Việc nghiên cứu kết hợp lý thuyết tính toán với việc ứng dụng phần mềm mô phỏng ANSYS 18.2 xác định ứng suất tác động gây tróc rỗ bề mặt răng do lực pháp tuyến gây ra, ứng suất tác động
Dẫn nhập 5
Bánh răng là phương tiện truyền lực phổ biến nhất trong kỹ thuật cơ khí hiện đại thế giới Truyền động bánh răng là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để truyền năng lượng Bánh răng sẽ dùng phổ biến do nó đóng vai trò như là một yếu tố quan trọng đối với truyền năng lượng trong các máy móc trong tương lai do độ tin cậy cao và nhỏ gọn của chúng Sự phát triển nhanh chóng các ngành công nghiệp nặng như công nghiệp vận tải, đóng tàu, máy bay đòi hỏi tiên tiến ứng dụng công nghệ bánh răng Bánh răng trụ răng thẳng là một bánh răng hình trụ có các răng song song với trục, dễ sản xuất và nó chủ yếu được sử dụng để truyền năng lượng từ trục này sang trục khác, và nó cũng được sử dụng để thay đổi tốc độ và mômen xoắn, ví dụ như đồng hồ, hộp số, … Khi bánh răng chịu tải, ứng suất cao phát triển ở chân răng, do những ứng suất cao này, khả năng hỏng mỏi ở chân răng của bánh răng thẳng tăng lên Vì vậy, để tránh sự phá hủy mỏi của bánh răng, các ứng suất phải được giảm thiểu ở mức tối đa Thiết kế chế tạo bánh răng có thể được cải thiện bằng cách cải thiện chất lượng vật liệu, cải thiện độ cứng bề mặt bằng cách xử lý nhiệt, xử lý tinh bề mặt răng Do đó điều quan trọng là phải giảm thiểu ứng suất Nhiều mô phỏng thực hiện để kiểm tra các giá trị ứng suất khác nhau
Do đó phương pháp phân tích ứng suất thực nghiệm cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu ứng suất
Trong quá trình làm việc bánh răng chịu ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn Bánh răng chịu ứng suất uốn tập chung lớn nhất tại chân răng, một trong những nguyên nhân gây gãy răng Và ứng suất uốn gây tróc rỗ bề mặt răng Điều kiện làm việc của bánh răng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: cách thức vận hành, điều kiện bôi trơn, độ cứng vật liệu, ma sát tiếp xúc khi bánh răng ăn khớp, công nghệ lắp rắp…
Do đó việc xác định giá trị ứng suất, vị trí của ứng suất, giảm thiểu ứng suất là rất quan trọng Trong nghiên cứu này chúng tôi phân tích ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc ở các trường hợp bánh răng tiếp xúc với bề rộng tiếp xúc khác nhau từ đó làm cơ sở đánh giá so sánh để tăng bền, nâng cao tuổi thọ, độ tin cậy, và đảm bảo an toàn của bộ truyền
Các nghiên cứu hiện nay 6
Bánh răng là một chi tiết quan trọng trong truyền động của các loại máy móc, thiết bị Bánh răng được sử dụng để thay đổi tốc độ, độ lớn và chiều của nguồn năng lượng Bánh răng đang được sử dụng rộng rãi vì các yếu tố cơ học truyền tải năng lượng Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc thiết kế bánh răng, đến việc mô hình hóa sản phẩm đều ứng dụng các phần mềm hỗ trợ như các phầm mềm cad 3D (Solidworks, Inventor, Catia…), các phần mềm chuyên phân tích, tính toán, mô phỏng như Ansys, Abaqus, Hyperworks… góp phần làm giảm thời gian phân tích, tính toán, thiết kế Việc tính toán ứng suất của bánh răng ở các vị trí tiếp xúc, bề rộng tiếp xúc khác nhau rất quan trọng trong việc tính bền và tuổi thọ của bộ truyền, thông qua đó có thể cải thiện được độ bền của bộ truyền bánh răng, làm tăng tuổi thọ máy móc, thiết bị Hiện nay có nhiều nghiên cứu về bánh răng chẳng hạn như:
Seok-Chul Hwang , Jin-Hwan Lee , Dong-Hyung Lee , Seung-Ho Han, Kwon-Hee Lee [6] nghiên cứu “Phân tích ứng suất tiếp xúc tác động lên cặp bánh răng ăn khớp”.Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu phân tích ứng suất tiếp xúc cho một cặp bánh răng ăn khớp trong quá trình quay Phân tích ứng suất cho cặp bánh răng trụ răng thẳng và cặp bánh răng trụ răng nghiêng tiếp xúc tại các vị trí khác nhau trong quá trình quay Sự thay đổi của ứng suất tiếp xúc trong quá trình quay được so sánh với ứng suất tiếp xúc tại điểm thấp nhất của tiếp xúc một răng và ứng suất tiếp xúc theo hiệp hội các nhà sản xuất bánh răng Hoa Kỳ Trong nghiên cứu này, chúng ta có thể thấy rằng thiết kế bánh răng xem xét ứng suất tiếp xúc trong một cặp bánh răng ăn khớp khắc khe hơn so với tiêu chuẩn hiệp hội các nhà sản xuất bánh răng Hoa Kỳ
Jotram Patel, Gopal Sahu, Prakash Kumar Sen [1] với nghiên cứu “Nghiên cứu về hư hỏng thường gặp của bánh răng” Nghiên cứu này trình bày sự phát triển gần đây trong lĩnh vực phân tích hư hỏng bánh răng Nghiên cứu cho thấy có thể biết về các dạng hỏng hóc khác nhau và kỹ thuật phân tích được sử dụng để giảm những hư hỏng này từ các bánh răng Trong kỹ thuật nghiên cứu của bánh răng được trình bày cùng với các dạng hư hỏng khác nhau mà bánh răng mắc phải Nguyên nhân của những hư hỏng này được nghiên cứu Loại ứng suất liên quan đến phá hủy do mỏi của bánh răng vì ứng suất tập trung quá mức
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7
- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xác định ứng suất bánh răng ở trạng thái chuyển động ổn định dưới sự thay đổi bề rộng tiếp xúc trong mỗi lần truyền động, nhằm tìm ra quy luật thay đổi ứng suất, từ đó đưa ra giải pháp nhằm giảm sự gia tăng ứng suất, góp phần làm tăng tuổi thọ bánh răng
- Sinh viên thực tập ở xưởng thao tác đúng kỹ thuật khi thay đổi tốc độ khối bánh răng di trượt nhằm đảm bảo độ bền cho máy móc, thiết bị
1.4 Nhiệm vụ của đề tài
- Tính toán thông số hình học, lực tác động lên bánh răng
- Phân tích ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn, chuyển vị, biến dạng, của cặp bánh răng trụ răng thẳng, trên cơ sở đó phân tích ảnh hưởng đến độ bền của bánh răng
- Trong đề tài sử dụng đối tượng nghiên cứu là cặp bánh răng trụ răng thẳng trên máy tiện vạn năng LG-46A (Z1F, Z2#, m=2,25, b)
- Tính toán, phân tích lực tác động lên bánh răng
- Phân tích ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn, chuyển vị, biến dạng, của cặp bánh răng trụ răng thẳng (bánh răng di trượt Z1F răng, bánh răng cố định Z2# răng)
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phần nghiên cứu lý thuyết dựa vào cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế , phân tích xác định ứng suất cơ học, chuyển vị, của bánh răng với việc kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm tính toán mô phỏng ansys 18.2
1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Phân tích ứng suất ở trạng thái chuyển động ổn định để tìm ra quy luật thay đổi của ứng suất dưới sự thay đổi bề rộng tiếp xúc, thao tác điều chỉnh bánh răng di trượt đúng kỹ thuật khi thay đổi tốc độ góp phần hạn chế sự gia tăng ứng suất, tăng độ bền bánh răng
- Trong quá trình học thực tập ở xưởng sinh viên thao tác đúng kỹ thuật khi thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh vị trí bánh răng di trượt ăn khớp nhằm đảm bảo tuổi thọ cho máy móc, thiết bị
- Thông qua nghiên cứu này ta có thể lựa chọn vật liệu tốt hơn để chế tạo bánh răng, góp phần làm tăng tuổi thọ các cơ cấu máy, hộp số… có sử dụng bánh răng, góp phần ổn định sản xuất, tăng năng suất
Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực hiện truyền chuyển động và công suất nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng Bộ truyền bánh răng có thể truyền chuyển động quay giữa hai trục song song, giao nhau, chéo nhau hay biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hoặc ngược lại
Truyền động bánh răng được phân loại theo các đặc điểm về hình học và chức năng a) Phân loại theo sự phân bố giữa các trục
Theo vị trí tương đối giữa các trục, ta có các loại sau:
- Truyền động giữa các trục song song: truyền động bánh răng trụ (hình 2.1a,b,c,d)
- Truyền động giữa hai trục giao nhau: truyền động bánh răng côn (hình 2.1 f,g,h)
- Truyền động giữa hai trục chéo nhau: truyền động bánh răng hypoid (côn xoắn- hình 2.2.a, trụ xoắn-hình 2.2b) b) Theo sự phân bố giữa các răng trên bánh răng
- Bộ truyền ăn khớp ngoài (các bánh răng đều có răng ở phía ngoài-hình 2.2 a,b,c,f,g,h)
- Bộ truyền ăn khớp trong (khi một bánh răng đều có răng ở phía trong và một bánh có răng phía ngoài (hinh 2.2 d)
Hình: 2.1 Các dạng bộ truyền bánh răng chủ yếu c) Theo phương của răng so với đường kính
Ta có bánh răng với răng thẳng (Hình 2.1a,,d,e,f), răng nghiêng (hình 2.1b,g), răng cong (hình 2.1h), răng chữ V (hình 2.1c), răng xoắn (hình 2.2a,b)
Hình 2.2 Bánh răng xoắn (a- bánh răng côn xoắn, b-trụ xoắn) d) Theo biên dạng răng
- Truyền động bánh răng thân khai (Ơle tìm ra năm 1760)
- Truyền động bánh răng Xicloit (biên dạng răng là đường cong Xicloit), sử dụng chủ yếu trong đồng hồ và dụng cụ đo
- Truyền động bánh răng Nôvicov (biên dạng răng là cung tròn, Nôvicov tìm ra năm
1954, làm tăng khả năng tải của bộ truyền-hình 2.3)
Hình 2.3 Truyền động bánh răng Novicov (a-bánh răng trụ, b-bánh răng côn)
Thép để chế tạo bánh răng được chia làm 2 nhóm khác nhau về công nghệ cắt răng, nhiệt luyện và khả năng chạy mòn Nhóm I có độ rắn HB ≤ 350, bánh răng được thường hóa hoặc tôi cải thiện Nhờ độ rắn thấp nên có thể cắt răng chính xác sau khi nhiệt luyện, đồng thời bộ truyền có khả năng chạy mòn Nhóm II có độ rắn
HB > 350, bánh răng thường được tôi thể tích, tôi bề mặt, thấm cacbon, thấm nitơ…Do độ rắn cao nên phải cắt răng trước khi nhiệt luyện, sau khi nhiệt luyện phải dùng các nguyên công tu sửa đắt tiền như mài, mài nghiền….Răng chạy mòn rất kém, do đó phải nâng cao độ chính xác chế tạo, nâng cao độ cứng của trục và ổ Tuy nhiên khi dùng thép nhóm II với độ rắn HRC= 50…60 (1HRC HB), ứng suất tiếp xúc cho phép có thể tăng tới 2 lần và nâng cao khả năng tải của bộ truyền cũng tăng tới 4 lần so với thép thường hóa hoặc tôi cải thiện
Một số loại thép chế tạo bánh răng nhứ C40 C45, C50, thép hợp kim 40X, 45X, 40XH, 35XM…kết hợp với tôi cải thiện, thấm cácbon, thấm Nitơ…
2.1.4 Đánh giá ưu điểm, nhược điểm và phạm vi sử dụng Ưu điểm:
-Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn
- Tỷ số truyền không thay đổi do không có hiện tượng trượt trơn
- Hiệu suất cao có thể đạt 0,97 đến 0,99
- Làm việc với vận tốc lớn (đến 150m/s), công suất đến chục ngàn kw, tỷ số trryền một câó từ 2 đến 7, bộ truyền nhiều cấp đến vài trăm hoặc vài ngàn
- Tuổi thọ cao, làm việc với độ tin cậy cao
- Chế tạo tương đối phức tạp
- Đòi hỏi độ chính xác cao
- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn
Do có các ưu điểm liệt kê ở trên cho nên bộ truyền bánh răng được sử dụng rộng rài trong ngành chế tạo máy Trong đó bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng được sử dụng rộng rài nhất , các bộ truyền còn lại sử dụng tùy vào kết cấu máy
