Truyền động cơ khí và truyền động bánh ma sát

Bải giảng Chi tiết máy

Chương 2

TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT
Phần A - TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ
1.1 Khái niệm truyền động cơ khí
_ Trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ sử dụng nhiều loại truyền động:
+ Truyeàn ñoäng cô khí.
+ Truyền động điện.
+ Truyền động thủy lực, khí nén
Trong đó, truyền động cơ khí được dùng nhiều nhất.

Truyền động cơ khí là những cơ cấu dùng để truyền cơ năng từ động cơ đến các bộ
phận của máy, thường có biến đổi lực, vận tốc hoặc moment hay đôi khi biến đổi cả
đặc tính và qui luật chuyển động.

_ Theo nguyên lý làm việc có thể chia truyền động cơ khí làm hai nhóm chính :
+ Truyền động bằng ma sát, bao gồm: truyền động bánh ma sát ( tiếp xúc trực
tiếp) và truyền động đai ( tiếp xúc gián tiếp).
+ 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 ).
Ngoài các bộ truyền chuyển động quay trên, trong thực tế còn sử dụng truyền
động vítme – đai ốc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

1


Bải giảng Chi tiết máy

1.2 Các thông số cơ bản của một hệ truyền động cơ khí
+ Công suất N(kw), N1 : trên trục dẫn, N2 : trên trục bị dẫn
N

+ Hiệu suất  

P.V
; P(N) : lực vòng ; V(m/s) : vận tốc.
1000

N2
N
 1  m ; với Nm : công suất tiêu hao
N1
N1

+ Tốc độ vòng n (vòng / phút)
n1 : tốc độ vòng quay của trục dẫn (trục chủ động)
n2 : tốc độ vòng quay của trục bị dẫn (trục bị động)

+ Tỉ số truyền i : i 

n1
; i > 1 : giảm tốc; i < 1 : tăng tốc
n2

+ Mômen xoắn M (N.mm): M 

9,55.106.N

; Ta có M2 = M1.i.
n

M1 _ mômen xoắn trục chủ động
M2 _ mômen xoắn trục bị động

+ Trường hợp có nhiều chi tiết truyền động nối tiếp : i = i1 .i2 .i3 … và  = 1.2.3 …
với i1 , i2 , i3 và 1 , 2 , 3 là tỉ số truyền và hiệu suất của từng cặp chi tiết truyền
động.

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

2


Bải giảng Chi tiết máy

Bảng1. Phạm vi sử dụng của từng loại bộ truyền
Các thông số cơ bản
Tỉ số truyền

Vận tốc tiếp
tuyến (m/s)

Công suất
(kw)

Hiệu suất
(%)

Đai truyền

≤ 10

≤ 30

≤ 100

94 – 97

Bánh răng

≤7

≤ 30

≤ 50.000

94 – 98

8 – 80

≤ 15

≤ 50

50 – 90

≤8

≤ 25

≤ 100

90 – 97

Loại truyền động

Trục vít
Xích

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

3


Bải giảng Chi tiết máy

Phần B – TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT
2.1 Khái niệm chung
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Truyền động bánh ma sát truyền chuyển động và cơ năng nhờ ma sát sinh ra tại
chổ tiếp xúc của các bánh ma sát.
Để tạo ra ma sát cần phải tác dụng lực ép các bánh lại với nhau (hình 2.1)

Hình 2.1
2.1.2 Phân loại
- Theo hình thức tiếp xúc, truyền động bánh ma sát tiếp xúc ngoài và tiếp xúc trong.
- Theo khả năng điều chỉnh tỉ số truyền, bộ truyền không điều chỉnh được tỷ số truyền
(hình 2.1a, b) hay bộ truyền điều chỉnh được tỷ số truyền còn gọi là bộ biến tốc ma sát

(hình 2.1c).

