Chương 4 Truyền Động Bánh Răng: Thiết Kế và Tính Toán Bộ Truyền | Môn Nguyên lý máy - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58778885 Chương 4
TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG
4.1 Chọn vật liệu
Chọn vật liệu thích hợp là bước quan trọng trong việc tính toán thiết
kế truyền động bánh răng. Bảng 6.1 và 6.2 (trang 91) giới thiệu một số
vật liệu dùng để chế tạo bánh răng và cơ tính của chúng.
4.2 Trình tự thiết kế bộ truyền bánh răng trụ Sau khi chọn vật liệu và
ứng suất cho phép (mục 6.1 và 6.2) ta tiến hành tính toán thiết kế, tính kiểm
nghiệm và xác định lần cuối các thông số và kích thước bộ truyền bánh
răng trụ răng thẳng và răng nghiêng (hoặc răng chữ V).
1. Xác định thông số cơ bản của bộ truyền
Khoảng cách trục aw xác định theo công thức: CT6.15 TK1Hβ a = K (u wa 1)3 [σ ]H 2uψba Ka, hệ số, tra bảng 6.5
Bảng 6.5 Trị số của các hệ số Ka và ZM
Vật liệu làm bánh nhỏ và bánh lớn Hệ số Loại răng Thép - Thép - Thép - đồng Gang - Techtolit - Poliamit- thép gang thanh gang thép thép 49,5 44,5 43 41,5 20 15,5 Thẳng Ka nghiêng 43 39 37,5 36 17 13,5
(MPa1/3) và chữ V 43 61 60 56,5 27 21 ZM (MPa1/3) - 274 234 225 209 69,5 47,5 lOMoAR cPSD| 58778885
T1: mômen xoắn trên trục bánh răng dẫn (Nmm); lấy ở bảng Chương-1
[σH] - ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa) => xác định ở phần 6.1-6.2
bw - các hệ số (tra bảng 6.6) ψba = , aw
bw: chiều rộng vành răng (mm),
Bảng 6.6. Trị số của các hệ số ba và bdmax
Độ rắn mặt răng làm việc
Vị trí bánh răng đối Trị số nên với các ổ trong hộp dùng
H2 ≤ HB 350 hoặc H1 và H2 > HB giảm tốc H1 và H2 ≤ HB 350 350 Đối xứng ba 0,3 ... 0,5 0,25 … 0,3 1,2 ... 1,6 bdmax 0,9 … 1,0
Không đối xứng ba 0,25 ... 0,4 0,2 … 0,25 bdmax 1,0 … 1,25 0,65 … 0,8 ba 0,2 … 0,25 0,15 … 0,2 Chìa bdmax 0,6 … 0,7 0,45 ... 0,55 Chú thích:
1. Với bánh răng chữ V, trị số tăng lên 1,3…1,4 lần;
2. Với các bánh răng trong hộp tốc độ ψba = 0,1 …0,2;
3. Trị số lớn dùng cho trường hợp tải trọng tĩnh hoặc gần như tĩnh;
4. Trị số ψba đối với cấp chậm trong hộp tốc độ nên lấy lớn
hơn 20 … 30% so với cấp nhanh.
