Bài giảng Chi tiết máy - Chương 10: Ô lăn (Nguyễn Thanh Nam)

Bài giảng Chi tiết máy - Chương 10: Ô lăn có nội dung trình bày về khái niệm ổ lăn, động học và động lực học ổ lăn, các dạng hỏng và chỉ tiêu lựa chọn ổ lăn, tuổi thọ ổ lăn, lựa chọn ổ theo khả năng tải động, lựa chọn ổ theo khả năng tải tĩnh, định vị và lắp ổ,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

10.2 Động học và động

lực học ổ lăn

10.3 Các dạng hỏng và

chỉ tiêu lựa chọn ổ lăn

10.1 Khái niệm chung

1

Chương 10 Ổ lăn

10.8 Bôi trơn và che kín ổ 10.9 Trình tự lựa chọn ổ lăn

10.4 Tuổi thọ ổ lăn 10.5 Lựa chọn ổ theo khả năng tải động

10.6 Lựa chọn ổ theo khả năng tải tĩnh

10.7 Định vị và lắp ổ

Chương 10 Ổ lăn

10.1 Khái niệm chung

1 Định nghĩa:

Ổ trục, tải trọng từ trục trước khi truyền qua gối đỡ phải qua con lăn (bi hoặc đũa), nhờ các con lăn nên

ma sát sinh ra trong ổ là ma sát lăn

2 Các bộ phận chính ổ lăn:

Ổ lăn thường gồm 4 bộ phận: vòng trong (1), vòng ngoài (2), vòng cách (3) và con lăn (4) Khi làm việc, vòng trong (1) hoặc vòng ngoài (2) sẽ quay, vòng còn lại đứng yên, nhờ có vòng cách (3) mà các con lăn không trực tiếp tiếp xúc với nhau, con lăn (4) lăn trên rãnh lăn thực hiện ma sát lăn Con lăn có thể là bi, đũa trụ ngắn, đũa trụ dài, đũa côn, đũa hình trống, đũa kim và đũa xoắn.

3 Phân loại:

- Theo hình dạng con lăn chia ra làm 2 loại: ổ bi và ổ đũa

- Theo khả năng chịu lực của ổ chia ra: ổ đỡ (chỉ chịu lực hướng tâm và có thể một phần lực dọc trục); ổ đỡ chặn (chịu lực hướng tâm và lực dọc trục); ổ chặn đỡ (chịu lực dọc trọc là chủ yếu và một phần lực hướng tâm); ổ chặn (chỉ chịu lực dọc trục).

- Theo khả năng tự lựa vị trí: ổ tự lựa (có khả năng bù độ lệch góc, lệch tâm hay sai lệch chiều dài) và ổ không tự lựa

- Theo số dãy con lăn chia ra: ổ một dãy, hai dãy, bốn dãy

- Theo kích thước ổ (đường kính ngoài) hoặc khả năng tải và chiều rộng ổ chia ra: 1- ổ siêu nhe ï, 2- ổ đặc biệt nhe ï, 3- nhẹ , 4- nhẹ rộng , 5- trung , 6- trung rộng và 7- nặng

Chương 10 Ổ lăn

4 Các loại ổ lăn thông dụng:

- Ổ bi một dãy (H.a): chịu lực hướng tâm là chủ yếu, có thể chịu lực dọc trục nhỏ, cho phép góc nghiêng 1/4 o Giá thành rẻ, hệ số ma sát thấp và kết cấu gối đỡ ổ đơn giản.

- Ổ đũa trụ ngắn đỡ một dãy (H.e): nhờ diện tích tiếp xúc giữa con lăn và vòng cách lớn nên chịu được tải trọng hướng tâm lớn hơn (7090%) và chịu được va đập Tuy nhiên loại ổ này không chịu được lực dọc trục và không cho phép trục nghiêng Giá thành cao hơn ổ bi đỡ khoảng 20%.

- Ổ bi đỡ chặn một dãy (H.b): chịu lực hướng tâm (Fr = 120%) lẫn lực dọc trục, khả năng chịu lực dọc trục phụ thuộc vào giá trị góc tiếp xúc  ( = 12 o ; 26 o và 36 o ).

- Ổ đũa côn đỡ chặn (H.f): chịu được lực hướng tâm Fr = 170% so với ổ bi đỡ 1 dãy cùng kích thước, khả năng chịu lực dọc trục cao hơn ổ bi đỡ chặn, dễ tháo lắp và điều chỉnh khe hở để bù lại lượng mòn, góc tiếp xúc  = 10 16 o

- Ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy và ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy (H.c,g): cho phép trục nghiêng 2 3 o , chủyếu chịu lực hướng tâm và có thể chịu được lực dọc trục nhỏ.

- Ổ đũa trụ dài (ổ kim) (H.h): chịu được lực hướng tâm tương đối lớn nhưng không chịu được lực dọc trục, đuờng kính ngoài nhỏ, tuổi thọ thấp.

- Ổ bi chặn đỡ (H.i): dùng tiếp nhận cả Fr và Fa, thông thường Fa/Fr << 1.

- Ổ bi chặn (H.d): chỉ chịu lực dọc trục.

10.1 Khái niệm chung

5 Ký hiệu ổ lăn:

Theo TCVN ổ lăn được ký hiệu như sau: Tính từ bên phải sang:

- Hai số đầu từ bên phải sang: đường kính vòng trong d và có giá trị d/5 nếu d  20mm Nếu

d < 20mm ta ký hiệu: 00 khi d = 10mm; 0 khi d = 12mm; 02 khi d = 15mm; 03 khi d = 17mm.

- Chữ số thứ 3 từ bên phải ký hiệu cỡ ổ: 8, 9 - siêu nhẹ; 1, 7 - đặc biệt nhẹ; 2, 5 - nhẹ; 3, 6 - trung và

4 - nặng.

- Chữ số thứ 4 từ phải sang biểu thị loại ổ: 0 - ổ bi đỡ một dãy; 1 - ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; 2 - ổ dũa trụ ngắn đỡ; 3 - ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy; 4 - ổ kim; 5 - ổ đũa trụ xoắn; 6 - ổ bi đỡ chặn; 7 - ổ đũa côn; 8 - ổ bi chặn, ổ bi chặn đỡ; 9 - ổ đũa chặn, ổ đũa chặn đỡ.

- Số thứ 5 và 6 từ bên phải sang biểu thị đặc điểm kết cấu

- Số thứ 7 từ bên phải sang ký hiệu chiều rộng ổ

Ví dụ: ký hiệu 0212: ổ bi đỡ một dãy, d = 60mm, cỡ nhẹ.

Cấp chính xác: ổ lăn có 5 cấp chính xác: 0 (bình thường), 6, 5, 4, 2 theo thứ tự tăng dần.

6 Ưu, nhược điểm:

Ưu điểm: Hệ số ma sát nhỏ, công suất mất mát do ma sát thấp; Chăm sóc và bôi trơn đơn giản; -Kích thước dọc trục nhỏ hơn so vớ ổ trượt; - Tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện khi sửa chữa và bảo dưỡng máy; - Giá thành hạ do sản xuất hàng loạt

Nhược điểm:- Khả năng chịu va đập và chấn động kém do độ cứng kết cấu của ổ lăn; - Kích thước hướng kính tương đối lớn; - Độ tin cậy thấp khi làm việc với vận tốc cao do nguy hiểm bi nung nóng và vỡ vòng cách do lực li tâm; - Oàn khi làm việc với vận tốc cao.

