Truyền động cơ khí và truyền động bánh ma sát

Chương 2TRUYỀN 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 cơng nghệ sử dụng nhiều loại truyền

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 cơng nghệ sử dụng nhiều loại truyền động:

+ Truyền động cơ khí

+ Truyền động điện

+ Truyền động thủy lực, khí nén

Trong đĩ, 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 cĩ biến đổi lực, vận tốc hoặc moment hay đơi khi biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động

_ Theo nguyên lý làm việc cĩ thể chia truyền động cơ khí làm hai nhĩm 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)

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

1000

P V

N ; P(N) : lực vòng ; V(m/s) : vận tốc

+ Hiệu suất 2

1 N m

N

    ; 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 : 1

2

n i n

 ; i > 1 : giảm tốc; i < 1 : tăng tốc

+ Mômen xoắn M (N.mm): M 9,55.10 N6

n

 ; Ta có M2 = M1.i.

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  = 1.2.3… với i1 , i2 , i3 và 1 , 2 , 3 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 (%)

Phần B – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT

2.1 Khái niệm chung

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Truyền động bánh ma sát truyền chuyển động và cơ năng nhờ ma sát sinh ra tại chổ 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)

2.1.2 Phân loại

- Theo hình thức tiếp xúc, truyền động bánh ma sát tiếp xúc ngoài và tiếp xúc trong

- Theo khả năng điều chỉnh tỉ số truyền, bộ truyền không điều chỉnh được tỷ số truyền (hình 2.1a, b) hay bộ truyền 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

_ Cấu tạo đơn giản;

_ Làm việc êm, có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ (bộ biến tốc ma sát) mà không phải dừng lại

b Nhược điểm

_ Lực tác dụng lên trục và ổ trục 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

_ 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, các thiết bị cần trục, tốc kế, máy ghi âm, ngành dụng cụ đo, máy cắt kim loại, máy hàn, máy dệt …

Hình 2.1

2.2 Cơ học truyền động bánh ma sát

2.2.1 Hiện tượng trượt trong truyền động bánh ma sát

Có ba dạng: trượt hình học, trượt đàn hồi và trượt trơn

a Trượt hình học

_ Vận tốc v1 = const : trên suốt chiều rộng của bánh 1

_Vận tốc v2 tại các điểm tiếp xúc khác nhau trên đĩa 2 tỉ lệ với khoảng cách từ những điểm này đến tâm đĩa (v2 = v2max tại mép đĩa 2)

_ Điểm xảy ra lăn thuần túy không trượt (v1= v2) chỉ xảy ra tại P

Điểm P gọi là tâm lăn (n1/ n2 = d2/d1)

 Ở tất cả điểm còn lại trên đường tiếp xúc, đều trượt với vận tốc trượt vt= v1-v2

Như vậy, trượt hình học 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

_ Trượt đàn hồi xảy ra do biến dạng đàn hồi tại vùng tiếp xúc của các bánh ma sát theo phương tiếp tuyến

_ 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 19.2) Ngược lại các phân tố bề mặt bánh bị động thì bị dãn ra khi vào điểm

1 và bị nén 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(nén) không đều nhau của các phân tố trên bề mặt các bánh ma sát ở cung 2 – 3 gây nên sự trượt Cung 2 – 3 gọi là cung trượt đàn hồi

Hình 2.3

M1

M2

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

2.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền

a Truyền động bánh ma sát trụ

_ Vận tốc vòng:

 

1 1 1

60.1000

D n

v   m s và 2 2  

2

60.1000

D n

v   m s (2-1)

Vì có hiện tượng trượt nên v2 < v1

Gọi ξ là hệ số trượt:  1 2

1

v v v

    v2 = (1 – ξ).v1

_ Tỷ số truyền

 

i

với (hệ số trượt ξ = 1 ÷ 3%)

b Truyền động bánh ma sát nĩn

Gọi dtb1 và dtb2 là đường kính TB của các bánh ma

sát nĩn dẫn 1 và bị dẫn 2 Ta cĩ:

Tỷ số truyền

 2  2

1

n i

mà dtb1 = 2(L – 0,5b)sinφ1 (2-2a)

dtb2 = 2(L – 0,5b)sinφ2 (2-2b)

Suy ra :

2

sin

n

với L : chiều dài đường sinh cơn (mm)

b : chiều dài tiếp xúc đo dọc theo đường

sinh của bánh ma sát cơn (mm)

φ1 và φ2 : gĩc cơn bánh 1 và 2 (độ)

c Bộ biến tốc mặt đĩa

con lăn

Gọi R1, R2:bán kính của con

lăn, đĩa

n1, n2: số vịng quay

trong một phút con lăn, đĩa

R2  (Rmin ÷ Rmax)

n2  (nmax ÷ nmin)

Ta cĩ tỷ số truyền :

 

2 1 1

i



min R

Đĩa (bị động)

R

Con lăn (chủ động)

n1

n2

R

max

Hình 2.5

Hình 2.4

dtb1

dtb2

2.2.3 Lực ép trong bộ truyền bánh ma sát

a Lực pháp tuyến cần thiết (Q)

Điều kiện để bộ truyền bánh ma sát không bị trượt là: Fms= f Q ≥ P

với f : hệ số ma sát

Q : là lực pháp tuyến (N)

P : lực vòng (N)

Để an toàn lấy : Fms = f Q = k P

với k : hệ số an toàn (k = 1,25 ÷ 1,5)

Như vậy: Fms = f Q = k P  Q k P.

f

b Lực ép cần thiết (S)

* Trường hợp bộ truyền bánh ma sát trụ

.

e

k P

f

* Trường hợp bộ truyền bánh ma sát nón

Có thể ép bánh 1 vào bánh 2 với lực ép Fe1 hoặc ngược

lại với lực ép Fe2

Dựa vào điều kiện cân bằng ta có:

Nếu bộ truyền giảm tốc: dtb1 < dtb2  sin φ1 < sin φ2

=> Fe1 < Fe2

Q

P

2.3 Tính toán bộ truyền bánh ma sát

_ Nếu bộ truyền được bôi trơn đầy đủ, bề mặt hỏng chủ yếu do tróc vì mỏi

_ Nếu bộ truyền làm việc ở chế độ ma sát 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:

.

0, 418

.

tx

Q E b





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 ( 2-4 ), ta có:

6

Q

1

d i

i





 ;

9.55 10 9,55.10

Thay Q,  vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát trụ :

 3  

2

1290

k N E i

A i f n b

Đặt A b

A

  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 3

2

1290

. A [ ]tx

k N E

A i

f n  i

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

Lưu ý: 2

1

1

i tg

tg





Bán kính cong tương đương: 1 2  

2

1 2

0,5 1

i

 



 



Lực pháp tuyến

6

2

.9,55.10

Q



với n1 = i n2;

1

D

L b D D  i 

1

D

i







Hình 2.7

2 6

2

1 9,55.10

0,5

Q





 Thay các giá trị Q, ρ vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ truyền bánh ma sát nón:

   2 3/2  

2

0,5

k N E

i

L b i f b n

Đặt L b

L

  , (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

2 3

2

1 L 1 0,5 L . tx

k E N



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:

 

Q

b

với [qn] (N/mm) : cường độ lực pháp tuyến cho phép, tra bảng trong sổ tay + Tếchtôlít với thép hoặc gang, lấy [q

n] = (40 ÷ 80) N/mm, + Phíp với thép hoặc gang, lấy [q

n] = (35÷ 40) N/mm, + Da với gang, lấy [q

n] = (15 ÷ 25) N/mm, + Gỗ với gang, lấy [q

n ] = (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