Bài giảng Chi tiết máy - Chương 6: Ổ trục - Phạm Minh Hải

23/09/2016 ĐẠ I H ỌC BÁCH KHOA HÀ N ỘI VI ỆN C Ơ KHÍ Ổ trục (Bearings) BỘ MÔN C Ơ S Ở THI ẾT K Ế MÁY & ROBOT thietkemay.edu.vn Ổ tr ục Bánh l ăn (quay) TS. Phạm Minh Hải ổ tr ục hai.phamminh1@hust.edu.vn hai.phamminh.hust@gmail.com 1 1 2 ổ trục Các loại ổ trục: theo dạng ma sát Công dụng: Ổ tr ượ t (sliding/plain bearing):Ma sát tr ượ t  Đỡ các trục quay,  Giữ trục ở vị trí xác định trong máy  Cho phép trục quay quanh một đường tâm đã định Vì vậy, ổ tiếp nhận các tải trọng tác dụng thông qua trục từ các nguồn:
Tiết máy quay (BR, TV-BV, KN)
Tải trọng do rung động của trục
Mô-men con quay trên trục
Trọng lượng của trục và các tiết máy quay Ổ lăn (rolling-element bearings): Ma sát l ăn
Biến dạng đàn hồi của trục 3 4 1 23/09/2016 Các loại ổ trục: theo khả năng chịu tải So sánh Ổ lăn / Ổ trượt Ổ lăn > ổ trượt Ổ trượt > ổ lăn - Hệ số ma sát nhỏ - KT hướng kính nhỏ gọn (0.001-0.006) + cản - Trục quay tốc độ rất cao khi mở máy thấp (mỏi) hoặc rất thấp (tĩnh) - Yêu cầu phương của trục - Dễ bôi trơn chính xác - Chiều rộng nhỏ - Đường kính trục quá lớn - TCH + lắp lẫn (≥ 1m) - Ổ ghép (dễ tháo lắp) - Môi trường đặc biệt (nước, ăn mòn,) Ổ đỡ Ổ ch ặn Ổ đỡ ch ặn - Giảm chấn tốt - Dễ thiết kế theo đặt hàng Ổ ch ặn đỡ 5 6 9.1 Khái niệm chung Chương 9. Ổ LĂN a. Cấu tạo 1  Khái niệm chung 2  Một số loại ổ lăn thông 1. Vòng ngoài (l ắp lên g ối tr ục) 2. Vòng trong (l ắp lên ngõng tr ục) dụng 3. Con l ăn 4. Vòng cách 4  Cơ sở tính toán ổ lăn 3  Tính toán lựa chọn ổ lăn 2 23/09/2016 9.1 Khái niệm chung 9.1 Khái niệm chung b. Phân loại b. Phân loại Theo dạng con lăn Theo khả năng tiếp nhận tải trọng
Ổ đỡ : Fr + F a (không/rất ít)
Ổ đỡ chặn : Fr + F a
Ổ chặn : Fa Bi Đũ a tr ụ Đũ a kim
Ổ chặn đỡ : Fa + Fr (ít) Đũ a côn Tang tr ống đ/x Tang tr ống l ệch 9.1 Khái niệm chung 9.1 Khái niệm chung b. Phân loại b. Phân loại Theo số dãy con lăn Theo cỡ đường kính ngoài a) Đặc biệt nhẹ (vận tốc làm 1) Khối lượng việc cao) 2) Khả năng tải động Ổ m ột dãy Ổ hai dãy Ổ b ốn dãy b) Nhẹ 3) Tốc độ tới hạn c) Nhẹ rộng d) Trung (bình) đ) Trung (bình) rộng e) Nặng (vận tốc l/v thấp) 12 3 23/09/2016 9.1 Khái niệm chung 9.1 Khái niệm chung Ký hiệu ổ lăn b. Phân loại
Tiêu chuẩn Việt Nam 3776-83 Ổ tự lựa Loại ổ Đường kính trong 10 12 15 17 20 25 00 01 02 03 04 05 7204 Cỡ ổ
Các tiêu chuẩn khác: GOST (ΓOCT), DIN, JIS 13 14 9.2 Một số ổ lăn thông dụng 9.2 Một số ổ lăn thông dụng ổ đỡ Ổ bi đỡ một dãy (Deep Ổ bi đỡ lòng cầu 2 dãy groove ball bearings) (Self-aligning ball bearings)
Có khả năng tự lựa • Thích hợp với trục truyền ổ chặn
Kết cấu đơn giản, giá chung có nhiều ổ trục hoặc thành rẻ khó đảm bảo lắp đồng tâm
Khả năng chịu va đập kém
Thích hợp với tốc độ cao và rất cao 15 16 4 23/09/2016 9.2 Một số ổ lăn thông dụng 9.2 Một số ổ lăn thông dụng Barrel roller bearings Ổ đũa trụ ngắn đỡ một dãy (Cylindrical roller bearings, Ổ kim Ổ đũa côn single row) (Needle roller bearings) (Tapered roller bearings)
Có khả năng tự lựa
Chịu tải hướng tâm lớn
Chịu lực hướng tâm lớn • Dùng ở chỗ có yêu cầu kích
Chịu va đập tốt
Chịu lực hướng tâm rất lớn
Thích hợp với tốc độ thước hướng kính hạn chế
Không chịu lực dọc trục (tùy
Chịu lực dọc trục lớn (1 chiều) thấp và trung bình động)
Tốc độ trung bình và cao
Đắt hơn ổ bi đỡ một dãy
Dễ tháo lắp
Dễ điều chỉnh khe hở để bù lượng mòn 17 18 9.3 Cơ sở tính toán ổ lăn 9.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 9.3.1 Sự phân bố tải trọng trên các con lăn Xét Ổ bi đỡ chỉ chịu lực hướng tâm 9.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải F r 19 19 20 5 23/09/2016 9.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 9.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Phương trình cân bằng lực Fr Fr = F0 + 2F1 cos α + ... + 2Fn cos nα Fr j ααα Biến dạng δ = CF F2 i i F2 ααα F1  hằng số C : ph ụ thu ộc F F1 ααα 2 δδδ1 vật li ệu và bán kính F2 F0 δδδo cong F1  Số mũ j : F1 F0 • ti ếp xúc điểm (con lăn δ1 = δ0 cos α ααα là bi) j = 2/3 δ2 = δ0 cos 2α δδδ0 • ti ếp xúc đườ ng (con lăn δδδ1 δi = δ0 cos iα côn) j = 1 21 22 9.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn 9.3.1 Sự phân bố tải trên các con lăn Tr ườ ng h ợp ti ếp xúc điểm ( ổ bi) Nhận xét z kF r
Sự phân bố tải trọng phụ thuộc vào độ chính F0 = v ới k = n z 2/5 1+ 2∑cos iα xác chế tạo i=1 z = 10; 15; 20 tính đượ c k = 4.38; 4.37;4.36
Càng nhiều con lăn thì ổ có khả năng chịu tải Trong th ực t ế các gi ả thi ết không đượ c th ỏa mãn, do đó hướng tâm càng lớn 5F F = r 0 z Tr ườ ng h ợp ti ếp xúc đườ ng ( ổ đũ a) 4.5F F = r 0 z 23 24 24 6 23/09/2016 9.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải 9.3.2 Ứng suất và chu kỳ chịu tải Thông th ườ ng b ố trí vòng trong quay Công th ức Hertz F E2 σΗ 3 0 σH max 0= . 38 2 F σ ρ o Hmax 1 1 1 Tại điểm A = + A t σΗ ρA ρ1A ρ2A σHmax 1 1 1 B Tại điểm B = − ρB ρ1A ρ1B t Do đó ta có ρA < ρB
Vòng quay có số chu kỳ chịu tải nhỏ hơn vòng đứng yên σHA > σHB d ẫn đế n vòng trong nhanh h ỏng h ơn vòng ngoài
