Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy-Phần 3 ppt

Như vậy để thiết kế một máy cụ thể hoặc một hệ dẫn động cơ khí dùng chung cho nhiều máy móc thiết bị, ngoài các bộ truyền cơ khí, còn cần nghiên cứu tính toán thiết kế và lựa chọn kết cấ

PHẦN BA

LIÊN KẾT TRONG MÁY

Để tạo thành máy móc, thiết bị, các chỉ tiết máy và bộ phận máy được liên kết với

nhau bằng các liên kết động (có chuyển động tương đối), hoặc liên kết cố định Các liên kết này được xác định theo sơ đồ động của máy hoặc các yêu cầu về kết cấu và công nghệ Chẳng hạn muốn cho các bộ truyền cơ

khí truyền được chuyển động và năng lượng,

các chi tiết như bánh răng, bánh đai, đĩa xích

v.v cần được lắp ghép cố định lên trục, bản

thân trục cần có chuyển động tương đối với ổ

trục và qua gối đỡ liên kết cố định với khung

và bệ máy Liên kết các chi tiết máy như vậy

có thể tạo thành các bộ phận máy có công

dụng chung như hộp giảm tốc (hình IILla),

hộp tốc độ (hình III.1b) hoặc các hộp biến tốc

đai, hộp biến tốc xích v.v Các bộ phận máy

này khi liên kết với động cơ điện bằng bộ

truyền đai hoặc khớp nối sẽ tạo thành các hệ

dẫn động cơ khí được sử dụng rộng rãi trong

các máy móc, thiết bị nhằm thực hiện những

quá trình công nghệ khác nhau

Trên hình IIL2 vẽ sơ đồ hệ dẫn động

xích tải để vận chuyển than Chuyển động quay

và cơ năng từ động cơ điện 7, qua khớp nối 2

nối với trục I của hộp giảm tốc ở, qua bộ

truyền xích 5, được truyền đến trục ó trên đó lắp

đĩa xích chủ động 7 của xích tải Ở đây các

bánh răng của hộp giảm tốc được lắp lên trục

bằng then và mối ghép có độ dôi (liên kết cố

định), các trục I, II và II được đặt trên các ổ lăn

(liên kết động) và qua các gối đỡ ghép cố định

Tùy theo sơ đồ động, hộp giảm tốc 3 có thể bao gồm một cấp bánh răng hoặc nhiều

cấp (trên hình III.2 là hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ) Nó cũng có thể là hộp giảm tốc

bánh răng côn, hộp giảm tốc trục vít, hộp giảm tốc bánh răng côn-trụ, hoặc hộp giảm tốc

bánh răng - trục vít Tỉ mỉ hơn về kết cấu, công dụng và tính toán hộp giảm tốc có thể xem [1]

Như vậy để thiết kế một máy cụ thể hoặc một hệ dẫn động cơ khí dùng chung cho

nhiều máy móc thiết bị, ngoài các bộ truyền cơ khí, còn cần nghiên cứu tính toán thiết kế và

lựa chọn kết cấu của các chỉ tiết máy và bộ phận máy như: trục, then, then hoa và lắp ghép

có độ đôi; ổ lăn, ổ trượt, bôi trơn và lót kín bộ phận ổ; khớp nối và lò xo Đó chính là các

chương của phần ba được trình bày dưới đây

Chương 10

TRỤC

10.1 CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI VÀ KẾT CẤU TRỤC

Bánh răng, bánh đai, đĩa xích và các chỉ tiết quay khác của máy thường được đặt trên

trục Như vậy trục được dùng để đỡ các tiết máy quay, để truyền mômen xoắn hoặc đồng

thời thực hiện cả hai nhiệm vụ này

1

Theo dac diém chiu tai phan ra:

- Truc tam: được dùng chỉ để đỡ

trục và chỉ chịu mômen uốn Trục tâm

có thể quay cùng với các chỉ tiết lắp trên

nó như trục bánh xe của tàu hỏa lăn trên

đường ray, hoặc trục tâm không quay

như trục của ròng rọc

- Trục truyền vừa để đỡ các tiết Hình 10.1

và mômen xoắn Thí du về trục truyền

trên hình 10.1: trên trục 2 lắp khớp nối

¡ và bánh răng 3; mômen xoắn được

truyền từ khớp nối qua trục sang bánh

Theo hình dạng đường tâm trục, phân ra: trục thẳng (hình 10.2a, b), trục khuýu (hình

‡0.2c) và trục mềm Trục khuỷu được dùng trong động cơ đốt trong, máy bơm pittông, còn

trục mềm được dùng để truyền chuyển động quay và mômen xoắn giữa các bộ phận máy

hoặc máy có vị trí thay đổi khi làm việc, hai loại trục này được nghiên cứu trong các giáo

Két cdu truc

Trục thường được chế tạo có đạng trụ tròn gồm nhiều đoạn có đường kính khác nhau

(trục bậc), ít khi dùng trục trơn (có đường kính không đổi theo chiều đài) vì như vậy không

phù hợp với đặc điểm phân bố ứng suất khác nhau theo chiều dài trục và lắp ghép khó khăn

Nhìn chung, trục thường bao gồm các phần sau đây:

- Ngống trục A: phần trực tiếp tiếp xúc với ổ trục (ổ trượt hoặc ổ lăn) Để thuận tiện

cho việc chế tạo và lắp ghép, đường kính ngõng trục lắp với ổ lăn phải lấy theo tiêu chuẩn:

12, 15, 17, 20, 25 cách nhau 5 mm để phù hợp với trị số tiêu chuẩn của đường kính trong

của ổ lăn Ngõng trục và ổ trượt tạo thành các liên kết động

- Thân trục B: phần trục để lắp với các chỉ tiết quay như bánh răng, bánh đai, đĩa xích,

khớp nối v.v Thân trục và các chỉ tiết quay được lắp ghép cố định với nhau nhờ mối ghép có

độ dôi, then hoặc then hoa

Khi lắp có độ đôi, đường kính trục ở đoạn lắp ghép nên lấy lớn hơn khoảng 5% so với

đường kính các đoạn bên cạnh như thế lắp ghép sẽ thuận tiện hơn Đường kính thân trục cần lấy theo tiêu chuẩn trong dãy số sau: 10; 10,5; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40, 42; 45; 48; 50; 52; 55; 60; 63; 70; 75; 80; 85; 90; 95;

100; 105; 110; 120; 125; 130; 140; 150; 160

- Đoạn trục chuyển tiếp: phần trục nằm giữa hai bậc trục Chúng có thể là rãnh được

lượn tròn (hình 10.3a) để rút đá mài, kết cấu này làm tăng tập trung ứng suất nên chỉ dùng

cho các đoạn trục chịu mômen uốn nhỏ Phần trục chuyển tiếp cũng có thể là mặt lượn với bán kính không đổi (hình 10.3b) hoặc bán kính thay đổi (hình 10.3c), như thế có thể giảm bớt tập trung ứng suất và thường được sử dụng ở các đoạn trục chịu tải lớn

Để giảm tập trung ứng suất ở các đoạn chuyển tiếp của trục, bán kính góc lượn nên

làm lớn nhất có thể (lớn quá sẽ làm cho chi tiết lấp với trục không tì sát vào vai trục hoặc

mặt định vị), hoặc tiện các rãnh giảm tải (hình 10.34)

175

Để cố định các chi tiết trên trục theo phương dọc trục, ngoài vai trục như trên hình 10.3, còn dùng mặt côn, bạc, vòng chặn, vít và đai ốc Đường kính của vai trục cũng như của phần trục không lắp ghép không cần lấy theo tiêu chuẩn Ngoài ra khi định kích thước các

đoạn trục phải chú ý sao cho mỗi chỉ tiết lắp lên trục có thể lồng qua các phần khác của trục cho tới đoạn cần lắp mà không bị vướng

Như vậy kết cấu trục sẽ hợp lý khi đường kính các đoạn trục phù hợp với sự thay đổi

của tải trọng (yêu cầu về độ bền), thuận tiện cho lắp ghép các chỉ tiết lên trục (yêu cầu lắp ghép) đồng thời thuận tiện cho việc gia công đạt độ chính xác cần thiết (yêu cầu công nghệ)

10.2 LAP GHEP CAC CHI TIET LEN TRUC

Muốn cho trục truyền mômen xoắn, các chỉ tiết quay phải được lắp cố định lên trục,

tức là không cho phép các chỉ tiết quay xoay tương đối với trục hoặc di chuyển đọc trục Để

thực hiện yêu cầu đó, các chỉ tiết quay thường được lắp lên trục bằng mối ghép có độ đôi kết hợp với lắp then hoặc then hoa

a) Lắp có độ dôi: là cánh lắp các chỉ tiết lên trục nhờ độ dôi Độ dôi được hình thành nhờ hiệu số âm của đường kính lỗ và đường kính trục, sẽ sinh ra áp suất, áp suất gây nên lực

ma sát hoặc mômen ma sát, nhờ đó các chi tiết lắp có độ đôi sẽ tiếp nhận được tải trọng (lực

dọc hoặc mômen xoắn) mà không dịch chuyển tương đối hoặc xoay tương đối với nhau Như

tâm của trục và chi tiết

lắp với nó càng kém, máy sẽ bị rung và kêu Vì vậy khi chọn kiểu lắp cho các đoạn trục cần

chú ý kết hợp cả hai yêu cầu về tải trọng và độ đồng tâm:

- Đối với bề mặt ngõng trục lấp ổ lăn, yêu cầu đảm bảo độ đồng tâm quan trọng hơn,

đo đó trong thực tế chỉ sử dụng các kiểu lắp trung gian k6, m6 (xem hình 2.3)

- Đối với thân trục, tùy theo công dụng và tải trọng có thể dùng các kiểu lắp sau: h6 -

khi lắp bánh răng thay thế trong máy cắt kim loại; k6 - khi tải trọng trung bình và mối ghép được cố định thêm bằng then; r6 - khi tải trọng lớn và sử dụng khi lắp bánh răng bánh đai, đĩa xích lên trục trong sản xuất hàng loạt; s6 - khi tải nặng và va đập

176

Để đảm bảo độ đồng tâm của chỉ tiết quay và trục, chiều dài mayơ của các chỉ tiết

quay cần đủ lớn, thông thường /„ = (1,2 + 1,6)d, với d là đường kính trục tại bề mặt lắp ghép b) Lắp bằng then được dùng để lắp các chỉ tiết quay lên †fục (hình 10.1 và 10.4) Then

có chiều đài /, mặt cắt là hình chữ nhật có chiều rộng b, chiều cao h, có kiểu đầu tròn (hình 10.4a), kiểu đầu bằng (hình 10.4b) Trong thực

tế thường dùng then ghép lỏng gồm: then bằng

(hình 10.4), then dẫn hướng (hình 10.5) và then

bán nguyệt (hình 10.6) Khi lắp then bằng và

then bán nguyệt, then được đặt vào rãnh then

làm sắn trên trục và mayơ của các chỉ tiết quay

được đẩy nhẹ vào vị trí cần lắp Tải trọng được

truyền theo các mặt bên của then, giữa then và

rãnh then tồn tại khe hở hướng tâm

Wee Gok

KES

LP A P2 ( Bey

SSN ]»=

Hình 10.5 Khi lắp cố định các chỉ tiết quay lên trục và trong sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ, thường sử dụng then bằng, kết hợp với lắp có độ đôi

Đối với mối ghép yêu cầu di động dọc trục, người ta sử dụng then dẫn hướng (hình 10.5) Khi cần di động một khoảng ngắn, then được cố định thêm bằng vít (hình 10.5a), còn

khi cần di động một khoảng dài, then dẫn hướng được cố định với các chi tiết quay (trên hình 10.5b là khối bánh răng)

nguyệt được sử dụng nhiều hơn nhờ chế tạo MÀ 4 7 An <

dùng dao phay ngón (phương án I) hoặc dao

dao phay đĩa, kích thước rãnh được phay cạn

dần do đó độ bền mỏi của trục sẽ tăng lên nhờ hệ số tập trung ứng suất tại rãnh then giảm

