Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 7 docx

Ngược lại, khitốc độ tăng lên thì mômen xoắn ở đầu ra sẽ giảm so với mômen xoắn ở đầu vào.Các chương trong phần II này sẽ giới thiệu cụ thể về nhiều chi tiết cơ khí khác nhau thường dùng

PHẦN II THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ

MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA PHẦN II

Phần II của cuốn sách này gồm chín chương (chương 7-15), nhằm giúp bạn có đầy đủ kiến

thức khi bắt đầu thiết kế một thiết bị hoàn thiện – bộ truyền động cơ khí Bộ truyền động cơ khí, đôi khi còn gọi là bộ truyền công suất, thực hiện những công việc sau:

 Nhận công suất từ một số nguồn có chuyển động quay như động cơ điện, động cơ đốttrong, động cơ tuabin khí, động cơ thuỷ lực hoặc khí nén, tuabin hơi hoặc nước, haythậm chí chuyển động quay được thực hiện bằng tay

 Bộ truyền thường làm thay đổi tốc độ quay của các trục để trục ra quay chậm hơnhoặc nhanh hơn trục vào Thường thì các bộ truyền giảm tốc được sử dụng phổ biếnhơn so với các bộ truyền tăng tốc

 Truyền công suất từ trục vào đến trục ra

 Khi tốc độ giảm xuống, tương ứng sẽ làm cho mômen xoắn tăng lên Ngược lại, khitốc độ tăng lên thì mômen xoắn ở đầu ra sẽ giảm so với mômen xoắn ở đầu vào.Các chương trong phần II này sẽ giới thiệu cụ thể về nhiều chi tiết cơ khí khác nhau

thường dùng trong truyền công suất: truyền động đai, truyền động xích, bánh răng, trục, ổ trục, then, nối trục, lót kín, và cuối cùng là vỏ máy để gắn kết các bộ phận thành một khối Bạn sẽ được

tìm hiểu các đặc trưng quan trọng của các chi tiết này cũng như các phương pháp phân tích vàthiết kế chúng

Một nội dung quan trọng không kém được đưa ra đó là những chi tiết này tác động lẫnnhau như thế nào Ví dụ, bạn phải biết các bánh răng lắp lên trục như thế nào, các trục được đỡbởi ổ trục ra sao, hay các ổ trục phải được gắn một cách chắc chắn lên vỏ hộp như thế nào – chitiết dùng để liên các bộ phận thành một hệ thống Thiết kế hoàn chỉnh cuối cùng phải làm việcnhư một khối thống nhất

Quá trình thiết kế truyền động cơ khí

Trong thiết kế truyền động, thông thường bạn cần nắm được những nội dung sau:

 Đặc điểm của bộ phận chấp hành (bộ công tác): Đó có thể là máy công cụ dùng để

cắt kim loại trong nhà máy; máy khoan điện được sử dụng bởi những người thợ mộchoặc những công nhân kỹ thuật; trục của máy kéo nông nghiệp; trục cánh quạt trongtuabin phản lực của máy bay; trục chân vịt của tàu cỡ lớn; các bánh xe của một tàuhoả đồ chơi; cơ cấu định thời bằng cơ; hoặc bất kỳ một trong các sản phẩm nào khácyêu cầu truyền dẫn tốc độ điều khiển được

 Công suất truyền: Từ những ví dụ đã liệt kê kể trên, công suất yêu cầu có thể từ vài

ngàn mã lực đối với một chiếc tàu biển; vài trăm mã lực đối với một máy kéo nôngnghiệp cỡ lớn hoặc máy bay; hay có thể chỉ vài oát cho một bộ định thời hoặc đồ chơi

 Tốc độ quay của động cơ dẫn động hoặc các động cơ nguồn khác: Thông thường

các động cơ nguồn làm việc ở tốc độ quay khá cao Trục của các động cơ điện tiêu

chuẩn quay khoảng 1200, 1800 hoặc 3600 vòng/phút (vg/ph, rpm) Các động cơ xeôtô vận hành với tốc độ từ 1000 đến 6000 vòng/phút (rpm) Động cơ đa năng trongcác dụng cụ cầm tay (như khoan, cưa, bào) và các sản phẩm gia dụng (máy trộn, máykhuấy, máy hút bụi) vận hành với tốc độ từ 3500 tới 20 000 rpm Hay như các động cơtuabin khí dùng cho máy bay có thể quay nhiều nghìn vòng trên phút.

 Tốc độ đầu ra mong muốn của bộ truyền: Giá trị này phần lớn phụ thuộc vào ứng

dụng cụ thể Một số động cơ bánh răng cho các dụng cụ đo quay ở tốc độ nhỏ hơn 1.0vg/ph Các máy sản xuất có thể quay vài trăm vg/ph Các bộ dẫn động cho băngchuyền lắp ráp có thể quay với tốc độ nhỏ hơn 100 vg/ph Nhưng cánh quạt máy bay

có thể quay tới nhiều nghìn vg/ph

Do đó, với vai trò của một nhà thiết kế, bạn phải thực hiện những công việc sau đây:

 Chọn loại bộ truyền được sử dụng: bộ truyền bánh răng, đai, xích, hay các loại khác.Thực tế một số hệ thống truyền công suất có thể sử dụng hai hay nhiều loại bộ truyềnnối tiếp nhau để tối ưu hoá khả năng năng hoạt động của mỗi bộ truyền

 Các chi tiết quay được bố trí như thế nào, và cách lắp các chi tiết truyền động lên trục

 Thiết kế các trục đảm bảo an toàn khi làm việc dưới tác động của mômen xoắn,mômen uốn dự kiến, đồng thời có thể định vị chính xác các chi tiết truyền công suất

và các ổ trục Nói chung các trục sẽ có nhiều bậc với đường kính khác nhau, và nhữngkết cấu đặc biệt để lắp then, khớp nối, vòng lò xo, và các chi tiết khác Phải xác địnhkích thước của tất cả các yếu tố, cùng với dung sai cho từng kích thước và độ nhám bềmặt