Vòng trong chịu ứng suất lớn hơn vòng ngoài => nên để vòng trong quay, vòng ngoài đứng yên 25 26 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn Các dạng hỏng Ch ỉ tiêu CH ỌN ổ lăn: 1. Theo th ả năng tải độ ng 2. Theo kh ả năng tải tĩnh • Khả năng tải động (C) là tải trọng tĩnh do ổ tiếp nhận mà không ít hơn 90% số Tróc vì mỏi bề mặt ổ cùng loại, cùng kích thước lấy làm thí nghiệm chưa xuất hiện các dấu hiệu tróc Biến dạng Mòn mỏi sau tối thiểu 1 dư bề mặt vòng và triệu chu kỳ . làm việc con lăn
Khả năng tải tĩnh (C 0) là tải trọng tĩnh gây nên biến dạng dư tổng cộng của con lăn và đường lăn bằng 0.0001 giá trị đường kính con lăn tại vùng tiếp xúc chịu tải lớn nhất. 27 28 Vỡ vòng cách 7 23/09/2016 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn
Phương trình đường cong mỏi
Kiểm nghiệm khả năng
Kiểm nghiệm khả năng tải động (khi n>1rpm) tải tĩnh 1/m m Ctính = QL ≤ C Q0 ≤ C0 σ H N = const QmL = const H Q: tải trọng Q0 là tải trọng tĩnh tương L: tuổi thọ theo yêu cầu đương (KN) + σ ứng suất tiếp xúc của con lăn, tỷ lệ với tải trọng Q H C: Khả năng tải động của ổ C0 Khả năng tải tĩnh của ổ được chọn được chọn + N số chu kỳ chịu tải, tỷ lệ với tuổi thọ của con lăn L (triệu vòng quay) + m = 3 đối với ổ bi Khả năng tải động và khả năng tải tĩnh được xác định thông qua thí + m =10/3 đối với ổ đũa nghiệm với dạng tải trọng đơn giản: - Ổ đỡ và đỡ chặn: Tải trọng hướng tâm (TTHT) • Thực nghiệm - Ổ chặn và chặn đỡ: Tải trọng dọc trục (THDT) QL 1/m (=1[triệu vòng]) = C Thực tế, ổ có thể chịu đồng thời TTHT và TTDT → gọi C là khả năng tải động của ổ lăn (xem trang trước) Xác đị nh Q0 , Q, L nh ư th ế nào? 29 30 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn Lực dọc tr ục không có ảnh hưở ng đáng kể đế n tu ổi th ọ Tải trọng tương đương Tải trọng tương đương (theo khả năng tải động) (theo tải tĩnh) – Ổ đỡ và đỡ chặn – Ổ đỡ và đỡ chặn Q = (XVF r + YF a)KđKt Qo = XoFr + YoFa – Ổ chặn đỡ Qo = Fr (khi α=0 độ ) Q = (XF r + YF a)KđKt - Ổ chặn đỡ và Ổ chặn – Ổ chặn Qo = 2,3F r tg α+ Fa Q = F K K a đ t Qo = Fa (khi α=90 độ ) – vòng trong quay V = 1, vòng ngoài quay V = 1.2 – Kđ hệ số kể đến ảnh hưởng của đặc tính tải trọng – Kt hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ – X, Y yếu tố xét đến ảnh hưởng của tải trọng hướng tâm và dọc trục đến tuổi thọ. Tra bảng 17.1 31 32 8 23/09/2016 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn 9.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn
L : tuổi thọ cần thiết (triệu vòng) Xác định tải trọng dọc trục Fa Trường hợp tuổi thọ yêu cầu cho theo giờ (Lh) • Ổ bi đỡ và ổ bi lòng cầu hai dẫy thì Fa = F at -6 L = 60.10 nL h Fat : ngoại lực tác động dọc trục +n n = 10 +n chọn theo khả năng tải tĩnh 33 34
Ổ bi đỡ chặn và ổ đũa côn 9.5 Các bước chọn ổ lăn 1. Chọn loại ổ và sơ đồ bố trí ổ Các yếu tố cần xét: • Hướng tiếp nhận tải • Đặc điểm kết cấu (tự lựa?) Fa/Fr<0.3: Fa/F r≥0.3: 1) Ổ bi đỡ 1 dãy 1) Ổ bi đỡ ch ặn 2) Ổ đũ a tr ụ ng ắn đỡ (độ cứng) 2) Ổ đũ a côn 3) Ổ đũ a côn (độ cứng, chính xác tâm 3) Ổ Ch ặn đỡ tr ục) 4) Lòng cầu 2 dãy (tự lựa) Ổ bi : F = e.F ∑∑∑Fai > Fsi →→→ Fai = ∑∑∑Fai si ri ∑∑∑Fai < Fsi →→→ Fai = Fsi Ổ đũa Fsi = 0.85e.F ri (Tính toán thi ết kế hệ dẫn độ ng cơ khí - tập 1 – Tr ịnh Ch ất, Lê Văn Uy ển) 35 36 9 23/09/2016 9.5 Các bước chọn ổ lăn 2. Tính tải trọng tương đương Qi 1/m 3. Tính Cđ = Q L 4. Chọn kích thước ổ lăn sao cho +dổ = dtrục +Cđ ≤ [Cbảng ] Khe hở tránh kẹt ổ do tr ục Cố đị nh 1 đầ u Gối tùy độ ng bị giãn nở nhi ệt Nếu không thỏa mãn : • Tăng góc α • Ổ bi ko đủ bền -> ổ côn • Giảm thời gian làm việc 37 38 Ch ươ ng 10. Ổ tr ượ t 10.1 Các loại ổ trượt Ổ đỡ Dẫn hướng (journal bearing) (linear bearing) Ổ chặn (thrust bearing) 39 10 23/09/2016 10.1 Các loại ổ trượt 10.2 Kết cấu và vật li ệu Bạc ổ tr ục Kết cấu Thân ổ Ch ất bôi tr ơn Vòng tự do ổ Tr ục Lót bump foil top foil Rãnh Floating ring bearing Foil – air bearing Ổ nguyên dầu Ổ ghép +Ch ế tạo đơ n gi ản +Độ cứng l ớn -Không th ể điều ch ỉnh khe hở -Khó kh ăn khi l ắp ráp 4242 10.2 Kết cấu và vật li ệu Vật li ệu lót ổ: 10.3 Cơ sở tính toán ổ tr ượ t • Độ bền cao, •Hệ số ma sát thâp Các dạng ma sát: • Ch ịu mài mòn Khi có bôi tr ơn • Ch ịu nhi ệt • Chịu ăn mòn Vật liệu lót ổ Thành phần Tính chất Ba-bít (Babbitt) (lớp Nền: Chì/thiếc ( 15 MPa. m/s bề mặt) Hạt rắn: antimon, đồng, nikel Chất dẻo phủ trên PTFE – đồng-thép pV<1.79 MPa m/s Ma sát ướ t Ma sát nửa ướ t kim loại (Plastic) Frelon - nhôm −200–280 °C Đồng thanh (Bronze) SAE 660, CDA 954 V< 3.8 m/s Gặp trong ổ tr ục khi Gặp trong cơ cấu pV<4.38 MPa m/s làm vi ệc đúng bánh răng, cam −12–232 °C Gang xám (Cast Iron V thấp Khi không bôi tr ơn: Ma sát khô ) Gờ-ra-phít (Graphite V< 0.38 m/s alloy) −268–399 °C Các vật li ệu khác: Đá tự nhiên, ch ất dẻo, gỗ, gốm 4343 4444 11 23/09/2016 10.3 Cơ sở tính toán ổ tr ượ t 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t ơ ủ độ Nguyên lý bôi tr ơn th ủy độ ng và Kh ả năng tải của ổ Nguyên lý bôi tr n th y ng a) Ch ất lỏng Newton, ch ảy tầng b) Cân bằng lực trên 1 phân tố ch ất lỏng c) Điều ki ện biên d) Điều ki ện liên tục qΖ Ɣ qΖ« Ph