KHβ - hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng (tra bảng 6.7). bd 0,53 ba (u 1) lOMoAR cPSD| 58778885
Bảng 6.7. Trị số của hệ số phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng
vành răng KH và KF KH ứng với sơ đồ KF ứng với sơ đồ 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 bd
Khi H1 ≤ HB 350 và H2 ≤ HB350
0,2 1,08 1,05 1,02 1,01 1,01 1,0 1,0 1,18 1,1 1,05 1,03 1,02 1,01 1
0,4 1,18 1,12 1,05 1,03 1,02 1,01 1,01 1,38 1,21 1,11 1,06 1,05 1,03 1,01
0,6 1,31 1,19 1,07 1,05 1,03 1,02 1,02 1,61 1,39 1,17 1,12 1,08 1,05 1,02
0,8 1,45 1,27 1,12 1,08 1,05 1,03 1,02 1,95 1,58 1,24 1,17 1,12 1,07 1,03 1 - - 1,15 1,11 1,07 1,05 1,03 - - 1,32 1,23 1,16 1,1 1,05 1,2 - - 1,2 1,13 1,1 1,06 1,04 - - 1,41 1,3 1,22 1,14 1,08 1,4 - - 1,24 1,17 1,13 1,07 1,05 - - 1,5 1,38 1,28 1,19 1,12 1,6 - - 1,28 1,21 1,16 1,11 1,06 - - 1,6 1,45 1,37 1,26 1,15
Khi H1 > HB 350 và H2 > HB 350
0,2 1,22 1,1 1,05 1,04 1,02 1,01 1,0 1,31 1,2 1,08 1,04 1,03 1,02 1,0 lOMoAR cPSD| 58778885
0,4 1,44 1,25 1,12 1,08 1,05 1,02 1,01 1,69 1,42 1,18 1,06 1,1 1,04 1,01
0,6 - 1,45 1,2 1,14 1,08 1,04 1,02 - 1,71 1,3 1,17 1,12 1,18 1,03 0,8 - - 1,28 1,2 1,14 1,07 1,03 - - 1,43 1,27 1,2 1,14 1,06 1 - - 1,37 1,27 1,19 1,12 1,06 - - 1,57 1,39 1,28 1,2 1,1 1,2 - - 1,47 1,35 1,25 1,16 1,08 - - 1,72 1,53 1,41 1,3 1,15 1,4 - - - - 1,31 1,22 1,12 - - - 1,7 1,53 1,4 1,22 1,6 - - - - - 1,26 1,16 - - - - - - 1,29
 Thế vào ta tính được aw= ***mm
 Nên chọn aw = có sau đuôi là bội của 5. Ví dụ: aw= 103,2mm
thì nên chọn aw=105mm
2. Xác định các thông số ăn khớp 2.1
Xác định môđun m: CT6.17 (tr97) m = (0,01 ÷ 0,02)aw
Chọn m theo trị số tiêu chuẩn (bảng 6.7).
Bảng 6.7. Trị số tiêu chuẩn của môđun Dãy 1 1,25 1,5 2 2,5 3 4 5 6 8 10 12 m (mm) Dãy 2 1,375 1,75 2,25 3,5 4,5 5,5 7 9 11 14
Chú thích : 1. Đối với bánh răng nghiêng và bánh răng chữ V, môđun tiêu chuẩn là
môđun pháp mn; 2. Ưu tiên dùng dãy 1
2.2 Xác định số răng và góc nghiêng
Khoảng cách trục được tính theo công thức: CT 6.18 m a = 0,5w (z + z1 2) cosβ
m - môđun pháp của răng nghiêng hoặc răng chữ V (mm – chọn trị
số tiêu chuẩn bảng 6.7), đối với răng thẳng là môđun m. lOMoAR cPSD| 58778885
- góc nghiêng, = 0 (răng thẳng), = 8 ÷ 20° (răng nghiêng), a)
Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng ( = 0)
Khi đó từ (6.18), số răng bánh dẫn xác định theo công thức: CT6.19 2aw z = 1 m(u+1)
Lấy z1 nguyên và tính lại z2: CT6.20 z = uz2 1
Lấy z2 nguyên và tính lại khoảng cách trục u -ut
( thỏa điều kiện)
Sai số tỉ số truyền Δu = 100% = ** < 2% u
Tinh lại chính xác aw tính theo (6.21). a = 0,5m(z + z )w 1 2
b) Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng: Chọn sơ bộ = 8 ÷ 20° (răng nghiêng)
Từ công thức (6.19) tính số răng z1 β 2a cosw z = 1 m(u + 1)
Lấy z1 nguyên, tính z = uz2 1
Lấy z2 nguyên, tính z = z + zt 1 2 , lOMoAR cPSD| 58778885 u -ut
( thỏa điều kiện)
Sai số tỉ số truyền Δu = 100% = ** < 2% u
Tính lại góc nghiêng : =[8 ÷ 20°] mzt cosβ = 2aw
3 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc (6.3.3 Trang 104) Ứng suất
tiếp xúc trên mặt răng của bộ truyền phải thỏa mãn điều kiện sau: CT (6.33) σ = Z Z Z 2
H M H ε 2TK (u + 1)/(b ud1 H w w1) [σ ]H trong đó:
ZM: hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp (tra bảng 6.5);
ZH: hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc; Z = 2cosH β /sin2αb tw
βb: góc nghiêng của răng trên hình trụ cơ sở; tgβ = cosα tgβb t
Đối với bánh răng nghiêng không dịch chỉnh
αtw = α = arctg(tgα/cosβ)t
Trị số của ZH có thể tra theo bảng 6.12.