(bảng 10.5) Mặt khác, nếu trên một trục cần gia công nhiều rãnh then để lắp với các chỉ tiết quay thì đường tâm của các rãnh then này nên nằm trên cùng một đường thẳng

Then đã được tiêu chuẩn hóa Bảng 10.1 cho một số kích thước then bằng theo TCVN

2261-77, ở đó kích thước tiết điện then được tra theo đường kính trục của bể mặt lắp ghép

Kích thước của các loại then khác có thể tra trong [1] Chiều dài then thường chọn theo

chiều dài mayơ: / = (0,8 + 0,9)/„, với „ - chiều dài mayơ `

c) Lap bang then hoa: là cách lắp mayơ của các chỉ tiết quay lên trục nhờ các răng

trục lồng vào các rãnh tương ứng trên mayơ (hình 10.7) Có thể coi mối phép then hoa như mối ghép nhiều then trong đó then được làm liền với trục Mặt làm việc cũng là các mặt cạnh răng Các răng trên trục được phay lăn hoặc cán nguội; các rãnh trên mayơ được chế

tạo bằng chuốt

177

Dạng răng then hoa có thể là chữ nhật (hình 10.7), thân khai (hình 10.8a) và tam giác

(hình 10.8b) Có thể dùng mối ghép then hoa để ghép cố định mayơ của chỉ tiết quay lên

trục hoặc để cố định mayơ theo phương tiếp tuyến nhưng cho phép mối ghép di động dọc

trục (chẳng hạn để gạt các khối bánh răng trong hộp tốc độ) Khi lắp bằng then hoa cần lưu

ý đảm bảo độ đồng tâm cho mayơ và trục then hoa

Then hoa răng chữ nhật hiện được dùng nhiều hơn cả Có thể sử dụng ba phương pháp

định tâm: định tâm theo đường kính

ngoài (mặt cất A-A trên hình 10.7),

theo đường kính trong (hình 10.7b)

và theo mặt bên (hình 10.7c) Định

tâm theo đường kính ngoài có tính

công nghệ cao hơn cả, thường được

sử dụng khi độ cứng của rãnh mayơ

< HB 350, lỗ mayơ được chuốt, mặt

đỉnh răng then hoa được mài Định

khi lỗ mayơ có độ cứng cao không chuốt được, lúc này các bề mặt định tâm của mayơ và

trục đều được mài Rõ ràng là định tâm theo các đường kính đảm bảo cho các chỉ tiết lắp

ghép có độ đồng tâm cao Trường hợp mối ghép chịu tải lớn (do đó yêu cầu tải trọng phân

bố đều hơn cho các răng) và

không yêu cầu cao về độ đồng

tâm, có thể định tâm mối ghép

m - môđun, có khả năng tải cao hơn so với then hoa răng chữ nhật vì chân răng dày hơn, bán

kính góc lượn chân răng lớn hơn, lại có thể dùng phương pháp gia công hoàn thiện đạt độ chính xác cao, vì vậy thường được sử dụng khi cần truyền mômen xoắn lớn Thường định tâm mối ghép theo mặt bên, đôi khi theo đường kính ngoài

Then hoa răng tam giác (hình 10.8b) chỉ được sử dụng ở mối ghép cố định Loại này

có số răng lớn (z = 20 + 70) nhưng chiều cao răng nhỏ, được dùng để ghép các mayơ thành

mỏng, trục rỗng và để truyền mômen xoắn nhỏ Chỉ định tâm mối ghép theo mặt bên

10.3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC

10.3.1 Tải trọng tác dụng lên trục

Tải trọng chủ yếu tác dụng lên trục truyền gồm mômen xoắn và các lực tác dụng khi

ăn khớp trong bộ truyền bánh răng, trục vít - bánh vít, lực căng đai và lực căng xích, lực lệch tâm do sự không đồng trục khi lắp hai nửa khớp nối Trọng lượng bản thân trục và trọng lượng các chỉ tiết lắp lên trục chỉ tính đến ở các cơ cấu tải nặng, dùng vô lăng, còn lực ma

sát trong ổ được bỏ qua

Trị số của các lực tác dụng khi ăn khớp đã được xác định trong các chương 5 và 6 Còn chiều của các lực phụ thuộc vào các yếu tố xác định: lực hướng tâm F, phụ thuộc tọa độ điểm đặt lực (coi lực phân bố tập trung ở điểm giữa vành răng); lực vòng F, phụ thuộc tọa độ điểm dat luc, chiéu quay của bánh răng lắp trên trục và bánh răng là chủ động hay bị động;

lực dọc trục phụ thuộc vào chiều quay, hướng răng và bánh răng là chủ động hay bị động Chọn Oxyz như hình 10.9 làm hệ tọa độ và ký hiệu:

Fại, Fy¡, F„¡ - lực tác dụng theo phương x, y, z của chỉ tiết thứ ¡ trên trục;

T¡, hr¡, cb; - lần lượt là tọa độ điểm đặt lực, hướng răng và vai trò (chủ động hay bị

động) của bánh răng thứ ¡ trên trục

Để có thể sử dụng máy

tính”, ta số hóa các yếu tố

1 khi răng phải; = —1 khi răng ⁄ z

trai; cb; = 1 khi chỉ tiết quay là

chiều của các lực từ bộ truyền bánh răng trụ tác dụng lên trục (hình 10.9):

E¿¡ = (r/ |rị|) eqeb; Fy

F,; = cqcb; hr, Fụ tgB trong đó: F„ = 2T/d„; - lực vòng trên bánh răng thứ ¡; dụ; - đường kính vòng lăn của bánh

rang i; r, = 0,5 dy; vir, < 0 khi điểm đặt lực nằm phía trên trục Oz và r; > 0 khi ngược lại

Tương tự, từ (6.9) xác định được trị số và chiều của các lực từ bộ truyền trục vít tác

dụng lên trục (khi trục vít là chủ động):

Fi = (r/ Ir;|) ceqcb; F,j tg(y + 0)

Ez¡ = cqhr;cb;Fạ¡

trong d6 F,; = 2T.n.u/dạ; - lực dọc trục trên trục vít; u - tỷ số truyền; d; - đường kính bánh

vít thứ ¡ lắp trên trục bánh vit; Tj = 0,5d;, ; nị - hiệu suất bộ truyền trục vít

Đối với bánh răng côn, chiều của F, xác định như đối với bánh răng trụ, nhưng trị sỐ

và chiều của lực Fy phụ thuộc vào 4 yếu tố: tọa độ điểm đặt lực, chiều quay, hướng răng và

bánh răng là chủ động hay bị động, chiều của lực F; cũng phụ thuộc vào 3 yếu tố như ở bánh

răng trụ (chiều quay, hướng răng, bánh răng là chủ động hay bị động), song cả Fy và F; còn

phụ thuộc vào vị trí đỉnh côn, đo đó cần đưa thêm vào công thức tính F, và F; dấu xác định

vị trí đỉnh côn Quy ước ỗ¡ < 0 nếu đỉnh côn nằm bên phải và õ¡ > 0 khi đỉnh côn nằm bên

trái đáy côn, đồng thời vẫn sử dụng các quy ước như ở bánh răng trụ (với chú ý chiều quay

vẫn nhìn từ mút trục bên phải), từ (5.55) có thể xác định trị số và chiều của các lực từ bộ

truyền bánh răng côn tác dụng lên trục:

E„¡ = Œ/ |rị Ì)eqbjFu

Fy = _—iFi (tc, cos §; — cqhr,cb; sinB,, sind; ) (10.3)

|r, |cosB,,

= Fi

7 cosB,, (tga, sind; + cqhr,cb; sinB,, cosd; )

trong d6 Fy = 2T/dyjs rị¡ = 0,5dm¡; với dại - đường kính trung bình của bánh răng côn ¡ trên

trục

Đối với bộ truyền xích và bộ truyền đai, lực tác dụng lên trục F; do lực căng xích hoặc

lực căng đai tạo thành Trị số của F; tính theo (7.7) đối với bộ truyền xích, (8.9) đối với bộ

truyền đai dẹt, (8.30) đối với đai hình thang và (8.32) đối với đai hình lược Các lực F; này

đêu là lực hướng kính, có điểm đặt nằm trên đường tâm trục, tại điểm giữa chiều rộng đĩa

xích hoặc bánh đai và có chiều hướng từ târh của đĩa xích hoặc bánh đai đang xét đến tâm

bánh kia Trường hợp các đường nối tâm này tạo với trục x một góc œ thì phân F; thành hai

thành phần vuông góc với nhau

180

Nếu trên trục lắp khớp nối thì khi sử dụng ⁄ Fes nối trục di động (xem chương 13) do tén tại sự Flyo

không đồng tâm của các trục được nối, tải trọng 0

phu F, sé xuất hiện và truyền đến trục Có thể lấy ⁄

gần đúng F, = (0,2 + 0,3)F, với F, - lực vòng trên “A, “iu Fly, nối trục Chiều của lực F„ này có thể bất kỳ tùy tạ ls

nhưng nên chọn sao cho chiều của F, làm tăng ứng Fly (1~ lg/t)

suất và biến dạng do các lực từ chỉ tiết quay khác

gây nên trên các tiết diện của trục Trên hình My Fralo(1-Ly/ly)

10.10 chiều của F¿;¿ do nối trục tác động lên trục

ngược với chiều của F;ạ trên bánh răng, do đó làm

tăng mômen uốn tại tiết diện trục lắp bánh răng

một lượng bằng F;s1;(1 — 2/1)

bộ truyền và khớp nối tác dụng lên trục, truyền

qua gối đỡ đến bệ máy Như vậy tại các ổ trục sẽ Hình 10.10

xuất hiện các phản lực đảm bảo cho trục làm việc

trong trạng thái cân bằng Các phản lực này được coi như đặt chính giữa ổ lăn hoặc đặt cách mép trong của ổ trượt một khoảng bằng 0,3 đến 0,4 chiều dài 6

10.3.2 Ứng suất trên các tiết diện của trục

Dưới tác dụng của mômen uốn và mômen xoắn, trong các tiết diện của trục sẽ xuất

hiện ứng suất uốn và ứng suất xoắn có đặc tính thay đổi khác nhau Nếu bỏ qua ứng suất kéo hoặc nén do lực đọc trục sinh ra (khi rời lực đọc trục trên các bộ truyền về đường tâm trục sẽ tạo nên mômen uốn tập trung và lực đọc trục), ứng suất uốn của trục quay (một hoặc hai chiều) coi như thay đổi theo chu trình đối xứng, do đó ứng suất trung bình và biên độ ứng

suất ở tiết diện j sẽ là:

Con ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động khi trục quay một chiều:

Tmj =O; ty = Tmaxy/2 = Tj/(2W,;) (10.5)

hoặc chu kỳ đối xứng khi trục quay hai chiều:

181

trong đó W¡ và W,; - mômen cản uốn và cản xoắn của tiết diện trục thứ j : với tiết diện tròn

trong đó š = 1,25 đối với then hoa cỡ nhẹ, š = 1,205 đối với cỡ trung và Š = 1,265 đối Với cỡ

nặng, với d, là đường kính trong (cùng d;, đường kính ngoài D, càng lớn thì cỡ càng nặng)

M, =/ Mj + Mỹ - mômen uốn tổng, với M,, va My; - m6men u6n trong mặt phang zOx va zOy