 Chọn ổ trục phù hợp để đỡ các trục, xác định cách lắp lên trục và đặt lên vỏ máy

 Xác định then để nối trục với các chi tiết truyền công suất; các khớp nối để nối trụccủa bộ phận dẫn động với trục vào bộ truyền hay nối trục ra với bộ phận công tác; cáclót kín để ngăn cản tạp chất có hại chui vào trong bộ truyền động; và các bộ phậnkhác

 Lắp ráp tất cả các bộ phận vào một vỏ máy phù hợp nhằm bảo vệ chúng khỏi các tácđộng của môi trường và chứa dầu bôi trơn

Nội dung các chương trong phần II

Để hướng dẫn bạn thực hiện qui trình thiết kế truyền động cơ khí, phần II bao gồm cácchương sau:

Chương 7: Truyền động đai và xích chủ yếu tập trung xem xét các bộ truyền đai và xích

thương phẩm, các thông số thiết kế quan trọng, và phương pháp xác định những bộ phận phù hợpnhất cho các hệ truyền động

Chương 8: Động học bánh răng mô tả và định nghĩa các thông số hình học đặc trưng

của bánh răng Trình bày các phương pháp chế tạo bánh răng cũng như tầm quan trọng của độchính xác trong hoạt động của các bánh răng Mô tả chi tiết quá trình ăn khớp của một cặp bánhrăng, đồng thời thiết kế và phân tích hoạt động của hai hay nhiều cặp bánh răng trong một hệ bánhrăng

Chương 9: Thiết kế bánh răng trụ thẳng trình bày cách tính toán lực ăn khớp, các

phương pháp tính ứng suất trên răng, và trình tự thiết kế để xác định các thông số hình học và vậtliệu của bánh răng để bộ truyền làm việc an toàn với tuối thọ cao

Chương 10: Bánh răng nghiêng, bánh răng côn, và trục vít bánh vít bao gồm những

cách tiếp cận tương tự như với bánh răng trụ thẳng với sự chú ý đặc biệt đến hình dạng khác nhaucủa các loại bánh răng này

Chương 11: Then, nối trục, và lót kín trình bày phương pháp thiết kế then đảm bảo an

toàn dưới tác động của các tải trọng phổ biến gây ra bởi mômen xoắn cần truyền từ trục qua thenđến bánh răng hay các bộ phận khác Chọn nối trục phù hợp với độ lệch của các trục trong khitruyền được mômen xoắn yêu cầu ở tốc độ xác định Xác định lót kín trên các trục nhô ra bênngoài vỏ hộp và cho các ổ trục để ngăn tạp chất Nó giúp giữ chất bôi trơn sạch để các chi tiết làmviệc hiệu quả

Chương 12: Thiết kế trục trình bày các yếu tố thực tế được tính đến trong thiết kế trục

nhằm đảm bảo an toàn khi truyền một mômen xoắn yêu cầu ở tốc độ đã biết, trục có thể có mộtvài đường kính và các kết cấu đặc biệt để lắp then, nối trục, vòng lò xo, và các chi tiết khác Phảixác định được kích thước của tất cả các yếu tố này, cùng với dung sai và độ nhám của chúng Đểhoàn chỉnh những công việc này yêu cầu một số kĩ năng được xây dựng ở những chương tiếptheo Vì thế bạn sẽ trở lại với nội dung này sau

Chương 13: Dung sai và lắp ghép trình bày về phần lắp ghép giữa các chi tiết có thể có

chuyển động tương đối; lắp ghép đóng vai trò quan trọng đối với khả năng làm việc và tuổi thọcủa các chi tiết Trong một số trường hợp, như lắp ghép vòng trong của ổ bi hoặc ổ đũa lên trục,các nhà chế tạo ổ chỉ ra dung sai kích thước được phép của trục để có thể phù hợp với dung saicủa ổ Lắp ghép giữa vòng trong của ổ và trục thường là lắp trung gian Nhưng lắp ghép giữavòng ngoài của ổ với gối trên vỏ lại là lắp lỏng cấp 1 Nói chung, điều quan trọng là bạn phải xácđược chi phí để đạt được dung sai của tất cả các kích thước để đảm bảo khả năng làm việc hợp lítrong khi vẫn đảm bảo tính kinh tế

Chương 14: Ổ lăn tập trung vào các ổ lăn thương phẩm như là ổ bi, ổ đũa, ổ đũa côn, và

các loại khác Bạn phải tính toán hoặc xác định được tải trọng mà ổ phải chịu, tốc độ làm việc, vàtuổi thọ mong muốn của ổ Từ các số liệu này bạn có thể chọn được các ổ tiêu chuẩn từ catalogcủa của nhà sản xuất Sau đó bạn phải xem lại quá trình thiết kế trục được trình bày trong chương

12 để tính toán các kích thước và dung sai cụ thể Thông thường quá trình thiết kế các chi tiếttruyền công suất, trục, ổ phải tiến hành lặp để đạt được tổ hợp tối ưu

Chương 15: Hoàn thiện thiết kế cho một bộ truyền công suất kết hợp tất cả các chủ đề

đã trình bày ở những chương trước Bạn sẽ thiết kế cụ thể cho từng chi tiết và đảm bảo các bộphận có thể lắp được với nhau Bạn sẽ cần xem lại tất cả các giải pháp thiết kế, các giả thiết trướcđây và kiểm tra xem thiết kế có đạt yêu cầu Sau khi phân tích các chi tiết riêng rẽ, và quá trìnhkết hợp chúng hoàn tất, các bộ phận này cần được lắp vào một vỏ máy thích hợp đảm bảo an toàncũng như chống được các tạp chất bên ngoài và bảo vệ những người làm việc xung quanh Vỏmáy cũng phải được thiết kế sao cho phù hợp với bộ phận dẫn động và cơ cấu chấp hành Điềunày thường yêu cầu phần dự trữ, và cách định vị những bộ phận liên kết với thiết bị khác Cầnxem xét cẩn thận quá trình lắp ráp và làm việc Sau đó bạn sẽ đưa ra các thông số kỹ thuật cuốicùng cho một hệ truyền công suất hoàn chỉnh và tài liệu thiết kế của bạn bao gồm thuyết minh vàcác bản vẽ tương ứng

