ẢNH HƯỞNG của vận tốc TIẾP TUYẾN và ỨNG SUẤT TIẾP xúc đến độ mòn của bộ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH THẤM CARBON

ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC TIẾP TUYẾN VÀ ỨNG SUẤT TIẾP XÚC ĐẾN ĐỘ MÒN CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH THẤM CARBON EFFECT OF TANGENTIAL VELOCITY AND CONTACTUALLY STRESS TO THE WEAR OF THE P

ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC TIẾP TUYẾN VÀ ỨNG SUẤT TIẾP XÚC ĐẾN

ĐỘ MÒN CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH THẤM CARBON

EFFECT OF TANGENTIAL VELOCITY AND CONTACTUALLY STRESS TO THE WEAR OF THE PLASMA CARBURIZING PLANETARY GEAR TRANSMISSION

Phạm Văn Đông

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

phamvandong07@gmail.com

TÓM TẮT

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc tiếp tuyến và ứng suất tiếp xúc đến độ mòn bề mặt răng của bộ truyền bánh răng hành tinh sau khi thấm carbon Các mẫu thử nghiệm sau khi được xử lý bề mặt bằng phương pháp thấm carbon sẽ được tôi, mài nghiền

và chạy chịu tải Độ mòn bề mặt răng được xác định bằng cách xác định sự thay đổi chiều dài dây cung, chiều dài pháp tuyến chung Kết quả nghiên cứu đưa ra các số liệu đánh giá chất lượng độ bền mòn của các mẫu thí nghiệm với các chế độ tải khác nhau Từ những kết quả nghiên cứu cho phép lựa chọn giải pháp công nghệ tối ưu để thiết kế quy trình công nghệ chế tạo bộ truyền bánh răng hành tinh

Từ khóa: đánh giá độ mòn, bánh răng hành tinh, mòn bề mặt răng

ABTRACT

This paper presents the researching results of the effect of tangent velocity and contact stress to the wear of the driver of carbonized differential pinions All sample gear models after surface treatment by using plasma carburizing method will be tempered, ground and run in The wearing surface of gears is determined by the way that is derermined the change of chord’s length The researching results bring out data to evaluate the quality, wearing endurance of the sample gear models in different working regulations From the searching results, it enables to select optimal technological solution to design manufactured technological process of the driver of carbonized differential pinions

Keyworks: evalution of wear, differential pinion, wearing grear’s surface

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình bánh răng ăn khớp, các bề mặt tiếp xúc sẽ trượt tương đối với nhau, dẫn đến sự cắt và bẻ gãy những chỗ nhấp nhô và tạo thành những nhấp nhô mới, làm nhẵn dần bề mặt ma sát Sự tương tác của bề mặt ma sát, làm thay đổi khối lượng, kích thước và hình dáng của bề mặt răng, làm mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt do biến dạng, mất liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa tạo ra vùng vật liệu mới [4,6]

Trong các máy móc thiết bị có sử dụng bộ truyền bánh răng hành tinh như các máy công trình thường làm việc trong điều kiện tải trọng không ổn định, nên các bánh răng thường xảy ra các hư hỏng như gãy mẻ răng, mòn răng,… Nâng cao chất lượng độ bền mòn cho bánh răng bằng phương pháp thấm carbon là một phương pháp có ý nghĩa, mang lại hiệu quả kinh

tế, tăng tuổi thọ các chi tiết máy và không làm ô nhiễm môi trường [4] Để kiểm tra đánh giá

độ mòn của bánh răng hành tinh chế tạo bằng vật liệu thép hợp kim có tỷ lệ thành phần carbon thấp 18ХГT, xử lý bề mặt bằng phương pháp thấm carbon, tác giả đã đưa ra phương pháp đánh giá độ mòn bề mặt răng bằng cách xác định sự thay đổi chiều dài dây cung, chiều dài pháp tuyến chung

2 THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu và thiết bị thí nghiệm

2.1.1 Vật liệu và mẫu thí nghiệm

Nghiên cứu thực hiện trên 12 mẫu bánh răng chưa qua sử dụng với vật liệu là thép hợp kim 18XΓT (ΓΟCT 14959-79), số lượng và thông số mẫu thí nghiệm thể hiện trong Bảng 1, bản vẽ bánh răng thí nghiệm thể hiện ở Hình 1

Bảng 1 Số lượng và thông số chế tạo bánh răng

Số lượng mẫu Thông số chế tạo bánh răng mẫu

12 1 51 51 53 48,5 24 0o 20o

Hình 1 Bánh răng thí nghiệm

2.1 2 Trang thiết bị thí nghiệm

Trong qua trình làm thí nghiệm, tác giả đã sử dụng một số trang thiết bị chính phục vụ quá trình kiểm tra, đánh giá như sau:

Hình 2 Hệ thống thử mòn Hình 3 Panme đo chiều dài pháp tuyến chung

- Hệ thống thử mòn: Hình 2

- Panme điện tử đo chiều dài pháp tuyến chung No 323-250: Hình 3

2.2 Phương pháp thí nghiệm

Nghiên cứu thực hiện trên 12 mẫu bánh răng chưa qua sử dụng Sau khi các mẫu bánh răng được xác định mác thép bằng phương pháp quang phổ; xử lý bề mặt bằng phương pháp thấm carbon và tôi, kiểm tra, đánh giá độ cứng; mài nghiền, kiểm tra độ nhám và các thông số hình học; sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xác định phương trình hồi quy, thông số thí nghiệm và chạy thực nghiệm Đo, kiểm tra và đánh giá độ mòn của bánh răng; xây dựng công thức xác định lượng mòn theo ứng xuất tiếp xúc và vận tốc tiếp tuyến đối với mẫu thử nghiệm

2.3 Xác định các thông số

2.3.1 Xác định số răng trong khoảng pháp tuyến chung

Số răng Z’ của bánh răng trong khoảng pháp tuyến chung được tính như sau [1]:

⇒

= +













−

−

⋅

cos

b

Z

xtg tg

Z

β

α

Trong đó: + α : Góc ăn khớp do dịch chỉnh răng; x

+ β : Góc nghiêng của răng trên hình trụ cơ sở; b + α : Góc profin răng; t

+ Giá trị invαt =tgα −α =0,014904

2.3.2 Tính chiều dài pháp tuyến chung

Chiều dài pháp tuyến chung khi thiết kế (Ltk) được xác định [1] như sau:

Ltk = [0,684.x + 2,9521.(Z’– 0,5) + 0,014.Z].m = 16,9506 mm (2)

Sơ đồ đo chiều dài pháp tuyến chung thể hiện trên Hình 4

Hình 4 Sơ đồ đo chiều dài pháp tuyến chung 2.4 Cơ sở đánh giá số liệu thực nghiệm

2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm mòn

Sơ đồ hệ thống thử mòn [3] thể hiện trên Hình 5

Q F

Z3

dms = 100

1

2

QF

Dd2 = 120

Dd1 = 60

Hình 5 Sơ đồ hệ thống thử mòn

1 - Động cơ 4 - Giá đỡ (cần hay thanh dẫn)

2 - Đai 5 - Bánh ma sát

3 - Pu ly 6 - Má phanh

Nguyên lý hoạt động [1,2]: Từ động cơ chính (1) truyền chuyển động quay thông qua

bộ truyền đai làm bu ly (3) mang trục I quay và bánh răng Z1 quay với vận tốc nv; bánh răng

Z1quay truyền chuyển động làm bánh răng hành tinh Z2quay, bánh răng Z2ăn khớp với bánh răng cố định Z3sẽ làm giá đỡ (4) quay và trục O quay với tốc độ nr Ta có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số ở bộ biến tần Khi thay đổi tải trọng ta thay đổi giá trị lực

QFbằng cách tác động lên hệ thống phanh (6), dưới tác động của tải trọng và vận tốc trượt bánh răng thí nghiệm Z2sẽ bị mòn [6]

2.4.2 Chọn dạng phương trình hồi quy

Để nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng mòn của mẫu thử với ứng suất tiếp xúc σH(MPa)

và vận tốc tiếp tuyến V(m/s) tác giả áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box – Wilson [7] với phương trình tổng quát như sau:

∑

∑

=

=

− +

+ +















 +

j

j ij k

j i ij j

j k

j

a a

y

1

2 1

1

2.4.3 Số thí nghiệm và thông số thí nghiệm

* Số lượng thí nghiệm:

Số thí nghiệm được xác định theo công thức:

Trong đó: k là biến đầu vào

Mối tương quan giữa các thông số thí nghiệm mô tả theo sơ đồ Hình 6

Các biến đầu vào điều khiển được:

x1 : vận tốc tiếp tuyến V (m/s);

x2 : ứng suất tiếp xúc σH (MPa)

Biến đầu ra bị điều khiển:

y : hàm lượng mòn của mẫu

Biến không điều khiển được:

ξ : biến ngẫu nhiên

Với biến đầu vào k = 2, ta có số thí nghiệm N = 22 = 4, mỗi thực nghiệm gồm 3 bánh răng hành tinh nên số mẫu thí nghiệm là: 4 x 3 = 12

Hình 6 Sơ đồ mối tương quan của hệ thống thí nghiệm

* Thông số thí nghiệm:

- Vận tốc tiếp tuyến: 1,5(m/s) ≤ V ≤ 2,2 (m/s)

- Ứng suất tiếp xúc: 200MPa ≤ σH ≤ 600 MPa

x1

x2

ξ

y

- Đại lượng mục tiêu: lượng mòn U (mm) xác định thông qua chiều dài pháp tuyến chung

- Thời gian chạy thử nghiệm: 700 giờ

- Chế độ bôi trơn: bôi trơn bằng dầu công nghiệp 45

2.4.4 Trình tự tiến hành thực nghiệm

Sau khi các mẫu bánh răng thấm carbon, tôi, kiểm tra độ cứng, độ cong vênh, mài nghiền, kiểm tra các thông số bánh răng, chiều dài pháp tuyến chung (mỗi mẫu đo ở ba vị trí bất kỳ rồi chia trung bình) Sau đó lắp bánh răng vào hộp giảm tốc cho chạy chịu tải trọng Cho hệ thống hoạt động, điều chỉnh để ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến đạt giá trị yêu cầu và tính thời gian chạy chịu tải của bánh răng Sau thời gian 100h, 200h, 300h, 500h, 700h ta đo chiều dài pháp tuyến chung Sau khi xác định chiều dài pháp tuyến chung tại mỗi thời điểm đo (Lđm), tiến hành so sánh với chiều dài pháp tuyến chung sau khi mài nghiền (Lsm) để xác định lượng mòn (U) Lượng mòn xác định như sau:

Trong đó:

U - Lượng mòn (mm);

Lđm - Chiều dài pháp tuyến chung tại mỗi thời điểm đo sau thời gian chạy chịu tải (mm);

Lsm - Chiều dài pháp tuyến chung của bánh răng sau khi mài nghiền (mm)

Sau khi xác định lượng mòn, sử dụng phần mềm Matlab, Excel để xây dựng chương trình, xác định hàm hồi quy; vẽ đồ thị thể hiện quan hệ lượng mòn U với ứng suất tiếp xúc σH

và vận tốc tiếp tuyến V

3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1 Kết quả xác định lượng mòn sau khi chạy chịu tải

Sau thời gian 700 giờ, bánh răng chạy chịu tải với các chế độ chịu tải khác nhau, tiến hành đo, kiểm tra và xác định độ mòn; độ mòn các bánh răng được thể hiện trong Bảng 2

Bảng 2 Tổng hợp lượng mòn của các mẫu thí nghiệm

Nhóm σH (MPa) V

(m/s)

Lượng mòn U (mm)

U tb (mm)

Mẫu

số U Mẫu số U Mẫu số U

1 200 1,5 1 0,050 2 0,048 3 0,049 0,049

2 600 1,5 4 0,086 5 0,085 6 0,086 0,086

3 200 2,2 7 0,127 8 0,129 9 0,129 0,128

4 600 2,2 10 0,205 11 0,206 12 0,204 0,205 Sau khi lượng mòn được xác định, xây dựng đồ thị lượng mòn theo thời gian Đồ thị đường cong mài mòn thể hiện tại Hình 7

Hình 7 Đồ thị đường cong mài mòn của mẫu thí nghiệm Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm cho thấy: khi tăng vận tốc tiếp tuyến hay tăng ứng suất tiếp

quả nghiên cứu lý thuyết

3.2 Xác định phương trình hồi quy thực nghiệm

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định phương trình hồi quy thực nghiệm Phương trình có dạng:

y = a0 + a1x1 + a2x2 (6) Trên cơ sở kết quả xác định lượng mòn của các mẫu thể hiện trong Bảng 2, ta xây dựng

ma trận thực nghiệm thể hiện trong Bảng 3

Bảng 3 Ma trận quy hoạch thực nghiệm Nhóm mẫu Ký hiệu mẫu Biến mã hoá σH (MPa) v(m/s) U tb (mm)

1 1,2,3 -1 -1 200 1,5 0,049

2 4,5,6 +1 -1 600 1,5 0,086

3 7,8,9 -1 +1 200 2,2 0,128

4 10,11,12 +1 +1 600 2,2 0,205

Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất [7], ứng dụng phần mềm Excel để tính toán ta được giá trị các hệ số như sau:

a0 = - 6,45333; a1= 0,47037; a2= 2,38762

Thay các giá trị a0, a1, a2 vào phương trình (6) ta được phương trình hồi quy thực nghiệm:

y = - 6,45333 + 0,47037 x1 + 2,38762 x2 (7)

Sử dụng phần mềm toán học, ta xây dựng phương trình hồi quy dạng hàm lũy thừa như sau:

U = 0,00158 σH 0,47037 v2,38762 (8)

4 KẾT LUẬN

Bánh răng hành tinh chế tạo bởi vật liệu 18XГT thấm carbon sau 700 giờ chạy chịu tải với tải trọng σH = 200 MPa và V = 1,5 m/s, lượng mòn trung bình của nhóm bánh răng là 0,049 mm; khi σH = 600 MPa, V = 1,5m/s, lượng mòn trung bình của nhóm bánh răng là 0,086 mm; khi σH = 200 MPa, V = 2,2 m/s, lượng mòn trung bình của nhóm bánh răng là 0,128 mm; khi

σH = 600 MPa, V = 2,2 m/s, lượng mòn trung bình của nhóm bánh răng là 0,205 mm

Mối quan hệ giữa độ mòn với vận tốc tiếp tuyến và ứng suất tiếp xúc của bộ truyền bánh răng hành tinh thấm carbon được xác định bởi công thức:

U = 0,00158 σH 0,47037 v2,38762 Lượng mòn của các mẫu bánh răng hành tinh tỷ lệ thuận với ứng suất tiếp xúc và vận tốc tiếp tuyến; vận tốc tiếp tuyến ảnh hưởng nhiều hơn đến độ mòn của bộ truyền bánh răng hành tinh thấm carbon so với ứng suất tiếp xúc

Thấm carbon là phương pháp có ưu điểm nổi bật về tính chống mài mòn, độ cứng bề mặt cao, chiều sâu lớp thấm lớn giúp nâng cao chất lượng bề mặt cho bộ truyền bánh răng hành tinh Kết quả nghiên cứu cho phép vận dụng tính toán, thiết kế, chế tạo bộ truyền bánh răng hành tinh để nâng cao chất lượng bộ truyền bánh răng trong điều kiện của Việt Nam

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2010), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục

[2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (2003), Thiết kế chi tiết máy, NXB Giáo dục

[3] Phạm Văn Đông, Trần Đức Quý, Trần Vệ Quốc (2013), Đánh giá độ mòn bề mặt của bộ truyền bánh răng thấm nitơ plasma, Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc

về Cơ khí lần thứ III, NXB Khoa học và Kỹ thuật

[4] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thêm (1990), Kỹ thuật ma sát và biện pháp nâng cao tuổi thọ thiết bị, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[5] Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm (2003), Nguyên lý máy, NXB Giáo dục

[6] Nguyễn Doãn Ý (2007), Ma sát mòn - bôi trơn, NXB Khoa học và Kỹ thuật

[7] Nguyễn Doãn Ý (2008), Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật

[8] Faydor L Litvin and Alfonso Fuentes (2004), Gear Geometry and Applied Theory,

Cambridge University Press

[9] Handbook: Vol.1.AGMA gear; Wash: American Gear Manufacturers Associaion

[10] Geoge E Totten, Ph.D (2006), Fasm Steel heat treatment Metallurgy and technology,

ASM Handbook Vol 4 Heat treating

[11] В М Зинченко (2001), Инженерия поверхности зубчатых колес методами химко-термической обработки, Москва Издательство МГТУ имю Н Э Баумана

[12] В М Благодарный (1980), Уcкоренные ресурсные испытания приборных зубчатых приводов, Москва “Машиностроение”

[13] В Н Кудряцев (1986), Планетарные передачи, Издательство машиностроение, Москва

[14] Http://www.bodycote.com; Http://www.solaratm.com; Http://www.elsevier.com

THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ

TS Phạm Văn Đông - Phòng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà

Nội, Quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội; Email: phamvandong07@gmail.com; ĐT: 0967051166