Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình chế tạo máy - DR Phương
Chi tieát maùy Chương VIICHƯƠNG 7TRỤCCác kiến thức cơ bản cần phải có bao gồm : + Kiến thức về môn Sức bền vật liệu mà cụ thể ở đây là biết cách xây dựng biểu bồ nội lực, xác định các moment uốn, xoắn tác dụng lên trục.+ Biết phân tích lực tác dụng trên các bộ truyền đã học trước đây.7.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN7.1.1. Công dụng- Trục là một trong các loại chi tiết máy dùng để mang các chi tiết máy khác, truyền công suất hoặc thực hiện một lúc cả hai nhiệm vụ trên.- Để hiểu rõ công dụng của trục, chúng ta xem ví dụ trên hình 7.1:Hình 7.1: Các tiết máy lắp trên trụcTrục (4) mang bánh răng (1) và bánh đai (3). Moment xoắn được truyền đến bánh đai (3), do bánh đai (3) lắp cố định trên trục nên moment sẽ được truyền tiếp cho bánh răng (1) thông qua trục.7.1.2. Phân loạiTrục có thể phân thành nhiều loại tuỳ thuộc vào phương pháp sử dụng. Bây giờ, chúng ta đi vào từng phương pháp phân loại cụ thể để có thể nắm được cách gọi tên trục cho hợp lýa.Theo đặc điểm chịu tải trọng: cách phân loại này dựa trên tính chất tải trọng tác dụng lên trục. Theo cách phân loại này, chúng ta có thể chia trục thành hai loại: trục tâm và trục truyền.- Trục tâm: tải trọng tác dụng lên trục duy nhất là moment uốn hay trục chỉ có tác dụng là dùng để đỡ các chi tiết quay. Như vậy, trục tâm có thể quay cùng với chi tiết hay không cùng quay với chi tiết mang. Để hiểu rõ hơn, chúng ta xem ví dụ được mô tả bằng sơ đồ động sau:82 Chi tiết máy Chương VII Hình 7.2a: Trục tâm khơng quay cùng chi tiếtTrên hình 9.2a là loại trục tâm khơng quay cùng chi tiết. Moment xoắn được truyền từ bánh răng chủ động (1) sang bánh răng bị động (2), bánh răng này lắp với tang cuốn và quay lồng khơng trên trục (3), trục (3) được lắp cố định.Cũng với kết cấu này, nếu như chúng ta khơng cố định trục (3) mà lắp hai đầu trục với ổ đỡ, bánh răng (2) cùng tang cuốn được lắp cố định với trục → chúng ta có kết cấu trục tâm quay cùng chi tiết lắp trên nó như hình 9.2bHình 7.2b : Trục tâm quay cùng chi tiếtKết cấu thực tế của hai loại trục này có thể tham khảo thêm trong tài liệu “Cơ sở thiết kế máy – phần 1” của tác giả Nguyễn Hữu Lộc trang 275.- Trục truyền : là trục vừa chịu moment uốn (mang các chi tiết quay), vừa chịu moment xoắn để truyền chuyển động. Trục truyền được chia thành trục truyền động (mang các chi tiết máy truyền động như bánh răng, xích, đai …), trục chính (ngồi việc mang các chi tiết máy còn mang thêm các bộ phận cơng tác như dụng cụ cắt, cánh khuấy). Ngồi ra, còn có trục truyền chung (là loại chỉ chịu moment xoắn, khơng chịu moment uốn hoặc có nhưng rất ít, thường dùng 83 Chi tiết máy Chương VIIđể truyền moment xoắn từ một máy phát động lực đến nhiều máy cơng tác khác)b. Theo hình dạng đường tâm: theo hình dạng đường tâm trục, trục được chia thành 02 loại: trục thẳng và trục khuỷuHình 7.3: Trục khuỷuTrục khuỷu là loại tiết máy có cơng dụng riêng, chúng ta thường thấy ứng dụng của loại trục này trong ngành ơ tơ, ngồi ra loại trục này còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như dột dậpNgồi hai loại trục kể trên, cách phân loại trục theo đường tâm còn phải kể đến một loại trục đặc biệt có đường tâm thay đổi gọi là trục mềm:+ Trục mềm dùng để truyền moment xoắn giữa các bộ phận máy hoặc giữa các máy có vị trí thay đổi khi làm việc. Thường dùng trục mềm trong các máy rung bê tơng, trong các thiết bị điều khiển và kiểm tra từ xa. Đặc điểm chủ yếu của trục mềm là độ cứng xoắn cao nhưng độ cứng uốn thấp+ Trục mềm thường được cấu tạo bằng các dây cuộn, gồm nhiều lớp dây thép hoặc đồng cuộn quanh một lõ. Lõi là một dây thép đơn, sau khi quấn xong các lớp dây thép thì lõi có thể được rút ra hoặc có thể để ngun.c. Theo cấu tạo trục : nếu phân loại trục theo cấu tạo, thì có thể chia trục thành: trục trơn, trục bậc, trục đặc và rỗng.- Trục trơn: là trục có đường kính khơng đổi trên suốt chiều dài trục- Trục bậc: ngược với trục trơn, trục bậc gồm nhiều đoạn với đường kính mỗi đoạn khác nhau.- Trục đặc và trục rỗng: khi có sự đòi hỏi khắc khe về khối lượng trục hoặc bên trong trục lắp chi tiết hoặc cơ cấu khác (cơ cấu then kéo chẳng hạn) thì bắt buột chúng ta phải dùng trục rỗng. Trục rỗng có khá nhiều ưu điểm như: khối lượng nhẹ hơn, khả năng chịu xoắn cao hơn trục đặc cùng tiết diện. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là giá thành trục rỗng lớn. Nếu khơng có u cầu nào đặc biệt, thường người ta hay dùng trục đặc.84 Chi tiết máy Chương VII7.2 Kết cấu trục - Kết cấu trục hợp lý là một trong những u cầu đặt ra cho người thiết kế sao cho đảm bảo được độ bền, tính thẩm mỹ của thiết bị, có tính cơng nghệ cao để thuận tiện cho việc chế tạo và lắp ráp cũng như giá thành hợp lý nhất.- Kết cấu trục được quyết định bởi tình hình phân bố lực tác dụng lên trục và trị số của các lực này, cách bố trí và cố định các chi tiết máy trên trục, tình hình gia cơng và lắp ghép …- Trục được chế tạo có hình trục tròn gồm nhiều bậc. Ít khi dùng trục trơn vì loại trục này khơng thích hợp với ứng suất thay đổi theo dọc chiều dài trục, lắp ráp – sửa chữa khó khăn, việc cố định các chi tiết máy trên trục cũng phức tạp …Tuy nhiên, trục trơn rất dễ trong chế tạo- Như đã nêu trên, trục rỗng có giá thành cao do chế tạo khó khăn, nhưng có khối lượng nhỏ và khả năng truyền moment xoắn tốt.Cấu tạo trục bao gồm các phần sau:+ Tiết máy đỡ trục gọi gọi là ổ trục, phần trục tiếp với ổ trục được gọi là ngõng trục+ Phần trục để lắp ghép các tiết máy khác gọi là thân trục Một điều hết sức lưu ý trong q trình thiết kế trục là : đường kính ngõng trục và thân trục phải lấy theo các trị số tiêu chuẩn để thuận tiện cho việc chế tạo và lắp ghép.Cụ thể như sau:7.2.1. Ngõng trục Ngõng trục dùng để lắp các ổ trục. Khi ngõng trục lắp ổ lăn thì đường kính ngõng trục được tiêu chuẩn hố theo đường kính trong của ổ và là bội số của 5 nếu d>=20mm7.2.2. Thân trục Thân trục dùng để lắp ghép các chi tiết quay như bánh răng, bánh đai, đĩa xích …Đường kính thân trục tại các vị trí lắp tiết máy được lấy theo tiêu chuẩn:(1,2,3,4,5,6,8,10,10.5,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,24,25,26,28,30,32,34,35,36,38,40,42,45,48,50,52,55,58,60,62,65,68,70,72,7578,80,82,85,88,90,92,95,98,100,105,110,115,120,125,130,135,140,145,150,,155,160,165,170,175,180,185,190,195,200.)Từ 200 đến 500, đường kính lấy theo trị số là bội của 10.Đối với trục nhiều bậc, nếu chỉ lấy trị số đường kính theo tiêu chuẩn thì sẽ gặp khó khăn. Do đó, tại những đoạn trục khơng mang tiết máy có thể lấy theo trị số khơng tiêu chuẩn. Khi định kích thước trục bậc, phải lấy đường kính các đoạn trục sao cho lắp tiết máy lên trục tại một vị trí thì có thể lồng qua các đoạn trục khác mà khơng bị vướng.85 Chi tiết máy Chương VIIĐể cố định các tiết máy trên trục theo chiều dọc trục, tuỳ thuộc vào tải trong tác dụng mà chúng ta sử dụng các phương pháp khác nhau:+ Tải trọng nặng: lắp có độ dơi, tựa vào vai trục+ Tải trong trung bình: cố định bằng đai ốc, chốt+ Tải trọng nhẹ : vòng kẹp, vít chặn, vòng đàn hồi- Ngồi ra, có thể cố định tiết máy trên trục bằng cách ghép bằng mặt nón khi tiết máy làm việc với tải trọng động hoặc va đập- Để giữ khoảng cách tương đối giữa hai tiết máy, đơn giản nhất là dùng bạc lót- Đai ốc, vòng hãm, kết hợp với ghép bằng độ dơi để cố định ổ lăn- Để cố định các tiết máy theo chiều tiếp tuyến, người ta hay dùng then hay then hoa.7.2.3. Các bề mặt chuyển tiếpLà phần nằm giữa hai đoạn trục có đường kính khác nhau, vai trục, rãnh tròn hay rãnh thốt dao. Kích thước có thể chọn theo kết quả thực nghiệm như sau:- Rãnh thốt đá mài (thốt dao): đường kính trục d=10÷50mm, chiều rộng rãnh 3mm, chiều sâu rãnh lấy 0.25mm . Đường kính trục d=50÷200mm, lấy bề rộng rãnh 5mm và chiều sâu rãnh 0.5mm.- Góc lượn có bán kính cố định lấy theo tỉ số sau: ρ/d = 0.02÷0.04; t/ρ≈386ρdt Chi tiết máy Chương VIIVì trục chịu ứng suất thay đổi nên thường bị hỏng do mỏi, vết nứt mỏi thường bắt đầu tại vùng tập trung ứng suất. Do đó, cần có biện pháp nâng cao độ bền mỏi của trục. Kết cấu trục là một trong các ngun nhân quan trọng gây nên tập trung ứng suất. Đồng thời, cơ tính vật liệu trục cũng đóng góp một phần khơng nhỏ trong khả năng chịu mỏi của trụ. Xuất phát từ cơng thức xác định ứng suất cho phép như sau:LlimKK]S[][σεβσ=σTrong đó: β - Hệ số tăng bền bề mặtKσ -hệ số tập trung tải trọngTa có hai biện pháp để nâng cao độ bền mỏi trục: biện pháp về kết cấu và biện pháp về cơng nghệ* Biện pháp kết cấuTại chỗ lắp ghép có độ dơi, chỗ có rãnh then, rãnh thốt đá mài hoặc hỗ đường kính trục thay đổi là những nơi tập trung ứng suất. Để giảm bớt ứng suất tập trung, có thể sử dụng các biện pháp về kết cấu như sau:- Đối với mối ghép có độ dơi: có thể dùng biện pháp vát mép moay-ơ. Như vậy có thể giảm áp suất giữa mép moay-ơ và trục, đồng thời ứng suất phân bố sẽ đều hơn. Cũng có thể làm dày phần trục tại chổ lắp moay-ơ, làm mỏng bề dày moay-ơ hoặc kết hợp làm dày trục và làm mỏng moay-ơ.