Bảng 6 .12. Trị số của hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc ZH Góc (x1 + x2)/( z 1 + z2) nghiêng
β (độ) 0,08 0,05 0,03 0,02 0,01 0,005 0 -0,005 -0,01 -0.015 -0.02 0
1,48 1,52 1,58 1,62 1,68 1,71 1,76 1,83 1,93 2,14 -
10 1,47 1,51 1,56 1,60 1,66 1,69 1,74 1,80 1,90 2,07 -
15 1,46 1,50 1,55 1,58 1,63 1,67 1,71 1,77 1,86 2,00 2,35 lOMoAR cPSD| 58778885
20 1,43 1,47 1,52 1,55 1,60 1,63 1,67 1,72 1,80 1,91 2,13
25 1,42 1,45 1,49 1,52 1,57 1,59 1,62 1,67 1,73 1,81 1,97
30 1,38 1,42 1,45 1,48 1,52 1,54 1,56 1,60 1,65 1,70 1,81
35 1,35 1,37 1,40 1,42 1,46 1,48 1,50 1,53 1,56 1,60 1,66
40 1,30 1,32 1,34 1,37 1,39 1,41 1,42 1,45 1,47 1,50 1,53
Zε: hệ số kể đến sự trùng khớp của răng, xác định như sau: Z khi εβ = 0 (4 ) / 3 (4 - εα )(1 - εβ ) εβ + 3 Z = ε εα khi εβ < 1 α Z = 1/ε ε khi εβ ≥ 1
Với εβ là hệ số trùng khớp dọc, tính theo công thức: ε = b sinβ/(πm)β w
ε : hệ số trùng khớp ngang,
tính theo công thức gần đúng: 1 1 ε = 1,88 - 3,2 + α cosβ z1 z2
KH: hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc: K = KH HβKHαKHV Với
KHβ: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng (tra bảng 6.7);
KHα: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng
đồng thời ăn khớp, KHα = 1 (răng thẳng). KHα tra bảng 6.14; v d n /60000w1 1 (5.35) lOMoAR cPSD| 58778885
Với dw1 là đường kính vòng chia bánh nhỏ n1: số
vòng quay của bánh nhỏ (chủ động) (v/ph)
Trị số của cấp chính xác có thể tra bảng 6.13
Bảng 6.13. Chọn cấp chính xác theo vận tốc vòng
Vận tốc vòng (m/s) của bánh răng Trụ Côn Cấp chính xác Răng Răng Răng nghiêng và thẳng nghiêng Răng thẳng răng cung tròn ≤ 2 ≤ 4 ≤ 1,5 ≤ 3 9 ≤ 6 ≤ 10 ≤ 4 ≤ 7 8 ≤ 10 ≤ 15 ≤ 8 ≤ 10 7 ≤ 15 ≤ 30 ≤ 12 ≤ 20 6
Bảng 6.14. Trị số của hệ số KHα và KFα
KHα và KFα khi cấp chính xác về mức làm việc êm Vận tốc vòng 6 7 8 9 (m/s) KHα KFα KHα KFα KHα KFα KHα KFα 2,5
1,01 1,05 1,03 1,12 1,05 1,22 1,13 1,37 5
1,02 1,07 1,05 1,16 1,09 1,27 1,16 1,40 10 1,03 1,10 1,07 1,22 1,13 1,37 - - 15 1,04 1,13 1,09 1,25 1,17 1,45 - - 20 1,05 1,17 1,12 1,35 - - - - 25 1,06 1,20 - - - - - -
KHv: hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp, trị số
của KHv tính theo công thức:
KHv = 1 + vHb dw w1/(2TK1 HβKHα ) lOMoAR cPSD| 58778885 Với vH = σ g v a /uH o w
δH: hệ số kể đến ảnh hưởng của các sai số ăn khớp, tra bảng 6.15;
go: hệ số kể đến ảnh hưởng của sai lệch các bước răng bánh 1 và 2, tra bảng 6.16.
Bảng 6.15. Trị số của các hệ số kể đến ảnh hưởng của sai số ăn khớp δH và δF Độ rắn mặt răng bánh chủ động HB1 Dạng răng δF và bánh bị động HB2 δH HB2 ≤ 350 HB
Thẳng, không vát đầu răng 0,006 0,016
Thẳng, có vát đầu răng 0,004 0,011 Nghiêng 0,002 0,006 HB1 > 350 HB
Thẳng, không có vát đầu răng 0,014 0,016 HB2 > 350 HB
Thẳng, có vát đầu răng 0,010 0,011 Nghiêng 0,004 0,006
Bảng 6.16. Trị số của hệ số kể đến ảnh hưởng của sai lệch bước go
Cấp chính xác theo mức làm việc êm Môđun m (mm) 6 7 8 9 Đến 3,55 38 47 56 73 Trên 3,55 đến 10 42 53 61 82 Trên 10 48 64 73 100
Trị số của 𝑣H tính được phải nhỏ hơn 𝑣Hmax xác định từ khả năng chịu
tải trọng động lớn nhất của bánh răng, cho trong bảng 6.17.
Bảng 6.17. Trị số của vHmax và vFmax Môđun m (mm)
Cấp chính xác theo mức làm việc êm lOMoAR cPSD| 58778885 6 7 8 9 Đến 3,55 160 240 380 700 Trên 3,55 đến 10 194 310 410 880 Trên 10 250 450 590 1050
aw: khoảng cách trục (mm);
T1: mômen xoắn trên trục bánh chủ động (Nmm);
u: tỉ số truyền, dấu (+) ứng với tiếp xúc ngoài,
bw = baaw – chiều rộng vành răng (mm); [σH]:
ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa). Lưu ý:
- Nếu σH > [σH] thì cần thay đổi khoảng cách trục aw và tiến hành kiểm nghiệm lại.
- Nếu chênh lệch này nhỏ hơn 4% thì có thể giữ nguyên các kết quả
tính toán và chỉ cần tính lại chiều rộng vành răng theo công thức: bw baa (w H /[ H ])2
4 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn (6.34-tr108)
Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất uốn sinh ra tại chân răng
phải thỏa điều kiện sau: F1 2TK Y Y Y / b d1 F F1 w w1m [ F1]
F2 F1YF2 / YF1 [ F2] trong đó:
T1: mômen xoắn trên bánh chủ động (Nmm);
m: môđun pháp (mm); bw: chiều rộng vành răng (mm);
dw : đường kính vòng lăn bánh chủ động (mm); lOMoAR cPSD| 58778885
Y 1/ - hệ số kể đến sự trùng khớp của răng, với εα là hệ số trùng khớp ngang; Y
1 o /140 - hệ số kể đến độ nghiêng của răng, với răng thẳng 0, Y 1;
Y ,YF : hệ số dạng răng của bánh 1 và 2, phụ thuộc vào số răng 1 F2 tương đương (z 3 3 v1
z / cos1 và zv2 z / cos2 ) và hệ số dịch chỉnh, tra trong bảng 6.18.
Bảng 6.18. Trị số của hệ số dạng răng YF Hệ số dịch chỉnh x 0,8 0,7 0,5 0,3 0,1 0 -0,1 -0,3 -0,5 Số răng tương
Hệ số dạng răng YF đương zv 12 2,97 3,12 3,46 3,89 - - - - - 14 3,02 3,13 3,42 3,78 - - - - - 16 3,05 3,15 3,40 3,72 - - - - - 17
3,07 3,16 3,40 3,67 4,03 4,26 - - - 20
3,11 3,19 3,39 3,61 3,89 4,08 4,28 - - 22
3,13 3,21 3,39 3,59 3,82 4,00 4,20 - - 25
3,17 3,24 3,39 3,57 3,77 3,90 4,05 4,28 - 30
3,22 3,28 3,40 3,54 3,70 3,80 3,90 4,14 - 40
3,29 3,33 3,42 3,53 3,63 3,70 3,77 3,92 4,13 50
3,33 3,38 3,44 3,52 3,60 3,65 3,70 3,81 3,96 60
3,37 3,41 3,47 3,53 3,59 3,62 3,67 3,74 3,84 lOMoAR cPSD| 58778885 80
3,43 3,45 3,50 3,54 3,58 3,61 3,62 3,68 3,73 100
3,47 3,49 3,52 3,55 3,58 3,60 3,61 3,65 3,68 150 - - - - - 3,60 3,63 3,63 3,63
KF: hệ số tải trọng khi tính về uốn: KF K KF F KFv Với
KFβ: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng
vành răng khi tính về uốn, tra bảng 6.7.
KF : hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng
đồng thời ăn khớp khi tính về uốn (tra bảng 6.14), với bánh răng thẳng KF = 1;
KFv: hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp khi tính về uốn: vF w w1b d KFv = 1 + 2TK K1 Fβ Fα vF = δ g v a /uF o w
trong đó các hệ số δF và go tra Bảng 6.15 và 6.16, vận tốc vòng v tính tự tính
[ F1], [ F2] ứng suất uốn cho phép của răng bánh 1 và 2, mục 6.2 Lưu ý: Nếu F [ ] hoặc
[ ] thì cần tăng môđun m và 1 F1 F2 F2
chọn lại các thông số của bánh răng (z1, z2, …). 5 Kiểm nghiệm răng về
quá tải (6.3.5 –tr109)
Khi làm việc, bánh răng có thể bị quá tải (thí dụ lúc mở máy, hãm
máy, v.v.) với hệ số quá tải Kqt Tmax / T, trong đó T là mômen xoắn danh
nghĩa, Tmax là mômen xoắn quá tải. Vì vậy cần kiểm nghiệm răng về quá
tải dựa vào ứng suất tiếp xúc cực đại và ứng suất uốn cực đại. lOMoAR cPSD| 58778885
Để tránh biến dạng dư hoặc gãy dòn lớp bề mặt, ứng suất tiếp xúc
cực đại σHmax không được vượt quá một giá trị cho phép:
σHmax = σH Kqt [σ ]H max với σH được tính theo (6.**) và [σH]max theo (6.**).
Đồng thời để đề phòng biến dạng dư hoặc phá hỏng tĩnh mặt lượn
chân răng, ứng suất uốn cực đại tại mặt lượn chân răng không được vượt
quá một giá trị cho phép: σFmax = σ KF qt [ F max] với σF xác định theo
(6.**) và (6.**) và [σF]max theo (6.**). Kqt= 1,5
Sau khi đã tiến hành các bước tính thiết kế và tính kiểm nghiệm như
đã trình bày trên đây, người thiết kế cần quyết định lần cuối các thông số
và kích thước bộ truyền và ghi chúng vào một bảng thống kê.
6 Các thông số và kích thước bộ truyền Tên gọi Ký hiệu Giá trị Khoảng cách trục aw Môđun m Chiều rộng vành răng bw Tỷ số truyền u Góc nghiêng Số răng bánh răng z1 = z2 = Đường kính vòng chia d1 = d2 = lOMoAR cPSD| 58778885
Đường kính vòng đỉnh răng da1 d1 2m da2 d2 2m d f1 d1
Đường kính vòng đáy răng 2,5m df 2 d2 2,5m
Ứng suất tiếp xúc lớn nhất σH
Chú ý: Tính toán xong phải kiểm tra lại sai số tỷ số truyền chung thực tế.
1. Các em nên làm kiểm nghiệm theo tài liệu của Trịnh Chất
2. Bánh răng Côn (Đề 3-5) làm theo hướng dẫn đã gửi trên lms
hoặc mục 6.4 –trang 110 (không dịch chỉnh).