Chương 7 Truyền động đai và xích

Tổng quan

Bạn là nhà thiết kế

7.1 Nội dung của chương

7.2 Phân loại bộ truyền đai

7.3 Truyền động đai thang

7.4 Thiết kế bộ truyền đai thang

7.5 Truyền động xích

7.6 Thiết kế bộ truyền xích

Tổng quan: Truyền động đai và xích

Nội dung thảo luận

Mô tả các bộ truyền này, và phác họa cách thức chúng nhận công suất

từ một nguồn cấp và cách thức chúng truyền công suất cho bộ phận bịdẫn

Mô tả sự khác nhau giữa bộ truyền đai và bộ truyền xích

Trong chương này bạn sẽ tìm hiểu phương pháp chọn các chi tiết phùhợp cho bộ truyền đai và bộ truyền xích từ những thiết kế thường gặp

Đai và xích là hai dạng điển hình dùng để truyền công suất một cách linh hoạt Hình 7-1 thể hiệnmột ứng dụng thường gặp trong công nghiệp của các bộ truyền này kết hợp với một hộp giảm tốcbánh răng Ứng dụng này chỉ ra vị trí sử dụng của từng bộ truyền đai, bánh răng, xích để đạt đượchiệu quả cao nhất

(b) Hình vẽ lắp đặt bộ truyền thực tế.Chú ý đã bỏ đi phần hộp che chắn bộtruyền đai và xích để dễ quan sátHình 7-1 Hệ dẫn động kết hợp bộ truyền đai thang, hộp giảm tốc bánh răng, và bộ truyền xích [Nguồn của phần (b): Browning Mfg Division, Emerson Electric Co., Maysville, KY]

Công suất quay được tạo ra bởi động cơ điện, nhưng động cơ thường hoạt động ở tốc độquá cao và dẫn đến mômen xoắn quá nhỏ để có thể phù hợp với dạng truyền động cuối (bộ côngtác) Chú ý rằng, trong truyền động công suất mômen xoắn tỉ lệ nghịch với tốc độ Vì thế thườngyêu cầu giảm tốc độ Do động cơ có tốc độ lớn nên bộ truyền đai khá lý tưởng cho bước giảm tốcđầu tiên Bánh đai nhỏ được lắp trên trục động cơ trong khi bánh đai có đường kính lớn hơn đượclắp trên một trục song song sẽ có tốc độ thấp hơn Bánh đai còn được gọi là puli

Tuy nhiên, nếu yêu cầu tỉ số giảm tốc rất lớn thường sử dụng hộp giảm tốc bánh răng vìchúng có thể đạt được sự giảm tốc rất lớn với kích thước nhỏ hơn Trục ra của hộp giảm tốc bánhrăng thường có tốc độ thấp và mômen xoắn cao Nếu cả mômen xoắn và tốc độ phù hợp nó có thểđược nối trực tiếp với bộ công tác

Mặc dù vậy, do các hộp giảm tốc bánh răng sẵn có chỉ có một số tỉ số truyền nhất định,nên thông thường ở đầu ra vẫn phải giảm tốc hơn nữa để đáp ứng yêu cầu của máy Ở điều kiệnlàm việc có tốc độ thấp, mômen xoắn lớn, bộ truyền xích rất phù hợp Mômen xoắn lớn gây ra lựckéo lớn trên dây xích Các chi tiết của bộ truyền xích thường làm bằng kim loại, và được thiết kế

với kích thước đủ để chịu được các lực kéo lớn Dây xích ăn khớp với các đĩa có răng gọi là đĩa xích tạo nên một bộ truyền động cơ khí rất chắc chắn, làm việc phù hợp với các điều kiện tốc độ

thấp, mômen xoắn cao

Nói chung, bộ truyền đai thường được sử dụng ở vị trí có tốc độ tương đối cao, như bướcgiảm tốc đầu tiên từ động cơ Vận tốc dài của đai thường từ 2500 đến 6500 ft/ph (foot/phút), nênchỉ gây ra lực kéo nhỏ trên dây đai Ở tốc độ nhỏ hơn, lực kéo trở nên rất lớn so với tiết diện củadây đai, và có thể gây ra hiện tượng trượt giữa dây đai và bánh đai Ở tốc độ cao hơn, các hiệuứng động như lực li tâm, sự va đập, và rung làm giảm hiệu suất và tuổi thọ bộ truyền Thường thìvận tốc vào khoàng 4000 ft/phút là lý tưởng Một số dây đai sử dụng vật liệu có cốt sợi có độ bềncao và có răng ăn khớp với rãnh trên mặt bánh đai nhằm tăng cường khả năng truyền lực lớn ở tốc

độ thấp Trong nhiều ứng dụng các đai loại này có thể thay thế cho các bộ truyền xích

Bạn đã từng thấy các bộ truyền đai ở đâu? Quan sát các thiết bị cơ khí xung quanh nhàhoặc nơi làm việc của bạn; xe cộ; máy xây dựng; điều hoà không khí, và các hệ thống thônggió; hay máy móc công nghiệp Hãy mô tả hình dạng chung của chúng Bánh dẫn được gắnvào bộ phận nào? Tốc độ làm việc của nó là khá cao? Kích thước của bánh bị dẫn? Nó có làmcho trục thứ hai quay với tốc độ chậm hơn? Chậm hơn bao nhiêu? Có thêm các cấp giảm tốcnào khác được thực hiện bởi bộ truyền đai hoặc bộ giảm tốc khác không? Thực hiện phác thảo

sơ đồ của hệ truyền động Thực hiện các đo đạc có thể, với điều kiện phải đảm bảo an toàncho thiết bị