2.2 Thông số hình học bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
Vòng tròn, trên đó bước răng p và góc ăn khớp αW bằng bước răng và góc biên dạng thanh răng sinh, gọi là vòng chia Hình trụ d trong chuyển động tương đối của thanh răng với bánh răng gọi là hình trụ chia Giá trị d gọi là đường kính vòng chia
Kẻ hai đường tròn tâm O1 và O2 qua tâm ăn khớp W, vị trí trong quá trình ăn khớp hai bánh răng lăn và không trượt lên nhau Các vòng tròn này gọi là vòng lăn Hình trụ có đường kính dw1 , dw2 gọi là hình trụ lăn, giá trị dw1 , dw2 gọi là đường kính vòng lăn
Hinh 2.4 Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng
Thông số hình học bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 12 2.3 Ảnh hưởng số răng đến hình dạng và độ bền răng 14
Vòng tròn, trên đó bước răng p và góc ăn khớp αW bằng bước răng và góc biên dạng thanh răng sinh, gọi là vòng chia Hình trụ d trong chuyển động tương đối của thanh răng với bánh răng gọi là hình trụ chia Giá trị d gọi là đường kính vòng chia
Kẻ hai đường tròn tâm O1 và O2 qua tâm ăn khớp W, vị trí trong quá trình ăn khớp hai bánh răng lăn và không trượt lên nhau Các vòng tròn này gọi là vòng lăn Hình trụ có đường kính dw1 , dw2 gọi là hình trụ lăn, giá trị dw1 , dw2 gọi là đường kính vòng lăn
Hinh 2.4 Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng
Cung chắn giữa hai biên dạng cùng phía của hai răng kề nhau đo trên vòng chia gọi là bước răng p Bước răng p bằng tổng chiều dày răng st và chiều rộng rãnh et : p st+ et
13 | Page Đối với bánh răng tiêu chuẩn chiều dày răng bằng với chiều rộng rãnh, tuy nhiên khi gia công bánh răng ta chọn miền dung sai St nhỏ hơn giá trị lý thuyết đảm bảo có khe hở cạnh răn j để bộ truyền làm việc bình thường Để các bánh răng ăn khớp với nhau thì hai bánh răng có cung môđun m=p/ℼ,
Giá trị môđun m lấy theo giá trị tiêu chuẩn (day 1 là dãy ưu tiên)
Dãy 1 1 1,25 1,5 2 2,5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 Dãy 2 1,125 1,375 1,75 2,25 2,75 3,5 4,5 5,5 7 9 11 14 18 22 Đường thẳng tiếp xúc chung của 2 vòng tròn cơ sở P1 P2 gọi là đường ă khớp
Góc αW tạo nên bởi đường P1 P2 và đường vuông góc với đường nối tâm O1 O2 gọi là góc ăn khớp Giá trị αW tiêu chuẩn và có giá trị 14,5 0 ; 20 0 ; 25 0 ;30 0 , thông thường hay sử dụng bánh răng với góc αW = 20 0 Đường kính vòng cơ sở db1 ,db2 là đường kính tạo nên đường thân khai biên dạng răng db1= dw1.cosαW; db2= dw2.cosαW Bước răng trên vòng cơ sở xác định theo công thức pb=p cosαW
Khi ăn khớp các điểm ăn khớp nằm trên đường ăn khớp và bắt đầu từ điểm G1 , là giao điểm đường ăn khớp và vòng đỉnh bánh bị dẫn, đến điểm G2 là giao điểm đường ăn khớp và vòng đỉnh bánh dẫn Chiều dài đoạn G1 G2 ký hiệu ga và gọi là chiều dài đoạn ăn khớp
Các thông số hình học bảng 1 được minh họa trên hình 2.4
1 z z n n Trong đó n1 ; n2 là số vòng quay bánh dẫn và bị dẫn, vòng/phút
Tỷ số truyền bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc cho trước theo dãy số tiêu chuẩn
Bảng 1: Các thông số hình học
- Đối với bánh răng trụ răng thẳng, môđun m có giá trị từ 1 đến 56 mm và đường kính vòng chi có thể đến 6300 mm
2.3 Ảnh hưởng số răng đến hình dạng và độ bền răng Để giảm kích thước bộ truyền bánh răng, ta sử dụng các bánh răng với số răng nhỏ Thay đổi số răng dẫn đến thay đổi hình dạng răng Đối với thanh răng vì z→∞ nên răng có dạng thẳng (hình 2.5a) Khi giảm số răng thì chiều dày đáy răng và đỉnh răng sẽ giảm xuống (hình 2.5b)
Hình 2.5 Hình dạng răng phụ thuốc vào số răng a) z→∞; b) z>zmin; c) z0; x2