Bộ truyền truch vít bánh vít BKHN

Bộ truyền trục vít-bánh vít Bộ truyền trục vít-bánh vít gọi tắt là bộ truyền trục vít làm việc theo nguyên lý ăn khớp, được xếp vào loại truyền động răng-vít, kết hợp giữa bộ truyền bá

Chương 5

BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT - BÁNH VÍT

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

5.1.1 Nguyên lý làm việc

Hình 5.1 Bộ truyền trục vít-bánh vít

Bộ truyền trục vít-bánh vít (gọi tắt là bộ truyền trục vít) làm việc theo nguyên lý ăn khớp, được xếp vào loại truyền động răng-vít, kết hợp giữa bộ truyền bánh răng và vít Bộ truyền trục vít-bánh vít gồm trục vít và bánh vít ăn khớp với nhau nên khi trục vít quay sẽ truyền chuyển động và cơ năng sang bánh vít

5.1.2 Phân loại

- Theo hình dạng mặt chia của trục vít:

 Trục vít trụ: mặt chia trục vít là mặt trụ

 Trục vít Globoid (trục vít lõm)

Hình 5.2 a)Trục vít trụ; b) Trục vít Globoid

- Theo hình dạng ren của trục vít:

 Trục vít Archimède: giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng chứa đường tâm trục là đường thẳng Giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng vuông góc với đường tâm trục là đường xoắn Archimède

 Trục vít Convolute: giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng vuông góc với phương ren là đường thẳng Giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng vuông góc với đường tâm trục là đường xoắn Convolute

 Trục vít thân khai: giao tuyến giữa mặt ren và mặt tiếp tuyến với mặt trụ cơ sở là đường thẳng Giao tuyến giữa mặt ren và mặt phẳng vuông góc với đường tâm trục là đường thân khai

Hình 5.3 a) Trục vít Archimède; b) Trục vít Convolute; c) Trục vít thân khai

- Theo số mối ren:

 Trục vít một mối ren

 Trục vít nhiều mối ren: z11,2,(3),4,(6)

5.1.3 Ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng

a Ưu điểm:

- Tỉ số truyền lớn

- Làm việc êm, không ồn

- Có khả năng tự hãm

- Có độ chính xác động học cao

b Nhược điểm:

- Hiệu suất thấp, sinh nhiệt nhiều do có vận tốc trượt lớn

- Vật liệu chế tạo bánh vít làm bằng kim loại màu để giảm ma sát nên khá đắt tiền

c Phạm vi sử dụng:

- Chỉ sử dụng cho phạm vi công suất không quá 60kW (do hiệu suất thấp)

- Có tỉ số truyền lớn nên được sử dụng rộng rãi trong các cơ cấu phân độ

- Có khả năng tự hãm nên thường sử dụng trong các cơ cấu nâng như cần trục, tời…

5.2 THÔNG SỐ HÌNH HỌC

5.2.1 Trường hợp không dịch chỉnh

Trong trường hợp này thì đường kính vòng lăn bằng đường kính vòng chia

a Trục vít

Hình 5.4 a) Mặt cắt dọc trục vít; b) Góc xoắn ốc vít

20





Bước ren (bước dọc) trục vít

(không bắt buộc đo trên cùng một

đường xoắn ốc)



m

p

Mođun dọc của trục vít = modun

p

m

Hệ số đường kính (tiêu chuẩn)

Bước xoắn ốc

(đo trên cùng một đường xoắn ốc) p z1 z1p

Góc nâng ren (góc xoắn ốc)

q

z q m

p z d

p

1









1

1 

Chiều dài phần cắt ren trục vít

2 2 1

Các giá trị C 1 và C 2 xác định như sau:

- Nếu z 1 = 1, 2 thì C 1 = 11 và C 2 = 0.06

- Nếu z 1 = 4 thì C 1 = 12,5 và C 2 = 0,09

Các dãy modun tiêu chuẩn:

b Bánh vít

Hình 5.5 Mặt cắt vuông góc trục vít

Modun ngang bánh vít = mođun dọc

p

m

Số răng bánh vít

(chọn z2 28 để tránh cắt chân răng) z 2

Đường kính vòng chia của bánh vít d2 m z2

2

2 

Đường kính lớn nhất

2

6

1

2

m d

Bề rộng bánh vít Khi z1 1, 2 thì

1

75 , 0

b 

Khi z1 4 thì

1

67 , 0

b 

2

2

d

a 0,5 sin

1

2





100

5.2.2 Trường hợp có dịch chỉnh

Để chọn khoảng cách trục a theo tiêu chuẩn, ta cần phải dịch chỉnh răng Vì cắt bánh vít khi

không dịch chỉnh hoặc dịch chỉnh đều dùng dao có hình dạng và kích thước giống trục vít, nên dịch chỉnh chỉ tiến hành đối với răng của bánh vít

- Hệ số dịch chỉnh xác định theo công thức:

) ( 5 ,

m

a

x   (5.1) Để đảm bảo điều kiện không cắt chân răng và nhọn đỉnh răng, hệ số dịch chỉnh: 0,7x0,7

- Đường kính vòng lăn của trục vít:

m x q

- Đường kính vòng đỉnh của bánh vít:

m x z

- Đường kính vòng đáy của bánh vít:

m x z

d f ( 2 2,4 2 )

- Các kích thước còn lại không thay đổi khi dịch chỉnh

5.3 TỈ SỐ TRUYỀN, VẬN TỐC VÒNG VÀ VẬN TỐC TRƯỢT

5.3.1 Tỉ số truyền

- Tỉ số truyền bộ truyền trục vít:

1 2 2

1

z

z n

n

Tỉ số truyền được chọn theo dãy tiêu chuẩn sau, giá trị u thực tế không được sai lệch quá 4% so với giá trị tiêu chuẩn:

5.3.2 Vận tốc vòng

- Trong bộ truyền trục vít, vận tốc vòng của trục vít và bánh vít có phương vuông góc nhau

- Vận tốc vòng trên trục vít:

60000

1 1 1

n d

- Vận tốc vòng trên bánh vít:

60000

2 2 2

n d

trong đó, n1, n2: số vòng quay của trục vít và bánh vít, (vòng/phút),

d1, d2: đường kính của trục vít và bánh vít, (mm)

5.3.3 Vận tốc trượt

Hình 5.6 Phương, chiều vận tốc trượt

- Khi truyền động, các mặt ren của trục vít sẽ trượt trên bề mặt răng của bánh vít Vận tốc

trượt v hướng theo phương tiếp tuyến của đường xoắn ốc mặt ren trục vít bởi vì: s

1

2 2 1

1

2 2 1

2

n q m

n z m n d

n d v

v X

Thay

1 2 2

1

z

z n

n

u  vào (5.8), ta được:



tg q

z z q

z z X

2

1

Suy raX  , tức làv song song với trượt (phương tiếp tuyến của đường xoắn ốc mặt ren trục vít) s

- Ta có:

q

q z v tg

v v

v s

2 2 1 1

2

1 1

1

1 cos















19100 60000

2 2 1 1 2

2 1 1

q

q z n d





- Vận tốc trượt lớn hơn vận tốc vòng vì



cos

1

v

v s  mà cos 1

- Khi thiết kế, ta có thể chọn sơ bộ giá trị v s theo công thức thực nghiệm sau:

3 2 1 1

10000

) 6 , 4 7 , 3 ( ) 05 , 0 02 , 0

trong đó, 1: vận tốc góc của trục vít, rad/s,

n1: số vòng quay của trục vít, vòng/phút,

T : moment xoắn trên bánh vít, Nmm, 2

- Ta có thể chọn cấp chính xác cho bộ truyền trục vít theo vận tốc trượt như bảng 7.4, trang

278, tài liệu [1]

5.4 HIỆU SUẤT BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT

- Hiệu suất bộ truyền trục vít khi trục vít dẫn động (giảm tốc) được xác định theo công thức:

) ' ( 









tg

với 'arctg f' là góc ma sát thay thế Hệ số ma sát thay thế 'f phụ thuộc vào vận tốc trượt, được xác định theo bảng 7.5, trang 280, tài liệu [1] nếu vật liệu trục vít là thép và

bánh vít bằng đồng thanh có thiếc

- Khi kể đến mất mát công suất do khuấy dầu thì:

) ' ( ) 95 , 0 9 0 (















tg

Như vậy, khi tăng  thì hiệu suất bộ truyền tăng, nhưng  < 250

 Trục vít làm bằng thép, bánh vít làm bằng đồng thanh: ' 0,0480,36

s v

 Trục vít bằng thép, bánh vít làm bằng gang: ' 0,006,36

s v

- Khi tính toán sơ bộ vì chưa biết v s và , hiệu suất bộ truyền trục vít có thể tính theo tỉ số truyền hoặc theo hệ số ma sát thay thế như sau:

) 200 1 ( 9 ,



1 2,875 '(1 1)

2

z





- Hiệu suất bộ truyền trục vít khi bánh vít dẫn động (tăng tốc) được xác định theo công thức:









tg

tg(  ')

Nếu  ' thì  0 Vậy, bộ truyền trục vít tự hãm khi  '

5.5 PHÂN TÍCH LỰC TÁC DỤNG

5.5.1 Lực tác dụng

Hình 5.7 Lực tác dụng lên bộ truyền trục vít a) Sơ đồ lực; b) Mặt cắt dọc trục vít; c) Lực tác dụng lên trục vít

Lực vòng F t

Lực ăn khớp Lực dọc trục F a

Lực hướng tâm F r

- Lực vòng trục vít bằng lực dọc trục bánh vít:

1 1

2

2 1

d

T F

- Lực vòng bánh vít bằng lực dọc trục trục vít:

2 2

2

1 2

d

T F

- Lực hướng tâm trục vít và bánh vít bằng nhau:



tg F F

1 2

- Trong các công thức trên, T là moment xoắn trên trục vít và 1 T là moment xoắn trên bánh 2

vít Giữa T và 1 T có mối liên hệ sau: 2

u T

- Qui tắc xác định phương, chiều lực tác dụng lên bộ truyền trục vít tương tự như bộ truyền bánh răng 5.5.2 Tải trọng tính

Đối với bộ truyền trục vít, hệ số tải trọng tính khi tính toán theo ứng suất tiếp xúc và ứng

suất uốn bằng nhau:



K K K

trong đó, K : hệ số tải trọng động (tra bảng 7.6, trang 283, tài liệu [1]), v

K: hệ số tập trung tải trọng, khi tải trọng ngoài không đổi thì K 1; khi tải trọng

ngoài thay đổi thì K 1,061,2 Giá trị K càng lớn khi q càng nhỏ và khi 

2

z càng lớn

5.6 CÁC DẠNG HỎNG VÀ CHỈ TIÊU TÍNH

5.6.1 Các dạng hỏng

Bộ truyền trục vít có các dạng hỏng giống như bộ truyền bánh răng Tuy nhiên, do vận tốc

trượt lớn nên các dạng hỏng chủ yếu của bộ truyền trục vít là dính và mòn răng

 Hiện tượng dính: các hạt (mảng) kim loại của răng bánh vít khi bị dứt ra sẽ dính chặt

vào mặt ren trục vít (ren trục vít có độ rắn cao hơn), khiến mặt ren trục vít trở nên sần

sùi, làm mài mòn nhanh mặt răng bánh vít

 Mòn bề mặt răng: do có hiện tượng trượt trên bề mặt tiếp xúc nên làm giảm tuổi thọ

và độ chính xác của bộ truyền Răng bánh vít mòn nhiều sẽ bị gãy

 Tróc rỗ bề mặt răng: xảy ra chủ yếu ở các bộ truyền làm bằng vật liệu có độ bền

chống dính cao (như đồng thanh)

5.6.2 Chỉ tiêu tính

 Tính theo độ bền tiếp xúc: để tránh hiện tượng dính

 Tính theo độ bền uốn: để tránh mòn nhiều gây ra gãy răng

Bộ truyền trục vít được tính toán chủ yếu theo độ bền tiếp xúc, kiểm tra theo độ bền uốn Chỉ khi bánh vít có số răng lớn (z2 100)và modun nhỏ, hoặc các bộ truyền quay tay thì tính theo độ bền uốn là chủ yếu