Do tác dụng lâu dài của ứng suất uốn và ứng suất xoắn

thay đổi có chu kỳ, trục có thể hỏng vì mỏi, vì vay o, Và t„ có

tác dụng quyết định đến khả năng làm việc của trục

Tuy nhiên đối với trục then hoa, ứng suất đập trên mặt

bên của răng then hoa cũng có ảnh hưởng đến độ bền của trục

Ứng suất dập trên 1 răng then hoa bằng (hình 10.11):

oy ft = — 271 (10.10)

A dyA.z.y' trong d6 T - momen xoan, N.mm; d,, = (D + d)/2 - duéng kính

trung binh; A = [(D — d)/2 — 2f] ?¿ - diện tích mặt bên của răng; z - s6 rang then hoa; y =

0,7 + 0,8 - hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các răng; /„ - chiều dài làm việc

của răng (hình 10.7)

10.3.3 Vat liệu trục

Vật liệu trục cần có độ bền cao, ít nhạy với tập trung ứng suất, có thể nhiệt luyện được

và dễ gia công Thép cachon và thép hợp kim thường được sử dụng để chế tạo trục

Khi trục chịu ứng suất không lớn, có thể dùng thép CT5 không nhiệt luyện để chế tạo

trục Với các trục yêu cầu chịu tải lớn hơn, thường dùng thép 35, 45, 50 nhiệt luyện, trong

đó thép 45 được dùng nhiều hơn cả Trường hợp chịu tải lớn, làm việc trong các máy quan

trọng, trục được chế tạo bằng thép hợp kim như 40Cr, 40 CrNi tôi cải thiện hoặc tôi bề mặt

bằng dòng điện tần số cao Với các trục quay nhanh, lắp ổ trượt, ngõng trục cần có độ cứng

cao, trục được chế tạo bằng thép 20, 20Cr thấm than rồi tôi để nâng cao độ chịu mòn

Hinh 10.11

Khi chế tạo trục thường dùng phôi cán hoặc phôi rèn, trục được chế tạo trên máy tiện

sau đó thường mài các ngõng trục và bề mặt lắp ghép với các chi tiết quay

182

- Đối với các trục quay nhanh, trục còn có thể bị hỏng do dao động; trong những trường hợp này cần tính toán kiểm nghiệm trục về dao động

Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng độ bên và kết cấu trục liên quan chặt chẽ đến khả năng tải của các chỉ tiết lắp ghép với nó như các mối ghép then, then hoa, ghép có độ dôi và ổ trục Vì vậy trên cơ sở tính toán trục theo những chỉ tiêu vừa nêu, chỉ có thể quyết định lần

cuối kết cấu trục sau khi đã tiến hành kiểm nghiệm độ bền của then hoặc then hoa cũng như

tính toán khả năng tải của ổ lăn hoặc ổ trượt

Trong công thức (10.11): Sø; và S;; - hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất uốn và hệ số

an toàn chỉ xét riêng ứng suất xoắn, được tính theo các công thức sau:

183

Gp, MPa

Wo

Wr

500 - 700

Koaj» Kraj - hé số xác định theo các công thức:

Koa; = (ai / sợi + Ky =D / Ky Krgj = (Ky / £4) + Ky -1)/ Ky

với K, - hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bể mặt, phụ thuộc vào phương pháp gia công

và độ nhám bể mặt, cho trong bảng 10.2; K, - hệ số tăng bền bề mặt trục, cho trong bảng

10.3 phụ thuộc và phương pháp tăng bền bề mặt, giới hạn bền và kết cấu trục Nếu không

dùng các biện pháp tăng bền thi K, = 1

>700 - 1000 > 1000 - 1200

> 1200 - 1400 0,25 0,15

(10.14) (10.15)

Chú thích: (1) Trị số đã cho ứng với đường kính mẫu d = I0 + 20 mm và chiều sâu lớp tôi bằng

(0,05 - 0,2)d Đối với trục có đường kính lớn K¿; lấy nhỏ hơn một it

(2) Lấy trị số nhỏ khi chiều dày lớp thấm nitơ 0,01d, lấy trị số lớn khi chiều dày lớp

Koj, Ky - hé s6 tập trung ứng suất thực tế khi uốn và khi xoắn, phụ thuộc vào hình dạng kết cấu gây tập trung ứng suất: Kø¡ và K¿¡ đối với rãnh then, chân răng then hoa và chân ren (đối với tiết diện trục có cắt ren để dùng vít ghép cố định chỉ tiết quay theo phương

đọc trục) cho trong bảng 10.5; Kai và Kạ; - đối với góc lượn, rãnh vòng và chân ren trục vít cho trong bảng 10.6

khi r/d = 0,02 Hình 10.3b với D = d + h 2,50 3,50 1,80 2,10

Rãnh vòng (t = r) khi r/d = 0,02 Hình 10.3a 1,90 2,35 1,40 1,70

Tại các bề mặt trục lắp có độ đôi (lắp mayơ của các chỉ tiết quay, lắp vòng trong của ổ

lăn lên trục) có thể tra trực tiếp tỷ số Ks/Eơ¡ và K;//x¡ trong bảng 10.7 phụ thuộc vào đường

kính trục, kiểu lắp và giới hạn bền ơy

Nhu vay tỷ số của Ka¡ và K;¡ rất khác biệt phụ thuộc vào hình dạng kết cấu gây tập

trung ứng suất Trường hợp tại một tiết diện của trục có nhiều nguyên nhân gây tập trung

ứng suất, chẳng hạn tại mặt cắt trung bình của bề mặt lắp bánh răng với trục đồng thời có

hai yếu tố gây tập trung ứng suất, đó là lắp có độ đôi và rãnh then, khi tính toán cần so sánh

các giá trị Kø¡/eø¡ với nhau và K;//£tj với nhau và lấy giá trị lớn hơn để tính toán

Thay các giá trị tính được của Sạ¡ theo (10.12) và S;¡ theo (10.13) vào (10.11) sẽ xác

định được hệ số an toàn S; tại các tiết diện nguy hiểm (j = 1; 2 ), với điều kiện Sj 2 [S}; với

hệ số an toàn cho phép thường chon bang [S] = 1,5 + 2,5

Khi cần tăng độ cứng có thể lấy [S] = 2,5 + 3, lúc này có thể không cần tính trục về độ

cứng Chọn bao nhiêu tiết diện để kiểm tra là tùy thuộc vào điều kiện làm việc cụ thể của

trục, thông thường đó là những tiết điện nguy hiểm nhất (tiết điện có trị số mômen uốn và

mômen xoắn lớn, đồng thời có các yếu tố gây tập trung ứng suất làm giảm độ bền mỏi,

chẳng hạn tiết điện lắp bánh răng, ổ lăn )

Khi bị quá tải đột ngột (chẳng hạn khi mở máy), trục có thể bị biến dạng dẻo hoặc gãy

hỏng, vì vậy kích thước trục tính theo độ bền mỏi cần được kiểm nghiệm vẻ độ bền tĩnh Vì

trên tiết diện của trục vừa chịu uốn, vừa chịu xoắn nên tính ứng suất tương đương theo

thuyết bền thế năng biến dạng:

186

Kích thước trục được xác định theo độ bền không phải bao giờ cũng đảm bảo đủ độ

cứng cần thiết cho sự làm việc bình thường của chỉ tiết lắp ghép với trục cũng như cho sự chính xác của cơ cấu Người ta phân biệt độ cứng uốn và độ cứng xoắn liên quan đến biến dạng uốn và biến dạng xoắn của trục

10.4.2.1 Tính độ cứng uốn

Chuyển vị đàn hồi của trục ảnh

hưởng xấu đến sự làm việc của các chỉ tiết ok A Ye 5 | se ye

bánh răng, bánh ma sát v.v Do trục bị

trục bị nghiêng, làm tăng su phân bố

không đều tải trọng trên chiều rộng vành

răng (hình 5.10), còn khi góc xoay 9 lớn ổ

lăn có thể bi kẹt Trong các máy cắt kim

loại, chuyển vị đàn hồi của trục (đặc biệt là trục chỉnh) làm giảm độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt chi tiết, còn trong các cơ cấu phân độ, trong máy tính, chuyển vị đàn hồi làm giảm độ chính xác của phép đo Vì vậy điều kiện đảm bảo độ cứng uốn của trục sẽ là:

[ð] = 0,01 rad đối với ổ bi đỡ, [Ø] = 0,05 rad đối với ổ bi lòng cầu [ð] = 0,001 rad đối với ổ trượt Trong ngành chế tạo máy đối với các trục có công dụng chung có thể lấy [y] = (0,0002 + 0,0003).! với 7 - khoảng cách giữa các gối đỡ Độ võng và góc xoay tính toán

được xác định theo các phương pháp của “Sức bền vật liệu” Trường hợp đơn giản, có thể coi trục như một dầm có tiết diện không đổi đặt trên hai gối đỡ và sử dụng các công thức cho

trong bảng 10.8 để tính, trong đó E - môđun đàn hồi, MPa, J - mômen quán tính,

J = nd*/64,

187

Oy F.a.b(/ + b) / (6E.J.l) —Fqc.! ! (6E.J)

05 ~F.a.b(Ï + a) / (6E.J.!) Fạc.! ! (3E.J)

Độ cứng xoắn có ý nghĩa quan trọng đối với các cơ cấu phân độ, máy phay răng vì

chuyển vị góc làm giảm độ chính xác chế tạo Đối với trục liền bánh răng và trục then hoa,

chuyển vị góc làm tăng sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng và cho các

răng Vì vậy cần hạn chế biến dạng xoắn (góc xoắn) theo công thức:

trong đó G - môđun đàn hồi trượt, MPa, với thép có thể lấy G = 8.10! MPa; J„ - mômen quán

tính độc cực, với tiết điện tròn đường kính d, J, = nd*/32; 1 - chiêu dài doan truc dang tinh,

mm; T - mômen xoắn, N.mm; [@] - góc xoắn cho phép, rad

Nếu góc xoắn tính bằng độ thì (10.18) trở thành:

= Tt 180 < ig)

trong đó [@] - góc xoắn cho phép, độ, lấy gần đúng như sau: với trục chính của máy cắt cỡ

lớn [@] = 5° trên chiều dài l m; với trục của máy van chuyén [@] = 15’ + 20’ trén chiéu dai

1 m; với trục của hộp giảm tốc và hộp tốc độ, [@] = 30° trên chiều dài 1 m

Như vậy có thể thấy rằng, với các máy thông dụng, góc xoắn cho phép khá lớn, tức là

độ cứng xoắn không có vai trò quan trọng, vì vậy không cần kiểm nghiệm về độ cứng xoắn

10 4.3 Tính trục về dao dộng

Khi trục làm việc, dao động xuất hiện do sự thay đổi có chu kỳ của tải trọng, do sự

không cân bằng của các khối lượng quay, do sự phân bố không đều tải trọng trong vùng tiếp

xúc của trục và các chỉ tiết lắp ghép với nó Trục có thể bị dao động ngang, dao động dọc và

188

dao động xoắn Dao động dọc và dao động xoắn có ý nghĩa quan trọng đối với rôto tuabin,

trục khuỷu của động cơ đốt trong, trục chính của máy cắt kim loại , cách tính toán các dao

Dưới đây đề cập đến vấn đề dao động ngang của trục a)

Tính trục về dao động ngang nhằm kiểm tra điều kiện t2 V6, không xảy ra cộng hưởng (tức là khả năng tần số dao động

của lực kích động bằng hoặc bằng bội số tần số riêng của 4)

Giả sử có một trục trên đó lắp một đĩa có khối lượng D —

m và trọng tâm đĩa nằm cách đường tâm trục một khoảng e LJ

và đĩa được đặt cách đều hai ổ trục (hình 10.13a) Bỏ qua

khối lượng bản thân trục, khi trục quay đều với vận tốc œ,

lực ly tâm Fị, tác dụng lên trục, làm cho trục bị vống một khoảng y (hình 10.13b) sé 1a:

Từ (10.23) ta thấy khi tăng vận tốc góc œ, độ võng y tăng và khi œ = vc/m thì y — œ,

nghĩa là ở vận tốc tới hạn này trục sẽ bị phá hỏng Từ œ„ = vc/m SUy ra số vòng quay tới hạn của trục:

Nyy, = 3004/0 = (30/2) fe/m (10.24)

Goi y, = G/c là độ võng tĩnh do trọng lượng G = m.g gây nên, với g = 9810 mm/s là

gia tỐc trọng trường, suy ra c = m.g/y,, đem thay vào (10.23) được:

189

Như vậy để tránh cộng hưởng làm hỏng trục, vận tốc quay khi trục làm việc ổn định

phải nhỏ hơn hoặc lớn hơn vận tốc tới hạn Khi trục quay với số vòng quay gần với số vòng

quay tới hạn trục sẽ bị dao động mạnh và nếu làm việc lâu trong vùng cộng hưởng, trục sẽ

không tránh khỏi bị phá hỏng Mặt khác cần lưu ý rằng, trong (10.23) hoặc (10.24) chưa

tính đến ảnh hưởng của lực giảm chấn (lực ma sát trong, lực cản của môi trường xung

quanh ) do đó khi n = nụ trục không bị hỏng ngay tức khác Vì vậy có thể tăng tốc nhanh

cho œ vượt qua œ¿„ trục sẽ làm việc ồn định Khi œ —> œ thì y > e [xem (10.28)], lúc đó

trục không bị võng nữa

Phần lớn các trục làm việc trong vùng trước tới hạn Để giảm nguy hiểm cộng hưởng

cân nâng cao độ cứng của trục và cho trục làm việc với số vòng quay không lớn hơn

n =0,7nụ

Khi cần làm việc với vận tốc quay lớn, chẳng hạn trong các máy ly tâm và tuabin cao

tốc, người ta sử dụng các trục làm việc trong vùng tới hạn Để có thể vượt nhanh qua vùng

cộng hưởng, các trục này được chế tạo có độ mềm lớn - được gọi là trục mềm, các chỉ tiết

lắp với trục mềm cần được cân bằng cẩn thận, đồng thời tần số quay của trục mềm không

được nhỏ hơn n = 1,3nạ

10.5 CHỈ DẪN VỀ THIẾT KẾ VÀ THÍ DỤ

40.5.1 Chỉ dẫn về thiết kế trục

Số liệu cho trước thường là công suất, số vòng quay và kích thước các chỉ tiết lắp ghép

với trục, đồng thời cũng biết trước điều kiện làm việc của trục Khi thiết kế trục, trước tiên

cần xuất phát từ chỉ tiêu quan trọng nhất về khả năng làm việc của trục là độ bền mỏi để tính

toán thiết kế kết cấu trục, sau đó tùy theo yêu cầu và điều kiện làm việc cụ thể mà tiến hành

tính kiểm nghiệm trục về độ cứng hoặc độ ổn định dao động

Tiến hành như sau:

1 Chọn vật liệu chế tạo trục và tra các giá trị Øp, Ơcn-

2 Xác định tải trọng từ các chỉ tiết quay tác dụng lên trục: theo (10.1) d6i với bánh

răng trụ, (10.2) đối với trục vít, (10.3) đối với bánh răng côn, (7.7) đối với bộ truyền xích,

(8.9), (8.30) và (8.32) đối với đai đẹt, đai hình thang và đai hình lược Lực từ khớp nối tác

dụng lên trục được tính theo công thức:

trong đó d, - đường kính tính toán của khớp nối, mm; T - mômen xoắn, N.mm

3 Xác định phản lực trong các mặt phẳng zOx, zOy (dùng phương trình mômen và

phương trình hình chiếu của các lực trong các mặt phẳng zOx, zOy) va vẽ biểu đổ momen

uốn và mômen xoắn phục vụ cho việc xác định đường kính trục tại các tiết diện tương ứng

4 Tính sơ bộ đường kính các đoạn trục theo một trong các cách sau:

190

a) Trường hợp biết trước chiều dai và khoảng cách từ các chi tiết quay đến gối đỡ (¿,

lạ va 1, trén hình 10.1): sử dụng (10.16) va (10.17) nhưng thay My va Ta: bằng mômen uốn:

M; = Mx + Mi, và mômen xoắn Tj sé tinh được đường kính tại tiết diện bất kỳ j theo công thức:

trong d6: Mya; = \Mj + 0,75T; - momen tuong duong tai tiét dién j cha truc, N.mm;

[co] = 50 + 60 MPa - ting suất uốn cho phép (đối với vật liệu trục là thép CTS 45, 40Cr) b) Trudng hop chua biét chiéu dai va khoang cách giữa các điểm đặt lực:

- Dùng công thức thực nghiệm, chẳng hạn khi trục được nối với trục động cơ điện

bằng khớp nối thì để thuận tiện cho chế tạo và lắp ghép, chọn đường kính trục lắp khớp nối

bằng d =(0,8 + 1,2)đạc, với dạ, - đường kính trục động cơ điện, phụ thuộc vào loại và công suất động cơ;

- Tính trục chỉ theo mômen xoắn (vì không thể xác định được mômen uốn khi chưa biết khoảng cách giữa các điểm đặt lực) theo công thức:

được dùng để tính đoạn trục lắp với một chỉ tiết quay (bánh răng, bánh vít)

Như vậy ở trường hợp b) này mới chỉ tính được đường kính một đoạn trục, đường kính các đoạn khác và chiều dài trục được xác định bằng cách:

+ dựa vào đường kính trục vừa tính được, tra chiều rộng ổ lăn hoặc xác định chiều dài

ổ trượt rồi dựa vào sơ đồ trục và điều kiện làm việc cụ thể để chọn khe hở, chiều dài mayơ của các chỉ tiết quay Jy; = (1,2 + l,6)d; với d¡ - đường kính trục lắp với chỉ tiết quay tại tiết

điện j, từ đó suy ra khoảng cách giữa các điểm đặt lực và áp dụng (10.27) để tính đường kính các đoạn trục;

+ dựa vào đường kính vừa tính được để chọn sơ bộ đường kính và chiều đài các đoạn trục khác (theo kinh nghiệm)

5 Thiết kế sơ bộ kết cấu trục: dựa vào các đường kính được xác định sơ bộ theo độ

bền tĩnh, chú ý thêm các yêu cầu về lắp ghép, tháo lắp thuận tiện, không làm hỏng bể mặt trục) và công nghệ (thuận tiện khi gia công và đảm bảo độ chính xác cần thiết) để thiết kế kết cấu trục, chọn then hoặc then hoa và chọn kiểu lắp (đối với lắp có độ dôi) để cố định các

191

chỉ tiết quay lên trục Theo quan điểm công nghệ, khi dùng then để ghép các chỉ tiết quay trên một trục có đường kính khác nhau, nên chọn then có cùng kích thước tiết diện và chiều

dài, xuất phát từ đường kính trục bé hơn vì rằng khi cùng chịu mômen xoắn T, đường kính càng lớn thì lực vòng F, = 2T/d càng nhỏ, do đó độ bền mối ghép then hoàn toàn được đảm bảo

6 Tính toán trục về độ bền mỏi bằng cách kiểm nghiệm hệ số an toàn tại một vài tiết diện trục theo (10.11), (10.12) và (10.13) với điều kiện §; > [S], trong đó [S] = 1,5 + 2,5

Khi tiến hành bước tính này có thể xảy ra hai tình huống cần được xử lý:

a) Hệ số an toàn nhỏ hơn trị số cho phép (S; < [S]) tức là độ bền mỏi của trục tại tiết

diện đang xét không được đảm bảo, trục có thể gãy hỏng khi làm việc, trường hợp này có thể

xử lý theo hai hướng:

- tìm các biện pháp giảm tập trung ứng suất, chẳng hạn dùng dao phay đĩa thay cho dao phay ngón để gia công rãnh then; tăng bán kính góc lượn hoặc dùng các biện pháp tăng

bền bề mặt;

- tăng đường kính trục và lập lại bước tính này cho đến khi thỏa mãn điều kiện S; 2 [S]

b) Hệ số an toàn lớn hơn nhiều so với trị số cho phép, trước khi xử lý cần xem xét tiết

diện trục đang tính có phụ thuộc vào các tiết diện khác hay không Nếu vì lý do lắp ghép

hoặc công nghệ mà đường kính trục của tiết diện đang tính phải lớn thì cần chấp nhận mà

không xử lý; trái lại có thể giảm bớt đường kính trục và lập lại bước tính này cho đến khi

chấp nhận được

7 Kiểm nghiệm độ bền dập của then hoặc răng then hoa: theo (10.10) điều kiện bền

đập có dạng:

j= Zt d,Azw * [oq] < (10.29)

trong đó đối với then hoa - xem giải thích 6 muc 10.3.2; đối với then ghép lỏng z = 1; dy, ~ d;

v=1;A=0,5 hl d6i với then hoa bằng (hình 10.4) va A = (t + h ~ d)./ (đối với then bán

nguyệt - hình 10.6); / - chiều dài then, / ~ (0,8 + 0,9).In.; [ơ] - ứng suất đập cho phép, MPa,

đối với mối ghép cố định, vật liệu mayơ bằng thép, lấy bằng 150, 100 và 50 MPa ứng với tải

trong tinh, va dap nhẹ và va đập nang

8 Kết hợp với tính toán ổ trượt hoặc ổ lăn để quyết định lần cuối kết cấu trục, khi cần

thiết thì tiến hành kiểm nghiệm trục về quá tải, độ cứng và dao động

10.5.2 Thí dụ

Thiết kế trục có sơ đồ vẽ trên hình 10.14 với các số liệu sau đây: P = 14,85 kW,

n = 1450 vg/ph, /; = 170 mm, /, = 70 mm, /; = 60 mm; bánh răng chủ động 3 lap trén truc

có đường kính vòng chia dạ = 61,3 mm, môđun m = 2,5 mm, chiều rong vanh rang b,, = 52

mm, g6c nghiéng cla rang B = 11,88°, răng hướng phải; trên đầu vào của trục lắp khớp nối

192

di động có đường kính d, = 84 mm để nối với trục động cơ điện đường kính dụ, = 42 mm; trục quay một chiều, cùng chiêu kim đồng hồ

Giải

1 Chọn vật liệu trục: dùng thép 45 thường hóa, có giới hạn bền ơøy = 600 MPa

2 Xác định trị số và chiều của các lực từ bánh răng và khớp nối tác đụng lên trục theo (10.1) véi cb; = 1, cq =~—1, hr3 = 1,13 > 0, tính được:

F,3 = -1391 N, Fy3 = -1161 N, F,3 = -671N Với dấu như trên, chiều của các lực biểu diễn trên hình 10.14

Theo (10.26):

F„a= 0,3 2.T/ dụ =0,3.2 97800 / 84 = 698 N trong dé: T = 9,55.10°P/n = 9,55.10°.14,85/1450 = 97800 N.mm; chiều của F„; được chon ngược với chiều của F„ , tức F„; > 0, như vậy đã làm tăng mômen uốn ở tiết diện nguy hiểm (tiết điện lắp bánh răng)

3 Xác định phản lực và vẽ biểu đồ mômen:

Viết các phương trình mômen và phương trình hình chiếu của các lực trong hai mặt phẳng zOx, zOy đối với gối đỡ 0 và I (hình 10.14) sẽ tính được các phản lực:

ĐM,¿= Fyal + Fala — Fadi =O —> tính được F.l¿¡

>X=E.L¿+F.lị+F¿¿—Fxa=0 — tính được F.Í¿o

Thay các giá trị của lực và khoảng cách, tính được:

F.,¿=1078N, E.¡=1413N

Tương tự tính được:

Fly = 872 N, Fly; = 289 N Biéu dé momen u6n trong hai mat phang zOx, zOy va biểu đồ mômen xoắn vẽ trên hình 10.14

4 Tính sơ bộ đường kính các đoạn trục: vì đã biết khoảng cách giữa các điểm đặt lực

nên ta sử dụng (10.27) để tính đường kính tại các tiết diện j= 0,1,2, 3 ứng với vị trí lắp khớp nối, ổ lăn trái, bánh răng và ổ lăn phải như trên hình 10.14; chẳng hạn tại j = 2 (tại chỗ lắp bánh răng):

Vì đầu vào của trục lấp với trục

thiểu d, = 0,8.dy, = 0,8 42 = 33,6 mm Hele Fatt bee, ` J

Nhu vay ta chon dudng kinh céc doan truc ‘x2 Fo :

be

5 Thiết kế kết cấu trục: vì khoảng 48800 Nmm

cách từ đáy răng đến đường kính trục tại

tiết diện lắp bánh răng đủ lớn (> 2,5m =

2,5 2,5 = 6,25 mm) nên bánh răng được 5230 20560 Nmm

kết hợp với lắp có độ dôi

đường kính d = 30 + 38 mm ta chọn cùng

kích thước tiết diện then b x h = 10 x 8

mm cho cả hai bể mặt trục lắp khớp nối |

và bánh răng Tương ứng, chiều sâu rãnh'then trên trục t¡ = 5 mm; với mômen xoắn không lớn, chọn kiểu lắp k6 cho cả hai bể mặt trục lắp với khớp nối và bánh răng Kết cấu trục sơ

bộ thể hiện trên hình 10.1

6 Tính toán độ bền mỏi của trục: vì các tiết diện trục đều đã lấy tăng đường kính (để

đảm bảo lắp ghép) nên trong trường hợp đang xét chỉ cần kiểm nghiệm hệ số an toàn ở tiết

điện nguy hiểm nhất - đó là tiết diện lắp bánh răng chịu mômen lớn nhất, có tập trung ứng

suất do rãnh then và do lắp có độ dôi, đồng thời chênh lệch giữa đường kính tính toán (dạ =

33,28) và đường kính chọn (d; = 38 mm) ít nhất Kết quả tính toán như sau:

- Vì trục được gia công trên máy tiện đạt độ nhám R„ = 2,5 + 0,63 mm do đó theo

bang 10.2, với ơy = 600 MPa, hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt K, = 1,06

Không dùng phương pháp tăng bền bề mặt, do đó Ky =1

Theo bảng 10.5, với ơy = 600 MPa, dùng dao phay ngón, Kg = 1,76, K, = 1,54 Theo

bảng 10.4, tra được s„ = 0,856, s¿ = 0,786, do đó Kg/ & = 2,056, K, /€, = 1,96

Theo bảng 10.7, với ơy = 600 MPa, kiểu lắp k6, tra được K„ / Eq = 2,06, K,/€, = 1,64

Vậy lấy gid tri K,/ €, do lip cé do doi (= 2,06) va K, / €, do lap then (= 1,96) dé tinh

Koa va Kzg theo (10.14) va (10.15):

Keg = (2,06 + 1,06 — 1)/1=2,12

Vì đối với trục quay, ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng, đối với trục quay

một chiều ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động nên theo (10.4) và (10.5):

ma = Ö, Øạ; = Mạ / W¿ = 163870 / 4670,6 = 35,08 MPa Tm2 = O, Taz = Tz / 2Wo2 = 97800 / 2 10057,7 = 4,86 MPa

trong dé o_, = 0,4360, = 0,436 600 = 261,6 MPa; t_; = 0,580_, = 0,58 261,6 = 151,7 MPa

3,51.15,45

%= ———2^2— = 3,43 >[S] = 1,5 + 2,5 43,512 +15,457

Hệ số an toàn S; tính được tuy lớn hơn đáng kể so với hệ số an toàn cho phép nhưng

đo yêu cầu lắp khớp nối, ta chấp nhận kết quả này

7 Kiểm nghiệm độ bền dập của then:

Chiều rộng mayơ bánh răng /„ = (1,2 + 1,6)đ; = (1,2 + 1,6).38 = 45 + 60 mm so với

chiéu rong vanh rang b,, = 52 mm, lay /,, = by, = 52 mm Chiéu dai then:

1=0,8.1,, =0,8 52 =42 mm

Theo (10.29): |

2.97800

Oy 38.05.8.42 30,6 MPa < [oy] = 150 MPa

8 Kết cấu hoàn chỉnh của trục sẽ được quyết định sau khi chọn ổ lăn Vì hệ số an toàn

tương đối lớn, do đó không cần tính trục về độ cứng, đồng thời do số vòng quay n không lớn nên không cần tính trục về đao động

Câu hỏi tự kiểm tra

† Phân biệt trực tâm và trục truyền

2 Thế nào là kết cấu trục hợp lý? Các biện pháp nâng cao độ bền mỏi của trục

3 Lắp ghép các chỉ tiết lên trục ảnh hưởng như thế nào đến kết cấu và độ bền mỏi của trục? Các yêu cầu cần đạt được khi tiến hành lắp ghép và chọn kiểu lắp

4 Vai trò của các thành phần lực từ các bộ truyền và khớp nối tác dụng lên trục?

5 Các loại và đặc tính thay đổi của ứng suất trong các tiết diện trục Vì sao độ bền mỏi là chỉ tiêu cơ bản trong tính toán trục?

6 Các hướng xử lý khi hệ số an toàn về độ bền mỏi quá nhỏ hoặc quá lớn so với hệ số an toàn cho

phép

195

Chương 11

Ổ TRƯỢT

11.1 KHÁI NIỆM CHUNG

6 trượt dùng để đỡ trục, giữ cho trục có vi trí xác định trong không gian, tiếp nhận tải

Theo dạng ma sát trong ổ, phân ra: Ổ ma sát Bf

trượt, gọi tắt là ổ trượt và ổ ma sát lăn, gọi tắt là ổ lăn 37 ñ ta 1 a

2—ÑÑ

Theo khả năng tiếp nhận tai trong phan ra: 6 NIN

Wey + ky

góc với đường tâm ngõng trục), ổ chặn tiếp nhận tải X— _ ⁄

trọng dọc trục F, và ổ đỡ - chặn tiếp nhận tải trọng

hướng tâm F, và tải trọng đọc trục Fạ Hinh 11.1

Khả năng làm việc và tuổi thọ của máy phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng của ổ trượt

41.1.2 Khái niệm về ổ trượt

Trên hình 11.1 trình bày kết cấu

nhất của ổ trượt là lót ổ ¡ được cố định 4\~

vào thân ổ 2 và nắp ổ 3 hoặc được lắp trực Fr We ⁄ c) IF

Ngõng trục được lắp trên ổ trượt —ịA `

theo các kiểu lấp có độ hở, trị số của độ L a} 4) d)

hở có ảnh hưởng quan trong đến khả năng Hình 112

làm việc của ổ trượt (xem mục 11.2.2)

Bề mặt làm việc của ngõng trục và lót ổ có thể là mặt trụ (hình 11.2a), mặt phẳng

(hình 11.2b), mặt côn (hình 11.2c) hoặc mặt cầu (hình 11.2đ) Phần lớn các ổ trượt đỡ (hình

11.2a) ngoài khả năng chịu lực hướng tâm là chủ yếu, còn có thể chịu được lực đọc trục nhỏ

nhờ mép ổ tì vào vai trục (lúc này cần chú ý vát tròn mép ổ với bán kính lớn hơn so với bán

kính góc lượn ở vai trục)

Ổ trượt chặn (hình 11.2b) thường được bố trí làm việc phối hợp với ổ trượt đỡ để chịu

đồng thời lực hướng tâm và lực dọc trục lớn

6 trượt có bề mặt côn (hình 11.2c) thường chỉ sử dụng khi tải trọng không lớn và cần

196

định kỳ điều chỉnh khe hở do mòn ổ nhằm đảm bảo độ chính xác của cơ cấu Trong trường hợp này người ta lắp một bạc hình côn có vị trí được điều chỉnh bằng đai ốc

Khi trục quay giữa ngõng trục và lót ổ có sự trượt tương đối do đó xuất hiện ma sát

trượt trên bề mặt làm việc của ngõng trục và lót 6

11.1.3 Các dạng ma sát trong ổ trượt

Tùy thuộc vào vấn đề bôi trơn bể mặt tiếp xúc của ngõng trục và lót ổ, trong ổ trượt có thể có các dạng ma sát sau:

a) Ma sát khô và nửa khô: xây ra khi các bề mặt làm việc không được bôi trơn Thực

tế dù được làm sạch rất cần thận, trên bề mặt làm việc vẫn tồn tại màng mỏng khí, hơi 4m ,

vả lại ngay cả khi dùng lót ổ bằng vật liệu không kim loại như gỗ ép, chất dẻo v.v vẫn nên dùng nước để bôi trơn, do đó thực tế trong các ổ trượt này xuất hiện ma sát nửa khô, với hệ

số ma sát vào khoang 0,1 + 0,3

b) Ma sát nửa ướt: ở các ổ trượt được bôi trơn nhưng

lớp dầu không đủ dày để ngập các mấp mô bề mặt ngõng

trục và lót ổ thì ma sát nửa ướt xuất hiện Màng dầu bôi trơn

tuy được hình thành ổn định nhưng tại các chỗ chịu áp suất

lớn có thể bị cắt đứt, làm cho các đỉnh của bề mặt kim loại

trực tiếp tiếp xúc với nhau Chính vì vậy hệ số ma sát nửa

ướt không những phụ thuộc vào chất lượng dầu mà còn phụ

thuộc vào vật liệu của các bề mặt tiếp xúc Trị số của hệ số

ma sát nửa ướt vào khoảng 0,008 + 0,1

Hình 11.3

C) Ma sát ướt: Được hình thành khi bề mặt ngõng trục và lót ổ được ngăn cách bởi lớp

chất bôi trơn đủ dày: chiều dày h của lớp bôi trơn lớn hơn tổng số chiều cao R„ của các mấp

mô bề mặt (hình 11.3):

h>R, +R,» (11.1)

trong đó Rạ¡, Rz; - chiều cao mấp mô của prôfin theo 10 điểm trên bề mặt ngõng trục và lót ổ Nhờ có lớp dầu đủ dày ngăn cách, các bể mặt làm việc của ngõng trục và lót ổ không tiếp xúc trực tiếp với nhau, do đó không bị mòn Lúc này chỉ có nội ma sát của lớp dầu cản

lại sự chuyển động tương đối, do đó trị số của hệ số ma sát ướt khá nhỏ chỉ bằng 0,001 +

0,005, tức là có thể nhỏ hơn hệ số ma sát lăn

Rõ ràng là ổ trượt làm việc tốt nhất khi đảm bảo chế độ bôi trơn ma sát ướt cho ổ

11.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ổ TRƯỢT

11.2.1 Ma sát ướt và nguyên lý bôi trơn thủy động

Chế độ bôi trơn ma sát ướt có thể thực hiện bằng cách:

- Dùng bơm bơm dâu vào 6 với áp suất đủ lớn để ngõng trục được nâng lên Ổ trượt làm việc trong trường hợp này là ổ huỷ rĩnh Bôi trơn thủy tĩnh đòi hỏi phải có thiết bị nén

