Thiết kế máy bộ truyền bánh răng

MỤC TIÊU: Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khả năng: Phân biệt được các loại bộ truyền bánh răng, trình bày lại được ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của bộ truyền bánh răng. Liệt kê được các thông số hình học và động học của bộ truyền bánh răng. Giải thích được về sự dịch chỉnh bánh răng, về sự hư hỏng và các chỉ tiêu tính toán bánh răng. Tra bảng, chọn được số liệu phù hợp để tính toán. Tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, bộ truyền bánh răng nón răng thẳng theo chỉ tiêu sức bền tiếp xúc và sức bền uốn. Làm được các bài tập tính toán về bộ truyền bánh răng. Trung thành với số liệu tính toán.

Chương 4: Bộ truyền bánh răng

Chương

MỤC TIÊU:

Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khả năng:

- Phân biệt được các loại bộ truyền bánh răng, trình bày lại được ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của bộ truyền bánh răng

- Liệt kê được các thông số hình học và động học của bộ truyền bánh răng

- Giải thích được về sự dịch chỉnh bánh răng, về sự hư hỏng và các chỉ tiêu tính toán bánh răng

- Tra bảng, chọn được số liệu phù hợp để tính toán

- Tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, bộ truyền bánh răng nón răng thẳng theo chỉ tiêu sức bền tiếp xúc và sức bền uốn

- Làm được các bài tập tính toán về bộ truyền bánh răng

- Trung thành với số liệu tính toán

NỘI DUNG:

I Đại cương

1 Định nghĩa và phân lọai

2 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

II Thông số hình học

1 Thông số bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng

2 Thông số bộ truyền bánh răng trụ răng răng nghiêng

3 Thông số bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

III Dịch chỉnh trong bộ truyền bánh răng

1 Dịch chỉnh đều (theo chiều cao răng)

2 Dịch chỉnh góc

IV Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng

1 Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng trụ

2 Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

V Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán

VI Vật liệu chế tạo bánh răng

VII Trình tự tính bộ truyền bánh răng

1 Tính bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng

2 Tính bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

VIII Ví dụ tính toán

IX Bài tập

Câu hỏi ôn tập

NHỮNG LƯU Ý VỀ GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP:

1 Những khái niệm và định nghĩa cần lướt qua nhanh, vì sinh viên phải có giáo trình

để học Tập trung giải thích các thông số và vận dụng các công thức để tính toán.Giải một bài tập mẫu về bánh răng thẳng và một bài tập mẫu về bánh răng nón chosinh viên Hướng dẫn sinh viên cách tra bảng số liệu Chuẩn bị tài liệu phát tay cho 1tiết thảo luận

2 Sinh viên phải đọc trước các nội dung trước khi đến lớp Liên hệ thực tiễn và chú

ý giải các bài tập trong giáo trình Đọc thêm các tài liệu tham khảo

4.2a)

b) Phân loại:

- Theo vị trí tương đối giữa các trục:

+ Truyền động giữa các trục song song: truyền động bánh răng trụ (H+ Truyền động giữa các trục giao nhau: truyền động bánh răng côn (H

+ Truyền động giữa các trục chéo nhau: truyền động bánh răng côn xoắn(H 4.2b), trụ xoắn (H 4.2c)

- Theo vị trí của các răng trên bánh răng:

+ Bộ truyền ăn khớp ngoài (H 4.1a)

+ Bộ truyền ăn khớp trong (H 4.1b)

- Theo phương của răng so với đường sinh:

- Theo biên dạng răng:

+ Bánh răng thân khai

+ Bánh răng xyclôít (sử dụng chủ yếu trong đồng hồ và dụng cụ đo)

Giáo trình Chi tiết máy 44

+ Bánh răng novicốp (biên dạng răng là cung tròn) có tác dụng làm tăng khả năng tải của bộ truyền

Hình 4.2: Phân loại bộ truyền bánh

2 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

a) Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

- Tỷ số truyền không đổi

- Hiệu suất cao (0,97  0,99)

- Có thể làm việc với vận tốc lớn, công suất lớn

- Có tuổi thọ và độ tin cậy cao

b) Nhược điểm:

- Chế tạo phức tạp

- Đòi hỏi độ chính xác cao

- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

Hình 4.4: Răng của bánh răng

- Đường kính vòng lăn: D1 = mZ1 ; D2 = mZ2 (4.2)

- Chiều cao răng: h = ha + hi; ha = m ; hi = 1,25m (4.3)

- Đường kính vòng đỉnh:

Da1 = D1 + 2ha = D1 + 2m; Da2 = D2 + 2ha = D2 + 2m (4.4)

- Đường kính vòng chân:

Di1 = D1 - 2hi = D1 - 2,5m; Di2 = D2 - 2hi = D2 - 2,5m (4.5)

2 Thông số bộ truyền bánh răng trụ răng răng nghiêng

Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng

có một bộ thông số tương tự như bộ truyền

bánh răng trụ răng thẳng, được tính trên mặt

đầu của bánh răng (mặt phẳng vuông góc với

trục bánh răng)

Một số thông số được xác định trên

mặt phẳng pháp tuyến n-n, vuông góc với

phương của răng

Gọi  là góc nghiêng của răng; ta có:

diện vuông góc với trục bánh răng,

diện vuông góc với phương của răng,

tiết diện vuông góc với trục bánh răng,

diện vuông góc với phương của răng (hình

4.6)

Hình 4.5: Kích thước bộ truyền bánhrăng trụ răng nghiêng

Ta có quan hệ:

pn = pt cos

mn = mt cos

Đối với bộ truyền bánh răng trụ răng

giá trị tính toán thì tính theo mt

Hình 4.6: Các bước răng của bánh răng

Bộ truyền bánh răng nón răng thẳng có một bộ thông số tương tự như của bánh răng trụ răng thẳng, xác định trên mặt nón phụ lớn nhất (mặt mút lớn)

trên mặt nón phụ trung bình Các thông số

có thêm chỉ số tb Ví dụ, mô đun mtb,

đường kính dtb, vv Các thông số này

dùng tính toán kiểm tra bền và thiết kế

n

Đường kính vòng lăn trung bình:

III DỊCH CHỈNH TRONG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG

Dịch chỉnh bánh răng chủ yếu nhằm cải thiện chất lượng ăn khớp, làmtăng sức bền tiếp xúc, sức bền uốn hoặc tăng tính chống mòn, chống dính của

bộ truyền Ngoài ra, trong thiết kế các bộ truyền bánh răng có khoảng cách trục

đã cho trước, nhiều khi phải dùng bánh răng dịch chỉnh

1 Dịch chỉnh đều (theo chiều cao răng)

Thực hiện dịch chỉnh đều khi tỷ số truyền lớn, đảm bảo độ bền uốnđều giữa các răng

này được gọi là dịch chỉnh góc

IV LỰC TÁC DỤNG LÊN BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG

Tải trọng danh nghĩa của bộ truyền bánh

Ngoài tải trọng danh nghĩa nêu trên,

khi bộ truyền làm việc, do va đập, có thêm

tải trọng động tác dụng lên răng Tải trọng

mặt răng bánh răng

này tỷ lệ với vận tốc làm việc, được ký

hiệu là Fv Tính chính xác Fv tương đối khó

khăn, nên người ta kể đến nó bằng hệ số

tải trọng động Kv

Khi có nhiều đôi răng cùng ăn khớp,

tải trọng phân bố không đều trên các đôi



t

răng, sẽ có một đôi răng chịu tải lớn hơn

các đôi khác Để đôi răng này đủ bền, khi

tính toán ta phải tăng tải trọng danh nghĩa

Hình 4.10: Tải trọng phân bố không đều dọc theo chiều dài răng

n1 r1F

răng

Trên từng đôi răng, do độ cứng khác nhau của các điểm tiếp xúc, tảitrọng phân bố không đều dọc theo chiều dài răng (Hình 4-10) Như vậy để chođiểm chịu tải lớn nhất của răng đủ bền, khi tính toán phải tăng tải danh nghĩa

dài răng (còn gọi là hệ số tập trung tải trọng)

Tải trọng tác dụng lên răng sẽ gây nên ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn trên răng Khi ứng suất vượt quá giá trị cho phép thì bánh răng bị hỏng

1 Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng trụ

a) Đối với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, gồm có các lực tác dụng sau (Hình 4-11):

tác dụng lên trục dẫn I,

lực Ft2 tác dụng lên trục II

Phương của Ft1 và Ft2 trùng

với đường tiếp tuyến

chung của hai vòng lăn

Chiều của Ft1 ngược với

chiều quay n1, chiều của

Ft2 cùng với chiều quay n2

và hướng về phía trục II

trùng với đường tiếp

tuyến chung của hai vòng

lăn Chiều của Ft1 ngược

với chiều quay n1, chiều

của Ft2 cùng với chiều

- Lực hướng tâm Fr1 tác dụng lên trục I, vuông góc với trục I và hướng về phía

Giá trị Fr1 = Fr2 = Ft1.tgα

chiều nghiêng của đường răng

2 Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

- Lực tiếp tuyến Ft1 tác dụng lên trục dẫn I, lực Ft2 tác dụng lên trục II

của Ft1 ngược với chiều quay n1, chiều của Ft2 cùng với chiều quay n2

Giá trị F = F =

2M1

 2M 2 t1 t2 d tb1 d tb 2

lên trục I, vuông góc với trục I

và

hướng về phía trục I Lực hướng

tâm Fr2 vuông góc với trục II và

hướng về phía trục II

Giá trị Fr1 = Ft1.tgα.cosδ1 (4.23)

Fr2 = Ft2.tgα.cosδ2 (4.24)

lên trục I, song song với trục I Lực

dọc trục Fa2 song song với trục II

Hình 4.13: Lực trong bộ truyền bánh răng nón

hướng về phía đáy lớn của bánh bị dẫn

V CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN

1 Các dạng hư hỏng của bộ truyền bánh răng

Trong quá trình làm việc, trên bánh răng có thể xuất hiện các dạng hỏngsau:

- Gãy răng bánh răng, là dạng hỏng nguy hiểm nhất, bộ truyền khôngtiếp tục làm việc được nữa và còn gây nguy hiểm cho các chi tiết máy lân cận

Gãy răng có thể do quá tải, hoặc do bị mỏi, khi ứng suất uốn trên tiết diện chân răng vượt quá giá trị cho phép

- Tróc rỗ mặt răng, trên mặt răng có những lỗ nhỏ và sâu, làm hỏng mặtrăng,

truyền có độ rắn mặt răng cao, ứng suất tiếp xúc không lớn lắm và được bôi trơn đầy đủ

Nguyên nhân là do ứng suất tiếp xúc thay đổi, mặt răng bị mỏi, xuất hiệncác vết nứt trên bề mặt Vết nứt lớn dần lên, đến một mức nào đó sẽ làm tróc

ra một mảnh kim loại, để lại vết lõm

- Mòn răng, ở phía chân răng và đỉnh răng có trượt biên dạng, nên răng bịmài mòn Mòn làm yếu chân răng và làm nhọn đỉnh răng Mòn thường xảy ra ở những bộ truyền có ứng suất tiếp xúc trung bình và bôi trơn không đầy đủ.

- Dính, xước mặt răng, trên bề mặt răng có dính các mẩu kim loại, kèmtheo những vết xước Dính xước làm mặt răng bị hỏng, bộ truyền làm việckhông tốt nữa Dính xước thường xảy ra ở các bộ truyền có độ rắn mặt răngthấp, ứng suất lớn, và vận tốc làm việc cao

Nguyên nhân là do ứng suất lớn và nhiệt độ cao làm vật liệu tại chỗ tiếpxúc đạt đến trạng thái chảy dẻo Kim loại bị bứt ra dính lên mặt răng đối diện,tạo thành các vấu Các vấu này cào xước mặt răng trong những lần vào ăn khớptiếp theo Cứ như thế mặt răng bị phá hỏng

- Biến dạng dẻo bề mặt răng, trên bánh răng dẫn có rãnh ở phía giữa,còn trên bánh răng bị dẫn có gờ ở phía giữa răng, dạng răng bị thay đổi, bộtruyền ăn khớp không tốt nữa Dạng hỏng này thường xuất hiện ở các bộtruyền có độ rắn mặt răng thấp, ứng suất tiếp xúc lớn, và vận tốc làm việcthấp

Nguyên nhân là do ứng suất lớn, lưu lại trên mặt răng lâu, lớp mặt răngmềm ra, kim loại bị xô đẩy từ chỗ nọ sang chỗ kia Do chiều của lực ma sát,trên răng bánh dẫn kim loại bị đẩy về phía chân răng và đỉnh răng, còn trên bánh

bị dẫn kim loại dồn về phía giữa răng

- Bong mặt răng, có những vảy kim loại tách ra khỏi bề mặt răng, tạonên những vết lõm nông và rộng Bong mặt răng làm thay đổi biên dạng răng,giảm chất lượng bề mặt, bộ truyền làm việc không tốt nữa Dạng hỏng nàythường có ở những bộ truyền mặt răng được tôi, sau khi thấm nitơ, thấm than

Nguyên nhân là do nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện không tốt, tổ chức kimloại trên mặt răng bị phá hỏng, kém bền vững Dưới tác dụng của ứng suất lớn

và thay đổi, một lớp mỏng kim loại đã bị tách khỏi mặt răng

Để tránh các dạng hỏng nêu trên, người ta tính toán bộ truyền bánh răngtheo hai chỉ tiêu:

Tính toán cho các trường hợp bộ truyền kín, được bôi trơn đầy đủ

lý

Tính toán cho các trường hợp bộ truyền hở, không được bôi trơn đầy đủ

Trong cả hai trường hợp chọn chế độ và phương pháp nhiệt luyện hợp

Nếu bộ truyền bánh răng chịu tải trọng quá tải trong một thời gian rấtngắn, cần phải kiểm tra các bánh răng theo sức bền tĩnh, gọi là tính toán bộ truyền bánh răng theo quá tải

VI VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÁNH RĂNG

Bánh răng chủ yếu được chế tạo bằng thép, ngoài ra có thể dùng gang,hoặc vật liệu phi kim loại.

Tuỳ theo cách nhiệt luyện, và độ rắn mặt răng, có thể chia bánh răng thép

ra hai nhóm chính:

1 Nhóm bánh răng có độ rắn bề mặt HB ≤ 350:

Trước khi cắt răng, người ta nhiệt luyện phôi liệu bằng tôi cải thiệnhoặc thường hoá Sau khi cắt răng không phải tôi và sửa răng

Để hạn chế dính xước răng, và đảm bảo sức bền đều cho hai bánh răng,

vì số chu kỳ ứng suất của bánh 1 lớn hơn của bánh 2, nên chọn vật liệu bánh

Đối với các bánh răng chịu tải trọng nhỏ

C40, C45, C50Mn, tôi cải thiện

Nên chọn hai bánh răng bằng cùng một loại vật liệu, nhiệt luyện đạt độrắn bề mặt như nhau

Thường dùng các thép có hàm lượng các bon thấp như thép C15, C20,15Cr, 20Cr, bề mặt được thấm than trước khi tôi

công thức kinh nghiệm:

SH là hệ số an toàn khi tính sức bền tiếp xúc, có thể lấy SH = 1,1  1,2 ;

SF là hệ số an toàn khi tính sức bền uốn, có thể lấy SF = 1,1  2

 1,1

S

YXF là hệ số kể đến kích thước của bánh răng, đối với bánh răng thôngdụng có Da < 700 mm, lấy KXF =1.

VII TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG

Trong nhiệm vụ tính toán bộ truyền bánh răng, thường cho số liệu về cácthông số làm việc chủ yếu của bộ truyền, yêu cầu xác định các thông số hìnhhọc của bộ truyền, làm cơ sở cho việc vẽ kết cấu bộ truyền, vẽ bản vẽ chếtạo các bánh răng Tính lực để làm cơ sở tính trục và ổ đở

1 Tính bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng

Các bước tính toán bao gồm:

1- Chọn vật liệu chế tạo các bánh răng, cách nhiệt luyện, tra cơ tính củavật liệu

Đối với các bánh răng có độ rắn bề mặt HB ≤ 350, thường chọn vật liệu

Đối với các bánh răng có độ rắn bề mặt HB > 350, thường chọn vật liệuhai bánh như nhau

