Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC TIẾP TUYẾN VÀ ỨNG SUẤT TIẾP XÚC ĐẾN ĐỘ MÒN CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH THẤM CARBON EFFECT OF TANGENTIAL VELOCITY AND CONTACTUALLY STRESS TO THE WEAR OF THE PLASMA CARBURIZING PLANETARY GEAR TRANSMISSION Phạm Văn Đông Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội phamvandong07@gmail.com TÓM TẮT Bài viết trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc tiếp tuyến ứng suất tiếp xúc đến độ mòn bề mặt truyền bánh hành tinh sau thấm carbon Các mẫu thử nghiệm sau xử lý bề mặt phương pháp thấm carbon tôi, mài nghiền chạy chịu tải Độ mòn bề mặt xác định cách xác định thay đổi chiều dài dây cung, chiều dài pháp tuyến chung Kết nghiên cứu đưa số liệu đánh giá chất lượng độ bền mòn mẫu thí nghiệm với chế độ tải khác Từ kết nghiên cứu cho phép lựa chọn giải pháp công nghệ tối ưu để thiết kế quy trình công nghệ chế tạo truyền bánh hành tinh Từ khóa: đánh giá độ mòn, bánh hành tinh, mòn bề mặt ABTRACT This paper presents the researching results of the effect of tangent velocity and contact stress to the wear of the driver of carbonized differential pinions All sample gear models after surface treatment by using plasma carburizing method will be tempered, ground and run in The wearing surface of gears is determined by the way that is derermined the change of chord’s length The researching results bring out data to evaluate the quality, wearing endurance of the sample gear models in different working regulations From the searching results, it enables to select optimal technological solution to design manufactured technological process of the driver of carbonized differential pinions Keyworks: evalution of wear, differential pinion, wearing grear’s surface ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trình bánh ăn khớp, bề mặt tiếp xúc trượt tương nhau, dẫn đến cắt bẻ gãy chỗ nhấp nhô tạo thành nhấp nhô mới, làm nhẵn dần bề mặt ma sát Sự tương tác bề mặt ma sát, làm thay đổi khối lượng, kích thước hình dáng bề mặt răng, làm mát thay đổi vị trí tương đối bề mặt biến dạng, liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa tạo vùng vật liệu [4,6] Trong máy móc thiết bị có sử dụng truyền bánh hành tinh máy công trình thường làm việc điều kiện tải trọng không ổn định, nên bánh thường xảy hư hỏng gãy mẻ răng, mòn răng,… Nâng cao chất lượng độ bền mòn cho bánh phương pháp thấm carbon phương pháp có ý nghĩa, mang lại hiệu kinh tế, tăng tuổi thọ chi tiết máy không làm ô nhiễm môi trường [4] Để kiểm tra đánh giá độ mòn bánh hành tinh chế tạo vật liệu thép hợp kim có tỷ lệ thành phần carbon thấp 18ХГT, xử lý bề mặt phương pháp thấm carbon, tác giả đưa phương pháp đánh giá độ mòn bề mặt cách xác định thay đổi chiều dài dây cung, chiều dài pháp tuyến chung 435 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu thiết bị thí nghiệm 2.1.1 Vật liệu mẫu thí nghiệm Nghiên cứu thực 12 mẫu bánh chưa qua sử dụng với vật liệu thép hợp kim 18XΓT (ΓΟCT 14959-79), số lượng thông số mẫu thí nghiệm thể Bảng 1, vẽ bánh thí nghiệm thể Hình Bảng Số lượng thông số chế tạo bánh Số lượng mẫu 12 Thông số chế tạo bánh mẫu m Z d da df b β α 51 51 53 48,5 24 0o 20o Hình Bánh thí nghiệm 2.1.2 Trang thiết bị thí nghiệm Trong qua trình làm thí nghiệm, tác giả sử dụng số trang thiết bị phục vụ trình kiểm tra, đánh sau: Hình Hệ thống thử mòn Hình Panme đo chiều dài pháp tuyến chung - Hệ thống thử mòn: Hình - Panme điện tử đo chiều dài pháp tuyến chung No 323-250: Hình 2.2 Phương pháp thí nghiệm Nghiên cứu thực 12 mẫu bánh chưa qua sử dụng Sau mẫu bánh xác định mác thép phương pháp quang phổ; xử lý bề mặt phương pháp thấm carbon tôi, kiểm tra, đánh giá độ cứng; mài nghiền, kiểm tra độ nhám thông số hình học; sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xác định phương trình hồi quy, thông số thí nghiệm chạy thực nghiệm Đo, kiểm tra đánh giá độ mòn bánh răng; xây dựng công thức xác định lượng mòn theo ứng xuất tiếp xúc vận tốc tiếp tuyến mẫu thử nghiệm 436 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3 Xác định thông số 2.3.1 Xác định số khoảng pháp tuyến chung Số Z’ bánh khoảng pháp tuyến chung tính sau [1]: Z '= Z tgα x xtgα ⋅ − − invα t + 0,5 = 6,1671 ⇒ Chọn Z’= π cos βb Z Trong đó: (1) + α x : Góc ăn khớp dịch chỉnh răng; + β b : Góc nghiêng hình trụ sở; + α t : Góc profin răng; + Giá trị invα t = tgα − α = 0,014904 2.3.2 Tính chiều dài pháp tuyến chung Chiều dài pháp tuyến chung thiết kế (Ltk) xác định [1] sau: Ltk = [0,684.x + 2,9521.(Z’– 0,5) + 0,014.Z].m = 16,9506 mm (2) Sơ đồ đo chiều dài pháp tuyến chung thể Hình Hình Sơ đồ đo chiều dài pháp tuyến chung 2.4 Cơ sở đánh giá số liệu thực nghiệm 2.4.1 Sơ đồ thí nghiệm mòn Sơ đồ hệ thống thử mòn [3] thể Hình 5 Dd2 = 120 I QF dms = 100 nr nv QF Z3 Z2 Z1 Dd1 = 60 Hình Sơ đồ hệ thống thử mòn - Động - Giá đỡ (cần hay dẫn) - Đai - Bánh ma sát - Pu ly - Má phanh 437 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nguyên lý hoạt động [1,2]: Từ động (1) truyền chuyển động quay thông qua truyền đai làm bu ly (3) mang trục I quay bánh Z1 quay với vận tốc nv; bánh Z1 quay truyền chuyển động làm bánh hành tinh Z2 quay, bánh Z2 ăn khớp với bánh cố định Z3 làm giá đỡ (4) quay trục O quay với tốc độ nr Ta thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số biến tần Khi thay đổi tải trọng ta thay đổi giá trị lực QF cách tác động lên hệ thống phanh (6), tác động tải trọng vận tốc trượt bánh thí nghiệm Z2 bị mòn [6] 2.4.2 Chọn dạng phương trình hồi quy Để nghiên cứu mối quan hệ lượng mòn mẫu thử với ứng suất tiếp xúc σH(MPa) vận tốc tiếp tuyến V(m/s) tác giả áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box – Wilson [7] với phương trình tổng quát sau: ( k k k ~y = a + a β + a x + a x x + a x − β ∑ ij i j ∑ ij j ij j j ∑ ∑ i< j j =1 j =1 j =1 ) (3) 2.4.3 Số thí nghiệm thông số thí nghiệm * Số lượng thí nghiệm: Số thí nghiệm xác định theo công thức: N = 2k (4) Trong đó: k biến đầu vào Mối tương quan thông số thí nghiệm mô tả theo sơ đồ Hình Các biến đầu vào điều khiển được: x1 : vận tốc tiếp tuyến V (m/s); x2 : ứng suất tiếp xúc σH (MPa) Biến đầu bị