TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
339
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY THỬ SỨC BỀN BÁNH RĂNG
A STUDY ON THE DESIGN OF THE GEAR STRENGTH TESTING MACHINE
Nguyễn Văn Yến
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Sức bền của bánh răng được tính toán bằng các công thức trong giáo trình Chi tiết
máy. Kết quả tính toán cần được kiểm tra lại bằng thực tế, trên máy thử sức bền bánh răng.
Máy thử sức bền bánh răng có thể xác định khả năng tải tĩnh của các bánh răng theo sức bền
uốn, sức bền tiếp xúc. Máy cũng có khả năng xác định sức bền mỏi của các bánh răng, tức là
xác định số chu kỳ phá hỏng tương ứng với từng giá trị ứng suất uốn hoặc ứng suất tiếp xúc
xuất hiện trên răng bánh răng. Máy có thể thay đổi khoảng cách trục để thử sức bền của các
bánh răng có kích thước khác nhau. Máy có khả năng đặt tải theo kiểu hở và đặt tải theo kiểu
khép kín. Khi thử sức bền mỏi, đặt tải theo kiểu khép kín sẽ tiết kiệm được rất nhiều năng
lượng. Máy thử sức bền bánh răng có kết cấu đơn giản, có thể chế tạo tại các cơ sở cơ khí của
Việt Nam.
ABSTRACT
The strength of a gear is calculated by using the formulas given in machine elements
coursebooks. Calculation results should be checked again on the gear strength testing
machines. Our gear strength testing machine is able to determine the static loading capacity of
gears according to bending strength and contact strength. It also has the ability to determine the
fatigue strength of gears, i.e., determine the number of cycles to failure corresponding to each
value of bending stress or contact stress appearing on the gear teeth. It can change the axis
distance to test gears of different sizes. This machine has the capabilities: opened style loading
and closed style loading. When doing an endurance test, a closed style loading will save a lot of
energy. This gear strength testing machine has a simple design and can be manufactured at
conventional mechanical facilities in Vietnam.
1. Đặt vấn đề
Bánh răng được sử dụng trong hầu hết các máy móc, thiết bị cơ khí. Bộ truyền
bánh răng có kích thước nhỏ gọn, khả năng tải cao, tuổi thọ cao và truyền động chính
xác. Ở Việt Nam chưa có nhà máy cơ khí chuyên sản suất bánh răng. Nhưng rất nhiều
cơ sở cơ khí có gia công, chế tạo bánh răng. Ví dụ, Công ty TNHH Cơ khí chế tạo bánh
răng Hà Nội, địa chỉ: số 69 Vũ Trọng Phụng, Hà Nội; Công ty Cơ khí chính xác 11, Bộ
Quốc phòng, địa chỉ: 284 Bà Triệu, Thanh hoá; Công ty TNHH Cơ khí FORMOSA, địa
chỉ: 24C Nguyễn Trung Trực, huyện Bến Lức, tỉnh Long An. Các cơ sở cơ khí thường
nhận gia công bánh răng theo mẫu, hoặc theo bản thiết kế của nơi đặt hàng [5, 6]. Bánh
răng được kiểm tra chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước theo đơn đặt hàng.
Với phương thức sản xuất không chuyên, nên các cơ sở sản xuất không tiến hành thử
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
340
nghiệm sức bền của bánh răng. Tương lai không xa, chúng ta sẽ sản xuất ô tô mang
nhãn hiệu Việt Nam. Hộp số là một trong những bộ phận quan trọng của ô tô. Để có hộp
số đạt chất lượng cao, giá thành thấp, chúng ta phải chế tạo được các bánh răng vừa có
đủ sức bền vừa có tính kinh tế cao. Muốn vậy, các nhà máy chế tạo bánh răng phải thực
hiện thử sức bền bánh răng và cần thiết phải trang bị Máy thử sức bền bánh răng.
Hiện tại, một số đơn vị tiến hành thử sức bền bánh răng trên các máy thử sức
bền vật liệu vạn năng. Chỉ thử được sức bền tĩnh, không thử được sức bền mỏi của răng.
Việc thử được tiến hành theo một trong hai 2 cách sau [1]:
- Cách thứ nhất: Chế tạo 2 mẫu thử có hình dạng và kích thước giống như răng
của bánh răng. Gá đặt các mẫu trên Máy thử sức bền vật liệu, tiến hành thử sức bền uốn
và sức bền tiếp xúc của răng (Hình 1).