Bảng 4.1: Giới hạn mỏi Hlim và Flim

1,11,8HB

1,75Tôi thể tích HRC 45 55 18HRC+ 150 550

40Cr, 40CrNi,

35CrMo

Tôi bề mặtbằng dòngđiện tần sốcao(mn  3 mm)

HRC 56 63 25 55HRC

17HRC+ 200

1,2

900

Tôi bề mặtbằng dòngđiện tần sốcao(mn < 3 mm)

12HR

C +30Thép thấm

cacbon các loại

Thấm cacbon,nitơ và tôi

HRC55 63 30 45HRC 25HRC 750

1,55

Thép môlipden,

25CrMnMo

HRC57 63 30 45HRC

23HRC

1000Thép không

chứa môlipden,

25CrMnTi,

30CrMnTi, 35Cr

750

3 M 2  KHv  KH

 2  i2 AH

2- Xác định giá trị ứng suất cho phép: [σH1], [σH2], [σF1], [σF2] theo côngthức (4.27) và (4.28) Nếu bộ truyền làm việc có quá tải trong thời gian ngắn,cần xác định thêm giá trị của [σHqt1], [σHqt2], [σFqt1] và [σFqt2]

Chọn [σH] = min([σH1], [σH2]),

[σF] = min([σF1], [σF2])

(Tiếp tục tính toán theo một trong hai trường

hợp)

A Tính theo chỉ tiêu sức bền tiếp xúc:

3- Tính khoảng cách trục A theo công thức:

N2 là công suất trên trục bị dẫn; [kW]

KH  là hệ số tập trung tải trọng khi tính theo sức bền tiếp xúc, bảng 4.4;

  b

A

A

là hệ số bề rộng bánh răng; được chọn như sau:

Loại bánh răng Cấp chính xác

Bảng 4.3: Chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng

2M1.KHv .KH .i 1

b.i

2sin 400

2sin 2

9 Kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của răng:

Ứng suất tiếp xúc sinh ra trên mặt răng được tính theo công thức Héc:

Z .Z Z

  M H 

Trong đó:

10 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng:

Ứng suất uốn sinh ra tại chân răng được tính theo công thức:

H

Khi tính toán bộ truyền có dịch chỉnh cần tham khảo thêm tài liệu.

B Tính theo chỉ tiêu sức bền uốn:

3 Chọn số răng bánh dẫn Z1  17; tính số răng Z2 = i.Z1

Tính chính xác tỷ số truyền; cho phép sai số i  3%

4 Tính các hệ số dạng răng YF1; YF2 theo công thức (4.34); (4.35)

Chọn môdun theo tiêu chuẩn

8 Tính các thông số hình học của bộ truyền

 [F1 F2]

Cho phép quá tải đến 5% Không cần kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc Nếu điều kiện bền uốn không thỏa thì tăng môdun m và tính toán lại

Y

60.1000 i 2 1

thẳn

g

12 Vẽ kết cấu bánh răng

2 Tính bộ truyền bánh răng nón răng

Tính bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

được thực hiện tương tự

bánh răng trụ răng thẳng

như tính bộ truyền

a) Đặc điểm về sức bền của bánh răng

nón so với bánh răng trụ:

- Tiết diện răng của bánh răng nón có

kích thước thay đổi dọc theo chiều dài răng,

Hình 4.14: Kích thước tiết diện

Song, tải trọng phân bố trên đường tiếp xúc của

4-14) Thường người ta tính toán bộ truyền bánh răng nón theo tiết diện trungbình của răng

- Dạng răng của bánh răng nón răng thẳng trên mặt nón phụ trung bình,

tải của bộ truyền bánh răng nón bằng 0,85 khả năng tải của bánh răng thẳngtương đương Do đó, có thể tính toán bộ truyền bánh răng nón qua bánh răngthẳng tương đương, với tải trọng tăng lên 1/0,85 lần

b) Tính bộ truyền bánh răng nón răng thẳng theo sức bền tiếp xúc:

1 Chọn vật liệu (giống như tính bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng)

2 Tính các ứng suất cho phép (giống như tính bộ truyền bánh răng trụrăng thẳng)

4 Đường kính trung bình của bánh dẫn được tính theo công