điều khiển: y : hàm lượng mòn mẫu Biến không điều khiển được: ξ : biến ngẫu nhiên Với biến đầu vào k = 2, ta có số thí nghiệm N = 22 = 4, thực nghiệm gồm bánh hành tinh nên số mẫu thí nghiệm là: x = 12 ξ x1 y x2 Hình Sơ đồ mối tương quan hệ thống thí nghiệm * Thông số thí nghiệm: - Vận tốc tiếp tuyến: 1,5(m/s) ≤ V ≤ 2,2 (m/s) - Ứng suất tiếp xúc: 200MPa ≤ σH ≤ 600 MPa 438 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Đại lượng mục tiêu: lượng mòn U (mm) xác định thông qua chiều dài pháp tuyến chung - Thời gian chạy thử nghiệm: 700 - Chế độ bôi trơn: bôi trơn dầu công nghiệp 45 2.4.4 Trình tự tiến hành thực nghiệm Sau mẫu bánh thấm carbon, tôi, kiểm tra độ cứng, độ cong vênh, mài nghiền, kiểm tra thông số bánh răng, chiều dài pháp tuyến chung (mỗi mẫu đo ba vị trí chia trung bình) Sau lắp bánh vào hộp giảm tốc cho chạy chịu tải trọng Cho hệ thống hoạt động, điều chỉnh để ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến đạt giá trị yêu cầu tính thời gian chạy chịu tải bánh Sau thời gian 100h, 200h, 300h, 500h, 700h ta đo chiều dài pháp tuyến chung Sau xác định chiều dài pháp tuyến chung thời điểm đo (Lđm), tiến hành so sánh với chiều dài pháp tuyến chung sau mài nghiền (Lsm) để xác định lượng mòn (U) Lượng mòn xác định sau: U = Lsm – Lđm (5) Trong đó: U - Lượng mòn (mm); Lđm - Chiều dài pháp tuyến chung thời điểm đo sau thời gian chạy chịu tải (mm); Lsm - Chiều dài pháp tuyến chung bánh sau mài nghiền (mm) Sau xác định lượng mòn, sử dụng phần mềm Matlab, Excel để xây dựng chương trình, xác định hàm hồi quy; vẽ đồ thị thể quan hệ lượng mòn U với ứng suất tiếp xúc σH vận tốc tiếp tuyến V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Kết xác định lượng mòn sau chạy chịu tải Sau thời gian 700 giờ, bánh chạy chịu tải với chế độ chịu tải khác nhau, tiến hành đo, kiểm tra xác định độ mòn; độ mòn bánh thể Bảng Bảng Tổng hợp lượng mòn mẫu thí nghiệm σH(MPa) V (m/s) 200 Nhóm Lượng mòn U (mm) U Mẫu số U Utb (mm) 0,048 0,049 0,049 0,086 0,085 0,086 0,086 0,127 0,129 0,129 0,128 10 0,205 11 0,206 12 0,204 0,205 Mẫu số U Mẫu số 1,5 0,050 600 1,5 200 2,2 600 2,2 Sau lượng mòn xác định, xây dựng đồ thị lượng mòn theo thời gian Đồ thị đường cong mài mòn thể Hình 439 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Đồ thị đường cong mài mòn mẫu thí nghiệm Nhận xét: Kết thực nghiệm cho thấy: tăng vận tốc tiếp tuyến hay tăng ứng suất tiếp xúc lượng mòn bánh hành tinh tăng, kết nhận phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết 3.2 Xác định phương trình hồi quy thực nghiệm Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định phương trình hồi quy thực nghiệm Phương trình có dạng: y = a0 + a1x1 + a2x2 (6) Trên sở kết xác định lượng mòn mẫu thể Bảng 2, ta xây dựng ma trận thực nghiệm thể Bảng Bảng Ma trận quy hoạch thực nghiệm Biến mã hoá Nhóm mẫu Ký hiệu mẫu X1 X2 1,2,3 -1 4,5,6 σH(MPa) v(m/s) Utb (mm) -1 200 1,5 0,049 +1 -1 600 1,5 0,086 7,8,9 -1 +1 200 2,2 0,128 10,11,12 +1 +1 600 2,2 0,205 Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ [7], ứng dụng phần mềm Excel để