Chỉnh Sửa Bánh Răng Và Phân Tích Tiếp Xúc Ăn Khớp: Cốt Lõi Của Truyền Động Chính Xác

1. Tại Sao Bánh Răng Cần Được Hiệu Chỉnh?

• Sai số chế tạo và lắp đặt : Sai lệch kích thước trong quá trình gia công bánh răng hoặc lệch trục khi lắp ráp gây ra sự ăn khớp không đều.
• Biến dạng đàn hồi : Dưới tải trọng, bánh răng và trục bị cong hoặc xoắn, dẫn đến lệch tiếp xúc.
• Va đập động : Trong quá trình ăn khớp và tách khớp, những thay đổi đột ngột về vị trí tiếp xúc tạo ra lực va đập, phá vỡ lớp dầu bôi trơn và thậm chí gây trầy xước bề mặt răng trong điều kiện nhiệt độ cao.

2. Các loại hiệu chỉnh bánh răng

Các Chi Tiết Quan Trọng Của Các Loại Sửa Đổi Thường Dùng

• Sửa biên dạng răng : Tập trung vào hướng chiều rộng răng. Crowning (sửa dạng trống) là phương pháp phổ biến nhất – nó tạo ra hình dạng "trống" nhẹ trên bề mặt răng để bù cho độ cong trục khi chịu tải, đảm bảo tiếp xúc đồng đều. Công thức tính lượng crowning điển hình là: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (trong đó b = chiều rộng răng tính bằng mm; \(m_n\) = mô-đun pháp tuyến tính bằng mm).
• Sửa profin răng : Tối ưu hóa theo hướng chiều cao răng. Bao gồm sửa dài (từ điểm bắt đầu/kết thúc ăn khớp đến điểm chuyển tiếp giữa một và hai răng) và sửa ngắn (bằng một nửa chiều dài của sửa dài). Bánh răng kim loại thường sử dụng sửa ngắn để tăng hiệu suất, trong khi bánh răng nhựa thường áp dụng sửa dài.
• Sửa tổng hợp : Kết hợp sửa theo hướng tiếp tuyến của răng và đường profin. Đối với các trường hợp phức tạp như hộp số cho tua-bin gió, phương pháp này cân bằng phân bố tải trọng, giảm va đập và ổn định động học, mang lại hiệu quả tốt hơn so với sửa đơn.

3. Nguyên tắc thiết kế để sửa răng hiệu quả

1. Nguyên lý bù tải : Lượng điều chỉnh ≈ biến dạng đàn hồi + sai số chế tạo, đảm bảo bề mặt răng khớp khít hoàn hảo dưới tải trọng thực tế.
2. Nguyên lý mượt mà động học : Sai số truyền động đỉnh - đỉnh ≤ 1μm/cấp, giảm thiểu kích thích dao động.
3. Nguyên lý cân bằng tiếp xúc : Tỷ lệ diện tích tiếp xúc ≥ 60%, tránh tập trung ứng suất.

4. Phân tích tiếp xúc ăn khớp: Đánh giá hiệu quả điều chỉnh

Các lý thuyết & phương pháp cốt lõi

• Lý thuyết tiếp xúc Hertz : Tính toán chiều rộng tiếp xúc nửa và phân bố ứng suất giữa các bề mặt răng, tạo cơ sở cho phân tích ứng suất.
• Phương pháp phân tích số :
  • Phương pháp giải tích: Nhanh nhưng mang tính gần đúng, phù hợp cho đánh giá ban đầu.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Độ chính xác cao, lý tưởng cho phân tích ứng suất chi tiết.
  • Phương pháp phần tử biên: Hiệu quả cho tính toán ứng suất tiếp xúc.
  • Động lực học đa vật thể: Đánh giá hiệu năng động học của hệ thống dưới điều kiện vận hành.

Chỉ số đánh giá chính

• Ứng suất tiếp xúc tối đa (σHmax) : Liên quan trực tiếp đến tuổi thọ mỏi của bề mặt răng.
• Hệ số hình dạng vùng tiếp xúc (λ) : Tỷ lệ chiều dài-chiều rộng của diện tích tiếp xúc, phản ánh mức độ đồng đều của tải trọng.
• Sai số truyền động (TE) : Khoảng cách bổ sung cần thiết để ăn khớp do biến dạng/lỗi, là nguồn chính gây ra dao động.

5. Tác động thực tế của việc hiệu chỉnh: Các trường hợp điển hình

• Hộp giảm tốc trong ngành công nghiệp gió (chiều rộng răng 200mm) : Khi tăng lượng crowning (từ 0→30mm), ứng suất tiếp xúc tối đa giảm từ 1250MPa xuống còn 980MPa, và gia tốc dao động giảm từ 15,2m/s² xuống còn 9,5m/s².
• Hộp số ô tô (mô-đun 3,5) : Hiệu chỉnh biên dạng parabol làm giảm va đập 35% và giảm tiếng ồn 3,2dB; hiệu chỉnh đường cong bậc cao đạt mức giảm va đập tới 52%.
• Bánh răng hàng không vũ trụ : Việc cải tiến composite đã giảm độ bất đều ứng suất tiếp xúc từ 58% xuống 22%, sai số truyền động đỉnh-đỉnh từ 2,4μm xuống 1,1μm, và năng lượng dao động ở 2000 vòng/phút tới 68%.

6. Ứng dụng kỹ thuật & Xác minh

• Phương pháp dấu ấn tĩnh : Sử dụng sơn chì đỏ (dày 10-20μm) dưới mô-men xoắn định mức 30% để quan sát các vùng tiếp xúc.
• Hệ thống thử nghiệm động : Cảm biến dịch chuyển sợi quang (độ phân giải 0,1μm) và nhiệt kế hồng ngoại tốc độ cao (lấy mẫu 1kHz) theo dõi việc ăn khớp trong thời gian thực.

• Bộ giảm tốc xe điện : Biến tính biên dạng bất đối xứng (+5μm ở phía chịu tải) và vát mép răng 30°×0,2mm đã làm giảm tiếng ồn 7,5dB(A) và cải thiện hiệu suất 0,8%.
• Hộp số dùng trong ngành hàng hải : Độ cong lớn (40μm) và hiệu chỉnh góc nghiêng bù (β'=β+0,03°) cải thiện độ đồng đều của ứng suất tiếp xúc xuống <15% và kéo dài tuổi thọ gấp 2,3 lần.

Kết Luận

• Lượng crowning tối ưu thường bằng 1,2-1,5 lần độ biến dạng đàn hồi.
• Hiệu chỉnh tổng hợp tốt hơn hiệu chỉnh đơn lẻ từ 30-50%.
• Việc hiệu chỉnh phải dựa trên phổ tải trọng thực tế và được xác minh bằng các thử nghiệm vùng tiếp xúc.