Bạn đã từng gặp các bộ truyền động xích ở đâu? Một ứng dụng rõ nét nhất của bộtruyền xích chính là trên xe đạp, trong đó đĩa xích lớn được gắn vào trục của pêđan còn đĩaxích nhỏ hơn (líp) được gắn ở bánh sau xe Đĩa xích dẫn và/hoặc đĩa xích bị dẫn có thể cónhiều kích cỡ, cho phép người lái xe lựa chọn các tỉ số truyền khác nhau nhằm đạt khả nănglàm việc tối ưu dưới những điều kiện khác nhau về tốc độ cũng như địa hình Ngoài ra bạncòn nhìn thấy bộ truyền xích ở đâu nữa? Một lần nữa chú ý đến các phương tiện giao thông,máy xây dựng và máy công nghiệp Mô tả và phác thảo ít nhất một hệ truyền động xích

Chương này sẽ giúp bạn biết cách xác định các đặc trưng thiết kế chính của các bộtruyền đai và xích thường gặp Qua đó bạn có thể xác định được loại và kích cỡ phù hợp đểtruyền công suất ở mức cho trước với tốc độ xác định, và đạt được được tỉ số truyền mongmuốn giữa đầu vào và đầu ra của bộ truyền Chương này cũng đưa ra những chú ý về cách lắpđặt các bộ truyền để bạn có thể có đưa thiết kế của mình vào hệ hoàn chỉnh

Bạn là nhà thiết kế

Ở Louisiana người ta cần thiết kế một

hệ thống truyền động dùng cho máy cắt cây

mía dài thành các đoạn ngắn để đưa vào chế

biến Trục dẫn động của máy quay chậm ở tốc

độ 30 vòng/phút nhờ vậy chặt mía một cách

nhẹ nhàng và không bị nát Máy cần mômen

xoắn khoảng 31500 lb.in để dẫn động các lưỡi

dao

Công ty của bạn được đặt hàng thiết

kế hệ dẫn động này, và bạn là người được giao

nhiệm vụ thiết kế Theo bạn nên sử dụng loạinguồn công suất nào? Bạn có thể sử dụngđộng cơ điện, động cơ xăng, hay động cơ thuỷlực Hầu hết các loại này đều vận hành ở tốc

độ tương đối cao, lớn hơn khá nhiều so với tốc

độ yêu cầu là 30 vòng/phút Vì thế phải cầnđến một số bộ giảm tốc cho hệ thống Rất cóthể bạn sẽ chọn bộ giảm tốc giống trong hình7-1

Có ba cấp giảm tốc được sử dụng.Bánh đai dẫn của bộ truyền đai quay với tốc

độ của động cơ, trong khi bánh đai bị dẫn lớn

hơn quay ở tốc độ chậm hơn và truyền công

suất cho đầu vào của hộp giảm tốc bánh răng

Phần lớn sự giảm tốc độ sẽ được thực hiện bởi

hộp giảm tốc bánh răng, với trục ra quay chậm

hơn nhiều và tạo ra một mômen xoắn lớn

Nhớ rằng, với công suất truyền cho trước thì

khi tốc độ quay của trục giảm thì mômen xoắn

tạo ra tăng lên Nhưng do số thiết kế có sẵn

của hộp giảm tốc bị giới hạn nên tốc độ ở đầu

ra có thể không đáp ứng được cho trục vào

của máy cắt mía Do đó ta phải sử dụng thêm

bộ truyền xích làm cấp giảm tốc cuối cùng

Với vai trò là một nhà thiết kế, bạn

phải quyết định xem sẽ sử dụng loại đai, kích

thước nào và xác định tỉ số truyền của bộ

truyền đai là bao nhiêu Xác định cách lắp

bánh đai dẫn vào trục động cơ cũng như cách

lắp bánh đai bị dẫn lên trục vào của hộp giảm

tốc bánh răng Động cơ đặt ở đâu so với hộpgiảm tốc bánh răng, dẫn đến khoảng cách tâmgiữa hai trục bằng bao nhiêu? Tỉ số truyền củahộp giảm tốc bánh răng là bao nhiêu? Nên sửdụng hộp giảm tốc bánh răng loại nào: bánhrăng nghiêng,trục vít-bánh vít, hay bánh răngcôn? Bộ truyền xích cần có tỉ số truyền bằngbao nhiêu để có được tốc độ phù hợp với trụccủa máy cắt mía? Xác định kích cỡ và loại bộtruyền xích? Xác định khoảng cách tâm giữatrục ra của hộp giảm tốc bánh răng với trụcvào của máy cắt mía Từ đó xác định chiều dàicần thiết của dây xích Cuối cùng bạn cần tínhtoán công suất cần thiết để vận hành toàn bộ

hệ thống với những điều kiện đã cho Nộidung trong chương này sẽ giúp bạn giải đápcác thắc mắc về thiết kế những hệ thốngtruyền công suất có chứa các bộ truyền đai vàxích Hộp giảm tốc bánh răng sẽ được trìnhbày trong các chương 8-10

7-1 Nội dung của chương

Sau khi hoàn thành chương này bạn có thể:

1 Mô tả các đặc trưng cơ bản của một hệ thống truyền động đai.

2 Mô tả một vài loại bộ truyền đai.

3 Xác định loại, kích cỡ thích hợp của dây đai và bánh đai để truyền một mức công suất

cho trước ở các tốc độ cụ thể của bánh đai dẫn và bị dẫn

Hình 7-2 Các thông số hình học cơ bản của bộ truyền đai

4 Xác định các thông số lắp đặt chính của bộ truyền đai bao gồm khoảng cách trục và

chiều dài đai

5 Mô tả các đặc trưng cơ bản của bộ truyền xích.

6 Mô tả một vài dạng bộ truyền xích.

7 Xác định loại, kích cỡ thích hợp của xích và đĩa xích để truyền một mức công suất

cho trước ở các tốc độ xác định của đĩa xích dẫn và bị dẫn

8 Xác định các thông số lắp đặt chính của bộ truyền xích bao gồm khoảng cách trục

của hai đĩa xích, chiều dài xích, và các yêu cầu về bôi trơn

7-2 Phân loại bộ truyền đai

Đai là một chi tiết truyền công suất mềm dẻo tỳ chặt trên các con lăn hay bánh đai Hình 7-2 thểhiện các thông số cơ bản Thông thường bộ truyền đai được sử dụng để giảm tốc, bánh đai nhỏđược lắp lên trục tốc độ cao, như trục của động cơ điện Bánh đai lớn hơn được lắp lên bộ phận bịdẫn Đai được thiết kế để chuyển động quanh hai bánh đai mà không xảy ra trượt.

Dây đai được lắp bằng cách đặt vòng quanh hai bánh đai khi khoảng cách trục được thuhẹp lại Sau đó dịch hai bánh đai ra xa nhau, tạo ra một lực căng ban đầu lớn hơn trên dây đai Khitruyền công suất, ma sát làm cho dây đai bám chặt vào các bánh đai, làm tăng lực kéo trên mộtnhánh đai, gọi là “nhánh căng” Lực kéo trên dây đai gây ra lực vòng trên bánh đai bị dẫn, và do

đó tạo ra một mômen xoắn trên trục bị dẫn Nhánh đối diện của dây đai cũng chịu lực căng nhưngnhỏ hơn Nên nhánh này gọi là “nhánh chùng”

Có nhiều loại dây đai: đai dẹt, đai răng, đai thang tiêu chuẩn, đai hình lục giác (đai thangkép), và các loại khác Xem trong hình 7-3 Các tài liệu tham khảo 2-5 và 8-15 cung cấp thêmnhiều ví dụ và thông số kỹ thuật của đai

Đai dẹt là loại đơn giản nhất, thường được làm từ da hoặc vải cao su Bề mặt bánh đai

cũng phẳng và nhẵn, vì vậy lực truyền cũng bị hạn chế do ma sát nhỏ giữa dây đai và bánh đai.Một số nhà thiết kế thường ưu tiên sử dụng đai dẹt đối với những thiết bị chính xác bởi vì dây đai

sẽ trượt nếu mômen xoắn tăng đến mức đủ lớn để làm hỏng máy (đề phòng quá tải)

Hình 7-3 Một số loại đai

Hình 7-4 Tiết diện đai thang và rãnh trên bánh đai

Đai răng, còn gọi là đai định thời [hình 7-3(c)], bánh đai có răng ăn khớp với các răng

của dây đai Đây là loại đai truyền động nhờ ăn khớp, nó chỉ bị giới hạn bởi độ bền kéo của dâyđai và độ bền cắt của răng đai

Một số loại đai có răng như hình 7-3(b), được sử dụng cho các bánh đai thang tiêu chuẩn.Răng đai giúp cho đai có độ đàn hồi tốt hơn và hiệu suất cao hơn so với các đai tiêu chuẩn Chúng

có thể làm việc trên các bánh đai có đường kính tương đối nhỏ

Một loại đai được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong các bộ truyền động công nghiệp hay

phương tiện giao thông đó là đai thang, hình 7-3(a) và 7-4 Tiết diện hình thang làm cho dây đai

chèn chặt vào rãnh trên bánh đai, tăng ma sát và cho phép truyền mômen xoắn lớn mà không xảy

ra trượt Hầu hết các đai loại này có các sợi độ bền cao được bố trí ở đường trung hòa của tiết diệnđai để tăng độ bền kéo của đai Các sợi này làm từ sợi tự nhiên, sợi tổng hợp, hoặc thép, được

nhúng vào trong một hỗn hợp cao su bền tạo độ đàn hồi cần thiết cho phép dây đai ôm quanh bánhđai Thông thường có thêm lớp vỏ bằng vải sợi để dây đai có tuổi thọ cao hơn.

Việc chọn lựa các bộ truyền đai thang sẽ được trình bày trong mục tiếp theo

7-3 Bộ truyền đai thang

Cách bố trí thông thường của một bộ truyền đai thang được mô tả trong hình 7-2 Sau đây

là tóm tắt một số đặc điểm quan trọng:

1 Puli có rãnh vòng quanh để lắp dây đai gọi là bánh đai

2 Kích cỡ của bánh đai được xác định bởi đường kính tính toán (đường kính làmviệc) của nó, nhỏ hơn đường kính ngoài của bánh đai

3 Tỉ số truyền giữa bánh đai dẫn và bánh đai bị dẫn tỉ lệ nghịch với tỉ số đường kínhtính toán của các bánh đai Điều này đúng trong trường hợp không có trượt (dưới tảitrọng chuẩn) Do đó vận tốc vòng của cả hai bánh đai là bằng nhau và bằng với vậntốc dây đai v b:

2 2 1

tốc độ) Góc ôm trên bánh đai nhỏ sẽ luôn nhỏ hơn 180o, có nghĩa công suất truyền sẽnhỏ hơn.

6 Chiều dài nhánh đai giữa hai bánh đai, trên đó đai không tiếp xúc với bánh đai:

7 Còn sau đây là các yếu tố gây ra ứng suất trong đai:

(a) Lực kéo trong đai, lớn nhất trên nhánh căng của đai.

(b) Đai bị uốn quanh các bánh đai, lớn nhất khi nhánh căng của đai uốn quanh bánh

đai nhỏ

(c) Lực li tâm tạo ra khi đai chuyển động quanh các bánh đai.