197

và dẫn dầu phức tạp nhưng định tâm trục chính xác và giảm mòn khi mở và dừng máy

- Tạo những điều kiện nhất định để dầu theo ngõng trục vào trong khe hở của 6, tạo

nên áp suất thủy động Ổ làm việc trong trường hợp này là ổ thủy động

Bôi trơn thủy động được thực hiện theo nguyên lý sau đây:

Giả sử có hai tấm phẳng A và B ngâm trong đầu và chịu một lực F (hình 11.4) Tấm A

chuyển động đối với tấm B với vận tốc 0 Nếu 0 nhỏ (hình 11.4a) thì tấm A sẽ ép dầu ra khỏi

tấm B và bề mặt của hai tấm trực tiếp tiếp xúc với nhau, lúc này hình thành chế độ ma sát

nửa ướt

Khi vận tốc 0 tăng lên

đủ lớn (hình 11.4b) tấm A sẽ

được nâng lên trong dầu tạo

nên khe hở hình chêm (tương

tự trường hợp lướt ván) Nhờ

có độ nhớt các lớp dầu sẽ liên Hinh 11.4

tục chuyển động cùng với tấm

A, bị dồn vào phần hẹp của khe hở, bị nén lại do đó tạo nên áp suất dư, cân bằng với tải

trọng F Lúc này chuyển động được thực hiện trong chế độ ma sát ướt và áp suất thủy động

được hình thành trong khe hở hình chêm thay đổi theo phương trình Râynôn:

dp _ h—-h,,

trong dé h, h,, - tri s6 khoang hở ứng với áp suất p và pmạx: H - độ nhớt động lực của dầu

Đồ thị biến thiên của áp suất thủy động (áp suất dư) trong lớp dầu được biểu diễn trên

hình 11.4b, ở đó tại các cửa vào và ra áp suất này bằng 0

Như vậy điều kiện để hình thành chế độ ma sát ướt bằng phương pháp bôi trơn thủy

động là:

- giữa hai mặt trượt phải có khe hở hình chêm;

- dầu phải có độ nhớt nhất định và liên tục chảy vào khe hở hình chêm;

- vận tốc tương đối giữa hai mặt trượt phải có chiều thích hợp và trị số đủ lớn để đảm

bảo khả năng áp suất sinh ra trong lớp dầu cân bằng với tải trọng ngoài

Trong thí dụ trên hình 11.4, khe hở hình chêm được tạo thành nhờ mép vát của tấm A,

trái lại nếu kết cấu ổ trượt không có khe hở hình chêm như trường hợp ổ chặn trên hình

11.2b thì không thể tạo nên ma sát ướt bằng phương pháp bôi trơn thủy động được Muốn

tạo ra khe hở hình chêm và điều kiện ma sát ướt, mặt tựa của ngõng đứng cần có kết cấu như

hình ¡1.10 b, c

Đối với ổ đỡ, khe hở hình chêm được hình thành tự nhiên nhờ đường kính ngõng trục

nhỏ hơn đường kính lót ổ và tâm ngõng trục nằm lệch so với tâm ổ khi trục quay

Cc

198

11.2.2 Khả năng tải của ổ trượt

Sơ đồ tính toán khả năng tải của ổ trượt bôi trơn ma sát ướt vẽ trên hình 11.5 Ở đó

đường tâm O¡O quay một góc ọ, (theo chiều quay của trục) so với đường tác dụng của lực

F; Dầu bị cuốn vào khoang hẹp dần giữa ngõng trục D

và lót 6, bị nén lại và tạo ra áp suất cân bằng với tải

đường kinh; y = 6/d - dé ho tuong déi; h,,;, - khe hở 3

nhỏ nhất chính là chiều dày nhỏ nhất của mang dầu, =

e = õ/2 — hm¡n - độ lệch tâm tuyệt đối; x - độ lệch tâm & e Oe AAG

Sử dụng (11.2) trong hệ tọa độ độc cực (thay h = họ , hạ = hạ, ) sau khi biến đổi ta

trong đó œ = 2u/d - vận tốc góc của ngõng trục

Áp suất tại tiết diện ứng với góc @:

ọ

Po = fap

1

Do đó thành phần thẳng đứng của pạ:

Đọa = PoCOS[7t ~ (0; + @)] = ~pạ€os(@, + @)

Tích phân pạa trong miền có áp suất thủy động giới hạn bởi góc @¡ và ọ; và có chiều dài là chiều dai / cha 6, sẽ cân bằng với tải trọng ngoài F,:

199

của ổ, được xác định bằng phương pháp tích phân đồ thị Cp

phụ thuộc vào độ lệch tâm tương đối x và chiều dài

tương đối //d ứng với trường hợp ọ; - @; = 180” (chêm

dầu choán một nửa cung tròn) và có xét đến hiện tượng !9

dầu chảy ra hai mép ổ (do chiều dài có hạn), trị số Cpr

được thể hiện bằng đồ thị vẽ trên hình 11.6

Từ (11.4) có thể thấy rang, kha nang tai chad Ê

trượt phụ thuộc vào các thông số kết cấu của ổ như khe

hở tương đối ự, chiều dài tương đối //d và độ lệch tâm

tương đối x, đồng thời cũng phụ thuộc vào vận tốc gócœ 2

của trục và độ nhớt của dâu bôi trơn Khả năng tải F; của p

ổ trượt tăng lên khi tăng œ, u và giảm Nói cáhkhác 94 05 06 07 08 09%

ở ổ trượt bôi trơn ma sát ướt theo phương pháp thủy Hinh 11.6

động, do khả năng tải của ổ giảm khi nó làm việc với số

vòng quay thấp nên chế độ ma sát ướt rất khó được đảm bảo Do đó đối với các trục quay

chậm, tải nặng người ta sử dụng ổ thủy tĩnh và màng dầu bôi trơn được hình thành nhờ dùng

bơm bơm dầu vào ngõng trục với áp suất đủ lớn

12

11.2.3 Kết cấu và vật liệu ổ trượt

Kết cấu ổ trượt rất đa dạng, phụ thuộc vào kết cấu máy Rất hay gặp ổ trượt không có

thân ổ riêng, khi đó lót ổ được lắp trực tiếp trên thân máy (hình 11.7a) hoặc trên khung máy

(hình 11.7b) Kết cấu này thường gặp ở các ổ của động cơ, tuabin, máy cắt, hộp giảm tốc

v.v Ổ có thân riêng (hình 11.1) và (hình 11.8) chủ yếu được dùng trong các thiết bị như

băng chuyền, máy nâng, trục truyền chung v.v Khi đó thân ổ sẽ được cố định trên khung,

dàn hoặc cột

Thân ổ và lót ổ có thể được chế tạo nguyên (hình 11.8) hoặc rời, thường là hai nửa,

ghép lại với nhau (hình 11.1) 6 ghép cho phép tháo lắp trục dễ dàng, đồng thời có thể phần

nào điều chỉnh được khe hở giữa lót ổ và ngõng trục Nhưng ổ nguyên rẻ hơn và cứng hơn ổ

ghép Lót ổ ở ổ nguyên thường được ép vào thân ổ Mặt ghép của lót ổ ghép nên nằm trong

mặt phẳng vuông góc với phương tác dụng của lực F; (hoặc gần như vuông góc - hình 11.9a)

như thế khả năng tải của lớp dầu không bị giảm (hình 11.11) Trường hợp xuất hiện biến

dạng lớn của trục hoặc khó lắp chính xác, nên sử dụng ổ tự lựa (hình 11.9b) ở đó mặt ngoài

của lót ổ có dạng mặt câu, cho phép ổ có thể quay đối với đường tâm của trục

200

trượt cần quan tâm đây đủ đến vị trí và hình dạng rãnh dẫn

dầu Vị trí chỗ cho dầu phải nằm ngoài vùng có áp suất thủy

động, nếu không khả năng tải của ổ sẽ giảm (hình 11.11) Chỗ

cho dầu thường ở phía trên (hình 11.8) hoặc ở bên cạnh (hình

11.7b)

Rãnh dẫn dầu giúp cho việc phân bố đều dầu bôi trơn

trong 6 Ranh dầu có thể nằm đọc trục (hình 11.7 và 11.8), vòng

theo chu vi qua lỗ cho dầu Chiểu dài rãnh dầu dọc thường lấy

bằng 0,8 chiều đài lót ổ, như thế dầu không bị ứa ra hai mép ồ

Tỷ số i/d giữa chiều dài ổ và đường kính ngõng trục được

chọn theo điều kiện làm việc cụ thể Khi cần hạn chế kích thước dọc trục hoặc ổ có khe hở

nhỏ, vận tốc làm việc lớn thì nên lấy //d nhỏ, nhưng không nhỏ quá vì khi đó dầu dễ bị ứa ra

hai mép ổ làm giảm khả năng tải của ổ Ngược lại khi tăng //d, áp suất trung bình trong ổ

giảm nhưng khi trục bị nghiêng sẽ làm tăng áp suất ở hai mép ổ và làm hỏng mép ổ Đối với

nhiều loại máy, thường chọn //d = 0,6 + 1

Vật liệu lót ổ (chi tiết chủ yếu của ổ trượt) cần có hệ số ma sát thấp, có khả năng

chống dính, giảm mòn, và có đủ độ bền

Thường dùng các loại vật liệu sau đây để chế tạo lót 6:

Babit là hợp kim có thành phần chủ yếu là thiếc hoặc chì Đây là loại vật liệu giảm ma

sát tốt nhất đối với ổ trượt nhờ hệ số ma sát thấp, giảm mòn và chống dính rất tốt Tuy nhiên

vì babit có cơ tính thấp nên nó thường chỉ được tráng một lớp mỏng (khoảng vài phần mười

milimet) trên nên đồng thanh, thép hoặc gang Babit được sử dụng ở các ổ trượt quan trọng,

chịu tải nặng hoặc trung bình (ở các động cơ điezen, máy nén v.v.)

Đồng thanh được dùng để chế tạo lót ổ làm việc với vận tốc trung bình, tải trọng lớn,

sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn Trong các loại đồng thanh, đồng thanh thiếc

(BpO® 10-1, BpOLIC 6-6-3 ) c6 tinh giảm ma sát tốt nhất; đồng thanh nhôm sắt và đồng

thanh chì gây mòn nhanh ngõng trục, vì thế khi sử dụng loại vật liệu này ngõng trục nhất

thiết phải được tôi Riêng đồng thanh chì rất thích hợp với trường hợp ổ chịu tải va đập thay

đổi dấu

Gang được dùng ở các cơ cấu ít quan trọng, quay chậm, trong đó gang giảm ma sát

được dùng nhiều hơn cả, gang xám thông thường như GX15-32, GX18-36 được sử dụng

khi 0 < 0,5 + 1 m/s, áp suất p = l + 2 MPa

Gốm kim loại: được chế tạo bằng cách ép rồi nung bột kim loại (bột đồng hoặc bột sắt

và các chất phụ là graphit, thiếc hoặc chì) ở nhiệt độ 850 ~ 1100°C và áp suất p tới 700 MPa

Gốm kim loại có nhiều lỗ rỗng sau khi chế tạo xong được ngâm trong dầu ở nhiệt độ 110 ~

120°C trong thời gian 2 ~ 3 h Các lót ổ bằng gốm kim loại, nhờ khối lượng dầu ngấm vào các lỗ

rỗng, khi làm việc tự ứa ra bôi trơn, nên thích hợp cho các ổ quay chậm và khó cho đầu

Vật liệu không kim loại gồm chất dẻo, gỗ ép, cao su nhờ khả năng chống dính én

định, chạy mòn tốt và có thể bôi trơn bằng nước nên rất thích hợp đối với các 6 trong máy

thủy lực, máy thực phẩm v.v

11.2.4 Cac dang hỏng và chỉ tiêu tính toán

Mòn lót ổ và ngõng trục, xuất hiện đo kết quả tác dụng của áp suất đối với các ổ

không bôi trơn hoặc có bôi trơn nhưng lớp dầu không đủ dày để ngăn cách sự tiếp xúc trực

tiếp của hai bề mặt ma sát là lót ổ và ngõng trục Màng dầu không đủ dày thường là do

không thể thực hiện chế độ bôi trơn ma sát ướt cho ổ, nhưng ngay cả khi ổ được thiết kế đảm

bảo bôi trơn ma sát ướt thì lúc mở máy hoặc dừng máy lớp đầu vẫn không đủ dày do vận tốc

thấp hơn lúc ổ trượt đang làm việc ổn định Mòn càng tăng nếu trong đầu có lẫn hạt mài

202

Đính xuất hiện do áp suất và nhiệt độ cục bộ trong ổ quá lớn Nhiệt độ do ma sát sinh

ra được thoát qua thân ổ, trục và lớp dầu bôi trơn Nhiệt độ càng tăng, độ nhớt của dầu càng giảm và hiệu quả bôi trơn càng kém, gây nên hiện tượng dính giữa ngõng trục và lót ổ, làm cho lớp kim loại trên bề mặt lót ổ bị chảy dẻo

Mới rõ lớp bề mặt lót ổ do tác dụng của tải trọng thay đổi (chẳng hạn lót ổ trong các

cơ cấu pittông, các máy chịu va đập và rung động v.v.)

