2,5 – nhẹ o 6 – trung o 4 – nặng  Chữ số thứ tư từ phải sang biểu thị loại ổ: o 0 – ổ bi đỡ một dãy o 1 – ổ bi đỡ lồng cầu một dãy o 2 –. Ngoài ra, do sai số khi chế t o và do biến dạng đàn hồi trục ta đưa v o hệ số an toàn quy ước S. Do đó, điều kiện để ổ được bôi trơn ma sát ướt là: )RR(Sh 2z1zmin  Tính toán ổ trượt theo