Nghiên cứu tạo hình bề mặt bánh răng côn xoắn và giải pháp nâng cao chất lượng

Ý nghĩa của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển trong nước và ngoài nước tìm hiểu các phương pháp cắt bánh răng côn xoắn, đưa ra các giải p

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-*** -

NGUYỄN VĂN THẮNG

NGHIÊN CỨU TẠO HÌNH RĂNG CÔN XOẮN GLEASON VÀ

THIẾT KẾ ĐẦU DAO 6’’

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

MÃ SỐ: ………

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TSKH BÀNH TIẾN LONG

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn Các kết quả kết quả tính toán, mô phỏng được

thực hiện dưới sự hướng dẫn của GSKH TS Bành Tiến Long là trung thực và chưa

từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Thắng

LỜI CẢM ƠN

Bằng tất cả sự kính trọng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS TSKH Bành Tiến Long - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thành luận văn

Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học,Viện cơ khí - Trường Đại học bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này

Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và người thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Văn Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP 8

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN 11

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 11

1.1.1.Ưu điểm 11

1.1.2.Nhược điểm 11

1.1.3.Phân loại bánh răng côn răng xắn 12

1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON 13

1.2.1.Tỷ số truyền i 13

1.2.2.Số răng Z 13

1.2.3.Mô đun 14

1.2.4.Chiều dài trung bình của đường sinh côn lăn Le 14

1.2.5.Chiều dài trung bình của đường sinh côn lăn L 14

1.2.6.Đường kính đầu dao D u 14

1.2.7.Hệ số chiều cao răng 15

1.2.8.Khe hở hướng kính: 15

1.2.9.Góc áp lực 15

1.2.10 Góc côn ngoài 15

1.2.11.Góc xoắn của răng 16

1.2.12.Chọn hướng răng 16

1.2.13.Chọn chiều rộng vành răng b 16

1.2.14.Sự dịch chỉnh bánh răng 17

1.2.15.Các kích thước profil răng: 18

CHƯƠNG II : TẠO HÌNH BỀ MẶT BIẾN DẠNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON 20

2.1 TẠO HÌNH BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN 20

2.1.1 Nguyên lý tạo hình bánh răng côn hệ Gleason 20

2.1.2 Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg 21

2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng Oerlikon 23

2.1.4 Ưu nhược điểm của từng hệ bánh răng côn răng xoắn 24

2.2 PHƯƠNG TRÌNH BỀ MẶT BIẾN DẠNG CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON 24

2.2.1 Các phương pháp cắt 25

2.2.2 Phương pháp bề mặt biên dạng răng của bánh răng côn răng xoắn hệ gleason 26

2.2.2.1.Phương trình viết dưới dạng giải tích 26

2.2.2.2.Ứng dụng ten-xơ quay viết phương trình bề mặt răng của bánh răng xoắn răng côn hệ Gleason 31

2.2.2.2.1 Thiết lập công thức tính ten xơ quay 32

2.2.2.2.2.Thiết lập phương trình bề mặt của bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason 34

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẦU DAO GIA CÔNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON 39

3.1 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON 39

3.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẾ TẠO BÁNH RĂNG GLEASON 40

3.3.CÁC LOẠI ĐẦU DAO GLEASON 42

3.3.1.Đầu dao phay côn răng xoắn kẹp bằng cơ khó 42

3.3.1.1.Đầu dao phay thô 42

3.3.1.2.Đầu dao phay tinh 43

3.4.XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA ĐẦU DAO 43

3.4.1.Số hiệu dao 43

3.4.2.Đường kính danh nghĩa của đầu dao dn 44

3.4.3.Số lượng dao Z n 44

3.4.4.Lượng mở dao cắt S n (Chiều rộng làm việc của dao) 45

3.4.5.Thông số hình học 47

3.4.6.Chọn hướng quay của đầu dao 50

3.4.7.Dạng mặt bên của dao cắt 50

CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM 51

4.1 Mục đích thực nghiệm 51

4.2 Chọn phôi 51

4.3 Chọn đầu dao 56

4.4 Nâng cao chất lượng đầu dao 60

4.4.1 Thấm Nitơ plasma 60

4.4.2 Phủ PVD – TiN 61

4.5 Chọn máy 62

4.6 Chọn máy chạy rà để kiểm tra vết tiếp xúc 63

4.7 Tiến hành thí nghiệm: 64

4.8 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP

Hình 1.1 Thông số hình học của bánh răng côn răng xoắn 14

Hình 2.1: Nguyên lý tạo hình bánh răng côn hệ Gleason 21

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Klingelnberg 22

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Oerlikon 23

Hình 2.4: Sơ đồ gia công bánh răng côn răng xoắn 26

Hình 2.5: Đầu dao trong hệ trục tọa độ Sd 27

Hình 2.6: Phương trình bề mặt của bánh răng dẹt sinh 28

Hình 2.7: Sự cắt bánh răng Z1 và Z2 29

Hình 2.8: Thiết lập công thức tính ten xơ quay 32

Hình 2.9: Quá trình hình thành mặt hông răng 34

Hình 2.10: Hệ véc tơ xác định tọa độ điểm bề mặt hông răng 37

Hình 3.1: Nguyên lý gia công bánh răng côn xoắn 40

Hình 3.2: Tiết diện của các côn chia bánh răng 41

Hình 4.1: Phôi được tiện thô 51

Hình 4.2: Phôi được tiện côn 52

Hình 4.3: Bản vẽ chế tạo bánh răng côn xoắn 55

Hình 4.4: Bản vẽ thân dao 58

Hình 4.5: Bản vẽ kết cấu lưỡi cắt trong và lưỡi cắt ngoài 58

Hình 4.6: Bản vẽ kết cấu dụng cụ gia công bánh răng côn xoắn 59

Hình 4.7: Đầu dao bánh răng côn xoắn khi chưa được thấm 60

Hình 4.8: Thép P18 thấm ở 5000  5300C 60

Hình 4.9: Đầu dao phủ PVD – TiN 61

Hình 4.10: Dao cắt bánh răng côn xoắn khi được lắp đầu dao hoàn chỉnh 62

Hình 4.11: Máy gia công bánh răng côn răng xoắn 63

Hình 4.12: Máy chạy ra để kiểm tra vết tiếp xúc 63

Hình 4.13: Gá dao lên máy 64

Hình 4.14: Gá phôi 64

Hình 4.15: Kiểm tra tổng quan 65

Hình 4.16: Bánh răng đang được gia công 66

Hình 4.17: Cắt lượt 2 với chiều sâu cắt: t =1,5 mm, V = 105m/ph 66

Hình 4.18: Cặp bánh răng được gia công bằng dụng cụ cắt có đầu dao không được phủ 67

Hình 4.19: Bánh răng được gia công bằng dụng cụ cắt có đầu dao phủ PVD – TiN 68

Hình 4.20: So sánh hai bề mặt răng 68

Hình 4.21: Bề mặt răng được phóng đại 69

Hình 4.22: Phoi khi cắt xong 70

Hình 4.23: Nghiền răng côn răng xoắn 72

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài:

Bộ truyền động bánh răng nói chung hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi trong các thiết bị máy móc do có nhiều ưu điểm hơn so với các bộ truyền khác như bộ truyền xích, dây đai Trong công nghiệp chế tạo ô tô, máy kéo, máy công

cụ, trong ngành giao thông vận tải các loại bánh răng sử dụng có độ chính xác rất cao, trong đó bánh răng côn xoắn có nhiều ưu việt hơn so với bánh răng côn thẳng nhờ tạo nên bộ truyền làm việc nhịp nhàng, êm, ít tiếng ồn, thời gian ăn khớp dài,

độ bền răng lớn, độ mòn ít, độ nhạy đối với sai số khi lắp nhỏ và có khả năng thực hiện tỷ số truyền lớn Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy nhưng việc gia công, tạo hình chế tạo và nâng cao chất lượng bề mặt của bánh răng côn xoắn rất phức tạp đòi hỏi phải được nghiên cứu đầy đủ mới có thể đảm bảo thiết kế và chế tạo sản phẩm bánh răng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thực tế sản xuất Chính vì vậy việc

“Nghiên cứu tạo hình bề mặt bánh răng côn xoắn và giải pháp nâng cao chất lượng

bề mặt răng côn xoắn khi gia công” là rất cần thiết

3.Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Máy: máy cắt bánh răng côn xoắn 525, 528

- Vật liệu gia công: Thép hợp kim 9XC, XBG

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm

5 Ý nghĩa của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển

trong nước và ngoài nước tìm hiểu các phương pháp cắt bánh răng côn xoắn, đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng răng côn xoắn khi gia công

- Ý nghĩa thực tiễn: Bánh răng côn xoắn được sử dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực, việc đưa ra phương pháp tạo hình bề mặt bánh răng hợp lý và nâng cao chất lượng bề mặt là tất yếu, từng bước nâng cao chất lượng bánh răng côn xoắn sử dụng trong ô tô để góp phần nâng cao tỷ lệ nội địa hóa công nghiệp chế tạo ô tô tại Việt Nam

6 Nội dung luận văn:

- Nghiên cứu các phương pháp tạo hình

Xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo hình và chất lượng của sản phẩm

- Đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng bề mặt

- Lựa chọn 1 loại bánh răng côn xoắn trong ô tô du lịch, cắt thử và khảo nghiệm chất lượng bánh răng

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN

RĂNG XOẮN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bánh răng côn xoắn ngày càng được sử dụng nhiều trong ngành chế tạo ô tô, máy kéo, máy bay…Hiện nay bánh răng côn răng xoắn được đưa vào các ngành chế tạo máy công cụ, cần cẩu, ô tô, máy nông nghiệp và các ngành công nghiệp khác vì

nó có các ưu khuyết điểm như sau:

-Ăn khớp êm, giảm tiếng ồn ngay cả khi có số vòng quay lớn.Có khả năng điều chỉnh vùng ăn khớp

-Độ nhạy đối với sai số khi lắp nhỏ

Về gia công bánh răng côn răng xoắn cũng có một số ưu điểm:

-Không bị cắt chân răng khi số răng nhỏ (Zmin=5 răng)

-Năng suất cao vì có chuyển động cắt liên tục

-Phạm vi gia công rộng với bánh răng có mô đun từ 0,2÷15mm

-Đối với dạng răng cung tròn có thể mài răng

-Tính toán thiết kế phức tạp hơn so với bánh răng côn răng thẳng

-Thiết bị để chế tạo bánh răng côn răng xoắn đắt tiền

-Việc tính toán điều chỉnh máy phức tạp đòi hỏi phải có công nhân và kỹ thuật viên có tay nghề cao

-Các bảnh răng côn răng xoắn nhìn chung chưa thực hiện được nguyên công mài răng trừ bánh răng côn răng xoắn dạng cung tròn

Mặc dù tồn tại một số nhược điểm trên song ưu điểm của bánh răng côn răng xoắn vẫn là chủ yếu.Mặt khác sự giúp đỡ của tiến bộ khoa học kỹ thuật các nhược điểm trên sẽ dần được khắc phục.Vì vậy phạm vi sử dụng của bánh răng côn răng xoắn ngày càng rộng rãi

1.1.3.Phân loại bánh răng côn răng xắn

Việc phân loại bánh răng côn răng xoắn được căn cứ vào dạng đường xoắn của răng trong mặt phẳng chia của bánh dẹt sinh

Hiện nay bánh răng côn răng xoắn được chế tạo theo 3 dạng chính sau: -Bánh răng có dạng cung tròn (Hệ Gleason) của Mỹ.Loại này thường có chiều cao răng thay đổi

-Bánh răng có dạng xoắn theo chiều đường thân khai kéo dài (Hệ Klingelnberg) của Cộng hòa Liên bang Đức

-Bánh răng có dạng răng xoắn theo đường Epicycloid kéo dài (Hệ Oerlicon) của Thụy Sĩ.Loại này thường có chiều cao răng không đổi

Ngoài ra còn có hệ Fiat-Mammano của Italia và Caraven Brother của Anh nhưng các hệ này đều dựa trên nguyên lý Oerlicon

Tất cả các dạng răng nói trên đều được hiểu trong mặt phẳng chia của bánh răng dẹt sinh

Bánh răng côn răng xoắn mặc dù là loại chi tiết có độ phức tạp cao, tuy nhiên nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị máy móc thuộc các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế( thiết bị giao thông vận tải, thiết bị khai thác mỏ, thiết bị công nghiệp nhẹ, thiết bị công nghiệp nặng, thiết bị quân sự…) nguyên nhân là do bánh răng côn răng xoắn có những ưu điểm nổi bật sau:

-Có khả năng truyền động lớn và hệ số trùng khớp lớn

-Tăng sức bền uốn và nén của răng, tăng tuổi thọ của bộ truyền

-Sự ăn mòn của cặp profil đối tiếp đồng đều

-Giảm tiếng ồn ngay cả khi số vòng quay lớn, có khả năng điều chỉnh vùng

ăn khớp

-Hiệu suất sử dụng của máy gia công lớn

1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ

dh2 dr2

hp1

d d

h h1

1.2.4.Chiều dài trung bình của đường sinh côn lăn Le

Le được xác định theo công thức:

1.2.5.Chiều dài trung bình của đường sinh côn lăn L

L=Le-0,5b (Trong đó b là chiều rộng vành răng)

1.2.6.Đường kính đầu dao D u

Căn cứ vào ms, Le,β, hay b để chọn đường kính đầu dao cắt cặp bánh răng theo bảng tra trong các sổ tay chế tạo bánh răng và chế tạo dụng cụ (thiết kế dụng

cụ gia công bánh răng của các thầy Trịnh Minh Tứ, Bành Tiến Long, Trần Thế Lục)

1.2.7.Hệ số chiều cao răng

Hệ số chiều cao răng được xác định trong tiết diện mặt đầu( fs) hoặc trong tiết diện pháp tuyến (fn) tùy thuộc vào dạng răng và góc xoắn β; trị số tra bảng

-Tăng tỷ lệ tiếp xúc của hai biên dạng răng dẫn đến tăng tính cân bằng trong truyền động

-Giảm lực hướng trục và hướng tâm

-Khi α nhỏ và số răng Z nhỏ dễ sinh hiện tượng cắt chân răng vì vậy nên chọn α lớn

Trong chế tạo máy , ô tô, máy bay phổ biến là dung α=200

1.2.10 Góc côn ngoài

Để tăng bán kính lượn ở đáy răng và tăng khả năng chịu tải ở phần đầu nhỏ của răng nên tạo cho đường sinh côn ngoài của bánh răng này song song với đường sinh côn trong của bánh răng kia trong một cặp bánh răng ăn khớp nghĩa là khe hở hướng kính đồng đều trên cả chiều dài răng

Như vậy góc côn ngoài của hai bánh răng ăn khớp được tính như sau:

δh1=δr1+v p2

δh2=δr2+v p1

Trong đó δr1 ;δr2 là góc côn chia của bánh răng chủ động và bánh răng bị động

v p2 ; v p1 là góc chân răng của bánh chủ động và bánh bị động

δh1; δh2 là góc côn ngoài của bánh răng chủ động và bánh răng bị động

1.2.11.Góc xoắn của răng

Góc xoắn của răng là góc giữa tiếp tuyến với hướng răng và đường nối tâm của điểm đó.Góc xoắn thay đổi dọc theo đường răng nên người ta đưa ra khái niệm góc xoắn trung bình βtb đây là góc xoắn được xác định ở điểm giữa của vành răng

Để lựa chọn đúng góc xoắn của răng phải tính đến ảnh hưởng của các yếu tố

ăn khớp.Trị số góc xoắn liên hệ với hệ số trùng khớp tổng.Với bánh răng trụ răng thẳng hệ số trùng khớp ε=1; với bảnh răng nghiêng ε>1, với bánh răng côn răng cong góc β càng lớn thì ε càng tăng, điều đó dẫn đến kết quả là bộ truyền làm việc

êm hơn.Theo kinh nghiệm tốt nhất ta nên chọn β sao cho ε=2

Tuy vậy gócβ càng tăng thì lực chiều trục tăng gây mòn dạng răng và khó khăn cho việc thiết kế ổ.Với quan điểm đảm bảo độ bền của răng và tính êm trong quá trình ăn khớp, hợp lý nhất nên chọn góc xoắn β sao cho ε>2 một chút, làm cho luôn có hai răng ăn khớp

Trong thời gian gần đây hay sử dụng góc xoắn trung bình βtb=250÷400

1.2.12.Chọn hướng răng

Ta xác định hướng răng bằng cách nhìn vào vành răng và đi từ tâm vành răng đi ra, nếu hướng răng ngược chiều kim đồng hồ là xoắn trái và ngược lại xuôi theo chiều kim đồng hồ là xoắn phải

Một cặp răng đối tiếp thì có hướng răng ngược chiều nhau

Trong ô tô, máy kéo bánh răng chủ động luôn bị đẩy ra khỏi tâm nên thường chọn bánh chủ động có hướng xoắn trái, còn bánh bị động xoắn phải

1.2.13.Chọn chiều rộng vành răng b

Với bảnh răng trụ muốn răng khả năng tải ta tăng mô đun m hay tăng chiều rộng vành răng b.Trường hợp bánh răng côn răng cong không giống như thế.Với bánh răng côn răng xoắn chiều rộng vành răng b không được vượt quá trị số chỉ ra dưới đây:

bmax1=1,36.R=0,3 R e ; b max2 =10m s

Tăng chiều rộng vành răng b so với các trị số trên không những không tăng

độ bền và khả năng làm việc của bộ truyền mà có thể hạ thấp những chỉ tiêu đó bởi

vì khi tăng chiều rộng vành răng một cách quá đáng,kích thước răng ở đầu ngoài và

đầu trong khác nhau đáng kể, nên có sự tập trung tải trọng ở đầu bé của răng.Hơn nữa tăng b quá đáng làm cho đỉnh răng ngày càng bé, dao vào cắt khó hơn

b) Dịch chuyển góc

Thường ít dùng dịch chuyển góc đối với bánh răng nón vì phải giữ nguyên góc giữa hai trục nên khó thực hiện chỉnh góc

Thực hiện dịch chỉnh góc (thay đổi góc ăn khớp của bánh răng được gia công

so với profil của dụng cụ) bằng cách thay đổi tốc độ tương ứng khi bao hình

c) Dịch chỉnh tiếp tuyến

Thực chất của dịch chỉnh tiếp tuyến là sự thay đổi chiều dày răng theo vòng chia, một bánh răng có chiều dày răng tăng them một lượng τm Còn bánh răng ăn khớp với nó chiều dày răng bị giảm một lượng τm.Mục đích của việc làm này là để đạt được độ bền đều của răng cả hai bảnh răng

Trị số τ được gọi là hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến.Ta có τn= τs= τ.Tức là hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến trong tiết diện pháp tuyến và tiết diện mặt đầu là bằng

nhau.Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến được xác định bằng cách so sánh sức bền uốn của răng chủ động và bánh bị động

1.2.15.Các kích thước profil răng:

Tùy theo dạng răng (I, II, III) mà ta có cách tính profil khác nhau

Đối với răng dạng I ta có:

-Chiều cao toàn răng : h=2f s m s +C

-Chiều cao răng ở mặt đầu:

=m s (f s + ξ s cosβ)

=2f s m s

Trong đó ξ là hệ số dịch chỉnh chiều cao răng

-Chiều cao chân răng ở mặt đầu

Kết luận : Trong chương này đã đã giới thiệu, phân tích được ưu nhược

điểm tổng quan về bánh răng côn, răng xoắn và tính toán, phân loại được các thông

số hình học của bộ truyền bánh răng cong, các thông số cơ bản của bánh răng hệ Gleason

CHƯƠNG II : TẠO HÌNH BỀ MẶT BIẾN DẠNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG

XOẮN HỆ GLEASON

2.1 TẠO HÌNH BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN

Bánh răng côn răng xoắn được sử dụng nhiều trong các thiết bị công nghiệp nhưng tập trung có ba hệ chính sau :

1 Bánh răng côn hệ Gleason : bánh răng côn răng xoắn có đường răng là cung tròn

2 Bánh răng côn hệ Klingelnberg : bánh răng côn răng cong có đường răng là đường thân khai kéo dài

3 Bánh răng côn hệ Oerlikon : bánh răng côn răng cong có đường răng là đường cong Epicycloid kéo dài

2.1.1 Nguyên lý tạo hình bánh răng côn hệ Gleason

Việc gia công bánh răng côn hệ Gleason dựa theo nguyên lý ăn khớp cưỡng bức giữa các bánh răng dẹt sinh tưởng tượng (do chiều chuyển động của dao tạo nên) và phôi bánh răng gia công (Hình 2-1) Dụng cụ cắt là dao phay mặt mặt đầu, trên đó có gắn lưỡi dao Khi cắt răng đầu dao sẽ thực hiện hai chuyển động tạo hình :

- Chuyển động quay quanh trục O (theo chiều S1);

- Chuyển động quay quanh trục đầu dao O1 với vận tốc cắt V [m/phút] (theo chiều S2) Chuyển động S2 là chuyển động tạo hình đơn giản tạo ra chiều dài răng

Ngoài ra phôi còn chuyển động quay S2 quanh trục của nó Để tạo profin răng, bánh dẹt sinh (giá lắc lư) và phôi được cắt có mối quan hệ động lực học với nhau thông qua xích bao hình Nếu bánh dẹt sinh chuyển động với vận tốc góc ωd

và bánh răng được cắt ωk có mối quan hệ động lực giữa chúng được viết:

(k = 1, 2)

d b

d k k h

z i

z





i - Tỉ số truyền chung của xích bao hình

Hình 2.1: Nguyên lý tạo hình bánh răng côn hệ Gleason

Trong quá trình bao hình, bánh dẹt sinh thực hiện chuyển động quay quanh

trục O

Sau mỗi lần gia công xong một rãnh răng, xích bao hình bị phân giải, giá lắc đảo chiều, quay về vị trí bạn đầu, bánh răng được cắt thự hiện phân độ liên tục và chuẩn bị chu kỳ gia công mới, cứ như thế cho đến khi gia công hết răng

2.1.2 Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg

Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg khác với nguyên lý chế tạo bánh răng Gleason cơ bản là sử dụng đầu dao phay lăn côn làm việc theo nguyên

lý bao hình liên tục Bánh răng có chiều cao răng giống nhau trên toàn bộ chiều rộng vành răng

Chế tạo bánh răng côn xoắn hệ Klingelnberg dựa trên nguyên lý ăn khớp cưỡng bức giữa bánh dẹp sinh tưởng tượng ( giá lắc đóng vai trò là dao và bánh răng đóng vai trò là dao và bánh răng vai trò là phôi Để tạo hình bánh răng

Klingelnberg dao phay trục vít thực hiện chuyển động S3 quay quanh trục của nó tạo ra tốc độ cắt gọt, đầu dao thêm chuyển động phụ S1 để dao phay trục vít lắn trên mặt côn bánh dẹp sinh Bánh dẹp quay quanh trục tâm máy với chuyển động S4 Bánh răng chuyển động quanh trục của nó S2

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Klingelnberg

Để tạo hình biên dạng răng của bánh răng máy cần phải thực hiện các mối liên kết động học giữa các khâu chấp hành:

1 Mối liên hệ động học giữa Dụng cụ - Bánh dẹp sinh:

Nếu gọi vận tốc góc đầu dao ωn, ωd – vận tốc góc của bánh dẹp sinh; k – số đầu mối của dao phay trục vít ta có:

2 Mối liên hệ động học giữa bánh dẹp sinh – giá lắc:

Trong đó:  dk- Vận tốc góc tương đối giữa bánh dẹp sinh và giá lắc

Trong đó:  ph- góc côn chia của bánh răng được cắt

k

n - số vòng quay giá lắc

2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng Oerlikon

Đây là loại bánh răng côn xoắn có dạng răng theo đường Epicyloid kéo dài, chiều cao răng không thay đổi trên toàn bộ vành răng Ta tưởng tượng rằng một đường tròn trên đó có gắn chặt các profin cơ bản của bánh răng với đường tròn cơ

sở K0 Trên bánh dẹp có các đường xoắn theo dạng đường Epicyloid kéo dài với profin thẳng trong mặt phẳng pháp tuyến Trên đầu dao bố trí các nhóm dao cắt mặt lồi và mặt lõ biên dạng răng

Để chế tạo bánh răng Oerlikon máy có chuyển động sau: Bánh dẹp sinh chuyển động quay quanh trục tâm máy ( S1, S1* ); chuyển động tạo ra tốc độ cắt gọt của dầu dao ( S2, S2* ); chuyển động của phôi quanh trục của nó ( S3, S3* ) Với chiều chuyển động của phôi, dao, bánh dẹp sinh phù hợp cho ta các dạng răng epicicloit kéo dài hoặc hypoit kéo dài

Để tìm mối liên hệ động học giữa các cơ cấu chấp hành ta giả thiết rằng trục

On không chuyển động, đầu dao cùng với đường tròn Ko quay quanh On và

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Oerlikon

Mang đường tròng K0 quay quanh tâm Sd, quan hệ chuyển động giữa đầu dao – bánh dẹp sinh có thể viết:

2

d

d

n z



Trong đó: n- số nhóm dao trên đầu dao

Cho bánh răng được cắt ăn khớp với bánh dẹp sinh, theo quy luật ăn khớp bánh răng đươc cắt có số răng zph và số răng của bánh dẹp sinh zd ta có quan hệ như sau:

2.1.4 Ưu nhược điểm của từng hệ bánh răng côn răng xoắn

Trong ba hệ bánh răng côn răng xoắn kể trên, bánh răng kệ Klingelnberg, Oerlikon có ưu điểm độ chính xác cao, cho phép làm việc ở tốc độ lớn và độ ồn thấp hơn so với bánh răng hệ Gleason Nhưng nhược điểm của hai hệ bánh răng này

là : Chế tạo máy và dụng cụ gia công phức tạp, năng suất gia công thấp, giá thành sản phẩm cao và khó ứng dụng công nghệ cao trong điều khiển máy gia công

Đối với hệ bánh răng côn răng cong Gleason thì chế tạo máy và dụng cụ gia công sẽ đơn giản hơn và có năng suất gia công cao hơn hẳn so với hai hệ trên Trước đây các nước phương tây thường dùng dạng răng Klingelnberg, Oerlikon phục vụ cho công nghiệp oto Ngày ngày bằng sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã cho phép chúng ta ứng dụng công nghệ cao CAD/CAM trong lĩnh vực gia công bánh rang Điều này cho phép chúng ta cải thiện một bước đáng kể chất lượng của sản phẩm, từ đó có thể ứng dụng bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason trong mọi loại thiết bị có yêu cầu độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ ồn thấp Trong khi giá thành của sản phẩm bánh rang côn răng cong hệ Gleason lại rẻ hơn rất nhiều so với hai loại trên

2.2 PHƯƠNG TRÌNH BỀ MẶT BIẾN DẠNG CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG XOẮN HỆ GLEASON

Để có cơ sở lý luận nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của bánh răng côn răng xoắn Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát phương trình bề

mặt biên dạng bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason

2.2.1 Các phương pháp cắt

Trước khi đi vào xây dựng phương trình bề mặt biên dạng răng của bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason, chúng ta hãy khảo sát qua các phương pháp cắt Qua đó có một số tham khảo ban đầu cho việc xay dựng phương trình biên dạng

Có nhiều phương pháp khác nhau để cắt bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason Việc lựa chọn phương pháp này hay phương pháp kia toe yêu cầu độ chính tùy theo yêu cầu độ chính xác bánh răng cắt, năng suất cắt, số lượng dụng cụ v.v…

Có các phương pháp cắt chủ yếu dùng cả hai bánh răng:

1 Phương pháp một mặt cắt: Đặc trưng của phương pháp này là việc gia

công riêng biệt mặt lồi và mặt lõm trên răng của bánh răng nhỏ cũng như bánh răng lớn Ở đây dùng ba phương án gia công:

a- Cắt cả cặp bánh răng ăn khớp bằng gá đặt khác nhau đối với mỗi măt của răng

b- Cắt cả mặt lõm và mặt lồi trên răng của bánh răng lớn với cùng vị trí tâm đầu dao Khi chuyển từ mặt này sang mặt kia thì chúng ta xoay phôi đi một góc cần thiết để đảm bảo chiều dầy của răng Còn đối với bánh răng nhỏ thì cắt như phương

2 Phương pháp cắt hai mặt đơn giản: Đặc trưng của phương pháp này là

việc gia công bánh răng lớn hơn bằng đầu dao hai mặt để cắt đồng thời mặt lõm và mặt lồi của răng, còn bánh nhỏ thì gia công theo phương pháp một mặt cắt Phương pháp này đảm bảo vùng tiếp xúc tốt, độ bóng bề mặt răng và năng suất cao

3 Phương pháp gá đặt cố định: là một dạng của phương pháp cắt hai mặt

đơn giản mặt lõm và mặt lồi của răng nhỏ được gia công trên hai máy riêng biệt bằng hai đầu dao, dao một mặt Các máy này được điều chỉnh cho một nguyễn công nhất định Bánh răng lớn được gia công trên máy thứ ba bằng đầu dao hai mặt với

một lần gá Phương pháp này có thể gia công được bộ truyền bánh răng còn có độ chính xác

4 Phương pháp cắt hai mặt kép: Đặc trưng của phương pháp này là cả hai

mặt lồi và lõm trên răng của cả bánh răng lớn và nhỏ hai đầu dao hai mặt Phương pháp này có độ chính xác khồn cao, nên dùng thích hợp nhất cho những bộ truyền bánh răng có modul lớn mà không yêu cầu cao về chất lượng và các cặp có modul nhỏ

2.2.2 Phương pháp bề mặt biên dạng răng của bánh răng côn răng xoắn hệ gleason

Bề mặt biên dạng răng của bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason có thể mô tả dưới nhiều dạng khác nhau, ở đây chỉ mô tả bề mặt biên dạng răng dưới hai dạng: giải tích và ten xơ

2.2.2.1.Phương trình viết dưới dạng giải tích

Dựa theo nguyên lý tạo hình gia công bánh răng côn răng xoắn đã nêu trong chương 1 để viết về phương trình biên dạng răng

Kết cấu của đầu dao cắt gồm có các lưỡi cắt trong và các lưỡi cắt ngoài Theo sơ đồ hình

Hình 2.4: Sơ đồ gia công bánh răng côn răng xoắn

Trong quá trình tạo hình bề mặt biên dạng răng bánh răng côn răng xoắn được hình thành theo phương pháp bao hình Hãy xét hệ tọa độ sau: Sd và Ss được liên kết cứng với bánh răng dẹt sinh, So là hệ tọa độ cố định

Khi quay đầu dao trong hệ trục tọa độ Sd lưỡi cắt của dao sẽ tạo nên một bề mặt côn được xác định bởi phương trình:

.sin sin sin sin

Trong đó: re – bán kính tính toán đối với đầu dao (giả sử là dao ngoài)

u,  – thông số xác định điểm hiện tại N của bề mặt côn

O

R1

Hình 2.5: Đầu dao trong hệ trục tọa độ S d

Giả thiết vị trí gá đặt của đầu dao so với trục Os của bánh răng dẹt sinh với giá trị:

. s d

xác định bằng phương trình sau:

s s

: là góc quay của bánh răng dẹt sinh

Lúc đó véc tơ pháp tuyến đến bề mặt bánh răng dẹt sinh trong hệ So được xác định bởi phương trình:

1/ Sự cắt bánh răng Z 1 và Z 2 : được xác định bởi hai bề mặt răng của bánh răng

dẹt sinh F và P không trùng nhau (hình 2-6)

Giả thiết bánh răng Z1 được cắt bởi phương pháp một mặt cắt, còn bánh răng Z2được cắt bởi phương pháp hai mặt cắt Khi đó trục quay của bánh răng dẹt sinh và trục quay của bánh răng gia công sẽ tạo với nhau một góc nhọn bằng 90o- δk+Δk

- k: (1, 2)

- δk: Góc côn chia của bánh răng cắt

- Δk: Góc chân răng của bánh răng cắt

Như vậy bề mặt răng của bánh răng được cắt Z1, Z2 không có sự liên hệ với nhau Để nâng cao chất lượng ăn khớp bánh răng thì người ta sẽ đưa lượng hiệu chỉnh máy vào tính toán khi cắt bánh răng nhỏ Z1

d d

dL1 Lcosd-dL1 Lsind

Xd Xd Xd

Xd

Xa

Xh Xm

ZmZf Zh

Xd

d d

A

OmOn O1 A

OmOn

Z1

Zn Z

X

Xn X1

Hình 2.7: Sự cắt bánh răng Z 1 và Z 2

Xét bề mặt bánh răng dẹt sinh trong hệ tọa độ cố định Sm và Sn tương tự như

phương trình (2-3) và (2-4) Thay chỉ số o thành chỉ số m ta sẽ có phương trình bề

mn

2/ Tìm phương trình của ăn khớp khi cắt bánh răng Z 1 và bánh răng Z 2

Khi cắt bánh răng Z1 , bánh răng dẹt sinh F và bánh răng Z1 sẽ quay quanh trục của

bản thân nó x m và z a (hình 2-6) với vận tốc góc Ω(F) và Ω(1) trục x m và z a sẽ cắt nhau

Vị trí của đỉnh côn chia o 1 trong hệ Sm được xác định nhờ véc tơ:

1 sin 1 1 1

o o L i  E j  L k (2-7) Trong đó: ΔΕ1 – Lượng điều chỉnh Hypoid;

ΔL1 – Lượng điều chỉnh dọc trục;

L – Chiều dài mặt côn chia;

Như vậy véc tơ vận tốc chuyển động tương đối:

 ; Tỷ số truyền xích bao hình khi cắt bánh răng Z1

Tương tự với bề mặt bánh răng dẹt sinh P và bánh răng cắt Z2 ta có phương trình của sự ăn khớp sau:

 ; Tỷ số truyền xích bao hình khi cắt bánh răng Z2

Để đảm bảo tính ăn khớp tốt cả 2 bánh răng Z1 và Z2 chúng cần phải thỏa mãn một số điều kiện chính sau:

 Biên dạng răng của bánh răng sau khi cắt Z1 và Z2 cần phải tiến vào tiếp xúc với nhau ở điểm tính toán đã cho Tỷ số truyền tức thời cần phải bằng số liệu cho trước

 Tỷ số truyền của bánh răng theo góc quay cần phải băng không tại

điểm tính toán cho trước, tức là 12

1

d i

d   đồng thời phân tích hướng của

tiếp tuyến đến làm việc tại điểm tính sẽ xá định được hướng của vết tiếp xúc trên bề mặt của răng bánh răng

 Hệ số độ cong của bề mặt răng cần phải loại bỏ khả năng giao thoa

ở điểm tiếp xúc và đảm bảo đạt được kích thước của vết tiếp xúc

2.2.2.2.Ứng dụng ten-xơ quay viết phương trình bề mặt răng của bánh răng xoắn răng côn hệ Gleason

Khi nghiên cứu các tính chất đặc trưng của chuyển động quay bất kì trong không gian, người ta ứng dụng hình học vị phân hoặc giải tích véc tơ để thiết lập

phương trình của nó Gần đây việc ứng dụng ten-xơ quay để viết phương trình bề mặt răng

Phương pháp này cho phép viết phương trình đơn giản và dễ dàng ứng dụng trong lập trình

2.2.2.2.1 Thiết lập công thức tính ten xơ quay

Giả sử bề mặt F xác định trong hệ tọa độ Đề các Oxyz.Một điểm M trên bề mặt được xác định bởi véc tơ có gốc trùng với gốc tọa độ, mút của véc tơ trùng với điểm M.Cho điểm M quay quanh trục O đi qua gốc tọa độ gốc có véc tơ đơn vị (Hình 2.6)

x Y

Hình 2.8: Thiết lập công thức tính ten xơ quay

Véc tơ sau khi quay đi một góc t ta kí hiệu Véc tơ có thể phân thành hai thành phần, một thành phần trên trục O là véc tơ và thành phần thứ hai là (o,k,b kaf các chỉ số của véc tơ) Giả thiết véc tơ nằm trong mặt phẳng quay của

M và đồng thời vuông góc như vậy có thể viết :

Véc tơ vuông góc với mặt phẳng chứa hai véc tơ và cũng nằm trong mặt phẳng chứa véc tơ và véc tơ , vì vậy tích có hướng của hai véc tơ là véc tơ

là ten xơ quay tức là véc tơ một góc t quanh trục O mà không thay đổi

độ lớn của véc tơ.Vậy toàn bộ hệ chỉ quay mà không biến dạng

2.2.2.2.2.Thiết lập phương trình bề mặt của bánh răng côn răng xoắn hệ Gleason

Cắt bánh răng côn răng xoắn bằng phương pháp bao hình là phương pháp được dùng phổ biến để nâng cao chất lượng ăn khớp của cặp bánh răng đối tiếp.Để tạo hình bề mặt răng người ta sử dụng dao phay mặt đầu mà trên đó lắp nhiều lưỡi cắt là hàm của đường cong phẳng z=f(x) Đường cong phẳng này có thể là đường tròn, đường elip,parabol, epicicloit.Tùy thuộc vào biên dạng lưỡi cắt mà ta được bề mặt răng khác nhau.Các lưới cắt được bố trí trên những vành tròn đồng tâm.Bề mặt răng của bánh răng côn răng xoắn là bề mặt hai thông số và hai đường cong thông

số biến đổi trong quá trình tạo hình , trên hình (2.2) chỉ ra hai vị trí của mặt sinh trên bề mặt răng trong quá trình hình thành bề mặt.Trong quá trình chuyển động tương đối giữa dao và phôi, lưỡi cắt lấy đi một phần vật liệu trên phôi dưới dạng phoi.Phần bề mặt giới hạn bởi phần vật liệu không được cắt đi.Đó chính là bề mặt sinh dụng cụ trong quá trình chuyển động tương đối giữa phôi bánh dẹt sinh mang dụng cụ cắt

Nd m

n

Vd

m1 n1

N'd

V'd

Hình 2.9: Quá trình hình thành mặt hông răng

Tại thời điểm bất kì trên bề mặt sinh F tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo đường cong nào đó ví dụ đường cong n-n1 đường này gọi là đường tiếp xúc.Tại

điểm tiếp xúc bất kì như trên điểm K.Vận tốc tại điểm K và Vd là tiếp tuyến với đường cong tại K.Vì vậy điều kiện tiếp xúc của hai bề mặt là :

=0 (2.21)

Để thiết lập phương trình bề mặt răng côn răng xoắn hệ Gleason, ta đặt đỉnh côn chia của bánh răng cần gia công trùng với tâm của bánh dẹt sinh, mặt phẳng đỉnh răng tạo thành bề mặt tiếp tuyến với mặt côn chân răng của bánh răng được cắt góc quay của giá lắc cần đủ lớn để có thể răng gia công cần phải thỏa mãn điều kiện sau :

(2.22)

Trong đó :

: Vận tốc giá lắc :Vận tốc góc chi tiết gia công :Số răng của bánh dẹt sinh

:Số răng của bánh răng được cắt

k:Góc chia của bánh răng được cắt

Số răng của bánh dẹt sinh được xác định theo công thức:

(2.23) Nếu chi tiết quay được một góc là để gia công hết một rãnh răng thì giá lắc phải quay được một góc : (2.24)

Thiết lập phương trình mặt sinh khi lưỡi cắt quay quanh trục Of trùng với trục quay của đầu dao (Hình 2.29) Bề mặt côn là bề mặt hai thông số, thông số thứ nhất u1 biến đổi theo lưỡi cắt và thông số thứ hai u2 là thông số chuyển động của mặt côn từ vị trí bắt đầu đến vị trí kết thúc một răng, phương trình bề mặt côn viết dưới dạng ten xơ:

(2.27) Trong đó :Góc quay bề mặt côn sinh dụng cụ từ vị trí bắt đầu đến vị trí kết thúc một mặt răng

:Véc tơ từ gốc tọa độ đến đỉnh côn sinh

:Véc tơ từ đỉnh côn sinh đến điểm chọn trên lưỡi cắt

Profil lưỡi cắt trong và lưỡi cắt ngoài

Giả sử trong bánh răng được cắt đứng yên, giá lắc sẽ quay quanh trục của nó với ten xơ quay là :

Đồng thời nó quay quanh trục bánh răng được cắt với ten xơ quay :

Điểm mũi B dụng cụ cắt là điểm đầu tiên tham gia cắt giữa chi tiết và dụng

cụ phương trình điểm cắt này có thể viết dưới dạng ten xơ:

Trong đó u1 : Thông số chạy trên lưỡi của dụng cụ cắt và thỏa mãn điều kiện :

Điều kiện để mặt sinh có bao hình là :

Det[ ]=0 (2.31)

(2.33)

Of v

K0

B A

Từ phân tích trên cho thấy việc thiết lập phương trình bề mặt răng bằng phương pháp ten xơ quay đơn giản hơn so với phương pháp giải tích.Với phương trình bề mặt dạng ten xơ quay để thiết lập chương trình mô phỏng cho bề mặt này trên máy tính

Kết luận: Trong chương này đã phân tích được nguyên lý tạo hình bánh răng

côn răng xoắn hệ Gleason, bánh răng Klingelnberg, bánh răng Oerlikon từ đó thiết lập được phương trình bề mặt biến dạng của bánh răng côn xoắn Gleason