Ứng suất tổng hợp lớn nhất xảy ra ở vị trí đai ôm quanh bánh đai nhỏ, trong đó ứng suấtuốn là thành phần chính Do đó, cần chú ý đến đường kính tối thiểu của bánh đai đối vớicác đai tiêu chuẩn Việc sử dụng các bánh đai nhỏ hơn sẽ làm giảm đáng kế tuổi thọ củađai

8 Giá trị tính toán của tỉ số lực kéo trong nhánh căng trên lực kéo trong nhánh trùng

bằng 5.0 đối với các bộ truyền đai thang Trong thực tế giá trị này có thể lên đến 10

Các tiết diện đai tiêu chuẩn

Các dây đai thương phẩm thường được chế tạo theo một trong các dạng chuẩn trong cáchình từ 7-5 đến 7-8 Có sự tương ứng giữa kích thước theo in và theo mét thể hiện bởi các cặpkích thước thực của cùng một tiết diện Sự “chuyển đổi mềm” được dùng để đổi từ kích cỡ thôngthường theo in sang kích cỡ theo mét bằng cách sử dụng một con số để chỉ chiều rộng danh nghĩacủa mặt trên tiết diện đai tính theo milimét

Giá trị danh nghĩa của góc chêm đai nằm trong khoảng từ 300 cho đến 420 Góc này trêndây đai có thể hơi khác để đai chèn chặt vào rãnh bánh đai Một số đai lại được thiết kế để “nhôra” ngoài một chút so với rãnh đai (hình 7-4)

Nhiều ứng dụng trong ôtô sử dụng các bộ truyền đai răng còn gọi là đai định thời trong

hình 7-3(c) hoặc đai hình lược trong hình 7-3(d)

Các chuẩn sau đây của Hiệp hội kỹ sư ôtô (SAE _ Society of Automotive Engineer) đưa

ra các kích thước cũng như khả năng làm việc của đai dùng trong ôtô

SAE Chuẩn J636: đai thang và bánh đai

SAE Chuẩn J637: bộ truyền đai thang ôtô

SAE Chuẩn J1278: đai răng và bánh đai hệ SI (Mét)

SAE Chuẩn J1313: bộ truyền đai răng ôtô

SAE Chuẩn J1459: đai hình lược và bánh đai

Hình 7-5 Đai thang dùng trong công nghiệp nặng

Hình 7-6 Đai thang hẹp dùng trong công nghiệp

Hình 7-7 Đai thang công suất nhỏ (FHP –Fractional Horse Power), hạng nhẹ

Hình 7-8 Đai thang dùng cho ôtô

7-4 Thiết kế bộ truyền đai thang

Các thông số trong chọn đai thang, bánh đai dẫn và bị dẫn cùng với cách thức lắp đặt bộtruyền đai sẽ được trình bày tóm tắt trong mục này Các số liệu ví dụ lấy từ các nhà sản xuất sẽdùng để minh hoạ Các catalog chứa nhiều số liệu hơn, và hướng dẫn sử dụng từng bước một Sauđây là những thông số cơ bản để chọn lựa bộ truyền:

 Công suất định mức của động cơ dẫn động hoặc một nguồn cấp chuyển động khác

 Hệ số chế độ làm việc dựa trên loại bộ truyền và tải trọng truyền

 Khoảng cách trục

 Công suất định mức của một dây đai là hàm của kích cỡ và tốc độ của bánh đai nhỏ

 Chiều dài đai

 Kích thước của các bánh đai dẫn và bị dẫn

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của chiều dài đai

 Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ôm đai trên bánh đai nhỏ

 Số dây đai

 Lực căng đai ban đầu

Nhiều giải pháp thiết kế còn phụ thuộc vào phạm vi sử dụng và giới hạn không gian làmviệc Dưới đây là một số hướng dẫn:

 Việc điều chỉnh khoảng cách trục phải được thực hiện theo cả hai chiều tăng và giảm

so với giá trị danh nghĩa Cần thu hẹp khoảng cách trục ở thời điểm lắp đặt để chophép đặt dây đai vào rãnh của bánh đai mà dây đai không chịu lực tác dụng Dự phòngtăng khoảng cách trục để tạo lực căng ban đầu cho bộ truyền và tạo sức căng cho đai.Catalog của nhà sản xuất sẽ cung cấp số liệu này Có một cách khá tiện lợi để thựchiện điều chỉnh đó là sử dụng bộ căng như trong hình 14-10 (b) và (c)

 Nếu yêu cầu giữ cố định các tâm trục, nên sử dụng bánh căng đai (còn gọi là puli căngđai) Tốt nhất là sử dụng puli căng có rãnh đặt trên mặt trong của đai, gần với bánh đailớn Các bộ căng đai thông dụng đều có bánh căng

 Khoảng cách trục danh nghĩa nằm trong khoảng:

 Góc ôm đai trên bánh đai nhỏ lớn hơn 120o

 Hầu hết các bánh đai đều làm bằng gang xám, nên tốc độ dây đai bị hạn chế khôngđược quá 6500 ft/phút

 Nếu như vận tốc đai nhỏ hơn 1000 ft/phút nên cân nhắc sử dụng loại bộ truyền khác,chẳng hạn bánh răng hay xích

 Tránh nhiệt độ cao xung quanh đai

 Đảm bảo rằng các trục mang bánh đai phải song song với nhau và các bánh đai phảiđược căn chỉnh sao cho đai chạy êm trong rãnh

 Trong trường hợp lắp nhiều đai, yêu cầu đai có số Các số được in trên đai côngnghiệp thể hiện, số 50 dùng cho chiều dài đai rất gần giá trị danh nghĩa Các đai dàihơn mang số lớn hơn 50; đai ngắn hơn mang số nhỏ hơn 50

 Đai phải được lắp đặt với lực căng ban đầu theo hướng dẫn của nhà sản xuất Lựccăng cần được kiểm tra sau vài giờ vận hành đầu tiên do lúc này đai bắt đầu tỳ chặtvào rãnh và có sự kéo giãn ban đầu

Thông số thiết kế

Các catalog thường cung cấp rất nhiều trang số liệu thiết kế cho nhiều kích cỡ đai và bánhđai để tạo điều kiện thuận lợi trong thiết kế bộ truyền Các số liệu thường được đưa ra dưới dạngbảng (tham khảo 2) Đồng thời dạng đồ thị cũng được sử dụng nên bạn có thể nhận biết một cáchtrực quan sự thay đổi về khả năng hoạt động với các giải pháp thiết kế Mọi thiết kế được thựchiện theo các số liệu trong cuốn sách này nên được kiểm tra, đối chiếu với các giá trị cụ thể củanhà sản xuất trước khi đưa vào sử dụng

Các số liệu được đưa ra ở đây dùng cho đai thang hẹp: 3V, 5V, và 8V Ba cỡ đai này cókhả năng truyền công suất trong một phạm vi rộng Sử dụng hình 7-9 để chọn kích thước cơ bản

của tiết diện đai Chú ý rằng, trục công suất (trục hoành) là công suất thiết kế, bằng công suất định

mức của nguồn cấp chuyển động nhân với hệ số chế độ làm việc cho trong bảng 7-1

Các hình 7-10, 7-11 và 7-12 đưa ra công suất định mức của một đai đối với ba tiết diện kểtrên, được xem như là hàm của đường kính tính toán của bánh đai nhỏ và tốc độ quay của nó Cácđường thằng đứng ở mỗi hình tương ứng với các đường kính tính toán của bánh đai tiêu chuẩn

Công suất định mức cơ bản với tỉ số truyền bằng 1 được biểu thị là các đường liền theobậc Khi tỉ số truyền tăng (lên đến xấp xỉ 3.38), dây đai có thể tải công suất lớn hơn Việc tăng tỉ

số truyền lên nữa không có nhiều tác dụng và có thể gặp vấn đề về góc ôm trên bánh đai nhỏ (góc

ôm nhỏ đi) Hình 7-13 là đồ thị biểu thị số liệu công suất định mức cơ bản tăng thêm phụ thuộcvào tỉ số truyền với đai 5V Số liệu được đưa ra theo dạng bậc thang Với những tỉ số truyền lớnhơn 3,38, công suất lớn nhất thêm vào được sử dụng để vẽ các đường cong nét đứt trong hình 7-

10, 7-11, và 7-12 Trong hầu hết các trường hợp, ta có thể sử dụng giá trị nội suy thô giữa haiđường cong

Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ôm Cθ phụ thuộc vào góc ôm, tra theo đồ thị hình 7-14.

Hệ số xét đến ảnh hưởng của chiều dài đai C L tra theo đồ thị hình 7-15 Người ta muốnchiều dài của đai tăng lên vì khi đó tần suất mà một phần của đai phải chịu ứng suất lớn nhất khi

đi vào bánh đai nhỏ sẽ giảm xuống (số chu kì ứng suất giảm xuống) Chiều dài của đai thang đượctiêu chuẩn (bảng 7-2)

Ví dụ 7-1 sẽ minh hoạ cách sử dụng các thông số thiết kế này

Hình 7-9 Đồ thị lựa chọn đai thang hẹp dùng trong công nghiệp (Dayco Corp., Dayton, OH)

Bảng 7-1 Hệ số chế độ làm việc của đai thang

Dạng cơ cấu

chấp hành

(bị dẫn)

Bộ dẫn độngĐộng cơ xoay chiều: mômen

trung bìnha

Động cơ một chiều: dây quấn

song songĐộng cơ đốt trong: nhiều xi lanh

Động cơ xoay chiều: mômen lớnb

Động cơ một chiều: dây quấnsong song, dây quấn hỗn hợp.Động cơ đốt trong: 4 xy lanh hoặc

ít hơn

< 6giờ/ngày

6-15giờ/ngày

> 15 giờ/ngày

< 6 giờ/ngày

6-15giờ/ngày

> 15giờ/ngàyMáy khuấy, quạt thông

hơi, quạt gió, bơm ly

tâm, băng chuyền hạng

nhẹ

Máy phát, máy công cụ,

máy trộn, băng chuyền

cát sỏi

Guồng gầu, máy dệt,

máy nghiền búa, băng

chuyền hạng nặng

Máy nghiền đá, máy

nghiền bi, máy nâng,

máy ép cao su,

aĐộng cơ đồng bộ, tách pha, ba pha với mômen khởi động hoặc mômen quá tải nhỏ hơn 175% mômen toàn tải.

bĐộng cơ một pha, ba pha với mômen khởi động hoặc mômen tới hạn lớn hơn 175 % mômen toàn tải

Hình 7-10

Công suất định

mức: đai 3V

Hình 7-13 Phần công suất tăng thêm ứng với tỉ số truyền: đai 5V

Hình 7-14 Hệ số tính đến ảnh hưởng của góc ôm, Cθ

Hình 7-15 Hệ số tính đến ảnh hưởng của chiều dài đai, C L

Bảng 7-2 Chiều dài đai tiêu chuẩn của đai thang 3V, 5V, và 8V (đơn vị in)

2526.5283031.533.535.537.54042.545

5053566063677175808590

100106112118125132140

150160170180190200212224236250265

375400425450475500

300315335355

Ví dụ 7-1 Thiết kế một bộ truyền đai thang với bánh đai dẫn được lắp trên trục của động cơđiện (mômen trung bình) có công suất định mức bằng 50.0 (hp) và tốc độ toàn tải bằng 1160vòng/phút (rpm) Bộ truyền dẫn động gầu trong một máy hoá chất được sử dụng 12 giờ mỗi ngày