ươ ng trình Rây-nôn (Reynolds) 4545 4646 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t Nguyên lý bôi tr ơn th ủy độ ng Nguyên lý bôi tr ơn th ủy độ ng Kh ả năng tải của ổ đỡ Nh ận xét: Điều ki ện ch ủ yếu để tạo nên ma sát ướ t bằng bôi tr ơn th ủy độ ng 1. Gi ữa hai bề mặt tr ượ t ph ải tạo khe hở hình chêm 2. Ch ất bôi tr ơn ph ải có độ nh ớt nh ất đị nh và liên tục ch ảy vào khe hở Đườ ng kính lỗ: D Đườ ng kính ngõng tr ục: d 3. Vận tốc tr ượ t tươ ng đố i gi ữa hai bề mặt ph ải có Độ hở đườ ng kính: δ = D-d Độ hở tươ ng đố i: ψ= δ/d ph ươ ng/chi ều thích hợp và tr ị số đủ lớn Độ lệch tâm tươ ng đố i khi làm vi ệc: χ = 2e/ δ 4747 4848 12 23/09/2016 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t Kh ả năng tải của ổ đỡ Kh ả năng tải của ổ đỡ Ph ươ ng trình Rây-nôn cho ổ dài “vô hạn” ͘ ͘ ͬ Ɣ  ͪ Ɣ ! 2 2 ͜ Ɣ 1 ƍ ͗ͣͧ 2 4949 5050 10.3 Cơ s ở tính toán ổ tr ượ t 10.4 Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t Kh ả năng tải của ổ đỡ (khi chi ều dài hữu hạn) Các dạng hỏng Khả năng tải của ổ khi xét đến chiều dài ổ Mòn lót ổ và ngõng tr ục Dính Rỗ do mỏi 51 5252 13 23/09/2016 10.4Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t 10.4 Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t Ch ỉ tiêu tính toán Tính toán quy ướ c ổ tr ượ t i. Tính toán quy ướ c ii. Tính toán ổ tr ượ t bôi tr ơn ma sát ướ t iii. Tính toán nhi ệt 5353 5454 10.4 Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t 10.4 Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t Tính toán ổ tr ượ t bôi tr ơn ma sát ướ t Thông số đầ u vào : hmin ≥ s(R z1 + R z2 ) • tải tr ọng Fr tác dụng lên ổ • số vòng quay trong một phút n của ngõng tr ục Trong đó: • đườ ng kính d của ngõng tr ục s là hệ số an toàn • nhi ệt độ của dầu cửa vào Các thông số cần xác đị nh : • chi ều dài l • độ hở δ • độ nh ớt của dầu (lo ại dầu bôi tr ơn) 5555 5656 14 23/09/2016 10.4 Tính toán thi ết kế ổ tr ượ t Trình tự tính toán ổ tr ượ t bôi tr ơn ma sát ướ t 1. Ch ọn/xác đị nh tỉ số l/d (th ườ ng bắt đầ u với l/d = 0.6-1). -> Tính chi ều dài l của ổ -> Ki ểm tra p ≤ [p] ; pv ≤ [pv] ; 2. Ch ọn độ hở tươ ng đố i ψ, tính δ = ψ.d. Ch ọn ki ểu lắp và đị nh tr ị số khe hở trung bình δtb Ch ọn độ nhám bề mặt 3. Ch ọn lo ại dầu bôi tr ơn, nhi ệt độ trung bình t và độ nh ớt µ (tra bảng 16.2) 4.Tính hệ s ố kh ả n ăng tải (cần thi ết) φ của ổ: φ = p ψ2 /πω từ l/d , φ xác đị nh χ (tra b ảng 16.1) d, χ ,ψ  hmin 5. Ki ểm nghi ệm hmin theo điều ki ện bôi tr ơn ma sat ướ t 6. Ki ểm tra v ề nhi ệt 5757 15