Phân bố tải trọng
trong bộ truyền bánh đai răng

TS. Trần vĩnh hng
Bộ môn Thiết kế máy
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Trong bộ truyền động bánh đai răng, dây đai răng đợc chế tạo hng loạt theo
tiêu chuẩn. Muốn tăng độ bền của bộ truyền động phải biết đợc nguyên nhân phá hỏng do
các lực gây ra. Mục đích của bi báo ny l phân tích các lực tác động lên bộ truyền động bánh
đai răng.
Summary: In a gear-belt transmission unit, the gear-belts are manufactured as per
standards. To increase the strength of the transmission, the cause of damage done by the
forces has to be known. The article aims at analizing the forces affecting the gear-belt
transmission unit.
i. Mở đầu
Bộ truyền bánh đai răng là bộ truyền
chuyển động và mômen giữa các trục nhờ ăn
khớp giữa các răng và đợc ứng dụng rất rộng
rãi [1]. Để giải quyết những yêu cầu kỹ thuật
khác nhau ngời ta dùng bộ truyền bánh đai
răng với nhiều loại biên dạng răng khác nhau
[2]. Xác định các kích thớc hình học của bộ
truyền đai răng (thích hợp với một dạng tải
trọng nào đó) cho đến nay các nhà sản xuất
dây đai răng vẫn cha đa ra đợc sự tính
toán tối u về kích thớc hình học phù hợp với
điều kiện thực tế. Ví dụ nh theo [3] đến [5],
các yếu tố ảnh hởng đến kích thớc hình học
của bộ truyền động vẫn cha đợc quan tâm

20 40 60 80 N 100
20
40
60
80
100
N
120
F
F
WLkd
Lkd
F
s
F

=

7
5
N
u
F
Lkb
F
v

Hình 1. Lực ở các nhánh dẫn phụ thuộc vo lực
căng ban đầu
(F

F
Vsg
vì dây đai bị dãn dài do tác động của lực
căng. Lực căng suy giảm F
Vsg
tơng ứng với
giá trị (F
V
- F
U
), vì có ảnh hởng của các lực ly
tâm, dao động của các nhánh đai, lực ma sát
do trợt trong quá trình ăn khớp và sự phân
chia tải trọng trên góc ôm của dây đai và bánh
đai nên có trị số:
F
Vsg
> F
V
- F
U
(2)
F
Vsg
đợc xác định từ mối quan hệ với lực
kéo ở nhánh bị dẫn:
F
Lkb
=
2

F
F
cđ
Lkb
F
Lkb
F
R
7
6
5
2
F
zi
zi+1
Bánh bị dẫn
n
Lkd
F
R
F
F
4
3

F
si+1
F
zi+1
,

của lực trục; F
Ri
lực ma sát; F
si
lực trên lõi kéo)
Theo (hình 2) lực vòng có giá trị:
F
U
= F
zi
+ F

Ri

- Lực dao động theo phơng ngang và dọc
trong các nhánh đai
Do cung ôm của dây đai răng trên bánh
răng là không tròn, gãy góc (hiệu ứng đa giác)
tạo ra bán kính vòng chia thay đổi đặc biệt đối
với bánh đai nhỏ có số răng ít. Khi bộ truyền
chuyển động có vận tốc lớn sẽ phát sinh ra
lực dao động theo phơng ngang và dọc trong
các nhánh đai. Các lực này là một trong các
thành phần tham gia thêm làm thay đổi sức
căng trong nhánh dẫn và nhánh bị dẫn của bộ
truyền động đai răng. Ngoài nguyên nhân trên
tạo ra sự dao động trong bộ truyền động còn
có những nguyên nhân khác nh độ lệch tâm
của bánh đai răng, ăn khớp không đúng hoặc
sự thay đổi thờng xuyên của lực vòng.