ở tốc độ xấp xỉ 675 rpm

Lời giải

Vấn đề Thiết kế bộ truyền đai thang

Đã cho Công suất truyền = 50 hp, truyền tới gầu

Tốc độ động cơ = 1160 rpm; tốc độ ở đầu ra của bộ truyền = 675 rpmPhân tích Sử dụng các thông số thiết kế đã trình bày trong mục này Các bước thiết

kế được xây dựng theo trình tự dưới đây

Kết quả

Bước 1 Tính công suất thiết kế Từ bảng 7-1, với động cơ điện có mômen trung bình vận

hành 12h một ngày để truyền động cho gầu, hệ số chế độ làm việc là 1.30 Do đó công suất thiết

kế là 1.30(50.0 hp) = 65.0 hp

Bước 2 Chọn tiết diện đai Từ hình 7-9, chọn tiết diện 5V với công suất truyền bằng 70

hp, tốc độ đầu vào là 1160 rpm

Bước 3 Tính tỉ số truyền danh nghĩa:

Tỉ số truyền danh nghĩa = 1160/675 = 1.72

Bước 4 Tính kích thước của bánh đai dẫn dùng cho đai có tốc độ 4000 ft/phút theo cách

chọn bánh đai tiêu chuẩn:

b D

ν

Bước 5 Chọn thử một đường kính cho bánh đai dẫn, và tính đường kính bánh bị dẫn.

Chọn kích thước tiêu chuẩn cho bánh đai bị dẫn, và tính tỉ số truyền cũng như tốc độ đầu ra thực

tế của bộ truyền

Đối với bài này, các giá trị thử được cho trong bảng 7-3 (đường kính tính theo in)

Hai giá trị in đậm trong bảng 7-3 có tốc độ đầu ra chỉ sai lệch khoảng 1% so với giá trịyêu cầu 675 vg/ph, nên không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ của gầu Do không có các hạn chế vềkhông gian làm việc, ta hãy chọn kích thước lớn hơn

Bước 6 Xác định công suất định mức từ hình 7-10, 7-11, hoặc 7-12

Đối với tiết diện 5V vừa chọn thì sử dụng hình 7-11 Với đường kính bánh đai là 12.4 in ởtốc độ quay 1160 rpm, ta thấy công suất định mức cơ bản là 26.4 hp Do đó thiết kế này sẽ yêucầu dùng nhiều dây đai Tỉ số truyền tương đối cao cho thấy có thể tăng định mức công suất Giátrị này có thể ước lượng qua hình 7-11 hoặc xác định trực tiếp từ hình 7-13 đối với tiết diện 5V

Ta có công suất tăng thêm là 1.15 hp Như vậy công suất định mức thực tế là 26.4 + 1.15 = 27.55hp

Bước 7 Xác định khoảng cách trục sơ bộ.

Chúng ta có thể sử dụng công thức (7-8) để xác định khoảng giá trị cho phép của C:

2 3( 2 1)

D < < C D + D

)4.121.21(31

21 <C< +

21.1 < C <100.5 in Chú ý đến không gian làm việc, thử chọn C = 24.0 in

Bảng 7-3 Các đường kính bánh đai thử nghiệm cho ví dụ 7-1

Đường kính bánh đai

dẫn tiêu chuẩn, D1

Đường kính bánh đai bịdẫn xấp xỉ (17.2D1)

Giá trị tiêu chuẩn gầnnhất D2

Tốc độ đầu ra thực

tế (rpm)13.10

L

4

)(

)(

57.12

2 1 2 1 2

−+++

=

4.101)

0.24(4

)4.121.21()4.121.21(57.1)0.24(

28.6

B

)4.121.21(32)6.189(6

=

−

−+

Bước 12 Tính công suất định mức trên một đai đã hiệu chỉnh (sau khi xét đến ảnh hưởng

của các yếu tố trên) và số dây đai cần thiết để truyền được công suất thiết kế:

Công suất đã hiệu chỉnh = CθC L P=(0.94)(0.96)(27.55 hp) = 24.86 hp

Số dây đai = 65.0/24.86 = 2.61 đai (sử dụng 3 dây đai)Nhận xét Tóm tắt thiết kế

Đầu vào: Động cơ điện, 50.0 hp, 1160 rpm

Hệ số chế độ làm việc: 1.4Công suất thiết kế: 70.0 hpĐai: tiết diện 5V, chiều dài đai 100 in, số dây đai 3 Bánh đai: Bánh dẫn, đường kính tính toán 12.4 in, ba rãnh đai 5V Bánh bịdẫn, đường kính tính toán 21.1 in, ba rãnh đai 5V

Tốc độ thực tế ở đầu ra bộ truyền : 682 rpmKhoảng cách trục: 23.30 in

Lực căng đai

Lực căng ban đầu tác dụng lên đai có tính quyết định, vì nó đảm bảo đai không bị trượtkhi chịu tải trọng thiết kế Ở trạng thái nghỉ hai nhánh đai có lực căng bằng nhau Nhưng khitruyền công suất, lực căng ở nhánh căng tăng lên trong khi lực căng ở nhánh chùng giảm đi Nếukhông có lực căng ban đầu, nhánh chùng sẽ chùng hoàn toàn và đai sẽ không còn tỳ vào các rãnhđai nữa; do đó nó sẽ bị trượt Catalog của các nhà sản xuất đều đưa ra hướng dẫn cách thức căngđai hợp lý

Bộ truyền đai răng

Đai răng được chế tạo với gân hoặc răng nằm ngang ở mặt dưới đai, hình 7-3(c) Các răng

ăn khớp với các rãnh tương ứng trong các bánh đai dẫn và bánh đai bị dẫn, gọi là bánh đai răng,cho phép truyền động không nhờ ma sát và không xảy ra trượt Do đó, có một mối quan hệ khôngđổi giữa tốc độ của bánh đai dẫn và tốc độ của bánh đai bị dẫn Vì lý do này nên đai răng còn

được gọi là đai định thời Ngược lại, đai thang có thể xảy ra trượt do biến dạng (trượt đàn hồi)

hoặc trượt trơn trên các bánh đai, đặc biệt dưới các tải trọng nặng hoặc công suất truyền thay đổi