tính toán ta giá trị hệ số sau: a0 = - 6,45333; a1= 0,47037; a2= 2,38762 Thay giá trị a0, a1, a2 vào phương trình (6) ta phương trình hồi quy thực nghiệm: y = - 6,45333 + 0,47037 x1 + 2,38762 x2 (7) Sử dụng phần mềm toán học, ta xây dựng phương trình hồi quy dạng hàm lũy thừa sau: U = 0,00158 σH 0,47037 v2,38762 440 (8) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Bánh hành tinh chế tạo vật liệu 18XГT thấm carbon sau 700 chạy chịu tải với tải trọng σH = 200 MPa V = 1,5 m/s, lượng mòn trung bình nhóm bánh 0,049 mm; σH = 600 MPa, V = 1,5m/s, lượng mòn trung bình nhóm bánh 0,086 mm; σH = 200 MPa, V = 2,2 m/s, lượng mòn trung bình nhóm bánh 0,128 mm; σH = 600 MPa, V = 2,2 m/s, lượng mòn trung bình nhóm bánh 0,205 mm Mối quan hệ độ mòn với vận tốc tiếp tuyến ứng suất tiếp xúc truyền bánh hành tinh thấm carbon xác định công thức: U = 0,00158 σH 0,47037 v2,38762 Lượng mòn mẫu bánh hành tinh tỷ lệ thuận với ứng suất tiếp xúc vận tốc tiếp tuyến; vận tốc tiếp tuyến ảnh hưởng nhiều đến độ mòn truyền bánh hành tinh thấm carbon so với ứng suất tiếp xúc Thấm carbon phương pháp có ưu điểm bật tính chống mài mòn, độ cứng bề mặt cao, chiều sâu lớp thấm lớn giúp nâng cao chất lượng bề mặt cho truyền bánh hành tinh Kết nghiên cứu cho phép vận dụng tính toán, thiết kế, chế tạo truyền bánh hành tinh để nâng cao chất lượng truyền bánh điều kiện Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2010), Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí, NXB Giáo dục [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (2003), Thiết kế chi tiết máy, NXB Giáo dục [3] Phạm Văn Đông, Trần Đức Quý, Trần Vệ Quốc (2013), Đánh giá độ mòn bề mặt truyền bánh thấm nitơ plasma, Kỷ yếu Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc Cơ khí lần thứ III, NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thêm (1990), Kỹ thuật ma sát biện pháp nâng cao tuổi thọ thiết bị, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm (2003), Nguyên lý máy, NXB Giáo dục [6] Nguyễn Doãn Ý (2007), Ma sát mòn - bôi trơn, NXB Khoa học Kỹ thuật [7] Nguyễn Doãn Ý (2008), Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học Kỹ thuật [8] Faydor L Litvin and Alfonso Fuentes (2004), Gear Geometry and Applied Theory, Cambridge University Press [9] Handbook: Vol.1.AGMA gear; Wash: American Gear Manufacturers Associaion [10] Geoge E Totten, Ph.D (2006), Fasm Steel heat treatment Metallurgy and technology, ASM Handbook Vol Heat treating [11] В М Зинченко (2001), Инженерия поверхности зубчатых колес методами химкотермической обработки, Москва Издательство МГТУ имю Н Э Баумана [12] В М Благодарный (1980), Уcкоренные ресурсные испытания приборных зубчатых приводов, Москва “Машиностроение” [13] В Н Кудряцев (1986), Планетарные передачи, Издательство машиностроение, Москва [14] Http://www.bodycote.com; Http://www.solaratm.com; Http://www.elsevier.com THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ TS Phạm Văn Đông - Phòng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội; Email: phamvandong07@gmail.com; ĐT: 0967051166 441