Nghiên cứu thiết kế máy thử sức bền bánh răng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 339 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY THỬ SỨC BỀN BÁNH RĂNG A STUDY ON THE DESIGN OF THE GEAR STRENGTH TESTING MACHINE Nguyễn Văn Yến Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Sức bền của bánh răng được tính toán bằng các công thức trong giáo trình Chi tiết máy. Kết quả tính toán cần được kiểm tra lại bằng thực tế, trên máy thử sức bền bánh răng. Máy thử sức bền bánh răng có thể xác định khả năng tải tĩnh của các bánh răng theo sức bền uốn, sức bền tiếp xúc. Máy cũng có khả năng xác định sức bền mỏi của các bánh răng, tức là xác định số chu kỳ phá hỏng tương ứng với từng giá trị ứng suất uốn hoặc ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên răng bánh răng. Máy có thể thay đổi khoảng cách trục để thử sức bền của các bánh răng có kích thước khác nhau. Máy có khả năng đặt tải theo kiểu hở và đặt tải theo kiểu khép kín. Khi thử sức bền mỏi, đặt tải theo kiểu khép kín sẽ tiết kiệm được rất nhiều năng lượng. Máy thử sức bền bánh răng có kết cấu đơn giản, có thể chế tạo tại các cơ sở cơ khí của Việt Nam. ABSTRACT The strength of a gear is calculated by using the formulas given in machine elements coursebooks. Calculation results should be checked again on the gear strength testing machines. Our gear strength testing machine is able to determine the static loading capacity of gears according to bending strength and contact strength. It also has the ability to determine the fatigue strength of gears, i.e., determine the number of cycles to failure corresponding to each value of bending stress or contact stress appearing on the gear teeth. It can change the axis distance to test gears of different sizes. This machine has the capabilities: opened style loading and closed style loading. When doing an endurance test, a closed style loading will save a lot of energy. This gear strength testing machine has a simple design and can be manufactured at conventional mechanical facilities in Vietnam. 1. Đặt vấn đề Bánh răng được sử dụng trong hầu hết các máy móc, thiết bị cơ khí. Bộ truyền bánh răng có kích thước nhỏ gọn, khả năng tải cao, tuổi thọ cao và truyền động chính xác. Ở Việt Nam chưa có nhà máy cơ khí chuyên sản suất bánh răng. Nhưng rất nhiều cơ sở cơ khí có gia công, chế tạo bánh răng. Ví dụ, Công ty TNHH Cơ khí chế tạo bánh răng Hà Nội, địa chỉ: số 69 Vũ Trọng Phụng, Hà Nội; Công ty Cơ khí chính xác 11, Bộ Quốc phòng, địa chỉ: 284 Bà Triệu, Thanh hoá; Công ty TNHH Cơ khí FORMOSA, địa chỉ: 24C Nguyễn Trung Trực, huyện Bến Lức, tỉnh Long An. Các cơ sở cơ khí thường nhận gia công bánh răng theo mẫu, hoặc theo bản thiết kế của nơi đặt hàng [5, 6]. Bánh răng được kiểm tra chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước theo đơn đặt hàng. Với phương thức sản xuất không chuyên, nên các cơ sở sản xuất không tiến hành thử TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 340 nghiệm sức bền của bánh răng. Tương lai không xa, chúng ta sẽ sản xuất ô tô mang nhãn hiệu Việt Nam. Hộp số là một trong những bộ phận quan trọng của ô tô. Để có hộp số đạt chất lượng cao, giá thành thấp, chúng ta phải chế tạo được các bánh răng vừa có đủ sức bền vừa có tính kinh tế cao. Muốn vậy, các nhà máy chế tạo bánh răng phải thực hiện thử sức bền bánh răng và cần thiết phải trang bị Máy thử sức bền bánh răng. Hiện tại, một số đơn vị tiến hành thử sức bền bánh răng trên các máy thử sức bền vật liệu vạn năng. Chỉ thử được sức bền tĩnh, không thử được sức bền mỏi của răng. Việc thử được tiến hành theo một trong hai 2 cách sau [1]: - Cách thứ nhất: Chế tạo 2 mẫu thử có hình dạng và kích thước giống như răng của bánh răng. Gá đặt các mẫu trên Máy thử sức bền vật liệu, tiến hành thử sức bền uốn và sức bền tiếp xúc của răng (Hình 1). - Cách thứ hai: Lấy một (hoặc một số) bánh răng bất kỳ trong loạt sản xuất để thử. Chế tạo đồ gá chuyên dùng để gá bánh răng trên Máy thử sức bền vật liệu. Chế tạo đầu đặt tải có hình dạng giống răng của bánh răng, có kích thước lớn hơn và bằng vật liệu tốt hơn. Tiến hành thử sức bền uốn, hoặc sức bền tiếp xúc của răng bánh răng trên Máy thử sức bền vật liệu vạn năng (Hình 2). Từ các số liệu thí nghiệm thu được trong quá trình thử, ta tính được khả năng tải tĩnh của răng bánh răng. Kết quả thu được có độ chính xác không cao, vì trạng thái đặt tải của răng không hoàn toàn giống như trạng thái ăn khớp thực tế của hai bánh răng. Trên các Máy thử sức bền mỏi vạn năng chỉ thử được sức bền mỏi của vật liệu làm bánh răng, chứ không thử được sức bền mỏi của răng bánh răng. Sức bền mỏi của vật liệu làm bánh răng và sức bền mỏi của răng bánh răng có sự khác biệt khá lớn. Thử sức bền mỏi của răng bánh răng phải được thực hiện trên máy thử chuyên dùng cho bánh răng. Khi thử, các bánh răng ăn khớp với nhau đúng như trạng thái làm việc thực của nó. Chọn tải trọng thử lớn hơn tải trọng làm việc thực của bánh răng, để rút ngắn thời gian thử. Hiện nay, ở Việt Nam hầu như không có Máy thử mỏi chuyên dùng cho bánh răng. Do đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thiết kế một số mẫu máy thử sức bền bánh răng, nhằm phục vụ cho việc sản xuất bánh răng của Việt Nam đạt hiệu quả cao. Máy thử sức bền bánh răng do chúng tôi thiết kế có thể thực hiện thử sức bền tĩnh, thử sức bền mỏi của răng bánh răng. Máy có kết cấu đơn giản, có thể chế tạo tại Việt Nam. Máy sử dụng kỹ thuật đo và các thiết bị đo hiện đại, để kết quả thực nghiệm có độ chính xác cao. Hình 1: Gá đặt thử sức bền uốn tĩnh trên mẫu răng F F Hình 2: Gá đặt thử sức bền tĩnh của răng trên bánh răng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 341 2. Cơ sở lý thuyết Sức bền của bánh răng phụ thuộc chủ yếu vào sức bền của răng bánh răng. Nếu răng bị gẫy, mặt răng bị dập hoặc có các vết tróc rỗ, thì bánh răng coi như đã hỏng, không sử dụng được nữa. Sức bền của răng bánh răng có hai loại, sức bền uốn (liên quan đến gẫy răng) và sức bền tiếp xúc (liên quan đến dập, tróc rỗ mặt răng). Sức bền của răng được đánh giá qua sức bền tĩnh và sức bền mỏi. Sức bền tĩnh của răng liên quan đến tải trọng quá tải. Khi tải trọng đột ngột tăng cao, răng bị gẫy hoặc bị dập tức thời, tức là răng không đủ sức bền tĩnh. Sức bền mỏi của răng liên quan đến giá trị ứng suất và số chu kỳ ứng suất trên răng. Nói một cách khác, sức bền mỏi của răng liên quan đến tải trọng và tuổi bền của răng (là tổng số giờ làm việc của bánh răng cho đến lúc hỏng) [3]. Xác định sức bền tĩnh của răng bánh răng là xác định khả năng tải tĩnh của nó. Tức là xác định giá trị mô men xoắn lớn nhất đặt trên trục mang bánh răng, mà răng của bánh răng vẫn chưa bị hỏng. Trên mỗi bánh răng có khả năng tải uốn tĩnh và khả năng tải tiếp xúc tĩnh. Một bánh răng có sức bền tĩnh đều, khi mà khả năng tải uốn tĩnh và khả năng tải tiếp xúc tĩnh của nó bằng nhau. Xác định sức bền mỏi của răng bánh răng là xác định khả năng tải mỏi của nó, khi đã biết trước tuổi bền; hoặc xác định tuổi bền của nó, ứng với một chế độ tải trọng cho trước. Bánh răng cũng có khả năng tải uốn mỏi và khả năng tải tiếp xúc mỏi. Bằng lý thuyết, người ta có thể tính được khả năng tải uốn và khả năng tải tiếp xúc của cặp bánh răng trụ như sau [2, 3]: [ ] )1.(..456533 ... 231 1 += uKK ud T HHv Hdw tx β σψ (1) 1 11 1 ...2 ].[.. FFFv Fw u YKK mBdT β σ= (2) Trong đó: T1tx là mô men xoắn trên trục dẫn tính theo sức bền tiếp xúc (khả năng tải tiếp xúc), dw1 là đường kính vòng lăn của bánh răng dẫn, ψd là hệ số chiều rộng bánh răng tính theo đường kính, ψd = B/dw1, u là tỷ số truyền của cặp bánh răng, [σH] là ứng suất tiếp xúc cho phép của răng bánh răng (nếu tính khả năng tải tĩnh thì [σH] lấy theo giới hạn bền, nếu tính khả năng tải mỏi thì [σF] lấy theo giới hạn mỏi), KHv là hệ số tải trọng động tính theo sức bền tiếp xúc, KHβ là hệ số tập trung tải trọng lên một phần của răng, tính theo sức bền tiếp xúc, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 342 T1u là mô men xoắn trên trục dẫn tính theo sức bền uốn (khả năng tải uốn) của răng, B là chiều rộng của bánh răng, m là mô đun của răng bánh răng, [σF1] là ứng suất uốn cho phép của răng bánh răng (nếu tính khả năng tải tĩnh thì [σF] lấy theo giới hạn bền, nếu tính tải mỏi thì [σH] lấy theo giới hạn mỏi), KFv là hệ số tải trọng động tính theo sức bền uốn, KFβ là hệ số tập trung tải trọng lên một phần của răng, tính theo sức bền uốn, YF1 là hệ số dạng răng của răng bánh dẫn. Bằng thực nghiệm, khả năng tải tĩnh của răng bánh răng được xác định bằng cách: Gá đặt bánh răng lên máy thử, đặt mô men tải lên bánh răng, tăng dần giá trị mô men tải, cho đến khi răng bị gẫy, ta xác định được giá trị tải trọng giới hạn theo sức bền uốn. Khả năng tải uốn của răng bằng tải trọng giới hạn chia cho hệ số an toàn. Tương tự, khi xác định khả năng tải tiếp xúc, ta tăng dần mô men xoắn, cho đến khi mặt răng bị dập, ta xác định được tải trọng giới hạn theo sức bền tiếp xúc. Khả năng tải tiếp xúc của răng bằng tải trọng giới hạn theo sức bền tiếp xúc chia cho hệ số an toàn. (5Xác định khả năng tải mỏi của răng bằng thực nghiệm được tiến hành như sau: + Chế tạo mẫu thử nghiệm: có thể lấy một (hoặc một số) bánh răng bất kỳ trong loạt sản xuất; hoặc chế tạo mẫu thử riêng (mẫu giống như bánh răng sản xuất, nhưng có chiều rộng bằng ½, ¼ hoặc 1/8 chiều rộng bánh răng sản xuất), + Chọn chế độ thử nghiệm: để rút ngắn thời gian thử nghiệm, ta chọn tải trọng thử lớn hơn tải trọng làm việc. Tải trọng thử được tính toán từ phương trình đường cong Mỏi [4]: σmN = hằng. Trong đó σ là giá trị ứng suất phá hỏng răng, N là số chu trình ứng suất phá hỏng răng, m là số mũ của đường cong mỏi (với ứng suất uốn lấy m = 6, ứng suất tiếp xúc lấy m = 8). Trong tính toán bánh răng, ứng suất uốn tỷ lệ với mô men xoắn, ứng suất tiếp xúc tỷ lệ với căn bậc hai của mô men xoắn. Do đó, ta có thể viết: lv m ulvth m uth tTtT = ; lvmtxlvthmtxth tTtT 2/2/ = (3) Ví dụ, tuổi bền của bộ truyền bánh răng là 10.000 giờ (tlv = 103 h), mô men xoắn làm việc là 45.000 Nmm (Tlv = 45.103 Nmm), dự tính thời gian thử là 100 giờ, ta tính được mô men xoắn thử theo sức bền uốn và theo sức bền tiếp xúc như sau: 366 10.45.100./ == lvthlvuth TttT = 96,95.103 (Nmm) (4) 344 10.45.100./ == lvthlvtxth TttT = 142,3.103 (Nmm) (5) Nếu lấy chiều rộng mẫu thử bằng 1/8 chiều rộng bánh răng, thì tải trọng thử theo sức bền uốn là Tuth = 12,12.103 Nmm; tải trọng thử theo tiếp xúc là Tutx = 17,8.103 Nmm. + Tiến hành thử và ghi số liệu thí nghiệm: Gá mẫu thử lên Máy thử sức bền mỏi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 343 bánh răng, đặt tải trọng thử (giá trị mô men xoắn dùng để thử đã được tính toán). Cho máy hoạt động, đếm số vòng quay của bánh răng (xác định thời gian thử) cho đến khi răng bị hỏng. + Xử lý số liệu thí nghiệm: Nếu thời gian thử thực tế nhỏ hơn thời gian thử dự định (tth), bánh răng không đủ sức bền mỏi; nếu thời gian thử thực tế bằng hoặc lớn hơn chút ít (không vượt quá 20%) so với thời gian thử dự định, bánh răng đủ sức bền mỏi và có tính kinh tế cao; nếu thời gian thử thực tế lớn hơn nhiều so với thời gian thử dự định, bánh răng quá dư bền (có thể giảm kích thước của bánh răng để giảm giá thành). Hoặc từ số liệu thí nghiệm, ta có thể tính được tải trọng làm việc ứng với tuổi bền cho trước của bánh răng: uthlvthlv TttT ./6= (6) txthlvthlv TttT ./4= (7) 3. Thiết kế máy thử sức bền bánh răng Máy thử sức bền bánh răng sẽ thực hiện thử sức bền tĩnh và sức bền mỏi của răng bánh răng. Trên Máy thử sức bền, bánh răng được gá đặt đúng như trạng thái làm việc thực của nó (Hình 3). Với cách gá đặt này, kết quả thực nghiệm có độ tin cậy rất cao. Khi thử sức bền tĩnh, ta gá bánh răng lên máy. Thường chọn hai bánh răng như nhau. Tiến hành xoắn trục với mô men xoắn Tth (tải trọng thử), giữ cho bánh răng không quay. Giữ nguyên tải trọng Tth trong thời gian 10 phút. Nếu răng của bánh răng không hỏng, kết luận bánh răng đủ sức bền tĩnh ứng với tải trọng đã cho. Muốn xác định xem bánh răng có thừa sức bền tĩnh hay không, ta tăng dần giá trị của Tth cho đến khi răng bị hỏng. So sánh giá trị mô men xoắn Tth thử với Tth theo tính toán, nếu có chênh lệch lớn, chứng tỏ bánh răng quá dư sức bền tĩnh. Khi thử sức bền mỏi, ta gá bánh răng lên Máy và đặt tải trọng thử Tth (đã tính toán trước) lên bánh răng. Cho bánh răng quay với số vòng quay tính toán (khoảng 1.400÷1.500 v/ph). Đếm số vòng quay của trục, để quy ra thời gian thử của cặp bánh răng. Khi đạt đủ số thời gian thử theo tính toán, ta dừng Máy, kiểm tra răng bánh răng. Nếu răng của bánh răng chưa bị hỏng, kết luận bánh răng đủ sức bền mỏi ứng với tải trọng và thời gian đã cho trước. Muốn biết bánh răng có thừa bền hay không, chúng ta tiếp tục cho Máy hoạt động, cho đến khi răng bị hỏng. So sánh thời gian thử thực với thời gian thử theo tính toán, nếu có chênh lệch nhiều, chứng tỏ bánh răng quá dư sức bền mỏi. Máy thử sức bền bánh răng được thiết kế theo hai kiểu: Kiểu đặt tải hở và kiểu đặt tải khép kín (Hai cặp bánh răng tạo thành vòng kín, gia tải bằng cách xoắn trục, sau Hình 3: Gá đặt bánh răng trên Máy thử sức bền bánh răng TthTth TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 344 đó cho các bánh răng ăn khớp với nhau. Khi động cơ không làm việc, bánh răng vẫn chịu tải). Sơ đồ kết cấu Máy thử sức bền bánh răng theo kiểu đặt tải hở trình bày trên Hình 4: Động cơ số 6 tạo mô men xoắn để thử mỏi (tạo tải trọng thử Tth); ly hợp an toàn số 7 (khi răng bị gẫy, ly hợp sẽ cắt chuyển động từ động cơ đến trục); bộ phát tín hiệu đo số vòng quay số 5; phanh số 4 (để cố định trục khi thử tĩnh, hoặc dừng máy khi cần); bánh răng thử số 3 và số 2 lắp chìa trên trục (để dễ thay thế); đai ốc số 1 để cố định bánh răng theo phương dọc trục; gối đỡ trục số 11 (có thể dịch chuyển để thay đổi khoảng cách trục, khi thử các bánh răng có kích thước khác nhau); bộ phát tín hiệu đo mô men xoắn số 10 (để xác định mô men xoắn trên trục); phanh thử công suất có cơ cấu cân bằng số 8; lực kế số 9 để xác định mô men phanh đặt lên trục. Sơ đồ kết cấu Máy thử bền bánh răng đặt tải theo kiểu kín được trình bày trên Hình 5. Động cơ số 7 chỉ cung cấp năng lượng để khắc phục các ma sát trong máy (khi thử mỏi); ly hợp an toàn số 6; bộ phát tín hiệu đo số vòng quay số 5; phanh số 4 (để cố định trục khi gia tải - xoắn trục số 13, hoặc dừng máy khi cần); bánh răng thử số 3 và số 2; đai ốc số 1; gối đỡ trục số 15; bộ phát tín hiệu đo mô men xoắn số 14; bánh răng số 8 của máy được lắp cố định trên trục; bánh răng số 12 được lắp lồng không trên trục; ly hợp số 11 mở khi gia tải, gia tải xong thì đóng ly hợp (lúc này bánh răng 12 được nối cứng với trục 13), tách cơ cấu gia tải khỏi trục và thả phanh số 4 – cặp bánh răng của máy và cặp bánh răng thử tạo thành hệ kín, chịu mô men tải trọng thử; cơ cấu gia tải số 9, lực kế số 10 để xác định mô men tải trọng thử đặt lên trục. Máy thử sức bền bánh răng gia tải kiểu hở có kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo. Bộ phận phát tín hiệu đo số vòng quay 5 và đo mo men xoắn 10 liên hệ vô tuyến với bộ phận nhận tín hiệu, nên kết quả đo có độ chính xác cao [4]. Khi thử sức bền mỏi, tiêu tốn khá nhiều năng lượng. Kiểu đặt tải khép kín, máy có kết cấu phức tạp hơn, nhưng khi thử sức bền mỏi của bánh răng, tiêu tốn rất ít năng lượng (động cơ có công suất nhỏ). Hình 5: Sơ đồ kết cấu của Máy thử sức bền bánh răng kiểu đặt tải khép kín 3 2 1 4 5 15 14 7 6 9 10 8 11 Hình 4: Sơ đồ kết cấu của Máy thử sức bền bánh răng kiểu đặt tải hở 3 2 1 4 56 7 11 10 8 9 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 345 4. Kết luận Kiểm tra sức bền của bánh răng bằng thực nghiệm là rất cần thiết. Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm, chúng ta điều chỉnh kết quả tính toán thiết kế bánh răng để chế tạo những bánh răng đủ bền và có tính kinh tế cao. Máy thử sức bền bánh răng không phải là loại máy phổ biến, giá thành rất cao, nên các cơ sở sản xuất cơ khí của Việt Nam không trang bị loại máy này. Nghiên cứu lý thuyết tính toán sức bền bánh răng và các thí nghiệm xác định sức bền của răng, chúng tôi đã thiết kế hai mẫu máy thử sức bền bánh răng: Máy thử sức bền bánh răng gia tải kiểu hở và Máy thử sức bề bánh răng gia tải kiểu khép kín. Máy thử sức bền bánh răng do chúng tôi thiết kế có kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo tại Việt Nam, giá thành rẻ. Máy thử trên trạng thái làm việc thực của bánh răng, sử dụng kỹ thuật và thiết bị đo hiện đại để lấy số liệu, nên kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Chúng tôi hy vọng trong thời gian tới sẽ chế tạo Máy thử sức bền bánh răng tại Đà Nẵng và đưa vào sử dụng tại các cơ sở sản xuất bánh răng, chế tạo hộp số ô tô. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Erney Gy. (Szerk); Fogaskerekek; Műszaki könyvkiadó; 1983. [2] Dr. Zsáry Árpád; Gépelemek, I & II kötet; Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. [3] TS. Nguyễn Văn Yến, Giáo trình Chi tiết Máy, NXB Giao thông Vận tải, 2005. [4] Dương Minh Trí, Cảm biến và ứng dụng, NXB Trẻ, 2007. [5] Website www.techmartvietnam.vn [6] Website www.hatrade.com.vn