Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm ni tơ plasma cặp bánh răng hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước

Vì vậy “ Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước" nhằm mục tiêu nghiên cứu hiệu suất cụm cầu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Bánh răng côn răng cong Hypoid là loại chi tiết máy có hình dạng hình học phức tạp, tính toán thiết kế nhiều thông số, và được gia công trên các máy chuyên dùng có độ chính xác cao Vì có nhiều ưu điểm trong truyền động như: khả năng truyền tải lớn, độ bền

và tuổi thọ cao, làm việc êm, có khả năng giảm được kích thước tổng thể của bộ truyền Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng côn răng cong luôn là vấn đề mới đối với các nhà khoa học và các nhà sản xuất

Hiện nay việc lựa chọn vật liệu và công nghệ gia công cặp Hypoid có thể thực hiện tại Việt Nam Tuy nhiên, chất lượng bộ truyền của các bánh răng chế tạo trong nước vẫn rất còn nhiều vấn đề về độ chính xác gia công, độ bền lâu và hiệu suất Một trong những nguyên nhân chính của hạn chế đó là chưa có công nghệ nhiệt luyện tốt cho cặp bánh răng Hypoid trong cụm cầu chủ động của xe ô tô tải chế tạo trong nước

Hiệu suất của cụm cầu chủ động là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của cụm cầu cũng như chất lượng của hệ thống truyền lực Hiện trong nước chưa có công trình nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng truyền lực chính tới hiệu suất cầu sau xe ô tô tải Việc nghiên cứu chuyên sâu có lý luận khoa học và thực nghiệm là

việc làm cần thiết để từng bước phát triển ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Vì vậy “ Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước" nhằm mục tiêu nghiên cứu hiệu suất cụm

cầu cho cặp truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với các thông số công nghệ hợp lý trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án

- Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới chất lượng bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của báng răng Hypoid tới hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ với điều kiện thiết bị hiện có tại Việt Nam

1

3 Đối tượng nghiên cứu

- Chất lượng bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid chế tạo trong nước;

- Hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải với cặp bánh răng Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với chế

độ công nghệ phù hợp

4 Phương pháp, nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp và phân tích các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên quan để làm cơ

sở cho việc nghiên cứu đề tài;

- Ứng dụng phương pháp PTHH và sử dụng phần mềm Ansys mô phỏng phân tích bề mặt ăn khớp giữa hai răng ăn khớp của cặp bánh răng Hypoid với các hệ số ma sát chọn theo công thức thực nghiệm Qua đó, đã phân tích được ảnh hưởng của chất lượng của bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid tới hiệu suất cầu sau ô tô;

- Tiến hành thực nghiệm, thiết lập các phương trình hồi quy, sử dụng phần mềm tính toán để xây dựng mối quan hệ giữa thông số công nghệ thấm với thông số chất lượng bề mặt làm việc, giải tìm ra được chế độ thấm phù hợp cho cặp bánh răng Hypoid;

- Ứng dụng công nghệ đo quang số 3D để đánh giá sai lệch do biến dạng nhiệt bề mặt chi tiết

và sai lệch kích thước sau khi thấm Ni tơ Plasma;

- Xây dựng bộ thông số thí nghiệm trên bệ thử;

- Chế tạo cặp bánh răng Hypoid, sau khi tôi thể tích, tiến hành thấm Ni tơ Plasma theo thông

số đã xác định để thí nghiệm kiểm chứng hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới độ cứng tế vi, sai lệch do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid làm bằng thép hợp kim 18XFT;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của các cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước với điều kiện chuyển động thẳng, ổn định trên đường bằng phẳng

2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

- Bằng phương pháp thiết kế hiện đại, bộ thiết kế cụm cầu sau ô tô tải nhẹ có độ tin cậy cao

để gia công chính xác cặp bánh răng Hypoid và các chi tiết trong cụm cầu, phục vụ trực tiếp cho các nội dung nghiên cứu trong Luận án;

- Xây dựng được mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số công nghệ thấm Ni tơ đến độ cứng tế vi, sai lệch do biến biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt làm việc;

- Xác định được chế độ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid để đạt được hiệu suất truyền động cao ở các chế độ tải và vận tốc đặc trưng theo tiêu chuẩn quốc tế;

- Xây dựng được bộ thông số thí nghiệm để đo hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ theo chất lượng

bề mặt làm việc

7 Các điểm mới của luận án

- Tìm ra được công cụ phù hợp là công nghệ đo quét quang số 3D của hãng GOM để xây dựng bộ thí nghiệm đo kích thước hình học và sai lệch do biến dạng nhiệt bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid trước và sau khi nhiệt luyện Công cụ này có thể áp dụng để kiểm tra sai số gia công các bề mặt cong bất kỳ;

- Chế tạo cặp bánh răng Hypoid đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về dung sai và độ bóng

bề mặt trước khi nhiệt luyện Xác định được chế độ thấm

Ni tơ hợp lý để không làm biến dạng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, trong khi độ cứng bề mặt đảm bảo đạt từ 55^60 HRC, rút ngắn qui trình gia công, bớt được nguyên công mài tinh phụ thuộc vào máy mài sườn răng;

- Thiết kế, chế tạo được bệ thử cầu sau theo nguyên lý dòng công suất hở để nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ theo phương pháp đo mô men đồng thời trên cả 3 trục quay

Ni tơ Plasma và hiệu suất của cầu sau ô tô tải nhẹ

Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc bánh răng hypoid đến hiệu suất

cầu sauChương 4: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma đến chất lượng bề mặt bánh răng Hypoid Chương 5: Thí nghiệm đo hiệu suất cầu sau ô tô Kết luận chung

4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CỤM TRUYỀN LỰC CẦU SAU Ô TÔ

1.1 Cầu sau và cụm truyền lực chính trên ô tô

1.1.1 Cấu tạo cầu sau và cụm truyền lực chính

Cầu sau chủ động (sau đây gọi tắt là “cầu sau”) trên ô tô tải nhẹ với cơ cấu truyền lực chính

có công dụng phân phối mô men truyền từ hệ thống truyền lực ra các bánh xe chủ động của ô tô làm cho ô tô chuyển động phù hợp với từng tay số Hình dáng tổng thể cầu sau ô tô tải nhẹ và cụm truyền lực chính được giới thiệu trên Hình 1.1

a) Hình dáng tổng thể cầu sau ô tô tải nhẹ b)Cụm truyền lực chính

Hình 1.1 Cầu sau ô tô tải nhẹ

Trong quá trình làm việc, các cặp chi tiết chuyển động quay như: khớp nối trục, ổ trục, các cặp bánh răng ăn khớp sẽ phát sinh ma sát ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của bộ truyền Cấu tạo chi tiết cầu sau và truyền lực chính của xe tải nhẹ được trình bày trên Hình 1.2

1.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật của cầu sau và cụm truyền lực chính

Cầu sau ô tô có các yêu cầu sau kỹ thuật [10]:

- Đảm bảo đặc tính động lực học và tính kinh tế tối ưu cho ô tô;

Theo số lượng bánh răng truyền lực chính có hai dạng: truyền lực đơn (một cặp bánh răng) và truyền lực kép (hai cặp bánh răng) Truyền lực đơn thường dùng trên xe tải nhẹ và nó có thể được phân loại theo dạng bánh răng: truyền lực chính bánh răng côn răng thẳng, răng cong; răng dạng Hypoid; dạng bánh răng trụ; dạng trục vít Truyền lực kép được chia thành hai loại: truyền lực chính với cả hai cặp bánh răng được bố trí trong cùng một cụm nằm giữa hai bánh xe chủ động và truyền lực chính có cặp bánh răng thứ hai được bố trí tại các bánh xe chủ động, Hình 1.3.