Chương 10 Ổ lăn

10.1 Khái niệm chung

7 Vật liệu chế tạo:

Vật liệu chế tạo vòng trong, vòng ngoài thường là thép crom có hàm lượng carbon từ 1 1,1% như: X15, X15C (Nga); SUJ2 (Nhật), AISI 52100 (Mỹ) Ngoà ra con dùng thép hợp kim

ít carbon như 18CrMnT, 20Cr2Ni4A thấm than rồi tôi khi làm việc ở môi trường ăn mòn người ta dùng thép không gỉ, gốm, chất dẻo

Vật liệu chế tạo con lăn tương tự như vật liệu vòng trong và vòng ngoài Khi ổ làm việc với vận tốc cao chọn vật liệu có khối lượng riêng thấp để giảm ồn Một số hãng chế tạo con lăn từ gốm kim loại

Vòng cách được chế tạo bằng phương pháp dập từ các vật liệu giảm ma sát như thép ít carbon, khi làm việc với vận tốc cao có thể dùng gốm kim loại, duara, tectolit, chất dẻo

2 Cấp chính xác chế tạo:

Theo TCVN có 5 cấp chính xác khi chế tạo ổ lăn theo thứ tự tăng dần sau đây: P0, P6, P5, P4 và P2 Tương ứng cho phép ký hiệu: 0, 6, 5, 4 và 2

Trong các kết cấu cơ khí, thường dùng cấp chính xác cấp 0 Khả năng làm việc ổ lăn phụ thuộc vào cấp chính xác Giá thành gia công càng tăng khi cấp chính xác càng cao:

Chương 10 Ổ lăn

10.1 Khái niệm chung

2 Tải trọng tác dụng lên ổ:

Theo điều kiện cân bằng lực: Fr= F0+ 2F1cosγ + 2F2cos2γ + 2F3cos3γ + + 2Fkcoskγ

trong đó: F0, F1, Fk- lực tác dụng lên các con lăn và F0có giá trị lớn nhất γ = 360o/Z - góc giữa các con lăn (Z - số con lăn) Các đại lượng biến dạng có thể xác định gần đúng theo độ biến dạng lớn nhất δ0như sau: δ1= δ0cosγ; δ2= δ0cos2γ; ; δk= δ0coskγ

Giữa độ biến dạng δ và tải trọng F có liên hệ: Đối với ổ bi: δ = cF2/3; đối với ổ đũa: δ = cF

Do đó: F1= F0cos3/2γ; F2= F0cos3/2(2γ); ; Fk= F0cos3/2(kγ) ; F0 = 4,37.Fr / Z

Tính đến ảnh hưởng của khe hở hướng tâm và độ không chính xác của kích thước các chi tiết trong ổ, giá trị F0có thể xác định: F0 = 5.Fr/ Z và Fk = 5.Fr.cos3/2(kγ) / Z

Khi quay con lăn sẽ sinh ra lực ly tâm tác động lên vòng ngoài của ổ: Fc = mwωc2.Dpw /2

trong đó mwlà khối lượng của con lăn Ngoài lực ly tâm trong ổ chặn còn sinh ra mômen hồi chuyển liên quan đến thay đổi hướng của tâm quay con lăn trong không gian: Mhc= Jωwωc

trong đó J là mômen quán tính con lăn đối với trục chính nó Tác dụng của Mhclàm tăng thêm sự mài mòn và ma sát Do đó số vòng quay cho phép của ổ chặn nhỏ hơn ổ đỡ và ổ đỡ chặn 3- Ứng suất tiếp xúc trong ổ:

Khi biết được các giá trị Fo, F1, F2, , Fkta có thể xác định được ứng suất tiếp xúc sinh ra tại chỗ con lăn tiếp xúc với vòng ổ: σH = 0,388.3 (Fn.E2/ρ2) Trong đó ρ = ρ1.ρ2/(ρ1 ± ρ2), với

ρ1, ρ2là bán kính cong của con lăn và vòng ổ tại điểm tiếp xúc

Chương 10 Ổ lăn

10.2 Động học và động lực học ổ lăn

10.3 Các dạng hỏng và chỉ tiêu lựa chọn ổ lăn

1 Các dạng hư hỏng chính của ổ lăn bao gồm:

- Tróc rỗ bề mặt do mỏi: do ứng suất tiếp xúc thay đổi trong điều kiện làm việc bình thường Hiện tượng tróc xảy ra trên rãnh vòng ổ và trên bề mặt con lăn

- Mòn con lăn và vòng ổ: xảy ra với đối với ổ bôi trơn không tốt và có hạt kim loại rơi vào ổ

