Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng helical gears

Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng helical gears, phân tích hiệu quả và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Đại
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tuấn Kiệt
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng (Helical Gears)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến bánh răng nghiêng và vết tiếp xúc. Các tạp chí và bài báo khoa học được phân tích, tập trung vào các phương pháp tiếp cận như phân tích ứng suất, mô phỏng động lực học, và tối ưu hóa thiết kế bánh răng. Các nghiên cứu về bánh răng thân khai và bánh răng cung tròn được so sánh, chỉ ra sự khác biệt trong diện tích tiếp xúc và ứng suất. Các vấn đề còn tồn tại như ma sát, điều kiện bôi trơn, và nhiệt độ cũng được đề cập.

1.1. Tạp chí và bài báo khoa học

Các bài báo khoa học tập trung vào sự biến dạng chồng trong thiết kế bánh răng, sửa bề mặt bánh răng nghiêng, và phân tích ứng suất bằng phần mềm ABAQUS. Các nghiên cứu chỉ ra rằng đường tiếp xúc của bánh răng thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự thay đổi độ cứng và lực ma sát. Các mô hình động lực học được phát triển để tính toán tải trọng phân bố và ứng suất uốn trên bề mặt răng.

1.2. Luận văn thạc sĩ và tiến sĩ

Các luận văn thạc sĩ và tiến sĩ tập trung vào ảnh hưởng của ma sát trượt lên cặp bánh răng và mô hình mòn động cho hệ thống bánh răng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng lực ma sát là nguyên nhân chính gây ra rung động và tiếng ồn trong quá trình ăn khớp. Các mô hình mòn động được phát triển để dự đoán chiều sâu mòn và biên dạng mòn của bánh răng.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến bánh răng nghiêng, bao gồm thông số hình học, phương trình bề mặt, và điều kiện ăn khớp. Các công thức toán học được sử dụng để mô tả bề mặt xoắn ốc của bánh răng và pháp tuyến bề mặt. Các yếu tố như bán kính mặt trụ chia, vận tốc góc, và tỷ số truyền được phân tích chi tiết.

2.1. Thông số hình học bánh răng nghiêng

Các thông số hình học của bánh răng nghiêng được xác định bằng các công thức toán học, bao gồm bán kính mặt trụ chia, vận tốc góc, và tỷ số truyền. Các tham số như góc nâng và tham số xoắn được sử dụng để mô tả bề mặt xoắn ốc của bánh răng.

2.2. Phương trình bề mặt bánh răng

Phương trình bề mặt bánh răng được biểu diễn bằng vectơ vị trí và pháp tuyến bề mặt. Các tham số như tọa độ Gaussian và tham số xoắn được sử dụng để mô tả bề mặt thân khai xoắn ốc. Các công thức này giúp xác định độ cong chính và hướng chính của bề mặt bánh răng.

III. Áp dụng lý thuyết tính toán

Chương này áp dụng các lý thuyết tính toán để phân tích quá trình ăn khớp của cặp bánh răng nghiêng. Các phương pháp như mô hình hóa bề mặt, tính toán độ cong chính, và ellipse tiếp xúc được sử dụng để xác định vết tiếp xúc và ứng suất tiếp xúc. Các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng phần mềm Ansys Workbench và Inventor.

3.1. Khảo sát quá trình ăn khớp

Quá trình ăn khớp của cặp bánh răng nghiêng được khảo sát bằng cách sử dụng phương trình toán học và phần mềm mô phỏng. Các yếu tố như độ cong bề mặt, lực tác dụng, và sai số chế tạo được phân tích để xác định vết tiếp xúc và đường ăn khớp.

3.2. Mô hình hóa bề mặt bánh răng

Bề mặt bánh răng được mô hình hóa bằng phần mềm ProE 5.0, sử dụng dữ liệu từ phương trình toán học. Các thông số như độ cong chính và ellipse tiếp xúc được tính toán để xác định vùng biến dạng và ứng suất tiếp xúc trên bề mặt răng.

IV. Thiết kế mô hình kiểm nghiệm

Chương này trình bày quá trình thiết kế mô hình kiểm nghiệm để đối chiếu vết tiếp xúc thực tế với lý thuyết. Phần mềm Inventor 11 được sử dụng để thiết kế và lắp ráp mô hình. Các bước chế tạo mô hình và kiểm nghiệm vết tiếp xúc được thực hiện để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

4.1. Sử dụng phần mềm Inventor 11

Phần mềm Inventor 11 được sử dụng để thiết kế và lắp ráp mô hình kiểm nghiệm vết tiếp xúc. Các thông số như kích thước bánh răng, góc nghiêng, và khoảng cách tâm được xác định để đảm bảo độ chính xác của mô hình.