- Cách thứ hai: Lấy một (hoặc một số) bánh
răng bất kỳ trong loạt sản xuất để thử. Chế tạo đồ gá
chuyên dùng để gá bánh răng trên Máy thử sức bền vật
liệu. Chế tạo đầu đặt tải có hình dạng giống răng của
bánh răng, có kích thước lớn hơn và bằng vật liệu tốt
hơn. Tiến hành thử sức bền uốn, hoặc sức bền tiếp xúc
của răng bánh răng trên Máy thử sức bền vật liệu vạn
năng (Hình 2).
Từ các số liệu thí nghiệm thu được trong quá
trình thử, ta tính được khả năng tải tĩnh của răng bánh răng. Kết quả thu được có độ
chính xác không cao, vì trạng thái đặt tải của răng
không hoàn toàn giống như trạng thái ăn khớp thực tế
của hai bánh răng.
Trên các Máy thử sức bền mỏi vạn năng chỉ
thử được sức bền mỏi của vật liệu làm bánh răng, chứ
không thử được sức bền mỏi của răng bánh răng. Sức
bền mỏi của vật liệu làm bánh răng và sức bền mỏi
của răng bánh răng có sự khác biệt khá lớn.
Thử sức bền mỏi của răng bánh răng phải
được thực hiện trên máy thử chuyên dùng cho bánh
răng. Khi thử, các bánh răng ăn khớp với nhau đúng như trạng thái làm việc thực của
nó. Chọn tải trọng thử lớn hơn tải trọng làm việc thực của bánh răng, để rút ngắn thời
gian thử.
Hiện nay, ở Việt Nam hầu như không có Máy thử mỏi chuyên dùng cho bánh
răng. Do đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thiết kế một số mẫu máy thử sức bền bánh
răng, nhằm phục vụ cho việc sản xuất bánh răng của Việt Nam đạt hiệu quả cao. Máy thử
sức bền bánh răng do chúng tôi thiết kế có thể thực hiện thử sức bền tĩnh, thử sức bền mỏi
của răng bánh răng. Máy có kết cấu đơn giản, có thể chế tạo tại Việt Nam. Máy sử dụng
kỹ thuật đo và các thiết bị đo hiện đại, để kết quả thực nghiệm có độ chính xác cao.
Hình 1: Gá đặt thử sức bền
uốn tĩnh trên mẫu răng
F
F
Hình 2: Gá đặt thử sức bền tĩnh
của răng trên bánh răng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
341
2. Cơ sở lý thuyết
Sức bền của bánh răng phụ thuộc chủ yếu vào sức bền của răng bánh răng. Nếu
răng bị gẫy, mặt răng bị dập hoặc có các vết tróc rỗ, thì bánh răng coi như đã hỏng,
không sử dụng được nữa. Sức bền của răng bánh răng có hai loại, sức bền uốn (liên
quan đến gẫy răng) và sức bền tiếp xúc (liên quan đến dập, tróc rỗ mặt răng). Sức bền
của răng được đánh giá qua sức bền tĩnh và sức bền mỏi. Sức bền tĩnh của răng liên
quan đến tải trọng quá tải. Khi tải trọng đột ngột tăng cao, răng bị gẫy hoặc bị dập tức
thời, tức là răng không đủ sức bền tĩnh. Sức bền mỏi của răng liên quan đến giá trị ứng
suất và số chu kỳ ứng suất trên răng. Nói một cách khác, sức bền mỏi của răng liên quan
đến tải trọng và tuổi bền của răng (là tổng số giờ làm việc của bánh răng cho đến lúc
hỏng) [3].
Xác định sức bền tĩnh của răng bánh răng là xác định khả năng tải tĩnh của nó.
Tức là xác định giá trị mô men xoắn lớn nhất đặt trên trục mang bánh răng, mà răng của
bánh răng vẫn chưa bị hỏng. Trên mỗi bánh răng có khả năng tải uốn tĩnh và khả năng
tải tiếp xúc tĩnh. Một bánh răng có sức bền tĩnh đều, khi mà khả năng tải uốn tĩnh và
khả năng tải tiếp xúc tĩnh của nó bằng nhau.
Xác định sức bền mỏi của răng bánh răng là xác định khả năng tải mỏi của nó,
khi đã biết trước tuổi bền; hoặc xác định tuổi bền của nó, ứng với một chế độ tải trọng
cho trước. Bánh răng cũng có khả năng tải uốn mỏi và khả năng tải tiếp xúc mỏi.
Bằng lý thuyết, người ta có thể tính được khả năng tải uốn và khả năng tải tiếp
xúc của cặp bánh răng trụ như sau [2, 3]:
[
]
)1.(..456533
... 2
3
1
1+
=uKK
ud
T
HHv
Hdw
tx
β
σψ
(1)
1
11
1...2
].[..
FFFv
Fw
uYKK
mBd
T
β
σ
= (2)
Trong đó:
T1tx là mô men xoắn trên trục dẫn tính theo sức bền tiếp xúc (khả năng tải tiếp
xúc),
dw1 là đường kính vòng lăn của bánh răng dẫn,
ψd là hệ số chiều rộng bánh răng tính theo đường kính, ψd = B/dw1,
u là tỷ số truyền của cặp bánh răng,
[σH] là ứng suất tiếp xúc cho phép của răng bánh răng (nếu tính khả năng tải tĩnh
thì [σH] lấy theo giới hạn bền, nếu tính khả năng tải mỏi thì [σF] lấy theo giới
hạn mỏi),
K
Hv là hệ số tải trọng động tính theo sức bền tiếp xúc,
K
Hβ là hệ số tập trung tải trọng lên một phần của răng, tính theo sức bền tiếp xúc,
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
342
T1u là mô men xoắn trên trục dẫn tính theo sức bền uốn (khả năng tải uốn) của
răng,
B là chiều rộng của bánh răng,
m là mô đun của răng bánh răng,
[σF1] là ứng suất uốn cho phép của răng bánh răng (nếu tính khả năng tải tĩnh thì
[σF] lấy theo giới hạn bền, nếu tính tải mỏi thì [σH] lấy theo giới hạn mỏi),
KFv là hệ số tải trọng động tính theo sức bền uốn,
KFβ là hệ số tập trung tải trọng lên một phần của răng, tính theo sức bền uốn,
YF1 là hệ số dạng răng của răng bánh dẫn.
Bằng thực nghiệm, khả năng tải tĩnh của răng bánh răng được xác định bằng
cách: Gá đặt bánh răng lên máy thử, đặt mô men tải lên bánh răng, tăng dần giá trị mô
men tải, cho đến khi răng bị gẫy, ta xác định được giá trị tải trọng giới hạn theo sức bền
uốn. Khả năng tải uốn của răng bằng tải trọng giới hạn chia cho hệ số an toàn. Tương
tự, khi xác định khả năng tải tiếp xúc, ta tăng dần mô men xoắn, cho đến khi mặt răng bị
dập, ta xác định được tải trọng giới hạn theo sức bền tiếp xúc. Khả năng tải tiếp xúc của
răng bằng tải trọng giới hạn theo sức bền tiếp xúc chia cho hệ số an toàn.
(5Xác định khả năng tải mỏi của răng bằng thực nghiệm được tiến hành như sau:
+ Chế tạo mẫu thử nghiệm: có thể lấy một (hoặc một số) bánh răng bất kỳ trong
loạt sản xuất; hoặc chế tạo mẫu thử riêng (mẫu giống như bánh răng sản xuất, nhưng có
chiều rộng bằng ½, ¼ hoặc 1/8 chiều rộng bánh răng sản xuất),
+ Chọn chế độ thử nghiệm: để rút ngắn thời gian thử nghiệm, ta chọn tải trọng
thử lớn hơn tải trọng làm việc. Tải trọng thử được tính toán từ phương trình đường cong
Mỏi [4]: σmN = hằng. Trong đó σ là giá trị ứng suất phá hỏng răng, N là số chu trình
ứng suất phá hỏng răng, m là số mũ của đường cong mỏi (với ứng suất uốn lấy m = 6,
ứng suất tiếp xúc lấy m = 8). Trong tính toán bánh răng, ứng suất uốn tỷ lệ với mô men
xoắn, ứng suất tiếp xúc tỷ lệ với căn bậc hai của mô men xoắn. Do đó, ta có thể viết:
lv
m
ulvth
m
uth tTtT = ; lv
m
txlvth
m
txth tTtT 2/2/ = (3)
Ví dụ, tuổi bền của bộ truyền bánh răng là 10.000 giờ (tlv = 103 h), mô men xoắn
làm việc là 45.000 Nmm (Tlv = 45.103 Nmm), dự tính thời gian thử là 100 giờ, ta tính
được mô men xoắn thử theo sức bền uốn và theo sức bền tiếp xúc như sau:
3
6
610.45.100./ == lvthlvuth TttT = 96,95.103 (Nmm) (4)
3
4
410.45.100./ == lvthlvtxth TttT = 142,3.103 (Nmm) (5)
Nếu lấy chiều rộng mẫu thử bằng 1/8 chiều rộng bánh răng, thì tải trọng thử theo
sức bền uốn là Tuth = 12,12.103 Nmm; tải trọng thử theo tiếp xúc là Tutx = 17,8.103
Nmm.