Để tránh các dạng hỏng kể trên, tốt nhất là tính toán, lựa chọn các thông số đảm bảo cho ổ làm việc trong chế độ bôi trơn ma sát ướt Đây là chỉ tiêu tính toán cơ bản đối với ổ trượt Tuy nhiên không phải lúc nào cũng tạo được điều kiện để ổ làm việc với chế độ ma sát

ướt mà nhiều khi ổ làm việc với chế độ ma sát nửa ướt hoặc nửa khô, hơn nữa dù ổ làm việc

với chế độ ma sát ướt thì khi đóng mở máy vẫn xảy ra ma sát nửa ướt, do đó còn tiến hành

tính ổ theo áp suất trung bình p và tích số của ấp suất này với vận tốc vòng, tức là theo p.U

nhằm hạn chế mòn và dính xảy ra trong ổ

11.3 TÍNH TOÁN Ổ TRƯỢT

11.3.1 Tính ổ trượt bôi trơn ma sát ướt

Điều kiện để thực hiện chế độ bôi trơn ma sát ướt trong ổ là [xem(11:1)]:

Rõ ràng chiều đày nhỏ nhất của lớp dầu bôi trơn h„¡ạ cũng chính là khe hở nhỏ nhất của ổ trượt, xác định theo (11.3):

với 0 - vận tốc vòng của ngõng trục đường kính d, m/s -

Để xác định độ lệch tâm tương đối + trong (11.6), cần xác định hệ số khả năng tai Cp

Biết p = FŒ.d), với tỷ số //d = 0,6 + 1, và chọn loại dầu (do đó có độ nhớt w) dựa vào

Cp sẽ tra được x trên hình 11.6

Như vậy thực chất của tính toán ổ trượt bôi trơn ma sát ướt là dựa vào đường kính

ngõng trục và vận tốc góc œ, tiến hành lựa chọn các thông số kết cấu của ổ và đầu bôi trơn

(y, 1/d, u) cũng như chọn chế độ gia công sao cho điều kiện (1 1.5) được thoả mãn

11.3.2 Tinh 6 trugt theo p va tich sé p.v

Ap suất đặc trưng cho khả năng tải của ổ, còn tich s6 p.v đặc trưng độ mòn của 6 và

phần nào thể hiện nguy hiểm về dính

Muốn cho ổ làm việc bình thường tức là không bị mòn quá mức cho phép, không bị

dính và nung nóng quá mức, phải đảm bảo các điều kiện sau:

F,

oF, ha

trong đó đã thay vận tốc vòng 0 = md.n/60000 m/s; J, d - chiều dài ổ và đường kính ngõng

trục; [p], [p.u] - trị số cho phép của áp suất và tích số của áp suất và vận tốc vòng, cho trong

11.3.3 Tính toán nhiệt

Tính toán nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với các ổ trượt quay nhanh nhằm xác định nhiệt độ làm việc trong ổ và kiểm tra độ nhớt của dầu bôi trơn Tính toán nhiệt xuất phát từ

phương trình cân bằng nhiệt: nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượng thoát đi

Nhiệt lượng sinh ra trong ổ trong một giây:

trong đó F; - lực hướng tâm, N; 0 - vận tốc vòng, m/s; f - hệ số ma sát tinh từ tỷ số f/ tra trên hình 11.12a theo tỷ số //d và x

Nhiệt lượng thoát ra môi trường xung quanh gồm phần thoát theo dầu bôi trơn qua ổ

Qi và phần thoát qua than 6 va truc Qp

Nhiệt lượng thoát theo dầu chảy qua ổ trong một giây bằng:

trong đó C = I,7 + 2,1 - nhiệt dung riêng của dầu, kJ/(kg.°C) ; y = 850 + 900 - khối lượng

riêng của dầu, kg/mỶ; At = tr — ty - hiệu nhiệt độ dầu ra và vào; Q - lưu lượng dầu chảy qua

ổ, mỶ/s, tính từ tỷ số Q/.œ.!.d2 tra theo x và //d trên hình 11.12b

a vuidt 0i2

005 0.04

0.03 & 05 06 07 0.8 62 X 03 A( OF 06 E2 a8 2%

Còn nhiệt độ dầu ở cửa ra bằng:

Trung bình lấy t„ = 35 + 45°C và t, = 80 + 100°C

Sử dụng (11.14) và (11.15) sẽ xác định được nhiệt độ làm việc của ổ, từ đó kiểm tra

xem nhiệt độ có làm giảm độ nhớt tới mức làm giảm khả năng của ổ không?

11.4 BÔI TRƠN Ổ TRƯỢT VÀ CÁC BỀ MẶT TIẾP XÚC

11.4.1 Vật liệu bôi trơn

Sử dụng vật liệu bôi trơn nhằm giảm mòn và ma sát các bề mặt tiếp xúc Vật liệu bôi

trơn được đánh giá bằng các tính chất như độ nhớt, độ bám dính, điểm đông đặc (còn gọi là

độ linh động) và độ ổn định chống oxy hóa, trong đó độ bám dính và độ nhớt là những đặc

trưng quan trọng nhất

Độ bám dính là khả năng hình thành và hấp phụ vững chắc trên bề mặt tiếp xúc các

lớp màng phân tử rất mỏng chịu được lực ma sát Nhờ tính chất này, chất bôi trơn có thể làm

giảm ma sát và mài mòn khi ổ trượt làm việc trong chế độ ma sát nửa ướt hoặc nửa khô

Độ nhớt là khả năng cản trượt của các lớp chất bôi trơn đối với nhau Độ nhớt có ý

nghĩa quan trọng đối với khả năng tải của ổ trượt làm việc trong chế độ ma sát ướt

Khi tính toán bôi trơn thủy động, sử dụng độ nhớt động lực Đó là lực cần thiết để

làm di trượt lớp chất lỏng có diện tích ] mỶ đối với lớp chất lỏng cách nó 1 m với vận tốc I

m/s Như vậy đơn vị của độ nhớt động lực là N.s/m? Thường dùng đơn vị nhỏ hơn là poazơ

và centipoazơ, ký hiệu là P và cP, 1 cP = 10 * N.s/m?

Trong sản xuất thường dùng độ nhớt động học v xác định bằng phương pháp gián tiếp

theo thời gian chảy của một khối lượng đầu nhất định từ dụng cụ chuyên dùng đo độ nhớt

Đơn vị của độ nhớt động hoc là mỶ/s Trong thực tế thường dùng đơn vị nhỏ hơn là

Stoc va centistôc, ký hiệu là St và cSt, 1 cSt = 105 m”/s = mm” /s

Độ nhớt động lực u và độ nhớt động học v liên hệ với nhau theo công thức:

h=y‹V

trong đó y - khối lượng riêng của chất bôi trơn, kg/mẺ

Chú ý rằng độ nhớt phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ (độ nhớt giảm mạnh khi nhiệt độ

tăng) vì vậy cho trị số độ nhớt phải kèm theo nhiệt độ

Các loại vật liệu bôi trơn: vật liệu bôi trơn bao gồm dầu, mỡ và chất cứng bôi trơn

Đầu là loại vật liệu bôi trơn chủ yếu, gồm dầu khoáng, dầu động vật và dầu thực vật

Hai loại sau bôi trơn rất tốt, dễ thực hiện ma sát ướt nhưng đắt và dễ biến chất nên ít dùng

Dầu khoáng được chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất chân không 6

phân đoạn 350° dén 500°C, khi ding thuéng cho thém phy gia dé đáp ứng các yêu cầu sử

dụng Dầu khoáng được dùng nhiều nhất để bôi trơn ổ trượt nhờ các ưu điểm: hệ số ma sát

206

trong thấp, dễ cho đầu, lại có tác dụng làm nguội Tuy nhiên dầu dễ bị chảy ra ngoài nên cần lưu ý che kín bộ phận ổ

Theo độ nhớt và nhiệt độ làm việc phân ra: dầu công nghiệp có độ nhớt h nhỏ và nhiệt

độ làm việc t từ 0 đến 60”C; dầu chuyên dụng có h trung bình và t = 50 ~ 200°C; dầu động

cơ (bao gồm động cơ điêzen, động cơ xăng và động cơ máy bay) có _ khá rộng và t > 200°C

Theo công dụng phân ra: dầu công nghiệp, dầu chuyển động, dầu tuabin, dầu bánh răng, dầu động cơ và các loại khác, trong đó dầu động cơ chiếm tới 40 ~ 50% tổng các loại

đầu được sản xuất trên thế giới

Mfỡ là hỗn hợp của dầu khoáng và chất làm đặc Ngoài tác dụng giảm ma sát và chống

ăn mòn, mỡ có tác dụng che kín bộ phận ma sát, lại ít bị ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ Nhược điểm của mỡ là ma sát tĩnh lớn do đó lúc mở máy cần có mômen mở máy cao hơn so với khi dùng dầu Thực tế thường dùng mỡ cho các ổ làm việc với vận tốc trượt thấp và chịu tải trọng va đập, ở các ổ khó che kín hoặc khó cho dầu thường xuyên

Chất cứng bôi trơn như graphit, hoạt thạch v.v được dùng chủ yếu để bôi trơn các ổ trượt làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao (thí dụ ổ trượt trong các băng chuyền, xe

goòng ở các lò khác nhau)

11.4.2 Phương pháp bôi trơn và dụng cụ bôi trơn

Trong máy thường sử dụng hai phương pháp bôi trơn: bôi trơn từng chỗ và bôi trơn tập trung Khi bôi trơn từng chỗ, dầu được cho vào bộ phận ma sát từ các dụng cụ độc lập đặt

gần bề mặt ma sát và thường được sử dụng khi các cặp ma sát đặt xa nhau hoặc yêu cầu bôi trơn bằng vật liệu bôi trơn khác nhau Trong những trường hợp còn lại thường sử dụng phương

pháp tập trung, lúc này một số cặp ma sát được bôi trơn nhờ một thiết bị bôi trơn chung Trường hợp cặp ma sát yêu cầu lượng bôi trơn ít thì dùng cách bôi trơn định kỳ, còn lại dùng phương pháp bôi trơn liên tục

