Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Tính toán thiết kế thông số hình học và mô phỏng bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PLASTIC GEAR DRIVE

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phạm Quang Trung

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Phạm Hữu Lộc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 10 tháng 1 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải

2 Thư ký: TS Dương Huyền Luynh

3 Phản biện 1: TS Phạm Quang Trung

4 Phản biện 2: TS Phạm Hữu Lộc

5 Ủy viên: PGS.TS Phạm Sơn Minh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS.TS Nguyễn Thanh Hải PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TẠ TRÍ THÔNG MSHV: 2070323 Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1997 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 8520103

TÊN ĐỀ TÀI: Tính toán thiết kế thông số hình học và mô phỏng bộ truyền bánh răng

từ vật liệu nhựa - Design Calculation of Geometrical Parameters and Simulation of Plastic Gear Drive

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Nội dung 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính toán thông số hình học bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa theo các tiêu chuẩn khác nhau  Nội dung 2: Nghiên cứu lựa chọn vật liệu nhựa cho bánh răng

 Nội dung 3: Đưa ra quy trình tính toán bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa và áp dụng quy trình vào tính toán bánh răng trong máy cụ thể

 Nội dung 4: Mô phỏng độ bền uốn, độ bền tiếp xúc của bánh răng nhựa và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết

 Nội dung 5: Phân tích kết quả và kết luận

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc PGS.TS Bùi Trọng Hiếu

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn trực tiếp

của tôi, thầy PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC, người đã luôn theo sát tôi trong suốt thời

gian luận văn vừa qua, đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi đi đúng hướng, cung cấp những tài liệu, thiết bị cần thiết để tôi có thể hoàn thành được luận văn này Không chỉ ở hướng dẫn luận văn, mà các môn, lớp học, thầy đều dạy tận tình, sẵn sàng giải đáp những khuất mắc của tôi để qua đó tôi có thêm các kiến thức thực tế, tích lũy kinh nghiệm cho công

việc sau này Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy PGS.TS

NGUYỄN HỮU LỘC

Tôi xin trân trọng cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Tp HCM, những người đã dạy dỗ và truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn để tôi có được một nền tảng tốt, hỗ trợ rất nhiều cho tôi trong quá trình nghiên cứu, hoàn thiện luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến xưởng cơ khí C1 –Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM đã cung cấp, hỗ trợ những thiết bị máy móc cần thiết để tôi có thể hoàn thành bài luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Sau Đại học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu một cách thuận lợi nhất

Do vốn kiến thức, thời gian nghiên cứu và tìm hiểu có hạn nên không tránh những sai sót trong quá trình thực hiện, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của

thầy cô và các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn sau này

TP.HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2023 Học viên thực hiện

Tạ Trí Thông

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong nội dung luận văn này, trình bày các nghiên cứu về lựa chọn vật liệu, các dạng hỏng, chỉ tiêu tính, tính toán bánh răng trụ từ vật liệu nhựa theo các tiêu chuẩn khác nhau và áp dụng tính toán cụ thể cho bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trong máy sạ lúa dựa theo điều kiện đảm bảo độ bền tiếp xúc và uốn Ngoài ra còn tính toán nhiệt độ bánh răng trong quá trình làm việc Kết quả nghiên cứu biển diễn dạng bảng, công thức và hình ảnh Dùng phần mềm CAD/CAE để mô hình hóa và mô phỏng bánh răng Từ các kết quả này, có cơ sở để chọn sơ bộ kích thước bánh răng nhựa trong các máy nông nghiệp

Với đề tài như trên, tôi xin trình bày nội dung luận văn gồm các phần sau:

Chương 1: Giới thiệu về bánh răng nhựa và đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, tính khoa học và ứng dụng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: lựa chọn vật liệu, kết hợp vật liệu, bôi trơn và các tiêu chuẩn tính toán bánh răng nhựa

Chương 3: Các dạng hỏng, chỉ tiêu tính và quy trình tính toán

Chương 4: Kết quả tính toán cụ thể và mô phỏng: kết quả tính toán cụ thể cho máy sạ lúa, kết quả mô phỏng bánh răng nhựa trên phần mềm và sai lệch giữa kết quả mô phỏng và tính toán Ngoài ra, còn trình bày các bảng biểu, hình ảnh và phần mềm tính toán tự động cho bánh răng nhựa

Chương 5: Kết luận: nêu ra ưu điểm và khuyết điểm của luận văn và hướng phát triển cho đề tài

ABSTRACT OF MASTER THESIS

In the content of this thesis, present studies on material selection, types of failure, calculation criteria, calculation of cylindrical gears from plastic materials according to different standards and apply specific calculations to straight cylinder gear transmissions in tractor based on conditions to ensure contact and bending stress There is also a calculation of the gear temperature during work Research results show tables, formulas and images Use CAD/CAE software to model and simulate gears From these results, there is a basis for preliminary selection of plastic gear sizes in agricultural machines

With the above topic, I would like to present the content of the thesis including the following parts:

Chapter 1: Introduction to Plastic Gears and topics, research objectives, research content, research subjects, scientific properties and applications

Chapter 2: Theoretical basis: material selection, material combination, lubrication and calculation criteria for plastic gears

Chapter 3: Types of failures, calculation criteria and calculation procedures Chapter 4: Specific and simulated calculation results: specific calculation results for tractor, plastic gear simulation results on the software, and deviations between simulation and calculation results In addition, there are presentations of tables, images and automatic calculation software for plastic gears

Chapter 5: Conclusion: point out the advantages and disadvantages of the thesis and the development direction for the topic

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây Ngoài ra, những số liệu, bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, có chỉ dẫn chính xác và ghi rõ trong danh mục Tài liệu tham khảo Nếu phát hiện có bất kì sự gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung nghiên cứu của mình

TP.HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2023 Học viên thực hiện

Tạ Trí Thông

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT OF MASTER THESIS iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC KÝ HIỆU xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.3 Nội dung nghiên cứu 7

1.4 Đối tượng nghiên cứu 8

2.3.1 Các loại bôi trơn 14

2.3.2 Bánh răng chạy khô không có chất bôi trơn bên trong 14

2.3.3 Bánh răng chạy khô có chất bôi trơn bên trong 15

2.3.4 Bôi trơn bên ngoài 16

2.4 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính 18

2.4.1 Các dạng hỏng 18

2.4.2 Chỉ tiêu tính 19

2.5 Các tiêu chuẩn tính và kiểm nghiệm của bánh răng nhựa 19

2.5.1 Tiêu chuẩn VDI 2736 20

2.5.1.1.Tính toán các thông số hình học của bánh răng từ vật liệu nhựa 22

2.5.1.2 Nhiệt độ răng 27

2.5.1.3 Ứng suất uốn chân răng 29

2.5.1.4 Ứng suất tiếp xúc thân răng 35

2.5.1.5 Độ mài mòn 40

2.5.1.6 Sự biến dạng 41

2.5.1.7 Kiểm nghiệm răng về quá tải 42

2.5.1.8 Hiệu suất truyền tải 42

2.5.2.Tiêu chuẩn JIS B 1759 43

2.5.2.1 Tính toán các thông số hình học của bánh răng từ vật liệu nhựa 43

2.5.2.2 Ứng suất uốn chân răng 47

2.5.2.3 Đánh giá độ an toàn của bánh răng 54

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN 70

3.1.Quy trình tính toán bánh răng trụ (thẳng và nghiêng) từ vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn VDI 2736 70