5.7 VẬT LIỆU CHẾ TẠO TRỤC VÍT, BÁNH VÍT (SV tự đọc trong tài liệu [1])

- Thép C45 : tôi bề mặt đạt độ rắn 40÷48 HRC

- Thép 20,15: thấm than

- Nếu v s 5m/s : đồng thanh thiếc

- Nếu 2v s 5m/s : đồng thanh không thiếc

- Nếu v s 2m/s : gang xám và gang biến tính

5.8 TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT

5.8.1 Ứng suất cho phép

a Ứng suất tiếp xúc cho phép:

 Bánh vít có răng chế tạo từ đồng thanh thiếc (b < 300 Mpa): ứng suất tiếp xúc cho

phép chọn theo điều kiện chống tróc rỗ bề mặt răng

v HL b

 ] (0,76 0,9)

trong đó, b : giới hạn bền kéo của vật liệu, tra bảng 7.8, trang 285, tài liệu [1],

C v : hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc trượt, tra bảng 7.9, trang 285, tài

liệu [1],

K HL: hệ số tuổi thọ xác định theo công thức:

8

7

10

HE HL

N

i N

i

i

T

T













1 4

2

2

với N HE: số chu kỳ làm việc tương đương, nếu 8

10 6 , 2



HE

8

10 6 , 2



HE

n i,T2i,t i: số vòng quay trong một phút, moment xoắn trên bánh vít và

thời gian làm việc tính bằng giờ trong chế độ làm việc thứ i,

T : moment lớn nhất trong các giá trị 2 T2i

 Bánh vít có răng chế tạo từ đồng thanh không có thiếc (b > 300 Mpa): ứng suất

tiếp xúc cho phép chọn theo điều kiện chống dính, phụ thuộc vào v s:

s

H] (276 300) 25v

[    (5.26)

 Bánh vít làm bằng gang:

s

H] (176 200) 35v

[   (5.27)

b Ứng suất uốn cho phép:

 Bánh vít bằng đồng thanh, quay một chiều

9 6

10 ) 08 , 0 25 , 0 ( ] [

FE b

ch F

N





trong đó, ch,b : giới hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu, tra bảng 7.8, trang 285,

tài liệu [1],

N FE : số chu kỳ tải trọng tương đương xác định theo công thức:

i N

i

i

T

T













1 9

2

2

với n i,T2i,t i: số vòng quay trong một phút, moment xoắn trên bánh vít và

thời gian làm việc tính bằng giờ trong chế độ làm việc thứ i,

T : moment lớn nhất trong các giá trị 2 T2i

10 6 , 2



FE

10 6 , 2



FE

10



FE

10



FE

 Bánh vít bằng gang

- Bánh vít quay một chiều:

bF

 ] 0,12

- Bánh vít quay hai chiều :

bF

 ] 0,075

với bF là giới hạn bền uốn của vật liệu

5.8.2 Tính toán bộ truyền trục vít

- Công thức thiết kế: (tính khoảng cách trục a)

3

2 2 2

170 1

z q

K T z

q

H





























trong đó, q : hệ số đường kính,

T : moment xoắn trên bánh vít, Nmm, 2

Tỉ số 0,26

2



z

K : hệ số tải trọng tính tính theo (5.22) H

Sau khi có khoảng cách trục a, ta tính modun m theo công thức:

q z

a m





2

2 (5.33)

Chọn m theo giá trị tiêu chuẩn, tính lại khoảng cách trục a Nếu có yêu cầu, ta có thể chọn a

theo tiêu chuẩn, nếu cần thiết phải dịch chỉnh răng

- Công thức kiểm tra bền:

] [

5 , 1

3 2

2

F F

F F

qm z

K Y

trong đó, K : hệ số tải trọng tính tính theo (5.22), F

Y : hệ số dạng răng phụ thuộc vào số răng tương đương F (z v  z2/cos3), tra bảng

7.10, trang 291, tài liệu [1],

[F]: ứng suất uốn cho phép, Mpa

- Trường hợp bộ truyền hở, quay tay hoặc khi số răng bánh vít lớn (z2 100): ta thiết kế

bánh vít theo độ bền uốn Khi đó xác định modun theo công thức sau:

3 2

2

] [

5 , 1

F

F F q z

K Y T m



5.9 TÍNH TOÁN NHIỆT

Do làm việc với ma sát lớn nên trong bộ truyền trục vít sinh ra rất nhiều nhiệt làm dầu bôi

trơn bị nóng lên Khi nhiệt độ dầu vượt qua giá trị cho phép [t max ]=95 0 C sẽ làm giảm độ nhớt

của dầu và hiện tượng dính có thể xảy ra Do đó, cần phải tính toán nhiệt theo phương trình cân bằng nhiệt sau:

0

) 1 ( ( )

1 (

trong đó, P : công suất trên trục vít, kW, 1

 : hiệu suất bộ truyền,

A : diện tích bề mặt tỏa nhiệt (vách hộp), 2

m ,

K : hệ số tỏa nhiệt có giá trị T 1218W/(m2.0C),

t : nhiệt độ của dầu,0C,

t0 : nhiệt độ môi trường,0C,

 : hệ số tỏa nhiệt qua bệ máy (đáy), thông thường bằng 0,3

Từ công thức (5.36), ta suy ra công thức xác định nhiệt độ dầu bôi trơn khi làm việc:

] [ ) 1 (

) 1 (

K A

P t

t

T













với [t]75850C: nhiệt độ cho phép của dầu bôi trơn

Để giảm t thì phải tăng cường biện pháp thoát nhiệt như làm giàn tỏa nhiệt, quạt, nước làm nguội…

5.10 KẾT CẤU VÀ BÔI TRƠN BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT (SV tự đọc trong tài liệu [1]) 5.11 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT (SV tự đọc trong tài liệu [1])

Thông số đầu vào: công suất P , vận tốc góc 1 1,2 (hoặc số vòng quay n và tỉ số truyền 1

u ), điều kiện làm việc của bộ truyền

Thực hiện theo các bước sau:

1 Xác định tỉ số truyền

2

1







2 Dự đoán vận tốc trượt v s theo công thức (5.12) Chọn vật liệu bánh vít, trục vít, phương pháp chế tạo, nhiệt luyện, cấp chính xác

3 Tính ứng suất cho phép [H] và [F] theo mục 5.8.1

4 Chọn số mối ren z , hệ số đường kính q Tính 1 z2 u z1 Tính chính xác tỉ số truyền u

5 Chọn sơ bộ  theo công thức (5.15)

6 Tính khoảng cách trục a theo độ bền tiếp xúc theo công thức (5.32) Tính modun theo

công thức (5.33) và chọn m theo tiêu chuẩn Sau đó tính lại khoảng cách trục a Nếu a

không phải tiêu chuẩn thì ta tiến hành dịch chỉnh răng bánh vít Nếu bộ truyền hở, quay tay hoặc số răng bánh vít lớn thì ta tính modun theo công thức (5.35)

7 Xác định các kích thước chính của bộ truyền

8 Kiểm nghiệm vận tốc trượt theo (5.11), hệ số tải trọng theo bảng 7.6, trang 283, tài liệu

[1], hiệu suất theo (5.14)

9 Nếu vật liệu bánh vít chế tạo từ đồng thanh có độ rắn cao hoặc gang thí tính toán lại giá

trị [H]với v s vừa tìm được Giá trị vừa tính không được lớn hơn 5% giá trị sơ bộ ở mục 3

10 Xác định số răng tương đương bánh vít

2

v

z Chọn hệ số

2

F

Y theo bảng 7.10, trang 291, tài liệu [1] và kiểm nghiệm ứng suất uốn của bánh vít theo (5.34)

11 Tính toán nhiệt theo (5.37)

12 Chọn dầu bôi trơn theo bảng 7.12, trang 295, tài liệu [1]