- Vỡ vòng cách: xảy ra với ổ quay nhanh do lực li tâm và tác dụng của con lăn gây nên

- Biến dạng dư bề mắt rãnh vòng và con lăn: xảy ra với các ổ chịu tải trọng nặng và quay chậm

- Vỡ vòng ổ và con lăn: xảy ra do tải trọng rung và va đập, lắp ráp, vận hành không chính xác

2 Chỉ tiêu lựa chọn ổ lăn:

Hiện nay ta tính toán ổ theo khả năng tải mà không theo ứng suất Tính toán ổ lăn theo hai tiêu chuẩn:

Đối với ổ có số vòng quay thấp (n < 1vg/ph): tính theo khả năng tải tĩnh để tránh biến dạng dư lớn

Đối với những ổ làm việc với vận tốc cao (n > 10vg/ph) hoặc tương đối cao (1<n<10vg/ph): tính toán ổ theo khả năng tải động (độ bền lâu) để tránh tróc rỗ bề mặt ổ (trường hợp 1<n<10vg/ph tính với n = 10vg/ph)

Chương 10 Ổ lăn

10.4 Tuổi thọ ổ lăn

Bề mặt con lăn và các vòng ổ chịu tác dụng của ứng suất tiếp xúc H với chu kỳ thay đổi tuân theo phương trình đường cong mỏi: Hm

H.N = const

trong đó: N - số chu kỳ làm việc; mH - bậc của đường cong mỏi Vì N tỉ lệ bậc nhất với số vòng quay L (tính bằng triệu vòng quay), H tỉ lệ với căn bậc ba cuả tải trọng Q và vế phải có thể biểu diễn dưới dạng Cm nên ta có thể viết:

Hm

H L = const ; L = (C/Q)m hay: Qm.L = Cm

trong đó: Q - tải trọng quy ước tác dụng lên ổ; m = mH/3 - chỉ số mũ, m = 3 đối với ổ bi và m = 10/3 đối với ổ đũa; L - tuổi thọ; C - hằng số còn gọi là khả năng tải động của ổ (tải trọng không đổi ứng với tuổi thọ L = 1 triệu vòng quay), xác định bằng thực nghiệm Trị số của C phụ thuộc vào loại ổ và kích thước ổ, cho trong các bảng ổ lăn

Từ công thức trên ta suy ra công thức xác định khả năng tải động Ctt khi biết thời gian phục vụ (tuổi thọ) L và tải trọng quy ước Q:

Ctt = Q.L1/m

trường hợp tuổi thọ được tính bằng giờ, kí hiệu Lh, thì L và Lh liên hệ với nhau theo công thức

Lh = 106.L /(60.n)

trong đó n là số vòng quay của ổ, vg/ph

Chương 10 Ổ lăn

10.5 Lựa chọn ổ theo khả năng tải động:

Chọn ổ lăn theo điều kiện khả năng tải động như sau: Ctt≤ C

Giá trị khả năng tải động C có thể tra bảng hoặc xác định theo các công thức sau:

Đối với ổ đỡ và ổ đỡ chặn thì Q là tải trọng hướng tâm không đổi Qr Đối với ổ chặn và ổ chặn đỡ là tải trọng dọc trục không đổi Qa Giá trị Qrvà Qađược xác định theo công thức sau:

Q = Qr= (XVFr+ YFa)KбKt ; Q = Qa= (XFr+ YFa)KбKt

trong đó: Fr, Fa- tổng các lực hướng tâm và dọc trục tác động lên ổ

Kб- Hệ số xét đến ảnh hưởng đặc tính tải trọng đến tuổi thọ ổ, chọn theo bảng

Kt- Hệ số xét đến ảnh hưởng nhiệt độ (toC) đến tuổi thọ ổ

X, Y - hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục (tra bảng)

V - hệ số tính đến vòng nào quay, V = 1 nếu vòng trong quay và V = 1,2 nếu vòng ngoài quay

Khi tỷ số Fa/VFr< e thì tải trọng dọc trục Fakhông ảnh hưởng đến khả năng tải của ổ