2.1.3 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
a. Ưu điểm
_ Cấu tạo đơn giản;
_ Làm việc êm, có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ (bộ biến tốc ma sát) mà không
phải dừng lại.
b. Nhược điểm
_ Lực tác dụng lên trục và ổ trục khá lớn.
_ Tỉ số truyền không ổn định, do có hiện tượng trượt.
_ Khả năng tải tương đối thấp (so với bánh răng).
c. Phạm vi sử dụng
_ Dùng để truyền công suất nhỏ hoặc trung bình (dưới 20 kw); vận tốc v ≤ (15 ÷ 20 )
m/s; tỉ số truyền i ≤ 7; hiệu suất η = 0,80 ÷ 0,95.
_ Chủ yếu dùng trong các máy vận chuyển, các thiết bị cần trục, tốc kế, máy ghi âm,
ngành dụng cụ đo, máy cắt kim loại, máy hàn, máy dệt …
Chương 2. Truyền động bánh ma sát

4


Bải giảng Chi tiết máy

2.2 Cơ học truyền động bánh ma sát
2.2.1 Hiện tượng trượt trong truyền động bánh ma sát
Có ba dạng: trượt hình học, trượt đàn hồi và trượt trơn.
a. Trượt hình học
_ Vận tốc v1 = const : trên suốt chiều rộng của bánh 1.
_Vận tốc v2 tại các điểm tiếp xúc khác nhau trên đĩa 2 tỉ lệ với khoảng cách từ những
điểm này đến tâm đĩa (v2 = v2max tại mép đĩa 2).

_ Điểm xảy ra lăn thuần túy không trượt (v1 = v2) chỉ xảy ra tại P.
Điểm P gọi là tâm lăn (n1/ n2 = d2/d1).
 Ở tất cả điểm còn lại trên đường tiếp xúc, đều trượt với vận tốc trượt vt = v1-v2.
Như vậy, trượt hình học 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).

b. Trượt đàn hồi
_ Trượt đàn hồi xảy ra do biến dạng đàn hồi tại vùng
tiếp xúc của các bánh ma sát theo phương tiếp tuyến.
_ Nguyên nhân gây ra trượt đàn hồi: khi truyền mômen
xoắn các phân tố bề mặt bánh chủ động đi vào vùng
tiếp xúc, bắt đầu từ điểm tiếp xúc 1 thì bị nén lại và đi
ra khỏi điểm 3 thì bị dãn (hình 19.2). Ngược lại các
phân tố bề mặt bánh bị động thì bị dãn ra khi vào điểm
1 và bị nén lại khi ra khỏi điểm 3.

M1

M2

Thực ra sự thay đổi biến dạng (từ nén sang dãn và
ngược lại) không phải bắt đầu ngay từ điểm 1 mà bắt
đấu từ điểm 2 nào đó trên cung tiếp xúc.
Hiện tượng dãn và chùn(nén) không đều nhau của các
phân tố trên bề mặt các bánh ma sát ở cung 2 – 3 gây
nên sự trượt. Cung 2 – 3 gọi là cung trượt đàn hồi.

Hình 2.3

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

5


Bải giảng Chi tiết máy

c. Trượt trơn
_ Khi tải trọng tăng, cung trượt đàn hồi cũng tăng. Nếu tiếp tục tăng lực vòng P, đến
lúc nào đó cung trượt sẽ bằng cung tiếp xúc. Đó là giới hạn của hiện tượng trượt đàn
hồi.
Khi đó, nếu tiếp tục tăng P thì P > Fms, xảy ra hiện tượng trượt trơn: bánh 1 quay,
bánh 2 đứng yên gây mòn cục bộ, xước bề mặt.

2.2.2 Vận tốc và tỷ số truyền
a. Truyền động bánh ma sát trụ
_ Vận tốc vòng:
v1 

 .D1.n1
m / s
60.1000

và

v2 

 .D2 .n2
m / s
60.1000

(2-1)

Vì có hiện tượng trượt nên v2 < v1.

Gọi ξ là hệ số trượt:  

_ Tỷ số truyền i 

 v1  v2 
v1

 v2 = (1 – ξ).v1

n1
D2
D

 2
n2 D1 1    D1

với (hệ số trượt ξ = 1 ÷ 3%).

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

6


Bải giảng Chi tiết máy

b. Truyền động bánh ma sát nón

Gọi dtb1 và dtb2 là đường kính TB của các bánh ma
sát nón dẫn 1 và bị dẫn 2. Ta có:
Tỷ số truyền i 
mà

dtb 2
d
n1

 tb 2
n2 dtb1 1    dtb1

dtb1 = 2(L – 0,5b)sinφ1
dtb2 = 2(L – 0,5b)sinφ2

Suy ra : i 
với

dtb2

(2-2a)
(2-2b)

n1
sin 2
tg2


 tg2 (2-3)
n2 1    .sin 1 1   

L : chiều dài đường sinh côn (mm)

dtb1

b : chiều dài tiếp xúc đo dọc theo đường
sinh của bánh ma sát côn (mm)

Hình 2.4

φ1 và φ2 : góc côn bánh 1 và 2 (độ)

c. Bộ biến tốc mặt đĩa
con lăn

Con laên (chuû ñoäng)

n1
R1

Gọi R1, R2:bán kính của con
lăn, đĩa.
n1, n2: số vòng quay
trong một phút con lăn, đĩa.