4.2. Quá trình chế tạo mô hình

Quá trình chế tạo mô hình được thực hiện theo các bước thiết kế, bao gồm gia công bánh răng, lắp ráp, và kiểm nghiệm vết tiếp xúc. Các kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết để đánh giá độ chính xác của mô hình.

V. Sử dụng phần tử hữu hạn tính toán

Chương này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán vết tiếp xúc và ứng suất tiếp xúc trên bề mặt bánh răng. Phần mềm Ansys Workbench được sử dụng để mô phỏng và phân tích vùng biến dạng và ứng suất uốn. Các kết quả tính toán được so sánh với mô hình thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

5.1. Tính toán vết tiếp xúc

Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để tính toán vết tiếp xúc trên bề mặt bánh răng. Các yếu tố như độ cong bề mặt, lực tác dụng, và sai số chế tạo được phân tích để xác định vùng biến dạng và ứng suất tiếp xúc.

5.2. Phân tích ứng suất tiếp xúc

Phần mềm Ansys Workbench được sử dụng để phân tích ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn trên bề mặt bánh răng. Các kết quả tính toán được so sánh với mô hình thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của phương pháp.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Chương này tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đề xuất hướng phát triển cho đề tài. Các kết quả tính toán và thực nghiệm được đánh giá, chỉ ra các ưu điểm và hạn chế của phương pháp nghiên cứu. Các hướng phát triển như tối ưu hóa thiết kế bánh răng, giảm tiếng ồn, và nâng cao độ bền được đề xuất.

6.1. Kết quả nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng vết tiếp xúc của cặp bánh răng nghiêng phụ thuộc vào độ cong bề mặt và lực tác dụng. Các phương pháp tính toán và mô phỏng đã chứng minh độ chính xác trong việc xác định vùng biến dạng và ứng suất tiếp xúc.

6.2. Hướng phát triển

Các hướng phát triển được đề xuất bao gồm tối ưu hóa thiết kế bánh răng, giảm tiếng ồn trong quá trình ăn khớp, và nâng cao độ bền của bánh răng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào ảnh hưởng của ma sát và điều kiện bôi trơn lên hiệu suất của bánh răng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tạp chí và bài báo khoa học 1.1 Tạp chí [25] 1)Sự khám phá mới về hình học bánh răng cung tròn (Wildhaver-Novikov) Phương pháp tiếp cận: Việc tính toán so sánh cặp bánh răng thân khai và bánh răng cung tròn với cùng kích thước, cho thấy tổng diện tích tiếp xúc của răng cung tròn có thể lớn hơn diện tích tiếp xúc của bánh răng thân khai. Tuy nhiên sự khác biệt trong tính toán ứng suất tiếp xúc của răng cung tròn và bánh răng thân khai không lớn như đã được dự đoán trước.1a Bánh răng thân khai Hình 1.1b Bánh răng cung tròn Hình 1.1a,b: Hình ảnh so sánh diện tích tiếp xúc của bánh răng thân khai và bánh răng cung tròn Hình 1.2a Bánh răng thân khai Hình 1.2b Bánh răng cung tròn GVHD: TS-Nguyễn Tuấn Kiệt HVTH: Nguyễn Trọng Đại 2 Luận văn thạc sĩ Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng Hình1.2a,b Hiển thị diện tích bề mặt răng tiếp xúc trên tất cả các răng khi ăn khớp trên răng thân khai và răng cung tròn * Kết luận: Việc tính toán chính xác số răng tiếp xúc của răng cung tròn giải thích tại sao sức mạnh của bánh răng cung tròn là không cao như nó đã được dự đoán bởi hầu hết các nhà nghiên cứu.2 Bài báo khoa học 1) Sự biến dạng chồng trong thiết kế cặp bánh răng trụ răng thẳng, răng nghiêng [8] Phương pháp tiếp cận: Độ võng đàn hồi của răng được phân tích để khảo sát sự biến dạng chồng lên nhau. Sự biến dạng chồng được tính toán nhờ việc phân tích dịch chuyển tại điểm tiếp xúc ban đầu. Sự biến dạng chồng được gợi ý như là chỉ số có ích để thể hiện sự biến dạng toàn bộ của cặp bánh răng trong quá trình ăn khớp.

2) Sửa bề mặt bánh răng nghiêng [7] Phương pháp tiếp cận: Đường tiếp xúc của bề mặt răng được thay thế bởi điểm tiếp xúc tức thời. Điểm tiếp xúc của bề mặt răng là điểm giao nhau của độ cong biên dạng bánh răng và hướng dọc theo bề mặt. Kết quả: Cặp bánh răng tiếp xúc với nhau tức thời tại một điểm. Lỗi truyền là hàm bậc hai có độ lớn bé, có thể hấp thụ gián đoạn hàm tuyến tính của lỗi truyền gây ra bởi sự sai lệch do đó giảm ồn và rung động.

3) Sử dụng phần tử hữu hạn phân tích cặp bánh răng trụ răng nghiêng [14] Phương pháp tiếp cận: Sử dụng phần mềm ABAQUS/ Standard để tính ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn và ứng suất phân bố trên bề mặt răng Kết quả: Ứng suất kéo, nén, uốn dọc theo bề mặt bánh răng ở nhiều vị trí tiếp xúc khác nhau được khảo sát. Ứng suất tại vị trí có độ cong lớn nhất xảy ra gần mặt cắt giữa của bề mặt bánh răng là cao nhất. 4) So sánh vị trí nứt và gãy ở mô hình động cặp bánh răng ăn khớp [17] Phương pháp tiếp cận: Bài báo trình bày mô hình bánh răng động có 26 bậc tự do, với ba trục và hai cặp bánh răng ăn khớp để so sánh vùng tróc và hư hại răng. Sự tróc bề mặt và các vết nứt có thể được đưa vào mô hình bằng cách sử dụng kết GVHD: TS-Nguyễn Tuấn Kiệt HVTH: Nguyễn Trọng Đại 3 Luận văn thạc sĩ Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng hợp độ cứng chống xoắn ăn khớp của bánh răng.

Các mô hình FEA phát triển để tính độ cứng chống xoắn và tỷ lệ tải trọng phân bố trong quá trình ăn khớp với các hư hỏng bề mặt và vết nứt cũng được mô tả. Kết quả mô phỏng động các rung động từ hộp số đã được thu được bằng cách sử dụng Matlab và mô hình mô phỏng được phát triển từ các phương trình chuyển động. Sự khác nhau và so sánh giữa các tín hiệu dao động do gãy răng và hư hại tróc vỡ được thảo luận bằng cách khảo sát một số hàm chẩn đoán thông thường và thay đổi kết quả phổ tần số.3: Mô hình động học 26 bậc tự do cặp bánh răng ăn khớp * Kết quả: Bài báo chỉ ra biên độ và biến điệu pha của việc kết hợp thời gian đồng bộ tín hiệu dao động trung bình có thể có hiệu quả trong việc chỉ ra vùng tróc bề mặt và gãy răng. 5) Giảm ồn của chế độ có tải và không tải của bộ truyền không đồng trục.

[9] Phương pháp tiếp cận: Lỗi truyền là nguyên nhân chính gây ra rung động và ồn trong bộ truyền bánh răng. Sự biến dạng đàn hồi của bề mặt răng có khả năng giảm lỗi truyền động lớn nhất trong khi truyền tải của bộ truyền bánh răng. 6) Thuật toán xác định thời gian biến đổi lực ma sát và moment trong hệ thống bánh răng nghiêng. [10] Phương pháp tiếp cận: Trong cặp bánh răng nghiêng, sự thay đổi của đường tiếp xúc theo thời gian dẫn đến sự thay đổi độ cứng ăn khớp, hệ số giảm chấn, moment quay do ma sát.

Sự thay đổi của lực ma sát và moment quay do ma sát là nguyên nhân chính gây ra ồn và rung động trong quá trình ăn khớp của bánh răng. GVHD: TS-Nguyễn Tuấn Kiệt HVTH: Nguyễn Trọng Đại 4 Luận văn thạc sĩ Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng 7) Sự biến đổi của chiều dài đường tiếp xúc, lực ma sát, moment, lực tác dụng lên ổ lăn theo thời gian.[11] Phương pháp tiếp cận: Đường tiếp xúc biến đổi làm tăng độ cứng ăn khớp và giảm chấn thay đổi. Nó kéo theo sự thay đổi về lực ma sát, moment ma sát và lực tác dụng lên ổ lăn. 8) Sự chuẩn đoán khác nhau của tróc vỡ và gãy chân răng.

[12] Phương pháp tiếp cận: Hiện tượng gãy răng phụ thuộc vào sự thay đổi độ cứng của răng. Trong khi ảnh hưởng chủ yếu của sự tróc rỗ bề mặt là do lỗi hình học. Và vết tiếp xúc nhỏ hay lớn phụ thuộc vào độ lớn lực tác dụng lên bề mặt bánh răng. Khi lực tác dụng nhỏ thì vết tiếp xúc chưa xuất hiện.

Lực tác dụng đủ lớn thì vết tiếp xúc xuất hiện. Nhưng bánh răng sẽ bị hư hại khi lực tác dụng quá lớn. Lực tác dụng quá lớn làm trục bị biến dạng dẫn đến thay đổi khoảng cách tâm và góc ăn khớp, tăng sự ngẫu nhiên trong quá trình truyền động sinh ra tiếng ồn. 9) Mô hình tải trọng phân bố dọc theo đường tiếp xúc cho cặp bánh răng trụ răng nghiêng.

[13] Phương pháp tiếp cận: Việc sử dụng công thức lý thuyết đàn hồi tuyến tính ( Navier ) và mô hình tiếp xúc Hertzian để tính ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc khi giả sử tải trọng phân bố đều trên đường tiếp xúc đem lại kết quả không chính xác. Bởi vì sự thay đổi độ cứng ăn khớp theo đường tiếp xúc gây ra tải trọng phân bố không đều. Mô hình tải trọng phân bố không đều trên đường tiếp xúc sẽ cho ta kết quả chính xác hơn. 10) Phân tích động lực học cho cặp bánh răng trụ răng thẳng với chuyển động tịnh tiến do sự biến dạng của ổ lăn.

[16] Phương pháp tiếp cận: Trong nghiên cứu này, đáp ứng động của một cặp bánh răng trụ răng thẳng được phân tích khi bộ truyền động bánh răng chuyển động tịnh tiến do biến dạng ổ lăn. Một mô hình động lực học mới cho bộ truyền bánh răng xem xét chuyển động tịnh tiến được đề xuất, trong đó khoảng cách giữa tâm của bánh răng chủ động và bánh răng bị động thay đổi theo thời gian. Vì vậy, mô hình đề xuất liên quan góc áp lực và tỷ lệ tiếp xúc là các biến thay đổi theo thời GVHD: TS-Nguyễn Tuấn Kiệt HVTH: Nguyễn Trọng Đại 5 Luận văn thạc sĩ Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng gian, trong khi trước đây mô hình chúng như là hằng số. Sau khi phát sinh các phương trình chuyển động phi tuyến của bộ truyền, các đáp ứng động được tính toán bằng cách áp dụng phương pháp kết hợp thời gian Newmark.

Bài báo này cho rằng mô hình mới đáp ứng động chính xác hơn so với những mô hình trước đó. Một số đáp ứng động khác biệt giữa các mô hình mới và mô hình trước đó được chứng minh, tác động của giảm chấn và độ cứng lên đáp ứng động cũng được nghiên cứu. * Kết luận: (1) Đề xuất mô hình mới có góc áp lực và tỷ lệ tiếp xúc phụ thuộc thời gian, vì vậy, tạo ra một mô hình mới đáp ứng động chính xác hơn so với mô hình trước đó. (2) Giảm chấn cho cặp bánh răng ảnh hưởng ít lên các đáp ứng động cho các chuyển vị hướng tâm.

(3) Giảm chấn ổ lăn xoắn có ảnh hưởng lớn tới đáp ứng động hơn là giảm chấn ổ lăn hướng tâm (4) Độ cứng ổ lăn có ảnh hưởng lớn lên biên độ lẫn chu kỳ giảm xóc của dao động hướng tâm nhưng lại ít ảnh hưởng tới sự biến dạng trong ăn khớp. (5) Sự gia tăng độ cứng cặp bánh răng gây ra giảm biên độ và chu kỳ dao động của cặp bánh răng biến dạng tuy nhiên độ cứng ăn khớp ít có tác dụng tới rung động hướng tâm (6) Góc áp lực giảm, tỷ lệ tiếp xúc tăng khi độ cứng ổ lăn tăng.2 Luận văn thạc sĩ, tiến sĩ 1) Ảnh hưởng của ma sát trượt lên cặp bánh răng trụ răng thẳng và bánh răng trụ răng nghiêng [15] Phương pháp tiếp cận: Áp dụng lý thuyết Floquet cho cặp bánh răng trụ răng nghiêng để kiểm tra ảnh hưởng của ma sát động lên mô hình nhiều bậc tự do. Ảnh hưởng của ma sát trượt xác định như là tham số kích thích hiệu quả độ cứng ăn khớp. * Kết luận: Ảnh hưởng chính của lực ma sát là tăng độ lớn lỗi truyền động tại cặp bánh răng điều hòa thứ hai.

Chìa khóa của câu hỏi lực ma sát trượt có thực sự là GVHD: TS-Nguyễn Tuấn Kiệt HVTH: Nguyễn Trọng Đại 6 Luận văn thạc sĩ Khảo sát vết tiếp xúc cặp bánh răng trụ răng nghiêng nguồn gốc làm chuyển động không còn tác động theo đường và lực trong cặp bánh răng trụ răng thẳng đã được trả lời. Khả năng chịu lực tác động theo đường bị ảnh hưởng bởi tải trọng pháp tuyến. Nhưng lực ma sát trượt là kích thích ban đầu để chuyển động không còn tác động theo đường vv…. 2) Mô hình mòn động cho hệ thống bánh răng [18] Phương pháp tiếp cận: Mòn bề mặt ảnh hưởng tới biên độ dao động và tần số lực đáp ứng của cặp bánh răng trụ răng thẳng và bánh răng trụ răng nghiêng về số lượng lẫn chất lượng.