Nếu chế độ tải trọng thay đổi theo bậc thì tải trọng quy ước Q xác định theo tải trọng quy ước

Qibậc thứ i: QE = 3 Σ(Qi3.Li)/ ΣLi

trong đó Lilà số triệu vòng quay làm việc ở chế độ thứ i với tải trọng Qi Nếu tải trọng thay đổi liên tục thì tuổi thọ tương đương được xác định theo công thức: LhE= KHELh

trong đó: Lh= Σti- tổng số giờ làm việc; KHE- hệ số chế độ tải trọng (tra bảng)

Chương 10 Ổ lăn

a Xác định Fr:

Fr - lực hướng tâm tác dụng lên ổ, xác định theo công thức: Fr =  F 2

rx + F 2

ry

Frx,Fry - tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ theo hai mặt phẳng vuông góc với nhau (xác định trong phần tính trục).

b Xác định Fa: Fa - lực dọc trục được xác định tùy thuộc vào loại ổ:

+ Đối với ổ bi đỡ, ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy và ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy, Fa là tổng các lực dọc trục ngoài tác động lên ổ

+ Đối với ổ đỡ chặn ngoài tổng các lực dọc trục trên còn có lực dọc trục phụ Fs do lực hướng tâm tác dụng lên ổ gây nên và được xác định theo các công thức sau:

Fs = 0.83.e.Fr với e=1,5tg đối với ổ đũa côn ( - góc tiếp xúc)

và: Fs = e.Fr đối với ổ bi đỡ chặn

trong đó e phụ thuộc vào góc tiếp xúc :

Khi  = 12 o lge = [lg(Fr / Co) - 1,144]/4,73

Khi  = 15 o lge = [lg(Fr / Co) - 1,766]/7,363

Khi  = 18 o 40 o : giá trị của e cho trong bảng với Co là khả năng tải tĩnh của ổ lăn.

Khi đó lực dọc trục tác dụng lên ổ sẽ là:  Fa0 = Fs1 - Fa ;  Fa1 = Fs0 + Fa đối với sơ đồ O

Fa0 = Fs1 + Fa ;  Fa1 = Fs0 - Fa đối với sơ đồ X , sau đó so sánh  Fai với Fsi, nếu  Fai > Fsi ta lấy lực dọc trục tại ổ (i) là  Fai; còn nếu  Fai < Fsi ta lấy lực dọc trục tại ổ (i) là Fsi.

10.5 Lựa chọn ổ theo khả năng tải động:

Chương 10 Ổ lăn

10.6 Lựa chọn ổ theo khả năng tải tĩnh:

Với các ổ lăn không quay hoặc quay với tần số thấp n < 1 vg/ph, ổ dược chọn theo khả năng tải tĩnh nhằm đề phòng biến dạng dư theo điều kiện: Qo  Co

trong đó: Co - khả năng tải tĩnh cho trong các bảng ổ lăn phụ thuộc vào loại và cỡ ổ (phụ lục);

Qo - tải trọng quy ước, được xác định như sau:

- Đối với ổ đỡ và ổ đỡ chặn: chọn giá trị lớn nhất trong: Qo = Xo.Fr + Yo.Fa và Qo = Fr;

Xo, Yo - hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục, được chọn theo bảng

- đối với ổ chặn và ổ chặn đỡ: Qo = Fa +2,3.Fr.tg; khi  = 90o (ổ chặn) thì Qo = Fa

Số vòng quay giới hạn của ổ:

Vận tốc vòng ổ lăn được giới hạn là do các nguyên nhân sau: - Tăng nhiệt độ làm giảm độ nhớt dầu bôi trơn; - Giảm độ bền và tuổi thọ vòng cách; - Tăng phá hủy mỏi cho con lăn và vòng cách do số chu kỳ làm việc trong một đơn vị thời gian tăng lên