Rmin
R

R2  (Rmin ÷ Rmax)
n2  (nmax ÷ nmin)

n2

Ta có tỷ số truyền :
i

Ñóa (bò ñoäng)

R max

Hình 2.5

n1
R2

n2 R1 1   

Khoảng điều chỉnh tốc độ D 

imax 

n1
Rmax

nmin R1 1   

imin 

n1
Rmin


nmax R1 1   

nmax Rmax
; Thông thường hạn chế D ≤ 3.

nmin Rmin

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

7


Bải giảng Chi tiết máy

2.2.3 Lực ép trong bộ truyền bánh ma sát
a. Lực pháp tuyến cần thiết (Q)
Điều kiện để bộ truyền bánh ma sát không bị trượt là: Fms = f. Q ≥ P
với

f : hệ số ma sát
Q : là lực pháp tuyến (N)
P : lực vòng (N)

Để an toàn lấy : Fms = f. Q = k. P
với

Như vậy:

k : hệ số an toàn (k = 1,25 ÷ 1,5)

Fms = f. Q = k. P



Q

k .P
f

(2-4)

b. Lực ép cần thiết (S)

Q

* Trường hợp bộ truyền bánh ma sát trụ
Fe  Q 

P

k .P
f

* Trường hợp bộ truyền bánh ma sát nón
Có thể ép bánh 1 vào bánh 2 với lực ép Fe1 hoặc ngược
lại với lực ép Fe2.
Dựa vào điều kiện cân bằng ta có:
Fe1 = Q.sinφ1

(2-5a)

Fe2 = Q.sinφ2

(2-5b)

Nếu bộ truyền giảm tốc: dtb1 < dtb2  sin φ1 < sin φ2
=> Fe1 < Fe2

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

8


Bải giảng Chi tiết máy

2.3 Tính toán bộ truyền bánh ma sát
2.3.1 Các dạng hư hỏng và chỉ tiêu tính toán
_ Nếu bộ truyền được bôi trơn đầy đủ, bề mặt hỏng chủ yếu do tróc vì mỏi.
_ Nếu bộ truyền làm việc ở chế độ ma sát khô hoặc nửa ướt bánh ma sát bị mòn hoặc
bị xước lớp bề mặt.
Để tránh các dạng hỏng chủ yếu trên, phải tính toán sức bền tiếp xúc bộ truyền bánh
ma sát.
2.3.2 Tính sức bền tiếp xúc bộ truyền bánh ma sát
_ Tính ứng suất tiếp xúc theo công thức Héc:
 tx  0, 418

trong đó:

Q.E
b.

(2-8)

Q: lực pháp tuyến tại vùng tiếp xúc (N)
b : chiều dài tiếp xúc (mm)
 : bán kính cong tương đương (mm)

E : môdun đàn hồi của vật liệu (N/mm2)
a. Đối với bộ truyền động bánh ma sát trụ
Từ công thức ( 2-4 ), ta có:
Q

mà A 

Vậy

k .P k 2 M 1 k 2 9,55.106.N1


f
f d1
f d1
n1

d 2  d1 d1  i  1
2A

 d1 
;
2

2
i 1

Q  9.55 x106.

k .N  i  1
f . A.n1

 9, 55.106

k .N  i  1

(2-9)

f . A.i.n2

Bán kính cong tương đương
1 1
1
2
2 2D2  D1  2i  1 i  1







 1  2 D2 D1
D1 D2

i.D1
A.i

2

Modun đàn hồi tương đương
E

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

2E1 E2
(N/mm2)
E1  E2

9


Bải giảng Chi tiết máy

Thay Q,  vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc của bộ
truyền bánh ma sát trụ :
1290 k .N .E  i  1
 tx 
  tx
A.i
f .n2 .b
3