Với các cặp ma sát làm việc với tải trọng và vận tốc lớn cũng như với các ổ thủy tĩnh, thường dùng bơm áp lực để dẫn dầu vào các bề mặt tiếp xúc Trái lại khi lượng đầu yêu cầu

không lớn, tải trọng nhỏ thì không cần dùng áp lực để cho dầu vào chỗ tiếp xúc

Cho dầu từng chỗ, định kỳ và không dùng áp lực có thể thực hiện bằng cách dùng vít

dầu có nắp xoay (hình 11.13a), hoặc vịt đầu có bi (hình 11.13b) Các vịt dầu này chỉ dùng cho các cơ cấu làm việc định kỳ với vận tốc và tải trọng nhỏ

Để bôi trơn từng chỗ, liên tục và không dùng áp lực người ta dùng các vịt dầu có bấc (hình 11.13c) và vịt dầu nhỏ giọt có kim điều chỉnh (hình 11.13đ) Dùng vịt đầu có bấc có

nhược điểm ngay cả khi ổ không làm việc dầu vẫn chảy vào ổ, trái lại dùng vịt đầu nhỏ giọt, nhờ di chuyển kim có thể điều chỉnh được lượng dầu vào ổ và khi ổ không làm việc sẽ không có dầu vào ổ Đối với các trục nằm ngang, thường dùng vòng bôi trơn bằng kim loại

lồng vào ngõng trục và nhúng vào một máng dầu (hình 11.13e) Nhờ ma sát g1ữa ngõng trục

và vòng bôi trơn, khi ngõng trục quay vòng quay theo và đưa dầu liên tục vào ổ Với các cơ

207

cấu kín (hộp giảm tốc, hộp tốc độ v.v.) thường lợi dụng các chỉ tiết quay (bánh răng, trục

khuỷu ) để khuấy dầu lên và té vào ổ đặt trên vỏ hộp

Tra mỡ từng chỗ và định kỳ được thực hiện bằng vú mỡ (hình 11.13g), khi xoay nấp,

mỡ được ép vào bề mặt làm việc Dùng vú mỡ ép (hình 1 1.13h) có thể tra mỡ vào bề mặt làm

việc dưới áp lực lớn nhờ bơm tay hoặc thiết bị tra mỡ

Boi tron tập trung được tiến hành dưới áp lực hoặc không dùng áp lực Trong các máy

và thiết bị hiện đại thường sử dụng hệ thống bôi trơn tuần hoàn Nhờ có hệ thống lọc và làm

nguội, dầu nguội và sạch được bơm liên tục vào các bề mặt làm việc nhờ bơm dầu kiểu bánh

răng, kiểu cánh quạt v.v và đầu đã dùng cũng được thường xuyên thu hồi Sơ đồ hệ thống

bôi trơn tuần hoàn có thể xem trên hình 6.8c

11.5 ĐÁNH GIÁ Ổ TRƯỢT VÀ CHỈ DẪN VỀ THIẾT KẾ

41.5.1 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của ổ trượt

Ưu điểm

- Làm việc tin cậy khi vận tốc lớn, trong điều kiện đó ổ lăn có tuổi thọ thấp

- Chịu được tải trọng va đập và chấn động nhờ khả năng giảm chấn của màng đầu bôi trơn

- Kích thước hướng kính tương đối nhỏ

- Lam việc êm | |

Nhược điểm

- Yêu cầu chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên, chỉ phí lớn về dầu bôi trơn

208

- Tổn thất lớn về ma sát khi mở máy, dừng máy và khi bôi trơn không tốt

- Kích thước đọc trục tương đối lớn

Phạm vi sử dụng

Trong các máy móc thiết bị hiện đại ổ trượt được sử dụng ít hơn ổ lăn Tuy nhiên ổ

trượt có vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật và không thể thay thế trong những trường hợp sau đây:

- Khi kết cấu làm việc với vận tốc lớn (0 > 30 m/s), nếu dùng ổ lăn tuổi thọ của ổ sẽ thấp

- Các máy móc thiết bị chịu tải trọng va đập và chấn động như máy búa, máy dùng

pittong

-6 trượt của các máy chính xác cao ở đó yêu cầu đặc biệt về độ chính xác hướng trục

và khả năng điều chỉnh khe hở

- Ổ làm việc trong nước, môi trường ăn mòn v.v

- Ổ của các máy quay chậm không quan trọng và lẻ tiền, ổ đỡ trục có đường kính rất lớn 11.5.2 Chỉ dẫn về thiết kế ổ trượt

Số liệu cho trước khi tính ổ thường là: tải trọng, số vòng quay, đường kính ngõng trục

và nhiệt độ dầu ở cửa vào Thiết kế ổ trượt được tiến hành theo các bước sau:

1 Chọn vật liệu lót ổ phụ thuộc trị số và đặc tính tải trọng, vận tốc vòng của ngõng trục và các yêu cầu cụ thể

2 Chọn các thông số của ổ trượt

Tỷ số giữa chiều dài lót ổ và đường kính ngõng trục nên chọn trong khoảng //d = 0,5 + 1

Các ổ có i/d < 0.4 có khả năng tải thấp, khi /⁄d > 1 yêu cầu cao về độ chính xác chế tạo và

độ cứng của trục

- Tính độ hở tương đối theo (11.7)

Từ t xác định ỗ = y.d va dua vao 5 dé chon kiểu lắp và chọn độ nhám bề mặt

Với các trục có đường kính d < 250 mm có thể dùng các kiểu lắp sau:

H7/e8, H7/f7, H8/e8, H8/f7, H8/f8, H8/d9, H8/e9, H9/d9

- Chọn loại đầu, nhiệt độ trung bình t và độ nhớt động lực w của dầu (chẳng hạn dầu công nghiệp 20, 30 và 45 có độ nhớt ở 50°C lần lượt bằng 17, 26 và 40 cP)

3 Xác định áp suất trung bình và kiểm nghiệm điều kiện (11.9) và (11.10)

4 Tính hệ số khả năng tải Cp theo (11.8), dựa vào Cp tra x trên hình 11.6 và xác định chiều dày nhỏ nhất của màng dầu bôi trơn theo (1 1.6)

5 Kiểm nghiệm điều kiện bôi trơn ma sát ướt theo (11.5) Tuỳ theo công dụng, ngõng trục có thể được tiện tỉnh đạt độ nhám R; = 6,3 + 1,6 am, mai dat R, = 3,2 + 0,4 im, đánh bong dat R, = 1,6 + 0,65 um Bé mat lot 6 được chuốt hoặc doa đạt R, = 10+ 1,6 tum, tién trong dat R, = 6,3 + 1,6 um Thudng chon R¿¡ không thấp hon 3,2 um và R, khong thấp hơn 6,3 um

209

Ở đây có thể xảy ra hai khả năng:

a) Nin < S(Rạ¡ + Rạ¿), tức là với kết cấu đã chọn của ổ và dầu bôi trơn không đảm bảo

chế độ ma sát ướt cho ổ Có thể xử lý theo các hướng sau:

- Áp dụng cách gia công làm giảm độ nhám bề mặt R„¡ và R„¿

- Giảm độ lệch tâm tương đối x của ổ bằng cách chọn dầu có độ nhớt lớn hơn, giảm

khe hở tương đối hoặc tăng tỷ số //d, hai biện pháp sau phụ thuộc vào khả năng thiết bị và

công nghệ của cơ sở chế tạo

b) Amin >> S(Rz) + R22) Trung hợp này cần áp dụng các biện pháp ngược với hướng

xử lý ở trường hợp a)

6 Chọn phương pháp bôi trơn và làm nguội: khi ypu? < 16.10” có thể dùng vòng bôi

trơn và không cần làm nguội 6; khi \po? ~ (16 + 32).10 dùng vòng bôi trơn nhưng cần

làm nguội thân ổ hoặc làm nguội dầu trong hộp; khi ý pbÌ > 32.10” nên dùng bôi trơn tuần

hoàn có áp lực

7 Tính kiểm nghiệm về nhiệt

11.5.3 Thí dụ

Tính ổ trượt bôi trơn ma sát ướt với các số liệu sau: F, = 15480 N; d = 100 m; n =

1000 vg/ph, nhiệt độ môi trường xung quanh t, = 40°C

hạn của trục là —0,072 và —0,126 mm, của lót ổ là +0,054 và 0 Như vậy „¡nạ = 0,072, ðma„ =

6 Chọn phương pháp bôi trơn và làm ngudi: ypu? = ¥1,935.10°5,24? = 16,7.103,

do đó có thể dùng vòng bôi trơn nhưng cần chú ý làm nguội thân ổ

7 Tính kiểm nghiệm về nhiệt: theo hình 11.12a, véi x = 0,634, fry = 2,2 do đó f = 2,2.W = 2,2 0,00126 = 0,0028 Theo hình 11.12b với x = 0,634 va I/d = 0,8, Q/(ựœ/d?) = 0,08, do dé Q = 0,08 0,00126 105 0,08 0,12 = 8,46.10 6 m3/s,

Theo (11.14):

0,0028 15480 5,24 1000.(1,9 870 8,46 10°° + 0,06.7.0,08 0,1 trong đó lấy C = 1,9 kI/(kg.°C), y = 870 kg/m3, Kz = 0,06 kW/(m?.°C),

Theo (11.15) nhiệt độ trung bình của dầu t = ty + At/2 = 40 + 14,6/2 = 47,3°C

Nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ giả thiết khi chọn (50°C), nhu vay 6 làm việc thỏa

mãn điều kiện bôi trơn ma sát ướt

Câu hỏi tự kiểm tra

1 Phân biệt các dạng ma sát trong ổ trượt Vì sao ma sát ướt là chế độ làm việc có lợi nhất đối với ổ trượt

2 Giải thích nguyên lý bôi trơn thủy động và chứng minh rằng trong ổ trượt có đủ các điều kiện hình

thành chế độ bôi trơn ma sát ướt

3 Các phương án kết cấu ổ và lót ổ Vì sao khi bố trí lỗ cho dầu trong vùng có áp suất thủy động lại làm giảm khả năng tải của ổ

4 Khả năng tải của ổ trượt phụ thuộc những yếu tố nào? Các biện pháp nâng cao khả năng tải của ổ

5 Đặc điểm của phương pháp tính toán ổ trượt bôi trơn ma sát ướt Các hướng xử lý khi ổ trượt không

đảm bảo điều kiện bôi trơn ma sát ướt ứng với các thông số kết cấu đã chọn

6 Mục đích và phương pháp tính toán nhiệt ổ trượt

7 Trong những trường hợp nào sử dụng ổ trượt hợp lý hơn ổ lăn?

211

Chương 12

Ổ LĂN

12.1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI Ổ LĂN

a) Cấu tạo Ổ lăn (hình 12.1) gồm vòng trong 7, vòng ngoài 4, con lăn 2 và vòng cách 3

Khi làm việc một trong hai vòng quay, vòng kia đứng yên Con lăn có thể là bị (hình cầu -

hình 12.1a, b, c), đũa (hình trụ - hình 12.1d, h hoặc hình trống - hình 12.1g) Vòng cách có

tác dụng ngăn cách các con lăn không cho chúng tiếp xúc với nhau

và con lăn thường được cấu

tạo từ thép ổ lăn độ bền cao,

- Ổ chặn - đố: chịu được lực dọc trục, đồng thời chịu is

được một phân lực hướng tâm (hinh 12.1i) "

- Ổ chặn: chỉ chịu được lực đọc trục (hình 12.1k) —

Theo số dãy con lăn, phân ra: ổ một dãy, hai dãy, bốn Hình 12.2

dãy

Với cùng đường kính trong d khi thay đổi đường kính ngoài D và chiều rộng ổ B sẽ có

các cỡ ổ khác nhau (hình 12.2): 7- cỡ siêu nhẹ; 2- đặc biệt nhẹ; 3- nhẹ; 4- nhẹ rộng;

$- trung; 6- trung rộng; 7- nặng

212