3. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA đỀ TÀI
3.1.1. Nghiên cứu của Jesse Song về sự biến thiên ứng suất Hertz do sai số
chế tạo
3.1.1.1. Tóm tắt
Khi sản xuất khớp Rzeppa sự biến thiên khoảng cách của những vị trắ rãnh cân bằng tạo ra các ựiểm khác biệt về sự phân bố ứng suất Hertz trong các rãnh trượt bi. Kết quả của sự khác biệt này là sự biến thiên ựộ bền của khớp. Giả ựịnh có một lõi cầu lý tưởng và một lõi cầu có sai số về vị trắ các rãnh và chúng ựều ựược mô phỏng bằng mô hình ADAMS. Lỗi khoảng cách góc của rãnh lõi cầu ựược chỉ ra trong sự phân phối ứng suất Hertz không bằng nhau giữa 6 rãnh trên vỏ cầu. Hai trong số 6 rãnh cầu trên vỏ cầu lộ ra những khoảng trống không kắn. (Hình 3.1).
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
46
Hình 3.1. Khe hở lắp ghép trên khớp ựẳng tốc
Một thắ nghiệm về tắnh bền cơ học ựã ựược thắ nghiệm trên lõi cầu có sai số về khoảng cách vị trắ. Sự mô phỏng hỗ trợ rất tốt cho quá trình kiểm tra, hơn thế nữa sự mô phỏng còn chỉ ra ứng suất Hertz của rãnh bi cũng bị ảnh hưởng bởi vị trắ cân bằng của tâm rãnh vỏ cầu và tâm khối cầu của vỏ cầu trong ựó ứng suất Hertz bị thay ựổi do lỗi off-axis (lỗi sai số theo chiều ngang trục) hơn là do lỗi along-axis (lỗi sai số theo chiều dài trục)
Một số phần của khớp Rzeppa ựược chế tạo riêng biệt, sự biến thiên chiều dài luôn ựược yêu cầu trong suốt quá trình thiết kế những thành riêng biệt của khớp, tuy nhiên ựiều này là khó xảy ra. Sự cần thiết ựể cân bằng sản xuất chắnh xác cũng ựược ựề cập trong báo cáo này.
Khớp ựẳng tốc Rzeppa phải bền và có khả năng truyền mô men êm nhẹ giữa các góc quay của khớp. Khớp này ựạt ựược vận tốc không ựổi bằng cách nén 6 viên bi nằm trên cùng một mặt phẳng và nằm giữa 2 rãnh chạy bi, mà trên mặt phẳng này ựược hiểu là mặt phẳng phân giác của khớp.
Như hình 3.2 vị trắ của bi ựược xác ựịnh bởi những ựiểm giao nhau của ựường bi trùng tâm dọc theo rãnh của vỏ cầu và của lõi cầu ựược ựặt tại tâm O1 và O2. điểm O1 ựược gọi là tâm rãnh trượt bi của vỏ cầu và O2 là tâm rãnh trượt của lõi cầu. Một vòng cách cũng ựược ựặt vào khớp cầu ựể ựảm bảo sự chuyển ựộng của bi nằm trong mặt phẳng phân giác, nó ựược khống chế bằng 6 ô cửa sổ khác nhau trên vỏ cầu. Biên dạng cầu ngoài của vòng cách ựược bao bọc bởi biên dạng cầu trong của vỏ cầu, biên dạng cầu trong của vòng cách lại bao bọc biên dạng cầu ngoài của lõi cầu.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
47
Hình 3.2. Nguyên lý cấu tạo của khớp RZEPPA
Trên ựây là lý thuyết về 4 khối cầu trung tâm gặp nhau tại ựiểm O gọi là khớp trung tâm.
Những rãnh của lõi cầu lý tưởng ựều ựược ựặt cân bằng nhau trong chiều thuận của ựường tròn. Khoảng cách của 2 rãnh trong lõi cầu là 60o (Hình 3.3 )
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
48
Hình 3.3. Lõi cầu lý tưởng
Do sự biến dạng của vật liệu hay do chế tạo không chắnh xác mà những góc này có sự thay ựổi (hình 3.4). Lõi cầu có những sai số ựược sử dụng làm thắ nghiệm trong nghiên cứu có số liệu như trên (hình 3.4). Sự sai khác về khoảng cách góc giữa các rãnh làm cho sự phân phối tải trọng giữa 6 viên bi và 6 cặp rãnh không còn ựồng ựều, một số viên bi sẽ ựược nén chặt vào biên dạng các rãnh, một số khác thì không do ựó chúng sẽ bị lỏng. Với những rãnh có viên bi ựược nén chặt thì trên bề mặt ứng suất tiếp xúc sẽ bị tăng và nó ựược mô tả qua ứng suất Hertz. Thêm vào ựó sự không ựúng về vị trắ của tâm rãnh trượt bi trên vỏ cầu ựiểm O1 ( hình 3.2) có thể là nguyên nhân của sự phân phối ứng suất không mong muốn giữa các rãnh.
Hình 3.4. Lõi cầu có sai số
Sự hoạt ựộng của rãnh có quan hệ ựến ứng suất Hertz. Thông thường ứng suất Hertz càng cao thì dấu hiệu vỡ và mòn trong thời gian vận hành càng ngắn. Nghiên cứu sự mô phỏng ứng suất Hertz như là một chuỗi các vị trắ không chắnh xác và hơn thế nữa là sự tiên ựoán về những rãnh có yếu ựiểm về tắnh chất bền của nó.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
49
Mô hình ADAMS ựược xác ựịnh ựể mô phỏng chuyển ựộng và lực tương tác của mỗi phần tử trong khớp ựẳng tốc Rzeppa. Những phần tử này ựược xem như những chuyển ựộng vững chắc của vật thể. Lực tiếp xúc ựược tái tạo với lực giảm rung của lò xo. Sự biến dạng của vật liệu ựược tắnh toán bởi ựộ cứng tuyến tắnh hoặc không tuyến tắnh. Vì vậy, lực tương tác giữa các phần ựược xác ựịnh bởi những vị trắ tương ựối của chúng và vận tốc tương ựối của chúng.
Những lực này về cơ bản ựược tổng hợp theo những ựiểm sau ựây:
- Lực tiếp xúc giữa bi và rãnh bi: nó ựược mô phỏng như thực hiện nhiệm vụ và không tắnh toán ựược theo ứng suất Hertz.
- Lực tiếp xúc giữa bi và cửa sổ vòng cách: lồng cách ựược coi như là ống lót ADAMS. độ cứng của vòng cách sử phương pháp phần tử hữu hạn.
- Lực tương tác giữa vỏ cầu, vòng cách và lõi cầu: là những lực cấu thành ựơn giản ADAMS.
- Lực ma sát: Áp dụng hệ số hằng của lực ma sát. Hệ số hằng phụ thuộc vào ựiều kiện làm việc.
Trong mô hình này thân vỏ cầu bị ép bởi khớp uốn. Nó cũng có thể tạo thành những góc khác nhau. Sự quay vòng cũng ựược áp dụng trong thân vỏ cầu và mô men tồn tại trong trục lõi cầu.
*) Mô phỏng, kiểm tra khoảng cách góc giữa các rãnh trượt bi trên lõi cầu
Sự mô phỏng ựược thực hiện với khớp ựẳng tốc Rzeppa có góc 60o và mô men tải trọng là 300Nm. Trong thắ nghiệm này khoảng cách của những rãnh cầu ngoài ựược xem là lý tưởng. Có hai loại rãnh trượt bi trong lõi cầu là rãnh lý tưởng (hình 3.3) và rãnh có sai số về khoảng cách góc (hình 3.4) nhưng cả hai ựều tuân theo mô hình ADAMS.
Sự phân phối ứng suất Hertz của các rãnh trượt bi trên lõi cầu có cùng hướng với ứng suất các rănh trượt bi trên vỏ cầu. đồ thị ứng suất Hertz của khớp sử dụng lõi cầu lý tưởng là ựường gạch chấm trên ựồ thị (hình 3.5; 3.6; 3.7) Rõ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
50
ràng nếu nhìn trên ựồ thị phân bố ứng suất thì với các rãnh cách ựều nhau 60o có hình dạng của ựồ thị là tương ựối giống nhau. Mỗi một rãnh ựạt ựược ứng suất Hertz cực ựại tại những thời ựiểm khác nhau nhưng về giá trị là nó gần bằng nhau vì vậy các rãnh làm việc là gần như nhau.
Hình 3.5. Biểu ựồ mô tả ứng suất Hertz trên rãnh số 1 và 2
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
51
Hình 3.7. Biểu ựồ mô tả ứng suất Hertz trên rãnh số 5 và 6
đối với khớp sử dụng lõi cầu có sai số sẽ xảy ra hiện tượng về sự phân bố tải trọng không ựều lên sự phân bố ứng suất Hertz cũng không trùng với sự phân bố ứng suất Hertz trên lõi cầu lý tưởng. Sự phân bố này ựược miêu tả bằng các nét liền trên ựồ thị (hình vẽ 3.5; 3.6;3.7). Nhìn vào ựồ thị chúng ta có thể nhận thấy ở các rãnh số 2 và số 5 của khớp ựẳng tốc có ựường cong ứng suất Hertz lớn hơn so với khớp lý tưởng và lớn hơn rất nhiều trong bản thân nó ựạc biệt là rãnh số 3 và số 6.
Sự phân bố ứng suất Hertz không ựều giữa 6 rãnh trượt bi ở vỏ cầu ngoài sẽ tạo ra sự hoa mòn ở rãnh số 2 và số 5 trong khi ở các rãnh còn lại hình dáng của các rãnh là vẫn không thay ựổi.
để ựi ựến kết luận, người ta tiến hành kiểm tra ựộ bền của khớp dựa vào việc sự dụng lõi cầu và sự kiểm tra ựộ bền dưới ựiều kiện giống như mô phỏng sau thời gian vận hành. Thì nghiệm ựã chỉ rõ ràng: có rãnh số 2 và số 5 là có sự xuất hiện của sự ăn mòn trong khi các rãnh còn lại thì không có dấu hiệu của ăn mòn.
Từ những kết quả của bài kiểm tra ựã chứng minh những giả ựịnh phân tắch trên là ựúng ựắn. Dựa vào quá trình mô phỏng và kiểm tra thì báo cáo này ựem ra một chỉ số về khoảng cách lý tưởng của các rãnh (ựược chỉ ra ở trên) như là một sự tham khảo và ựược gọi là Ộ khoảng cách hoàn hảo Ợ.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
52
*) mô phỏng khoảng cách giữa tâm rãnh trượt bi trên vỏ cầu.
Tâm của tất cả các rãnh trượt bi trên vỏ cầu ựược ký hiệu là ựiểm O1 ựược giả sử nằm trên trục của vỏ cầu và di chuyển 1 khoảng từ trung tâm vỏ cầu là ựiểm O (hình 3.3 ).
Trong thực tế tâm của rãnh trượct bi trên vỏ cầu này (O1) thường rời khỏi trục và ựược gọi là: sai số off-axis. Hoặc nó có thể ựược ựặt trên trục nhưng rất xa so với vị trắ thực của nó, sai số như thế gọi là: sai số along-axis. Cả hai lỗi này ựều làm tăng giá trị max của ứng suất hertz.
Với ựiều kiện ựể làm thì nghiệm: - điều kiện thời tiết bình thường; - Góc ăn khớp của trục là OO. - Tải trọng mômen là 2300Nm. - Lõi cầu là lý tưởng.
Sự mô phỏng sẽ hoạt ựộng với các lỗi off-axis và lỗi along-axis, ựã chỉ ra rằng ứng suất hertz của rãnh truợt bi trên vỏ cầu dễ bị hỏng vì lỗi off-axis hơn là do lỗi along-axis rất nhiều. điều này ựã ựược thể hiện rõ thông qua số liệu trên biểu ựồ ở (hình vẽ 3.6)
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
53
Hình 3.8. ựồ thị biểu diễn sai số về lỗi khoảng cách.
Với một khớp ựẳng tốc Rzepp, mỗi một rãnh có một một tải trọng tương ựương ở mỗi vòng quay vì thế mà ứng suất hertz sẽ ựược phân bố tại tất cả các rãnh. Lỗi khoảng cách các góc giữa các rãnh tượt bi trên lõi cầu sẽ thay ựổi sự phân bố ứng suất hert giữa 6 rãnh lăn của vỏ cầu. Một số rãnh sẽ tăng thêm sự hao mòn và hư hỏng, một số khác sẽ ắt bị ảnh hưởng của tải trọng giống như mô phỏng.
Những phân tắch phỏng ựoán là tin cậy thông qua sự kiểm tra ựộ bền cơ học của khớp. Hai rãnh vỏ cầu với ứng suất uốn Hertz cao có sự mòn và vỡ vụn tại một số nơi trong khi những rãnh cầu khác có hình dạng rất tốt. Suy ra có sự ảnh hưởng của lỗi khoảng cách góc trên rãnh ứng suất.
Ngoài ra sai số về vị trắ tâm của rãnh trượt bi trên vở cầu có hai dạng ứng với hai lỗi sai số ựó là: lỗi off-axis và lỗi along-axis, hai lỗi này cũng ảnh hưởng
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
54
ựến ựộ bền của chi tiết thường bị hỏng do lỗi off-axis hơn là do lỗi along-axis. Qua số liệu nghiên cứu Jesse Song về sự tăng giá trị cực ựại ứng suất trên bề mặt rãnh trượt bi, chúng tôi ựã lựa chọn phần trăm (%) tăng giá trị cực ựại trên bề mặt chi tiết là 3%, và dung sai về vị trắ của các rãnh trượt bi là 60oổ5Ỗ.