BÁNH RĂNG HỘP SỐ Ô TÔ
2.3 Mài m òn răng của bánh răng trong hộp số ô tô
Các cặp ma sát trong hộp số ô tô được nghiên cứu, gồm có:
- Cặp ma sát giữa các bánh răng ăn khớp - Cặp ma sát giữa các chi tiết của ổ bi - Cặp ma sát giữa ống gài số, đồng tốc
- Cặp ma sát giữa các chi tiết của cơ cấu càng gài số…
Hình 2.1 Sơ đồ các cặp ăn khớp trong hộp số nghiên cứu
Sơ đồ cặp bánh răng ăn khớp, cơ cấu đồng tốc, ống gài số và ổ bi trong hộp số nghiên cứu, được thể hiện trên hình 2.1.
Khi nghiên cứu hộp số cho thấy: cặp ma sát giữa các chi tiết của ổ bi là dạng ma sát lăn có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều lần so với hệ số ma sát trượt, do đó lượng mòn do chúng tạo ra khi hộp số hoạt động là rất nhỏ, nên ta có thể bỏ qua không tính toán khi thử nghiệm hộp số trên bệ thử. Như vậy, lượng mòn trong hộp số ô tô khi thử nghiệm trên bệ thử chủ yếu là của các cặp bánh răng ăn khớp khi làm việc gây nên. Để tính lượng mòn trong hộp số, trước tiên xét đến số cặp ma sát đối với các bánh răng ăn khớp trong hộp số.
Bảng 2.1 Các cặp bánh răng ăn khớp trong hộp số
TT Ký
hiệu Tên gọi Số
răng
Bánh răng ăn
khớp Cặp ma sát 1 Za1 BR số 1 trên trục chính Za1 43 Zb1 C1 (43, 13) 2 Za2 BR số 2 trên trục chính Za2 39 Zb2 C2 (39, 20) 3 Za3 BR số 3 trên trục chính Za3 31 Zb3 C3 (31, 28) 4 Za4 BR số 4 trên trục chính Za4 25 Zb4 C4 (25, 35) 5 Za5 BR số 5, trục chủ động 2 Za5 19 Zb5 C5 (19, 42) 6 Za6 BR cấp chậm ở hộp cấp số Za6 24 Zb6 C6 (24, 21)
7 Za7 Trục chủ động 1 Za7 19 Zb7 C7 (19, 26)
8 Zb1 BR số 1 trên trục răng tầng Zb1 13 - C8 (13, 22) 9 Zb2 BR số 2 trên trục răng tầng Zb2 20 -
10 Zb3 BR số 3 trên trục răng tầng Zb3 28 - 11 Zb4 BR số 4 trên trục răng tầng Zb4 35 - 12 Zb5 BR số 5 trên trục răng tầng Zb5 42 - 13 Zb6 BR trung gian cấp chậm Zb6 21 - 14 Zb7 BR trung gian cấp chậm Zb7 26 -
15 ZaL BR số lùi trên trục chính ZaL 43 ZcL C9 (43, 21) 17 ZcL BR số lùi ở trục trung gian ZCL 21 -
18 Zc1 BR trung gian số lùi Zc1 22 Zb1
Số lượng cặp ma sát trong hộp số được xác định bằng số cặp bánh răng ăn khớp, tương ứng với số lần ăn khớp của các răng trên bánh răng, bảng 2.1.
Trên một bánh răng, với mỗi cặp răng ăn khớp được coi là một cặp ma sát, số lượng cặp ma sát trong hộp số bằng tổng số răng của các bánh răng lớn trong cặp bánh răng ăn khớp, bằng 305 cặp ma sát.
2.3.2 Xác định lượng mòn răng bánh răng trong hộp số ô tô Cặp bánh răng thân khai răng nghiêng trong hộp số ô tô, vật liệu chế tạo bằng thép hợp kim, bề mặt răng có độ cứng cao, được cà nhẵn, trong điều kiện chuyển động lăn, trượt với dầu bôi trơn đầy đủ, chúng bị phân tách bởi một lớp màng dầu bôi trơn, nếu không có hạt mài trong vùng tiếp xúc sẽ không có hiện tượng mòn dính, cào xước, ô xy hoá, xói mòn… xảy ra. Tuy nhiên, trong dầu bôi trơn của hộp số có các hạt mài xuất hiện từ chính sự mòn các chi tiết bên trong hộp số tạo nên. Do vậy, quá trình hộp số hoạt động các cặp răng ăn khớp trong hộp số xảy ra mòn hạt mài, dưới dạng mòn cơ hoá trên bề mặt sườn răng.
