Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mài mòn các bánh răng hộp số xe tải nhẹ thiết kế chế tạo tại Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là xác định lượng mòn theo khối lượng của các bánh răng hộp số dùng cho xe tải nhẹ, làm cơ sở cho việc xác định độ bền lâu và chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa hộp số ô tô chế tạo trong nước. Xác định hệ số mòn k thực nghiệm để lựa chọn thông số đầu vào và hoàn thiện mô hình lý thuyết khi tính toán lượng mòn theo khối lượng của các bánh răng hộp số ô tô xe tải nhẹ thiết kế chế tạo tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mài mòn các bánh răng hộp số xe tải nhẹ thiết kế chế tạo tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ********** Lê Văn Anh NGHIÊN CỨU MÀI MÒN CÁC BÁNH RĂNG HỘP SỐ XE TẢI NHẸ THIẾT KẾ CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ********** NGHIÊN CỨU MÀI MÒN CÁC BÁNH RĂNG HỘP SỐ XE TẢI NHẸ THIẾT KẾ CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo Mã số : 62.52.35.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS DƯ QUỐC THỊNH 2. TS. NGUYỄN THANH QUANG HÀ NỘI - 2012
1 MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển nền kinh tế đất nước và phục vụ đời sống xã hội, việc vận chuyển hàng hoá, hành khách có vai trò hết sức to lớn, vận chuyển bằng ô tô có khả năng đáp ứng tốt hơn về nhiều mặt so với các phương tiện vận chuyển khác do tính cơ động cao. Ô tô có thể đến được nhiều vùng, nhiều khu vực, địa điểm mà các phương tiện vận chuyển khác khó có thể thực hiện được, bằng ô tô có thể đưa đón khách đến tận nhà, giao hàng tận nơi tập kết, đưa hàng đến tận chân công trình… với chi phí phù hợp nhu cầu của người sử dụng. Ngày nay, do đô thị được mở rộng, phát triển mạnh, nhu cầu vận chuyển hành khách, hàng hoá tăng, mật độ vận chuyển lớn. Do vậy, vận chuyển bằng ô tô lại càng có ưu thế lớn. Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã không ngừng phát triển và đã khẳng định được vị thế của mình trong nền kinh tế đất nước. Để thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô phát triển, đáp ứng nhu cầu sử dụng, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô đến năm 2010 và tầm nhìn đến năm 2020 theo hướng tăng tỉ lệ nội địa hoá các sản phẩm ô tô lắp ráp, chế tạo trong nước. Thực hiện mục tiêu nội địa hoá của Chính phủ đề ra, một số cơ sở trong nước đã và đang tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo các chi tiết, cụm tổng thành ô tô. Việc kiểm nghiệm, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các sản phẩm mới chế tạo là một trong những vấn đề đang được nhiều nhà khoa học quan tâm. Tại Việt Nam tới thời điểm này chưa có nhà máy, hay cơ sản xuất nào chế tạo hoàn chỉnh cụm hộp số ô tô tải. Để sản xuất được hoàn chỉnh hộp số, sau chế tạo cần phải được đánh giá với nhiều chỉ tiêu kỹ thuật khác nhau như: hiệu suất, mức độ hao mòn các chi tiết bên trong của hộp số theo thời gian, độ bền lâu của hộp số, độ rung ồn v.v.. Đề tài:“Nghiên cứu mài mòn các bánh răng hộp số xe tải nhẹ thiết kế chế tạo tại Việt Nam” góp phần giải quyết các yêu cầu trên đây của thực tiễn.
2 Mục đích nghiên cứu: - Xác định lượng mòn theo khối lượng của các bánh răng hộp số dùng cho xe tải nhẹ, làm cơ sở cho việc xác định độ bền lâu và chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa hộp số ô tô chế tạo trong nước. - Xác định hệ số mòn k thực nghiệm để lựa chọn thông số đầu vào và hoàn thiện mô hình lý thuyết khi tính toán lượng mòn theo khối lượng của các bánh răng hộp số ô tô xe tải nhẹ thiết kế chế tạo tại Việt Nam. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu mài mòn các bánh răng hộp số xe tải ba tấn chế tạo tại Việt Nam, sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp nhà nước, mã số KC.05.32. Phạm vi nghiên cứu là xác định lượng mòn theo khối lượng của các bánh răng hộp số ô tô theo thời gian, tốc độ và phụ tải. Phương pháp nghiên cứu: - Ứng dụng mô hình tính toán lượng mòn theo khối lượng của J.F. Archard để thiết lập biểu thức xác định lượng mòn của các cặp bánh răng ăn khớp. - Xác định hệ số mòn k thực nghiệm khi tiến hành thử hộp số trên băng thử để lựa chọn thông số đầu vào và hoàn thiện mô hình lý thuyết tính toán lượng mòn bánh răng hộp số ô tô chế tạo trong nước. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Việc nghiên cứu mài mòn các bánh răng hộp số là một vấn đề mới, phức tạp và có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau. Luận án nghiên cứu ứng dụng mô hình J.F. Archard để thiết lập biểu thức xác định lượng mòn của các bánh răng theo thời gian, tốc độ và phụ tải khi thay đổi các tay số của hộp số trên cơ sở xây dựng và giải các phương trình xác định quãng đường ma sát và lực pháp tuyến trên sườn răng. - Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để đánh giá độ bền lâu của các cặp bánh răng ăn khớp hộp số ô tô chế tạo tại Việt Nam.
3 Bố cục luận án: ♣ Mở đầu ♣ Chương 1: Tổng quan ♣ Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu mài mòn bánh răng hộp số ô tô ♣ Chương 3: Tính toán lượng mòn các bánh răng trong hộp số ôtô ♣ Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ♣ Kết luận và kiến nghị Luận án được hoàn thành tại Bộ môn ô tô và xe chuyên dụng, trường Đại học Bách khoa Hà nội. Phòng thí nghiệm hộp số ô tô do nhóm nghiên cứu sinh xây dựng tại trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long. Sự hợp tác tạo điều kiện về thiết bị xử lý mẫu dầu thí nghiệm của Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam. Trung tâm Phát triển Công nghệ ô tô Việt Nam, nhà máy Ô tô MeKong Cổ Loa hỗ trợ, tạo điều kiện sử dụng hộp số ô tô sản xuất tại Việt Nam, sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp nhà nước, mã số KC.05.32 trong quá trình nghiên cứu.
4 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và chương trình nội địa hoá Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam được hình thành và phát triển từ những năm 1990 với một số liên doanh có vốn đầu tư nước ngoài, năm 2000 Chính phủ cho phép các doanh nghiệp đầu tư trong nước được thành lập doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp dòng xe bus, xe thông dụng để phục vụ ngành kinh tế nước nhà. Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, ngành công nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô Việt Nam đã bổ sung tốt cho nhu cầu vận chuyển hàng hoá và con người đi lại giữa các vùng trong cả nước. Các Quyết định 175/2002/QĐ-TTg CP và 177/2004/QĐ-TTg CP đã đặt nền móng cho sự phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Hơn 40 doanh nghiệp đầu tư sản xuất lắp ráp ô tô trên toàn quốc đến nay đã đạt được những thành tựu đáng kể, hàng năm sản xuất, lắp ráp trên 100.000 xe các loại, tiết kiệm hàng tỉ USD nhập khẩu. Ngành công nghiệp ô tô ngày càng được khẳng định vị trí quan trọng trong nền kinh tế nước nhà, được thể hiện rõ nét thông qua một số lĩnh vực như: Giao thông đường bộ, công nghiệp sản xuất và tiêu thụ ô tô hàng năm. Vai trò của ngành công nghiệp ô tô luôn được khẳng định do đóng vai trò then chốt trong ngành vận tải đường bộ, tỷ trọng vận tải giữa các loại đường: Đường sắt, đường bộ, đường thuỷ, đường hàng không, được thể hiện thông qua bảng 1.1 và 1.2. Qua các bảng 1.1 và 1.2 cho thấy, vai trò giao thông vận tải đường bộ là rất to lớn so với vận tải đường sắt, đường sông, đường biển và đường hàng không, hàng năm vận chuyển hàng triệu tấn hàng hoá và nhiều triệu lượt hành khách. Theo dự báo, trong nhiều năm nữa ở Việt Nam cũng chưa có loại phương tiện giao thông đường bộ nào thay thế được vai trò vận tải bằng ô tô.
5 Bảng 1.1 Khối lượng hành khách vận chuyển phân theo ngành vận tải Đường Đường Tổng số Đường sắt Đường bộ hàng Năm sông không Triệu lượt người 2001 821,8 10,6 677,3 130,0 3,9 2002 878,5 10,8 727,7 135,6 4,4 2003 1076,0 11,6 931,3 128,6 4,5 2004 1202,9 12,9 1041,9 142,6 5,5 2005 1349,6 12,8 1173,4 156,9 6,5 2006 1493,8 11,6 1331,6 143,2 7,4 2007 1638,0 11,6 1473,0 144,5 8,9 2008 1793,5 11,3 1629,0 143,0 10,2 2009 1934,3 11,1 1761,0 151,3 10,9 Sơ bộ 2010 2194,3 11,6 2011,1 157,5 14,1 Nguồn: Niên giám thống kê năm 2010 Bảng 1.2 Khối lượng hàng hoá vận chuyển phân theo ngành vận tải Đường Đường Tổng số Đường sắt Đường bộ sông biển Nghìn tấn 2001 252146,0 6456,7 164013,7 64793,5 16815,3 2002 292869,2 7051,9 192322,0 74931,5 18491,8 2003 347232,7 8385,0 225296,7 86012,7 27448,6 2004 403002,2 8873,6 264761,6 97936,8 31332,0 2005 460146,3 8786,6 298051,3 111145,9 42051,5 2006 513575,1 9153,2 338623,3 122984,4 42693,4 2007 596800,9 9050,0 403361,8 135282,8 48976,7 2008 653235,3 8481,1 455898,4 133027,9 55696,5 2009 715522,4 8247,5 513629,9 137714,5 55790,9 Sơ bộ 2010 802232,9 7980,2 585024,8 144324,8 64717,4 Nguồn: Niên giám thống kê năm 2010
6 Số lượng ô tô được sản xuất, lắp ráp và tiêu thụ hàng năm ở Việt Nam được thể hiện trong bảng 1.3. Bảng1.3 Số liệu tổng hợp ô tô trong toàn quốc qua các năm 2006 2007 2008 2009 2010 4/2011 Tổng số ô tô đang lưu 655753 786678 946601 1137933 1274084 1318856 hành Tổng số ô tô sản xuất lắp 53867 104401 152509 136284 127454 44646 ráp mới Tổng số ô tô nhập khẩu 12619 29605 54758 79859 57359 20975 Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam Quyết định số 186/2002/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ ký ngày 26/12/2002 về phê duyệt Chiến lược phát triển ngành Cơ khí Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn tới 2020 đã chỉ rõ mục tiêu, định hướng cho cơ khí ô tô Việt Nam. Với mục tiêu: Phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trên cơ sở tiếp thu và ứng dụng công nghệ tiên tiến của thế giới, kết hợp với khai thác, từng bước nâng cao công nghệ và thiết bị hiện có, đáp ứng phần lớn nhu cầu thị trường ô tô trong nước, hướng tới xuất khẩu ô tô và phụ tùng. Qua những số liệu đã nghiên cứu cho thấy, giai đoạn 2000-2010 ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã không ngừng phát triển và khẳng định được vị thế của mình trong nền kinh tế nước nhà. Vấn đề nội địa hoá được xác định rõ ràng đối với các sản phẩm cơ khí ô tô, chủ yếu được tập trung vào các loại xe thông dụng, trong đó sản phẩm đứng đầu là hộp số. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hộp số ô tô tải nhẹ tại Việt Nam là vấn đề có ý nghĩa thiết thực trong giai đoạn hiện nay. 1.2 Tổng quan hộp số ô tô tải chế tạo tại Việt Nam 1.2.1 Một số vấn đề chế tạo hộp số ô tô tại Việt Nam Năm 2006 trong chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước đã nghiên
7 cứu, thiết kế và chế tạo hoàn thiện hộp số cơ khí sử dụng cho xe tải nhẹ, có tải trọng 3 tấn. Kết quả nghiên cứu này đã làm cơ sở cho việc chế tạo nội địa hoá các chi tiết ô tô theo Chiến lược nội địa hoá của Chính phủ. Một số vấn đề cơ bản của chương trình nghiên cứu như sau: * Mục tiêu: Thiết kế, lập quy trình công nghệ chế tạo hộp số ô tô tải ba tấn, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương với chỉ tiêu của một số nước trong khu vực. * Thực hiện: Từng bước chế tạo linh kiện phấn đấu đạt 40% tỷ lệ nội địa hoá hộp số, trong đó có các bánh răng và vỏ hộp số đã được nghiên cứu chế tạo trong nước. Công nghệ chế tạo hộp số được triển khai gồm 12 quy trình, trong đó có thử động lực học hộp số và thử bền. Tiêu chuẩn chất lượng hộp số được xác nhận từ nhà sản xuất, cơ quan Đăng kiểm Việt Nam công nhận về xuất xứ sản phẩm lắp ráp trong nước đủ điều kiện và tiêu chuẩn lắp lên xe. * Vấn đề về công nghệ: Hoàn thiện thiết kế có khả năng áp dụng CAD/CAM trong gia công trên máy CNC; Công nghệ tạo phôi bánh răng, trục; Công nghệ đúc vỏ mỏng; Công nghệ gia công trên máy CNC và nhiệt luyện; Công nghệ lắp ráp trên dây chuyền chuyên dụng có thể lắp ráp theo loạt lớn; Công nghệ kiểm tra các chỉ tiêu hộp số. * Các bước công nghệ chế tạo chi tiết: 1. Quy trình công nghệ chế tạo: Trên cơ sở thiết kế, quy trình công nghệ của hộp số xe tải nhẹ được chính xác hoá, hoàn thiện nhờ sử dụng những phần mềm hiện đại, với những thông số xác thực để sản xuất và chế tạo trên các máy chuyên dùng, tính toán tối ưu hoàn thiện thiết kế. 2. Về vật liệu: Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về độ bền, nhiệt luyện, điều kiện gia công và phù hợp với khả năng cung cấp của thị trường trong nước, giá thành hợp lý. 3. Tạo phôi: Hoàn thiện rèn phôi bánh răng và đúc vỏ hộp số. 4. Kiểm tra phôi: Trước khi đưa đi cắt răng tạo hình trên máy CNC các phôi được kiểm tra về mác thép, thành phần vật liệu, chất lượng phôi.
8 5. Gia công bánh răng: Ứng dụng công nghệ CAD/CAM để chế tạo gia công các bánh răng. 6. Cà răng: Để đạt được cấp chính xác yêu cầu nhằm giảm độ ồn, tăng hiệu suất của bộ truyền, sử dụng bước công nghệ cà răng sau khi gia công cắt răng, trước khi nhiệt luyện. 7. Nhiệt luyện: Sử dụng hệ thống thiết bị nhiệt luyện điều khiển tự động, ứng dụng phương pháp chống biến dạng với công nghệ mới. 8. Sửa kiểm tra bánh răng và cặp bánh răng: Việc sửa kiểm tra các bánh răng sau nhiệt luyện được thực hiện đối với từng bánh răng và cặp răng trên các dụng cụ chuyên dùng. 9. Thử tĩnh: Thực hiện trên máy thử tĩnh chuyên dùng, kiểm tra những cặp bánh răng đạt tiêu chuẩn sẽ được đưa vào lắp ráp và thực hiện các công đoạn tiếp theo. 10. Lắp ráp hộp số: Công nghệ lắp ráp hộp số sẽ được thực hiện trên băng chuyền đồng bộ, chuyên dùng. 11. Thử nghiệm động: Đây là các thông số đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của hộp số, quy trình công nghệ thử nghiệm được xây dựng để xác định các thông số hiệu suất, ồn rung. 12. Thử nghiệm bền: Đây là các thông số đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế trong chế tạo hộp số. Thử nghiệm bền phá huỷ trên từng chi tiết và kiểm tra theo tỷ lệ, đánh giá theo phương pháp thống kê đối với loạt sản phẩm. Thử nghiệm bền lâu được thực hiện trên thiết bị riêng có sự ảnh hưởng của chế độ tải, được sử dụng lý thuyết ma sát học, bôi trơn và lý thuyết về chẩn đoán để nghiên cứu. Tại các dây chuyền chế tạo hộp số của những nhà máy lớn ở nước ngoài, bước công nghệ thử nghiệm bền lâu là một bước công nghệ quan trọng của quy trình sản xuất, đối với mỗi loạt sản phẩm hộp số sẽ được lấy xác suất theo tỷ lệ của loạt quy định, không tháo ra mà được đặt lên bệ thử cho chạy theo chỉ số độ bền lâu tính toán và xác định bằng thực nghiệm độ mòn, đưa ra kết quả chẩn đoán đánh giá chất lượng của sản phẩm trong quá trình sản xuất.
9 Hộp số xe tải nhẹ sản xuất tại Việt Nam được đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước KC.05.32 thực hiện: Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ cơ khí chế tạo máy. Nghiên cứu sinh đã thực hiện chuyên đề: “Nghiên cứu mài mòn của các bánh răng để đánh giá chỉ tiêu chất lượng của hộp số”. 1.2.2 Tổng quan hộp số xe tải nhẹ chế tạo tại Việt Nam Hộp số ô tô tải nhẹ, tải trọng 3 tấn được thiết kế chế tạo tại Việt Nam, có 5 số tiến và một số lùi, phía trước có lắp hộp cấp số liền với hộp số, hộp cấp số gồm hai cấp: Cấp nhanh và cấp chậm. Tỉ số truyền hộp số ở các tay số như sau: Cấp chậm: i1=11.4; i2= 6.72; i3= 3.82; i4 = 2.40; i5 = 1.56; iL = 11.94. Cấp nhanh: i1= 7.31; i2= 4.31; i3= 2.45; i4= 1.58; i5= 1.00; iL= 7.66. Trong hộp số sử dụng 9 cặp bánh răng nghiêng, dạng răng thân khai, luôn luôn ăn khớp khi hộp số hoạt động, 7 ổ bi cầu được lắp ở các đầu trục để đỡ các trục và các ổ bi kim được lắp trong các bánh răng quay lồng không trên trục, hộp số chính có sử dụng hai bộ đồng tốc, một ống gài tốc độ và hộp cấp số có một ống gài chuyển số cấp nhanh chậm. Kết cấu bên trong hộp số xe tải 3 tấn chế tạo tại Việt Nam, hình 1.1. Hình 1.1 Kết cấu bên trong hộp số xe tải 3 tấn chế tạo tại Việt Nam
10 Quá trình tính toán thiết kế, chế tạo các chi tiết của hộp số xe tải 3 tấn trong nước theo mẫu hộp số xe ô tô Zil-5301 của hãng AMO Zil Cộng hoà Liên Bang Nga, với các yêu cầu kỹ thuật cụ thể về vật liệu chế tạo, điều kiện nhiệt luyện và giới hạn mòn cho phép trong sử dụng. Vì vật liệu chế tạo các bánh răng của Nga là thép hợp kim 25XΓT, nhiệt luyện thấm Ni tơ với chiều sâu 0.5 – 0.8 mm, bề mặt sườn răng có độ cứng 61 – 66 HRC, độ cứng phần lõi 37 – 46 HRC. Chi tiết trục được chế tạo bằng thép 25XΓM, thấm Ni tơ với chiều sâu 0.8 – 1.1 mm, bề mặt sườn răng có độ cứng 58 – 61 HRC, độ cứng phần lõi 35 – 45 HRC. Các điều kiện kỹ thuật này hiện tại ở Việt Nam chưa thể đáp ứng được: (1) Về tính kinh tế thì loại vật liệu trên không phổ biến trên thị trường mà phải dùng mác SCr420H của Nhật Bản (tương đương với mác thép 18XΓT) có chỉ tiêu độ bền thấp hơn; (2) Theo điều kiện công nghệ thực tế thì các thiết bị trong nước không thể nhiệt luyện đạt các yêu cầu của chính hãng được. Vì vậy, ta cần phải tính toán xác định thời gian làm việc của các bánh răng, sao cho phù hợp với điều kiện cung cấp vật liệu và điều kiện sử dụng hộp số. Thành phần vật liệu chế tạo các cụm, chi tiết: bánh răng, ống gài số, càng gạt, trục, ổ bi của hộp số xe tải 3 tấn chế tạo trong nước, bảng 1.4. Bảng1.4 Thành phần vật liệu chế tạo các chi tiết của hộp số trong nước Tên chi Vật Mn TT Fe % Cu % Cr % Si % S% C% Ni % tiết liệu % 1 Bánh răng 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 Trục sơ 2 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 cấp Trục 3 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 trung gian Trục thứ 4 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 cấp Ống gài 5 45 97.09 0.076 1.203 0.905 0.186 0.032 0.154 0.056 số Moay ơ 6 45 97.09 0.076 1.203 0.905 0.186 0.032 0.154 0.056 ống gài số Càng gạt 7 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 số 8 Trục trượt 45 97.09 0.076 1.203 0.905 0.186 0.032 0.154 0.056
11 gài số GX 15- 9 Vỏ hộp số 94.02 --- --- 1,3 1,2 0,15 3,2 --- 32 Đĩa đồng 10 45 97.09 0.076 1.203 0.905 0.186 0.032 0.154 0.056 tốc Chốt đồng 11 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 tốc Hợp Vành 12 kim 68% Cu, 30.8%Zn và 1.2% Pb đồng tốc đồng Ống gài 13 18XΓT 97.25 0.158 1.152 0.856 0.199 0.013 0.204 0.055 đồng tốc 97.32 - 1.45- 0.25- 0.15- --- - 0.98- 14 Các ổ bi IIIX15 --- --- 96.52 1.60 0.45 0.35 0.025 1.10 Hộp số Zil-5301 của hãng AMO Zil do Nga chế tạo đã sử dụng vật liệu chế tạo các cụm chi tiết: bánh răng, ống gài số, càng gạt, trục, đồng tốc, ổ bi, vỏ hộp số, bảng 1.5. Bảng1.5 Vật liệu chế tạo các chi tiết hộp số Zil-5301 của Nga [55] TT Tên chi tiết Vật liệu 1 Bánh răng 25XΓM và 25XΓT 2 Trục sơ cấp 25XΓM 3 Trục trung gian 25XΓM 4 Trục thứ cấp 25XΓM 5 Ống gài số 25XΓT 6 Moay ơ ống gài số 25XΓT 7 Càng gạt số 25XΓT 8 Trục trượt gài số 25XΓT 9 Vỏ hộp số CЧ 18-36 10 Đĩa đồng tốc 25XΓT 11 Chốt đồng tốc 25XΓT 12 Vành đồng tốc Các vành đồng tốc được làm bằng đồng thau 13 Ống gài đồng tốc 25XΓT 14 Các ổ bi IIIX15
12 Đối với các bánh răng hộp số chế tạo trong nước, quá trình tính toán sức bền truyền động bánh răng trụ thân khai của hộp khi thiết kế chế tạo theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4364 – 36. Việc đánh giá chỉ tiêu thời gian làm việc ổn định (tuổi thọ) của các chi tiết trong hộp số, ta có thể xác định thông qua thực tế sử dụng hoặc bằng thực nghiệm. Hộp số chế tạo trong nước sử dụng dầu bôi trơn của hệ thống truyền lực xe ô tô, loại dầu SAE với nhãn hiệu Gear oil SAE90, lượng dầu bôi trơn đầy đủ theo mức quy định để hộp số khi làm việc là 7 lít. 1.3 Đặc trưng hư hỏng các chi tiết của hộp số xe tải nhẹ Đối với hộp số ô tô tải nhẹ, đặc trưng hư hỏng các chi tiết được xác định thông qua quá trình làm việc của các cơ cấu và bộ phận: Nạng gài số: Nạng gài số rất mỏng phải chịu lực đẩy khi gài số, do vậy dễ bị mòn và cong vênh khi ra vào số. Cơ cấu định vị, khóa hãm: Sau thời gian dài sử dụng, các cơ cấu định vị khóa hãm bị mòn, lò xo tỳ giảm tính đàn hồi, làm sai lệch vị trí lắp ráp có thể dẫn tới hiện tượng tự nhảy số. Bộ đồng tốc: Chi tiết quan trọng và hay hư hỏng trong đồng tốc là vành ma sát, các chốt khóa và bề mặt khóa. Vành ma sát có nhiệm vụ truyền năng lượng quán tính của ô tô qua phần bị gài sang phần gài hay ngược lại, năng lượng truyền lớn lại hay làm việc, do vậy dễ bị mòn. Các chốt khóa và bề mặt khóa tạo nên cơ cấu tự động khóa và mở khóa, luôn phải làm việc trong điều kiện tải trọng lớn và có khả năng di trượt, do vậy hay bị mòn hỏng. Trục của hộp số: Đối với các trục của hộp số hư hỏng thường gặp là mòn cổ trục chỗ lắp ống lót, làm tăng khe hở lắp ghép, phát sinh tiếng va đập khi hoạt động. Trong hộp số ô tô các bánh răng thông thường được ghép trên trục qua mối ghép then, then hoa. Các mối ghép then hoa trong quá trình sử dụng, khe hở này cũng lớn dần lên do mòn theo thời gian nhưng với tốc độ rất chậm.
13 Ổ lăn: Trong quá trình sử dụng thường xảy ra hao mòn làm gia tăng khe hở trong ổ. Khe hở hướng tâm của ổ lăn cho phép (0,006÷0,02)mm tùy theo đường kính trục. Khe hở chiều trục cho phép (0,07÷0,12)mm đối với ổ đỡ, (0,012÷0,03)mm đối với các ổ lăn côn và (0,04÷0,1)mm đối với ổ chặn. Bộ truyền bánh răng: Các bộ truyền bánh răng làm việc trong điều kiện tải trọng tương đối lớn, không ổn định, sau một thời gian làm việc do hao mòn bề mặt sườn răng, khe hở bên lớn lên tiếng ồn tăng và xuất hiện các tiếng gõ. Ngoài ra, mặt đầu răng bị sứt, mẻ, sườn răng bị tróc rỗ do lực va đập hoặc chế độ tải quá lớn. Khe hở bên cho phép của các bề mặt răng ăn khớp nằm trong giới hạn (0,1÷ 0,4)mm tùy thuộc vào mô đun răng từ (2÷8)mm và độ dịch chuyển đường tâm trục nhỏ hơn 0,03 mô đun bánh răng. Vỏ hộp số: Có một số dạng hỏng như: mòn lỗ lắp ổ bi do gia công chế tạo lỗ chưa đúng tiêu chuẩn; bị rạn nứt, thủng trên vỏ hộp số do quá tải hoặc do bị va đập. a) b) c) Hình 1.2 Dạng hư hỏng của bánh răng hộp số ô tô a- Sứt mẻ răng; b- Mòn sườn răng; c- Vết rỗ trên sườn răng. Nguyên nhân chủ yếu gây nên các dạng hư hỏng chi tiết trong hộp số ô tô tải nhẹ, được chia ra làm 3 nhóm chính: • Hư hỏng do hao mòn: mòn đều, mòn không đều sinh ra ô van và độ côn, các vết xước nhỏ và các vết xây xát. Dạng hư hỏng này có liên quan với ma sát. • Hư hỏng do tác động cơ học: nứt, thủng, xước thành rãnh, tróc, gẫy. Biến dạng lớn do tác động cơ học gây nên cong, vênh, xoắn. • Hư hỏng do tác động hoá nhiệt: ăn mòn, bị rỗ, bị biến dạng do nhiệt.
14 Một số dạng hỏng chi tiết hộp số ô tô và nguyên nhân, bảng 1.6. Bảng 1.6 Dạng hỏng của các chi tiết hộp số ô tô Dạng hỏng Nguyên nhân Trục lắp càng gạt số bị cong Tác động cơ học Trục lắp càng gạt số bị mòn lỏng Hao mòn Cơ cấu định vị số bị mòn kẹt Hao mòn Cơ cấu khoá hãm bị mòn kẹt Hao mòn Càng gạt số bị mòn Hao mòn Càng gạt số bị cong, gãy Tác động cơ học Càng gạt số bị mòn lỏng Hao mòn Bộ đồng tốc bị kẹt trên trục Hao mòn Khoá bộ đồng tốc mòn hỏng Hao mòn Mòn vẹt bề mặt ma sát của đồng tốc Hao mòn Răng của bánh răng bị sứt mẻ, hình 1.2a Tác động cơ học Bề mặt sườn răng bị mòn, hình 1.2b Hao mòn Bề mặt sườn răng bị tróc rỗ, hình 1.2c Do hoá nhiệt Bánh răng bị gẫy răng Tác động cơ học Bánh răng bị rơ lỏng trên trục Hao mòn Bánh răng di trượt bị kẹt trên trục Hao mòn Mòn lệch một số bánh răng truyền lực Hao mòn Mòn lỏng các vòng bi Hao mòn Mòn lỏng các bạc lót Hao mòn Trục lắp các bánh răng bị mòn Hao mòn Trục lắp các bánh răng bị cong Tác động cơ học Mòn lỏng, lệch then hoa bộ đồng tốc Hao mòn Phớt chắn dầu bị mòn, lỏng Hao mòn Vít xả dầu mòn hỏng ren Hao mòn Vỏ hộp số bị nứt, thủng Tác động cơ học Mòn lỗ lắp ổ bi trên vỏ hộp số Hao mòn
15 Thống kê nguyên nhân của các dạng hỏng ở bảng 1.6 cho thấy, có ba nguyên nhân chính dẫn đến dạng hỏng các chi tiết của hộp số. Trong đó, các nguyên nhân do tác động cơ học và nhiệt dẫn đến chi tiết của hộp số bị cong, kẹt, rạn, nứt, gẫy chiếm 26,92%, nguyên nhân do hao mòn các chi tiết trong hộp số dẫn đến hỏng hộp số chiếm tỷ lệ cao 73,08%. Như vậy, hộp số ô tô tải nhẹ hư hỏng chủ yếu là do các chi tiết bên trong hộp số bị hao mòn gây nên. Đối với hộp số xe tải nhẹ được nghiên cứu thì chỉ có các bánh răng và vỏ hộp số được thiết kế chế tạo trong nước. Khi nghiên cứu về dạng hỏng của bánh răng trong hộp số xe tải nhẹ nói chung cho thấy: mòn bề mặt răng của các bánh răng được coi là một trong bốn dạng hư hỏng chủ yếu ở các bánh răng hộp số, ba dạng còn lại là hỏng vì mỏi do uốn, hỏng vì mỏi do tiếp xúc và hỏng vì sự cào xước bề mặt tiếp xúc. Tác động của độ mòn làm ảnh hưởng đến tuổi thọ làm việc của bánh răng, ngoài tổn thất vật liệu trực tiếp làm giảm độ bền còn ảnh hưởng đến chức năng truyền lực, đồng thời làm thay đổi đáng kể về các đặc điểm rung động và tiếng ồn. Mòn bề mặt răng cũng có thể ảnh hưởng vết tiếp xúc khi ăn khớp, có thể thay đổi sự phân bố các ứng suất và tải trọng, làm tăng nhanh sự xuất hiện các dạng hư hỏng khác. Mòn răng là dạng hỏng chủ yếu của hộp số trong điều kiện bôi trơn có lẫn các hạt mòn (hạt kim loại bị mòn, hạt bụi lẫn trong dầu bôi trơn). Mòn làm cho dạng răng bị thay đổi, tải trọng tăng lên, tiết diện của răng giảm xuống và cuối cùng răng bị gẫy. Hiện nay chưa có phương pháp tính bánh răng về mòn, vì cường độ mòn phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên rất khó xác định [8]. Tóm lại: Qua nghiên cứu các dạng hư hỏng hộp số và đặc trưng hư hỏng do hao mòn các chi tiết trong hộp số ô tô theo thời gian, cho thấy: Hộp số bị hư hỏng nguyên nhân chủ yếu là các chi tiết bên trong hộp số bị mài mòn do ma sát gây nên. Khi sự mài mòn xảy ra nhiều thì tiếng ồn hộp số tăng lên, rung động nhiều hơn, việc ra vào số kém chính xác, hiệu suất truyền lực bị giảm. Vì vậy, ta có thể nghiên cứu mài mòn các chi tiết bánh răng trong hộp số ô tô (là các chi tiết chế tạo trong nước) để đánh giá chất lượng của hộp số trong quá trình sử dụng.
16 1.4 Những công trình nghiên cứu về mài mòn 1.4.1 Trên thế giới Nghiên cứu về sự tương tác giữa các bề mặt tiếp xúc có sự chuyển động tương đối với nhau, đó là vấn đề vừa lý thuyết, vừa rất thực tiễn của cơ học bề mặt tiếp xúc, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên nhiều phương diện khác nhau. Ứng dụng những thành tựu khoa học đó có thể nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của máy móc trong quá trình sử dụng. J. F. Archard, W. Hirst [28] nghiên cứu mài mòn cặp chi tiết ma sát theo lý thuyết cơ phân tử, kết quả nghiên cứu cho rằng: Quá trình chủ yếu của mòn là sự phá huỷ do mỏi của các lớp bề mặt khi bị biến dạng lặp nhiều lần, đồng thời còn xuất hiện sự dính tại bề mặt tiếp xúc khi cọ xát và di chuyển tương đối của các lớp nhấp nhô của bề mặt. Thể tích mòn được xác định thông qua tải, độ cứng sau khi tìm được hệ số mòn thực nghiệm của chi tiết ma sát. A. Holfeld [21] nghiên cứu về mòn của các chi tiết có các bề mặt tiếp xúc không bằng nhau đã đi đến kết luận rằng: Sự phân bố nhiệt giữa các chi tiết có vai trò quyết định sự mòn, vật bị mòn nhanh hơn là vật quay nhanh hơn nên cần được làm nguội nhiều hơn. Những giả thuyết nêu trên về sự phân bố mòn không đồng đều giữa các chi tiết có bề mặt tiếp xúc khác nhau đều dựa trên các số liệu thí nghiệm, nên không thể giải thích nguyên nhân của sự khác biệt về tốc độ mòn của các chi tiết. Công trình [42] Greenwood J. A, Minshall H, Tabor D nghiên cứu hình dạng, tải và nhiệt độ tại bề mặt cổ trục ảnh hưởng đến tuổi thọ của bạc đỡ. Đã tiến hành thử nghiệm trên bệ thử cho thấy độ không tròn của cổ biên bằng 0,012mm bắt đầu xuất hiện sự tróc bạc lót cứ sau khoảng 25 giờ làm việc, khi giảm độ không tròn xuống tới 0,006mm thì bạc lót bắt đầu xuất hiện tróc ít nhất là 200 giờ. Nếu tăng mạnh áp lực, nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc của cổ chính trục khuỷu sẽ làm giảm mạnh tuổi thọ bạc lót, bạc đỡ. Nhóm Greenwood J. A, Minshall H, Tabor D còn nghiên cứu mài mòn các chi tiết của trục truyền động máy kéo, bằng thực nghiệm đã khẳng định: Khi tăng tải khoảng 10-20% tải sử dụng trung bình, sự rung động do
17 tăng tải cũng làm tăng đáng kể cường độ mòn. Bằng một loạt các quan sát đã xác định sự tăng độ mòn trục, bạc của động cơ điêden làm việc với nhiên liệu có lưu huỳnh khi lớp cách điện các dây dẫn thấp, nguyên nhân là điện trường của các thiết bị điện bên ngoài làm tăng sự rỉ trục và bạc nằm trong vùng điện trường ấy nên lúc đó tốc độ mòn tăng lên. Trong công trình [50], J. A. William cho rằng mòn hạt mài của các chi tiết như nhóm xi lanh, pittông gây ra chủ yếu do các hạt khoáng chất xâm nhập vào động cơ bằng nhiều cách khác nhau. Các hạt bụi đi vào xi lanh cùng với không khí và nhiên liệu, trước hết làm mòn phần trên của xi lanh, vòng găng khí và rãnh vòng găng khí trên pittông. Một phần bụi dạng hạt đi vào xi lanh và sau đó đi vào dầu bôi trơn trong các te, thực tế không gây mòn đối với bạc đỡ trục khuỷu, nhưng dưới tác dụng của hạt bụi phân tán trong không khí đi vào các te động cơ gây nhiễm bẩn dầu bôi trơn sẽ tạo nên điều kiện làm mòn bạc đỡ và cổ trục khuỷu của động cơ. Peter A. Engel [58] tiến hành nghiên cứu tiếp xúc trượt của vật liệu kim loại với nhau, mức tải bình thường, vận tốc trượt trung bình, ở nhiệt độ 200c. Nghiên cứu đã cho thấy lượng mòn của bề mặt tiếp xúc ma sát trên chi tiết tăng tỉ lệ theo thời gian làm việc hoặc quãng đường trượt, hình 1.3. Hình 1.3 Đồ thị mài mòn chi tiết ma sát theo thời gian Quá trình mòn được chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn I: Mòn sơ khai, chủ yếu làm mòn những nhấp nhô do quá trình gia công để lại trên chi tiết, tốc độ mòn trong giai đoạn này rất nhanh. Giai đoạn II: Mòn ổn định, đây là thời gian làm việc chính của chi tiết ma
18 sát, tốc độ mòn trong giai đoạn này giảm chậm lại, theo quy luật tuyến tính. Giai đoạn III: Mòn phá huỷ, đây là thời gian làm thay đổi lớn tình trạng bề mặt ma sát của chi tiết, tốc độ mòn rất lớn, theo quy luật phi tuyến. Jens.A.K, Chaturvedi M.C [51] nghiên cứu về mòn các chi tiết ma sát cho rằng: Tốc độ mòn trên bề mặt tiếp xúc của các chi tiết tăng tỷ lệ với tốc độ chuyển động tương đối của hai bề mặt, sự gia tăng mòn này là do các bề mặt tiếp xúc đó tăng nhiệt độ. Đồng thời cũng cho thấy quá trình mòn tỷ lệ với tải, tuy nhiên tỷ lệ cũng có thể bị phá vỡ với các trường hợp cụ thể: tốc độ mòn giảm xuống khi các hạt mài mòn bị vỡ nhỏ nếu những hạt mài mòn tròn, không có cạnh sắc, nhưng nếu các hạt mài mòn mới không tròn hoặc có cạnh sắc thì tốc độ mòn có thể tăng. William Kelly [40] đã tiến hành nghiên cứu thí nghiệm xe tải nhẹ mới xuất xưởng chế tạo (còn trong giai đoạn chạy rà) và cho xe chạy trên đường với quãng đường 240.000 km, sau mỗi quãng đường nhất định tác giả tháo chi tiết trong hệ thống truyền lực để đo mòn, trong 24.000 km đầu có 4 lần đo, còn lại thời điểm đo mòn được thực hiện với quãng đường chạy xe lớn hơn. Kết quả của thí nghiệm chủ yếu để chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ thống truyền lực ngay ở giai đoạn đầu sử dụng. Tác giả này cũng đã tiến hành nghiên cứu những hộp truyền động (hộp số phụ) và cho rằng: Dù kết cấu, chức năng và chu kỳ làm việc của những hộp truyền động thay đổi một cách đáng kể, nhưng quá trình mòn bình thường của chúng diễn ra theo quy luật tương tự nhau. Ray Dalley, Predict, Cleveland, Ohio [63], nhóm tác giả nghiên cứu về bôi trơn, phân tích mòn, đã thí nghiệm nghiên cứu các hạt mài mòn trong dầu bôi trơn động cơ đã qua sử dụng, bằng một số máy móc thiết bị công nghiệp hiện đại đã phân tích thành phần hạt xuất hiện trong dầu bôi trơn, phân biệt các loại hạt mài mòn từ các cặp chi tiết ma sát: trục, bạc, bánh răng, ổ bi trong động cơ. Sử dụng Ferrograph xác định lượng và kích cỡ hạt mài trong dầu bôi trơn, tác giả này đã phân chia ra hai nhóm hạt mài, loại lớn hơn 5 micromet (Direct Large - DL) và loại nhỏ hơn 5 micromet (Direct Small - DS), tổng của lượng hạt mài xác định bằng DL + DS.