Dung sai bánh răng: Định nghĩa, Tiêu chuẩn và Ứng dụng thực tế

1. Hiểu biết về Tiêu chuẩn dung sai bánh răng​
Sản xuất toàn cầu dựa vào các hệ thống dung sai tiêu chuẩn để đảm bảo tính nhất quán và khả năng tương thích. Các tiêu chuẩn được áp dụng rộng rãi nhất bao gồm ISO 1328, một Tiêu chuẩn Quốc tế do Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) xây dựng, quy định các dung sai bánh răng trụ. Tại Bắc Mỹ, tiêu chuẩn AGMA 2000/2015 của Hiệp hội Các nhà sản xuất Bánh răng Hoa Kỳ (AGMA) được sử dụng rộng rãi cho bánh răng công nghiệp và ô tô. Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc GB/T 10095 tương đương với ISO 1328, trong khi tiêu chuẩn Đức DIN 3962 tập trung cụ thể vào dung sai profin và bước răng. Mặc dù các tiêu chuẩn này có sự khác biệt nhẹ về phân loại cấp độ và phương pháp đo lường, chúng đều chia sẻ các chỉ số cốt lõi để đánh giá độ chính xác của bánh răng.
2. Các loại dung sai bánh răng chính
Độ chính xác bánh răng được phân thành các sai lệch riêng lẻ—các lỗi của một bánh răng đơn—và các sai lệch tổng hợp, đo hiệu suất ăn khớp của cặp bánh răng.
2.1 Các sai lệch riêng lẻ
Những dung sai này định lượng các sai sót trong sản xuất của một bánh răng đơn, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ăn khớp mượt mà với các bánh răng khác. Sai lệch bước răng (fpt) đề cập đến sự chênh lệch giữa bước răng thực tế và bước răng lý thuyết; ngay cả những biến động nhỏ ở yếu tố này cũng có thể gây ra rung động, tiếng ồn và làm giảm độ êm ái của hệ thống truyền động. Sai lệch biên dạng răng (fα) mô tả mức độ mà biên dạng răng thực tế lệch khỏi đường cong thân khai lý tưởng, sự sai lệch này làm giảm độ bền tiếp xúc và đồng thời làm tăng tiếng ồn cũng như mài mòn. Đối với bánh răng nghiêng, sai lệch đường xoắn (fβ) đóng vai trò quan trọng—nó đo lường sự sai lệch giữa đường xoắn thực tế và đường xoắn lý thuyết, và độ lệch quá mức sẽ tạo ra sự phân bố tải trọng không đều trên bề mặt răng, rút ngắn tuổi thọ sử dụng. Sai lệch hướng răng (Fβ) là lỗi nghiêng của bề mặt răng dọc theo chiều rộng răng, dẫn đến hiện tượng tải trọng tập trung và làm tăng tốc độ mài mòn răng. Cuối cùng, độ đảo tâm hướng kính (Fr) là sự chênh lệch giữa khoảng cách hướng kính lớn nhất và nhỏ nhất từ trục bánh răng đến đầu dò đặt trong rãnh răng, đại diện cho độ lệch tâm làm giảm tính ổn định khi ăn khớp.
2.2 Độ lệch tổng hợp
Các dung sai tổng hợp đánh giá mức độ ăn khớp của cặp bánh răng, một yếu tố then chốt đối với chất lượng truyền động tổng thể. Độ lệch tổng hợp hướng tâm (Fi'') là mức biến thiên tối đa của khoảng cách trục trong một vòng quay đầy đủ của bánh răng, đóng vai trò là chỉ số tổng quát về độ chính xác của cặp bánh răng. Độ lệch tổng hợp tiếp tuyến (Fi') đo lường sai số truyền động trong quá trình ăn khớp, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác truyền động cũng như mức độ ồn. Khe hở hướng tâm (jn) - khoảng trống giữa các mặt răng không làm việc của cặp bánh răng ăn khớp - tạo sự cân bằng giữa tính linh hoạt và độ ồn, ngăn ngừa hiện tượng kẹt khi vận hành ở tốc độ cao.
3. Cấp chính xác bánh răng và lựa chọn
3.1 Phân loại cấp (theo ISO 1328)
ISO 1328 phân loại độ chính xác bánh răng thành 13 cấp, dao động từ 0 (độ chính xác cao nhất) đến 12 (thấp nhất). Trên thực tế, các cấp này được phân nhóm theo ứng dụng. Các cấp độ siêu chính xác (0–4) được sử dụng cho các thiết bị chính xác, bộ truyền động hàng không vũ trụ và tua-bin tốc độ cao, hỗ trợ tốc độ chu vi tối đa trên 35 m/s đối với bánh răng thẳng và 70 m/s đối với bánh răng nghiêng. Các cấp độ chính xác cao (5–7) phù hợp với hộp số ô tô, trục chính máy công cụ và bánh răng hàng không, với tốc độ dao động từ 10–20 m/s đối với bánh răng thẳng và 15–40 m/s đối với bánh răng nghiêng. Các cấp độ chính xác trung bình (8–9) thường thấy trong các hộp giảm tốc công nghiệp nói chung, hộp số máy kéo và bơm, hoạt động ở tốc độ 2–6 m/s đối với bánh răng thẳng và 4–10 m/s đối với bánh răng nghiêng. Các cấp độ chính xác thấp (10–12) được dành cho các ứng dụng tải thấp như máy móc nông nghiệp và dụng cụ cầm tay, với tốc độ dưới 2 m/s đối với bánh răng thẳng và 4 m/s đối với bánh răng nghiêng.