Số vòng quay giới hạn nghcủa từng loại ổ cho trong bảng tra ổ lăn, nếu ổ làm việc vượt quá số hạng này thì tuổi thọ ổ không được đảm bảo Do đó, ổ lăn được chọn cần phải thỏa mãn điều kiện: n ≤ ngh ; trong đó: để xác định số vòng quay tới hạn của ổ, ta dùng thông số vận tốc sau đây: [Dpw.n] = const ; Dpw- đường kính tâm các con lăn; n - số vòng quay Tích số [Dpw.n] phụ thuộc vào các thông số kết cấu và vận hành ổ (tra bảng): loại ổ, dạng vòng cách, cấp chính xác, dạng bôi trơn

Chương 10 Ổ lăn

10.7 Định vị và lắp ổ:

1 Định vị ổ lăn:

Định vị ổ lăn nhằm mục đích không cho ổ dịch chuyển hướng tâm và dọc trục, không bị tải trọng phụ do biến dạng nhiệt sinh ra… Để định vị vòng trong trên trục có thể dùng các phương pháp sau: lắp có độ dôi (h.a); dùng vòng lò xo (h.b); nắp chặn (h c); đai ốc (h.d); ống lót côn (h.e)…

Để cố định một bên vòng ngoài ổ: có thể dùng gờ thành ngoài hộp (h.a); nắp ổ (h.b); gờ vòng ngoài ổ (h.e); nắp hộp (h.d); ống lót có gờ (h.f); vòng lò xo gắn vào rãnh trên thành hộp hay gắn vào rãnh trên vòng ngoài và được giữ hai bên bởi thành hộp và nắp hộp (h.g); đai ốc có ren ngoài (h.h)

Để điều chỉnh ổ theo phương dọc trục: có thể dùng nắp

ổ có đệm điều chỉnh (h.a); nắp có vít điều chỉnh (h.b,c)

Tuỳ theo kết cấu ổ lăn và phương pháp định vị ổ lăn mà

ta có các loại gối trục: gối cố định (có thể hạn chế di chuyển của trục theo một phía hoặc hai phía) và gối tuỳ động (cho phép di chuyển dọc trục về cả hai phía)







Chương 10 Ổ lăn

1 Định vị ổ lăn (t):

Trục thường được đặt trên hai gối trục, phương pháp phối hợp sử

dụng gối tuỳ động và cố định thường dùng:

- Cả hai gối đều là tuỳ động (h.a ): các vòng ổ được cố định trên trục

và vỏ hộp Hai gối trục đều cho phép trục di chuyển về cả hai phía

( trục lắp bánh răng chữ V để cân bằng tải trọng dọc trục sinh ra do

sai số chế tạo, lắp ghép).

- Một trong hai gối là cố định còn gối kia là tuỳ động (h.b) , thường

dùng cho các kết cấu trục có chiều dài tương đối lớn (l  350mm hay

 8 d) để bù trừ độ dãn dài của trục do nhiệt gây nên (trục bánh răng

côn, trục vít…) hay trong trường hợp bố trí gối đỡ trên các vỏ máy

khác nhau Gối cố định cũng có thể gồm 2 ổ đặt cạnh nhau (h.c).

- Mỗi gối trục hạn chế trục di chuyển về một phía (h.d), thường dùng

đối với các trục tương đối ngắn (l < (6  8)d), để tránh kẹt ổ do dãn

nở nhiệt khi làm việc nên chừa khe hở giữa nắp ổ và vòng ngoài một

khoảng 0,2  0,5mm đối với ổ bi và 0,5  1mm đối với ổ đũa.

2 Lắp ghép ổ lăn:

10.7 Định vị và lắp ổ:

Trong hệ thống lắp ghép giữa vòng ổ với trục và vỏ hộp, vòng ổ được xem như chi tiết cơ bản ( vòng trong được lắp với trục theo hệ thông lỗ, vòng ngoài được lắp với vỏ hộp theo hệ thống trục ).

Để lắp ổ vào trục, ta có các phương pháp: phương pháp ép trực tiếp (H.a), phương pháp nung nóng ổ, dùng bơm thủy lực, làm lạnh trục Để tháo vòng trong ra khỏi trục, ta dùng phương pháp ép, cảo (H.b), bơm thủy lực (H.c)