a) b) c)
Hình 2.2 Sự dịch chuyển của điểm tiếp xúc trên bề mặt răng ăn khớp 1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động
Cơ chế của sự mài mòn răng bánh răng hộp số ô tô rất phức tạp, vấn đề tiếp xúc răng ăn khớp không phải chỉ đơn thuần ấn định bởi hình học bề mặt, mà còn bởi cả sự tiếp xúc và các biến dạng của răng. Trong quá trình ăn khớp, răng của bánh răng chủ động và bị động có sự trượt tương đối lên nhau. Vùng tiếp xúc của cặp răng ăn khớp có các đặc điểm: Vị trí tiếp xúc ma sát trên sườn răng của bánh răng chủ động có sự dịch chuyển dần bắt đầu từ phía chân răng (vị trí giao của vòng cơ sở với sườn răng, hình 2.2a), đến vị trí giữa (hình 2.2b), sau đó lên phía đỉnh răng và kết thúc khi tới đỉnh răng (hình 2.2c), còn vị trí tiếp xúc ma sát trên sườn răng của bánh răng bị động thì có sự dịch chuyển dần theo chiều ngược lại, bắt đầu tiếp xúc ăn khớp tại đỉnh răng (hình 2.2a) và dịch chuyển dần đến kết thúc tại vị trí ở chân răng (vị trí giao của vòng cơ sở với sườn răng, hình 2.2c).
Đối với cặp răng của bánh răng hộp số ô tô khi tiếp xúc ăn khớp các thông số hình học và áp lực tác dụng lên hai bề mặt răng ăn khớp thay đổi trong quá trình ăn khớp. Đặc biệt, chiều rộng của vùng tiếp xúc quá nhỏ so với các kích thước hình học khác của bánh răng. Để xác định lượng mòn của răng ăn khớp, ta xét mô hình cơ học tiếp xúc mô tả sự ăn khớp răng của cặp bánh răng, hình 2.3.
Để xác định chiều rộng diện tích tiếp xúc ta có thể sử dụng phương pháp tiếp xúc Héc [1]. Phương pháp này được thực hiện với hai hình trụ đàn hồi tiếp xúc nhau, khi tăng tải diện tích vùng tiếp xúc sẽ tăng và biến dạng ở vùng trung tâm sẽ lớn hơn ở vùng biên, ứng suất tiếp xúc sẽ không phải là hằng số trên vùng tiếp xúc. Dưới tác dụng của lực pháp tuyến F trên một đơn vị chiều dài hướng trục, vùng tiếp xúc sẽ có chiều rộng tiếp xúc là 2a (hình 2.3).
Theo lý thuyết đàn hồi, kích thước a được xác định theo công thức:
2 2 2 1
2
1 1
1 1
E E
E
à à + −
= −
′
2 1
1 1 1
R R
R = +
′
E R a F
′
= ′ .
. .
2 4
π (2.22)
Trong đú: a - ẵ chiều rộng diện tớch tiếp xỳc;
R1, R2 - Bán kính của 2 hình trụ (m);
à - Hệ số Poỏt xụng, (à= 0,3);
E - Mô đun đàn hồi của vật liệu, (E = 2.1011).
Hình 2.3 Mô hình cặp ma sát hai răng ăn khớp
1- Răng của bánh răng chủ động; 2- Răng của bánh răng bị động
Trên cơ sở mô hình cặp ma sát răng ăn khớp hình 2.3, với giả thiết rằng:
Trị số độ cứng vật liệu của các mặt sườn răng vẫn được giữ nguyên trong suốt quá trình mài mòn, lượng mòn tuyến tính tại vùng tiếp xúc trên bề mặt của cặp răng ăn khớp phụ thuộc vào đoạn đường ma sát và trị số lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc.
Từ công thức (2.21) ta xác định được lượng mòn theo khối lượng tại vùng tiếp xúc của răng ăn khớp G của một trong hai răng, bằng công thức:
H F k S
G ms. .ρvl
= . (mg) (2.23) Trong đó:
k - Hệ số mòn vật liệu ma sát, đặc trưng cho tính chống mòn của vật liệu và điều kiện làm việc của bánh răng, (m3/Nm) ;
Sms - Chiều dài ma sát của vùng tiếp xúc ăn khớp, (m);
F- Lực pháp tuyến trên bề mặt ma sát, (N);
ρvl - Khối lượng riêng của vật liệu bánh răng hộp số, (mg/m3).
Trong trường hợp này lực pháp tuyến F thay đổi phụ thuộc vào vị trí tiếp xúc khi răng ăn khớp:
F = f(x, z) tức là G = G(x, z)
Trên hình 2.5, với x1 là tọa độ cho chi tiết 1; x2 là tọa độ cho chi tiết 2; tọa độ z được lấy gốc chung cho cả chi tiết 1 và 2 ; a là ẵ chiều rộng tiếp xỳc.
Gọi G1 và G2là lượng mòn theo khối lượng mòn của chi tiết 1 và 2. Giả sử trên chi tiết 1 luôn chịu tải pháp tuyến F(x1, z) = f(x1, z), lúc đó lượng mòn của chi tiết 1 được xác định theo công thức:
( ) ( )
H z x k F dS
z x dG dS
dG vl
ms ms
ρ . . ,
, 1
1 1 1
1 = = (2.24) Ở đây:
k - Hệ số mòn vật liệu ma sát của bánh răng hộp số;
dSms1- Vi phân chiều dài ma sát của diện tích tiếp xúc trên chi tiết 1 khi trượt ăn khớp.
Do tính chất của cặp răng khi ăn khớp, khi chi tiết 1 chịu tác dụng lực pháp tuyến F, lúc đó chi tiết 2 cũng có một lực pháp tuyến tác dụng có giá trị là F tại vị trí tiếp xúc. Lượng mòn theo khối lượng trên chi tiết 2 được xác định theo công thức:
( ) ( )
H z x k F dS
z x dG dS
dG vl
ms ms
ρ . . ,
, 2
2 2 2
2 = = (2.25) Ở đây: dSms2 - Vi phân chiều dài ma sát của diện tích tiếp xúc trên chi tiết 2
khi trượt ăn khớp.
Các công thức (2.24) và (2.25) xác định được lượng mòn theo khối lượng của các răng ăn khớp khi biết các giá trị lực pháp tuyến tại các điểm trên chiều dài
trượt ăn khớp và các vi phân chiều dài trượt tương ứng. Do vậy, ta thiết lập được công thức tổng quát xác định lượng mòn theo khối lượng trên một răng của bánh răng Zi:
( )
H dS z x k F
dGrZi vl , . msZi .
1 = .ρ
( ) ∫
= msZi
S
msZi vl
rZi dS
H z x k F
G
0
1 , .
.
.ρ (2.26) Trong đó:
G1rZi - Lượng mòn theo khối lượng trên 1 răng của bánh răng Zi, (mg);
FZi(x, z)- Lực pháp tuyến trên sườn răng của bánh răng Zi, (N);
dSmsZi - Vi phân chiều dài ma sát của diện tích tiếp xúc trên răng của bánh răng Zikhi trượt ăn khớp;
SmsZi - Chiều dài biên dạng răng từ vị trí vòng trong cơ sở đến đỉnh răng của bánh răng Zi,(m).
Bánh răng của hộp số ô tô chế tạo có độ chính xác rất cao về hình dáng, kích thước và chất lượng bề mặt các răng. Để tính toán xác định lượng mòn của các bánh răng trong hộp số ô tô, ta sử dụng một số giả thiết sau:
- Hình dáng, kích thước, chất lượng bề mặt của các răng trên một bánh răng là hoàn toàn giống nhau;
- Trong một cặp bánh răng khi ăn khớp có diện tích tiếp xúc trên bề mặt sườn các răng là bằng nhau và luôn luôn không đổi trong thời gian tính toán mòn.
Khi đó lượng mòn theo khối lượng của bánh răng trong hộp số ô tô, được xác định theo công thức tổng quát:
rZi Zi Zi
Zi Z n t G
G = . . . 1 (2.27) Trong đó:
GZi - Lượng mòn theo khối lượng của bánh răng Zi, (mg);
Z - số răng của bánh răng Zi ;
nZi- Vận tốc quay của bánh răng Zi, (vòng/phút);
tZi- Thời gian làm việc của bánh răng Zi, (phút).