3.2 Nguyên tắc lựa chọn cấp độ chính xác
Khi lựa chọn cấp độ chính xác, yếu tố đầu tiên cần xem xét là yêu cầu về truyền động: bánh răng tốc độ cao (trên 20 m/s) đòi hỏi cấp độ 5–7, bánh răng tốc độ trung bình (5–20 m/s) phù hợp với cấp độ 6–8, và bánh răng tốc độ thấp (dưới 5 m/s) có thể sử dụng cấp độ 8–10. Một yếu tố quan trọng khác là hiệu quả chi phí: các bánh răng độ chính xác cao (cấp độ 0–5) đòi hỏi các quy trình sản xuất tiên tiến như mài bánh răng và kiểm tra nghiêm ngặt, làm tăng chi phí, vì vậy không nên lựa chọn cấp độ cao hơn mức cần thiết trừ khi thực sự cần thiết. Cuối cùng, việc phối hợp cặp bánh răng có thể tối ưu hóa hiệu suất và chi phí: bánh răng chủ động có thể cao hơn một cấp so với bánh răng bị động (ví dụ: bánh răng chủ động cấp độ 6 kết hợp với bánh răng bị động cấp độ 7).
4. Thiết lập và tối ưu dung sai thực tế
4.1 Tính toán dung sai quan trọng
Khe hở (jn) được kiểm soát bởi dung sai chiều dày răng và được tính bằng công thức: jn = Esns₁ + Esns₂ ± Tsn, trong đó Esns đại diện cho sai lệch trên của chiều dày răng, Esni là sai lệch dưới của chiều dày răng, và Tsn là dung sai chiều dày răng. Đối với bánh răng tốc độ cao, khe hở thường khoảng (0,02–0,05) × m, với m là mô-đun. Đối với bánh răng nghiêng, độ lệch đường xoắn (fβ) nên ≤ 0,1 × b (trong đó b là chiều rộng răng) để đảm bảo phân bố tải trọng đều trên bề mặt răng.
4.2 Ví dụ ghi chú bản vẽ kỹ thuật
Ghi chú dung sai rõ ràng trên bản vẽ kỹ thuật là rất quan trọng để định hướng sản xuất. Một chú thích điển hình cho bánh răng cấp 6 có thể bao gồm: “Độ chính xác bánh răng: ISO 6; Độ lệch bước tổng (Fp): 0,025 mm; Độ lệch biên dạng tổng (Fα): 0,012 mm; Độ lệch đường xoắn tổng (Fβ): 0,015 mm; Sai lệch chiều dày răng: Esns = -0,05 mm, Esni = -0,10 mm.” Mức độ chi tiết này đảm bảo nhà sản xuất hiểu rõ các yêu cầu về độ chính xác.
4.3 Những Thách Thức Thường Gặp và Giải Pháp
Âm thanh quá mức trong hệ thống bánh răng thường bắt nguồn từ độ lệch bước răng lớn hoặc khe hở ngược không đủ. Giải pháp là cải thiện độ chính xác bước răng và điều chỉnh độ dày răng để tăng khe hở ngược một cách hợp lý. Mòn răng không đều thường do độ lệch góc nghiêng vượt quá giới hạn dung sai; hiệu chỉnh các thanh dẫn máy công cụ và điều chỉnh góc lắp dao cắt có thể giải quyết vấn đề này. Kẹt truyền động thường xảy ra khi độ dày răng quá lớn hoặc khe hở ngược quá nhỏ, có thể khắc phục bằng cách tinh chỉnh độ dày răng hoặc thay thế các cặp bánh răng không ăn khớp.​
5. Kết Luận
Thiết kế dung sai bánh răng là một sự cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và khả năng sản xuất. Bằng cách lựa chọn các cấp độ chính xác phù hợp, kiểm soát các sai lệch quan trọng như bước răng, profin và đường xoắn, cũng như tối ưu hóa độ dơ răng (backlash), các kỹ sư có thể đảm bảo bánh răng đáp ứng các yêu cầu ứng dụng trong khi giảm thiểu chi phí sản xuất. Các công nghệ kiểm tra hiện đại như máy đo ba chiều (CMM) và thiết bị phân tích bánh răng tiếp tục hỗ trợ việc xác minh dung sai chính xác, từ đó góp phần tạo ra các hệ thống truyền động cơ khí đáng tin cậy và hiệu quả.
Dù là bánh răng hàng không tốc độ cao hay bánh răng dùng cho máy móc nông nghiệp chịu tải thấp, việc nắm vững các dung sai bánh răng là nền tảng cho thiết kế cơ khí thành công.