lực ép giữa khe răng của dây đai và đỉnh răng
của bánh đai. Tác dụng của quán tính đợc
minh hoạ ở (Hình 3). Trên một phần của dây
đai răng trong góc ôm của bánh đai răng sẽ
sinh ra lực quán tính F
F
, giá trị của nó sẽ đợc
xác định qua thành phần suy giảm của lực tác
dụng lên trục quay của bộ truyền động F
A

.
Hai lực trên gây ra phản lực trong thành phần
lực kéo của lõi dây đai răng.
F
S1
= F
S2.
Trong khi F
A


hớng về khe răng của dây
đai nh là một lực nén và qua đó lớp giữa khe
răng và lõi chịu kéo của dây đai biến dạng, F
F

tác dụng nh một lực kéo để làm tăng lên biến
dạng đó và cuối cùng nâng dây đai ra khỏi
bánh đai. Do có lực ly tâm của dây đai nằm

trợt lên nhau trong quá trình vào khớp, ra
khớp nên xuất hiện lực ma sát (hình 4). Khi ăn
khớp khe răng của dây đai sẽ nằm không
đúng trên bề mặt đỉnh răng của bánh đai.
Trên thức tế luôn luôn diễn ra quá trình ăn
khớp trợt với một tải trọng trên hai bề mặt
sờn răng của dây đai. Sự trợt của răng dây
đai lên sờn răng của bánh đai sẽ làm cho lực
trong nhánh đai tăng lên một giá trị nào đó để
thắng lực ma sát, lấy đà cho sự ăn khớp các
răng của dây đai và bánh đai trong quá trình
chuyển động. Một sự tăng tốc của dây đai sẽ
đồng nghĩa với việc tăng thêm lực kéo và qua

đó lực trong nhánh đai tăng lên.
F
F
F
F
s1
Lkd
R1
zi
n
cđ

Hình 4. Lực ma sát khi ăn khớp không đúng của
nhánh dẫn
(n
cđ

lại bớc của bánh đai răng khác với bớc của
dây đai răng sẽ có ảnh hởng đến độ lớn của
tải trọng. Biến dạng dài của lõi chịu kéo và
biến dạng của lớp vật liệu đàn hồi giữa lõi chịu
kéo và khe răng sẽ làm tăng bớc của dây đai
trên đờng chân răng. Do không thể tránh
khỏi những biến dạng trên cung ôm bánh đai,
theo đó là sự thay đổi bớc răng trên cung
ôm, vì vậy cho dù bớc răng của dây đai và
bánh đai bằng nhau khi việc chế tạo dây đai,
bánh đai có độ chính xác cao cũng không còn
ý nghĩa. Phải để ý đến sự phù hợp bớc răng
của bánh đai đến độ lớn trung bình tăng lên
của bớc răng dây đai, sao cho sai lệch bớc
răng của dây đai và bánh đai là nhỏ nhất. Sự
phân bố tải trọng không đều trên các răng ăn
khớp có ảnh hởng đến sự ăn khớp của dây
đai và bánh đai răng. Nếu nh bớc răng của
dây đai nhỏ hơn bớc răng tơng ứng của
bánh đai ở vị trí bắt đầu vào khớp trên bánh
dẫn thì lực tác dụng lên răng ở vị trí ra khớp
của bánh bị dẫn sẽ lớn hơn. Một sai lệch bớc
răng nào đó sẽ tăng cờng sự phá hỏng quá
trình vào khớp, ra khớp trên nhánh dẫn, nhng
lại có lợi cho sự vào khớp trên nhánh bị dẫn.
Nếu nh bớc răng của dây đai lớn hơn bớc
răng của bánh đai sẽ giảm bớt sự phá hỏng
quá trình vào khớp ra khớp trên nhánh dẫn,
nhng lại có hại cho sự vào khớp trên nhánh
bị dẫn. Cho nên một sự sai lệch nào đó nên

Tải trọng sờn răng
sờn răng
không chịu tải
biến dạng răng

b)
Khoảng chuyển vị
dạng răng
ban đầu
biến dạng răng
sờn răng
không chịu tải
Tải trọng sờn răng