3.2 Chương trình tự động tính toán 74

3.3.So sánh sai khác các thông số hình học tính toán và kiểm nghiệm bánh răng trụ giữa tiêu chuẩn kim loại và nhựa 76

3.4 Kết luận 78

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỤ THỂ VÀ MÔ PHỎNG 79

4.1 Áp dụng tính toán cụ thể cho bánh răng trong máy sạ lúa 79

4.2 Mô phỏng 93

4.3 Kết luận 101

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 118

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bánh răng nhựa 1

Hình 1.2 Bánh răng nhựa trong cơ cấu dẫn động khác nhau được sử dụng trong máy rút tiền tự động và máy bán vé (Franz Morat Group) 4

Hình 1.3 Bánh răng nhựa cho động cơ E-bike (Franz Morat Group) 4

Hình 1.4 Bánh răng nhựa được sử dụng làm bộ truyền động cho máy hủy tài liệu (Franz Morat Group) 4

Hình 1.5 Bánh răng nhựa được sử dụng trong bộ truyền động đảm bảo đóng mở cửa hút gió phía trước của động cơ theo nhu cầu (Franz Morat Group) 4

Hình 1.6 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống truyền dịch tự động (Franz Morat Group) 5

Hình 1.7 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống cửa cuốn tự động (Franz Morat Group) 5

Hình 1.8 Bánh răng nhựa được sử dụng trong các bộ truyền động của cầu thang bộ nâng, di chuyển tự động (Franz Morat Group) 5

Hình 1.9 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống nước đóng chai được tập đoàn Röchling sản xuất và cung cấp 6

Hình 2.1 Bánh răng kết hợp nhựa và kim loại (trái) và bánh răng toàn bộ bằng nhựa (phải) 13

Hình 2.2 Khả năng kháng chất bôi trơn của chất dẻo 14

Hình 2.3 Kết hợp dầu gốc-nhựa phù hợp 17

Hình 2.4 Lưu đồ đơn giản để tính toán bánh răng trụ bằng nhựa theo VDI 2736 21

Hình 2.5 Hệ số dạng răng YFa cho răng bên ngoài 32

Hình 2.11 Mặt cắt của bánh răng ngoài 48

Hình 2.12 Mặt cắt của bánh răng trong 48

Hình 2.13 Cấu hình răng cơ bản tiêu chuẩn 51

Hình 2.14 Độ dày vành bánh răng ngoài (trái) và bánh răng trong (phải) 52

Hình 2.15 Hệ số giãn nở nhiệt th 58

Hình 2.16 Hệ số mở rộng hút ẩm hy 59

Hình 2.17 Hệ số dạng răng YF như một hàm của số răng z đối với các giá trị khác nhau của hệ số dịch chỉnh đầu răng x 64

Hình 2.18 Giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải (PA 66 không bôi trơn) 65

Hình 2.19 Giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải (POM không bôi trơn) 65

Hình 2.20 Hệ số kích thước YX như một hàm của modun bánh răng 66

Hình 2.21 Modun đàn hồi E so với nhiệt độ 67

Hình 2.22 Giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với số chu kỳ tải (PA 66 không bôi trơn) 68

Hình 2.23 Giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với số chu kỳ tải (POM không bôi

trơn) 69

Hình 3.1 Chương trình tính toán tự động cho bánh răng nhựa 75

Hình 4.1 Máy sạ lúa theo khóm 79

Hình 4.2 Sơ đồ động của máy 79

Hình 4.3 Dùng phần mềm CAD để mô hình hóa bánh răng theo thông số hình học bánh răng nhựa 93

Hình 4.4 Nhập các thông số đầu vào cho phần mềm phân tích bánh răng nhựa 97

Hình 4.5 Dùng phần mềm phân tích để chia lưới bánh răng nhựa 98

Hình 4.6 Dùng phần mềm phân tích để phân tích ứng suất bánh răng nhựa 98

Hình 4.7 Ứng suất tại đầu răng khi dùng phần mềm phân tích ứng suất 99

Hình 4.8 Ứng suất tiếp xúc khi dùng phần mềm phân tích ứng suất 99

Hình 4.9 Ứng suất uốn khi dùng phần mềm phân tích ứng suất 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Vật liệu nhựa, đặc điểm và ứng dụng của một số loại nhựa 9

Bảng 2.2 Tính chất cơ học của các vật liệu nhựa nhiệt dẻo chế tạo bánh răng 10

Bảng 2.3 Hệ số Poisson của các vật liệu nhựa khác nhau 11

Bảng 2.4 Khả năng kháng của nhựa nhiệt dẻo ứng dụng điển hình đối với hóa chất (+ Kháng, ○ Kháng 1 phần, – Không kháng) 12

Bảng 2.5 Độ nhám bề mặt thuận lợi của nhựa cho bánh răng thép có HRC > 50, chạy khô 13

Bảng 2.6 Ảnh hưởng tích cực và tiêu cực của một số chất độn và vật liệu gia cố 15

Bảng 2.7 Lựa chọn chất bôi trơn theo nhiệt độ làm việc 16

Bảng 2.8 Hằng số điện môi đối với một số loại dầu và polymer 17

Bảng 2.9 Các hư hỏng của bánh răng bằng nhựa và nguyên nhân của nó 18

Bảng 2.10 Giới hạn mỏi uốn xấp xỉ Fü đối với vật liệu bánh răng nhiệt dẻo 24

Bảng 2.11 Giá trị modun pháp tuyến mn theo DIN 780 24

Bảng 2.12 Hệ số ma sát  29

Bảng 2.13 Hệ số truyền nhiệt k,Fu, k,Fla của bánh răng nhựa 29

Bảng 2.14 Hệ số độ trở truyền nhiệt R,G của vỏ hộp 29

Bảng 2.15 Các khả năng về hệ số chế độ tải trọng động ngoài KA 31

Bảng 2.16 Giá trị giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải FlimN đối với nhiệt độ chân răng Fu 35

Bảng 2.17 Hệ số mài mòn kw khi chạy khô 41

Bảng 2.18 Giá trị cơ bản tiêu chuẩn 50

Bảng 2.19 Thông số kỹ thuật cặp bánh răng thử nghiệm 52

Bảng 2.20 Điều kiện hoạt động thử nghiệm 53

Bảng 2.21 Modun pháp tuyến 55

Bảng 2.22 Bước răng kính pháp tuyến 56

Bảng 2.23 Giá trị cấp dung sai IT 57

Bảng 2.24 Hệ số ma sát  61

Bảng 2.25 Hệ số thực nghiệm đối với cặp vật liệu bánh răng Ka 62

Bảng 2.26 Hệ số vật liệu bánh răng không đổi KM 62

Bảng 2.27 Hệ số độ trở truyền nhiệt Kb 62

Bảng 2.28 Nhiệt độ tối đa cho vật liệu nhựa để hoạt động liên tục max 62

Bảng 2.29 Hệ số chế độ tải trọng động ngoài KA cho bánh răng giảm tốc 64

DANH MỤC KÝ HIỆU

AG, A Diện tích bề mặt tỏa nhiệt của vỏ hộp m2

awmax Khoảng cách trục lớn nhất mm aext Khoảng cách trục kéo dài mm ath Khoảng cách trục giãn nở nhiệt mm

den Đường kính tương đương của vòng tròn đi qua điểm trên đỉnh răng

mm

ED Thời gian ăn khớp (tiếp xúc) răng tương đối -

HV Hệ số mất mát công suất trên răng - haP Chiều cao đầu răng tiêu chuẩn mm hP Chiều cao chân răng tiêu chuẩn mm hFe Chiều dài cánh tay momen uốn mm KA Hệ số chế độ tải trọng động ngoài - KF Hệ số tải trọng tính ứng suất uốn - KF, KH Hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các răng - KF, KH Hệ số tập trung tải trọng theo chiều rộng vành răng - KH Hệ số tải trọng tính ứng suất tiếp xúc -

mn Modun pháp tuyến mm mt Modun ngang bánh răng trụ răng nghiêng mm

R,G Hệ số độ trở truyền nhiệt của vỏ hộp K.m2/W

SFmin Hệ số an toàn tối thiểu, chân răng -

SHmin Hệ số an toàn tối thiểu, thân răng - SSmin Hệ số an toàn tối thiểu cần thiết để vượt quá ứng suất

n Góc biên dạng răng trong mặt phẳng pháp o

t Góc biên dạng răng trong mặt phẳng ngang o

b Góc nghiêng răng trên hình trụ cơ sở o

0, 0 Nhiệt độ môi trường xung quanh 0C Fu,  Nhiệt độ chân răng 0C Fla,  Nhiệt độ thân răng 0C zul, max Nhiệt độ hoạt động tối đa 0C 1, 2 Hệ số tiếp xúc hướng tâm riêng phần -

F Ứng suất uốn chân răng N/mm2

FG Giới hạn mỏi uốn lớn nhất N/mm2FlimN,

FP Ứng suất uốn cho phép N/mm2FP,s Ứng suất chân răng cho phép dưới tác dụng momen

Fü Giới hạn mỏi uốn xấp xỉ N/mm2

H Ứng suất tiếp xúc trên bề mặt răng N/mm2

HP Ứng suất tiếp xúc cho phép N/mm2HG Giới hạn mỏi tiếp xúc lớn nhất N/mm2

pm Nhiệt độ đỉnh của dải nóng chảy 0C

pet Bước răng cơ sở ngang trên đường tiếp xúc mm

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới

Giới thiệu về bánh răng nhựa và đề tài

Bánh răng nhựa đang tiếp tục thay thế các bánh răng kim loại trong nhiều lĩnh vực: từ linh kiện ô tô đến thiết bị tự động hóa văn phòng, bên cạnh đó bánh răng nhựa có thể thay thế cho bánh răng kim loại trong nhiều lĩnh vực mà không thể sử dụng bánh răng kim loại như đồ chơi, công nghiệp hóa chất,…Trước đây, bánh răng nhựa không được coi là có khả năng truyền công suất, bị hạn chế về tốc độ vận hành tối đa và không được coi là có thể truyền chuyển động với mức độ chính xác cao Tuy nhiên, vật liệu ngày càng cải tiến với khả năng chịu tải cao hơn, tiến bộ trong thiết kế khuôn và công nghệ đúc, và sự phát triển của dữ liệu kỹ thuật đáng tin cậy đã dẫn đến việc sử dụng thành công và ngày càng nhiều vật liệu nhựa được sử dụng để chế tạo cho cả bánh răng truyền động và bánh răng truyền lực

Theo thống kê của Decision Databases, từ dữ liệu thu thập được trong 2015-2019 đã dự đoán 2020-2025 thị trường bánh răng nhựa tăng theo lãi kép 1,1% và sẽ đạt mốc 3379,5 triệu USD (2025) (tính từ mốc 2019 là 3228,6 triệu USD)

Qua đó thấy được rằng ứng dụng bánh răng nhựa ngày càng trở thành xu hướng toàn cầu trong nghành bánh răng

Hình 1.1 Bánh răng nhựa

Hiện nay, bánh răng bằng vật liệu kim loại đã có nhiều tài liệu hướng dẫn đầy đủ và chi tiết Các tiêu chuẩn hiện tại đang sử dụng là tiêu chuẩn ISO 6336:1996 liên quan tính toán bánh răng trụ:

- Tính toán khả năng tải của bánh răng trụ thẳng và răng nghiêng – Phần 1: Nguyên tắc cơ bản, giới thiệu và các hệ số ảnh hưởng chung

- Tính toán khả năng tải của bánh răng trụ thẳng và răng nghiêng – Phần 2: Tính toán độ bền tiếp xúc (TCVN 7578-2:2006)

- Tính toán khả năng tải của bánh răng trụ thẳng và răng nghiêng – Phần 3: Tính toán độ bền uốn của răng (TCVN 7578-3:2006)

- Tính toán khả năng tải của bánh răng trụ thẳng và răng nghiêng – Phần 5: Độ bền và chất lượng vật liệu

Tiêu chuẩn tính toán bánh răng côn ISO 10300 – 2001 bao gồm:

- Tính toán khả năng tải của bánh răng côn – Phần 1: Giới thiệu và các hệ số ảnh hưởng chung (ISO 10300 - 1 – 2001)

- Tính toán khả năng tải của bánh răng côn – Phần 2: Tính toán độ bền tiếp xúc (ISO 10300 - 2 – 2001)

- Tính toán khả năng tải của bánh răng côn – Phần 3: Tính toán độ bền uốn của răng (ISO 10300 – 3 - 2001)

Tương ứng các tiêu chuẩn trên là AGMA 2001-D04:2005 và ANSI/AGMA B97

2003-Ngoài ra để tính toán bánh răng ta còn sử dụng các tiêu chuẩn sau: Legacy ANSI, Bach, Merrit, CSN 01 4686, DIN 3990, trong đó hai tiêu chuẩn cuối tương thích ISO 6336 Tiêu chuẩn Việt Nam về bánh răng chưa cập nhật, chỉ có 2 tiêu chuẩn mới TCVN 7578-1, 2:2006, chưa đầy đủ để có thể tính toán thiết kế

Tuy nhiên, bánh răng bằng vật liệu nhựa thì có rất ít nghiên cứu trên thế giới về tính toán thông số hình học của bánh răng theo tiêu chuẩn Đã có một số nghiên cứu đưa ra cách tính và kết quả [12,13,14,15], nhưng chưa đưa ra quy trình cụ thể và chưa cập nhật tiêu chuẩn mới Việc tính toán bộ truyền bánh răng nhựa theo tiêu chuẩn tốn nhiều thời gian, vì bài toán đa dạng các ràng buộc, các biểu đồ, bảng biểu, công thức tính toán, thực nghiệm và kiểm nghiệm khác nhau Việc tính toán bánh răng từ vật liệu nhựa có ý nghĩa quyết định đến kích thước, khối lượng, độ bền cũng như giá thành của sản phẩm Hiện nay, bánh răng nhựa chủ yếu được tính theo các tiêu chuẩn để từ đó chọn sơ bộ

các kích thước và kiểm nghiệm

Ưu, nhược điểm của bánh răng nhựa:

Ưu điểm:

- Những ưu điểm tạo nên sự gia tăng lớn trong việc sử dụng bánh răng nhựa: • Chi phí tương đối thấp (đặc biệt đối với bánh răng ép phun khối lượng lớn) • Sản xuất dễ dàng và tốc độ nhanh

• Trọng lượng nhẹ và quán tính thấp; hệ số ma sát thấp

• Khả năng giảm chấn động giúp bộ truyền hoạt động trơn tru, yên tĩnh • Khả năng hoạt động với lượng dầu bôi trơn tối thiểu hoặc không có • Khả năng phục hồi lớn hơn so với bánh răng kim loại

Ứng dụng của bánh răng nhựa:

- Các ứng dụng cụ thể của bánh răng nhựa: thiết bị gia dụng, máy rút tiền, máy photocopy, hủy tài liệu, cửa cuốn, hệ thống băng tải và tự động hóa, ô tô, y tế, vệ sinh hồ bơi, camera quan sát,…

Hình 1.2 Bánh răng nhựa trong cơ cấu dẫn động khác nhau được sử dụng trong máy rút tiền tự động và máy bán vé (Franz Morat Group)

Hình 1.3 Bánh răng nhựa cho động cơ E-bike (Franz Morat Group)

Hình 1.4 Bánh răng nhựa được sử dụng làm bộ truyền động cho máy hủy tài liệu (Franz Morat Group)

Hình 1.5 Bánh răng nhựa được sử dụng trong bộ truyền động đảm bảo đóng mở cửa hút gió phía trước của động cơ theo nhu cầu (Franz Morat Group)

Hình 1.6 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống truyền dịch tự động (Franz Morat Group)

Hình 1.7 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống cửa cuốn tự động (Franz Morat Group)

Hình 1.8 Bánh răng nhựa được sử dụng trong các bộ truyền động của cầu thang bộ nâng, di chuyển tự động (Franz Morat Group)

Bên cạnh đó bánh răng nhựa cũng xuất hiện trong các hệ thống công nghiệp của các nhà máy lớn

Hình 1.9 Bánh răng nhựa được sử dụng trong hệ thống nước đóng chai được tập đoàn Röchling sản xuất và cung cấp

Những nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay, đã có một số nghiên cứu trên thế giới về thiết kế bánh răng nhựa nhưng chưa đưa ra quy trình cụ thể và chưa cập nhật tiêu chuẩn mới

S Mahendran, K M Eazhil, and L S Kumar [12] đã tính toán thông số hình học của bánh răng trụ răng thẳng bằng vật liệu composite, phân tích bằng ANSYS và so sánh với bánh răng trụ răng thẳng bằng vật liệu thép trong hộp giảm tốc của ô tô khi thay đổi số vòng quay Kết quả thu được: ứng suất, biến dạng và trọng lượng của bánh răng trụ răng thẳng bằng vật liệu composite ít hơn so với bánh răng trụ răng thẳng bằng thép, vật liệu composite có khả năng sử dụng trong hộp số ô tô và thay thế cho các loại bánh răng bằng thép với hiệu quả tốt hơn

A N Taywade and V G Arajpure [13] trình bày tính toán thông số hình học của bánh răng trụ răng nghiêng bằng vật liệu Nylon 66 trong ô tô, thu được kết quả: sử dụng được bánh răng nghiêng bằng vật liệu Nylon 66 cho ứng dụng ô tô nhỏ và cũng đưa ra ý tưởng lựa chọn vật liệu nhựa thích hợp để nó có thể chịu được tải trọng mong muốn và cũng có thể sử dụng cho các ứng dụng khác nhau

N Kumar, M K Singh, and A Kumar [14] trình bày tính toán thông số hình học và lựa chọn vật liệu nhựa cho bánh răng nhựa, sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích giữa các vật liệu nhựa khác nhau Kết quả thu được: vật liệu nhựa thích hợp để tính toán và chế tạo bánh răng là PA, POM

O T Laseinde and S B Adejuyigbe [15] nghiên cứu tính toán thiết kế thông số hình học bánh răng trụ răng thẳng sử dụng VR, so sánh kết quả tính toán lý thuyết và phần mềm theo các bộ thông số hình học khác nhau Kết quả thu được: giảm thời gian và nguồn lực, tiết kiệm chi phí khi tính toán thiết kế

Trong nội dung luận văn này, trình bày các tiêu chuẩn hiện có và đưa ra quy trình tính cho bánh răng bằng vật liệu nhựa Từ đó, thiết kế chính xác hơn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Áp dụng các tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế bánh răng bằng vật liệu nhựa và mô phỏng

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan

Nội dung 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính toán thông số hình học bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa theo các tiêu chuẩn khác nhau

Nội dung 3: Nghiên cứu lựa chọn vật liệu nhựa cho bánh răng - Bảng chọn vật liệu

- Bảng đặc tính của vật liệu

Nội dung 4: Đưa ra quy trình tính toán bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa và áp dụng quy trình vào tính toán bánh răng trong máy cụ thể

- Công thức tính toán, quy trình, bảng tra hệ số

- Áp dụng quy trình tính toán bánh răng từ vật liệu nhựa - Chương trình tính toán bằng máy tính

Nội dung 5: Mô phỏng độ bền uốn, độ bền tiếp xúc của bánh răng nhựa và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết

Nội dung 6: Phân tích kết quả và kết luận

- Phân tích kết quả, kết luận và đưa ra định hướng nghiên cứu phát triển Nội dung 7: Viết báo cáo, thuyết minh tổng kết

- Thuyết minh luận văn tốt nghiệp

1.4 Đối tượng nghiên cứu

- Bộ truyền bánh răng trụ (thẳng và nghiêng) từ vật liệu nhựa

- Cơ sở lý thuyết để tính toán thông số hình học của bộ truyền bánh răng trụ từ vật liệu nhựa

- Mô phỏng độ bền uốn và độ bền tiếp xúc của bánh răng nhựa

1.5 Tính khoa học và ứng dụng

- Xây dựng được quy trình tính toán thiết kế thông số hình học bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa

- Mô phỏng được độ bền uốn và độ bền tiếp xúc của bánh răng nhựa

- Ứng dụng cho đối tượng là bánh răng trong các máy cụ thể (như: máy sạ lúa,…)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lựa chọn vật liệu

Các đặc tính cơ-nhiệt do cấu trúc phân tử của các loại nhựa khác nhau cho phép phân loại vật liệu nhựa thành các loại khác nhau: chất dẻo nhiệt rắn, chất dẻo đàn hồi và chất dẻo nhiệt Trong môi trường công nghệ truyền động, nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể chủ yếu được sử dụng làm vật liệu chế tạo bánh răng và một số loại nhựa khác

Bảng 2.1 Vật liệu nhựa, đặc điểm và ứng dụng của một số loại nhựa

Nhựa ABS và vật liệu LDPE

Thường không thể đáp ứng các yêu cầu về bôi trơn, chống mỏi, ổn định kích thước, chịu nhiệt, chống rão và chống ăn mòn hóa học của bánh răng nhựa Nhưng nó được sử dụng trong lĩnh vực bánh răng truyền động cấp thấp như đồ chơi

Bánh răng đúc bằng chất dẻo nhiệt có tính linh hoạt tốt, có thể hấp thụ tốt tải trọng va đập do truyền động tạo ra, đồng thời làm cho tiếng ồn của bánh răng thấp và chạy êm hơn Nhựa nhiệt dẻo copolyester thường đúc ra bánh răng có công suất thấp và truyền động tốc độ cao, cũng có thể làm giảm tiếng ồn khi vận hành ngay cả khi một số biến dạng và sai lệch xảy ra trong quá trình vận hành PC

(polycarbonate)

Chống va đập, chịu thời tiết, độ cứng cao, độ co ngót nhỏ và ổn định về kích thước Tuy nhiên, các tính chất tự thấm ướt, hóa học và chống mỏi của polycarbonate rất kém Chất liệu này không màu và trong suốt, dễ phối màu cho các chi tiết bằng nhựa cần độ thẩm mĩ cao Nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong truyền động bánh răng chính xác của các thiết bị và dụng cụ trang trí

POM

(polyformaldehyde)

Một trong những loại nhựa kỹ thuật nhiệt dẻo quan trọng và được sử dụng phổ biến nhất cho bánh răng, có lịch sử hơn 40 năm Do khả năng hấp thụ độ ẩm đặc biệt của polyformaldehyde, nó có thể đảm bảo độ ổn định kích thước của bánh răng trong thời gian dài và các đặc tính tuyệt vời như chống mỏi và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ rộng Nó được sử dụng trong bánh răng nhựa PPA (p-

phenylenediamine)

Có độ ổn định biến dạng nhiệt cao và có thể duy trì độ bền cơ học vượt trội, độ cứng, khả năng chống mỏi và chống rão trong phạm vi nhiệt độ cao hơn, rộng hơn và môi trường độ ẩm cao Trong một số bánh răng PA6, PA66 không thể chịu được nhiệt độ cao, độ ẩm cao và các điều kiện khác thì nó vẫn có khả năng làm việc bình thường

PA (nylon) Có độ dẻo dai và độ bền tốt, và là một loại nhựa kỹ thuật phổ biến khác cho bánh răng Tuy nhiên, nylon có tính hút ẩm mạnh, điều này sẽ gây ra những thay đổi về tính năng và kích thước của các bộ phận bằng nhựa Do đó, nylon không thích hợp cho các bánh răng truyền động chính xác

LCP (polyme Đã được ứng dụng thành công cho bánh răng bằng nhựa kích thước

tinh thể lỏng) siêu nhỏ với khuôn phun nhỏ Loại bánh răng này có đặc điểm ổn định kích thước tốt, chịu hóa chất cao và độ co ngót hình thành thấp Chất liệu này thường được sử dụng để đúc các bánh răng nhựa thu nhỏ cho đồng hồ

PPS

(polyphenylene sulfide)

Có độ cứng cao, ổn định kích thước, bền mỏi, kháng hóa chất và các đặc tính, cũng như nhiệt độ sử dụng lâu dài lên đến 200 năm Được sử dụng trong bánh răng, ô tô,…

PEEK

(polyether ether ketone) và polyme cải tiến

Đã được ứng dụng thành công cho nhựa hiệu suất cao trong các bánh răng truyền lực có tải trọng lớn Đây là loại vật liệu có đặc tính chịu nhiệt độ cao, cơ tính cao, chống mài mòn và chống ăn mòn hóa học mạnh, là loại nhựa hàng đầu trong bánh răng đúc hiện nay

PBT (polyester) Có thể tạo khuôn bề mặt rất nhẵn của bánh răng Nhiệt độ làm việc cao nhất có thể đạt tới 1500C và khi có chất độn có thể lên tới 1700C Có độ bền và độ cứng cao, khả năng chịu va đập tốt, khả năng chống mài mòn, kháng nước và kháng clo mạnh nhưng nhạy cảm với nước nóng trên 600C Được sử dụng trong ô tô, xe máy, tua bin, bánh răng,…

Kết luận: Mặc dù có nhiều loại vật liệu nhựa để chế tạo bánh răng nhưng trong

thực tế, hầu hết các bánh răng nhựa thương mại là PA và PA biến tính PA biến tính có thể có chất độn để ổn định vật liệu và cải thiện độ bôi trơn bằng cách thêm bột molypden hoặc than chì POM đôi khi được sử dụng vì nó ổn định hơn và có độ bôi trơn cao hơn nhưng nó tương đối giòn nên nó không được sử dụng nhiều Có thể sử dụng chất dẻo cao cấp như PEEK hoặc LCP, nhưng cần phải có lý do chính đáng (ví dụ: khả năng chịu nhiệt độ) để làm điều đó Vì giá thành cho vật liệu và khuôn đúc đắt tiền hơn so với các vật liệu khác Tuy nhiên, đối với bánh răng siêu nhỏ thì điều này ít quan trọng hơn nhiều Các tính chất cơ học của nhựa nhiệt dẻo khác biệt đáng kể so với các đặc tính cơ học của vật liệu bằng kim loại như: modun đàn hồi và độ bền kéo không chỉ thấp hơn vài lần so với thép mà còn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Tốc độ tải cao làm tăng độ bền kéo và modun đàn hồi, trong khi độ giãn dài khi đứt giảm Trong tải trọng tĩnh, chất dẻo bị biến dạng do rão [5] Bảng 2.2 cho thấy các đặc tính cơ học của các vật liệu nhựa nhiệt dẻo chế tạo bánh răng

Bảng 2.2 Tính chất cơ học của các vật liệu nhựa nhiệt dẻo chế tạo bánh răng [5]

Vật liệu Mật độ [g/cm3]

Nhiệt độ đỉnh của dải nóng chảy pm

[0C]

Nhiệt độ cho phép đối với điều kiện chạy liên

Ứng suất chảy s

[MPa]

Biến dạng chảy s

[%]

Modun đàn hồi E [MPa]

tục zul,dauemd

[0C]

PA66 1,13…1,16 225…265 80…100 85/60/– 5/20/– 3000/1600/800 PA6 1,12…1,15 225…235 80…100 80/45/– 4/25/– 2800/1000/600 PA12 1,01 178 70…80 – /40/– – /12/– – /1100/– PA46 1,18…1,21 285…290 140 100/55/– 10/20/– 3300/1000/800

PAI 1,38…1,40 – 260 120 – 4500…5200 PE-HD 0,94…0,96 125…135 60…80 18…30 8…12 600…1400

PET 1,38…1,40 250…260 100 55…80 4…7 2100…3100 POM 1,39…1,43 164…175 90…100 60…75 8…25 2600…3200 PBT 1,30…1,32 220…230 100 50…60 3,5…7 2500…2800 PA12G 1,03 – 80 60 7…8 2100…2200

PPS 1,34 275 200…240 88 3 4000 PEEK 1,30…1,26 340 250 100 5 3500…3700

PPS GF40

1,65 280 200…240 195 – 14700 PEEK

CF30

PA 66 GF30

1,36 260 80…100 190/130/– – 10000/7200/– PPA

GF30

1,44 325 150 190/170/– – 11000/11000/– Ghi chú:

-Chỉ có vật liệu PA66, POM là có bảng tra cả ứng suất uốn, tiếp xúc giới hạn -PET, PE-HD chỉ có bảng tra ứng suất uốn giới hạn

-PBT chỉ có bảng tra ứng suất tiếp xúc

-Những giá trị có “/” thì có nghĩa là khô/ẩm/ướt

Bảng 2.3 Hệ số Poisson v của các vật liệu nhựa khác nhau [5]

Độ ẩm là một thông số ảnh hưởng khác đến các đặc tính của bánh răng nhựa Vật liệu nhựa nhiệt dẻo hấp thụ độ ẩm từ môi trường ở các mức độ khác nhau Độ ẩm tăng

lên làm giảm ứng suất chảy và modun đàn hồi Hơn nữa, sự hấp thụ hơi ẩm dẫn đến sự thay đổi thể tích do sự giãn nở [5]

Vật liệu nhựa nhiệt dẻo có đặc tính nổi bật là khả năng giảm xóc của vật liệu Hệ số giảm chấn khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu và nhiệt độ Các đặc tính giảm chấn cao so với vật liệu thép có ảnh hưởng tích cực đến việc phát ra tiếng ồn của bánh răng nhựa Một tính chất quan trọng khác của nhựa nhiệt dẻo là khả năng chống lại các hóa chất dạng khí và lỏng Bảng 2.4 cho thấy khả năng chống chịu của chất dẻo nhiệt mẫu đối với các chất hóa học [5] Khả năng chống lại hóa chất cho phép bánh răng nhựa hoạt động trong môi trường không thể sử dụng bánh răng thép do bị ăn mòn

Bảng 2.4 Khả năng kháng của nhựa nhiệt dẻo ứng dụng điển hình đối với hóa chất [5] (+ Kháng, ○ Kháng 1 phần, – Không kháng)

66

PA 46

PPA PET PBT PEEK PPS PF Rượu Methanol +  + + + + + + +

Chất kiềm

Potassium hydroxide + + – – +

Ammonium hydroxide

Hình 2.1 Bánh răng kết hợp nhựa và kim loại (trái) và bánh răng toàn bộ bằng nhựa (phải)

2.2.1 Kết hợp nhựa và kim loại

Phạm vi độ nhám bề mặt tối ưu cho POM và PBT nằm ở Rz = (1…2) µm, trong khi PA không thể hiện đặc tính mài mòn tối ưu trước mức độ nhám bề mặt cao hơn Rz = (1,5… 3,5) µm Các mối quan hệ được chỉ ra trong bảng 2.5 áp dụng cho các cặp khô về mặt kỹ thuật, nói cách khác, các cặp không được bôi trơn và có thể được phủ hoặc có chất độn [5]

Bảng 2.5 Độ nhám bề mặt thuận lợi của nhựa cho bánh răng thép có HRC > 50, chạy khô [5]

không cần chất bôi trơn, đây có thể là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự thiếu vắng thông tin này [6]

Khi yêu cầu về giảm bớt hệ số ma sát, tốc độ mòn, tiếng ồn và tăng tuổi thọ của bánh răng bằng nhựa là cần thiết thì ta có thể sử dụng chất bôi trơn thích hợp để đáp ứng những yêu cầu đó [6] Bôi trơn định kỳ cho bánh răng nhựa, với chất bôi trơn thích hợp và trong điều kiện thích hợp, sẽ mang lại nhiều lợi ích hơn so với hoạt động của bánh răng nhựa không bôi trơn, theo đó bôi trơn liên tục mang lại nhiều lợi ích hơn, vì khả năng chịu tải cao hơn và tốc độ vận hành cao hơn có thể chịu được vì nhiệt có thể được tiêu tán khỏi lưới bánh răng [3]

Bên cạnh đó, để tiến hành bôi trơn thì nhựa nhiệt dẻo ngoài việc kháng hóa chất trong bảng 2.4 thì phải có khả năng kháng chất bôi trơn để không bị chất bôi trơn làm ảnh hướng đến cấu trúc của vật liệu nhựa Khả năng kháng chất bôi trơn của nhiệt dẻo sẽ theo chiều sau (Hình 2.2):

Hình 2.2 Khả năng kháng chất bôi trơn của chất dẻo [5]

2.3.1 Các loại bôi trơn

Các điều kiện bôi trơn có thể được phân biệt như sau [12]: • chạy khô

- không có chất bôi trơn bên trong

- với chất bôi trơn bên trong (ví dụ: chất độn như là PTFE, PE, graphite) • bôi trơn bên ngoài (ví dụ: mỡ hoặc dầu)

2.3.2 Bánh răng chạy khô không có chất bôi trơn bên trong

Bánh răng chạy khô chủ yếu bị hỏng do mòn Vì lý do này, vật liệu có đặc tính trượt bề mặt tốt nên được chọn Đặc điểm mòn bị ảnh hưởng bởi [5]: bản thân vật liệu, đối tác trượt, môi trường kỹ thuật, áp lực tiếp xúc, nhiệt độ, vận tốc trượt

Ngay cả độ lệch răng cũng có ảnh hưởng đến đặc tính mài mòn, cũng như điều kiện sản xuất Do đó, đối với hệ số mài mòn thấp, ví dụ: trong quá trình ép phun, cần đảm bảo mức độ kết tinh cao ngay trong vùng rìa ngoài của thân răng [5]

2.3.3 Bánh răng chạy khô có chất bôi trơn bên trong

Sự nóng lên của bánh răng chạy khô do hệ số ma sát có thể được giảm bớt bằng cách thêm chất độn thích hợp Hơn nữa, điều này cũng sẽ cải thiện độ mòn, tuổi thọ và hiệu quả sử dụng [5]

Việc bổ sung kết hợp silicone hoặc dầu-than chì làm chất bôi trơn bên trong cũng có thể cải thiện các đặc tính trượt và mài mòn ngay cả ở nồng độ thấp Sự kết hợp giữa PTFE với silicone mang lại sự cải thiện rõ ràng về đặc tính ma sát ở vận tốc trượt cao PTFE có hệ số ma sát thấp: lượng PTFE tối ưu để thêm vào trong trường hợp nhựa nhiệt dẻo kết tinh một phần thường vào khoảng 20% theo khối lượng PTFE cải thiện các đặc tính ma sát ở mọi nhiệt độ Polyetylen (PE) cũng làm giảm hệ số ma sát với nhựa nhiệt dẻo Việc thêm PE vào POM tạo ra các lỗ hổng trong vật liệu, có nghĩa là sự kết hợp này vì lý do cơ học không phù hợp với bánh răng Vì vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu khác nhau ở sườn răng và chân răng, nên cũng có khả năng chế tạo bánh răng bằng phương pháp ép phun hai thành phần và sử dụng các vật liệu khác nhau ở sườn răng (ví dụ: POM, PTFE) so với trong chân răng (ví dụ POM-GF) [5]

Lưu ý: khi lựa chọn số lượng và loại chất độn, nhiều chất phụ gia không chỉ không

có khả năng cải thiện tính chất ma sát mà còn làm giảm tính chất cơ học của vật liệu [5] Điển hình như việc sử dụng các chất phụ gia chịu cực áp (E.P.), chẳng hạn như chất béo được sunfua hóa hoặc parafin clo hóa, không được dùng nữa Chúng không những không làm giảm ma sát hoặc tốc độ mài mòn mà còn có thể tấn công bề mặt của chất dẻo [3]

Bảng 2.6 Ảnh hưởng tích cực và tiêu cực của một số chất độn và vật liệu gia cố [5]

Thủy tinh, sợi carbon hoặc sợi aramid

tăng độ cứng, độ bền kéo, độ bền mỏi khi uốn và khả năng chống biến dạng nhiệt

giảm độ cứng va đập

PTFE giảm ma sát và mài mòn giảm độ cứng va đập và độ bền mỏi khi uốn

PE giảm ma sát giảm độ cứng va đập Than chì, bo nitrua (BN) giảm ma sát và mài mòn,

tăng độ dẫn nhiệt giảm độ cứng va đập

Dầu silicon giảm ma sát và mài mòn, tăng độ dẻo dai

– Chất độn khoáng tăng khả năng chống

Dầu bôi trơn

Lựa chọn chất bôi trơn theo nhiệt độ làm việc của bánh răng Dầu gốc tổng hợp phù hợp với nhiệt độ làm việc thấp Tuy nhiên, trên 600C, chỉ nên sử dụng một số loại dầu tổng hợp Các loại dầu/chất bôi trơn được lựa chọn do VDI 2736 đề xuất dựa trên nhiệt độ làm việc được trình bày trên Bảng 2.7 [6]

Bảng 2.7 Lựa chọn chất bôi trơn theo nhiệt độ làm việc [6]

[-80,20] [20,60] [60,100] [100,120]

[120,+)

Dầu gốc tổng hợp Dầu khoáng PAO, Dầu este

Dầu este, Dầu Silicon, PFPE Dầu este, Dầu Silicon, PFPE

Sự phân cực nên được tính đến khi lựa chọn dầu bôi trơn Bánh răng polyme phân cực nên được bôi trơn bằng dầu gốc không phân cực và ngược lại Đối với bánh răng PA và POM, vì chúng là chất dẻo nhiệt phân cực, nên sử dụng dầu gốc không phân cực

(Hình 2.3) Đối với một vật liệu cụ thể, khuynh hướng phân cực được đo bằng hằng số điện môi (r = 1 đối với chân không) Sự phân cực xảy ra khi một vật liệu được đặt bên trong một điện trường, dẫn đến các điện tích trên bề mặt vật thể Hằng số điện môi (r) đối với một số chất bôi trơn và chất dẻo bánh răng được thể hiện trên Bảng 2.8 [6]

Hình 2.3 Kết hợp dầu gốc-nhựa phù hợp [5]

Bảng 2.8 Hằng số điện môi đối với một số loại dầu và polymer [6]

Hydrocarbon/Khoáng PAO

Diester Polyol Ester PAG

Phosphate Ester PAG

2,1…2,4 2,1…2,4 3,4…4,6 4,6…4,8 6,0…7,1 6,6…7,3

PPS PBT PET POM PA 66 Vật liệu kim loại

3…3,2 3,2…3,4 3,5…3,7 3,6…3,8 6,8…9,6

Các chất phụ gia và chất làm đặc bổ sung vào dầu cũng có thể gây hại cho nhựa vì chúng thay đổi thành phần hóa học của dầu và các đặc tính như tính phân cực có thể bị ảnh hưởng [6]

Để giảm hiện tượng hút ẩm, nên sử dụng dầu có độ nhớt cao vì chúng ít bị xâm nhập vào bánh răng polyme Nên sử dụng các loại dầu có cấp ISO VG 100 trở lên [6]

Ngoài ra, độ nhớt cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ răng Độ nhớt cao làm giảm nhiệt độ răng, tuy nhiên nó làm tăng nhiệt độ dầu Tuy nhiên, bằng các thử nghiệm của Tsukamoto [7], sự khác biệt được tìm thấy về độ mòn trong khi thay đổi độ nhớt dường như không lớn

Chú ý: Hầu hết các chất bôi trơn ở nhiệt độ phòng không có tác dụng bất lợi đối

với nhựa kỹ thuật Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng dầu đã qua sử dụng bị oxy hóa

có thể chứa các sản phẩm phân hủy có tính axit và axit béo chuỗi dài có tác dụng làm mềm bề mặt của một số loại nhựa Chất bôi trơn dựa trên polyalkylene glycol không có tác dụng bất lợi, mặc dù glycol hữu cơ chuỗi ngắn sẽ tấn công nhựa [3]

2.4 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính 2.4.1 Các dạng hỏng

Trên một tải trọng cụ thể của vật liệu cụ thể, các trường hợp nóng chảy của vật liệu có thể xảy ra, đặc biệt là trong vận hành khô Điều này sẽ nhanh chóng dẫn đến việc các thân răng bị phá hủy hoàn toàn Hơn nữa, có thể bị gãy và mòn răng Gãy răng có thể bắt đầu không chỉ từ bên thân răng hoạt động mà còn từ bên ngoài cùng bên thân răng Sự mòn dẫn đến sự thay đổi bề mặt răng và đồng thời làm giảm tiết diện của răng Đó là gãy và rỗ răng chủ yếu được tìm thấy trong quá trình hoạt động với chất bôi trơn bên ngoài [5]

Bảng 2.9 Các hư hỏng của bánh răng bằng nhựa và nguyên nhân của nó [5]

Các dạng hỏng

Bánh răng trụ Bánh vít Nguyên nhân

bên thân răng

Gãy chân

+ Hình trên cùng bên phải: hỏng do ứng suất cắt (trượt)

+ Hình dưới cùng bên phải và hình bên trái: hỏng do ứng suất uốn Gãy thân răng

(hình trái), gãy do rỗ (hình phải)

Ứng suất Hertzian cao khi vết nứt nhỏ tiếp xúc, kết hợp với ứng suất uốn, sự phát triển của vết

nứt cho đến khi xảy ra đứt gãy

Hertzian cao

năng chống mài mòn hoặc tác động mài mòn cao của đối tác ma sát

mức vượt quá giới hạn biến dạng

2.4.2 Chỉ tiêu tính

Trong các dạng hỏng hóc trên thì gãy và rỗ răng là dạng hỏng chủ yếu của bộ truyền bôi trơn bên ngoài Do đó, đối với các bộ truyền này ta tính toán thiết kế theo độ bền tiếp xúc và kiểm nghiệm lại theo ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn và nhiệt độ chân răng, mặt răng

 Các bộ truyền được bôi trơn bên ngoài sẽ là: bộ truyền kín, bộ truyền hở bôi trơn bằng mỡ (có vận tốc vòng v < 5 (m/s))

Còn gãy và mòn răng là dạng hỏng chủ yếu của bộ truyền chạy khô (không bôi trơn) Do đó, đối với các bộ truyền này ta tính toán thiết kế theo độ bền uốn và kiểm nghiệm lại theo ứng suất uốn, độ mòn răng và nhiệt độ chân răng, mặt răng

 Các bộ truyền chạy khô (không bôi trơn) sẽ là: bộ truyền kín của các bánh răng nhỏ và rất nhỏ trong các thiết bị điện tử (đầu đọc thẻ nhớ,…), bộ truyền hở không bôi trơn

2.5 Các tiêu chuẩn tính và kiểm nghiệm của bánh răng nhựa

Hiện nay, trên thế giới có 3 tiêu chuẩn được biết đến là: VDI 2736 được quốc tế phê duyệt và các tiêu chuẩn quốc gia như: JIS B 1759 của Nhật Bản, BS 6168 của Anh

Trong đó, các tiêu chuẩn chủ yếu là VDI 2736 và JIS B 1759

2.5.1 Tiêu chuẩn VDI 2736

Ở các nước phương Tây, phương pháp đánh giá độ bền duy nhất được chấp nhận rộng rãi cho bánh răng nhựa là tiêu chuẩn VDI 2545 của Đức đã bị rút lại vào năm 1996 Sau gần 20 năm, VDI đã xuất bản một tiêu chuẩn mới VDI 2736 vào năm 2014 với tư cách là người kế thừa của tiêu chuẩn cũ VDI 2736 dựa trên DIN 3990

Hình 2.4 Lưu đồ đơn giản để tính toán bánh răng trụ bằng nhựa theo VDI 2736 [1]

2.5.1.1 Tính toán các thông số hình học của bánh răng từ vật liệu nhựa

Theo tiêu chuẩn VDI 2736, ta có các công thức tính sau: Momen xoắn:

Vận tốc tiếp tuyến:

dv 

Ba phương trình trên còn có thể được viết dưới dạng: 

d n

(Với: P có đơn vị là kW; n có đơn vị là vòng/phút; d có đơn vị là mm)

Tính răng theo độ bền tiếp xúc:

Đường kính vòng chia bánh dẫn d1 có thể được tính toán gần đúng trên cơ sở độ bền tiếp xúc thông qua:

Z K Tud

uSb d



học, phổ tải hoặc các điều kiện hoạt động cụ thể, trong trường hợp giá trị dẫn động truyền động của động cơ điện KA ≈ 1 1,25 để tính toán thiết kế); Td1 là momen xoắn của bánh dẫn; u là tỷ số truyền; HlimN là giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với số chu kỳ tải (Xem hình 2.10 hoặc công thức (45)-(47)); SH,Entwur là hệ số thiết kế an toàn cho thân răng (SH,Entwur = 1,5…2); b/d1 là tỷ lệ giữa chiều rộng bánh răng b và đường kính vòng chia bánh dẫn d1 (giá trị trong khoảng b/d1 = 0,2…2,0 thường được chọn)

Modun pháp tuyến mn có thể được tính toán theo công thức sơ bộ sau, [8]: + Đối với bánh răng trụ răng thẳng:

2.43 14.

Tính răng theo độ bền uốn:

Modun pháp tuyến mn được tính toán gần đúng trên cơ sở độ bền uốn thông qua: 1

K Tm

Ngoài ra, trong trường hợp nhựa nhiệt dẻo, các giá trị của Fü, là các giá trị thực nghiệm, cũng có thể được lấy từ Bảng 2.10 Đối với hoạt động liên tục, các giá trị Fü

cho NL = 108 nên được sử dụng Đối với tải trọng mỏi, số chu kỳ tải NL nhận được từ tuổi thọ L và tốc độ n, sao cho NL L n

Bảng 2.10 Giới hạn mỏi uốn xấp xỉ Fü đối với vật liệu bánh răng nhiệt dẻo [1]

m/s

Fü, N/mm2 khi NL

105 106 107 108Polyamide PA12

PA12 PA12 PA66

Dầu Mỡ Khô Dầu

10 5 5

42 57 37 66

38 45 27 51

32 35 18 42

26 23 9 35 Polyamide-sợi

thủy tinh gia cố

PA12-GF PA12-GF PA12-GF

Dầu Mỡ Khô

10 5 5

62 85 47

60 72 28

57 61 9

53 53 Polyoxymethylene POM

POM POM mod

Dầu Khô

12 12

98 47 53

86 28 42

61 16 33

43 6 25 Polyethylene-

trọng lượng phân tử siêu cao

PE-UHMW PE-UHMW

Dầu-nước Khô

16 10

10 7

9 6

9 5 Polyethylene

therephthalate

Ở đây, nên chọn modun cao hơn tiếp theo từ loạt modun được đưa ra trong DIN 780 (bảng 2.11) và sử dụng modun này để thiết kế hộp số Trong trường hợp truyền lực bằng bánh răng thì cần phải tính toán kiểm tra như ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn, độ mòn, độ biến dạng

Bảng 2.11 Giá trị modun pháp tuyến mn theo DIN 780 [9]

Modun pháp tuyến mn, mm

Modun pháp tuyến mn, mm

Modun pháp tuyến mn, mm

Modun pháp tuyến mn, mm Hàng 1 Hàng 2 Hàng 1 Hàng 2 Hàng 1 Hàng 2 Hàng 1 Hàng 2