Giáo trình chế tạo máy - Chương 2

Giáo trình chế tạo máy - DR Phương

PHẦN HAI TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ Trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ sử dụng nhiều loại

truyền động:

+ Truyền động cơ khí

+ Truyền động điện

+ Truyền động thủy lực, khí nén

ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNGHỆ THỐNG BỘ PHẬN CƠNG TÁC

Trong đĩ, truyền động cơ khí được dùng nhiều

• Truyền động cơ khí là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ động

cơ đến các bộ phận của máy, thường cĩ biến đổi lực, vận tốc hoặc momen hay đơi khi biến đổi cả đặc tính và qui luật chuyển động

• Theo nguyên lý làm việc cĩ thể chia truyền động cơ khí làm hai nhĩm chính :

1 Truyền động bằng ma sát, bao gồm: truyền động bánh ma sát ( tiếp xúc trực tiếp) và truyền động đai ( tiếp xúc gián tiếp)

2 Truyền động bằng ăn khớp bao gồm: truyền động bánh răng, truyền động trục vít – bánh vít(tiếp xúc trực tiếp) và truyền động xích (tiếp xúc gián tiếp )

Ngồi các bộ truyền chuyển động quay trên, trong thực tế cịn sử dụng truyền động vit – đai ốc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

• Sử dụng các bộ truyền làm khâu nối giữa động cơ với các bộ phận làm việc của máy liên quan đến việc giải quyết những nhiệm vụ đặt

ra cho máy

+ Đối với ơ tơ, máy vận chuyển, khi khởi động cần mơmen xoắn lớn, khi chuyển động địi hỏi vận tốc cĩ chỉ số và chiều thay đổi, thì bản thân động cơ khơng thể đáp ứng được vì động cơ cĩ thể làm việc trong phạm vi thay đổi hẹp của vận tốc và mơ men

+ Đa số các thiết bị cơng nghệ, vận tốc của bộ phận cơng tác thường thấp hơn vận tốc hợp lý của động cơ điện trên chuẩn ( nếu dùng động

cơ cĩ tốc độ chậm, kích thước sẽ lớn giá thành đắt ) nhiều khi chỉ dủng một động cơ để dẫn động nhiều bộ phận làm việc với vận tốc khác nhau

Từ những nhiệm vụ trên đây, việc hoàn thiện và phát triển các bộ phận được đặt biệt quan tâm để mở rộng giới hạn truyền công suất, giảm khối lượng và kích thước, tăng tuổi thọ và độ tin cậy làm việc của chúng

• Khi tính toán thiết kế các bộ truyền thường dùng các thông số cơ bản sau đây:

+ Công suất ( KW) trên trục chủ động P1 và trên trục bị động P2 + Hiệu suất truyền động

1

2

P

P

= η

+ Tầng số quay và số vòng quay trong một phút ( vòng/phut) n1 của trục chủ động và n2 của trục bị động

+ Tỉ số truyền

2

1

n

n

u=

+ Mô men xoắn (Nmm) trên trục chủ động T1 và trên trục bị động

T2

1

1 6

1 9 55 10

n

P

T =

2

2 6

2 9 55 10

n

P

T =

η

1

2 T u

T =

Trong đó P1, P2 – (kw)

n1, n2 – vòng/ phút

CHƯƠNG 2 TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

2.1.1 Đặc điểm làm việc và phân loại.

- Truyền động bánh ma sát là truyền động giữa các trục nhờ lực ma sát phát sinh trực tiếp giữa bánh chủ động 1 và bánh bị động 2 Lực ma sát này đựơc hình thành nhờ ép các bánh ma sát với nhau bằng lực ép Fe

- Người ta chia bộ truềyn ma sát thành hai nhóm chủ yếu:

+ Bộ truyền có tỉ số truyền không điều chỉnh được ( bộ truyền ma sát trụ và bộ truyền ma sát trơn)

+ Bộ truyền với tỉ số truyền điều chỉnh được ( còn gọi là bộ biến tốc ma sát) cho phép thay đổi tỉ số truyền một cách đều đặn, liên tục ( điều chỉnh vô cấp)

