Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid xây dựng phần mềm tự động tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong dạng hypoid

--- PHAN BÌNH NGUYÊN NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG HYPOID XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN CONG DẠNG HYPOID LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA H

-

PHAN BÌNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG HYPOID

XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN CONG DẠNG HYPOID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – 2011

-

PHAN BÌNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG HYPOID

XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN CONG DẠNG HYPOID

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS LÊ THANH SƠN

Hà Nội – 2011

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ……… 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU……… 11

Chương I: TỔNG QUAN……… 15

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của bánh răng côn răng cong hypoid…… 15

1.1.1 Một số đặc điểm của bánh răng côn răng cong hypoid……….15

1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong…….17

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế và công nghệ chế tạo bánh răng côn cong hiện nay……….………19

1.2.1 Xu hướng phát triển của công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên thế giới……….19

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo bánh răng côn răng cong ở Việt Nam………… 25

1.3 Kết luận……… 26

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG CONG HYPOID……… 28

2.1 Phân loại bánh răng côn răng cong và cách tạo hình………28

2.1.1 Nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Gleason………29

2.1.2 Nguyên lý chế tạo bánh răng theo hệ Klingelnberg……….30

2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng theo hệ Oerlikon………31

2.1.4 Ưu nhược điểm của các hệ bánh răng côn răng cong……… 33

2.2 Lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong……….34

2.2.1 Công trình nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của Φ-Litvin……… 34

2.2.2 Phương pháp tính toán gần đúng của Picmanhíc……….36

2.2.3 Phương pháp phân tích vết tiếp xúc của Wang và Ghosh………37

2.3 Lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong hệ Gleason……… 41

2.3.1 Các phương pháp cắt………41

2.3.2 Tạo hình bánh răng hypoid lớn………43

2.3.3 Tạo hình bánh răng hypoid nhỏ………46

2.3.4 Điều kiện đủ để tồn tại bao hình của họ bề mặt………52

2.4 Kết luận……… 54

Chương III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HYPOID………55

3.1 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu trong tính toán thiết kế bánh răng côn răng cong hypoid………56

3.1.1 Các công thức tính toán thiết kế thông số hình học bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason……….56

3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán và giải thuật của phần mềm tự động thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid 71

3.3 Lập chương trình tự động thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason……… ……… 74

3.3.1 Chọn công cụ thiết lập……… 74

3.3.2 Thiết lập phần tự động hóa tính toán………76

3.3.3 Thiết lập phần xuất bản vẽ tự động……… 80

3.3.4 Bảo mật chương trình……… 90

3.4 Kết luận……… 92

Chương IV: CHẠY THỬ PHẦN MỀM VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ……… 93

4.1 Chạy thử chương trình và so sánh với số liệu tính toán đã được kiểm chứng……….93

4.2 Chạy thử phần thiết kế bản vẽ ………96

4.3 Kết luận……… 96

KẾT LUẬN CHUNG……….97

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 99

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu nêu

trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phan Bình Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp chế tạo ôtô, máy kéo, tàu thuỷ truyền động bánh răng được sử dụng rộng rãi vì nó có rất nhiều ưu điểm, trong đó đáng chú ý là khả năng tải lớn và đảm bảo tỷ số truyền động chính xác, hiệu suất truyền động cao

Truyền động bánh răng côn với mục đích truyền chuyển động giữa 2 trục cắt nhau trong không gian (thường là 90ο), cũng có đầy đủ các ưu điểm trên Tuy nhiên để nâng cao khả năng tải, giảm tiếng ồn, giảm kích thước của bộ truyền với loại truyền động này người ta còn chế tạo các bộ truyền bánh răng côn với răng có dạng cong, đặc biệt với bộ truyền bánh răng hypoid còn có khả năng truyền giữa 2 trục chéo nhau

Trong tất cả các lĩnh vực kĩ thuật, luôn có nhiều hơn một phương pháp để đạt được lời giải đúng Điều này cũng đúng với bộ truyền Hypoid, hiện nay có ba hệ thống khác nhau mà người thiết kế có thể sử dụng Hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất trong những năm gần đây, đặc biệt là trong công nghiệp ôtô, là hệ Gleson Hoa Kì, được chứng minh và thừa nhận đầy đủ bởi cả AGMA (hiệp hội các nhà chế tạo bánh răng Hoa Kì) và AAAM (hiệp hội các nhà sản xuất ôtô Hoa Kì) Nhưng từ thế chiến thứ II, Gleson gặp phải sự cạnh tranh từ hai công ty châu âu nổi tiếng, nơi đã đưa ra những cách tiếp cận mới để chế tạo các bánh răng côn Những công ty đó là Oerlikon của Thuỵ Điển và Klingelnberg của Đức

Cả ba phương pháp đều sử dụng dạng răng thân khai, nhưng chúng có độ cong khác nhau được tạo ra bởi những phương pháp cắt khác nhau

Hệ Gleson có răng cung tròn và chiều cao răng thay đổi, trong khi cả hai hệ của người Châu Âu đưa ra cố gắng đạt được chuyển động lăn ở mặt bên của răng, sử dụng răng có chiều cao không đổi Tuy nhiên chúng có hình dạng khác nhau: Oerlikon sử dụng đường cong răng dạng epicycloit, Klingelnberg sử dụng đường cong răng dạng thân khai chính xác

Các bộ truyền bánh răng côn cong được sử dụng khá nhiều ở nước ta, chủ yếu là trong ôtô đặc biệt để làm bộ cầu sau, trong máy kéo, hộp số các thiết bị khác Sau một thời gian dài sử dụng, các bộ truyền bánh răng bị mòn gây ra tiếng ồn và truyền chuyển động không còn chính xác nữa hoặc bị hỏng nên luôn luôn cần thay thế, vì vậy việc thiết kế và chế tạo các bộ truyền mới là hết sức cần thiết

Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, việc thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong Hypoid cũng không có tiêu chuẩn cụ thể nào, chúng ta đa phần là sử dụng các nguồn tài liệu, tiêu chuẩn thiết kế từ nước ngoài, cụ thể là từ Liên Xô cũ, và gần đây là các tài liệu từ Hoa Kì và Châu Âu Việc chế tạo được các bộ truyền bánh răng côn cong chủ yếu là theo hệ Gleason, nhưng sản xuất chỉ dừng lại ở dạng đơn chiếc và loạt nhỏ với

độ chính xác thấp Việc đầu tư hiện đại cho công nghệ chế tạo bánh răng trong nước còn hạn chế, công nghệ cũ đã dần lạc hậu, điều đó làm cho độ chính xác và chất lượng của bánh răng gia công chưa cao

Để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid, luận văn này đi sâu nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của bộ truyền, lập trình giúp thực hiện tính toán thiết kế, tạo bản vẽ bộ truyền một cách tự động phục vụ cho việc gia công chế tạo bánh răng

Trong thời gian làm luận văn em đã rất cố gắng học tập, tìm hiểu và nghiên cứu

đề tài Đồng thời với sự hướng dẫn, giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy TS Lê Thanh Sơn cùng các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và dụng cụ

công nghiệp, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đến nay em đã hoàn thành luận văn đúng thời hạn và khối lượng công việc được giao

Tuy nhiên, do đề tài khá mới mẻ và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Kính mong được sự đóng góp ý kiến, bổ sung của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô khác trong bộ môn và bạn đọc để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Nội dung của luận văn

- Tổng quan việc nghiên cứu và ứng dụng bánh răng hypoid

- Nghiên cứu lý thuyết tạo hình của bộ truyền bánh răng hypoid, xây dựng một cách tổng quát bề mặt răng của cả bánh răng nhỏ và bánh răng lớn

- Xây dựng chương trình tự động hóa thiết kế bộ truyền bánh răng hypoid

- Kiểm nghiệm đánh giá chất lượng của chương trình thiết kế

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên những công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đi trước, luận văn

sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết tạo hình bề mặt thực biên dạng răng bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason Từ đó tạo cơ sở lý luận cho những nghiên cứu tiếp theo

Áp dụng phương pháp tính toán gần đúng bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid và lý thuyết về lập trình, em đã xây dựng phần mềm phục vụ cho công tác tự động hóa thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason

Tiến hành so sánh kết quả của phần mềm với những số liệu thiết kế đã được kiểm chứng Bên cạnh đó tiến hành đo các thông số trên bộ truyền đã được chế tạo và kiểm tra để đánh giá chất lượng của phần mềm

Những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn

Nghiên cứu lý thuyết tạo hình bề mặt thực biên dạng răng bánh răng côn cong hypoid hệ Gleason, từ đó có thể cho phép dựng những bề mặt này trong môi trường CAD 3D, làm cơ sở cho việc ứng dụng công nghệ CAM và máy CNC vào gia công bánh răng côn răng cong

Xây dựng thuật toán, và cơ sở dữ liệu cho phần mềm tự động hóa thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong hypoid, và tiến hành lập trình trên môi trường Visual Basic Phần mềm giúp giảm sai sót và thời gian trong tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong hypoid

Giới hạn của luận văn

Chỉ nghiên cứu cho loại bánh răng côn răng cong hệ Gleason

Chương trình tự động tính toán mới chỉ đưa ra các thông số hình học, và bản vẽ

bộ truyền bánh răng côn răng cong, chưa đưa ra được các thông số dành cho điều chỉnh máy gia công

Chương I:

TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của bánh răng côn răng cong hypoid Những tính toán về biên dạng răng và những lý thuyết về cơ cấu bánh răng bắt đầu được xây dựng trong khoảng từ năm 1450 đến 1750 Euler là một trong những người có đóng góp to lớn vào sự phát triển của bánh răng với việc đề xuất sử dụng bánh răng thân khai, cũng như đưa ra định lý cơ bản về ăn khớp Các bộ truyền bánh răng được thiết kế theo định lý này đều đảm bảo tỉ số truyền ổn định Với sự phát triển của công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp ôtô, người ta cần bánh răng ngày càng chính xác hơn và làm việc êm hơn Mặc dù bánh răng hypoid đã được sản xuất từ 1916 nhưng nó chỉ được sử dụng trong thực tế từ năm 1926 trong ôtô Packard [6] Bánh răng hypoid làm cho trục dẫn được bố trí thấp hơn và tạo thêm không gian cho ôtô Chúng làm việc êm hơn, ít ồn hơn nhiều và bền hơn bánh răng côn cong có cùng tỉ số truyền Trục của các bánh răng không giao nhau nên có thể bố trí ổ trục ở cả hai bên cho phép nâng cao độ cứng vững

1.1.1 Một số đặc điểm của bánh răng côn cong hypoid

Bộ truyền bánh răng côn cong hypoid dùng để truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau trong không gian Loại phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp là hai trục chéo nhau và vuông góc với nhau

Nhìn sơ bộ bánh răng côn cong hypoid rất giống với bánh răng côn cong thường Khác biệt chính giữa chúng là mặt chia là mặt hyperboloid thay vì mặt nón dẫn đến các trục bánh răng không cắt nhau: trục bánh răng nhỏ dịch lên trên hoặc xuống phía dưới so với trục bánh răng lớn Độ dịch chuyển đó gọi là lượng dịch chuyển hypoid, thường được kí hiệu là E Vì vậy mà bộ truyền bánh răng côn cong hypoid có những đặc tính khác với bộ truyền bánh răng côn cong thường

- Được sử dụng để truyền động với tỉ số truyền lớn, có thể từ 10-120

- Số răng nhỏ nhất của bánh răng nhỏ nhỏ hơn, là 8 ứng với tỉ số truyền lớn hơn hoặc bằng 6, và là 6 với những tỉ số truyền nhỏ hơn

- Bánh răng nhỏ của bộ truyền hypoid có kích thước lớn hơn so với bánh răng nhỏ của bộ truyền bánh côn cong thường có cùng tỉ số truyền vì góc xoắn của bánh răng nhỏ lớn hơn góc xoắn của bánh răng lớn nên khi có cùng môđun pháp thì môđun mặt đầu của bánh nhỏ lớn hơn môđun mặt đầu của bánh lớn Vì vậy bánh răng nhỏ của bộ truyền hypoid có độ bền cao hơn bánh răng nhỏ của bộ truyền bánh răng con cong thường, và do kích thước răng lớn hơn nên đối với bánh nhỏ của bộ truyền hypoid có thể tăng đường kính trục lắp ổ đỡ Do vậy, nó

có độ cứng vững cao hơn, và như vậy nâng cao khả năng chịu tải trọng cũng như độ bền lâu cho bộ truyền

- Vì trục của hai bánh răng không giao nhau nên có thể bố trí ổ trục ở cả hai bên bánh răng nhỏ, thay thế cho kiểu lắp công xôn, cho phép nâng cao độ cứng vững, làm giảm sự phân bố không đều tải trọng trên răng

- Khi gia công bộ bánh răng hypoid, có thể hiệu chỉnh để tạo ra vết tiếp xúc với vị trí, hình dạng và kích thước mong muốn, đảm bảo khả năng làm việc êm, ít nhạy cảm đối với những sai lệch do lắp ráp và sai lệch vị trí làm việc do biến dạng dưới tác dụng của tải trọng

- Do đặc điểm ăn khớp có trục ăn khớp tức thời luôn thay đổi trong quá trình ăn khớp nên nó có sự trượt phụ giữa các bề mặt đối tiếp làm cho bộ truyền làm việc

êm hơn so với bộ truyền bánh răng côn cong thường, cũng đồng thời làm tăng khả năng chịu mài mòn giữa các bề mặt tiếp xúc

- Công nghệ chế tạo bánh răng hypoid về nguyên tắc giống như bánh răng côn cong thường, nó được cắt cũng như mài răng trên các máy gia công bánh răng côn cong thông dụng Vấn đề khác nhau chỉ là thông số hình học của bộ truyền, tính toán các thông số dao và thông số điều chỉnh máy

- Tính ưu việt của truyền động bánh răng côn cong hypoid còn phải được kể đến

là khả năng thiết kế và chế tạo bộ truyền với góc chéo nhau bất kì dễ dàng hơn khi chế tạo bộ truyền trục vít bánh vít, vì trong trường hợp này bộ truyền trục vít bánh vít có vùng tiếp xúc nhỏ nên khả năng mang tải kém

Tuy nhiên chúng vẫn còn có một số nhược điểm:

- Lực chiều trục của truyền động bánh răng côn cong hypoid lớn hơn so với truyền động bánh răng côn răng thẳng, do đó gây mòn răng và khó khăn cho việc thiết

kế ổ

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

- Thiết bị chế tạo bánh răng hypoid đắt tiền

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

Với những ưu thế hơn hẳn về chuyển động êm và độ bền cao, bộ truyền bánh răng hypoid được sử dụng rộng rãi trong cầu dẫn động chính của ôtô cũng như một số thiết bị khác

1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong

Qua những công trình nghiên cứu bánh răng côn răng cong đã được công bố cho thấy các tác giả đã sử dụng hai phương pháp chính để nghiên cứu quá trình tạo hình bề mặt biên dạng của bánh răng côn răng cong đó là: Phương pháp giải tích, và phương pháp tính bộ truyền gần đúng

1.1.2.1 Phương pháp giải tích

Người đầu tiên phải nhắc đến là nhà khoa học người Mỹ Wikdhaberg, người đã đặt nền tảng của lý thuyết ăn khớp không gian dựa trên công cụ toán học là giải tích cổ điển Sau đó tác giả T Olivier đã ứng dụng hình học để đưa ra lý thuyết chung tạo ra

bề mặt biên dạng răng, theo đó hai bề mặt răng đối tiếp với nhau sẽ tiếp xúc theo đường hoặc điểm Do phương pháp hình học có nhiều hạn chế nên sau đó X.И.ΓoxMaH

đã phát triển lý thuyết ăn khớp giải tích để nghiên cứu quá trình hình thành bề mặt biên dạng răng bánh răng côn răng cong Theo lý thuyết ăn khớp giải tích thì bề mặt ăn khớp được xác định như là vị trí hình học của đường tiếp xúc bề mặt răng trong hệ tọa

độ cố định Phương pháp giải tích còn được nhiều tác giả tiếp tục nghiên cứu về sau này

Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã đưa ra một lý thuyết ăn khớp không gian tổng quát nhất đó là:

Tại điểm tiếp xúc của hai bề mặt đối tiếp ăn khớp với nhau trong không gian thì véctơ chuyển động tương đối của hai bề mặt đó phải vuông góc với véctơ pháp tuyến của từng bề mặt đối tiếp

Công trình nghiên cứu của Φ.Л.ЛИTBИH đã phát triển lý thuyết của các nhà khoa học đi trước, từ đó xây dựng một phương pháp mới ứng dụng giải tích véctơ cho nội dung sau:

- Lập phương trình biên dạng của bánh răng dẹt sinh gia công bánh răng nhỏ

- Lập phương trình biên dạng của bánh răng dẹt sinh gia công bánh răng lớn

- Giải phương trình ăn khớp giữa bánh răng nhỏ và bánh răng lớn

- Xác định các thông số điều chỉnh máy và dụng cụ

1.1.2.2 Phương pháp tính toán bộ truyền gần đúng

Để đáp ứng nhanh chóng và thuận tiện cho quá trình thiết kế, chế tạo bánh răng côn răng cong thì một số nhà khoa học đã đưa ra một hướng nghiên cứu mới đó là phương pháp tính bộ truyền gần đúng Bộ truyền ăn khớp gần đúng có nhiều ưu điểm hơn so với bộ truyền ăn khớp đúng trong công nghệ chế tạo cũng như vận hành sử dụng Vì vậy ngay cả trong một số trường hợp tính toán thiết kế bộ truyền ăn khớp đúng cũng sử dụng phương pháp tính gần đúng

Trong phương tính toán gần đúng các nhà khoa học đã giải quyết bài toán để đạt được mục đích: Biên dạng răng của bánh răng côn răng cong có khả năng chịu tải trọng

cao, độ ồn thấp khi làm việc, độ nhạy đối với sai số lắp ráp nhỏ, và đặc biệt là vết tiếp xúc không được thay đổi trong quá trình làm việc

Dựa theo mục đích trên các tác giả đã đưa ra hai hệ số εP: hệ số phủ profin cao,

ε1: hệ số phủ dọc trục của biên dạng răng để đánh giá tỉ lệ diện tích tiếp xúc trên toàn

bộ diện tích bề mặt biên dạng răng Ngoài ra các tác giả cũng chỉ ra diện tích vùng tiếp xúc đúng khi tải trọng toàn phần có dạng elip với trục lớn của elíp nằm trên đường trung bình của biên dạng răng theo chiều dài, còn trục nhỏ của elíp nằm trên đường trung bình của biên dạng răng theo chiều cao

Để điều chỉnh diện tích và vị trí của vùng tiếp xúc của hai bề mặt biên dạng răng

ăn khớp đối tiếp, các tác giả đã đưa ra một số thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hình biên dạng răng Từ đó chỉ ra phương pháp hiệu chỉnh bao hình trên máy

để đạt được hình dạng, kích thước, vị trí của vùng tiếp xúc, đồng thời loại trừ các yếu

tố ảnh hưởng đến quá trình ăn khớp đúng của bộ truyền

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế và công nghệ chế tạo bánh răng côn cong hiện nay

Chúng ta đang ở những năm đầu của thế kỉ XXI và có thể thấy rằng những công nghệ mới như máy CNC (máy gia công điều khiển số), máy CCM (máy đo tọa độ) sẽ tạo ra những thay đổi trong lý thuyết cũng như công nghệ gia công bánh răng Bên cạnh đó sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kĩ thuật cũng cho phép các nhà khoa học có điều kiện nghiên cứu sâu hơn nữa về quá trình tạo hình bề mặt biên dạng răng, qua đó lựa chọn biên dạng hình học tối ưu để nâng cao chất lượng bánh răng

1.2.1 Xu hướng phát triển của công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên thế giới

Công nghệ CAD/CAM dùng trong chế tạo bánh răng côn răng cong đã được áp dụng ví dụ như: phần mềm HyGears của hãng Gleason Works, Kisssoft của hãng L Kissling&Co.AG, CPC của hãng CommunityPC

1.2.1.1 Một số phần mềm tính toán thiết kế bánh răng phổ biến trên thế giới

HyGears [22]

Đây là phần mềm có nhiều tính năng nổi bật hơn cả Phần mềm HyGears của hãng Gleason cho phép tính toán thiết kế và mô phỏng quá trình tạo hình bánh vít, bánh răng trụ, bánh răng côn răng thẳng, bánh răng côn răng cong và bánh răng hypoid HyGears còn có khả năng phân tích đường tiếp xúc, vết tiếp xúc của bộ truyền thiết kế

để từ đó có thể đánh giá khả năng làm việc của bộ truyền Phần mềm này cũng cho phép điều khiển máy CNC để gia công các loại sản phẩm trên

Hình 1-1: Giao diện nhập dữ liệu của

HyGears

Hình 1-2: Tính toán các thông số của dao cắt

Hình 1-3: HyGears cung cấp các máy cắt phổ biến nhất

Hình 1-4: Phân tích đường tiếp xúc và vết tiếp xúc trong HyGears

Kisssoft [9]

Kisssoft là bộ phần mềm khá lớn cho phép thiết kế hầu hết các chi máy từ các

bộ truyền đai, xích, bánh răng (trụ, côn, hypoid) và những chi tiết như trục, then, bulông … Môđun Bevel and hypoid Gears có khả năng thiết kế bộ truyền hypoid theo

cả ba hệ phổ biến là Gleason, Klingelnberg và Oerlikon, cũng như xác định dung sai kích thước của bộ truyền

Hình 1-5: Giao diện chung của phần mềm Kisssoft

Hình 1-6: Nhập thông số đầu vào để thiết kế bộ truyền

AGMA Bevel Gear Rating

AGMA Bevel Gear Rating là phần mềm thiết kế của hiệp hội sản xuất bánh răng Hoa Kì (AGMA) Bánh răng hypoid được thiết kế theo hệ Gleason theo cả hai hệ đơn

vị SI và hệ Anh Phần mềm cũng cho phép chọn vật liệu bánh răng, xác định các thông

số của dụng cụ cắt…

Hình 1-7: Giao diện của AGMA Bevel Gear Rating

1.2.1.2 Thiết bị gia công bánh răng côn răng cong

Công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên thế giới đã phát triển mạnh

mẽ, hiện nay các máy gia công tinh với hệ thống điều khiển tự động đã xuất hiện Đặc biệt máy mài biên dạng bánh răng côn răng cong điều khiển CNC đã dần phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đi đầu trong thiết kế chế tạo máy gia công bánh răng côn răng cong là hãng Gleason của Mỹ Các máy của hãng vẫn thực hiện theo nguyên lý gia công bánh răng cổ điển Tuy nhiên, quá trình gia công được điều khiển bằng hệ thống tự động, ứng dụng điều khiển CNC 6 trục theo sơ đồ như hình 1-9 [11]

Hình 1-8: Máy CNC gia công bánh răng

côn cong của Gleason

Hình 1-9: Sơ đồ mô tả 6 trục của máy CNC chế tạo bánh răng hypoid [11]

1.2.1.3 Thiết bị kiểm tra bánh răng côn răng cong

Hình 1-10: Thiết bị kiểm tra bánh răng côn

răng cong trước đây [7]

Hình 1-11: Thiết bị kiểm tra bánh răng côn răng cong hiện nay

Cùng với sự phát triển của các thiết bị gia công bánh răng là sự phát triển của thiết bị kiểm tra bánh răng Các thiết bị kiểm tra có kết nối với máy tính cho phép lưu

trữ và xử lí số liệu đo Bên cạnh đó là sự phát triển của các máy đo tọa độ cũng cho phép kiểm tra biên dạng bề mặt răng của bánh răng côn cong

Mặc dù đã đưa công nghệ mới (CAD/CAM) vào chế tạo bánh răng côn răng cong nhưng nguyên lý gia công vẫn dựa trên hai phương pháp đã nêu nên vẫn còn tồn tại một số vấn đề liên quan đến quá trình tạo hình bánh răng côn răng cong Do vậy chúng ta cần phải tiếp tục đi sâu nghiên cứu để có thể tạo ra được các sản phẩm bánh răng côn răng cong có chất lượng cao

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo bánh răng côn răng cong ở Việt Nam

Ở Việt Nam gần đây đã có một số công trình nghiên cứu về lý thuyết ăn khớp, bôi trơn bánh răng của các tác giả ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Thiết kế máy năng lượng và mỏ … Các công trình này đã nghiên cứu lý thuyết ăn khớp theo phương pháp giải tích, hình học vi phân, nghiên cứu màng dầu bôi trơn, cũng như độ bền của bộ truyền nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ cho các bộ truyền Và trong những năm gần đây GS Bành Tiến Long đã đi sâu vào giải quyết các vấn đề cụ thể về tạo hình bề mặt của bộ bánh răng côn răng cong nhờ ứng dụng phép toán Tenxơ quay

Từ đó tạo cơ sở cho các nghiên cứu về động học, công nghệ cắt răng

Sản phẩm bánh răng côn răng cong ở nước ta hiện nay chủ yếu được chế tạo tại một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất chính như Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Thiết kế máy năng lượng và mỏ, Nhà máy Cơ khí Hà Nội … Những cơ sở này thường sử dụng những tính toán bằng tay để thiết kế và sử dụng thế hệ máy cũ do Liên

Xô, Đức chế tạo để gia công bánh răng Việc đầu tư chiều sâu cho lĩnh vực nghiên cứu chế tạo bánh răng côn răng cong của các cơ sở sản xuất vẫn chưa được quan tâm đúng mức, do vậy năng suất, chất lượng sản phẩm thấp, giá thành cao không đáp ứng được nhu cầu thị trường đòi hỏi

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền công nghiệp nước nhà, nhu cầu thực tế về sản phẩm bánh răng côn cong hypoid ngày càng lớn do số lượng ôtô, máy

móc có sử dụng bộ truyền động này ngày càng nhiều Song để có thể đáp ứng nhu cầu thực tế đó thì ở nước ta vẫn chưa có nhiều cơ sở tập trung nghiên cứu và chế tạo loại bánh răng này Phần lớn các bộ truyền bánh răng hypoid vẫn được nhập từ nước ngoài

Để nội địa hoá từng bước các sản phẩm nhập ngoại thì chúng ta cần thiết phải đầu tư nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm sản xuất trong nước Qua đó cũng nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường thế giới để từ đó tiến tới xuất khẩu

- Về thực tế: Trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu dựa vào lý thuyết

cơ bản để ứng dụng CAD/CAM vào thiết kế chế tạo máy gia công và sản xuất bánh răng côn răng cong Đi kèm với đó là những thiết bị kiểm tra hiện đại cho phép kiểm tra chất lượng của bộ truyền bánh răng đã được thiết kế, chế tạo

- Với tình hình nghiên cứu và sản xuất bánh răng côn răng cong trong nước; Những đầu tư dành cho nghiên cứu, ứng dụng công nghệ cao (CAD/CAM) dùng trong công nghệ gia công bánh răng côn răng cong còn rất hạn chế, phần thiết kế được thực hiện bằng tay nên tốn nhiều thời gian, độ tin cậy không cao, các máy gia công bánh răng côn răng cong thì lạc hậu nên chất lượng sản phẩm bánh răng côn răng cong rất thấp

Căn cứ vào những nhận xét trên đây, trong luận văn này em sẽ tập trung hướng nghiên cứu vào những nội dung chính sau:

1 Nghiên cứu tổng quan về bánh răng côn cong hypoid, và tình hình gia công chế tạo bánh răng này

2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các nguyên lý tạo hình của bánh răng côn răng cong hypoid

3 Xây dựng hệ thống CAD Nội dung này phục vụ cho việc tự động hóa thiết kế bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason và thiết lập bản vẽ phục vụ cho việc chế tạo bánh răng sau này

4 Kiểm nghiệm hệ thống CAD đã xây dựng dựa trên việc so sánh với số liệu đã được kiểm chứng, và số liệu đo từ bộ truyền thực tế

Chương II:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG CONG HYPOID

Nội dung của chương này gồm những phần chính sau:

- Phân loại bánh răng và cách tạo hình

- Lý thuyết tạo hình bánh răng côn cong

- Lý thuyết tạo hình của bánh răng côn cong hệ Gleason

2.1 Phân loại bánh răng côn răng cong và cách tạo hình

Hiện nay bánh răng côn răng cong hypoid được chế tạo theo 3 dạng chính căn cứ vào dạng đường xoắn của răng trong mặt phẳng chia của bánh dẹt sinh:

1 Bánh răng có dạng cung tròn (hệ Gleason) của Mỹ Loại này thường có chiều cao răng thay đổi

2 Bánh răng có dạng xoắn theo đường thân khai kéo dài (hệ Klingelnberg) của Cộng hoà Liên bang Đức

3 Bánh răng có dạng xoắn theo đường Epicycloit kéo dài (hệ Oerlikon) của Thụy Điển Loại này thường có chiều cao răng không đổi

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

Chúng ta nhận thấy rằng bánh răng côn răng cong hypoid có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động thông thường khác Vậy câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu là: Tại sao loại bánh răng này lại có những tính năng ưu việt như vậy? và thực tế thì dựa trên cơ sở nào để có thể gia công và thực hiện những biên dạng hết sức phức tạp của chúng? Để đưa ra được đáp án cho các câu hỏi này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu cơ sở lý thuyết và nguyên lý tạo hình của bánh răng côn răng cong

2.1.1 Nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Gleason

Việc gia công bánh răng côn hệ Gleason dựa theo nguyên lý ăn khớp cưỡng bức giữa bánh răng dẹt sinh tưởng tượng (do chuyển động của dao tạo nên) và phôi bánh răng gia công (hình 2-1) [2,10,13,19] Dụng cụ cắt là dao phay mặt đầu có gắn lưỡi dao cắt Khi cắt răng đầu dao cắt sẽ thực hiện hai chuyển động tạo hình :

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

- Chuyển động quay quanh trục đầu dao Of 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

Hình 2-1: Nguyên lý gia công bánh răng côn theo hệ Gleason Ngoài ra phôi còn chuyển động quay S3 quanh trục của nó Để tạo profin răng, bánh dẹt sinh (giá lắc lư) và phôi được cắt có mối liên hệ động học với nhau thông qua xích bao hình Nếu bánh dẹt sinh chuyển động với vận tốc góc ωdvà bánh răng được cắt ωkmối quan hệ động học giữa chúng được viết :

d k

d

z i

z

ωω

= = (k = 1 2, )Trong đó :

z d- số răng của bánh dẹt sinh;

z k- số răng của bánh răng 1 hoặc 2 (chủ động, bị động);

i bh- tỉ số truyền chung của xích bao hình

Trong quá trình bao hình, bánh dẹt sinh thực hiện chuyển động quay không toàn phần xung 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 ban đầu, bánh răng được cắt thực 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 theo hệ Klingelnberg

Sự khác biệt cơ bản của nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg với nguyên

lý chế tạo bánh răng Gleason 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 dẹt sinh tưởng tượng (giá lắc) đóng vai trò là dao và bánh răng đóng vai trò là phôi (hình 2-2) [19]

Hình 2-2: Nguyên lý gia công bánh răng côn theo hệ Klingelnberg

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 lăn trên mặt côn bánh dẹt sinh Bánh dẹt quay quanh trục tâm máy với chuyển động S4 Bánh răng chuyển động quanh trục của nó S2

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 dẹt sinh:

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

⋅sinδ + sinδ

trong đó : δ ph - góc côn chia của bánh răng được cắt;

n k- số vòng quay giá lắc

2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng theo hệ Oerlikon

Đây là loại bánh răng côn xoắn có dạng răng theo đường cong Epicycloid kéo dài, chiều cao răng không thay đổi trên toàn bộ vành răng Nguyên lý chế tạo (hình 2-3) [19] cho dạng răng này 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 dẹt có các đường xoắn theo dạng đường Epicycloid kéo dài với prôfin thẳng trong mặt phẳng pháp tuyến Trên đầu dao bố trí các nhóm dao cắt mặt lồi và mặt lõm biên dạng răng

Hình 2-3: Nguyên lý gia công bánh răng côn theo hệ Oerlikon

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

Để tìm mối liên hệ động học giữa các cơ cấu chấp hành ta giả thiết rằng trục không chuyển động, đầu dao cùng với đường tròn quay quanh và mang đường tròn quay quanh tâm S , quan hệ chuyển động giữa đầu dao - bánh dẹt sinh

2

trong đó : - số nhóm dao trên đầu dao n

Cho bánh răng được cắt ăn khớp với bánh dẹt sinh, theo quy luật ăn khớp bánh

răng được cắt có số răng z phvà số răng của bánh dẹt sinh z dta có quan hệ sau:

z z

n z

3 3 2

;

trong đó : - là số nhóm dao trên đầu dao Nếu coi sự ăn khớp đồng thời của đầu

dao - bánh dẹt sinh - bánh răng được gia công ta có phương trình:

2.1.4 Ưu nhược điểm của các hệ bánh răng côn răng cong

Trong ba hệ bánh răng côn răng cong nêu trên, bánh răng hệ Klingelnberg,

Oerlikon có ưu điểm là độ chính xác cao, cho phép làm việc ở tốc độ lớn với độ ồn

thấp hơn so với bánh răng hệ Gleason Tuy nhiên hai hệ bánh răng này lại có nhược

điểm là: chế tạo máy và dụng cụ gia công rất 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 ôtô Ngày nay bằng sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kĩ thuật đã cho phép

chúng ta ứng dụng công nghệ cao CAD/CAM trong lĩnh vực gia công bánh răng 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 cong 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

răng côn răng cong hệ Gleason lại rẻ hơn rất nhiều so với hai loại trên

Các thiết bị gia công bánh răng côn cong ở Việt Nam chủ yếu nhập từ Liên Xô

và CHDC Đức cũ đều thuộc hệ Gleason Do vậy để có thể đáp ứng được nhu cầu chế

tạo bánh răng côn cong hypoid thay thế cho các bộ truyền bị hỏng trong các thiết bị

giao thông vận tải, khai thác mỏ, xây dựng … thì chúng ta cần thiết phải nâng cao chất lượng bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason

Với mục đích nêu trên, luận văn của tôi sẽ đi sâu nghiên cứu bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason cho phù hợp với tình hình sản xuất bánh răng côn răng cong ở Việt Nam cũng như trên thế giới

2.2 Lý thuyết tạo hình bánh răng côn cong

Nghiên cứu tạo hình bề mặt bên răng của bộ truyền bánh răng côn cong thường nói chung và côn cong hypoid nói riêng nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, và trên thực tế đã giải quyết được nhiều vấn đề cơ bản để đưa vào ứng dụng trong thực tế sản xuất Tuy vậy một giải pháp mang tính tổng quát để giải quyết triệt để nhiệm vụ này cho đến nay vẫn còn chưa đạt được như mong muốn

2.2.1 Công trình nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của Φ-Litvin

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết ăn khớp phẳng và ăn khớp không gian bằng phương pháp giải tích, Litvin chỉ ra rằng bề mặt hông răng trong không gian được viết dưới dạng phương trình thông số véctơ biểu diễn một điểm đang xét của bề mặt xác định trong hệ toạ độ Đề-Các:

r

r

= x(u,v) i + y(u,v) j + z(u,v) k

Ở đây u và v là hai thông số của bề mặt răng

Hai thông số u và v là độc lập khi thoả mãn điều kiện:

Để tạo bề mặt răng bằng phương pháp bao hình, người ta sử dụng bề mặt sinh,

bề mặt côn sinh được tạo ra trong quá trình quay của lưỡi cắt xung quanh trục đầu dao (là bề mặt hai thông số u, v)

Xét các hệ trục toạ độ Ss và Sugắn với bánh dẹt sinh, hệ cố định S trong đó có chuyển động quay của bánh dẹt sinh khi đầu dao quay trong hệ S tạo ra bề mặt côn ta

có phương trình:

d s

r = rs u(ctgα-ucosα)is +usinα(sin v) js +(cos v)ks

trong đó: r : bán kính tính toán của đầu dao (hình 2-4) u

u,v: các thông số xác định điểm thực N trên mặt sinh côn

Vị trí của đầu dao với trục O của bánh dẹt sinh được xác định bằng các toạ độ q,bu u

(O S =b ) u u u

Hình 2-4: Tạo hình bề mặt sinh khi cắt răng dạng cung tròn

Trong hệ thống S bề mặt sinh được xác định bằng các phương trình: u

e = sinαd i d + cos[sin(v-q-ψ ) j d +cos(v-q+ψ ) k d ]

Cắt bánh răng nhỏ 1 và bánh răng lớn 2 được thực hiện bằng hai bề mặt sinh khác nhau đó là F và P Sau khi xác định phương trình ăn khớp khi cắt bánh 1 và bánh

2 ta tìm điều kiện để tiếp xúc của các bề mặt của bánh răng 1 và 2 ở vị trí cho trước việc nghiên cứu ăn khớp theo phương pháp này dựa trên các điểm ăn khớp đặc biệt, nó nằm trên đường côn chia, còn các điểm khác thì rất khó xác định Bản thân giáo sư Litvin cũng đã từng cố gắng kiểm soát đường cong của các điểm tiếp xúc ở các điểm chân răng nhưng ông đã không thành công Với công trình nghiên cứu của mình, ông giả thiết rằng tất cả các đạo hàm bậc 3 của bề mặt mặt răng đều bằng không, làm cho phương pháp của ông kém tin cậy Tuy nhiên, phương pháp của ông đã là một cơ sở lý thuyết hết sức quan trọng trong gia công bánh răng nói chung và bánh răng côn cong nói riêng

2.2.2 Phương pháp tính toán gần đúng của Picmanhíc

Phương pháp này được nghiên cứu bởi nhiều tác giả nhằm đáp ứng nhu cầu thuận lợi trong thiết kế và gia công, cũng như hiệu chỉnh vết tiếp xúc đến vị trí kích thước và hình dạng mong muốn Căn cứ trên cơ sở yêu cầu của vết tiếp xúc của các bề mặt đối tiếp trong một quá trình làm việc, tác giả đã xem xét ảnh hưởng của các thông

số như sai lệch góc ăn khớp, sai lệch góc xoắn, sai lệch độ cong, ảnh hưởng đến quá trình tạo hình bề mặt răng khi gia công để đưa ra phương pháp hiệu chỉnh máy để loại

bỏ hoặc bù đắp các ảnh hưởng đó đến vết tiếp xúc

Rõ ràng rằng nếu kiểm soát tất cả các ảnh hưởng của từng yếu tố đến chất luợng vết tiếp xúc sẽ cho ta cải thiện dần vết tiếp xúc nhưng phương pháp này rất khó tìm được tác động tổng hợp để tìm đến giải pháp tối ưu khi điều chỉnh vết Đặc biệt khó khăn khi đưa ra thuật toán để thiết lập bài toán tối ưu về ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng ăn khớp của bộ truyền

2.2.3 Phương pháp phân tích vết tiếp xúc của Wang và Ghosh

Mới đây các tác giả đã đưa ra một lý thuyết kiểm soát vết tiếp xúc qua các bước như sau:

- Kiểm soát trực tiếp các con số, càng nhiều càng tốt tương ứng với các dạng tiếp xúc đã định trước

- Với các thông số không kiểm soát được trực tiếp thì phân tích các tham số thay thế

- Dựa trên kết quả phân tích tổng lại, tối ưu hoá đã có thể kiểm soát được các tham số mà không thể kiểm soát được trực tiếp

Sử dụng phương pháp này có thể dự đoán được vị trí của điểm tâm bánh răng và trạng thái tiếp xúc bậc 2, từ đó giữ cho chúng cố định trong quá trình tổng hợp tối ưu Các tác giả đã sử dụng một số phương pháp toán học mới so với lý thuyết ăn khớp đã

có từ trước đây như sử dụng khung chuyển động trong hình học vi phân – phân tích tiếp xúc dạng bậc 3, Tenxơ độ cong đưa ra không phải là Ten-xơ Rieranian mà là

Gradient của trường véctơ bề mặt đơn vị Sau đây là một số khái niệm của phương pháp này:

- Sự ăn khớp khít của 2 bề mặt răng có dạng tiếp xúc đường nếu chúng tiếp xúc dọc theo một đường trong suốt quá trình ăn khớp khi không có tải trọng Còn ăn khớp tiếp xúc có tiếp xúc điểm nếu các bề mặt chỉ tiếp xúc nhau tại một điểm khi không có tải trọng Dưới tác động của tải trọng vết tiếp xúc lan ra thành hình elíp, vết này di chuyển dọc theo bề mặt răng và tập trung ở một khu vực của răng gọi là vùng tiếp xúc

- Nếu tỉ số truyền của bề mặt tiếp xúc điểm thay đổi trong quá trình ăn khớp thì ta gọi là không tương xứng, vì loại bánh răng này được sử dụng ngày càng nhiều nên càng cần hiểu rõ trạng thái tiếp xúc giữa các bề mặt và cần có phương pháp

có hiệu quả để điều khiển nó Phương pháp đó là phân tích trạng thái tiếp xúc bằng cách khảo sát trực tiếp các tham số Dựa vào đây để xây dựng hàm đối tượng để đánh giá chất lượng tiếp xúc

Các tác giả đã sử dụng lý thuyết khung chuyển động trong hình học vi phân, phát triển lý thuyết này ứng dụng vào trường hợp hai bề mặt tiếp xúc với nhau và quay quanh hai trục độc lập (hình 2-5) Giả thiết rằng bề mặt Σ1và Σ đã biết, góc quay của chúng quanh các trục

r là véctơ vị trí của một điểm bất kỳ thuộc mặt Σ1 trong hệ toạ độ chuyển động

nối cùng với bánh răng 1

Véctơ tiếp tuyến đơn vị của

2

) 1 (

{r ( 1 ) ,e1,e2 ,e3} được xây dựng cho mỗi điểm trên Σ1 Đây là khung chuyển động 2 tham số u1và u 2

Hình 2-5: Minh họa dạng tiếp xúc của hai bề mặt không tương xứng

Tương tự như vậy xây dựng khung chuyển động {r ( 2 ) ,ε1,ε2 ,ε3} cho mặt

Σ nhưng lưu ý tam diện 2 ε1,ε2 ,ε3 là tam diện nghịch và tham số của khung này là

v1và v trong hệ toạ độ cố định 2 R( 1 ) là véc –tơ vị trí nối từ một điểm cố định trên trục quay của Σ1 tới một điểm bất kỳ thuộc Σ1 Tương tự R( 2 )là véc –tơ vị trí nối từ một điểm cố định trên trục quay của Σ2 tới một điểm bất kỳ thuộc Σ2

nên ta xây dựng được một khung chuyển động 3 tham số {Rr (1 ) ,e1,e2 ,e3} cho mỗi điểm thuộc Σ1 trong hệ tọa độ tĩnh Ba tham số đó là u1, u2 và ν1 Tương tự với mặt ta

có khung chuyển động là {urR ( 2 ),ε1,ε2 ,ε3} với 3 tham số là u1, u2 và ν2, như vậy với

mỗi bề mặt ta xây dựng được một hệ khung Frenet liên tục có 2 đến 3 tham số, các đường cong tham số này trùng với các đường cong của bề mặt Vi phân khung chuyển động ta có được các giá trị vi phân dR(1); dR(2), de1, de2, de3, dε1, dε2, dε3 Từ quá trình xây dựng khung chuyển động trong hệ phụ thuộc 3 tham số nên mối liên hệ giữa các khụng chuyển động của các bề mặt được xác định bằng 6 tham số độc lập Điều kiện

để các bề mặt tiếp xúc nhau chỉ xảy ra khi cả hai khung chuyển động đều nằm ở điểm tiếp xúc Từ hình vẽ ta có:

R(1) = R(2) + L

Để các bề mặt tiếp xúc nhau thì các pháp tuyến phải trùng nhau vì e3 hướng ra

và ε uur3 hướng vào nên chúng ta có điều kiện:

hợp với một số đồ thị thông số từ thực nghiệm Chương trình tính toán của các tác giả hiện nay được sử dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Hà Lan và Cộng hòa liên bang Đức Tuy nhiên, việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp này phải dựa vào rất nhiều chương trình con để cung cấp thông số cho chương trình chính Các chương trình con này được bán với giá rất cao và chỉ sử dụng cho các máy cắt răng phù hợp

2.3 Lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong hệ Gleason

Phần này trình bày những thiết lập cơ bản về máy, dụng cụ áp dụng để tạo hình

bề mặt răng bánh răng lớn và bánh răng nhỏ của cặp bánh răng côn răng cong hypoid

hệ Gleason

Trước khi đi vào nghiên cứu lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong hypoid

hệ Gleason, chúng ta hãy khảo sát qua các phương pháp cắt Qua đó có một số tham số ban đầu phục vụ cho nghiên cứu

2.3.1 Các phương pháp cắt

Có nhiều phương pháp để cắt bánh răng côn cong hệ Gleason Việc lựa chọn một phương pháp cụ thể là tùy theo yêu cầu: độ chính xác của bánh răng cắt, năng suất cắt, số lượng dụng cụ … Mỗi phương pháp cắt đều có ưu, nhược điểm riêng, thông thường hay dùng bốn phương pháp cơ bản:

- Phương pháp một mặt cắt

- Phương pháp cắt hai mặt đơn giản

- Phương pháp gá đặt cố định

- Phương pháp cắt hai mặt kép

2.3.1.1 Phương pháp một mặt cắt

Phương pháp này dùng để gia công tinh bánh răng lớn và nhỏ, đặc trưng của phương pháp này là gia công riêng biệt mặt lõm và mặt lồi trên răng của bánh răng lớn cũng như bánh răng nhỏ Ở đây sử dụng ba phương án gia công:

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

- 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 dày của răng Còn với bánh răng nhỏ cắt như phương án trên

- Cắt cả hai bánh răng bằng phương pháp xoay với cùng một vị trí tâm đầu dao Phương pháp cắt một mặt tạo ra biên dạng tốt hơn cả (đảm bảo tốt vùng tiếp xúc trên chiều dài bất kì và không có hiện tượng tiếp xúc chéo), nhưng có nhược điểm là phức tạp, năng suất thấp nên chỉ trước đây chỉ dùng với sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ Tuy nhiên ngày nay với ứng dụng CNC trong sản xuất đã khắc phục được những nhược điểm trên và với ưu điểm mà phương pháp này có được, thì nó ngày càng được áp dụng rộng rãi.Do vậy chúng ta sẽ áp dụng phương pháp cắt này cho việc thiết kế, chế tạo mô hình máy mài bánh răng côn răng cong hệ Gleason

2.3.1.2 Phương pháp cắt hai mặt đơn giản

Đặc trưng của phương pháp này là gia công bánh răng lớn bằng đầu dao hai mặt

để đồng thời cắt mặt lõm và lồi còn bánh nhỏ thì gia công theo phương pháp một mặt, nghĩa là có cách gá đặt khác nhau để cắt mặt lồi và mặt lõm của răng Phương pháp này đảm bảo vùng tiếp xúc tốt, độ bóng bề mặt răng và năng suất cao

2.3.1.3 Phương pháp gá đặt cố định

Phương pháp này là một dạng của phương pháp cắt hai mặt đơn giản Mặt lõm

và lồi của bánh răng nhỏ được gia công trên hai máy riêng biệt bằng hai đầu dao một

mặt Các máy này được điều chỉnh cho một nguyên 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 những bộ truyền bánh răng côn có độ chính xác

và chỉ quay được một chiều

Phương pháp này có độ chính xác kém nhất, ăn khớp xấu nhất, không khử được hiện tượng tiếp xúc chéo khi không có gá lắp chuyên dùng

Như chúng ta đã biết các thiết bị gia công bánh răng hypoid của Việt Nam chủ yếu nhập từ Liên Xô và CHDC Đức cũ đều thuộc hệ Gleason Do vậy để có thể đáp ứng được nhu cầu chế tạo phụ tùng thay thế cho các thiết bị giao thông vận tải, khai thác mỏ, xây dựng, dệt may mặc, thực phẩm, nông nghiệp thì chúng ta cần thiết phải nâng cao chất lượng bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason

Do vậy trong chương này chúng ta tiếp tục tập trung đi sâu nghiên cứu nguyên

lý tạo hình loại bánh răng côn răng cong hệ Gleason

2.3.2 Tạo hình bánh răng hypoid lớn

Bánh răng lớn phay mặt đầu được tạo ra bằng cắt định hình, có nghĩa là mỗi bên của bề mặt răng được tạo ra như là sự sao chép của bề mặt dụng cụ (của đầu dao) Bề mặt dụng cụ là mặt nón Trong quá trình chế tạo, bánh răng lớn được giữ cố định sao cho không tạo ra chuyển động tạo hình Ưu điểm của việc tạo hình bánh răng lớn bằng cắt định hình đó là năng suất cao Hai mặt nón được chỉ ra trong hình 2-6(a) biểu diễn

cả hai bên của rãnh răng Vì vậy, chúng ra xét những hệ tọa độ sau: St2 được gắn cứng

với đầu dao, Sm2 được gắn cứng với máy, và S2 được gắn cứng với bánh răng Trong trường hợp tạo hình bằng phương pháp định hình, chúng ta có thể coi rằng cả ba hệ tọa

độ St2, Sm2, và S2 được nối cứng với từng hệ còn lại Những phương trình sau biểu diễn trong hệ tọa độ St2 các bề mặt dụng cụ cho cả hai bên và véctơ pháp tuyến đơn vị của những bề mặt đó (hình 2-7)

2

cos( sin )sin( sin )cos

s r