Hình 5. ảnh hởng của tải trọng chân răng đến
biến dạng v phân bố tải trọng trên sờn răng
a. ứng suất phân bố đều khi góc nghiêng khác
nhau
b. ứng suất phân bố không đều khi góc
nghiêng bằng nhau
v. Đại lợng đặc trng tải trọng
của bộ truyền động đai răng
Với những phân tích ở trên ta có thể đa
ra những nguyên nhân sơ bộ ảnh hởng lực
cơ học và quá trình ăn khớp không đúng đến
sự phá hỏng trong bộ truyền động đai răng,
cũng nh sự phát sinh tải trọng trên trục, trên
ổ lăn.
- Tải trọng trên dây đai
Khi vào khớp trên bánh đai dẫn, răng đai

dẫn tạo ra ứng suất thay đổi trên mặt cắt
ngang của dây đai. Nếu ứng suất trên mặt cắt
ngang của dây đai vợt quá giới hạn cho phép
và những vị trí ứng suất vợt quá giới hạn sẽ
làm đứt dần các sợi trong lõi chịu kéo, cuối
cùng làm đứt dây đai răng. Dây đai răng chịu
đợc một tải trọng cho phép nào đó gọi là sức
bền kéo đứt của dây đai.
Mài mòn xuất hiện ở sờn răng do quá
trình vào khớp, ra khớp, xuất hiện ở khe răng
do trợt tơng đối giữa khe răng và đỉnh răng,
xuất hiện ở mép dây đai do ma sát với đĩa
chắn dây đai của bánh đai.
Mài mòn có thể làm cho độ bền răng của
dây đai giảm do thay đổi thể tích và hình dáng
hình học của răng đai, cũng nh làm cho bớc
răng của dây đai trên bán kính vòng chia của
bánh đai tăng lên do độ dày của lớp giữa khe
răng và lõi chịu kéo giảm, qua đó sự phân
chia tải trọng bị thay đổi. Độ bền xác định qua
tải trọng mài mòn cho phép gọi là độ bền mài
mòn của dây đai răng.
- Tải trọng trên bánh đai
Ngợc với độ bền dây đai, độ bền răng
bánh đai tốt hơn do bánh đai đợc sử dụng
vật liệu kim loại có độ bền cao với biên dạng
răng hình thang tiêu chuẩn. Khi sử dụng dây
đai có bề rộng lớn, để đảm bảo lực tác dụng
đều lên răng bánh đai thì việc chế tạo phải
đảm bảo bớc răng và chiều cao răng phải

trọng trong truyền động đai răng thông qua
các lực căng đai ban đầu, lực vòng, lực ly tâm,
lực dao động ngang, dọc trên nhánh đai, lực
ma sát. Các yếu tố đó là nguyên nhân cơ bản
gây nên sự phá hỏng quá trình ăn khớp của
truyền động đai răng. Từ những phân tích về
sự tơng quan của các lực và ảnh hởng của
nó đến quá trình phá huỷ sự ăn khớp, chúng
ta có thể điều chỉnh đợc các trị số tải trọng
trong truyền động đai răng để giảm các khả
năng phá hỏng, kéo dài thời gian sử dụng của
bộ truyền động đai răng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Krause, W; Metzner,D. Eigenschafften von
Zahnriemengetrieben.
[2]. Metzner, D. Entwicklungsstand bei Zahn-
riemengetrieben.
[3]. Firmenschrift ZahnriemenKatolog Gummiwerk
Zubri.
[4]. Frmenschrift Power Grip Berechnungs-
unterlagen fiir Zahnriemen. Firma Uniroyal.
[5]. Firmen Schrift Power Grip HTD - Antriebe.
Firma Uniroyal.
[6]. TS. An Hiệp; TS. Trần Vĩnh Hng. Phần mềm
chuyên dụng thiết kế cơ khí, AutoCAD Mechanical
2002 Power Pack. Trang 213. Nhà xuất bản Giao
thông vận tải, Hà nội 2003.
[7]. Metzner, D. Scheibengeometrie und Ver-
schleiverhalten von Zahnriemengetrieben