Truyền lực chính dạng Hypoid (Hình 1.3 b) được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô do có những ưu điểm: khả năng chịu tải lớn, làm việc êm, không ồn và có khả năng nâng cao khoảng sáng gầm xe

a) Cấu tạo chi tiết cầu sau b) Cặp bánh răng Hypoid

Hình 1.2 Cấu tạo chi tiết truyền lực chính của xe tải nhẹ

- Bu lông và đai ốc 5 - Cụm vi sai 7 - Phớt làm kín

- Đai ốc ngoài ố bi 4 - Bu lông điều chỉnh 8 - Ồ bi

- Các nửa gối đỡ ố b 6 - Cụm bánh răng quả dứa

Hình 1.3 Một số sơ đồ truyền lực chính đơn trong cầu sau ô tô tải nhẹ

1.1.3 Cụm bánh răng truyền lực chính Hypoid

Các bánh răng Hypoid có hình dạng bên ngoài giống như các bánh răng côn xoắn răng cong thông thường, nhưng rất khác nhau về mặt hình học, Hình 1.4 Truyền động Hypoid có những điểm khác biệt:

Hình 1.4 Cặp bánh răng Hypoid truyền lực chính trong cầu sau ô tô

- Trục của các bánh răng không cắt nhau mà chéo nhau với độ lệch E (gọi là độ lệch Hypoid);

- Góc xoắn trung bình của bánh răng chủ động và bánh răng bị động không bằng nhau (pi > p2)\

- Mô đun tiếp tuyến của bánh răng chủ động lớn hơn mô đun tiếp tuyến của bánh răng bị động

- Lực pháp tuyến tại vết tiếp xúc tác động lên các bánh răng chủ động và bánh răng bị động bằng nhau, nhưng các lực tiếp tuyến không bằng nhau

Khi có cùng một tỷ số truyền, cùng đường kính của bánh răng quả dứa thì bộ truyền Hypoid

có đường kính vành răng của bánh răng vành chậu nhỏ hơn bộ truyền côn xoắn thông thường nên kích thước truyền lực chính giảm

- Khi có cùng một tỷ số truyền, nếu đường kính vành răng của bánh răng vành chậu không thay đổi thì ở bộ truyền Hypoid có thể tăng đường kính vành răng của bánh răng quả dứa làm cho khả năng truyền tải và độ bền của truyền lực chính cao hơn

1.2 Đánh giá chất lượng cầu sau ô tô

1.2.1 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng cầu sau ô tô

Hiệu suất cầu sau, độ ồn rung, độ bền uốn, độ bền tiếp xúc và độ bền mỏi (bền lâu) của cầu sau là các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng cầu sau ô tô Trong đó, hiệu suất cầu sau là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất, [10,19]

a) Chỉ tiêu ồn rung của cầu sau

Khi xe hoạt động, hệ thống truyền lực và cầu sau làm việc, do những nguyên nhân mất cân bằng trong hệ thống truyền lực, do lỗi bánh răng và trục sẽ gây ra ồn rung trong hệ thống truyền lực Ồn rung cầu sau xuất hiện nguyên nhân chủ yếu do chế độ lắp ghép không đúng yêu cầu kỹ thuật tạo ra các khe hở giữa các răng, các ổ trục hoặc do các bánh răng mòn không đều, bị tróc rỗ Hiện nay trong nước chưa có chỉ tiêu đánh giá hoặc kiểm tra ồn rung cầu sau ô tô, trên xe thường được đánh giá trên tổng thể xe và dùng phương pháp loại trừ để xác định chất lượng cụm chi tiết tổng thành trên xe

b) Chỉ tiêu về độ bền uốn của cầu sau

Xác định chỉ tiêu độ bền uốn là sự phá hủy gây ra các vết nứt, gãy răng hoặc cong vênh làm cho cầu sau không còn khả năng làm việc nữa Trong đó, cặp bánh răng chịu ma sát do biến dạng uốn ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau ô tô Phương pháp xác định chỉ tiêu bền uốn là tập trung vào xác định lực tác dụng trên các bánh răng cầu sau

c) Chỉ tiêu về độ bền mỏi (bền lâu) của cầu sau

Độ bền mỏi của chi tiết là hiện tượng xảy ra hỏng hóc của chi tiết khi chi tiết chịu tác động của lực tác động thay đổi theo thời gian Hiện tượng hỏng như vậy gọi là hỏng do mỏi Để đánh giá mỏi của chi tiết là một quá trình phức tạp và khó khăn Chủ yếu dựa theo yếu tố kinh nghiệm và các thí nghiệm thực nghiệm, từ đó dự đoán trước được thời điểm hỏng do mỏi

d) Chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc của cầu sau

Một dạng hỏng hóc của bánh răng ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau là hỏng hóc do tróc rỗ Khi bị tróc rỗ, bề mặt các răng bị dính và bóc đi một mảng kim loại và sẽ gây ra ồn rung lớn cho cầu sau, hiệu suất truyền lực sẽ bị giảm đi nhiều và cầu sau không thể làm việc được nữa, ta phải thay thế

e) Chỉ tiêu về hiệu suất cầu sau

Hiệu suất cầu sau ô tô là chỉ tiêu đặc trưng cho mức độ sử dụng công suất hữu ích của cầu sau Hiệu suất cầu sau ô tô được đánh giá thông qua hiệu suất của bộ truyền bánh răng trong cầu

1.2.2 Hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ

Hiệu suất cầu sau ô tô được xác định bởi công thức (1.1)

Trong đó:

P 1 , P 2 - Công suất trên trục vào và trục ra cụm cầu sau;

P r - Công suất mất mát trên cụm cầu sau, trong đó:

P r = Ps + Po + Pd

P s - Công suất mất mát do ma sát của các cặp bánh răng ăn khớp ;

Po - Công suất mất mát trong ổ bi;

Pd - Công suất mất mát do khấy dầu bôi trơn.

Do mất mát công suất trong từng cụm rất phức tạp nên trong thực tế chỉ đo mất mát (hiệu suất) trong bộ truyền

P P

= 1 -

P.

Pi

(1.

Trong phòng thí nghiệm, có thể thực hiện đo hiệu suất cầu sau ô tô theo nguyên lý dòng công suất hở hoặc theo nguyên lý dòng công suất kín [1,2] Bệ thử dòng công suất kín có ưu điểm là sử dụng động cơ tạo nguồn động lực dẫn động nhỏ nhưng nhược điểm là khó kiểm soát được tải trọng trên bệ thử nên độ chính xác của phép đo không cao Bệ thử dòng công suất hở khắc phục được nhược điểm trên nhưng động cơ dẫn động cần công suất lớn hơn.

1.3 Thiết kế, chế tạo bộ truyền lực chính Hypoid

Bánh răng côn răng cong nói chung và bánh răng Hypoid nói riêng có ba hệ chính dựa vào dạng đường cong của răng Bánh răng côn hệ Gleason (của Mỹ): bánh răng côn răng cong có sườn răng dạng cung tròn; bánh răng côn hệ Klingelberg: bánh răng côn răng cong có sườn răng là đường thân khai hoặc Palloid; bánh răng côn hệ Oerlikon: bánh răng côn răng cong có sườn răng là đường cong Epicycloid hoặc Hypozykloid [27,34,84]

Bánh răng Hypoid là những chi tiết có kết cấu phức tạp, rất khó trong việc thiết kế tạo hình bề mặt và gia công Vật liệu chế tạo bánh răng Hypoid thường là thép hợp kim Crom-Niken hay Crom-Mangan-Titan, như: 20XH, 20XHM, SCr420H, 18XFT, 30XFT

1.3.1 Thiết bộ truyền lực chính Hypoid

Cơ sở thiết kế các bánh răng Hypoid được trình bày trong các tài liệu [41], [83-87] Thiết kế

bộ truyền bánh răng Hypoid dựa trên việc ứng dụng thuật toán tổng hợp vị trí và việc phân tích vùng tiếp xúc răng TCA (Tooth Contact Analysis) để đạt được một đường tiếp xúc có hướng phù hợp

a) Thiết kế theo yêu cầu nâng cao khả năng tải, tăng vết tiếp xúc ăn khớp Nhờ ứng dụng sự phát

triển của máy tính (hardware) và các phần mềm thiết kế mạnh (software), việc tính toán thiết kế

bánh răng có nhiều thuận lợi Phần mềm chuyên dùng trong tính toán thiết kế bánh răng phổ biến

trên thế giới có khá nhiều, trong đó có hãng FVA-Worksbench- GbmH [38] Sử dụng

phần mềm này, tác giả Michael Otto, Karsten Stahl và Di Maximilian Zimmer đã thiết kế bánh

răng theo khả năng tăng tải và giảm ồn của bánh răng, [39].

b) Thiết kế bộ bánh răng Hypoid nhờ sự hỗ trợ của máy tính (CAD/CAE)

Ngoài phần mềm FVA-Worksbench-GbmH, trên thế giới hiện còn có nhiều phần mềm khác, như HyGears của hãng Gleason, KISSsoft Tuy nhiên những phần mềm này thường đi kèm với máy và giá thành rất cao Ở Việt Nam, đến nay việc thiết kế bánh răng Hypoid vẫn phải thực hiện

bằng phương pháp tính toán thông thường, ngoại trừ công bố của nhóm tác giả trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 6/2015 [15].

c) Thiết kế ngược bằng công nghệ quang số

Một trong những ứng dụng sự phát triển của kỹ thuật ngược (Reverse Engineering) là sử

dụng công nghệ quang số, [25,83] Đây là phương pháp thiết kế mới nhất hiện nay Phương pháp này sử dụng các tia sáng xanh hay tia laser để thu thập dữ liệu, dữ liệu nhận được không phải là các tọa độ 3 chiều mà là các vùng dữ liệu (đám mây điểm) với độ chính xác phụ thuộc vào thiết bị quét

và phần mềm xử lý Mỗi lần chiếu quét được hàng nghìn điểm/1giây Không có hạn chế về số lần cũng như các vùng chiếu quét với mỗi vật

Chức năng của phần mềm theo máy bao gồm xử lý đám mây điểm với tốc độ cao, tạo ra các mẫu đa giác, tái tạo bề mặt, sắp xếp để thiết kế bằng máy tính và cho báo cáo về biểu màu, nhập dữ liệu cho bất kì hệ thống CAD nào

Trong đề tài luận án, nghiên cứu sinh đã áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược bằng công nghệ quang số để thiết kế cặp bánh chính Hypoid và các chi tiết trong cụm cầu sau ô tô tải nhẹ phục vụ cho nghiên cứu, Hình 1.1, Hình 1.2 với thông số cơ bản như trình bày trong Bảng 1.1

1.3.2 Chế tạo bộ truyền lực chính dạng Hypoid

Hệ bánh răng hệ Klingelnberg và Oerlikon có ưu điểm độ chính xác cao, cho phép làm việc

ở tốc độ cao Hệ bánh răng côn răng cong hệ Gleason có quy trình chế tạo và dụng cụ gia công sẽ đơn giản hơn và có năng suất gia công cao hơn, khả năng truyền tải lớn, độ ồn thấp so với hai hệ trên [5]

Ở trong nước, các thiết bị gia công bánh răng côn răng cong của Liên Xô và Cộng hòa dân chủ Đức (cũ) đều thuộc hệ Gleason [1,27]

Để sử dụng cho các thí nghiệm của Luận án, nghiên cứu sinh đã chế tạo ba cặp bánh răng Hypoid bằng vật liệu 18XrT trên máy Phay bánh răng côn răng cong 525 hệ Gleason, Hình 1.5.

1.4 Nhiệt luyện bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô

Các bánh răng trong cầu sau ô tô tải nói chung, cặp bánh răng Hypoid nói riêng khi làm việc chịu tải lớn và chịu mài mòn cao Bánh răng Hypoid không những có yêu cầu cao về thiết kế, chất lượng và độ chính xác gia công cơ khí mà nhiệt luyện cũng có yêu cầu rất cao và khắt khe để đảm bảo có độ biến dạng thấp, đặc biệt là biến dạng bề mặt làm việc của các răng bánh răng

nghiệm và được cho trong các sổ tay nhiệt luyện Nhiệt luyện cải thiện rất nhiều cơ tính của thép, song nếu thực hiện không đúng sẽ gây ra các dạng hư hỏng khác nhau, vì ứng suất nhiệt và tổ chức tạo thành sau khi tôi khá lớn, thường dẫn đến biến dạng quá mức cho phép Các hư hỏng khi nhiệt luyện sẽ gây ra lãng phí rất lớn [7,8].

1.4.2 Hoá nhiệt luyện

Để bảo đảm bề mặt làm việc có độ cứng cao (58-62 HRC), lõi bền và có độ cứng vừa phải (30-45 HRC), bánh răng Hypoid cần phải được hóa bền bề mặt bằng các phương pháp hoá nhiệt luyện khác nhau, như: thấm Các bon , thấm Ni tơ, thấm Xianua Chế độ và quy trình hóa nhiệt luyện bánh răng được xác định bằng thực nghiệm và được cho trong các sổ tay nhiệt luyện [7,8,12] Hiện nay, nhờ sử dụng các thép hợp kim và công nghệ hoá nhiệt luyện, nhiệt luyện hợp lý mà tuổi thọ sử dụng bánh răng đã được nâng cao

Đề tài luận án này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và lưu lượng khí thấm trong công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid của cầu sau xe ô tô tải nhẹ Đây là công nghệ hóa bền bề mặt mới nhất hiện nay Công nghệ này có nhiều ưu điểm nổi trội, hơn hẳn các phương pháp hóa nhiệt luyện truyền thống [3], [21-24], [77-80]

r

1

.5 Tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô

1.5.1 Tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô ở nước ngoài

Nghiên cứu chế tạo cụm cầu sau ô tô ở những nước có ngành công nghiệp phát triển như

Mỹ, Nga, Nhật Bản, Đức việc tập trung nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh răng đến nay cũng luôn là vấn đề mới

Các công trình nghiên cứu về cầu sau ô tô thường tập trung tại các hãng sản xuất, các nhà máy, xí nghiệp chế tạo Do vậy việc công bố kết quả của các công trình nghiên cứu này thường bị hạn chế bởi liên quan đến bí quyết công nghệ, bản quyền và tính cạnh tranh [1,2,44]

Phần lớn các nghiên cứu đã được công bố về hiệu suất của các truyền động bánh răng tập trung vào đo lường tổn thất công suất trực tiếp của cặp bánh răng [44-50] Một số khác thì đo hệ số

ma sát bằng cách sử dụng đĩa kép trong điều kiện mô phỏng một cặp bánh răng để hệ số ma sát có thể được sử dụng để dự báo hiệu suất của một cặp bánh răng [44-45,54-57] Một số nghiên cứu [43-

47] thiết lập công thức thực nghiệm cho hệ số ma sát được sử dụng khá rộng rãi Những công thức thực nghiệm này cho thấy hệ số ma sát là một hàm của một danh sách các tham số, như tốc độ trượt

và lăn, bán kính cong của bề mặt tiếp xúc, tải hay lực tiếp xúc, độ nhám bề mặt, và độ nhớt của dầu bôi trơn

Nhóm nghiên cứu khác [44], dựa trên công thức thử nghiệm hệ số ma sát được công bố như các tham khảo [56-57] Các mô hình trong nhóm nghiên cứu này xem xét các cặp bánh răng trụ răng thẳng [44], xoắn và tính toán các thông số cần thiết để xác định hệ số ma sát theo công thức thực nghiệm cụ thể thích ứng Các nghiên cứu này có sức thuyết phục mạnh hơn so với mô hình hệ số ma sát không đổi, độ chính xác của các mô hình bị hạn chế về độ chính xác của các hệ số ma sát công thức kinh nghiệm sử dụng Mỗi công thức hệ số ma sát thực nghiệm điển hình đại diện cho một loại nhất định của vật liệu, chất bôi trơn, nhiệt độ hoạt động, phạm vi tốc độ và tải, các điều kiện nhám

bề mặt của mẫu con lăn có thể khác với các cặp bánh răng đang được mô hình hóa

Rất ít các công trình nghiên cứu hiệu suất bộ truyền sử dụng bánh răng cong được công bố [66-67] Tài liệu về hiệu suất bộ truyền bánh răng Hypoid thường là các giáo trình Buckingham [68] đề xuất một công thức gần đúng cho các tổn thất công suất của các bánh răng Hypoid, đó là tổng của các tổn thất của bánh răng côn và bánh vít - trục vít Naruse [69] đã tiến hành một số thử nghiệm về tổn thất điểm và ma sát của bánh răng Hypoid loại Klingelnberg Coleman [67] sử dụng công thức đơn giản để tính toán hiệu suất bánh răng Hypoid với hệ số ma sát không thay đổi hoặc công thức tính hệ số ma sát với rất hạn chế các thông số Jia [71] đã thiết lập được các công thức EHL nhám bề mặt áp dụng cho bánh răng Hypoid

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam có rất ít những công trình nghiên cứu về cụm cầu sau ô tô nói chung và cụm cầu sau ô tô tải nói riêng Một số nghiên cứu tập trung về lĩnh vực tạo hình bề mặt, thiết kế [4,15,28,29], lý thuyết ăn khớp [27] và chế tạo [1,5,17,27,28] bánh răng Hypoid trong truyền lực chính cầu sau

a) Về nghiên cứu nhiệt luyện bánh răng côn răng cong

- Xí nghiệp cơ khí chính xác Z29, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng là đơn vị chuyên sản xuất các mặt hàng cơ khí cho ngành Quốc phòng và cho nền kinh tế, trong đó có trang bị dây chuyền nhiệt

luyện (thấm than thể khí, tôi trung tần, ủ, ) Các cặp bánh răng chế tạo của công ty này được dùng

để thay thế cho các cặp bánh răng côn cong có môđun và số răng khá lớn, dùng cho ô tô mỏ và các thiết bị trong công nghiệp khai thác than [1,2]

- Trung tâm Kỹ thuật cơ khí chính xác - Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị các thiết bị nhiệt luyện các loại bánh răng như: tôi thể tích, thấm C-N và ram [1,2]

- Năm 2007, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương thực hiện đề tài NCKH cấp bộ "Nghiên cứu, khảo sát thiết kế tính toán và chế tạo bánh răng côn răng cong dùng trong công nghiệp", [20]

Ngoài việc tính toán, lập bản vẽ thiết kế, gia công bánh răng côn răng cong theo phương pháp truyền thống, đề tài còn lập các qui trình công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện bánh răng côn răng cong

- Năm 2008, Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam, Bộ Công Thương đã thực

hiện đề tài cấp Bộ và phát triển lên đề tài cấp nhà nước "Nghiên cứu thiết kế chế tạo cụm cầu sau xe tải nhẹ dưới 3 tẩn"", [2] Đề tài đã nghiên cứu và tiến hành nhiệt luyện bánh răng quả dứa và bánh

răng vành chậu làm bằng vật liệu 18XrT với qui trình: thường hóa phôi sau khi rèn, dập; thấm Các bon chi tiết sau gia công cơ; tôi, ram

b) Về nghiên cứu thấm Ni tơ Plasma

- Đề tài NCKHCN cấp Bộ của Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương (2007) [3] ""Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thẩm Ni tơ xung Plasma ở nhiệt độ thẩp (570-600°C) trong dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy"", đã thiết kế chế tạo được thiết bị thấm Ni tơ Plasma đặt tại Viện Nghiên cứu Cơ khí.

- Luận án Tiến sĩ kỹ thuật ""Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thẩm Ni tơ Plasma cho thép 40CrMo"" của tác giả Hoàng Minh Thuận (2012) [16], đã phân tích tổng quan công nghệ và cơ

sở lý thuyết thấm Ni tơ Plasma, lựa chọn vật liệu và nghiên cứu thực nghiệm thấm một số chi tiết bánh răng để xác định thông số thấm cho thép 40CrMo

- Luận án Tiến sĩ kỹ thuật ""Nghiên cứu công nghệ để nâng cao chẩt lượng bộ truyền bánh răng hành tinh trong các máy công trình"" của tác giả Phạm Văn Đông (2012) [23], đã phân tích, so sánh

phương pháp thấm Ni tơ plassma với các phương pháp xử lý bề mặt khác Tác giả Luận án đã kết luận " thấm Ni tơ plassma có ưu điểm nổi trội hơn các phương pháp khác, cụ thể có độ biến dạng nhỏ hơn, tuổi thọ cao hơn, chống mòn tốt hơn"

- Các công trình nghiên cứu [22,24] trình bày ứng dụng công nghệ thấm Ni tơ Plasma cho các bánh răng trong các máy công trình và đánh giá độ biến dạng của bánh răng qua xử lý bề mặt bằng các phương pháp khác nhau.

T TÁ _ _ 1 * Ạ _A ^ A _ r 1 * Ạ Ạ i _ A _ _

c) Vê nghiên cứu hiệu suât cầu sau ô tô

Ở Việt Nam, cho tới hiện nay chỉ có đề tài NCKHCN trọng điểm cấp Nhà nước

(KC.05.22/06-10) [1] “Hoàn thiện công nghệ chế tạo cụm cầu sau xe tải nhẹ” thực hiện đo hiệu

suất cầu sau ô tô Đề tài KC.05.22/06-10 đã công bố kết quả đo hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ LIFAN 3070G1 trên bệ thử dòng công kín với cặp bánh răng Hypoid do Việt Nam chế tạo (hiệu suất 90,50%) và cặp bánh răng Hypoid do Trung Quốc chế tạo (hiệu suất 92,50%)

Một trong những khó khăn cho việc nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô là phải đo mô men xoắn đồng thời trên cả 3 trục quay Đề tài luận án này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau xe tải nhẹ chế tạo trong nước

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

1 Đã phân tích tổng quan những vấn đề cơ bản về bộ truyền lực chính, hiệu suất cầu sau ô tô tải cũng như việc thiết kế, chế tạo và nhiệt luyện cặp bánh răng Hypoid Tác giả đã thiết kế và chế tạo các cặp bánh răng Hypoid phục vụ cho thí nghiệm

2 Đã phân tích tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô, nhiệt luyện bánh răng Hypoid và công nghệ thấm Ni tơ Plasma ở trong nước và thế giới Công nghệ thấm Ni tơ Plasma có nhiều ưu điểm nổi trội hơn hẳn các phương pháp xử lý bề mặt khác

3 Hiện ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ Vì vậy, vấn đề nghiên cứu của Luận án mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Chương 2 : CÔNG NGHỆ THẤM NI TƠ PLASMA VÀ HIỆU SUẤT

CỦA CẦU SAU Ô TÔ TẢI NHẸ

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản về thấm Ni tơ Plasma, đo kiểm tra chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, ma sát của cặp ăn khớp Hypoid và hiệu suất cầu sau ô tô Đây

là cơ sở lý thuyết để nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ

Theo tiêu chuẩn quốc tế SAE J1266 [36], thực hiện thí nghiệm đo hiệu suất cầu sau trong hai trường hợp: trong phòng thí nghiệm và trên hiện trường Trên hiện trường, xét trường hợp xe chạy thẳng, ổn định trên đường bằng phẳng Điều đó cũng tương ứng với trường hợp khóa vi sai khi thí nghiệm trên bệ thử Luận án giới hạn không xem xét trường hợp xe chạy trên đường gồ ghề cũng như khi xe quay vòng sang trái hoặc phải

2.1 Cơ sở lý thuyết thấm Ni tơ Plasma

2.1.1 Giới thiệu chung

Thấm Ni tơ Plasma hay thấm Ni tơ ion Plasma là công nghệ nhiệt luyện tiên tiến nhất hiện nay Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2, N2,

CH và Ar Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng Plasma Ion Ni tơ được gia tốc trong quá trình Plasma và va chạm với mẫu vật Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi [3,75,76]

2.1.2 Công nghệ thấm Ni tơ Plasma

a) Quá trình thấm

Quá trình thấm Ni tơ Plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng Ni tơ, [3,80,88] Chi tiết được đặt trong lò chân không và được nối với ca tốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện, Hình 2.1, [3]

Khi nguồn điện được đóng vào, dưới điện áp cao (600-1000V) và áp suất thấp, hỗn hợp khí được biến đổi thành những ion (dòng điện dẫn Plasma) Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết Với thép, quá trình này tạo nên chất rắn hoà tan của Ni tơ (FeN) trên bề mặt thép Sau đó là quá trình khuếch tán Trong suốt quá trình khuếch tán Ni tơ phần nào thay thế cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe4N, Fe2-3N ở lớp bề mặt Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia Sự phân chia Ni tơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo lò thấm Ni tơ Plasma Quá trình phân ly dựa trên năng

lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết Đó còn gọi

là năng lượng Plasma Nguồn Plasma Ni tơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt hoá Sự tương tác giữa Plasma và bề mặt rắn là sự kích thích, ion hoá, phân ly và gia tốc

Trong quá trình thấm Ni tơ Plasma có hyđrô và Ni tơ nhưng không có xúc tác cho việc tạo thành NH3 như trong thấm N2 thể khí thông thường Các phần tử N2 cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá

b) Xung Plasma

Trong trạng thái Plasma các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí [80,88] Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp.Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái Plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ > 8000oK Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 mbar thì Plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều Chính vì thế trong môi trường chân không Plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp Trong công nghệ thấm Ni tơ Plasma thì Plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò) Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí dẫn điện (Plasma) Mật độ dòng tăng khi điện áp tăng.Thời gian tồn tại xung khoảng 50-100|u,s Chu kì xung khoảng 100- 300^s, Hình 2.2, [3]

Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung Plasma Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung Plasma được tạo từ trước Nó có nhiều ưu điểm như:

- Tạo Plasma ổn định trong mọi trường hợp;

- Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp;

- Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất;

- Bề mặt được xử lý nhiều nhất

c) Sự phân lớp

Lớp bề mặt được nitrit hoá sau khi thấm Ni tơ ion là sự kết hợp của các miền [72,73] Một lớp

trắng mỏng, chắc chắn bên ngoài và miền khuếch tán bên trong Phạm vi cấu trúc và độ đồng nhất của lớp trắng và miền khuếch tán được điều chỉnh độc lập với nhau

Lớp trắng mỏng là lớp liên kết của sắt và Ni tơ tạo các nitrit: Fe4N, Fe2-3N Độ dày lớp này lớn nhất là 20 |um

Miền khuếch tán độ dày tới 0,8 mm Trong đó Ni tơ xâm nhập vào mạng tinh thể của sắt và kết hợp với các nguyên tố hợp kim Cr, Mo, Ti, Al, V để tạo thành các nitrit đặc biệt Những nitrit đặc biệt này là những phần tử quan trọng để làm tăng độ cứng và chống mài mòn của thép hợp kim, Hình 2.3

d) Quá trình ELTROPUL

Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất [77,78,79] Chi tiết được nung nóng trong thời gian ngắn nhất, bởi sự bức xạ hay khí trơ trong chân không, với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức Sau khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết và thấm Ni tơ, chi tiết được làm nguội một cách

tự động trong môi trường tự nhiên của buồng lò

Hình 2.2 Mô tả xung Plasma

Chiêu sâu thâm - *

a) Quá trình khuếch tán b) Giản đồ cấu trúc bề mặtlớp thấm Hình 2.3 Quá trình

thấm Ni tơ PlasmaLớp thấm gồm có lớp hỗn hợp (lớp trắng) và miền phân chia Lớp trắng có thể có tổ chức

Nitrit ỵ(Fe4N) hoặc Nitrit £(Fe2-3N) Lớp ỵ chiều dày từ 28 |um, có tính mềm dễ uốn, chống mài mòn tốt, chịu được ứng suất lớn do đó áp dụng cho những chi tiết chịu tải trọng động lớn Lớp s dày

tới 20 |um có khả năng chống mài mòn, ăn mòn tốt, Hình 2.3, [77,78,79]

2.1.3 Các thông số công nghệ thấm

Các tính chất của lớp bề mặt (độ cứng, độ nhám, độ sạch), chiều sâu lớp thấm, tính chất lớp thấm, độ cứng tế vi của vật liệu chịu ảnh hưởng của các thông số đầu vào như điện áp - mật độ dòng, thời gian thấm, nhiệt độ thấm, thành phần hỗn hợp khí và áp suất khí

vùng làm việc không bình thường Khi điện áp tăng thì mật độ dòng ion khí cũng tăng Đồng thời điện áp và mật độ dòng cũng phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ của quá trình, áp suất môi trường thấm và thành phần khí Ni tơ trong hỗn hợp khí, Hình 2.4.

b) Thời gian

Thời gian là thông số quan trọng ảnh hưởng quyết định tới chất lượng sản phẩm sau khi thấm

Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol, theo công thức (2.1), Hình 2.5, [72,73,76].

Trong đó:

ổ - Chiều dày lớp khuếch tán;

K - Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D;

X- Thời gian

Từ hình 2.4 cho thấy thời gian thấm càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng nhưng tỷ lệ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm Nếu với mục đích nhiệt luyện để có chi tiết có chiều sâu lớp thấm lớn thì biện pháp có hiệu quả là tăng nhiệt độ chứ không phải thời gian

Q - Năng lượng hoạt hoá; T - Nhiệt độ thấm (0K).

Hình 2.5. Mối quan hệ giữa

Với hệ thống kim loại nhất định, các trị số A; Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng cao thì D tăng càng nhanh, Hình 2.6.

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa D và T

d) Thành phần hỗn hợp khí

Hỗn hợp khí thấm Ni tơ Plasma chủ yếu được sử dụng là Ni tơ (N2) và Hydro (H2), [3,72,73] Hydro ảnh hưởng đến sự hình thành của lớp nitrit, ngoài ra nó có tác dụng làm giảm tạp chất trên bề mặt mẫu, bổ sung một lượng hỗn hơp khí H2 sẽ làm gia tăng nhiệt độ và năng lượng động trong Plasma Ni tơ khuếch tán vào chi tiết thấm chỉ khi nồng độ H2 cao với khí N2 tinh khiết Sử dụng khí

Ni tơ tinh khiết sẽ hình thành một lớp dày hơn của các hợp chất do áp suất riêng phần nitrogen cao hơn Do đó lựa chọn thích hợp hỗn hợp khí, có thể sẽ tạo được các pha trong lớp thấm, Hình 2.7.Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất luyện kim của lớp trắng và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm Ni tơ Plasma

Hình 2.7 Sự phân lớp từ lõi đến bề mặt vật liệu

Lõi Lớp trắng Phần còn lại

Trường hợp 1: Thành phần Ni tơ trong hỗn hợp khí của quá trình từ 15%, không có lớp trắng;

phụ thuộc vào thành phần khí

Trường hợp 2: Thành phần Ni tơ trong hỗn hợp khí nạp vào từ 15-30%, có lớp trắng với tổ

chức hoàn toàn là y

Trường hợp 3: Thành phần Ni tơ từ 60-70%, mêtan từ 1-3%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là s.

Lớp trắng mỏng có thể có tổ chức y hoặc tổ chức s, Hình 2.3.

Lớp trắng có tổ chức y mềm hơn và mỏng hơn lớp trắng với tổ chức s Độ dày từ 0,1-0,4 |um

Do rất mỏng nên khi chi tiết chịu lực lớn và va chạm mạnh lớp trắng đó sẽ không bị gãy vụn Hơn nữa nó sẽ dễ dàng mất đi để mạ, phủ sau khi thấm

Lớp s không mềm như lớp y nhưng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, có hệ số ma sát nhỏ

hơn Độ dày lớp slớn hơn khoảng 0,2-0,4 |um và tăng khi thời gian thấm tăng Do đó khả năng

chống ăn mòn tăng và có bị “xốp hơn” lớp có tổ chức y.

Độ dày lớp trắng có tổ chức y và s đều tăng khi tăng nhiệt độ thấm.Tuỳ theo mục đích sử

dụng vật liệu mà điều chỉnh thành phần của hỗn hợp khí cho thích hợp để lớp trắng của bề mặt chi

tiết sau khi thấm có tổ chức y hay s Nếu chi tiết làm việc trong điều kiện chịu lực lớn, va chạm

mạnh hoặc được mạ, phủ sau khi thấm thì thành phần khí khi thấm có khoảng 15-30% N2 để lớp

trắng có tổ chức y Còn sử dụng hỗn hợp khí với tỷ lệ 60-70 % N2, 1-3 % CH4 để lớp trắng có tổ

chức s cho những chi tiết làm việc trong điều kiện bị ăn mòn lớn

Bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid cầu sau cần có độ cứng lớn, hệ số ma sát nhỏ và khả năng chống mài mòn tốt nên tỉ lệ hỗn hợp khí thấm phù hợp sẽ là: 60-70% N2, 20-23% H2 còn lại

là các khí khác

2.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thấm Ni tơ Plasma

a) Ưu điểm của phương pháp thấm Ni tơ Plasma, [3,23,80,82,87]

- Hệ thống thiết bị điều khiển tự động;

- Chất lượng sản phẩm đồng đều;

- Có thể thấm được các loại thép, gang, hợp kim;

- Thời gian nung chi tiết ngắn, phân bố nhiệt đồng đều, tạo ra lớp bề mặt có thành phần, chiều dày và

độ cứng đáp ứng được yêu cầu;

- Giảm thời gian thấm 2-5 lần, giảm lượng khí thấm 20-100 lần, giảm lượng điện tiêu thụ 1,5-3 lần so với các phương pháp xử lý bề mặt khác;

- Chi tiết sau thấm thay đổi không đáng kể về kích thước, hình dạng;

- Đảm bảo an toàn cho người, thân thiện với môi trường

b) Nhược điểm của phương pháp thấm Ni tơ Plasma, [3,23]

của phép đo độ cứng là đơn giản, mẫu thử cần nhỏ, một số trường hợp không cần làm mẫu, có thể thử ngay trên sản phẩm, thời gian thử nhanh (thời gian chỉ vài chục giây, thậm chí ngắn hơn), không phá huỷ chi tiết, có thể thực hiện trên vật mỏng và thiết bị thử nhỏ gọn.

Phương pháp xác định độ cứng kim loại bằng tải trọng tĩnh là phương pháp đo tiêu chuẩn và thường dùng nhất Nguyên tắc của phương pháp là áp lực P xác định được tăng từ từ cho mũi thử, một mũi thử bằng vật liệu chọn trước, có hình dáng và kích thước nhất định, có thể xâm nhập vào bề mặt của vật liệu thử tuỳ thuộc vào độ cứng của nó một chiều sâu tương ứng Như vậy, thực chất của việc đo độ cứng vật liệu là đo chuyển vị thẳng của mũi thử khi ấn nó vào vật liệu thử dưới áp lực cho trước Vật liệu cần đo thông qua mũi đâm làm bằng vật liệu cứng hầu như không chịu biến dạng dẻo sẽ để lại trên bề mặt một vết lõm; vết lõm càng to hoặc càng sâu thì độ cứng càng thấp và ngược lại Vậy độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu thông qua mũi đâm

Có hai loại độ cứng: Độ cứng thô đại và tế vi Khi đo độ cứng tế vi người ta phải dùng mũi đâm rất bé và tải trọng rất nhỏ tác dụng vào từng hạt, khi đo theo từng pha riêng rẽ cần có sử dụng kính hiển vi quang học

Các phương pháp đo độ cứng: Tuỳ theo hình dạng mũi thử ta có các công thức tính khác nhau và các phương pháp đo độ cứng khác nhau: Phương pháp đo độ cứng Brinell; phương pháp đo

độ cứng Rockwell, phương pháp đo độ cứng Vickers, [7,8]

Dụng cụ để đo độ cứng V ickers là một mũi nhọn bằng kim cương có hình kim tự tháp, đáy vuông, góc đỉnh của hai bề mặt đối diện là 136o đâm vào bề mặt mẫu thử

2.2.3 Đo kích thước hình học

2.2.3.1 Tiêu chuẩn kiểm tra bánh răng Hypoid

Tiêu chuẩn được sử dụng đo bánh răng côn răng cong hiện nay là tiêu chuẩn của Mỹ: ANSI/AGMA 2009-B01 [37] Các thông số đo tiêu biểu gồm: đo chiều dày răng trên vòng chia, đo

Hình 2.8 Nguyên lý đo độ cứng Brinell, Rockwell và Vickers

3D trên bề mặt làm việc của bánh răng.

2.2.3.2 Công nghệ đo bề mặt 3D bằng phương pháp quang học

Một trong những ứng dụng sự phát triển của kỹ thuật là đo không tiếp xúc sử dụng công nghệ quang số Về cơ bản, đo không tiếp xúc sử dụng công nghệ quang số cũng tương tự phương pháp thiết kế ngược dùng thiết bị quang số Ở đây sử dụng kỹ thuật kiểm tra lỗi bằng máy tính (Comput er Aided Verification - CAV) Lỗi được hiểu là những khác biệt so với gốc (chuẩn) Các bước CAV cơ bản, [25,83], Hình 2.9:

- Bước 1: Đo quét, gồm thu thập dữ liệu (đám mây điểm) từ đối tượng cần đo, xử lý dữ liệu quét thành dữ liệu 3D;

- Bước 2: Xếp chồng với dữ liệu CAD lên dữ liệu đám mây điểm 3D theo chuẩn định trước, kiểm tra trùng khít dữ liệu qua các điểm chuẩn;

- Bước 3: Phân tích đánh giá, lựa chọn phương pháp so sánh sai lệch và đánh giá sai lệch, báo cáo kết quả đo

> \

Hình 2.9 Quy trình đo bề mặt 3D bằng phương pháp quang học

2.3 Lý thuyết về ảnh hưởng của hệ số ma sát trong cầu sau ô tô

2.3.1 Hệ số ma sát lăn và hệ số ma sát trượt

Ma sát giữa các răng bánh răng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của cầu sau ô tô [44,45]

Khi hai bề mặt răng trượt lên nhau và bánh răng quay sẽ xuất hiện sự trượt và lăn ở bề mặt

ăn khớp và tạo ra ma sát giữa các bánh răng Ma sát trượt được gây ra trực tiếp của sự trượt tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc và liên quan đến hệ số ma sát, tải trọng Ma sát lăn được gây ra từ khả

năng chống chuyển động lăn, xảy ra do sự biến dạng của hai bề mặt tiếp xúc [44,46]

2.3.2 Các phương pháp xác định hệ số ma sát trong cầu sau ô tô

a) Theo định nghĩa tổng quát của hệ số ma sát

Hệ số ma sát u(z,ỡ,ệi) tại mỗi điểm tiếp xúc chính dọc theo các đường tiếp xúc tức thời

được tính toán bằng phương trình (2.5) , [47]

fi SR ,P ,v ,S ) T") b I n T~) I b3 T rb bj T\b

u = e ( 40 )P, 2 |SR| Ve6v° R 8 (2.5)

Trong đó:

f (SR, P, V S) = b, + b |SR| P h log, (v° ) + b5e4 l o g - 1 - ° 1 + b/

- b 1 đến bọ là các hằng số biến thiên phụ thuộc vào chất bôi trơn;

- SR, Ve, Ph, S, R, và v 0 - Các thông số đặc trưng tại vùng tiếp xúc răng

Bằng các thực nghiệm đã đưa ra công thức tổng quát của hệ số ma sát u công thức (2.6) Hệ

số ma sát u là một hàm của các thông số độ nhớt chất bôi trơn, vận tốc trượt, tải và độ nhám bề mặt

tiếp xúc , [44]

u = f ( v > v vs , — r > RW ' , P„„> S ) (2.6)

Trong đó:

- -k và v là độ nhớt động học và độ nhớt động của chất bôi trơn, đo ở lỗ tra dầu, là hàm

của nhiệt độ của lỗ tra dầu ở áp suất môi trường xung quanh;

- -s, Vr, và R biểu thị vận tốc trượt bề mặt tương đối, tổng số của các vận tốc trượt và bán

kính kết hợp của độ cong tương ứng;

- W’ là tải áp suất theo hướng pháp tuyến;

- Pmax là tải áp suất theo hướng tiếp xúc;

- S là tham số bề mặt, đại diện cho độ nhám bề mặt hỗn hợp ban đầu của hai bề mặt tiếp xúc

b) Mô hình Archard xác định hệ số ma sát của cặp bánh răng ăn khớp

Mô hình Archard được sử dụng rộng rãi để mô phỏng sự ăn khớp giữa hai bánh răng có sự mài mòn do ma sát Các bề mặt tiếp xúc có các thông số tuân thủ theo định luật Hertz Cơ chế ăn khớp phụ thuộc vào áp lực và tốc độ cũng như điều kiện tiếp xúc giữa hai răng ăn khớp Phương trình thực nghiệm của Archard [49] có dạng tổng quát (2.7)

k.F H

Trong đó V(L) là thể tích hao mòn trên mỗi đơn vị trượt (phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc),

F là tải pháp tuyến, H là độ cứng của vật liệu và k là hệ số mài mòn vật liệu được chọn phụ thuộc

vào mỗi cơ chế mòn khác nhau

Giả thiết các răng bánh răng quay chậm, làm cho nhiệt độ tiếp xúc thấp, chế độ bôi trơn hỗn hợp Trong mô hình, vùng tiếp xúc được chia thành một số điểm, mỗi điểm tương ứng với một diện

tích cụ thể Diện tích thực của vùng tiếp xúc Acp sẽ là phương trình (2.8).

Trong đó

Pp - Áp suất trung bình tại một điểm;

Ap - Số lượng nhám trong tiếp xúc;

K r - Hằng số tương ứng với diện tích tiếp xúc thực (tương ứng với độ cứng)

Giả sử rằng vết tiếp xúc của một chỗ nhám tỷ lệ thuận với diện tích của nó và khoảng cách trượt,

trong đó khoảng cách trượt phụ thuộc vào thời gian

(2.

A

Ap

trong diện tích tiếp xúc, vận tốc và xác suất tiếp xúc với chỗ nhám khác Thể tích mài mòn đơn

vị V i tại điểm tiếp xúc là:

Vi = A Cop L

Trong đó

C wm - Hệ số phụ thuộc vào cơ chế ăn khớp;

Ctop - Xác suất tiếp xúc;

L - Chiều dài trượt trên bề mặt tiếp xúc;

A ci - Diện tích tiếp xúc thực của chỗ nhám i.

Tổng thể tích bị mài mòn gây ra vết tiếp xúc VAP đối với vùng Ap sẽ là tổng của tất cả các V i

Giả thiết Ctop = 1, Kr = H, Cwm = const

Khi đó mối quan hệ giữa độ cứng vật liệu bề mặt tiếp xúc H với chiều dài trượt trên bề mặt tiếp xúc L, tải trọng tác dụng F và hệ số mòn k từ công thức thực nghiệm (2.7) ta được

công thức tính toán (2.12) là phương trình của mô hình Archard

Trong điều kiện bôi trơn đầy đủ và nhiệt độ ổn định, hệ số k được chọn theo hệ số

Công thức [54], công thức [55] và công thức [56] không bao gồm các thông số độ

nhám bề mặt và bán kính cong R Công thức ISO TC60 [44] không bao gồm Vs Công thức

của O'Donoghue và Cameron [55], không xem xét đến tải Công thức [57] không xem xét đến bán kính cong R

2.3.3 Xác định các lực ma sát trong hệ thống

a) Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt F' s trên một đơn vị chiều rộng s được tính bởi công thức (2.13).

Công thức và tác giả Phạm vi tham số có thể áp

Lực ma sát trượt Fs trên một chiều rộng tiếp xúc s, công thức (2.14).

Khi đã xác định được hệ số ma sát p(z,0, ậm) tại mỗi điểm tiếp xúc (z,ỡ) và tại mỗi góc

ậm (m = 1, 2, , M), lực ma sát trượt tại mỗi vị trí tiếp xúc có thể được tính bởi phương trình

h(x) - Chiều cao lún (biến dạng) tại điểm tiếp xúc; p(x) - Áp suất

tại điểm tiếp xúc

2.4 Mô hình cầu sau trong tính toán hiệu suất

Cầu sau chủ động trên ô tô tải nhẹ có công dụng phân phối mô men truyền từ động cơ qua các cụm ly hợp, hộp số và trục Các đăng để đưa ra các

(2.13

bánh xe nhờ các bán trục trái và phải làm cho xe ô tô chuyển động phù hợp đối với từng tay số.

2.4.1 Động học của cầu sau ô tô tải

Khi xe chạy thẳng trên đường bằng phẳng, do sức cản ở hai bánh xe chủ động bằng nhau, bán kính lăn các bánh xe

chủ động bằng nhau, các bánh răng bán trục có cùng số vòng quay no với vỏ vi sai (no = nt = np), các bánh răng hành tinh

không quay quanh trục của nó mà nêm với các bánh răng bán trục, Hình 2.10, [10,19,21]

Hình 2.10 Mô hình cầu sau chủ động trên ô tô tải nhẹ Trong đó:

1 - Bánh răng bị động (bánh răng vành chậu);

2 - Bánh răng chủ động (bánh răng quả dứa);

3 - Bánh răng hành tinh ;

4 - Bánh răng bán trục ;

5 - Các bán trục phải - trái

Trong xe tải nghiên cứu có vi sai đối xứng với bánh răng bán trục có số răng bằng nhau (số răng của bánh răng bán

trục trái Z t bằng số răng của bánh răng bán trục phải Zp) nên ta có phương trình (2.20).

3

Vậy tổng số vòng quay của các bán trục khi xe chạy thẳng bằng hai lần số vòng quay của hộp vi sai (bánh răng vành chậu).

Khi ma sát trong vi sai nhỏ có thể bỏ qua thì vi sai sẽ phân mô men đều làm đôi ra các bánh xe chủ động

Khi ma sát trong vi sai lớn thì vi sai sẽ phân mô men không đều ra các bánh xe chủ động mặc dù vận tốc quay của hai bánh xe chủ động bằng nhau

2.4.2 Động lực học của cầu sau ô tô tải

Xét trường hợp không có ma sát trong của cầu sau, giả sử khi ô tô chuyển động thẳng, ổn định, phương trình cân bằng mô men cầu sau được viết bởi (2.21), [10,19]

T t - Mô men trên bán trục trái;

T p - Mô men trên bán trục phải;

To - Mô men trên vỏ vi sai (trên bánh răng vành chậu).

Công suất mất mát trong vi sai do ma sát được tính bởi phương trình (2.22)

P r - Công suất do mô men ma sát;

T r - Mô men do ma sát;

(ữt - Vận tốc góc của bán trục trái; ap - Vận tốc góc của bán trục phải.

2.5 Công thức tính hiệu suất của cầu sau ô tô tải

2.5.1 Hiệu suất tức thời

Hiệu suất tức thời của bánh răng Hypoid bị ảnh hưởng bởi các thông số của răng theo chiều dọc trượt, chiều cao răng trượt cao hơn thì tổn thất do ma sát sẽ lớn hơn, giảm hiệu suất tức thời, [88] Chiều dài trượt là một đặc tính của độ lệch tâm Hypoid Độ lệch tâm Hypoid càng lớn thì chiều dài trượt dọc

3

càng cao Hiệu suất tức thời theo chiều dọc được tính toán bởi phương trình (2.23).

Trong đó:

nffi - Hiệu suất tức thời;

T 1 , T 2 - Mô men xoắn của bánh răng chủ động và bị động;

¡Ẩm - Hệ số ma tại điểm tiếp xúc;

3h 3 2 - Góc xoắn trung bình của bánh chủ động và bị động;

a - Góc ăn khớp.

Đối với bộ truyền bánh răng Hypoid có tỉ số truyền lớn (HRHGs), sự khác biệt giữa

các góc xoắn Ị3i và ¡32 không ảnh hưởng nhiều đến tỉ số giữa độ lệch tâm Hypoid E và bước của bánh răng D Khi tỷ số E/D tăng thì khác biệt giữa 3i và 32 lớn hơn Hiệu suất nffi, sẽ giảm khi E/D tăng, và nffi sẽ tăng khi E/D giảm (Hình 2.11), nghĩa là trong bộ

truyền HRHGs có hiệu suất giảm khi tỷ số truyền tăng [42,88]

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa hiệu suất và tỉ số E/D [88].

Hiệu suất tổng tính toán của bộ truyền là hiệu suất trung bình và được xác định bởi công thức (2.24), [10,19].

- P

T1O1Trong đó:

1 - Hiệu suất trung bình của bộ truyền;

P - Tổn thất chung của bộ truyền;

TI - Mô men trên bánh răng chủ động;

b) Hiệu suất tổng thực nghiệm

Hiệu suất tổng của bộ truyền thường được xác định bằng thực nghiệm, trường hợp tổng quát được xác định bởi công thức (2.27), [36]

Trong đó:

Ti - Mô men trên trục vào;

T2 - Mô men trên trục ra; it - Tỷ số

truyền của bộ truyền

k=1

1 T X100

Trong cầu sau ô tô, các cặp ma sát có ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau gồm các bề mặt ăn khớp của cặp bánh răng vành chậu với bánh răng quả dứa, cặp bánh răng hành tinh với bánh răng bán trục, các bề mặt ổ bi, các bề mặt chốt vi sai, các bề mặt đệm điều chỉnh bánh răng Tổn thất công suất trong cầu sau là tập hợp tổn thất tại các bề mặt ma sát đó và được tính theo năng lượng mất mát cho mỗi ki lô mét xe chạy, công thức (2.28), [36].

.6.1 Tiêu chuân đo hiệu suất cầu sau ô tô

Tiêu chuẩn quốc tế SAE J1266 do Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Mỹ ban hành cung cấp cách

đo hiệu suất của cầu sau theo điều kiện tải trọng, tốc độ và nhiệt độ dầu bôi trơn, [36] Quy trình đo thực hiện trong phòng thí nghiệm và trên xe hoạt động trên đường

Theo SAE J1266, đo hiệu suất thực hiện theo các bước chính: chuẩn bị thí nghiệm,

đo trên bệ thử cầu sau và đo trên xe hoạt động trên đường Hiệu suất tổng của cầu sau được xác đinh như công thức (2.27)

2.6.2 Nguyên lý đo hiệu suất cầu sau ô tô

Có thể thực hiện các thí nghiệm cho cụm cầu sau ô tô theo nguyên lý dòng công suất hở hoặc theo nguyên lý dòng công suất kín Bệ thử dòng công suất kín có ưu điểm là

sử dụng động cơ tạo nguồn động lực dẫn động nhỏ nhưng nhược điểm là khó kiểm soát được tải trọng trên bệ thử nên độ chính xác của phép đo không cao Bệ thử dòng công suất

hở khắc phục được nhược điểm trên nhưng động cơ dẫn động cần công suất lớn hơn, [1,2]

Bệ thử dòng công suất hở trên sơ đồ Hình 2.12, gồm có động cơ điện dẫn động 1, hộp số thay đổi tốc độ 2, trục Các đăng 3, cầu sau thử nghiệm 4, phanh điện loại cân bằng

5 Với cách bố trí thiết bị như trên, công suất đo được trên động cơ điện Pi chính là công

suất trên trục vào của cầu xe, còn công suất trên cơ cấu gây tải P2 là công suất trên phanh

điện Trên thực tế, người ta đo các mô men Ti trên trục vào cầu sau và Tt, Tp trên hai bán

trục Đối với bệ thử loại này, động cơ điện ngoài nhiệm vụ dẫn động toàn bộ bệ thử nó còn phải tạo ra được mô men đủ lớn để tạo tải cho cụm cần thử nên thường phải có công suất lớn.

Hình 2.12 Sơ đồ bệ thử cầu sau kiểu dòng công suất hở

1 Động cơ 2 Hộp số 3 Trục Các đăng 4 Cầu xe 5 Phanh điện

Bệ thử có kết cấu tương đối đơn giản, tuy nhiên nó đòi hỏi động cơ điện phải có công suất rất lớn nên tiêu tốn nhiều điện năng cho việc thử nghiệm Hơn nữa, do phần lớn công suất của động cơ điện được tiêu thụ tại bộ phận gây tải nên bộ phận này thường khá cồng kềnh, phức tạp, giá thành cao Bệ thử dòng công suất hở phù hợp cho các thử nghiệm

có thời gian thử ngắn như đo hiệu suất, kiểm tra chế độ nhiệt

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

1 Đã phân tích cơ sở lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu như: thấm Ni tơ Plasma, đo kiểm tra chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, động lực học cầu sau, ma sát của cặp ăn khớp Hypoid và hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ Xác định phương pháp thấm Ni tơ Plasma là phương pháp có nhiều ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp hóa bền bề mặt khác Thành phần Ni tơ trong hỗn hợp khí phù hợp để thấm bánh răng Hypoid là 60-70%

2 Kỹ thuật thiết kế ngược với công nghệ quang số được sử dụng để đo sai lệch do

biến dạng nhiệt bề mặt làm việc của răng bánh răng Hypoid Đây là phương pháp mới nhất

để đo kích thước hình học trên bề mặt cong bậc ba cũng như các bề mặt cong bất kỳ mà các nghiên cứu trước đây cũng như tại các trung tâm đo lường quốc gia chưa áp dụng

Chương 3: PHÂN TÍCH VẾT TIẾP XÚC MẶT RĂNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ MA SÁT ĐẾN HIỆU SUẤT CẦU SAU Ô TÔ

Trong chương 3, bằng việc phân tích lực truyền và liên kết tại bề mặt tiếp xúc của răng bánh răng Hypoid khi làm việc, phân tích phần tử hữu hạn, mô phỏng động ứng suất và chuyển vị tại bề mặt ma sát cho thấy chất lượng bề mặt tiếp xúc ảnh hưởng trực tiếp đến ma sát Do hiệu suất phụ thuộc vào hệ số ma sát, vì thế bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau ô tô

3.1 Lực truyền trên bề mặt ăn khớp của cặp bánh răng Hypoid

Khi cặp bánh răng Hypoid làm việc, tại bề mặt tiếp xúc (bề mặt ma sát hay bề mặt làm việc) không những chịu tác dụng của lực truyền từ động cơ đến mà còn chịu lực truyền

do tải tác dụng xuống mặt đường, qua hai bán trục truyền tới

Lực truyền tại điểm tiếp xúc tức thời P với mô men Tr1 tác dụng từ bánh răng chủ động 1 (bánh răng quả dứa) sang bánh răng bị động 2 (bánh răng vành chậu) được xác định theo các thành phần lực trong hệ tọa độ không gian [34], Hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình biểu diễn lực pháp tuyến đơn vị trên bề mặt răng [34]