2.1.2 Khoảng điều chỉnh tốc độ

Với bộ biến tốc như hình 1.c khi thay đổi bán kính tiếp xúc từ d2max đến

d2min, số vòng quay của trục bị động 2 thay đổi từ n2min đến n2max, tương ứng với tỉ số truyền sẽ thay đổi từ umax đến umin với :

min 2

1 max

n

n

u = và

max 2

1 min

n

n

u =

do đó tỉ số :

min

max min

2

max 2

u

u n

n

gọi là khoảng điều chỉnh tốc độ

Cùng với công suất truyền, khoảng điều chỉnh tốc độ là một thông

số quan trọng đặc trưng chất lượng làm việc của các bộ biến tốc

2.1.3 Lực ép và cơ cấu ép.

a/ Lực ép

- Muốn truyền truyền lực vòng Ft tại chỗ tiếp xúc của bánh ma mát với lực ép Fe nhằm tạo ra lực pháp tuyến Fn trên bề mặt tiếp xúc sao cho:

Fms = f Fn > Ft

Hoặc để an toàn, tránh trượt khi làm việc do mòn, rung động hoặc quá tải:

Fms = f.Fn = f.Ft (2.2) s- hệ số an toàn, với các bộ truyền lực s = 1,25÷1,5

Với các bộ truyền ở dụng cụ đo s = 3

f – hệ số ma sát, phụ thuộc vào vật liệu và vật liệu bôi trơn (bảng 4.1 trang 43 [1])

Từ đó suy ra lực pháp truyến Fn = S.Ft / f (2.3)

Tùy theo kết cấu của bộ truyền bánh ma sát và cơ cấu ép, biết lực pháp tuyến Fn sẽ tính được lực ép Fe

+ Với bộ truyền ma sát trục hay bộ biến tốc mặt đĩa (h.1a và 1c) ta có

Fn = Fe do đó Fe = S.Ft/ f

+ Với bộ truyền ma sát côn (h.1b):

Fe1 = Fn sinб1 = SFt sinб1 / f

Fe2 = Fn sinб2 = SFt sinб2 / f

• Nếu bộ truyền giảm tốc (u>1) vì б2 > б1 nên Fe2> Fe1 do đó để tạo ra một lực ma sát nên ép bánh 1 vào bánh 2 như thế lực ép sẽ nhỏ hơn

• Từ các công thức tính lực ép ta thấy rằng để truyền lực vòng Ft phải

ép các bánh ma sát với nhau với lực ép khá lớn: ví dụ với bộ truyền bánh ma sát bằng thép không bôi trơn, f = 0,15, nếu lấy hệ số an toàn s= 1,5 thì Fe = SFt/ f = 10 Ft Nhược điểm này hạn chế khả năng truyền công suất của bộ truyền bánh ma sát

b/ Phương pháp ép và cơ cấu ép

Ép không đổi: các bánh ma sát được ép bằng lực ép không đổi được hình thành nhờ yếu tố đàn hồi khi lắp(nhờ lò xo) hoặc nhờ trọng lượng bản thân của các yếu tố trong hệ thống

Phương pháp này khá đơn giản, thích hợp với các bộ truyền làm việc với tải trọng không đổi vì lực ép được xác định với tải trọng lớn nhất nên dư thừa khi tải trọng thay đổi nhỏ hơn do đó làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của bộ truyền

Ép điều chỉnh: để nâng cao tuổi thọ và giảm tổn thất về ma sát, người ta dùng phương pháp ép điều chỉnh, ở đó lực ép Fe thay đổi tỉ lệ với lực vòng cần truyền hoặc mô men xoắn

2.1.4.Vật liệu

Yêu cầu của vật liệu lảm bánh ma sát chủ yếu là:

a Có độ bền mỏi và độ bền tiếp xúc cao

b Có hệ số ma sát đủ lớn để tránh phải ép với lực ép quá lớn

c Có mô đun đàn hồi đủ lớn để tránh khỏi bị tổn thất nhiều về

ma sát do kích thước diện tích tiếp xúc lớn

Thường dùng thép tôi để làm bánh ma sát như 40CrNi, 18CrMnTi, 65 Mn… có độ rắn bề mặt HRC ≥60 làm việc trong dầu, khích thước bộ truyền nhỏ gọn nhưng yêu cầu gia công chính xác, độ nhám thấp

Với các bộ truyền hở, thường dùng gang làm việc khô, hoặc có bôi trơn đôi khi dùng bánh gang làm việc với bánh thép

Có thể dùng bánh ma sát bằng thép hay gang làm việc với bánh

ma sát bằng Techtôlit hoặc phíp, bộ truyền làm việc khô không yêu cao

hiệu suất thấp nhưng lực tác dụng lên trục nhỏ hơn so với bộ truyền bánh ma sát bằng thép hoặc gang

