BÁNH RĂNG HỘP SỐ Ô TÔ
2.1 Hao mòn các chi tiết trong hộp số ô tô
Trong hộp số ô tô có nhiều loại chi tiết khác nhau như: bánh răng, trục, ống gài số, vành đồng tốc, vỏ hộp số, càng gài số, trong quá trình vận hành các chi tiết có thể gặp nhiều loại hư hỏng khác nhau, với các nguyên nhân khác nhau, nhưng ta có thể quy lại về 3 nhóm nguyên nhân chính như sau:
− Nhóm thứ nhất : Các hư hỏng do hao mòn;
− Nhóm thứ hai : Các hư hỏng do tác động cơ học;
− Nhóm thứ ba : Các hư hỏng do tác dụng hoá nhiệt.
Trong phạm vi luận án, tác giả chỉ nghiên cứu về hao mòn các chi tiết hộp số.
Hao mòn là quá trình tất yếu xẩy ra, không thể tránh khỏi đối với các chi tiết làm việc ở chế độ ma sát, kể cả trong trường hợp tuân thủ các quy định về quy trình khai thác và bảo dưỡng sửa chữa.
Hao mòn do mài mòn
Mài mòn là một quá trình mòn xảy ra khi môi trường tại vùng ma sát có các hạt mài. Có hai dạng mài mòn: mài mòn cơ hoá và mài mòn cơ học [16].
Mài mòn cơ hoá xảy ra khi Hk/Hm > 0,6 và mài mòn cơ học xảy ra khi Hk/Hm ≤ 0,6. Trong đó: Hk là độ cứng của kim loại và Hm là độ cứng của hạt mài, trong quá trình sử dụng các chi tiết không cho phép xảy ra mài mòn cơ học.
Mài mòn hay còn gọi là mòn hạt mài rất hay xảy ra đối với các thiết bị và máy móc hoạt động nói chung, chúng xuất hiện trong những cặp lắp ghép chịu ma sát của nhiều loại thiết bị như: các cụm chi tiết trong động cơ, các chi tiết trong hệ
thống truyền lực của ô tô máy kéo,... do hạt mài cứng lọt vào vùng ma sát theo không khí, dầu bôi trơn, nhiên liệu. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp hạt mài còn do chính các phần tử mòn tạo ra (hạt mài lại chính là hạt mòn của chi tiết bị mòn), nó được hình thành trong quá trình ma sát.
Mòn do hạt mài xuất hiện do có biến dạng dẻo tế vi và do kim loại của những lớp bề mặt chi tiết bị cắt bởi những hại mài nằm giữa các bề mặt ma sát. Sự tiến triển của quá trình hao mòn không phụ thuộc vào sự xâm nhập của các hạt mài lên bề mặt ma sát, dù các hạt mài đó từ bên ngoài xâm nhập vào, hoặc là chúng tồn tại ở một trong các vật làm việc, chẳng hạn như trong các chi tiết bằng gang hoặc cuối cùng có thể tạo ra ngay trong quá trình ma sát như ở giai đoạn thứ hai của mòn ôxy hoá, thì đặc tính mài mòn vẫn không thay đổi.
Sự thay đổi hao mòn của các chi tiết khi mài mòn do hạt mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vật liệu và cơ tính của chi tiết; hình dạng, kích thước, góc cạnh và độ cứng của các hạt mài; áp lực bề mặt tiếp xúc và vận tốc trượt khi ma sát.
Tóm lại, mòn hạt mài thường gặp ở các chi tiết làm việc ở chế độ ma sát, đặc biệt khi làm việc ở môi trường bụi bẩn, nguyên nhân chính do ma sát giữa các bề mặt lắp ghép của chi tiết (cặp bánh răng ăn khớp, các bề mặt của trục sang số, ống gài số…). Tốc độ mòn của các chi tiết do mài mòn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết, độ bóng bề mặt chi tiết, chế độ nhiệt luyện, trị số khe hở giữa các chi tiết lắp ghép, tải tác dụng khi lên bề mặt chi tiết, điều kiện bôi trơn, số lượng và chất lượng vật liệu bôi trơn.
Hao mòn do mòn ôxy hoá
Mòn ôxy hoá đặc trưng bởi hai quá trình xẩy ra đồng thời khi các chi tiết chịu ma sát: quá trình biến dạng dẻo của các thể tích kim loại vi mô của các lớp bề mặt và sự xâm nhập ôxy (ở không khí) vào các lớp kim loại biến dạng đó.
Mòn ôxy hoá thường xảy ra trong quá trình ma sát trượt và lăn khô hoặc bôi trơn giới hạn. Ở giai đoạn đầu của mòn ôxy hoá, sự ôxy hoá xẩy ra ở những thể tích không lớn của kim loại nằm ở bề mặt trượt khi ma sát. Giai đoạn sau, sự ôxy hoá xâm nhập vào những thể tích lớn hơn của các lớp bề mặt. Chiều sâu ôxy
hoá tương ứng với chiều sâu biến dạng dẻo, ở giai đoạn hao mòn ban đầu, sự ôxy hoá sẽ tạo ra trên bề mặt chi tiết công tác một lớp dung dịch ôxy, ở giai đoạn thứ hai sẽ tạo ra các hợp chất hoá học của ôxy với kim loại và nhờ đó mà cấu trúc của các lớp bề mặt bị thay đổi. Quá trình khuếch tán (xâm nhập) của ôxy và quá trình biến dạng dẻo, tăng cường, hỗ trợ lẫn nhau. Điều đó có nghĩa rằng, khi có biến dạng thì trên bề mặt ma sát của chi tiết sẽ tạo ra một số mặt phẳng trượt và nó tạo điều kiện cho ôxy xâm nhập vào kim loại. Ngược lại, khi trên bề mặt trượt có một số lượng lớn các nguyên tử ôxy chuyển động làm tăng độ di động của cấu trúc lớp bề mặt thì sự biến dạng dẻo lại được tăng cường. Ở thời kỳ đầu của quá trình mài mòn ô xy hoá, xẩy ra sự phá huỷ các màng di động của dung dịch ôxy rắn được tạo ra một cách liên tục và biến chúng thành các phần tử rất nhỏ. Giai đoạn thứ hai đặc trưng bởi sự tạo thành một cách có chu kỳ các màng ô xy giòn, không biến dạng và bởi sự tróc vỡ của chúng. Độ chống mòn của chi tiết khi còn ôxy hoá phụ thuộc vào độ dẻo của kim loại, tốc độ ôxy hoá và tính chất của các ôxyt.
Hao mòn do mòn dính (mòn tróc)
Mòn dính xuất hiện trong trường hợp không có dầu bôi trơn và không có màng ôxy hoá bảo vệ, khi các chi tiết ma sát với nhau với vận tốc nhỏ v = 1,0 m/s (đối với thép) và tại chỗ tiếp xúc thực tải trọng đơn vị lớn hơn giới hạn chảy của chi tiết. Mòn dính hình thành do các bề mặt kim loại bị biến dạng dẻo và giữa các phần tiếp xúc của các bề mặt phát sinh các liên kết kim loại. Sự dịch chuyển của các bề mặt tiếp xúc sau khi xuất hiện liên kết kim loại làm cho bề mặt tại các chỗ dính được cường hoá và những phoi kim loại bị bứt ra khỏi chỗ có độ bền kém hơn hoặc làm cho bề mặt đó lõm xuống bởi phần biến cứng. Mòn dính kèm theo hệ số ma sát cao và cường độ mài mòn lớn nhất. Mòn dính xuất hiện ở những chi tiết được phục hồi bởi các phương pháp như hàn đắp, phun kim loại.
Hao mòn do mòn rỗ
Mòn rỗ xuất hiện khi có ma sát lăn và thể hiện khá rõ ràng trên các bề mặt làm việc của các ổ lăn. Do các tải trọng thay đổi theo chu kỳ vượt quá giới hạn chảy của kim loại, khi có ma sát lăn sẽ gây nên hiện tượng mỏi phá huỷ các lớp bề mặt tạo ra mòn rỗ. Các chi tiết máy bị mòn rỗ thường xuất hiện biến dạng nén dẻo
tế vi và biến cứng các lớp bề mặt kim loại làm tạo nên ứng suất nén dư, việc phá huỷ các lớp bề mặt xẩy ra do các vết nứt tế vi và vĩ mô đã xuất hiện từ trước, trong quá trình làm việc chúng phát triển thành những vết lõm đơn điệu hoặc thành những cụm vết rỗ. Chiều sâu của các vết nứt và vết lõm phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu chi tiết, trị số áp lực đơn vị tại điểm tiếp xúc và kích thước các bề mặt tiếp xúc.
2.1.2 Đánh giá hao mòn các chi tiết trong hộp số
Hao mòn chi tiết là sự phá hoại dần dần bề mặt chi tiết do tác động của môi trường hay ngoại lực tác dụng lên bề mặt chi tiết, thể hiện ở sự thay đổi kích thước, khối lượng theo thời gian. Quá trình hao mòn không xảy ra sự phá hoại kim loại gốc mà chỉ xảy ra sự phá hoại trên lớp bề mặt chi tiết.
Đối với các chi tiết trong hộp số ô tô, hao mòn trên chi tiết chủ yếu là sự phá hoại dần bề mặt ma sát do quá trình mài mòn.
Ma sát: là hiện tượng diễn ra phức tạp trên bề mặt diện tích tiếp xúc thực giữa hai vật thể có sự chuyển động tương đối với nhau.
Bề mặt diện tích tiếp xúc thực giữa hai chi tiết gọi là bề mặt ma sát.
Qua nghiên cứu cho thấy ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra các quá trình cơ - lý - hoá, điện… quan hệ của các quá trình đó rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường.
Lực ma sát là lực cản trở sự dịch chuyển tương đối của các vật rắn chuyển động ngược chiều nhau tại các vị trí tiếp xúc thực.
Lực ma sát Ff luôn thay đổi, được xác định bằng công thức:
Ff = f.F Trong đó:
f - Hệ số ma sát, với f = g(p, v, C);
F- Lực pháp tuyến;
p- Áp suất trên bề mặt ma sát;
v- Vận tốc trượt tương đối trên bề mặt ma sát;
C- điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường…).
Trên cơ sở một số đặc trưng cơ bản, đã phân ra nhiều loại ma sát khác nhau:
- Dựa vào động học chuyển động có các loại: Ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát xoay.
- Dựa vào sự tham gia của chất bôi trơn có: Ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn.
- Dựa vào động lực học có: Ma sát tĩnh, ma sát động.
- Dựa vào đặc tính quá trình ma sát có:
+ Ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra mài mòn tất yếu và cho phép, trong phạm vi giới hạn của tải trọng, vận tốc trượt và điều kiện ma sát bình thường.
+ Ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó giá trị các thông số p, v, C vượt ra ngoài phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: tróc loại 1, loại 2...
Với tất cả các vật thể khi tiếp xúc ma sát, các bề mặt ma sát đều bị mài mòn theo thời gian, tốc độ mài mòn của các chi tiết phụ thuộc vào các yếu tố như loại ma sát, điều kiện ma sát, áp suất bề mặt ma sát.
Tốc độ mòn, hỏng bề mặt chi tiết phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu, hình dáng, kích thước, chất lượng của bề mặt cũng như điều kiện làm việc được cải thiện: tải, vận tốc, nhiệt độ, bôi trơn. Một trong những đại lượng để đánh giá độ mòn theo thời gian hoặc quãng đường ma sát là lượng mòn U.
Lượng mòn là một khái niệm để xác định giá trị mòn do ma sát gây nên trong một khoảng thời gian hay trên một quãng đường ma sát nào đó, lượng mòn có thể được đánh giá theo chiều cao của lớp mòn trên bề mặt ma sát hay theo thể tích mòn của bề mặt ma sát hoặc theo khối lượng mất đi của cặp ma sát trong quá trình làm việc.
Để đánh giá hao mòn của các chi tiết ma sát có thể sử dụng cường độ mòn
hoặc tốc độ mòn [16].
Cường độ mòn I là lượng mòn của chi tiết trên một đơn vị chiều dài quãng đường ma sát.
1 2 ( m/m) S
h
I h − à
= (2.1)
hoặc 1 2 (mm3/m) S
V I V −
= (2.2)
hay 1 2 (mg/m)
S G
I =G − (2.3) Trong đó:
h1, h2 - Kích thước chi tiết ma sát trước và sau khi mòn, (mm hoặc àm), với h1 – h2 = h, ở đõy: h là độ cao mũn;
V1, V2 - Thể tích chi tiết trước và sau khi mòn (mm3);
G1, G2 - Khối lượng chi tiết trước và sau khi mòn, (mg);
S - Chiều dài quãng đường ma sát, (m).
Tốc độ mòn γlà lượng mòn của chi tiết trên một đơn vị thời gian.
1 2 ( m/h) t
h
h à
γ = − (2.4)
hoặc 1 2 (mm3/h) t
V V −
γ = (2.5)
hay 1 2 (mg/h) t
G G −
γ = (2.6) t - Thời gian ma sát (h).
Như vậy, để đánh giá hao mòn các chi tiết ma sát trong hộp số ô tô ta phải xác định được lượng mòn, hay nói khác là phải xác định giá trị mòn trên bề mặt các chi tiết ma sát với các điều kiện cụ thể: dưới dạng chiều cao mòn h, hoặc thể tích mòn V, hay khối lượng vật liệu mòn G.