Cơ khí chế tạo máy - Chương 4: Truyền động trục vít – Bánh vít

Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 1 Chương 4: TRUYỀN ĐỘNG TRỤC VÍT – BÁNH VÍT Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 2 Thực hiện việc truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau. Góc chéo thường là 90 độ. 4.1. Khái niệm chung 4.1.1. Khái niệm Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 3 Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 4 Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 5 4.1.2. Phân loại - Theo biên dạng ren trục vít phân ra: + Trục vít Acsimet + Trục vít Convolut + Trục vít thân khai Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 6 Sơ đồ gá dao để tiện trục vít Ác si mét Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 7 Tiết diện ngang của trục vít Ác si mét Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 8 - Cạnh răng thẳng trong tiết diện dọc trục; - Giao của mặt răng với tiết diện vuông góc với trục là đường Acsimet - Có thể gia công bằng tiện hoặc mài nhưng đa số là bằng tiện. - Được sử dụng khá phổ biến. Thường dùng khi góc ren trục vít <10o, HB<350. +) Trục vít Acsimet: Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 9 Cách gá dao để gia công trục vít konvolute Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 10 Đường thân khai kéo dài Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 11 Mặt cắt ngang của trục vít convolute Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 12 - Cạnh răng thẳng trong tiết diện pháp tuyến với đường ren. - Giao của mặt răng với tiết diện vuông góc với trục là đường thân khai kéo dài; - Dùng khi góc nâng của ren trục vít lớn (>10o); + Trục vít Convolut: Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 13 Sơ đồ gá dao để tiện trục vít thân khai Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 14 Sơ đồ gá đá mài để mài ren trục vít thân khai Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 15 -Cạnh răng thẳng trong tiết diện tiếp tuyến với mặt trụ cơ sở. -Giao của mặt răng với mặt phẳng vuông góc với trục là đường thân khai. - Có thể gia công bằng tiện, phay hoặc mài bằng đá dẹt; Dùng khi HB>350 +) Trục vít thân khai: Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 16 - Theo dạng đường sinh trục vít: + Trục vít trụ + Trục vít lõm (Globoid): Tăng góc trục vít ôm bánh vít Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 17 + Trục vít lõm có bề mặt ren lõm nên tăng góc trục vít ôm bánh vít => tăng số răng bánh vít đồng thời ăn khớp với ren trục vít; + Trục vít lõm có khả năng tải cao hơn 1,3-1,5 lần so với TV trụ; Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 18 4.1.3. Ưu nhược điểm - Ưu điểm: Tỷ số truyền lớn; Kích thước nhỏ gọn; Làm việc êm; Tự hãm. - Nhược điểm: Trượt nhiều; Hiệu suất thấp. - Phạm vi sử dụng: P<= 50-60 KW; u=20-60; Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 19 4.2. Đặc điểm ăn khớp và kết cấu (Trục vít Acsimet) 4.2.1. Các thông số hình học - Lưu ý: Dao cắt bánh vít có hình dạng giống hệt trục vít sẽ ăn khớp với bánh vít; có đường kính đỉnh lớn hơn để tạo khe hở chân răng. - Mô đun dọc của trục vít bằng mô đun ngang (mô đun trên mặt mút) của bánh vít: - Mô đun m được tiêu chuẩn hóa )mm( p m   Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 20 d d db d p d  a b N 1 1 f1 w df 2d d 2 a2 Nh h h a 2 a 1  f1 1 a1 d h 1 a M 2 2 d 2 c c d d f2 a 2 H×nh 2.4.3: C¸c th«ng sè cña bé truyÒn b¸nh vÝt trôc vÝt Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 21 - Hệ số đường kính trục vít, q, được tiêu chuẩn hóa nhằm hạn chế số loại dao cắt bánh vít: d1 = mq - Số mối ren, Z1 thường lấy bằng 1-4: Z1 nhỏ được tỷ số truyền lớn nhưng hiệu suất thấp; Z1 càng lớn càng khó chế tạo. - Số răng bánh vít, Z2 = uZ1. Z2min = 26-28; Z2max = 60-80. - Bước ren trục vít, p, và bước xoắn của ren pz . pz = Z1. p. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 22 - Góc nâng ren,  : 1 1 1 1 1 1 zp z p z m ztg d d d q                Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 23 4.2.2. Tỷ số truyền và vận tốc - Nếu cho trục vít quay một vòng, bánh vít quay được bao nhiêu vòng? + Trục vít quay một vòng thì một điểm trên ren trục vít "đi" được một đoạn bằng bước xoắn của ren, pz. + Tương ứng, bánh vít quay được vòng 4.2.2.1. Tỷ số truyền + Vậy, nếu trục vít quay n1 vòng thì bánh vít quay được vòng 2 z 12 d p nn   2 z d p  Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 24 - Tỷ số truyền u sẽ bằng? 1 2 1 2 z 2 2 1 Z Z p.Z Z.m. p d n n u      - Mặt khác, do pz = d1. tg  nên:      tgd d tgd d n n u 1 2 1 2 2 1 - Tỷ số truyền bằng tỷ số giữa số răng bánh vít và số mối ren trục vít (chỉ bằng 1-4), mặt khác d2 < ud1 nên bộ truyền có tỷ số truyền lớn mà kích thước vẫn rất nhỏ gọn! Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 25 - Vận tốc vòng của bánh vít không cùng phương với vận tốc vòng trục vít. 4.2.2.2. Vận tốc vòng và vận tốc trượt - Vận tốc vòng của bánh vít nhỏ hơn vận tốc vòng trục vít V2 = V1 . tgw (tg(25  0,4663) - Vận tốc trượt lớn hơn vận tốc vòng của trục vít hay của bánh vít. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 26 - Vận tốc trượt có thể tính: 21 1 1 os T w V V V tg c      q Zq 10.60 nd q Z 1V 2 1 2 3 11 2 1 1         22 13 1 2 1 2 3 1 qZ 10.60 mn q Zq 10.60 mqn      22 13 1 T qZ 10.1,19 mn V  Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 27 4.2.3. Hiệu suất và hiện tượng tự hãm - Hiệu suất: 1t 2t 111t 222t 11 22 1 2 K F tgF ndF ndF nT nT P P   )'(tgFFF 2t2a1t  )'(tg tg K    - Kể đến mất mát do khuấy dầu: )'(tg tg 95.0K    Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 28 - Khi bánh vít dẫn động: )'(tg tg 95.0K    - Nếu ' thì   0: Bộ truyền không hoạt động được - Hiện tượng tự hãm. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 29 Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 30 4.2.5 Kết cấu bộ truyền b) c) d) e) f) H×nh 2.4.6: KÕt cÊu trôc vÝt vµ vµnh b¸nh vÝt a) Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 31 Cắt bánh vít trên máy phay lăn răng 4.2.6 Gia công bánh vít, trục vít Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 32 Cắt bánh vít trên máy phay lăn răng Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 33 Cắt bánh vít trên máy phay lăn răng Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 34 Cắt bánh vít trên máy phay lăn răng bằng dao bay Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 35 Cắt bánh vít trên máy phay lăn răng bằng dao bay Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 36 Gia công trục vít bằng dao phay Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 37 4.3. Cơ sở tính toán truyền động trục vít 4.3.1. Tải trọng a- Lực tác dụng Phân tích lực có thể dùng cách xác định bề mặt làm việc hoặc dựa vào họa đồ vận tốc! Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 38 Chú ý: Các thành phần lực được tính theo T2 và Ft2 Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 39 K - Hệ số tập trung tải trọng; Nguyên nhân tải phân bố không đều: do biến dạng đàn hồi của bộ truyền khi chịu tải; do sai số chế tạo và lắp ghép. b- Hệ số tải trọng: KH = KF = KKv KV - Hệ số tải trọng động; Phản ánh mức độ động lực của tải trọng. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 40 - Hệ số tập trung tải trọng K               max2 tb2 3 2 T T 1 Z 1K     n 1i i2i n 1i i2ii2 tb2 nt ntT T - Nếu tải không đổi , K =1 : Hệ số biến dạng trục vít, phụ thuộc Z1 và q T2tb: Momen xoắn trung bình T2i, ti, n2i: Momen, thời gian và tốc độ quay bánh vít ở chế độ tải thứ i T2max: Momen lớn nhất Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 41 - Hệ số tải trọng động: t v v q q 1K  qv: Tải trọng động, phụ thuộc vận tốc trượt qt: Tải trọng ngoài Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 42 4.3.3. Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính a- Các dạng hỏng: - Dính: Dạng hỏng nguy hiểm nhất - Dính xảy ra mạnh nhất tại vùng gần mặt phẳng chính do tại đó phương v/t trượt gần trùng với phương của đường t/x. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 43 - Mòn: Xảy ra trên răng bánh vít - do răng làm bằng vật liệu cơ tính thấp hơn - Tróc rỗ: xảy ra với răng bánh vít làm bằng vật liệu chống dính cao (đồng thanh thiếc). Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 44 b- Chỉ tiêu tính: - Tính theo ứng suất tiếp xúc, dính và mòn được quan tâm khi xác định ứng suất cho phép. - Tính bền cho răng bánh vít, vì nó làm bằng vật liệu cơ tính thấp hơn. - Trượt phát sinh nhiệt lớn: tính nhiệt cho hộp. - Trục vít dài, nhỏ, có nhân tố gây tập trung ứng suất lớn là ren, do vậy cần kiểm nghiệm trục vít theo hệ số an toàn bền mỏi. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 45 4.3.2. Vật liệu và ứng suất cho phép a- Vật liệu - Yêu cầu 1: + Hệ số ma sát thấp. + Bền mòn + Khó dính - Yêu cầu 2: Cần chọn vật liệu trục vít có cơ tính cao hơn. Lý do: Trục vít có số lần chịu tải lớn hơn nhiều so với bánh vít. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 46 - Thực tế thường chọn trục vít bằng thép. + Nếu vận tốc trượt, Vt >= 5 m/s, chọn đồng thanh thiếc (Nhóm I; Sức bền chống dính cao nhất, đắt nhất). + Nếu vận tốc trượt, Vt < 2 m/s, chọn gang (Sức bền chống dính thấp nhất, rẻ nhất). + Nếu vận tốc trượt, 2<=Vt < 5 m/s, chọn đồng thanh không thiếc, đồng thau (Nhóm II) - Vật liệu bánh vít cần chọn theo điều kiện chống dính và tính kinh tế: Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 47 b- Ứng suất cho phép: - Vì vật liệu bánh vít có cơ tính kém nên ứng suất cho phép xác định đối với vật liệu bánh vít. - Với vật liệu nhóm II (đồng thanh nhôm sắt, đồng thau) và nhóm III (gang), ứng suất cho phép lấy theo điều kiện chống dính nên nó không phụ thuộc số chu kỳ ứng suất. - Với vật liệu nhóm I (đồng thanh thiếc), ứng suất cho phép lấy theo điều kiện mỏi nên nó phụ thuộc số chu kỳ ứng suất. Với loại vật liệu này, vì đường cong mỏi tiếp xúc và uốn có nhánh nghiêng khá dài (số chu kỳ cơ sở xấp xỉ 25x107) nên khi xác định ƯSCP phải dựa theo giới hạn mỏi ngắn hạn (N=107 với ƯSTX và N=106 với ƯS uốn) chứ không dựa vào g.h. mỏi dài hạn như bánh răng. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 48 4.4. Tính toán độ bền truyền động trục vít 4.4.1. Tính độ bền tiếp xúc - Dính, tróc rỗ xuất phát tại vùng tâm ăn khớp nên tính bền tiếp xúc tại đây. - Mô hình hóa sự ăn khớp trục vít - bánh vít như của một thanh răng nghiêng- bánh răng nghiêng. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 49 -Tính : Thanh răng có bán kính cong của biên dạng 1 =  nên  = 2=0,5d2sin - Điều kiện bền tiếp xúc: ][ 2 H H MH q Z    Sơ đồ tính sức bền tiếp xúc Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 50 - Tính qH: H n H H n H K F q K q l         cos bK lH    2 360 1db 360 2 cos 1      dK lH Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 51      2 cos360 coscos 1 1 2 dK F K l FKq tH H nHH      cos 360 2 360 cos 2 21 2 12 2 Kdd TK dKd TK q HHH ooK 20;1002;8,1;75,0   Lấy: ][ 28,2 1 2 2 H HM H d TK d Z  Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 52 Với trục vít thép, E1=2,15.10 5 ; Bánh vít đồng thanh hoặc gang: E2 = 0,9.10 5; 1 = 2 = 0,3 Được ZM = 210 ][ 480 1 2 2 H H H d TK d  Thay d1 = mq; d2 = mZ2; 2 2 Zq a m w   ][ 170 2 3 2 2 H H w H q TK a qZ Z           1/ 2 MPa Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 53 - Khi thiết kế thay aw=m(Z2+q)/2 vào công thức trên có : 3 2 2 2 2 ][ 170 )( q TK Z qZa H H w         ][ 170 2 3 2 2 H H w H q TK a qZ Z         Công thức kiểm nghiệm Công thức thiết kế Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 54 4.4.2. Tính độ bền uốn - Chân răng bánh vít cong - Kích thước răng thay đổi dọc theo chiều dài răng Vì vậy, tính gần đúng: coi răng như của bánh răng nghiêng có góc nghiêng là , sử dụng các kết quả đã có cho răng nghiêng; có điều chỉnh. ][ F w tFF F mb FYYYK   - Công thức tính cho răng nghiêng: Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 55 74,0;93,0   YY - Tính cho bánh vít, lấy trung bình : ][ 4,1 2 22 2 2 F FF F mdb YKT  Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 56 4.5. Tính toán nhiệt - Nhiệt lượng sinh ra trong 1 giờ: )(),1(1000 11 WPQ  - Nhiệt lượng thoát qua vách hộp 1 giờ: )(),1()( 02 WAttKQ dt  - Theo nguyên lý cân bằng nhiệt: Q1=Q2 => giải ra ta có: 0 1 )1( )1(1000 t AK P t t d     Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 57 - Điều kiện nhiệt độ khi làm việc: ][ )1( )1(1000 0 1 d t d tt AK P t     - Nếu tải thay đổi và P1 = Pmax: ][ )1( )1(1000 0 1 d t d tt AK P t       1P tP t ii CK Với Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí 58 - Nếu sử dụng quạt làm mát một phần Aq: ][ ])1)(([ )1(1000 0 1 d qtqqt d tt AKAAK P t     - Khi thiết kế, tính A cần thiết theo td đã được xác định tùy loại dầu: