Thiết kế máy #01: Tính tải trọng vòng bi và ổ trục trong truyền động xích, dây đai

Bài viết này là ghi chú kỹ thuật nhằm tổng hợp các phương pháp tính toán tải trọng tác động lên vòng bi và ổ trục trong hệ truyền động bằng xích và dây đai, phục vụ mục đích học tập và tham khảo.

Tải trọng lên vòng bi và ổ trục

Bài viết này tổng hợp các phương pháp tính toán nhằm xác định tải trọng tác động lên vòng bi và ổ trục trong các hệ truyền động sử dụng xích và dây đai. Nội dung tập trung vào các công thức cơ bản thường được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra tải trọng, với tài liệu tham khảo từ danh mục vòng bi của NTN.

①Công thức tính tải trọng lên vòng bi và ổ trục

Công thức tính tải trọng như sau:

Việc tính toán này được tham khảo từ công thức trong danh mục sản phẩm của NTN. (Tài liệu tham khảo: Danh mục tổng hợp vòng bi lăn NTN CAT. NO.2202-Ⅶ/J, A-23).

Ngoài ra, trong tài liệu tham khảo, công thức tính toán tải trọng lên vòng bi dựa trên công suất truyền động (kW). Tuy nhiên, trong trường hợp của tôi, tôi thường tính toán dựa trên mô-men xoắn thực tế khi vận hành, vì vậy tôi đã chuyển đổi mô-men xoắn thành công suất truyền động (kW) rồi áp dụng vào công thức.

② Điều kiện cần thiết Vui lòng tham khảo hình trên để xem các điều kiện cần thiết cho việc tính toán.

2. Giá trị tải trọng cần tính cho vòng bi

① Tính công suất truyền động từ mô-men xoắn (tính bổ sung) W[kW] = (0.1047 × N × T1) / 1000

② Tải trọng tác động lên đĩa xích hoặc puli Kt[N] = (19.1 × (10⁶ × H)) / (Dp × Ns)

③ Tải trọng có tính đến lực căng ban đầu (Initial tension) Kr(F1)[N] = fb × Kt

④ Tải trọng hướng tâm tác động lên ổ trục A FrA[N] = (((a + b) / b) × F1) + ((d / (c + d)) × F2)

⑤ Tải trọng hướng tâm tác động lên ổ trục B FrB[N] = -((a / b) × F1) + ((c / (c + d)) × F2)

3. Tải về file tính toán

Tải về bảng tính Excel cho công thức tính tải trọng này.

Công thức này giả định điều gì

Một dãy công thức chạy ra số rất nhanh, nên chỗ dễ sai không nằm ở phép tính mà ở giả định. Trước khi dùng kết quả để chọn vòng bi, kiểm lại năm điểm sau.

Giả định trong công thức	Nếu thực tế khác thì sao
Chỉ tính tải hướng tâm	Bánh răng nghiêng, đai chữ V lệch, hoặc lực do lệch trục sinh thêm tải dọc trục — phải tính riêng
Lực nằm trong cùng một mặt phẳng	Nếu xích và puli kéo theo hai hướng khác nhau, phải phân tích theo từng mặt phẳng rồi cộng vector
Dp là đường kính vòng chia	Lấy nhầm đường kính ngoài của đĩa xích/puli làm kết quả nhỏ hơn thực tế
H là công suất truyền thật khi vận hành	Lấy công suất ghi trên nhãn động cơ cho ra tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy mức tải thực
f<sub>b</sub> là hệ số lực căng ban đầu theo loại truyền động	Xích, đai chữ V và đai răng có hệ số khác nhau; dùng chung một giá trị là sai ngay từ đầu

Ngoài ra, kết quả FrA và FrB là tải tại một thời điểm vận hành ổn định. Mô-men khởi động, mô-men khi kẹt và tải va đập không nằm trong công thức; chúng phải được xét riêng khi kiểm bền tĩnh cho vòng bi.

Ba chỗ hay tính sai

Dấu âm trong công thức FrB. Dấu âm chỉ chiều của lực so với chiều đã giả định trên hình,

không phải "tải âm". Khi chọn vòng bi, dùng độ lớn; khi tính trục, giữ đúng dấu để cộng đúng.

Nhầm tải vòng bi với tuổi thọ vòng bi. Kt và Fr chỉ là tải tác dụng. Tuổi thọ L10 là một

phép tính khác, dùng tải động cơ bản C của chính vòng bi đã chọn.

Bỏ qua khoảng cách a, b, c, d thay đổi theo bản vẽ. Cùng một truyền động, chỉ dời puli ra

xa gối đỡ vài chục milimét là tải lên một ổ tăng lên rõ rệt. Đây là chỗ người thiết kế còn thay đổi được, khác với công suất và tốc độ vốn do quy trình quyết định.

Dữ liệu đầu vào nên chuẩn bị trước khi tính

Trước khi tính tải lên vòng bi hoặc ổ trục, nên gom đủ các thông tin sau:

Công suất, tốc độ quay và mô-men xoắn thực tế.
Đường kính puli, đĩa xích hoặc bánh răng.
Khoảng cách từ điểm tác dụng lực đến từng gối đỡ.
Hướng lực tác dụng: lực căng dây đai, lực xích, tải trọng hướng tâm hoặc tải dọc trục.
Điều kiện vận hành: tải va đập, chạy liên tục, đảo chiều, môi trường bụi/nhiệt/ẩm.
Tuổi thọ yêu cầu và hệ số an toàn nội bộ của khách hàng hoặc nhà máy.

Nếu thiếu các dữ liệu này, kết quả tính toán có thể vẫn ra con số, nhưng không đủ tin cậy để chọn bearing hoặc đánh giá thiết kế.

Câu hỏi thường gặp

Nên lấy mô-men vận hành thật hay công suất ghi trên nhãn động cơ?

Lấy mô-men vận hành thật rồi quy đổi sang kW, như bài viết đã làm. Động cơ thường được chọn dư, nên công suất ghi trên nhãn chỉ cho biết khả năng của động cơ, không cho biết truyền động đang truyền bao nhiêu. Nếu chưa đo được, dùng giá trị tính từ tải cơ khí và ghi rõ đó là giả định.

Hệ số lực căng ban đầu lấy ở đâu?

Từ catalogue của loại truyền động đang dùng, theo đúng kiểu xích hoặc kiểu đai. Đây là giá trị do nhà sản xuất công bố dựa trên cách căng của loại đó; không suy ra từ một loại khác và không đặt theo cảm tính.

Kết quả tính ra tải nhỏ, có cần vòng bi lớn hơn không?

Tải nhỏ không đồng nghĩa với chọn vòng bi nhỏ nhất. Đường kính trục, cách lắp, khả năng chịu lệch, điều kiện bôi trơn và tuổi thọ yêu cầu đều tham gia vào lựa chọn. Tải tính được là điều kiện đầu vào, không phải kết luận.

Nếu truyền động có hai puli trên cùng một trục thì tính thế nào?

Tính lực của từng puli riêng, rồi cộng tác dụng của chúng lên hai gối đỡ theo đúng vị trí trên trục. Công thức FrA và FrB trong bài đã có sẵn dạng cộng hai lực F1 và F2; mở rộng thêm lực thứ ba đi theo cùng nguyên tắc cân bằng mô-men quanh mỗi gối.

Lưu ý khi áp dụng vào thiết kế thực tế

Trong nhiều trường hợp, lỗi bearing không đến từ việc chọn sai mã ngay từ đầu, mà đến từ việc đánh giá thiếu điều kiện vận hành. Ví dụ: lực căng dây đai ban đầu quá lớn, lệch tâm khi lắp, độ cứng khung đỡ không đủ, hoặc bụi/dầu làm giảm tuổi thọ thực tế.

Vì vậy, sau khi tính tải, nên kiểm tra thêm:

Bearing có đủ tải động và tải tĩnh không?
Trục có bị võng quá mức làm lệch tâm bearing không?
Gối đỡ có đủ độ cứng không?
Có biện pháp chống bụi, chống nước hoặc bôi trơn phù hợp không?
Khi bảo trì, người vận hành có thể thay thế mà không làm sai alignment không?

Tính toán chỉ là bước đầu. Thiết kế tốt cần kết hợp tính toán, điều kiện lắp ráp và điều kiện vận hành thực tế.

Ghi chú trao đổi

MINATA chia sẻ các ghi chú này như tài liệu tham khảo từ góc nhìn kỹ thuật thực tế. Nếu có điểm nào cần trao đổi thêm về bản vẽ, tiêu chuẩn, điều kiện đặt hàng hoặc cách hiểu giữa tiếng Nhật - tiếng Việt, bạn có thể liên hệ để cùng rà soát.

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA