Nghiên cứu giải pháp tổng thể nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng trụ

Các loại bánh răng chất lượng cao thì chỉ có các cơ sở chuyên môn hóa mới thực hiện được vì các cơ sở này được trang bị các trang thiết bị tốt nhất và đồng bộ trong việc chế tạo bánh răn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nội dung bản luận văn 7

Phần I: HỆ THỐNG HÓA CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BỘ TRUYỀN

ĐỘNG BÁNH RĂNG TRỤ

9

CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI, ĐẶC ĐIỂM, GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT

1.4 Phạm vi sử dụng của truyền động bánh răng trụ 11

1.5 Lý luận chung về các biện pháp nâng cao tuổi bền của bánh răng 13

1.5.1 Những vấn đề chủ yếu 14

1.5.2 Các biện pháp kết cấu khi thiết kế 14

1.5.3 Các biện pháp công nghệ 16

1.5.4 Các biện pháp sử dụng 22

1.7 Sơ đồ nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của bộ truyền động bánh răng

và giải pháp tổng thể nâng cao chất lượng bộ truyền động bánh răng 29

2.1.1 Khái niệm 31

2.1.2 Định lý cơ bản về ăn khớp bánh răng 32

2.2 Các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng trụ thân khai 40

2.2.3 Hiện tượng cắt chân răng, số răng tối thiểu và hệ số dịch dao tối thiểu 46

2.3 Hiện tượng biến dạng 48

2.3.1 Hệ số trượt 48 2.3.2 Đường cong trượt 52

2.3.3 Nội dung và mục đích của việc cân bằng hệ số trượt 53

2.4.2 Những thông số hình học 58

CHƯƠNG III: DUNG SAI TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG VÀ THIẾT BỊ

3.1 Các yêu cầu kỹ thuật của truyền động bánh răng 60

3.2.2 Sai số hướng tiếp tuyến 64

3.2.3 Sai số hướng trục 65 3.2.4 Sai số prôfin lưỡi cắt của dụng cụ 65

3.3 Đánh gía mức chính xác của truyền động bánh răng 66

3.3.1 Đánh gía mức chính xác động học 66

3.3.5 Bộ thông số đánh gía mức chính xác chế tạo bánh răng 69

3.4 Tiêu chuẩn dung sai và cấp chính xác của bánh răng và truyền động

3.4.2 Chọn cấp chính xác cho truyền động bánh răng 71

3.4.3 Dạng đối tiếp mặt răng và dung sai độ hở mặt bên của răng 73

3.4.4 Ghi ký hiệu cấp chính xác và dạng đối tiếp trên bản vẽ 73

3.5 Các phương pháp và dụng cụ đo các thông số của bánh răng và

3.5.1 Thiết bị kiểm tra sai số động học Fir và đồng thời kiểm tra sai số chu kỳ f 74

3.5.6 Đo độ dao động khoảng cách trục đo và sai lệch giới hạn 76

3.5.7 Đo sai số bước cơ sở 77

3.5.9 Kiểm tra prôfin răng 78

Phần II: CÁC GIẢI PHÁP THỰC TẾ ĐỂ NÂNG CAO TUỔI BỀN VÀ

4.4.4 Tính theo sức bền tiếp xúc 107

4.5.1 Các thông số hình học chủ yếu 108

4.5.2 Lực tác dụng 109 4.5.3 Tính theo sức bền uốn 109

5.1.1 Đặc điểm và phân loại hóa nhiệt luyện 112

5.1.2 Nguyên lý cơ bản hóa nhiệt luyện 112

5.2.4 Tổ chức lớp thấm cácbon và nhiệt luyện sau khi thấm 120

5.2.6 Các khuyết tật thường thấy của chi tiết thấm cácbon và phương pháp đề

5.3.1 Qúa trình hóa học thấm nitơ 123

5.3.2 Qúa trình công nghệ thấm nitơ 124

5.3.3 Công nghệ thấm nitơ tăng bền 125

5.4.4 Kiểm tra các chi tiết thấm xianua và các khuyết tật thường thấy 132

5.5 Công nghệ thấm cácbon và thấm nitơ bánh răng nhiệt độ cao 132

5.5.1 Những vấn đề chung của qúa trình thấm cácbon và Nitơ 132

= 30.000N)

fi”r Độ dao động khoảng cách tâm đo sau một

răng

ftr Sai số prôfin răng

ftr Sai số bước răng

Fkr Sai số hình dạng và vị trí của đường tiếp xúc

fpbr Sai lệch bước cơ sở

Fir Sai số động học bánh răng

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài:

Truyền động bánh răng trụ được sử dụng rộng rãi trong truyền động cơ khí Nhưng khi làm việc với vận tốc cao hoặc tải trọng lớn thì bộ truyền động bánh răng này có nhược điểm gây tiếng ồn và tuổi thọ không cao

Hiện nay việc chế tạo bánh răng ở Việt nam chỉ dừng lại ở gia công cơ và phương pháp nhiệt luyện đơn giản vì vậy chất lượng và độ tin cậy thấp Vấn đề đặt ra là cần phải đầu tư trang thiết bị máy móc chuyên dụng để chuyên môn hóa việc chế tạo bánh răng và cần có giải pháp kỹ thuật tổng thể để nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng

Mặc dù hiện nay với sự xuất hiện các loại động cơ điện điều khiển được tốc độ bằng

bộ biến tần, động cơ bước vv…

Các máy công tác không nhất thiết phải có hộp số Nhưng một điều chắc chắn là truyền động bánh răng cho các thiết bị hạng nặng như trong lĩnh vực ôtô, máy kéo, máy thủy, máy công cụ …không thể thiếu các bánh răng, do các loại động cơ điện điều khiển không đáp ứng được yêu cầu của các máy công tác về công suất và đặc tính động

cơ

Hiện nay trên thế giới việc chế tạo hệ truyền động bánh răng đã được môđul hóa, chuyên môn hóa các cơ sở chế tạo bánh răng, cung cấp các loại bánh răng cho tất cả các công ty, xí nghiệp trên thế giới có nhu cầu Việc môđun hoá có rất nhiều ưu điểm như :

- Một số nhà sản xuất bánh răng với năng suất thấp và sản xuất bánh răng thông thường không cần mua sắm các thiết bị, máy móc chế tạo bánh răng đắt tiền như máy phay lăn răng…mà chỉ cần đầu tư một số máy móc cần thiết phù hợp với qui mô sản xuất còn các loại bánh răng chất lượng cao thì mua từ các nhà sản xuất chuyên môn hoá để lắp ráp hoàn chỉnh vào hệ thống Điều này sẽ giảm thiểu được việc đầu tư trang thiết bị máy móc đắt tiền nhưng năng suất sử dụng thấp

- Việc môđun hóa cũng mang lại nhiều lợi ích cho việc lắp ráp, vận hành bảo dưỡng, thay thế … và sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian cho việc bảo trì sữa chữa cũng như nâng cao tính tin cậy trong vận hành Đáp ứng thay thế linh hoạt trong qúa trình sản xuất

Các loại bánh răng chất lượng cao thì chỉ có các cơ sở chuyên môn hóa mới thực hiện được vì các cơ sở này được trang bị các trang thiết bị tốt nhất và đồng bộ trong việc chế tạo bánh răng từ tạo phôi đến cắt gọt, nhiệt luyện …do đó để nâng cao độ bền của bánh răng ngoài việc đầu tư trang thiết bị máy móc chuyên dụng và chất lượng cao, đồng bộ các nhà máy chế tạo bánh răng chuyên dụng cần phải có giải pháp kỹ thuật tổng thể thế nâng cao độ bền của bộ truyền động bánh răng mới đáp ứng được nhu cầu

về chất lượng của xã hội ngày càng tăng

“Giải pháp kỹ thuật tổng thể thế nâng cao độ bền của bộ truyền động bánh răng trụ”

là giải pháp ứng dụng cho các nhà máy chuyên dụng có trang thiết bị máy móc chuyên môn hóa đồng bộ tốt nhất, có qui trình công nghệ chuẩn hóa từ tạo phôi cắt gọt đến nhiệt luyện và chỉ có các nhà máy này mới có đủ điều kiện để áp dụng giải pháp trên

Mục đích của đề tài:

Giúp cho người sản xuất hệ thống hóa một khối lượng kiến thức kỹ thuật về hệ truyền động bánh răng từ cơ bản đến thực tiễn, từ nguyên lý ăn khớp đến sai số động học bánh răng, đường lối công nghệ tổng quan đảm bảo độ bền và nghiên cứu thực tiễn các dạng hỏng hóc của bánh răng từ đó đưa ra các biện pháp xử lý công nghệ thích hợp

từ tạo phôi, cắt gọt đến xử lý nhiệt… nhằm nâng cao độ bền hệ truyền động bánh răng Trong phạm vi luận văn này giải quyết những khía cạnh đặt ra đối với bộ truyền động bánh răng trụ gồm bánh răng thẳng và bánh răng nghiêng vì nó là chủng loại được dùng phổ biến nhất

Đề tài “Các giải pháp kỹ thuật tổng thế nâng cao độ bền của bộ truyền động bánh răng trụ” nhắm góp phần giải quyết vấn đề chất lượng bánh răng cho các cơ sở sản xuất chuyên dụng bánh răng phục vụ cho các lĩnh vực cơ khí, cung cấp phụ tùng cho máy công cụ, ôtô, máy công cụ, máy động lực (như diesel, máy xăng…) Luận văn tập trung vào giải quyết các vấn đề cơ bản về thiết kế, công nghệ và vận hành, sử dụng bánh răng Đề tài đưa ra mối quan hệ có tính định hướng cho các giải pháp kỹ thuật nâng cao tuổi bền bánh răng trụ nhắm tìm ra các giải pháp cụ thể cho việc nâng cao độ bền bánh răng

Một trong những giải pháp về công nghệ là nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng

Đề tài đi sâu nghiên cứu các dạng hỏng của bộ truyền động bánh răng và phương pháp hóa bền lớp bề mặt mà trọng tâm là các phương pháp thấm cácbon và xianua thể khí

Nội dung của bản luận văn:

Bản luận văn được chia thành 02 phần và trình bày trong 5 chương:

Phần I: HỆ THỐNG HÓA CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BỘ TRUYỀN ĐỘNG

BÁNH RĂNG TRỤ

Chương I: Phân loại, đặc điểm, lý luận chung nâng cao tuổi bền bộ truyền

động bánh răng

Chương II: Nguyên lý ăn khớp bánh răng trụ

Chương III: Dung sai truyền động bánh răng và thiết bị kiểm tra bánh răng Phần II: CÁC GIẢI PHÁP THỰC TẾ ĐỂ NÂNG CAO TUỔI BỀN VÀ ĐỘ

CHÍNH XÁC TRONG ĐỘNG BÁNH RĂNG TRỤ Chương IV: Các dạng hỏng, biện pháp nâng cao tuổi bền và chỉ tiêu tính

toán, thiết kế bánh răng Chương V: Công nghệ hóa nhiệt luyện bánh răng

Nội dung bản luận văn cố gắng nêu ra bức tranh tổng quát về các giải pháp kỹ thuật nâng cao tuổi bền bánh răng và chú trọng đến phần nâng cao chất lượng lớp bề mặt răng, vấn đề hóa nhiệt luyện bánh răng Giải pháp nâng cao độ bền bánh răng bằng hóa nhiệt luyện mang ý nghĩa kinh tế kỹ thuật thiết thực cho ngành sản xuất máy công cụ, ôtô, máy thủy , trên lộ trình nội địa hóa phụ tùng máy móc

Hy vọng đề tài góp phần tìm kiếm giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm ngành

cơ khí Việt nam và góp phần trong sự nghiệp công nghiệp hóa nước nhà

Các nội dung của luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của GS, TS

Tạ Duy Liêm, nhờ sự giúp đỡ của nhiều chuyên gia về gia công cơ khí Tác giả luận văn tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các đồng nghiệp

Tuy đã có nhiều nỗ lực phấn đấu để hoàn thành nội dung đề tài nhưng đề tài chắc vẫn còn những thiếu sót rất mong các Thầy, các Cô chỉ dẫn và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Vũng tàu Ngày 12 tháng 9 năm 2007

NCS Cao học

Trần Văn Lượng

Phần I: HỆ THỐNG HÓA CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BỘ

TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG TRỤ

CHƯƠNG I PHÂN LOẠI, ĐẶC ĐIỂM, GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT NÂNG CAO TUỔI BỀN CỦA BỘ TRUYỆN BÁNH RĂNG TRỤ

1.1 Khái niệm truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng thực hiện truyền động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng (hoặc thanh răng)

1.2 Phân loại truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng được phân theo các đặc điểm về hình học và về các chức năng

- Theo vị trí tương đối trong không gian giữa các trục có các loại:

ƒ Truyền động bánh răng trụ - Các trục song song (Hình 1.1 a,b,c,d)

ƒ Truyền động bánh răng côn – Các trục cắt nhau (Hình 1.1 e,g)

ƒ Truyền động bánh răng hypecbbôlit – các trục được bố trí chéo hay còn gọi là bánh răng hypôit (Hình 1.1 h)

ƒ Truyền động bánh, vít trục vít cũng thuộc loại truyền động hypecbbôlit được dùng tương đối phổ biến

- Theo tính chất di động của các tâm bộ truyền ta có truyền động truyền động bình thường (Tâm các bánh răng cố định) và truyền động hành tinh khi tâm của một hoặc nhiều bánh răng di động trong mặt phẳng quay

- Theo phương của răng (So với các đường sinh) người ta chia ra bộ truyền động bánh răng thẳng (Bộ truyền bánh răng trụ thẳng và bộ truyền bánh răng côn răng thẳng) và bộ truyền động bánh răng nghiêng (Răng xoắn, răng cong)

- Theo cấu tạo của bộ truyền người ta chia ra bộ truyền ăn khớp trong và bộ truyền ăn khớp ngoài

- Truyền động bánh răng, thanh răng dung để chuyển đổi truyền động từ chuyển động quay sang chuyển động thẳng (tịnh tiến) hoặc ngược lại

- Theo hình dạng răng có các loại: Truyền động bánh răng thân khai, truyền động bánh răng Xiclôit, truyền động bánh răng Nôvikôp, truyền động bánh răng chốt

Truyền động bánh răng thân khai, prôfin có dạng đường thân khai của vòng tròn, được dung rộng rãi nhất vì răng được gia công bằng dụng cụ cắt có cạnh thẳng để đảm

bảo độ chính xác không bị ảnh hưởng bởi sai số khoảng cách trục (Do đó không làm thay đổi qui luật chuyển động và tỷ số truyền)

- Tùy theo kết cấu bộ truyền động bánh răng có thể để hở (Bộ truyền động hở) hoặc được che kín (Bộ truyền động kín) Bộ truyền hở không được bôi trơn hoặc bôi trơn theo chu kỳ làm việc với vận tốc thấp Bộ truyền kín làm việc với vận tốc trung bình hoặc cao đuợc bôi trơn đầy đủ (Ngâm dầu hoặc tưới dầu)

- Người ta còn chia ra: Truyền động bánh răng chịu lực và không chịu lực Bộ truyền chịu lực được dùng để truyền công suất, kích thước được xác định theo điều kiện đảm bảo độ bền Bộ truyền không chịu lực đuợc dùng chủ yếu

để thực hiện chức năng về động học trên thực tế không truyền công suất, kích thước không phải tính toán theo độ bền

Phạm vi của đề tài chỉ đề cập tới các giải pháp nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng trụ vì vậy ta đi tìm hiểu về đặc điểm của các bộ truyền động bánh răng trụ

Hình 1.1

1.3 Đặc điểm truyền động bánh răng trụ

So với các bộ truyền động khác, truyền động bánh răng trụ có đặc điểm sau đây:

- Truyền động giữa hai trục song song được sử dụng rộng rãi nhất chiếm khoảng 80% tổng số bánh răng được chế tạo hằng năm trên thế giới (2)

- Kích thước nhỏ gọn, khả năng tải lớn

- Hiệu suất truyền động cao, có thể đạt 0,97 – 0,99

- Tỷ số truyền không đổi

- Tuổi thọ khá cao làm việc tin cậy

Tuy nhiên việc sử dụng bánh răng trụ có các hạn chế cần lưu ý sau:

- Bánh răng đòi hỏi chế tạo chính xác, do đó phải có máy gia công chuyên dụng hoặc máy vạn năng nhưng dụng cụ gia công chuyên dung, như máy phay vạn năng nhưng phải dùng dao phay môđul)

- Gía thành bộ truyền động khá cao

- Khi làm việc có tiếng ồn, đặc biệt trong trường hợp vận tốc cao hoặc chế tạo bánh răng không chính xác

- Sử dụng không có lợi khi khoảng các giữa các trục lớn

1.4 Phạm vi sử dụng của truyền động bánh răng trụ

Bộ truyền động bánh răng trụ được dùng nhiều và chủ yếu trong truyền động của ngành chế tạo máy Đồng thời được sử dụng trong phạm vi rộng về tỷ số truyền, công suất và vận tốc

Các bánh răng được sử dụng phần lớn được chế tạo theo dạng răng thân khai Dạng răng này có nhiều ưu điểm: Sức bền cao, hiệu suất cao và dễ chế tạo Tuy nhiên cần nghiên cứu để nâng cao khả năng và cải thiện điều kiện ăn khớp của nó

Theo tài liệu [2] truyền động bánh răng được sử dụng rộng rãi trong máy cắt gọt kim loại Trong cơ cấu truyền động chính và truyền động chạy dao, trong cơ cấu phân độ vv… Trong máy tiện vạn năng, máy tiện Revonver có khoảng 80-120 bánh răng, trong máy phay công sôn và máy gia công khác có khoảng từ 50 – 80 cái, trong máy khoan cũng có khoảng 30-50 bánh răng

Hàng năm người ta sản xuất khoảng 10 triệu bánh răng các loại với hàng ngàn kích

cở khác nhau

Một số lượng lớn bánh răng chế tạo đuợc các nhà máy sử dụng vào việc lắp ráp và sữa chữa máy công cụ Một số khác được sử dụng cho ngành chế tạo ôtô, máy kéo và thiết bị cơ khí

Trong ngành chế tạo máy phần lớn bánh răng được chế tạo là bánh răng trụ (Chiếm 80%), bánh răng côn các loại chiếm (12-15%), còn các loại khác chiếm (3-5%), có tới 90% bánh răng đuợc chế tạo có đường kính 4mm đến 300mm Phần lớn bánh răng trong các bộ phận của máy đuợc sản xuất đều có tính lắp lẫn

Vận tốc vòng của bộ truyền động bánh răng thường cho phép ở tốc độ ≤ 25÷30m/s Một số bộ truyền động bánh răng có tải trọng lớn khi ăn khớp cho phép sử dụng vận tốc vòng trong khoảng 14-16m/s, bánh răng trong máy công cụ đặc thù vận tốc có thể nhỏ hơn 6m/s

Thường các cơ cấu chia độ trong dụng cụ đo bánh răng thường chế tạo với cấp chính xác 3-6 Theo TCVN 1067.84 Bộ truyền động có tải trọng trung bình và tốc độ nhanh được chế tạo với cấp chính xác 6-7 (Đa số bánh răng trong máy công cụ) Bảng 1 chỉ ra phạm vi sử dụng bánh răng theo cấp chính xác

Bảng 1-1

Cấp chính xác của bánh răng (Theo độ chính xác ăn khớp và độ chính xác động học) Răng thẳng Răng côn

Vận tốc vòng

lớn nhất (m/s)

Máy cấp chính xác thường và nâng cao

Máy cấp chính cao

Máy cấp chính xác thường và nâng cao

Máy cấp chính xác cao

Phần lớn các bộ truyền động bánh răng trong hộp tốc độ máy công cụ vạn năng là

loại có hệ số tải trọng lớn (Không thể tính toán trước hết được tính động lực của sự qúa

tải) Hệ số an toàn 1,5-1,8 Thực tế tải trọng thường ở mức trung bình trong khoảng

0,2-0,4 so với định mức Biểu đồ tải trọng theo thời gian thì mức qúa tải trung bình chỉ

chiếm không qúa 5-8% so với tổng thời gian làm việc của bộ truyền

Tải trọng làm việc của bộ truyền bánh răng có thể tác động bởi các yếu tố lực khác

nhau, nó phụ thuộc bởi qúa trình tác động bên ngoài lên bộ truyền (Theo đó tác động

lên cặp bánh răng ăn khớp) tải trọng ngẫu nhiên và tải trọng động lực học (Lực cắt gọt,

rung động của các chi tiết lệch tâm…)

Tải trọng động lực học, tác động lên cơ hệ khi phay, tiện rất lớn có thể gấp 5-10 lần

so với tải trọng định mức [2]

Tải trọng tác động lên bộ truyền động bánh răng phụ thuộc rất lớn vào việc chế tạo,

lắp ráp và sữa chữa bộ truyền động bánh răng đồng thời nó còn phụ thuộc vào độ chính

xác về bước răng, profin răng, hệ số biến dạng ăn khớp, tải trọng này đặc biệt quan tâm

khi tốc độ tăng

Bánh răng truyền động trong máy công cụ thường được chế tạo có độ cứng bề mặt

không bé hơn 48-50 HRC Ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền của bộ truyền động bánh

răng là vật liệu dung để chế tạo và tính chất cơ lý của bề mặt trong vùng tác động lực

lớn nhất

Khi chế tạo bánh răng phôi bánh răng có thể rèn tự do, rèn khuôn hoặc phôi ép bánh

răng, nó tạo nên tổ chức thớ có lợi Khi dập nóng giới hạn bền uốn, bền mỏi của bánh

răng tăng 20-30% so với chế tạo bánh răng từ phôi thanh cán nóng

Nếu sử dụng công nghệ thấm các bon sau đó tôi thì tuổi bền bánh răng chế tạo từ

phương pháp phay lăn tăng lên 20-25% [1,2,3]

Sau công nghệ nhiệt luyện là gia công lần cuối bánh răng thường người ta sử dụng

hai phương pháp sau:

a Cà răng: Gia công nhiệt sau đó cà răng thường cho cấp chính xác 7-8

b Gia công nhiệt sau đó gia công lần cuối bằng phương pháp mài răng sẽ cho chính xác 6-7

Cà bánh răng khi đã tôi là rất khó khăn, phải đảm bảo độ chính xác biến dạng và kết qủa nhiệt luyện vành răng

Muốn có tuổi bền cao người ta tiến hành mài răng sau nhiệt luyện nó sẽ cho độ chính xác rất cao đồng thời sử dụng được tính chất tối ưu của vật liệu chế tạo, trong trường hợp cần có độ bền cao, độ tin cậy tốt nên thực hiện mài răng

Một cách khác là sau khi nhiệt luyện tiến hành mài nghiền với qúa trình mài này nó chỉ cho chất lượng bề mặt và ứng suất tiếp xúc tốt nhưng không nâng cao độ chính xác chế tạo chung

Năm 1955 Nôvikốp phát minh ra dạng răng tròn, loại này có một bánh răng có dạng răng lồi và một bánh răng có dạng răng lõm, khả năng tải của dạng này cao hơn bánh răng thân khai

Hiện nay người ta đã đưa ra bánh răng con lăn – Cycloid về bản chất có thể coi như biến thể của bộ truyền xích và bộ truyền bánh răng song, hai loại này được dùng trong truyền động rôbốt [18]

Ngày nay với việc ra đời của động cơ điều khiển được nhờ vào các thiết bị biến tần,

kỹ thuật số nó làm cho nhiều thiết bị không cần đến hộp tốc độ bánh răng mà vẫn thay đổi được tốc độ theo đường cong trơn (Điều chỉnh vô cấp tốc độ) Nhưng nhược điểm của chúng là chỉ dùng cho công suất nhỏ và gía thành qúa lớn Vì vậy việc nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ truyền động bánh răng mà đại diện là bánh răng trụ có ý nghĩa

to lớn góp phần nâng cao hiệu qủa qúa trình sản xuất công nghiệp

Xu thế chung hiện nay bánh răng được chế tạo cần có tuổi bền cao đặc biệt trong ngành chế tạo ôtô, máy kéo, máy công cụ và các thiết bị công nghiệp khác Để có thể đề

ra giải pháp tổng thể nâng cao chất lượng bộ truyền động bánh răng trụ cần thiết phải nghiên cứu lý luận chung về biện pháp nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng

1.5 Lý luận chung về các biện pháp nâng cao tuổi bền của bánh răng

Từ lý thuyết bộ truyền động bánh răng ta thấy răng ăn khớp giữa hai răng bánh răng lăn và trượt trên mặt răng do vậy nâng cao tuổi bền bánh răng ngoài chống gãy, sứt mẽ răng thì đảm bảo tính chống mòn tức là bảo vệ cặp ma sát đồng nghĩa với việc nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng

Theo các nhà khoa học nga [14] Phương pháp chung chống hao mòn của chi tiết máy gồm 3 giai đoạn chủ yếu sau:

1 Xác định dạng hao mòn hay hư hỏng: Cơ sở giai đoạn này là sự phân loại các dạng hư hỏng, phá hoại bề mặt ma sát, căn cứ vào các dấu hiệu của qúa trình hao mòn hay hư hỏng chính

2 Chọn phương pháp kìm hãm các qúa trình có hại: Cơ sở của giai đoạn này là luận đề thứ nhất và thứ hai của lý thuyết hao mòn

3 Kiểm tra kết qủa của việc áp dụng phương pháp vào thực tế

1.5.1 Những vần đề chủ yếu:

Vấn đề đầu tiên của việc chóng hao mòn , chóng hư hỏng là mở rộng mền tốc độ và ứng suất pháp ứng với qúa trình hao mòn bình thường (Ôxy hóa) đề giải quyết vần đế này phải dựa trên cơ sở luận đề thứ nhất của lý thuyết hao mòn và hệ quả chủ yếu của

nó Vần đề chủ yếu thừ 2 của việc chống hao mòn và hư hỏng xuất phát từ luận đề của

lý thuyết chóng hao mòn là giảm cường độ ôxy hóa Trên hình 1.2 trình bày sơ đồ minh họa phương hướng giải quyết hai vấn đề trên Hai vấn đề cơ bản này bổ sung cho nhau Việc giải quyết chúng một cách đồng thời đảm bảo tăng thời hạn sử dụng và độ tin cấy làm việc của máy móc Dĩ nhiên đề làm được điều đấy cần sử dụng tất cả các biện pháp kết cấu (Thiết kế), công nghệ (Chế tạo) và sử dụng

I

(µm)

V1 V2 v (m/s) Pth P (N/mm2)

Theo tốc độ trượt Theo áp suất pháp

Trong đó I là hàm mức hao mòn: I=f(v) và I=f(p)

Hình 1.2

Việc kết hợp một cách hợp lý các biện pháp khi thiết kế và chế tạo các bộ phận ma sát là tiền đề đầu tiên để có được khả năng chống hao mòn cần thiết của chi tiết máy Việc tạo ra các điều kiện sử dụng đảm bảo cho qúa trình hao mòn ôxy hóa là tiền đề thứ 2

Tuy nhiên trong điều kiện sử dụng thực tế, không phải bao giờ cũng có thể chuyển được từ trạng thái và tính chất ban đầu của các lớp bề mặt sang các cấu trúc bền vững Nhất là đối với máy móc và cơ cấu làm việc trong điều kiện tốc độ trượt cao, nhiệt độ làm việc cao hay thấp, chân không cao, trong các môi trường xâm thực hóa học hay khí nitơ Trong những điều kiện như vậy, để đảm bảo tính chống mòn cần tạo ra các cấu trúc ban đầu của lớp bề mặt ma sát sao cho tính chất của nó không bị thay đổi trong những điều kiện làm việc phức tạp

1.5.2 Các biện pháp kết cấu khi thiết kế:

Các biện pháp kết cấu để khắc phục hư hỏng và nâng cao tính chống mòn của các chi tiết máy gồm: Chọn loại ma sát, xác định hình dạng và kích thước các bế mặt làm việc, hoàn thiện biện pháp điều chỉnh nhiệt độ, chọn hợp lý vật liệu cặp ma sát, chọn hệ

thống bôi trơn Bố trí các phương tiện, các thiết bị làm kín Đảm bảo tính công nghệ cho việc sữa chữa và thay thế các chi tiết Đề xuất các biện pháp để đảm bảo cho bộ phận ma sát khỏi bị hạt mài và tạp chất rơi vào Trong số các biện pháp về kết cấu việc chọn đúng vật liệu và phương pháp làm tăng bền của các cặp ma sát là rất quan trọng Nguyên nhân cơ bản và cơ sở của việc thiết kế và tính toán hình dạng và các chi tiết chịu ma sát là đảm bảo chế độ hao mòn, ôxy hóa trong khoảng tốc độ trượt và tải trọng

an toàn Để đảm bảo được nguyên tắc ấy phải dựa vào những qui luật đã biết của các dạng hao mòn phụ thuộc vào tốc độ trượt và áp suất pháp để lựa chọn các vật liệu và môi trường., đồng thời cũng phải căn cứ vào các tài liệu về ảnh hưởng của kích thước cặp ma sát (Tức là nhân tố tỷ lệ xích) đến dạng hao mòn và cường độ hao mòn

Các biện pháp kết cấu đóng vai trò hàng đầu trong việc đảm bảo truyền nhiệt (từ cặp

ma sát ngoài) Công trình nghiên cứu của nhà bác học Nga I.G Nôxôvxki [14] đã chứng minh rằng khi không thay đổi tốc độ chuyển dịch tương đối thì việc nung nóng hay làm mát bề mặt ma sát có ảnh hưởng đến dạng hao mòn

Một vấn đề quan trọng trong khi thiết kế là lựa chọn đúng cặp vật liệu của các chi tiết ma sát và sử dụng chúng phù hợp với chức năng của nó trong cặp ma sát Một trong những điều kiện chủ yếu là về bản chất là cặp vật liệu không có khả năng gây tróc Hiện nay có rất nhiều hợp kim gốc sắt, đồng, nhôm, kẽm và chì được sử dụng một cách thành công vào chế tạo các cặp ma sát Đối với các hợp kim gốc sắt để có chế độ chống mòn cao người ta hợp kim hóa để nâng cao độ cứng và giảm độ dẻo.Ví dụ như các loại thép 9CrSi,90W18, Cr12Mo, CR12V1,CR12V1A…vv Các loại thép Grafit hóa và các loại thép có pha Molipden, vônfram-môlipden, nhôm vv…có độ chống mòn cao

Độ chống mòn có tính chất chống ma sát, cũng như các tính chất cơ học của gang phụ thuộc vào cấu trúc của khối kim loại cơ bản, số lượng và dạng của grafit, các pha cácbít có trong khối kim loại đó

Các hợp kim làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao cần phải có khả năng chịu nhiệt Các hợp kim có gốc là các dung dịch rắn ổn định, có chứa một hàm lượng cácbít rất lớn (Cr12V1, Cr12Mo, 90W18Co5, 90W9Cr4V2Co5) Là những loại thỏa mãn nhu cầu ấy Gía trị hệ số ma sát và cường độ hao mòn bình thường về cơ bản phụ thuộc vào tổ hợp tính chất của các kim loại trong cặp ma sát Các chỉ tiêu này (Hệ số ma sát và cường độ hao mòn) sẽ lớn khi các hợp kim đồng thiếc, cadimi, nhôm, kẽm, chì ma sát với thép Các loại gang xám chống ma sát cũng có hệ số chống ma sát nhỏ và độ chống hao mòn cao Trong số các hợp kim chống ma sát có gốc đồng, người ta sử dụng nhiều nhất các hợp kim đồng với thiếc, nhôm, silíc chì và các loại đồng thanh khác nhau Người ta cũng sử dụng các vật liệu có gốc là các hợp chất cao phân tử (các chất dẻo gỗ

ép, textolít pôliamít, Poliprôêtylen….) để chế tạo các bộ phận ma sát Trong số đó những loại vật liệu được chú ý nhất trong thực tế là carpon và Teflon (Chất dẻo có chứa flo)

Ngoài các biện pháp trên hiện nay các nhà sản xuất bánh răng chuyên dụng còn sử dụng các biện pháp khử khe hở động học

Thí dụ: Trước đây với biện pháp thông thường khi chế tạo 2 bánh răng lắp trên 2 trục để khử khe hở thì trước hết phải chế tạo vỏ hộp sau đó xác định khoảng cách trục

và tiếp theo là chế tao bánh răng theo lý thuyết theo biện pháp này khe hở bằng 0 Nhưng thực tế không thể vì luôn tồn tại sai số ổ bi, dung sai lắp ráp…do đó luôn tồn tại khe hở động học

Để khắc phục khe hở này một cách chủ động một số nhà nhà sản xuất sử dụng các kết cấu khử khe hở động học bánh răng bằng cách : Sử dụng cơ chế điều khiển và điều chỉnh bằng cách phối hợp các các cảm biến đo các thông số dao động, khe hở, lực (lắp đặt tại vùng ăn khớp) sau đó các cảm biến và các bộ truyền tín hiệu truyền tín hiệu tới

bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ đưa ra tác động điều khiển hợp lý tới cơ cấu chấp hành thực hiện việc điều chỉnh khe hở một cách hợp lý Ngoài ra còn sử dụng biện pháp như dùng lò xo ép các má răng

1.5.3 Các biện pháp công nghệ:

Các biện pháp này trước hết gồm những công nghệ làm tăng độ bền được dùng để

mở rộng miền hao mòn bình thường và giảm đến mức tối thiểu cường độ hao mòn bằng cách tăng độ cứng và giảm độ dẻo của lớp bề mặt (Và trong một số trường hợp khác bằng cách thay đổi thành phần hóa học và thành phần pha của lớp ấy)

Các dạng công nghệ làm tăng độ bền như vậy gồm có: Làm cứng nguội bề mặt, nhiệt luyện, mạ phủ các lớp kim loại chống mòn, tăng bền bằng ma sát khuyếch tán, hàn đắp lên bề mặt các lớp hợp kim chống mòn, làm tăng độ bền bằng tia lửa điện vv… Các biện pháp công nghệ chế tạo phôi, có phôi đúc rèn, đặc biệt đối với bánh răng

sử dụng chế tạo bằng rèn khuôn, từ chế tạo bánh răng theo các thớ kim loại phân bố theo biên dạng răng, rèn động sẽ tạo ra thớ giống như biên dạng răng, đây là biện pháp nâng cao độ bền đáng kể, bộ khuôn là vừa ép vừa nén, vừa tạo hình để có bánh răng thô Do đó có rất nhiều hiệu qủa tiết kiệm thời gian, vật liệu, lượng dư cắt gọt thấp… Phương pháp sử dụng tổng hợp bằng cách tăng độ bền bằng cơ học nhiệt luyện và với gia công nhiệt hóa cũng như hương pháp mạ phủ một số loại nào đó cho ta kết qủa tốt

Các phương pháp gia công hóa nhiệt phổ biến nhất được dùng để làm tăng độ bền lớp bề mặt gồm: Xêmentít hóa, Nitơ hóa, và phun kim loại bằng phương pháp khuyếch tán, thấm Các phương pháp kim loại hóa (Hay thấm kim loại) bằng khuyếch tán (Như thấm crôm, cadimi, si líc và thấm V-N-S vv…) làm cho lớp bề mặt có độ cứng và độ chồng mòn cao nhất Ví dụ: Đo kết qủa thấm cadimi độ cứng tế vi của lớp bề mặt tăng lên tới 18000N/mm2

Nhờ phương pháp nhiệt khuyếch tán, bề mặt các chi tiết kim loại đen sẽ giàu thêm Sulphua, Clorua, kết qủa là trước hết có thể ngăn ngừa được sự phát triển của các dạng

hư hỏng có hại (tróc) và mở rộng miền hao mòn ôxy hóa Dạng gia công này còn có tác dụng làm tăng nhanh tốc độ và cải thiện chất lượng qúa trình rà Trong số các phương pháp gia công nhiệt - khuyếch tán, phương pháp Sulphua hóa là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất

Để tăng cao tính chống mòn của các chi tiết máy người ta thường dung phương pháp

mạ điện phân Crôm Có thể làm tăng tính chống mòn của bề mặt lên vài lần Khi có nguy cơ nảy sinh tróc loại I, có thể dùng rất có kết qủa để bảo vệ bề mặt ma sát với các tải trọng không quá 16N/mm2 Khi có khả năng chuyển thành tróc loại II lớp mạ Crôm được dùng có kết qủa nếu nhiệt độ trong vùng ma sát dưới 400oC

Các bề mặt chi tiết cũng được mạ và hóa mạ Niken hoặc sắt Trong thời gian gần đây người ta sử dụng rộng rãi biện pháp mạ Niken cứng trong dung dịch axít Sulfuaric Trong công nghiệp người ta đang sử dụng rộng rãi phương pháp mạ phủ sắt bằng điện phân (Thường gọi tắt là mạ thép) Các phương pháp mạ điện phân hớp kim Vônfram hay mạ điện tổ hợp với Vônfram với Cácbua, Borua vvv là những phương pháp có nhiều triển vọng

Để khắc phục hiện tượng tróc nguội và nâng cao tính chống ma sát người ta mạ lên

bề mặt ma sát các lớp đồng, chì, thiếc, bạc, cadimi vv…Người ta cũng đang đề xuất các phương pháp mới để mạ điện phân đồng thau, Bismuth, Antimon và Côban ới quan điểm nâng cao tính chống mòn của các chi tiết máy nói chung và tróc loại I nói riêng thì các biện pháp làm tăng độ bền bề mặt bằng phương pháp khuyếch tán mới được đề xuất trong thời gian gần đây là phương pháp rất đáng chú ý Những phương pháp này cho phép nâng cao độ cứng của các lớp bề mặt lên khá nhiều nhờ việc làm bảo hòa Ôxy, Cácbon, Nitơ và các nguyên tố khác trong qúa trình ma sát Để nâng cao tính chống mòn của các bề mặt chịu mài mòn và khắc phục hao mòn do nhiệt độ cao người ta tiến hành hàn đắp lên chúng các loại hợp kim chống mòn như: Xtêlít,Vôca, Xocmai vv…Cũng có thể nâng cao tính chống mòn đáng kể bằng cách sử dụng các phương pháp tia lửa điện nâng cao độ bền bề mặt ma sát, vì phương pháp này làm tăng độ cứng

và thay đổi thành phần pha của các lớp bề mặt

Một phương pháp chống mòn cũng được chú ý nữa là pha bột đồng, đồng thau, đồng thanh, chì, bạc vào dầu bôi trơn Khi ấy có thể khôi phục lại được các bề mặt bị hao mòn (Một cách tạm thời), giảm lực ma sát, cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt.vv…

Qúa trình công nghệ cũng ảnh hưởng tới độ ổn định khi làm việc của bánh răng, đặc biệt là các bánh răng nhiệt luyện cần phải được tính tới khi chọn phương pháp gia công tinh răng

b Mài răng là một nguyên công gia công tinh các bánh răng có độ chính xác cấp

4-6 và độ cứng mặt răng cao Tuy nhiên vì nó có sự tỏa nhiệt lớn trong vùng cắt, cho nên mài răng có thể làm giảm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của răng

c Để loại bỏ lớp hư hỏng bề mặt có chiều dày 5-20µm mà không làm sai lệch profil người ta dung các phương pháp như mài khôn răng hoặc đánh bóng điện các bề mặt chuyển tiếp của các răng Với các phương pháp gia công này độ bền uốn của bánh răng có thể tăng lên 40-60%, còn độ bền tiếp xúc có thể tăng 4-8 lần

d Đối với bánh răng có cấp chính xác 7-8 có thể dùng dao phay hợp kim để gia công tinh Phương pháp này có ảnh hưởng đến bề mặt răng tốt hơn phương pháp mài răng vì không có vết cháy xảy ra và đạt năng suất cao, tuy nhiên độ chính xác gia công của phương pháp này thấp

Hiện nay người ta sử dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối góp phần nâng cao độ bền chi tiết vì nó có một số ưu điểm sau:

- Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- Tăng độ chính xác

- Đạt độ bóng bề mặt cao

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 - 4 lần), nâng cao năng suất gia công

- Gia công được các contour phức tạp

- Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá

- Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội Gia công khô tránh được cho phí dung dịch trơn nguội và không có chất thải ra ra môi

do trên làm tăng chi phí cho các công đoạn gia công chính xác Mặc khác chất thải

ra khi mài ngày càng gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dần khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chi tiết

Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN, PCD hoặc ceramic tổng hợp thay thế cho mài để gia công thép đã tôi (có độ cứng lớn hơn 45HRC) phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2 - 4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài

b Thiết bị:

Để thực hiện được công việc tiện cứng, máy tiện phải cứng vững, có đủ tốc độ quay trục chính và công suất phù hợp Rung động là kẻ thù tồi tệ nhất của dao CBN Máy tiện CNC được đề nghị thực hiện công việc tiện cứng Nhưng máy tiện điều khiển bằng tay cũng có thể được sử dụng hiệu quả Một máy tiện điều khiển bằng tay phải ở trong tình trạng tốt và có rất ít khe hở trên bàn trượt ngang và ụ sau

Máy Emco Turn 332Mcplus của hãng Emco (Áo)

Dụng cụ cắt

Các mảnh hợp kim CBN thường sử dụng cho tiện cứng là CNGA, DNGA, VNGA, CNMP và TNG Các mảnh hợp kim cương được sử dụng cho tiện cứng là CCMT, CPGM, và DCMT Nói chung các mảnh hợp kim sử dụng cho tiện cứng chứa khoảng 50% CBN tùy nhà chế tạo Mặc khác, loại chứa hàm lượng CBN cao hơn sử dụng cho phương pháp tiện truyền thống để gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột, gang, và một vài hợp kim đặc biệt

So với mảnh carbide thì các mảnh CBN đắt hơn đáng kể (Từ 4 - 5 lần), nhưng dao CBN chế tạo được nhiều sản phẩm hơn Chi phí dao cụ sẽ không đáng kể khi tính đến việc loại nguyên công mài tinh Nhiều xưởng sản xuất còn nhận thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội do cắt khô bù đắp lượng chi phí cao hơn về dao

Mảnh hợp kim có CBN ở mũi

Mảnh CBN nguyên khối

Vật liệu dụng cụ cắt:

CBN (cubic boron nitride - Nitrit bo lập phương):

Nitrit bo lập phương là một loại vật liêu hạt mài mới được tổng hợp dưới dạng tinh thể từ nitrit bo sáu cạnh với chất xúc tác kim loại, nhiệt độ khoảng 1.500oC và

áp suất khoảng 100.000kgf/cm2, tạo ra cấu trúc tinh thể bền, cứng, có dạng khối với các góc sắc bén

CBN cứng gần gấp đôi Al2O3 và có khả năng chịu nhiệt đến 1371oC trước khi

vỡ vụn Vật liệu này có khả năng cắt thép gió dễ dàng và chính xác, và tốt hơn kim cương trong nhiều ứng dụng CBN dùng để cắt nguội và chịu được hóa chất đối với tất cả các muối vô cơ và hợp chất hữu cơ

Do độ cứng cực cao nên các đá mài được làm bằng CBN có khả năng đạt độ chính xác rất cao Các đá mài này đòi hỏi sự chỉnh sửa rất ít và có khả năng láy di lượng dư đều đặn mà không cần bù mòn đá Do tác động cắt nguội nên rất ít hoặc không có sự hư hỏng bề mặt chi tiết gia công CBN 100:

+ Type-I: là loại hạt mài không có lớp phủ, đơn tinh thể có màu đen, độ dai

trung bình Mật độ tinh thể là 3,48g/cm3 Thường dùng trong đá mài chất dính kết bằng kim loại Áp dụng để mài trục cam, cam, mài thép và hợp kim của thép, thép dụng cụ và thép gió, mài các chi tiết của động cơ tua bin khí như van, vòi phun, trục…

Tinh thể vật liệu Borazon CBN 1000

Tinh thể vật liệu Borazon CBN 1200

+ Type-II: Là loại hạt mài được phủ 60% Ni, có mật độ tinh thể là 5,25 g/cm3 Dùng trong đá mài chất dính kết phenon và nhựa polyimide

Lớp phủ Ni làm tăng khả năng bám giữ của hạt mài trên nền nhựa và tải nhiệt Loại này dùng để mài khô và ướt các chi tiết thép tôi, mài sắc dao phay ngón bằng thép gió

- CBN400 là loại đơn tinh thể (mật độ 3,48g/cm3) với độ dai đứng sau họ CBN500, tuy nhiên hình dáng của nó sắc cạnh hơn, cho phép tiêu hao năng lượng khi mài ít hơn nhiều, tuổi thọ cao Áp dụng cho mài tròn ngoài, tròn trong, mài dụng cụ và khuôn, mài hai đĩa

- CBN420 là loại CBN400 phủ 60% Ni có mật độ 5,34g/cm3, được thiết kế đặc biệt cho hệ thống chất dính kết nhựa Lớp phủ làm tăng khả năng bám giữ trong nền nhựa của hạt mài, tăng tuổi thọ đá và chất lượng bề mặt cao, hiệu suất mài cao

- CBN500: Có màu vàng, dai, đơn tinh thể dạng khối, mật độ tinh thể 3,48g/cm3, độ bền đứt gãy cao, tuổi thọ và hiệu suất mài cao Ap dụng để phay thô thép tôi, thép dụng cụ tôi, thép cacbon và thép hợp kim, Ni và vật liệu nền coban Mài và mài khôn gang, thép tôi và không tôi

- CBN1000: tinh thể màu đen (Mật độ 3,48g/cm3), dai hơn loại Type-I, tiêu hao năng lượng ít hơn Loại này được áp dụng để mài cam và trục khuỷu, mài dụng cụ và dao cắt, mài các vật liệu làm các chi tiết trong lĩnh vực không gian, mài bánh răng

c Các thông số công nghệ:

Dải vật liệu được gia công bằng tiện cứng không hạn chế, ngay cả đối với thép rèn

đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites Việc hợp kim stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa Vật liệu điển hình được tiện cứng là thép 5120 (62HRC), 1050(62HRC), 9310 (60HRC) và 4320 (60-62HRC)

Khi tiện cứng, nếu cắt với tốc độ thấp hơn tốc độ quy định, mảnh CBN sẽ mòn nhanh chóng và hư hỏng Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng và trục bằng thép đã tôi sử dụng quá trình này

Họ có thể đạt dung sai kích thước đến ±0,01mm hoặc tốt hơn với thời gian chế tạo lâu và độ bóng bề mặt tuyệt vời Hơn nữa, máy mài có thể đắt gấp 2 - 3 lần máy tiện Trong nhiều nhà máy, họ đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống, giá đầu tư thiết bị chỉ bằng khoảng 1/3 Hơn nữa, thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều khi sử dụng máy tiện

Mài bánh răng dùng đá mài Borazon CBN 500

1.5.4 Các biện pháp sử dụng:

Sự thay đổi tính chất của lớp bề mặt trong qúa trình ma sát diễn ra dưới tác dụng của các nhân tố phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và điều kiện sử dụng Nếu điều kiện sử dụng phù hợp với qúa trình nào thì qúa trình ấy sẽ diễn ra ở trong vùng ma sát với tốc

độ lớn nhất (Mặc dù là nó nảy sinh dưới tác dụng của trạng thái ban đầu của lớp bề mặt) Bằng cách làm thay đổi điều kiện sử dụng có thể tác động vào điều kiện hao mòn bình thường cũng như có thể ngăn chặn được sự nảy sinh các dạng phá hoại có gây hư hỏng bề mặt chịu ma sát

Các nhân tố sử dụng ảnh hưởng đế sự hình thành trạng thái làm việc của các lớp bề mặt gồm: Các tác động cơ học (Tốc độ dịch chuyển và tải trọng) môi trường, chế độ nhiệt trong vùng tiếp xúc

1.6 Lý thuyết chung về khắc phục hư hỏng

1.6.1 Yếu tố công nghệ

Đối với các bộ phận ma sát trượt có thể nâng cao độ chống mòn của cặp làm việc bằng cách mở rộng khoảng hao mòn bình thường và giảm đến mức tối thiểu cường độ hao mòn trong khoảng ấy

Có thể mở rộng phạm vi hao mòn bình thường bằng cách ngăn chặn tróc loại I và II Muốn vậy cần phải thực hiện điều kiện Vtróc < Vôxy bằng cách giảm Vtróc hoặc tăng Vôxy Việc phân tích qúa trình tróc của các chi tiết máy khi làm việc cũng như việc nghiên cứu bản chất các qui luật, hiện tượng ấy trong điều kiện thí nghiệm chứng minh rằng

tróc phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và các tính chất cơ lý của kim loại chịu ma sát Xu hướng bị tróc của kim loại cũng phụ thuộc vào khả năng hình thành của các lớp màng Ôxýt khi chúng ma sát cũng như vào tính chất của các màng ấy

Các nhà khoa học Nga cho rằng có hai phương pháp ngăn chặn tróc loại I chủ yếu dựa vào các biện pháp công nghệ:

a Nâng cao độ cứng và giảm độ dẻo của vật liệu ở lớp bề mặt bằng cách sử dụng các biện pháp công nghệ làm tăng độ bền khác nhau

b Bảo vệ các bề mặt tiếp xúc bằng phương phá hóa lý Có thể thực hiện sự bảo

vệ này bằng cách làm tăng cường sự hình thánh của các màng khác nhau trên

bề mặt, bằng cách chọn các cặp vật liệu hoặc bằng cách tạo ra các bề mặt các kim loại và hợp kim không bị tróc

Các hợp kim dạng dung dịch rắn có cấu trúc dị thể (Không đồng nhất) thể hiện rõ rệt, cũng như các kim loại mà hợp kim trên gốc kim loại ấy có mạng tinh thể lục phương là những loại vật liệu ít tróc nhất Để tạo thành các màng phi kim loại trên bề mặt, có sử dụng các biện pháp thấm Sulfua Phốt pho, Silíc làm tăng độ bền bằng phương pháp khuyếch tán hoặc Grafit hóa Các lớp kim loại và hợp kim không bị tróc dùng cho thép tạo ra bằng mạ điện phân: Mạ đồng, đồng thau, Bitsmut, Côban Vanadi vv…Trong số các biện pháp sử dụng để chống tróc loại I có biện pháp sử dụng các loại chất bôi trơn có pha chống xước

Để khắc phục hư hỏng tróc loại II phải thực hiện được điều kiện Vnhiệt<Vôxy Đặc điểm của dạng hư hỏng đây là các lớp bề mặt bị nung nóng đến nhiệt độ cao, tính chất của kim loại và chất bôi trơn thay đổi rất mạnh, do đó trước hết cần phải giảm tốc độ phát triển của các qúa trình (Vnhiệt) Nhiệt độ sinh ra trong vùng ma sát không được vượt qúa nhiệt độ tới hạn ứng với độ bền nhiệt của kim loại và dầu bôi trơn (tkt.th, ttl.th) tức là: t<tđ.th; t< tkt.th

Có thể thực hiện bất đẳng thức Vnhiệt<Vôxy bằng hai cách: Tăng độ bền của kim loại chịu ma sát và dầu bôi trơn và giảm nhiệt trong vùng ma sát có thể đạt được các yêu cầu trên bằng cách sử dụng một cách hợp lý các biện pháp thiết kế (Kết cấu), công nghệ (Chế tạo) và sử dụng Trong số các biện pháp về kết cấu để chống hao mòn do nhiệt độ

có biện pháp làm nguội vùng ma sát bằng cách sử dụng chất lỏng hay chất khí Cũng có thể giảm nhiệt độ xuống khá nhiều bằng cách chọn hình dáng, kích thước của bộ phận

ma sát, sao cho trong điều kiện đã cho chúng đảm bảo đầy đủ sự tỏa nhiệt cần thiết cho môi trường xung quanh Để tăng độ bền nhiệt của thép có thể hợp kim hóa nó bằng các nguyên tố vônfram, vanadi, titan cũng như các biện pháp nhiệt luyện đặc biệt Cũng nhằm mục đích ấy người ta còn sử dụng các tổ hợp gốm kim loại cùng gồm Cácbua Crôm, Vonfram, Vanadi, Titan với các chất dính kết Côban hay chất dính kết khác Trong số các biện pháp công nghệ để khắc phục hao món nhiệt có các phương pháp gia công bề mặt tạo ra các màng phi kim loại (Các màng Sulfua, Phốtfua, Ôxýt…) Biện pháp hàn đắp những hợp kim cứng và bền nhiệt đặc biệt lên mặt ma sát cũng là biện pháp có hiệu qủa

Hiện nay người ta sử dụng các biện pháp phun phủ lên bề mặt ma sát một lớp mỏng TiN, TiC, MO2N, Al2O bằng hai công nghệ: CVD và PVD (15)

Trong số các biện pháp sử dụng để khắc phục hao mòn nhiệt có các biện pháp làm giảm công ma sát riêng và do vậy biện pháp giảm nhiệt được sinh ra Có thể đạt được các yêu cầu trên bằng các biện pháp:

a Thứ nhất: Đảm bảo các chế độ không bị qúa tải

b Thứ hai: Sử dụng các biện pháp làm giảm hệ số ma sát, làm tăng cường độ tiến triển của các qúa trình hình thành các cấu trúc thứ cấp Việc chế tạo và sử dụng các chất pha chống xước đã mở ra khả năng to lớn để khắc phục hao mòn nhiệt của các chi tiết máy Việc pha thêm vào dầu bôi trơn Silicua môlipđen, Niruabazơ, các loại tro hữu cơ của sắt cho phép loại trừ sự phát triển của hiện tượng tróc nóng

Để giảm hao mòn đến mức tối hiểu cần đảm bảo cho tốc độ qúa trình ôxy hóa tối

ưu Từ việc phân tích cơ chế hao mòn ôxy hóa (Bao gồm sự tiến triển đồng thời của qúa trình biến dạng dẻo và qúa trình khuyếch tán) ta thấy rằng biện pháp giới hạn phạm vi hao mòn ôxy hóa theo hai cách

a Một là: Bằng cách thay đổi tính chất cơ học nói chung (Tính dẻo nói riêng) của lớp bề mặt của kim loại

b Hai là: Bằng cách thay đổi bản chất hóa học của các cấu trúc thứ cấp, xuất hiện

do kết qủa của sự hấp thụ và khuyếch tán các thành phần hoạt tính của môi trường lỏng và khí vào các lớp bề mặt kim loại

Việc hạn chế tính dẻo và nâng cao các đặc tính chống mòn của cấu trúc thứ cấp sẽ dẫn tới việc làm giảm cường độ hao mòn ôxy hóa Có thể thực hiện được điều đó bằng cách sử dụng các biện pháp như tôi cao tần, cùng các dạng gia công nhiệt hóa khác nhau, kim loại hóa (Thấm kim loại) bằng phương pháp khuyếch tán, làm tăng độ bền bằng ma sát-khuyếch tán, mạ crôm điện phân…

Việc điều khiển các qúa trình hóa học trong khi qúa trình ôxy hóa tiến triển phức tạp hơn nhiều Tùy theo điều kiện tải trọng và nhiệt độ trong vùng tiếp xúc, lượng ôxy của không khí có thể dư tối ưu hoặc tối thiểu Trong trường hợp dư qúa trình hao mòn diễn

ra với tốc độ cao Trong trường hợp thứ 2 với tốc độ tối thiểu, còn trường hợp thiếu ôxy

có thể chuyển thành qúa trình tróc Trong trường hợp hao mòn cơ hóa tổng quát, cùng

độ hao mòn các bề mặt chịu ma sát của kim loại không chỉ được quyết định bởi lượng ôxy mà còn bởi tính chất của các chất hoạt tính hóa học khác

Có thể làm thay đổi cường độ hao mòn giảm đi nhiều bằng cách cho bề mặt ma sát không chịu tác dụng của ôxy bằng các lớp kim loại mềm mỏng (Ví dụ như thiếc) Việc pha thêm dầu bôi trơn vào các chất pha nhằm làm kìm hãm qúa trình ôxy hóa, cũng như việc tạo ra các chế độ nhiệt tối ưu cho các bộ phận ma sát, cũng làm giảm hao mòn Các phương pháp và biện pháp mở rộng miền hao mòn bình thường và tối thiểu hóa hao mòn được trình bày ở Sơ đồ 1-3

Khi bộ phận ma sát được làm việc trong môi trường mài mòn thì hao mòn ôxy hóa cũng là dạng hao mòn cho phép

Vì vậy việc nâng cao tính chống mòn của bộ phận ma sát trong những điều kiện như vậy cũng có thể đạt được bằng cách mở rộn miền hao mòn ôxy hóa bình thường và giảm cường độ của nó tới mức tối thiểu

Để chống mài mòn cần phải thực hiện điều kiện Vm < Vôxy Do đặc tính của mài mòn được tạo nên bởi sự có mặt của môi trường hạt mài trong vùng ma sát, có thể thực hiện được bất đẳng thức trên chủ yếu bằng cách nâng cao sức bền chống cắt và xước đối với vật liệu hạt mài, đồng thời hạn chế bớt khả năng các hạt mài rơi vào vùng ma sát

Do vậy có thể chống mài mòn bằng các biện pháp kết cấu, công nghệ cũng như sử dụng

Về kết cấu cần lựa chọn các hệ thống lọc dầu bôi trơn và không khí khác nhau bảo đảm việc lọc sạch không khí và dầu bôi trơn cũng như các bộ phận bảo vệ cho bộ phận

ma sát khỏi bị các hạt mài rơi vào Các biện pháp công nghệ nhằm đạt đuợc sức bền lớn nhất chống lại tác dụng của các hạt mài trong số đó có sử dụng các loại thép và hợp kim đặc biệt, cũng như các biện pháp gia công nhiệt Nhiệt hóa và các phương pháp làm tăng độ bền bề mặt ma sát khác Việc sử dụng các phương pháp hàn đắp các hợp kim đặc biệt có độ cứng, độ bền và độ dai cao lên bề mặt các chi tiết cũng cho phép nâng cao đáng kể độ bền chống mòn Có thể thực hiện tối ưu hóa cường độ hao mòn ôxy hóa các bộ phận ma sát làm việc trong môi trường mài mòn bằng cách sử dụng các phương pháp làm tăng độ bền khác nhau để nâng cao độ cứng của lớp bề mặt, và do vậy tạo ra các màng ôxýt bền mòn, phương hướng và biện pháp nâng cao tính chống mài mòn được thể hiện trên Sơ đồ 1-3

Mở rộng giới hạn hao mòn ôxy hóaKhắc phục tróc loại I

bề mặt

ma sát

Dùng các loại dầu bôi trơn

có chất pha chống xước

Chọn hình dáng, kích thước hợp

lý đảm bảo việc tản nhiệt

ra môi trườn

g

Sử dụng các lạoi vật liệu chịu nhiệt

Mạ crôm Hàn đắp

một lớp hợp kim cứng bền nhiệt

Sử dụng các loại dầu chống xước

và sử dụng chế

độ không qúa

…

Làm mát

bộ phận

ma sát bằng thiết

bị đặc biệt

Tối thiểu hóa hao mòn

Chắn cho

bề mặt ma sát không

bị ôxy hóa

Tối ưu hóa chế độ nhiệt làm việc của bộ phận ma sát

Khi ma sát lăn cũng tốn tại chế độ ma sát bình thường và không bình thường Có thể nâng cao tính chống mài mòn khi ma sát lăn bằng cách ngăn ngừa qúa trình mòn, đồng thời tối thiểu hóa hao mòn ôxy hóa

Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguyên nhân xuất hiện hao mòn do mỏi

là sự biến dạng dẻo của lớp bề mặt và hiện tượng mỏi đặc biệt của kim loại Do vậy để ngăn ngừa hao mòn cần đảm bảo cho ứng suất tiếp xúc không vượt qúa giới hạn chảy của lớp bề mặt kim loại dđng ở trong một ứng suất đặc biệt

Việc sử dụng thép hợp kim đặc biệt và nhiệt luyện làm tăng giới hạn chảy của kim loại Khi sử dụng cần phải đảm bảo chế độ nhiệt độ sao cho có thể bảo toàn được các đặc tính bền của lớp bề mặt

Có thể thực hiện được tối thiểu hóa hao mòn khi ma sát lăn bằng cách hạn chế cường độ qúa trình ôxy hóa Để đạt được mục đích ấy có thể sử dụng hai nhóm biện pháp công nghệ sau:

- Giảm trị số biến dạng dẻo và phân bố đồng đều trên diện tích tiếp xúc: Tăng độ cứng bề mặt ma sát đến gía trị lớn nhất (khoảng 24-64HRC), đảm bảo độ nhẵn

bề mặt cao

- Phủ lên bề mặt lăn một lớp màng mỏng kim loại dẻo (Thí dụ như thiếc)

Các công trình nghiên cứu cho thấy, việc nâng cao cấp độ nhẵn và việc phủ một lớp kim loại dẻo sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và phân bố ứng suất trên bề mặt ma sát đều hơn Việc tăng độ cứng sẽ làm giảm độ sâu và cường độ biến dạng dẻo Tất cả những biện pháp ấy rút ngắn qúa trình rà và làm tăng thời gian của thời kỳ hao mòn bình thường lên rõ rệt

Tối thiểu hóa hao mòn khi có ma sát loại 2 (Bảo vệ bề mặt kim loại khỏi dư ôxy) Biện pháp này gồm việc phủ một lớp kim loại mềm có tác dụng ngăn cách lên bề mặt, việc chắn bề mặt làm việc bằng các chất hoạt tính bề mặt được hấp thụ tốt Việc pha các chất chống ôxy hóa vào dầu bôi trơn tổng hợp bằng hình 1-4

Phương hướng và biện pháp khắc phục phá hủy mỏi và tối thiểu hóa dạng hao mòn ôxy hóa bình thường trong điều kiện ma sát lăn đuợc trình bày bằng sơ đồ sau:

Hình 1-4

1.6.2 Yếu tố vận hành bão dưỡng, sữa chữa

Trong công nghiệp hiện đại ngày nay, để đảm bảo hiệu quả tối đa cho sản xuất, nâng cao tính tin cậy, tuổi thọ trang thiết bị nòi chung, hệ thống bánh răng nói riêng vấn đề bảo trì, bảo dưỡng máy trở nên ngày càng quan trọng Phương pháp hiện đại trong bảo trì máy không chỉ đảm bảo cho các cơ sở sản xuất có được phương tiện làm việc tối ưu, mà còn là nhân tố chính

để làm giảm giá thành sản xuất Trong nền kinh tế thị trường hiện nay ở Việt Nam, nhu cầu tăng năng suất, giảm giá thành sản xuất trở thành thực tế “nóng” trong mọi xí nghiệp, nhà máy

Do đó việc việc bảo dưỡng, sữa chữa định kỳ đóng vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao tuổi đời của máy móc nói chung, hệ thống truyền động bánh răng nói riêng Việc bảo trì sữa chữa cần được thực hiện theo lịch trình cơ bản sau:

- Bão dưỡng định kỳ: Ca/ngày/tuần/tháng

- Sữa chữa theo cấp độ theo tiến trình sản xuất (Tiểu tu, trung tu, đại tu)

- Sữa chữa tình huống (Sự cố…) / - Giám sát theo dõi liên tục

Hạn chế khả năng

các hạt mài rơi vào

vùng ma sát

Mở rộng phạm vi hao mòn ôxy hóa

Nâng cao độ bền chống cắt, xước dưới tác dụng các

Sử dụng thép và hợp kim đặc biệt

Sử dụng các loại công nghệ làm tăng bền

Hàn đắp các lạoi hợp kim cứng đặc biệt lên bề mặt

Tối thiểu hóa qúa trình hao mòn ôxy hóa

Hạn chế độ dẻo và nâng cao độ cứng của lớp bề mặt bằng cách sử dụng

các loại công nghệ làm tăng độ bền bề mặt

1.7 Sơ đồ nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của bộ truyền động bánh răng và giải pháp tổng thể nâng cao chất lượng bộ truyền động bánh răng

- Khi chế tạo bánh răng

- Khi lắp ráp và hiệu chỉnh bánh răng

Các yếu tố thuộc về sử dụng và bảo trì

- Bôi trơn

- Môi trường làm việc

- % Cácbon chứa trong thành phần lớp bề mặt

- % Nitơ chứa trong thành phần lớp bề mặt

- % Kim loại hóa bền chứa trong thành phần lớp

bề mặt: Kích thước hạt trong lớp bề mặt và kích thước hạt trong lớp lõi

Cácbon hóa, Nitơrít

hóa và thấm kim loại,

1.8 Phạm vi đề tài đề cập

Tại mục 1.7 đề cập đến các nhân tố ảnh hưởng đến tuổi bền của bánh răng trụ cũng như giải pháp kỹ thuật tổng quát để nâng cao chất lượng của bộ truyền động bánh răng trụ Đề tài lần lượt đề cập đến các nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bộ truyền động bánh răng và đề tài chỉ tập trung vào giải pháp nâng cao tuổi bền của bộ truyền động bánh răng bằng phương pháp bảo trì, sữa chữa và nhiệt luyện (thấm các bon và thấm nitơ)

Phương pháp bảo trì, sữa chữa tốt sẽ duy trì hệ thống hoạt động tin cậy, nâng cao được tuổi thọ của hệ thống bánh răng và mang lại nhiều lợi ích kinh tế trong sản xuất Phương pháp thấm sẽ làm cho bề mặt có độ bền mỏi tốt, độ chịu mỏi cao, giới hạn bền tăng nhưng vẫn giữ được độ dẻo dai nhờ lớp tôi có hàm lượng các bon thấp vì vậy cho phép khả năng chịu qúa tải và tải trọng va đập, tránh cho răng bị gãy, sứt, mẽ Phương pháp thấm cácbon, thấm nitơ rất có ý nghĩa khi chế tạo phụ tùng cho ngành ôtô, máy công cụ và các máy móc khác, nhằm nâng cao chất lượng sản xuất máy móc

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ ĂN KHỚP BÁNH RĂNG TRỤ

2.1 Đại cương về bánh răng trụ

2.1.1 Khái niệm:

1 Cơ cấu bánh răng có 2 khau động được nối với nhau bằng khớp cao dung để truyền động quay giữa hai trục với một tỷ số truyền xác định thông thường bằng hằng số gọi ω1 và ω2 là cận tốc gốc của trục dẫn động và trục bị động của cơ cấu bánh răng

và i12 là tỷ số truyền của nó thì theo định nghĩa:

2 Cơ cấu bánh răng trụ có hai khâu gọi là bánh răng, tỷ số truyền của cơ cấu là hằng

số, mỗi bánh răng là một bánh răng trụ tròn xoay trên đó có một vành răng gồm các răng giống hệt nhau bố trí cách đều nhau Khi truyền động các răng thay nhau tiếp xúc với các răng của bánh răng bị động làm cho bánh răng bị động chuyển động theo, qúa trình này gọi là qúa trình ăn khớp

Trên một mặt cắt vuông góc với trục của bánh răng vành răng được giới hạn bởi giữa hai vòng tròn đồng tâm: Vòng đỉnh Ca có bán kính ra, vòng chân Cf có bán kính rf, tâm của hai vòng tròn này cũng là tâm bánh răng

Cũng trên mặt cắt này mỗi răng của bánh răng được giới hạn bởi hai bên bởi hai đoạn cong gọi là các biên dạng răng đối xứng của nhau đối với một đường thẳng đi qua tâm bánh răng Gọi Cx là một vòng tròn đồng tâm với vòng đỉnh và vòng chân và có bán kính bằng rx rf ≤rx ≤ra thì khoảng cách trên vòng tròn Cx, giữa hai biên dạng răng liên tiếp cùng phía được gọi là bước răng trên vòng Cx ký hiệu px

Hình 2.1

Gọi z là số răng của bánh răng và do các răng bố trí đều nhau nên ta có:

x x

p = + (2.3)

2.1.2 Định lý cơ bản ăn khớp bánh răng

Tỷ số truyền của cặp bánh răng phụ thuộc dạng đường cong được chọn làm biên dạng Bây giờ ta hãy xét xem để đảm bảo một tỷ số truyền không đổi đường cong biên dạng răng phải thỏa mãn điều gì?

Hình 2.2

Hãy xét biên dạng E1 và E2, lần lượt thuộc các bánh răng 1 và 2 (Hình 2.2) Hai biên dạng này hiện đang tiếp xúc với nhau tại một vị trí M Các điểm thuộc các biên dạng răng E1 và E2, hiện đang tiếp xúc tại điểm M gọi là các điềm M1 và M2 Trong chuyển động tuyệt đối bánh răng 1 quay quanh O1 với vận tốc ϖ1 bánh răng 2 quay quanh O2

với vận tốc ϖ2 Bây giờ ta hãy xét chuyển động tương đối của cơ cấu đối với bánh răng 1: Bánh răng 1 khi đó đứng yên và bánh răng 2 có chuyển động quay kép quay quanh tâm O2 với vận tốc ϖ2 và quay quanh O1 với vận tốc ϖ1

Trong chuyển động này vận tốc của O2 bằng:

1

2M M

O1O2 vuông góc với véctơ →v O1O2

Gọi P1 và P2 lần lượt là các điểm thuộc bánh răng 1 và 2 hiện đang trùng với tâm quay tức thời P và vận tốc tương đối giữa các điểm này là →v P2thì ta có:

“Đường pháp tuyến của hai biên dạng răng tại một vị trí tiếp xúc bất kỳ cắt đường nối tâm hai bánh răng tại một điểm chia khoảng cách tâm thành những đoạn tỷ lệ nghịch với vận tốc gốc của các bánh răng”

Vì các điểm O1, O2 cố định do đó để tỷ số truyền i12 không đổi thì điểm P phải là một điểm cố định trên đường nối tâm, tức là:

“Để thực hiện được một tỷ số truyền bằng cặp biên dạng răng ăn khớp với nhau phải thỏa mãn điều kiện sau: Pháp tuyến chung của các biên dạng tại vị trí tiếp xúc bất kỳ phải cắt đường nối tâm của hai bánh răng tại một điểm cố định”

Trong công thức thay O1P và O2P lần lượt r’1 và r’2 sẽ được:

' 1

' 2 12

P nằm ngoài khoảng cách tâm O1,O2 (Hình 2.2b) thì đoạn O_1P, O_2Pcùng chiều nhau, tỷ số truyền có gía trị dương, các bánh răng quay cùng chiều nhau, khi đó vòng lăn nội tiếp với nhau và cơ cấu bánh răng được gọi là cơ cấu bánh răng trụ

ăn khớp trong

3 Từ chứng minh định lý cơ bản về ăn khớp ta có các nhận xét sau:

a Vì pháp tuyến của hai biên dạng răng tại vị trí tiếp xúc M đi qua tâm ăn khớp

P nên ngược với điểm chiếu vuông góc của P xuống một trong hai biên dạng răng là vị trí tiếp xúc M giữa chúng

b Gọi ω21 là vận tốc góc của bánh răng 2 trong chuyển động tương đối với bánh răng 1 thì vận tốc tương đối của điểm M2 (Trên biên E2) Đối với điểm M1

(Trên biên E1) tức là vận tốc trượt giữa hai biên dạng bằng:

vM2M1 = ω21PM (2.6) Với: ω→21 =ω→2−ω→1

Vì ω khác không do đó vận tốc trượt giữa các biên dạng chỉ bằng không 21

khi PM=0, tức là khi vị trí tiếp xúc M giữa hai biên dạng trùng với tâm ăn khớp P

4 Trong chuyển động tương đối của bánh răng 2 đối với bánh răng 1, biên dạng E1, đứng yên còn biên dạng E2 chuyển động và luôn tiếp tuyến với E1, tức là hợp thành một họ đường cong tiếp tuyến với E1 (Hình 2.3) Như vậy trong chuyển động tương đối này E1, là hình bao của E2 Tương tự như vậy, trong chuyển động tương đối của bán kính 1 đối với bán kính 2, E2 là hình bao của E1 Nói tóm lại hai biên dạng ăn khớp với nhau là bao hình của nhau trong chuyển động tương đối giữa chúng

2.1.3 Biên dạng thân khai

Vì hai biên dạng ăn khớp nhau là bao hình của nhau trong chuyển động tương đối giữa chúng nên về nguyên tắc khi đã chọn một đường cong dung làm biên dạng thứ nhất, các phương pháp bao hình ta luôn xác định được dạng đường cong dùng làm biên dạng thứ 2 thỏa mãn điều kiện tỷ số truyền không đổi Nói một cách khác có vô số cặp dạng đường cong tương ứng với nhau có thể dùng làm biên dạng răng, thỏa mãn điều kiện tỷ số truyền không đổi Trong thực tế người ta dùng các dạng đường cong sau đây: Đường xyclôit, đường tròn, đường thân khai, đường tròn trong đó có đường thân khai hình tròn được dung rộng rãi nhất

Hình 2.3 Hình 2.4

1 Đường thân khai hình tròn và tính chất:

a Đường thân khai hình tròn: Sau đây gọi tắt là đường thân khai, hình thành như sau: Cho một đường thẳng ∆ lăn không trượt trên một đường tròn Cb khi đó qũy đạo của một điểm M bất kỳ trên đường thẳng ∆ chính là một đường thân khai (Hình 2.4) Vòng tròn Cb gọi là vòng tròn cơ sở của đường thân khai, bán kính của nó được ký hiệu bằng rb

b Đường thân khai có các tính chất sau:

- Gọi M là một điểm trên đường thân khai, Mb là chân của đường thân khai này trên vòng tròn cơ sở và N là tiếp điểm của vòng cơ sở với đường tiếp tuyến của nó kẻ từ M thì (Hình 2.4)

- Phương pháp tuyến của đường thân khai là tiếp tuyến của vòng cơ sở và ngược lại còn tâm của đường thân khai luôn nằm trên đường cơ sở Trên (Hình 2.4) tiếp điểm N giữa vòng cơ sở và đường thẳng ∆ là tâm cong của đường thân khai tại điểm M

2 Phương trình đường thân khai

Bây giờ ta hãy suy diễn phương trình của đường thân khai cần thiết cho việc nghiên cứu chế độ ăn khớp của cặp bánh răng Ta sẽ dùng hệ toạ độ độc cực Lấy tâm O của vòng cơ sở làm gốc toạ độ cho trục Ox đi qua

Hình 2.5

Mb chân của đường thân khai trên vòng cơ sở (Hình 2.5)

Các toạ độ của một điểm bất kỳ M của đường thân khai trong hệ toạ độ này là bán kính véctơ r−x và góc tọa độ θx

b b

M N M NO M

α

cos

b x

r

r =

Ngoài ra do tính chất thân khai:

x b

b

b

tg r

NM r

M N NM M

r

r = ; θx =tgαx−αx (2.7)

Hình 2.6

3 Biên dạng thân khai thỏa mãn điều kiện tỷ số truyền bằng hằng số:

Xét một cặp biên dạng thân khai E1, E2 đang tiếp xúc với một số vị trí bất kỳ M Biên dạng E1 ứng với vòng tròn cơ sở Cb1, có tâm O1 bán kính rb1 và biên dạng E2

ứng với vòng tròn cơ sở Cb2, có tâm O2 và bánh kính rb2 (Hình 2.6)

Theo tính chất của đường thân khai thì pháp tuyến của biên dạng E1, tại M là tiếp tuyến MN1 của vòng cơ sở Cb1 còn pháp tuyến của vòng cơ sở E2 tại M là tiếp tuyến

MN2 của vòng cơ sở Cb2 Mặt khác vì hai biên dạng E1, E2 tiếp xúc với nhau ở M nên các pháp tuyến MN1,MN2 trùng nhau và là pháp tuyến chung của hai biên dạng Các điểm M, N1 vàN2 do đó nằm trên một đường thẳng Như vậy đường pháp tuyến chung của hai biên dạng răng thân khai tại vị trí tiếp xúc bất kỳ M đồng thời là tiếp tuyến chung của hai vòng cơ sở tương ứng

Vì tâm và bán kính của hai vòng cơ sở đều cố định nên trên mặt phẳng gắn liền với gía đường tiếp tuyến chung N1N2 của hai biên dạng E1, E2 là một đường thẳng

cố định Giao điểm P của nó với đường nối tâm O1, O2 do đó là một điểm cố định Biên dạng thân khai như vậy thỏa mãn điều kiện tỷ số truyền không đổi

4 Đường ăn khớp, góc ăn khớp của bánh răng thân khai

a Đường ăn khớp là quỹ tích của vị trí tiếp xúc giữa hai biên dạng răng trong qúa trình ăn khớp Trong trường hợp biên dạng răng thân khai ăn khớp là một trong hai đường tiếp tuyến chung của hai vòng cơ sở Thật vậy trên đây đã chứng minh

là vị trí tiếp xúc bất kỳ của hai biên dạng thân khai nằm trên đường tiếp tuyến chung của vòng cơ sở, vậy ngược lại đường tiếp tuyến chung của các vòng cơ sở

là qũy tích của các vị trí tiếp xúc của cặp biên dạng thân khai Đường ăn khớp phải vuông góc với mặt làm việc của cặp bánh răng ăn khớp do đó đường ăn khớp là đường nào trong hai đường tiếp tuyến chung của hai vòng cơ sở, điều này tùy thuộc vào việc bánh răng nào là bánh răng dẫn động và chiều quay của bánh răng này là chiều nào

Hình 2.7

Hãy xem xét cơ cấu bánh răng trên (Hình 2.7) với bánh 1 là bánh răng dẫn động Khi bánh răng 1 quay theo chiều kim đồng hồ thì các biên dạng làm việc của cặp bánh răng ăn khớp là biên dạng E1, E2 vì vậy đường ăn khớp vuông góc với với hai biên dạng này là đường tiếp tuyến chung N1, N2 của hai vòng cơ sở Nếu bánh răng dẫn động 1 quay ngược chiều kim đồng hồ thì các biên dạng làm việc E’1, E’2 và đường ăn khớp là đường N’1, N’2

b Gọi uu’ là đường tiếp tuyến chung của hai vòng lăn kr3 qua tâm ăn khớp P thì góc giữa uu’ là đường ăn khớp được gọi là góc ăn khớp của cặp bánh răng ký hiệu là α’ Ta có (Hình 2.7)

Hình 2.8