Trường hợp tải trọng nhỏ có thể dùng bánh ma sát bằng gỗ hoặc bọc da, vải cao su…làm việc với bánh thép hoặc gang, bánh chủ động nên làm bằng vật liệu mềm hơn để khi bị trượt trơn bánh bị động ít bị mòn vẹt

2.2 CÁC LOẠI CHỦ YẾU CỦA TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT.

2.2.1 Truyền động có tỉ số truyền không điều chỉnh được

Bộ truyền ma sát côn: có hai bánh côn chủ động, khi di chuyển dọc trục sẽ lần lượt tiếp xúc với bánh côn bị động

Bánh bị động có trục gắn với vít sẽ quay phải hoặc quay trái và vít sẽ thực hiện hành trình làm việc hoặc chạy không

Các bánh ma sát côn thường làm bằng gang, mặt làm việc của bánh bị động được bọc một lớp da, vải cao su hoặc amiăng Đôi khi vành bánh

bị động còn được chế tạo bằng tếch tô lít

2.2.2 Biến tốc ma sát

a/ Biến tốc ma sát mặt đĩa : khi dịch chuyển con lăn 1 dọc dọc theo trục của nó có thể thay đổi số vòng quay và chiều quay của bánh bị động

Kết cấu đơn giản, nhờ khả năng đảo chiều và bố trí các trục bánh

ma sát vuông góc với nhau: đơn giản được sơ đồ động của máy thường gặp trong máy ép và dụng cụ đo Khoảng điều chỉnh tốc độ ≈

Nhược điểm: có sự chênh lệch đáng kể về vận tốc trên diện tích tiếp xúc gây trượt, làm tăng mòn giảm hiệu suất

b/ Biến tốc có các bánh côn di động (biến tốc đai) gồm hai bánh côn lắp trên trục chủ động, hai bánh côn lắp trên trục bị động và trung gian để truyền động giữa hai trục: khi dùng đai thang rộng làm khâu trung gian ta có biến tốc đai, khi dùgn xích đặc biệt làm khâu trung gian

ta có biến tốc xích Dùng cơ cấu điều khiển để làm các cặp bánh côn xa nhau ra và cặp kia gần nhau cùng một khoảng cách Khi đó đai dịch chuyển trên đường sinh của bánh côn ứng với những đường kính tiếp xúc khác nhau (khi chiều dài đai không đổi ta sẽ có những tốc độ khác nhau của cặp bánh côn bộ động

Biến tốc đai có kết cấu khá đơn giản Khoảng điều chỉnh tốc độ

có thể bằng 1,5 (đối với đai tiêu chuẩn) và bằng 5 (đối với đai rộng)

c/ Biến tốc mạch xuyến lõm

d/ Biến tốc nhiều đĩa ma sát

2.3 CÁC YẾU TỐ CHỦ YẾU ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỘ TRUYỀN.

2.3.1 Các dạng trượt

Trượt là nguyên nhân gây mòn, giảm hiệu suất, làm cho tỉ số truyền không ổn định Có thể xuất hiện các dạng trượt sau:

a/ Trượt đàn hồi

Sơ đồ tiếp xúc của bộ truyền gồm bánh chủ động 1, bánh bị động

2 với các vận tốc ω1, ω2 và các mo men xoắn T1,T2

Khi truyền Mx, các phân tố của của bề mặt bánh chủ động vào tiếp xúc ở điểm 1 bị nén, ra khỏi điểm 3 bị dãn Ngược lại phân tố tiếp xúc của bánh bị động bị dẫn khi vào tiếp xúc tại điểm 1 và bánh bị nén khi thôi tiếp xúc ở điểm 3 Trong vùng tiếp xúc từ điểm 2 -> 3, bánh

ma sát chủ động sẽ chuyển động nhanh hơn, ngược lại do bị nén bánh bị động sẽ chuyển động chậm hơn Hiện tượng giãn nén gây nên sự chêch lệch vận tốc ở bánh chủ động và bánh bị động, chính là nguyên nhân gây nên trượt đàn hồi với vận tốc trượt vt =v1- v2

Trượt đàn hồi xuất do biến dạng đàn hồi khác nhau của hai bánh theo phương tiếp tuyến, biến dạng đàn hồi do tải trọng gây nên: khi làm việc truyền tải, bất cứ bộ truyền bánh ma sát nào cũng có trượt đàn hồi

b/ Trượt hình học

- Vận tốc vòng trên của bề mặt làm việc của con lăn 1 là hằng số trên suốt chiều rộng của nó và bằng v1, trong khi đó vận tốc v2 tại những điểm tiếp xúc khác nhau của đĩa 2 thay đổi tỉ lệ với khoảng cách từ điểm này đến tâm điểm (v2max tại mép đĩa 2) Như vậy, với kết cấu đang xét, lăn thuần túy (v1=v2) chỉ xảy ra tại điểm P nằm trên đường tiếp xúc Điểm P gọi là tâm lăn được xác định theo đường kính d2

sao cho n1/ n2 = d2/d1 Ở tất cả điểm còn lại trên đường tiếp xúc, đều trượt với vận tốc trượt vt=v1-v2

- Khi chịu mo men ngoài T1, tâm lăn không nằm chính giữa đường tiếp xúc mà dịch chuyển một khoảng ∆ Trị số ∆ có thể xác định theo: ∆= T1.b/(f.Fe.d1)

T1: momen xoắn trên bánh 1

b: chiều rộng bánh 1

f : hệ số ma sát

Fe : lực ép

d1: đường kính bánh 1

Vt = (v1.2/d1) (b/2 +∆) = π.n1 (b/2 + ∆) (30u) Như vậy: trượt hình học xuất hiện trên diện tích tiếp xúc dọc theo đường sinh của bánh ma sát và phụ thuộc vào hình dạng bánh ma sát

và phụ thuộc vào hình dạng bánh ma sát: khi chiều dài tiếp xúc càng lớn thì trượt càng nhiều (ở đây, chiều dài tiếp xúc bằng chiều rộng con lăn) c/ Trượt trơn

Khác với trượt hình học, trượt trơn chỉ xuất hiện khi quá tải: lực vòng cần truyền lớn hơn lực ma sát tại vùng tiếp xúc của hai bánh Khi trượt trơn, bánh bị động dừng lại bánh chủ động trượt trên bánh bị động gây mòn cục bộ hoặc xước bề mặt Vì vậy khi thiết kế cần chọn hệ

số an toàn S đủ lớn và không dùng bộ truyền bánh ma sát làm bộ phận ngăn ngừa quá tải cho máy và nên sử dụng cơ cấu tự ép ( dùng ép điều chỉnh ) có thể khắc phục được trượt trơn

2.3.2 Hiệu suất

Hiệu suất của bộ truyền phụ thuộc chủ yếu vào tổn thất do trượt và mất mát trong ổ trục

- Với các bộ truyền chỉ có trượt đàn hồi thì tổn thất do trượt W=f.Fn.vt.Ở các bộ truyền có trượt hình học, thì tổn thất do trượt được bổ sung thêm một lượng tỉ lệ với vận tốc trượt

- Tổn thất về ma sát trong ổ trục phụ thuộc vào trị số của tải trọng tác động lên trục, với nhiều loại kết cấu chính là lực Fe Khi lực ép không đổi, tổn thất trong các ổ cũgn không đổi do đó hiệu suất sẽ giảm khi biến tốc ma sát làm việc không hết tải Về mặt hiệu suất, sử dụng các cơ cấu ép đảm bảo tỉ số T1/ Fe không đổi sẽ hợp lý hơn

- Trong thực tế hiệu suất thường được xác định bằng thực nghiệm

2.4 ĐÁNH GIÁ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT

* Ưu điểm

Cấu tảo đơn giản làm việc êm, có khả năng điều chỉnh tốc độ quay

* Nhược điểm

- Tỉ số truyền không ổn định vì có trượt

- Lực tác dụng lên trục và ổ khá lớn do phải ép các bánh ma sát với nhau với lực ép khá lớn

- Khả năng tải và tuổi thọ thấp

* Phạm vi ứng dụng

- Chỉ dùng để truyền công suất dưới 10 kw ( đôi khi đến 20kw), vận tốc tới 20m/s

- Truyền động bánh ma sát có tỉ số truyền không điều chỉnh được thường chỉ dùng ở xích động học của thiết bị đo ( yêu cầu chuyển động êm, làm việc không ồn, đóng mở không có va đập)

- Bộ biến tốc ma sát được sử dụng nhiều trong máy cắt kim loại, máy hàn, máy dệt, trong công nghiệp hóa học, công nghiệp giấy và trong nghành dụng cụ đo, do khả năng điều chỉnh vô cấp số vòng quay của trục bị động một cách nhẹ nhàng ( không phải qua từng cấp), không phải dừng máy