- Những chổ có rãnh then nên chế tạo bằng dao phay dĩa, như vậy ở đoạn cuối rãnh then chiêu sâu rãnh cạn dần theo bán kính dao. Trong trường hợp dùng then hoa thì nên dùng then hoa dạng thân khai- Dùng ống lót hay rót vào moay-ơ vật liệu có tính đàn hồi thấp- Tại những vị trí có đường kính trục thay đổi, nên làm góc lượn với bán kính lớn nhất có thể- Để giam ứng suất tập trung đơi khi còn làm lổ giảm tải. Tuy nhiên biện pháp này giam tăng độ kém cứng vững của trục* Biện pháp cơng nghệ:Các biện pháp cơng nghệ nâng cao độ bền mỏi của trục bao gồm: lăn nén, phun bi bề mặt, thấm ni tơ hoặc xianua sau đó tơi, gia cơng thật nhẵn bề mặt. Bằng dự biến cứng bề mặt, đặc biệt là các bề mặt chuyển tiếp thì có thể tăng độ mỏi của trục rất nhiều lần87 Chi tiết máy Chương VII7.3. Vật liệu chế tạo trục- Vật liệu dùng để chế tạo trục xác định theo những tiêu chuẩn về khả năng làm việc của trục, ít nhạy với tập trung ứng suất, có thể nhiệt luyện, hố luyện được và dễ gia cơng.- Phơi để chế tạo trục có đường kính <150mm thường dùng phơi cán, nếu đường kính trục >150mm dùng phơi rèn. Rất hiếm khi dùng phơi đúc.- Thép carbon và thép hợp kim là những vật liệu chủ yếu dùng để chế tạo trục- Nếu khơng có u cầu cao và trục chịu ứng suất khơng lớn thì có thể dùng thép CT5 khơng nhiệt luyện- Nếu khả năng tải của trục đòi hỏi cao hơn thì dùng thép C45, 40Cr nhiệt luyện- Đối với các trục chịu ứng suất lớn và sử dụng trong các máy móc quan trọng có thể dùng thép 40CrNi,40CrNi2MoA, 30CrMnTi, …Trục được hế tạo từ những loại thép này thường được tơi cải thiện (tơi rồi ram ở nhiệt độ cao, tơi cao tầng (tơi bề mặt chi tiết bằng dòng diện có tầng số cao) rồi sau đó ram ở nhiệt độ thấp.- Đối với trục có số vòng quay lớn và ổ trục là ổ trượt thì đòi hỏi ngõng trục phải có đội rắn cao, thường được chết tạo từ thép 20, 20Cr thấm carbon rồi tơi. Nếu trục làm việc với vận tốc rất cao và chịu ứng suất lớn thì dùng thép 12CrNi3A, 18CrMnTi thấm carbon và tơi hay thép thấm nitơ như 38Cr2MoAlA.- Để chế tạo các trục định hình như trục khuỷu hay trục có đường kính lớn, năng (trục cán), người ta dùng gang chịu bền cao (gang cầu) và gang biến tính. Tuy sức bền của gang kém hơn thép nhưng gang lại ít nhạy với tập trung ứng suất và khả năng giảm chấn tốt hơn thép- Cần chú ý rằng thép hợp kim nhiệt luyện có độ bền và độ rắn cao nhưng modun đàn hồi khơng khác các loại thép carbon thơng thường. Do đó, theo điều kiện sức bền thì kích thước trục sẽ nhỏ nhưng trục sẽ khơng đủ độ cứng cần thiết. Hơn nữa, thép hợp kim thường đắt tiền và rất nhạy với tập trung ứng suất. Do đó, khi nào thực sự cần thiết (giảm bớt kích thước và khối lượng trục, nâng cao tính chống mòn của ngõng trục) và xét thấy độ cứng trục vẫn đảm bảo thì mới dùng đến thép hợp kim 7.4. Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính trục7.4.1. Các dạng hỏngCác dạng hỏng của trục bao gồm: gãy trục, mòn trục, khơng đủ độ cứng, …- Gãy trục: do q tải hay do mỏi gây bởi các ngun nhân sau:+ Thường xun làm việc q tải (do khơng đánh giá đúng đặc điểm và trị số của tải trọng)88 Chi tiết máy Chương VII+ Do đánh giá khơng đúng sự tập trung ứng suất do kết cấu trục gây nên (góc lượn, rãnh then, lỗ khoan, rãnh vòng…)+ Có sự tập trung ứng suất do chất lượng chế tạo kém (có vết xước khi gia cơng…)+ Sử dụng và lắp ráp khơng đúng kỹ thuật hoặc lắp khơng đúng kiểu- Mòn trục: Đói với ngõng trục lắp ổ trượt khi tính tốn và sử dụng khơng đúng u cầu kỹ thuật thì màng dầu bơi trơn khơng hình thành, dẫn đến trục trực tiếp tính xúc với ổ, dẫn đến lót trục bị mòn nhanh, ngõng trục bị nóng lên → trục có thể bị dính (là hiện tượng vật liệu của lót ổ bám dính vào ngõng trục), trục bị xước và mất khả năng làm việc.- Trục khơng đủ độ cứng: trục bị biến dạng dưới tác dụng của tải trong gây nên phá hỏng ổ trục, các bền mặt của các chi tiết truyền động, mất độ chính xác và độ bóng bề mặt gia cơng ( đối với trục chính của máy gia cơng). Nếu trục bị biến dạng làm việc với vận tốc vòng lớn sẽ gây nên dao động.7.4.2. Chỉ tiêu tínhĐối với trục, độ bền và độ cứng là hai chỉ tiêu quan trọng nhất về khả năng làm việc. Độ bền trục phụ thuộc vào trị số và đặc trưng của ứng suất do tải trọng tác dụng lên trục. Sự thay đổi về trị số và chiều của tải trọng gây nên ứng suất thay đổi. Nếu trị số và chiều của tải trọng khơng đổi nhưng tác dụng lên trục quay thi sẽ gây nên ứng suất thay đổi trên trục.Đối với trục khơng quay và ứng suất khơng đổi, chúng ta sẽ tiến hành tính tốn trục theo độ bền tĩnhĐối với trục quay nhanh thì tính tốn theo độ bền mỏi vì ứng suất sinh ra trên trục thay đổi (khoảng 50% dạng hư hỏng trục chủ yếu do mỏi )Đối với trục quay chậm, chúng ta tính tốn trục khơng những theo độ bền mỏi mà còn tính theo độ bền tĩnh để tránh hỏng trục do q tải.Ngồi ra để các chi tiết lắp với trục làm việc bình thường, ta còn phải tính trục theo độ cứng. Đối với các trục quay với vận tốc cao, ta còn phải tính theo độ ổn định dao động.7.5. Tình tốn trục theo độ bềnViệc tính trục thơng thường được tiến hành theo 03 bước:1. Tính tốn sơ bộ xác định đường kính trục theo moment xoắn2. Phát thảo sơ bộ kết cấu trục, xác định các điểm tựa cũng như điểm đặt lực (q trình xác định kích thước trục theo chiều dài), sau đó tiến hành tính tốn để xác định tiết diện nguy hiểm và tính chính xác đường kính trục3. Tính kiểm nghiệm trục theo hệ số an tồn89 Chi tieát maùy Chương VII7.5.1. Tính sơ bộ đường kính trụcSở dĩ phải xác định sơ bộ đường kính trục là vì kích thước trục theo chiều dài chưa có. Do đó, phải tính sơ bộ đường kính trục để xác định kết cấu trụ (kích thước theo chiều dài và đường kính các đoạn trục). Có thể tính sơ bộ dường kính trục theo các công thức thực nghiệma. Theo công thức thực nghiệm- Đường kính trục đầu vào hộp giảm tốc : d=(0,8 ÷1,2) ddc- Đường kính trục bị dẫn của mỗi cấp trong hộp giảm tốc : dbc =(0,3÷0,35) a (a: khoảng cách trục)Trong trường hờp không có công thức thực nghiệm thích hợp thì tiến hành tính theo moment xoắn. Sở dĩ như vậy vì lúc này chưa có chiều dài trục nên không thể tính theo moment uốn.b. Tính theo moment xoắn:Dưới tác dụng của moment xoắn nP610.55,9T=, trong trục sinh ra ứng suất xoắn:3020 d,TWT≈=τ Trong đó - W0: moment cản xoắn (mm3)- d: đường kính trục (mm) Theo điều kiển bền : τ ≤ [τ] = 0,5[σ]. Tính được đường kính trục : [ ]35τT.d ≥(mm) (7.1)Trong đó [σ] – Ứng suất uốn cho phép được tra theo bảng sau (Bảng 7.1 [1]):90 Chi tiết máy Chương VIINgun nhân sinh ra tập trung ứng suấtĐường kính trục (mm)Ứng suất uốn cho phép [σ] phụ thuộc vào loại thép, phương pháp nhiệt luyện và cơ tính (Mpa)35, CT5σb≥500σ-1≥22045, CT6σb≥600σ-1≥26045, tôiσb≥850σ-1≥34040Cr, tôiσb≥1000σ-1≥400Chi tiết lắp lên trục với độ dôi không lớn3050100806560857065907570958075Chi tiết được ép lên trục3050100584845635048675550706055Trục có góc lượn305010060554070655580756590807091 [...]... theo bng sau (bng 7. 2[1]) d 2 0- 3 0- 4 0- 5 0- 6 0- 7 0- 8 0- 10 0- 12030 40 50 60 70 80 90 120 140 Theựp 0.91 0.88 0.84 0.81 0 .78 0 .75 0 .73 0 .7 0.68 carbo 0.89 0.81 0 .78 0 .76 0 .74 0 .73 0 .72 0 .7 0.68 n Theựp 0.83 0 .77 0 .73 0 .7 0.68 0.66 0.64 0.62 0.6 0.89 0.81 0 .78 0 .76 0 .74 0 .73 0 .72 0 .7 0.68 HK Cỏc h s khỏc tra theo bng (7. 3) v (7. 4) trang 295 SGK - Khi Cỏc iu kin (9.5), (9.6), (9 .7) khụng thừa mn cn... (7. 9) Vi -1 ,-1 gii hn mi ca vt liu, c xỏc nh theo cụng thc: 1 = (0,4 0,5)b 1 = (0,22 0,25)b (7. 10) a,m, a, m : biờn v giỏ tr trung bỡnh ca ng sut * ng sut un thay i theo chu k i xng do trc quay: M a = max = , m = 0 (7. 11) W * ng sut xon thay i theo chu k mch ng khi trc quay mt chiu: T a = m = max / 2 = (7. 12) W0 * ng sut xon thay i theo chu k i xng khi tc quay hai chiu: m = 0 ; a = max = T/W (7. 13)... = [] (7. 17) GJ 0 trong ú: k = 1 - h s 1 4 t / d t chiu sõu rónh then d ng kớnh trc - h s: = 0,5 khi cú 1 rónh then = 1 khi cú hai rónh then cỏch nhau 900 =1,2 khi cú 2 rónh then cỏch nhau 1800 Gúc xon cho phộp [] cú th ly gn ỳng nh sau: + i vi mỏy ct c ln: [] = 1,5 rad trờn chiu di l =1m + i vi trc mỏy khoan [] = 17, 5 rad trờn chiu di l=(20ữ25)d + i vi trc c cu cardan [] = (50 70 ) 1 0-3 rad/m... l=(20ữ25)d + i vi trc c cu cardan [] = (50 70 ) 1 0-3 rad/m + i vi cỏc trc cú cụng dng chung [] = 9 1 0-3 rad/m + i vi trc cn cu [] = (4,5ữ6) 1 0-3 rad/m 97 Chng VII Chi tieỏt maựy 7. 7 Cỏc lc tỏc dng trờn trc t cỏc b truyn ng a B truyn ai: Fr F2 F1 Fr ( F1 + F2 ) cos( / 2) = 2F0 cos( / 2) Fr = 2F0 sin( 1 / 2) (7. 18) F0 : Lc cng ai ban u 1 : Gúc ụm trờn bỏnh ai nh Gúc cú th xem 0 b B truyn xớch Tng t nh... Ft (7. 19) Km: h s trng lng xớch Km = 1,15 khi xớch nm ngang hoc gúc nghiờng gia ng tõn trc v phng ngang . (bảng 7. 2[1])d 2 0- 3 0- 4 0- 5 0- 6 0- 7 0- 8 0- 10 0- 12 0-3 0 40 50 60 70 80 90 120 140Thép carbonεσετ0.91 0.88 0.84 0.81 0 .78 0 .75 0 .73 0 .7 0.680.89 0.81 0 .78 0 .76 . 0 .74 0 .73 0 .72 0 .7 0.68Thép HKεσετ0.83 0 .77 0 .73 0 .7 0.68 0.66 0.64 0.62 0.60.89 0.81 0 .78 0 .76 0 .74 0 .73 0 .72 0 .7 0.68Các hệ số khác tra theo bảng (7. 3)