+ Tiến hành thử và ghi số liệu thí nghiệm: Gá mẫu thử lên Máy thử sức bền mỏi
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
343
bánh răng, đặt tải trọng thử (giá trị mô men xoắn dùng để thử đã được tính toán). Cho
máy hoạt động, đếm số vòng quay của bánh răng (xác định thời gian thử) cho đến khi
răng bị hỏng.
+ Xử lý số liệu thí nghiệm: Nếu thời gian thử thực tế nhỏ hơn thời gian thử dự
định (tth), bánh răng không đủ sức bền mỏi; nếu thời gian thử thực tế bằng hoặc lớn hơn
chút ít (không vượt quá 20%) so với thời gian thử dự định, bánh răng đủ sức bền mỏi và
có tính kinh tế cao; nếu thời gian thử thực tế lớn hơn nhiều so với thời gian thử dự định,
bánh răng quá dư bền (có thể giảm kích thước của bánh răng để giảm giá thành). Hoặc
từ số liệu thí nghiệm, ta có thể tính được tải trọng làm việc ứng với tuổi bền cho trước
của bánh răng:
uthlvthlv TttT ./
6
= (6)
txthlvthlv TttT ./
4
= (7)
3. Thiết kế máy thử sức bền bánh răng
Máy thử sức bền bánh răng sẽ thực hiện thử sức bền tĩnh và sức bền mỏi của
răng bánh răng. Trên Máy thử sức bền, bánh răng được gá đặt đúng như trạng thái làm
việc thực của nó (Hình 3). Với cách gá đặt này,
kết quả thực nghiệm có độ tin cậy rất cao.
Khi thử sức bền tĩnh, ta gá bánh răng lên
máy. Thường chọn hai bánh răng như nhau. Tiến
hành xoắn trục với mô men xoắn Tth (tải trọng
thử), giữ cho bánh răng không quay. Giữ nguyên
tải trọng Tth trong thời gian 10 phút. Nếu răng của
bánh răng không hỏng, kết luận bánh răng đủ sức
bền tĩnh ứng với tải trọng đã cho. Muốn xác định
xem bánh răng có thừa sức bền tĩnh hay không, ta
tăng dần giá trị của Tth cho đến khi răng bị hỏng. So sánh giá trị mô men xoắn Tth thử
với Tth theo tính toán, nếu có chênh lệch lớn, chứng tỏ bánh răng quá dư sức bền tĩnh.
Khi thử sức bền mỏi, ta gá bánh răng lên Máy và đặt tải trọng thử Tth (đã tính
toán trước) lên bánh răng. Cho bánh răng quay với số vòng quay tính toán (khoảng
1.400÷1.500 v/ph). Đếm số vòng quay của trục, để quy ra thời gian thử của cặp bánh
răng. Khi đạt đủ số thời gian thử theo tính toán, ta dừng Máy, kiểm tra răng bánh răng.
Nếu răng của bánh răng chưa bị hỏng, kết luận bánh răng đủ sức bền mỏi ứng với tải
trọng và thời gian đã cho trước. Muốn biết bánh răng có thừa bền hay không, chúng ta
tiếp tục cho Máy hoạt động, cho đến khi răng bị hỏng. So sánh thời gian thử thực với
thời gian thử theo tính toán, nếu có chênh lệch nhiều, chứng tỏ bánh răng quá dư sức
bền mỏi.
Máy thử sức bền bánh răng được thiết kế theo hai kiểu: Kiểu đặt tải hở và kiểu
đặt tải khép kín (Hai cặp bánh răng tạo thành vòng kín, gia tải bằng cách xoắn trục, sau
Hình 3: Gá đặt bánh răng trên Máy
thử sức bền bánh răng
T
th
T
th