Đặt  A 

(2-10)

b
là hệ số chiều rộng bánh ma sát (ψA = 0,2÷0,4 )
A

Thay ( b = ψA. A ) vào CT kiểm nghiệm và biến đổi ta có công thức thiết kế :
k .N .E  1290 
.
A  (i  1)

f .n2 . A  i[ ]tx 

2

(2-11)

3

Trong đó:

A : khoảng cách trục (mm)
k : hệ số an toàn
f : hệ số ma sát
n2 : số vòng quay trong một phút của bánh bị dẫn (v/p)
N : công suất trên trục dẫn (kw)
i = n1/n2 : tỉ số truyền
[σ]tx : ứng suất tiếp xúc cho phép (N/mm2)

Dấu ‘ + ‘ứng với trường hợp tiếp xúc ngoài; dấu ‘ – ‘ trường hợp tiếp xúc trong.

b. Đối với truyền động bánh ma sát nón
Từ hình vẽ ta thấy: ρ1 = (L – 0,5b).tgφ1 và ρ2 = (L – 0,5b).tgφ2

Lưu ý: i  tg2 

1
tg1

Bán kính cong tương đương:  

i.  L  0,5b 
1  2

1   2
i2 1

Lực pháp tuyến
Q

k 2
N
. .9,55.106.
f D1
n1

Hình 2.7

với n1 = i. n2;
mà:

L  0.5b 

Do đó :

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

D
1
D22  D12  1 i 2  1
2
2

D1 

2  L  0,5b 
i2 1

10


Bải giảng Chi tiết máy

Q  9,55.106.

=>

k N
i2 1
. .
f n2  L  0,5b  .i

Thay các giá trị Q, ρ vào công thức Hec, ta có công thức kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc
của bộ truyền bánh ma sát nón:
 tx 

Đặt

L 

1290
 L  0,5b  .i

k .N .E 2
. i 1
f .b.n2





3/2

  tx

(2-12)

b
, (ψL = 0,20 ÷ 0,25)
L

ψL : hệ số chiều rộng bánh ma sát nón.
Vậy ψL. L = b thay b vào công thức ( ) ta có:
k .E . N
L  i 13
f . L .n2
2

Trong đó:



1290


 1  0, 5 L  .i. tx 

2

(2-13)

L : chiều dài nón (mm)
b : chiều rộng tiếp xúc dọc theo đường sinh bánh ma sát (mm)

Các đại lượng khác giống như trường hợp bánh ma sát trụ. Trường hợp các bộ truyền
bánh ma sát làm bằng vật liệu phi kim, người ta còn qui ước tính theo công thức:
qn 

Q
  qn 
b

(2-14)

với [qn] (N/mm) : cường độ lực pháp tuyến cho phép, tra bảng trong sổ tay.
+ Tếchtôlít với thép hoặc gang, lấy [q ] = (40 ÷ 80) N/mm,
n

+ Phíp với thép hoặc gang, lấy [q ] = (35÷ 40) N/mm,
n

+ Da với gang, lấy [q ] = (15 ÷ 25) N/mm,
n

+ Gỗ với gang, lấy [q ] = (2,5 ÷ 5) N/mm.
n

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

11


Bải giảng Chi tiết máy

2.4 Vật liệu và ứng suất cho phép
2.4.1 Vật liệu
Thường dùng thép tôi, có thể dùng gang. Có thể dùng bánh ma sát thép đã tôi
hoặc gang với bánh ma sát bằng tếctôlit hoặc phíp. Trường hợp tải trọng nhỏ có thể
dùng bánh ma sát gỗ hoặc bọc da, vải cao su, amiăng ép làm việc với bánh thép hoặc
gang. Bánh dẫn nên làm bằng vật liệu mềm hơn bánh bị dẫn để khi bị trượt trơn ít bị
mòn vẹt.

2.4.2 Ứng suất cho phép
Ứng suất tiếp xúc [σ]tx có thể lấy bằng giới hạn mỏi bề mặt của vật liệu. Đối với
thép tôi có HRC ≥ 60 có thể lấy [σ]tx = 800 ÷ 1200 N/mm2 khi tiếp xúc ban đầu theo
đường; chọn [σ]tx = 2500 N/mm2 khi tiếp xúc ban đầu theo điểm.
Đối với têctôlit, khi tiếp xúc ban đầu theo đường, có thể lấy [σ]tx = 80 ÷ 100N/mm2.
2.5 Bài tập ứng dụng

Chương 2. Truyền động bánh ma sát

12