Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước

-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Bánh răng côn răng cong Hypoid là loại chi tiết máy có hình dạng hình học
phức tạp, tính toán thiết kế nhiều thông số, và được gia công trên các máy chuyên
dùng có độ chính xác cao. Vì có nhiều ưu điểm trong truyền động như: khả năng
truyền tải lớn, độ bền và tuổi thọ cao, làm việc êm, có khả năng giảm được kích
thước tổng thể của bộ truyền. Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng côn
răng cong luôn là vấn đề mới đối với các nhà khoa học và các nhà sản xuất.
Hiện nay việc lựa chọn vật liệu và công nghệ gia công cặp Hypoid có thể thực
hiện tại Việt Nam. Tuy nhiên, chất lượng bộ truyền của các bánh răng chế tạo trong
nước vẫn rất còn nhiều vấn đề về độ chính xác gia công, độ bền lâu và hiệu suất. Một
trong những nguyên nhân chính của hạn chế đó là chưa có công nghệ nhiệt luyện tốt
cho cặp bánh răng Hypoid trong cụm cầu chủ động của xe ô tô tải chế tạo trong nước.
Hiệu suất của cụm cầu chủ động là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng
của cụm cầu cũng như chất lượng của hệ thống truyền lực. Hiện trong nước chưa có
công trình nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng truyền
lực chính tới hiệu suất cầu sau xe ô tô tải. Việc nghiên cứu chuyên sâu có lý luận
khoa học và thực nghiệm là việc làm cần thiết để từng bước phát triển ứng dụng vào
thực tiễn sản xuất. Vì vậy, “Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ

Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo
trong nước” nhằm mục tiêu nghiên cứu hiệu suất cụm cầu cho cặp truyền lực chính
Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với các thông số công nghệ hợp lý trong điều kiện
sản xuất ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án
- Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới chất lượng bề
mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của báng răng Hypoid
tới hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ với điều kiện thiết bị hiện có tại Việt Nam.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
- Chất lượng bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid chế tạo trong nước;
- Hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải với cặp bánh răng Hypoid được thấm Ni tơ
Plasma với chế độ công nghệ phù hợp.
4. Phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp và phân tích các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên
quan để làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài;
- Ứng dụng phương pháp PTHH và sử dụng phần mềm Ansys mô phỏng phân
tích bề mặt ăn khớp giữa hai răng ăn khớp của cặp bánh răng Hypoid với các hệ số
ma sát chọn theo công thức thực nghiệm. Qua đó, đã phân tích được ảnh hưởng của
chất lượng của bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid tới hiệu suất cầu sau ô tô;
- Tiến hành thực nghiệm, thiết lập các phương trình hồi quy, sử dụng phần


-2-

mềm tính toán để xây dựng mối quan hệ giữa thông số công nghệ thấm với thông số
chất lượng bề mặt làm việc, giải tìm ra được chế độ thấm phù hợp cho cặp bánh răng
Hypoid;
- Ứng dụng công nghệ đo quang số 3D để đánh giá sai lệch do biến dạng nhiệt
bề mặt chi tiết và sai lệch kích thước sau khi thấm Ni tơ Plasma;
- Xây dựng bộ thông số thí nghiệm trên bệ thử;
- Chế tạo các cặp bánh răng Hypoid, sau khi tôi thể tích, tiến hành thấm Ni tơ
Plasma theo thông số đã xác định để thí nghiệm kiểm chứng hiệu suất cầu sau ô tô tải
nhẹ.
5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới độ cứng tế vi, sai
lệch do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid làm bằng
thép hợp kim 18ХГT;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của các cặp bánh răng
Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước với điều kiện chuyển

động thẳng, ổn định trên đường bằng phẳng.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
- Bằng phương pháp thiết kế hiện đại, bộ thiết kế cụm cầu sau ô tô tải nhẹ có độ
tin cậy cao để gia công chính xác cặp bánh răng Hypoid và các chi tiết trong cụm
cầu, phục vụ trực tiếp cho các nội dung nghiên cứu trong Luận án;
- Xây dựng được mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số công
nghệ thấm Ni tơ đến độ cứng tế vi, sai lệch do biến biến dạng nhiệt và độ nhám bề
mặt làm việc;
- Xác định được chế độ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid để đạt được
hiệu suất truyền động cao ở các chế độ tải và vận tốc đặc trưng theo tiêu chuẩn quốc
tế;
- Xây dựng được bộ thông số thí nghiệm để đo hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ
theo chất lượng bề mặt làm việc.
7. Các điểm mới của luận án
- Tìm ra được công cụ phù hợp là công nghệ đo quét quang số 3D của hãng
GOM để xây dựng bộ thí nghiệm đo kích thước hình học và sai lệch do biến dạng
nhiệt bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid trước và sau khi nhiệt luyện. Công cụ
này có thể áp dụng để kiểm tra sai số gia công các bề mặt cong bất kỳ;
- Chế tạo cặp bánh răng Hypoid đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về dung sai
và độ bóng bề mặt trước khi nhiệt luyện. Xác định được chế độ thấm Ni tơ hợp lý để
không làm biến dạng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, trong khi độ cứng bề
mặt đảm bảo đạt từ 55 ÷60 HRC, rút ngắn qui trình gia công, bớt được nguyên công
mài tinh phụ thuộc vào máy mài sườn răng;
- Thiết kế, chế tạo được bệ thử cầu sau theo nguyên lý dòng công suất hở để
nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới hiệu suất cụm cầu sau xe


-3-

ô tô tải nhẹ theo phương pháp đo mô men đồng thời trên cả 3 trục quay.
8. Bố cục của luận án
Nội dung luận án được chia thành 5 chương, cụ thể gồm:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cụm truyền lực cầu sau ô tô
Chương 2: Công nghệ thấm Ni tơ Plasma và hiệu suất của cầu sau ô tô tải nhẹ
Chương 3: Phân tích vết tiếp xúc mặt răng và ảnh hưởng của hệ số ma sát đến
hiệu suất cầu sau ô tô
Chương 4: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma
đến chất lượng bề mặt bánh răng Hypoid
Chương 5: Thí nghiệm đo hiệu suất cầu sau ô tô
Kết luận chung
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CỤM TRUYỀN LỰC CẦU SAU Ô TÔ
1.1 Cầu sau và cụm truyền lực chính trên ô tô
Cầu sau chủ động trên ô tô tải với cơ cấu truyền lực chính có công dụng phân
phối mô men truyền từ hệ thống truyền lực ra các bánh xe chủ động của ô tô làm cho
ô tô chuyển động phù hợp với từng tay số.

a)Tổng thể truyền lực chính
b) Truyền lực chính Hypoid
Hình 1.1 Cầu sau trên ô tô tải nhẹ
Các bánh răng Hypoid có hình dạng bên ngoài là các bánh răng côn răng cong,
nhưng khác nhau về mặt hình học với độ lệch Hypoid E.
1.2 Đánh giá chất lƣợng cầu sau ô tô
Hiệu suất cầu sau, độ ồn rung, độ bền uốn, độ bền tiếp xúc và độ bền mỏi (bền
lâu) của cầu sau là các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng cầu sau ô tô. Trong đó, hiệu
suất cầu sau là một trong những chỉ tiêu quan trọng.
1.3 Thiết kế, chế tạo bộ truyền lực chính dạng Hypoid
Bánh răng Hypoid là những chi tiết có kết cấu phức tạp, rất khó trong việc thiết
kế tạo hình bề mặt và gia công. Vật liệu chế tạo bánh răng Hypoid thường là thép hợp
kim Crom-Niken hay Crom-Mangan-Titan, như: 20XH, 20XHM, SCr420H, 18XГT,
30XГT...
Nhờ ứng dụng sự phát triển của máy tính (hardware) và các phần mềm thiết kế
mạnh (software), việc tính toán thiết kế bánh răng có nhiều thuận lợi.
Có một số phần mềm chuyên dụng để thiết kế bánh răng Hypoid, tiêu biểu như
Autodesk Inventor, KISSsoft… nhưng hầu hết là các phần mềm bản quyền.


-4-

Bánh răng côn răng cong hệ Gleason có quy trình chế tạo và dụng cụ gia công
và có năng suất gia công cao, khả năng truyền tải lớn, độ ồn thấp hơn so với hệ
Klingelnberg và Oerlikon.

Hình 1.2. Các cặp bánh răng Hypoid trong gia công
Trong đề tài luận án, NCS đã áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược bằng công nghệ
quang số 3D để thiết kế cặp bánh chính Hypoid và các chi tiết trong cụm cầu sau ô tô
tải nhẹ phục vụ cho nghiên cứu. Tác giả cũng đã chế tạo ba cặp bánh răng Hypoid
bằng vật liệu 18XГT trên máy Phay lăn răng hệ Gleason, sử dụng trong các thực
nghiệm và thí nghiệm.
1.4 Nhiệt luyện bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô
Bánh răng Hypoid không những có yêu cầu cao về thiết kế, chất lượng và độ
chính xác gia công cơ khí mà nhiệt luyện cũng có yêu cầu rất cao và khắt khe để đảm
bảo có độ biến dạng thấp, đặc biệt là biến dạng bề mặt làm việc của các răng bánh
răng. Để bảo đảm bề mặt làm việc có độ cứng cao (58-60 HRC), lõi bền và có độ cứng vừa
phải (30-45 HRC), bánh răng Hypoid cần phải được hóa bền bề mặt bằng các phương pháp
hoá nhiệt luyện khác nhau, như: thấm Các bon, thấm Ni tơ, thấm Xianua… Hiện nay, nhờ
sử dụng các thép hợp kim và công nghệ hoá nhiệt luyện, nhiệt luyện hợp lý mà tuổi thọ sử
dụng bánh răng đã được nâng cao.

1.5 Tình hình nghiên cứu cụm cầu sau ô tô ở trong nƣớc và thế giới
Các công trình nghiên cứu về cầu sau ô tô thường tập trung tại các hãng sản
xuất, các nhà máy, xí nghiệp chế tạo. Do vậy việc công bố kết quả của các công trình
nghiên cứu này thường bị hạn chế bởi liên quan đến bí quyết công nghệ, bản quyền
và tính cạnh tranh.
Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về cụm cầu sau ô tô nói chung
và hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nói riêng, nhưng kết quả còn rất hạn chế.
Kết luận chƣơng 1
Đã phân tích tổng quan những vấn đề cơ bản về bộ truyền lực chính, hiệu suất
cầu sau ô tô tải cũng như việc thiết kế, chế tạo và nhiệt luyện cặp bánh răng Hypoid.
Tác giả đã thiết kế và chế tạo các cặp bánh răng Hypoid phục vụ cho thí nghiệm. Đã
phân tích tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô, nhiệt luyện bánh răng Hypoid
và công nghệ thấm Ni tơ Plasma ở trong nước và thế giới. Công nghệ thấm Ni tơ
Plasma có nhiều ưu điểm nổi trội hơn hẳn các phương pháp xử lý bề mặt khác. Hiện
ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp
bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu của
Luận án mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.


-5-

Chƣơng 2 : CÔNG NGHỆ THẤM NI TƠ PLASMA VÀ HIỆU SUẤT
CỦA CẦU SAU Ô TÔ TẢI NHẸ

2.1 Cơ sở lý thuyết thấm Ni tơ Plasma
Thấm Ni tơ Plasma được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn
hợp các khí H2, N2, CH4 và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng Plasma.
Ion Ni tơ được gia tốc trong quá trình Plasma và va chạm với mẫu vật. Quá trình bắn
phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng
giới hạn bền mỏi.
- Thời gian, điện áp, nhiệt độ thấm là những thông số ảnh hưởng tới chất lượng
sản phẩm.
- Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ càng cao, sự
chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh.
- Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất luyện kim của lớp trắng
và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm Ni tơ Plasma.
2.2 Đo kiểm tra bề mặt làm việc bánh răng Hypoid trong cầu sau ô tô
- Kiểm tra độ nhám bề mặt: được đánh giá theo một trong hai thông số Ra và
RZ. Thông số Ra là sai lệch trung bình số học của prôfin gốc.
- Kiểm tra độ cứng: theo độ cứng thô đại (độ cứng Brinell, độ cứng Rockwell)
hoặc theo độ cứng tế vi (độ cứng Vickers). Khi đo độ cứng tế vi, phải dùng mũi đâm
rất bé và tải trọng rất nhỏ tác dụng vào từng hạt, khi đo theo từng pha riêng rẽ cần có
sử dụng kính hiển vi quang học.
- Đo kích thước hình học: Tiêu chuẩn được sử dụng đo bánh răng côn răng
cong hiện nay là tiêu chuẩn của Mỹ: ANSI/AGMA 2009-B01. Để khắc phục tình
trạng thiếu thiết bị, luận văn đã sử dụng phương pháp quang số để đo sai lệch do biến
dạng nhiệt bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid.
2.3 Lý thuyết về ảnh hƣởng của hệ số ma sát trong cầu sau ô tô
Ma sát giữa các răng bánh răng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất
của hệ thống cũng như ảnh hưởng đến các phản ứng động học của cặp bánh răng.
Khi hai bề mặt răng trượt lên nhau và bánh răng quay sẽ xuất hiện sự trượt và lăn ở bề
mặt ăn khớp và tạo ra ma sát giữa các bánh răng. Ma sát trượt được gây ra trực tiếp của sự
trượt tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc và liên quan đến hệ số ma sát, tải trọng. Ma sát lăn
được gây ra từ khả năng chống chuyển động lăn, xảy ra do sự biến dạng của hai bề mặt tiếp
xúc.
Hệ số ma sát (z,,1) tại mỗi điểm tiếp xúc chính dọc theo các đường tiếp xúc tức
thời được tính toán bằng phương trình :

 e
Trong đó:

f  SR , Ph , v0 , S 

b2

b3

b6

b2

Ph SR Ve v0 R

f  SR, Ph , v0 , S   b1  b4 SR Ph log10  v0   b5e

b8

 SR Ph log10  v0 

(2.1)
 b9e

S

b1-b9 - Các hằng số biến thiên phụ thuộc vào chất bôi trơn; SR, Ve, Pk,


-6-

S, R, và v0 - Các thông số đặc trưng tại vùng tiếp xúc răng.
Mô hình Archard được sử dụng để mô phỏng sự ăn khớp giữa hai bánh răng có
sự mài mòn do ma sát. Phương trình mài mòn thực nghiệm của Archard.
V S  

k .F
H

(2.2)

Trong đó V(S) - Thể tích hao mòn trên mỗi đơn vị trượt (phụ thuộc vào diện tích
tiếp xúc), F - Tải pháp tuyến, H - Độ cứng của vật liệu, k - Hệ số mài mòn vật liệu
được chọn phụ thuộc vào mỗi cơ chế mòn khác nhau.
Bằng thực nghiệm, tác giả của các công trình nghiên cứu đã thí nghiệm để xác định hệ
số ma sát. Các công thức thực nghiệm tiêu biểu gồm:
Phạm vi tham số có thể
áp dụng
vk   4, 500

Công thức và tác giả
1. Drozdov và Gavrikov [54]:
  0.8 vk Vs  Vr   13.4 
  0.47  0.13 10 

4

1

Pmax  0.4 10 

Vs  15
3

vk

, V  3, 20
r

Pmax   4000 , 20000



Vs , Vr  m / s

k = centistoke
Pmax  kg / cm

2

S  in , CLA

2. Odonoghue và Cameron [55]
  0.6  S  22  / 35

Đơn vị xác định



1/8 1/3 1/6 1/2 1
v Vs Vr R

Vs , Vr  in / s ,

Vs / Vr   0.4 ,1.3

3. Misharin [56]
0.25

  0.325 VsVr vk 

P  2, 500 ,    0.02 , 0.08

 = centipoise
Vs , Vr  m / s
P  kg / cm

2

Vr  m / s , R  mn

4. ISO TC60 [44]
  0.12 W S /  RV v 

0.25

S   m , RMS,
W   N / mn
S  in , RMS

r

5. Benedict và Kellay [57]
8
 3.17 10  W  
50 

  0.027
log
 50  S  10  vV V 2 
s r

R  in

50
50  S

3

W =lbf / in

Vs , Vr  in / s

W   lbf / in Vs .Vr  in / s

2.4 Mô hình cầu sau trong tính toán hiệu suất cầu sau ô tô
- Động học của cầu sau ô tô tải

Hình 2.1. Mô hình động học cầu sau ô tô tải nhẹ
Khi xe chạy thẳng, các bánh răng bán trục có cùng số vòng quay no với vỏ vi sai
(no = n1 = n3), các bánh răng hành tinh không quay quanh trục của nó mà nêm với các


-7-

bánh răng bán trục.
Trong xe tải nghiên cứu có vi sai đối xứng với bánh răng bán trục có số răng
bằng nhau, Z1t = Z1p nên ta có phương trình.
n p  nt  2no
(2.3)
- Động lực học của cầu sau ô tô tải
Xét trường hợp có ma sát trong của cầu sau, giả sử khi ô tô chuyển động ổn
định, phương trình cân bằng mô men cầu sau được viết bởi công thức:
Tp  Tt  To
(2.4)
Trong đó, Tt - Mô men trên bán trục trái; Tp - Mô men trên bán trục phải; To Mô men trên vỏ vi sai (trên bánh răng vành chậu).
Công suất mất mát trong vi sai do ma sát được tính bởi phương trình:
   p 
(2.5)
Pr  Tr  t



2



Trong đó, Pr - Công suất do mô men ma sát; Tr - Mô men do ma sát; t - Vận
tốc góc của bán trục trái; p - Vận tốc góc của bán trục phải.
2.6 Công thức tính hiệu suất của cầu sau ô tô
- Hiệu suất tức thời của bánh răng Hypoid bị ảnh hưởng bởi các thông số của
răng theo chiều dọc trượt, chiều cao răng trượt cao hơn thì tổn thất do ma sát sẽ lớn
hơn, giảm hiệu suất tức thời. Chiều dài trượt là một đặc tính của độ lệch Hypoid. Độ
lệch Hypoid càng lớn thì chiều dài trượt dọc càng cao.


ffl

T
 2
T1

tan  m 2
cos  o

tan  m1
1  m
cos  o
1  m

(2.6)

Trong đó, ηffl - Hiệu suất trượt; T1 , T2 - Mô men xoắn của bánh răng chủ động và
bị động; μm - Hệ số ma sát; βm1, βm2 - Góc xoắn trung bình của bánh chủ động và bị
động; αn - Góc ăn khớp.
- Hiệu suất tổng tính toán của bộ truyền là hiệu suất trung bình và được xác
định bởi công thức:
P
(2.7)
 1
T1.

Trong đó:  - Hiệu suất trung bình của bộ truyền; P - Tổn thất chung của bộ
truyền; T1 - Mô men trên bánh răng chủ động;  - Vận tốc góc bánh răng chủ động.
Trong cầu sau ô tô, hiệu suất tổng được tính theo tổng hiệu suất của từng cặp ma
sát bánh răng, ổ bi, bề mặt trượt.
  1 2 . 34 44 52
(2.8)
Trong đó, 1, 2, 3, 4, 5 lần lượt là hiệu suất của ổ bi lắp bánh răng quả dứa,
hiệu suất bộ truyền lực chính, hiệu suất ổ bi lắp bánh răng hành tinh, hiệu suất bánh
răng hành tinh và bán trục.
- Hiệu suất tổng của bộ truyền thường được xác định bằng thực nghiệm, trường


-8-

hợp tổng quát được xác định bởi công thức:


T2 100
T1  it

(2.9)

Trong đó: T1, T2 - Mô men trên trục vào, ra; it - Tỷ số truyền của bộ truyền.
Trong cầu sau ô tô, các cặp ma sát có ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau. Tổn thất
công suất trong cầu sau là tập hợp tổn thất tại các bề mặt ma sát và được tính theo
năng lượng mất mát cho mỗi ki lô mét xe chạy.
PV  6.2832  T1 V  it 

1 
100000

(kJ / km)

(2.10)

Trong đó: V - Vận tốc xe chạy (km/h).
2.7 Đo hiệu suất cầu sau ô tô
Tiêu chuẩn quốc tế SAE J1266 do Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Mỹ ban hành cung cấp
cách đo hiệu suất của cầu sau theo điều kiện tải trọng, tốc độ và nhiệt độ dầu bôi trơn.
Quy trình đo thực hiện trong phòng thí nghiệm và trên xe hoạt động trên đường. Thể
thực hiện các thí nghiệm cho cụm cầu sau ô tô theo nguyên lý dòng công suất hở.
Kết luận chƣơng 2
Đã phân tích cơ sở lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu như: thấm Ni tơ
Plasma, đo kiểm tra chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, động lực học
cầu sau, ma sát của cặp ăn khớp Hypoid và hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ. Xác định
phương pháp thấm Ni tơ Plasma là phương pháp có nhiều ưu điểm vượt trội hơn các
phương pháp hóa bền bề mặt khác. Thành phần Ni tơ trong hỗn hợp khí phù hợp để
thấm bánh răng Hypoid là 60-70%.
Kỹ thuật thiết kế ngược với công nghệ quang số được sử dụng để đo sai lệch do
biến dạng nhiệt bề mặt làm việc của răng bánh răng Hypoid. Đây là phương pháp mới
nhất để đo kích thước hình học trên bề mặt cong bậc ba cũng như các bề mặt cong bất
kỳ mà các nghiên cứu trước đây cũng như tại các trung tâm đo lường quốc gia chưa
áp dụng.
Chƣơng 3: PHÂN TÍCH VẾT TIẾP XÚC MẶT RĂNG VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ
SỐ MA SÁT ĐẾN HIỆU SUẤT CẦU SAU Ô TÔ

3.1 Lực truyền trên bề mặt ăn khớp của cặp bánh răng Hypoid
Lực truyền tại điểm tiếp xúc tức thời P với mô men Tr1 tác dụng từ bánh răng
chủ động 1 (bánh răng quả dứa) sang bánh răng bị động 2 (bánh răng vành chậu)
được xác định theo các thành phần lực trong hệ tọa độ không gian:
Y f12 

Tr1
rp 2

Tương tự, với trường hợp lực truyền từ bánh răng vành chậu 2 qua bánh răng
quả dứa 1 do tải trọng gây nên:
Y f 21 

Tr 2
rp1

Tr1, Tr2 - Mô men trên trục bánh răng quả dứa và mô men trên trục bánh răng
vành chậu;


-9-

rp2, rp1 - Bán kính ellipse trên mặt cắt vuông góc với tiếp tuyến góc xoắn β1, β2.
của bánh răng quả dứa và bánh răng vành chậu tại điểm đang xét.
3.2 Phân tích liên kết tại các bề mặt ma sát trong cầu sau
Với cặp bánh răng Hypoid, ứng suất tiếp xúc Swc trong quá trình làm việc phụ
thuộc vào hệ số ma sát của hai bề mặt ăn khớp được xác định bởi công thức:
S CC
(3.1)
S wc  ac L H
CT CR

Sac - Ứng suất tiếp xúc cho phép; CL,CH,CT,CR - lần lượt là các hệ số hệ số bền
lâu đối với độ bền, hệ số tỷ số độ cứng đối với độ bền, hệ số nhiệt độ đối với độ bền.

Hình 3.1. Mô hình phân tích cụm cầu sau trong phần mềm Inventor
3.3 Phân tích vùng tiếp xúc răng của cặp bánh răng Hypoid
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và phần mềm Ansys để mô phỏng
số cụm cầu sau ô tô tải và mô phỏng số cặp bánh răng Hypoid trong quá trình ăn khớp.
a) Chia lƣới trên các chi tiết

Hình 3.2 Lưới tam giác và lưới khối tứ diện 3 chiều trong thể tích các bánh răng
b) Định nghĩa bề mặt tiếp xúc

Sử dụng phần tử CONTA173 để khảo sát vùng tiếp xúc giữa bề mặt 3D “mục tiêu”
với bề mặt biến dạng. Đây và vùng tiếp xúc giữa hai răng trong quá trình ăn khớp. Hệ số ma
sát được định nghĩa trực tiếp trong chương trình con USERFRIC, và sự tiếp xúc của hai bề
mặt tương tác cũng được định nghĩa trực tiếp trong chương trình con USERINTER.

a) Hình học phần tử CONTA173
b) Cặp tiếp xúc trên hai bề mặt răng
Hình 3.3. Định nghĩa bề mặt tiếp xúc
c) Đặt điều kiện biên và tải trọng


- 10 -

Hình 3.4. Ràng buộc bậc tự do cặp bánh răng Hypoid

Bánh răng vành chậu lắp chặt với vỏ vi sai bằng các bu lông tại các lỗ trên thân bánh
răng. Với cặp ăn khớp Hypoid cũng như cặp răng ăn khớp, thiết lập ràng buộc 5 bậc tự do
trên các bề mặt tiếp xúc. Hạn chế 3 bậc tự do cho mặt đáy vành răng bánh răng vành chậu.
Chế độ tải trọng được phân tích trong phần mềm đặt trực tiếp vào mô hình. Trong đó,
mô men xoắn trên trục bánh răng quả dứa: 200 Nm (động cơ có mô men cực đại/số vòng
quay: 320 Nm/2000 vòng/phút); mô men cản trên trục bánh răng vành chậu: 100 Nm (xe có
tự trọng/tải trọng lớn nhất: 4230 kg/2980 kg). Giá trị mô men xoắn 100 Nm được gán cho bề
mặt tiếp xúc trên bánh răng quả dứa của cặp răng ăn khớp đã được định nghĩa.
d) Khai báo vật liệu
Vật liệu chế tạo cặp bánh răng Hypoid là thép hợp kim 18XГT, các thông số được khai báo
trong Ansys cho từng bánh răng riêng biệt, gồm: loại vật liệu = steel hard on steel hard, khối lượng
riêng = 7800kg/m3, hệ số đàn hồi = 0.3, mô đun đàn hồi Young E = 2.1 x 109 N/m2. Cũng tại đây,
thực hiện gán hệ số ma sát cho cặp ăn khớp ma sát (lấy μ(z,θ,m) = 0.05)

Hình 3.5. Khai báo vật liệu trong Ansys
e) Kết quả mô phỏng và phân tích vùng tiếp xúc răng

Hình 3.6. Các kết quả khảo sát tại vùng tiếp xúc răng của cặp bánh răng Hypoid

a) Răng bánh răng vành chậu
b) Răng bánh răng quả dứa
Hình 3.7. Trạng thái ứng suất tiếp trên bề mặt làm việc của cặp răng Hypoid


- 11 -

Bảng 3.4. Kết quả phân tích PTHH cặp răng ăn khớp bằng phần mềm Ansys
Kết quả

Chuyển vị
lớn nhất
(mm)

Ứng suất tương
đương nhỏ nhất
(MPa)

Ứng suất tương
đương lớn nhất
(MPa)

Bánh răng vành chậu

0.378618

0.116520

763

Bánh răng quả dứa

0.138000

0.107419

654

Bánh răng

3.4 Ảnh hƣởng của hệ số ma sát tới hiệu suất cầu sau ô tô
Hiệu suất cầu sau ô tô xác định trên sự tổn thất ma sát trên các bề mặt ăn khớp, nhiệt
độ dầu bôi trơn và yêu cầu kỹ thuật trong lắp ráp các chi tiết cầu sau, tốc độ quay và tải tác
dụng. Kết quả xác định lượng giảm của mô men xoắn truyền từ bánh răng chủ động tới bánh
răng bị động được sử dụng để tính toán hiệu suất cơ khí  của các cặp bánh răng.
Trong trường hợp xe chạy thẳng, mô men hai bán trục có giá trị bằng nhau, khi đó hai
bán trục quay cùng vận tốc góc, bộ vi sai không hoạt động nên không có sự trượt trên các bề
mặt răng của các bánh răng hành tinh với bánh răng bán trục. Sự tổn thất ma sát trong trường
hợp này tập trung vào cặp bánh răng truyền lực chính Hypoid.
3.5 Mô hình tổng quát xác định hiệu suất cầu sau ô tô
Quá trình tính toán gồm các bước chính: phân tích vùng tiếp xúc răng, tính toán
hiệu suất cơ khí tức thời và thí nghiệm đo và tính toán hiệu suất tổng của cặp bánh
răng. Tính toán xác định tải trọng tác dụng hay tính toán áp lực tiếp xúc trên các bề
mặt ma sát và các thông số hình học của bề mặt ma sát là đầu vào của mô hình xác
định hệ số ma sát tức thời μ(z,θ,m) của mỗi điểm tiếp xúc (z,θ) trên bề mặt răng của
các cặp bánh răng ở vị trí quay được xác định bởi góc m. Tiến hành thí nghiệm theo
tiêu chuẩn SAE J1266 xác định hiệu suất tổng của cầu sau ô tô.

Hình 3.8 Mô hình xác định hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ


- 12 -

Kết luận chƣơng 3
Với mô hình không gian được xây dựng theo lý thuyết động học, động lực học
hệ nhiều vật đúng với mô hình thực tế, Luận án đã phân tích lực truyền và phân tích
liên kết tại các bề mặt ma sát trong cầu sau ô tô tải nhẹ khi nhận nguồn truyền động
từ động cơ và tải. Kết quả phân tích vùng tiếp xúc của bề mặt ăn khớp giữa hai răng
của cặp bánh răng Hypoid bằng việc sử dụng phần mềm Ansys cho thấy: sau thời
điểm khởi động, lực liên kết giữa hai bề mặt tiếp xúc trở nên ổn định; giá trị ứng suất
cực đại và cực tiểu giữa hai bề mặt tiếp xúc là tương đương; chuyển vị trên bề mặt
tiếp xúc của bánh răng vành chậu lớn gần gấp ba lần chuyển vị trên bề mặt bánh răng
quả dứa. Ma sát giữa hai bề mặt làm việc của cặp bánh răng Hypoid đóng vai trò
quan trọng trong việc xác định hiệu suất của cầu sau ô tô. Ngoài việc giảm hệ số ma
sát thông qua gia công chính xác, nâng cao độ bóng bề mặt tiếp xúc, lắp ghép đúng
qui định và tăng cường chất lượng bôi trơn, việc hóa bền chống biến dang bề mặt ma
sát cặp bánh răng Hypoid bằng phương pháp thấm Ni tơ Plasma sẽ nâng cao hiệu
suất cầu sau ô tô.
Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
THẤM NI TƠ PLASMA ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT BÁNH RĂNG
HYPOID
4.1 Mô hình đánh giá ảnh hƣởng của các thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma
đến chất lƣơng bề mặt bánh răng Hypoid
Theo yêu cầu lựa chọn các yếu tố đầu vào, các biến của thí nghiệm được chọn
gồm: nhiệt độ (TL), thời gian thấm (h) và nồng độ khí thấm 1(G1). Ta có phương
trình (4.1).
H ,  , Ra  f (h, TL, G1)
(4.1)
Trong đó: H - Độ cứng tế vi bề mặt làm việc; ɛ - Sai lệch do biến dạng nhiệt bề
mặt làm việc; Ra - Độ nhám bề mặt làm việc.
Mẫu thấm Ni tơ xung Plasma gồm 27 răng trên bánh răng quả dứa đã gia công
cắt răng hoàn thiện và được cắt rời từng răng bằng phương pháp cắt dây cùng 27 mẫu
đối chứng có hình chữ nhật có kích thước 20 x 25 x 30 mm được lấy thừ phần thân
bánh răng vành chậu cùng loại vật liệu (18XГT), cùng các chế độ tạo phôi, gia công
và nhiệt luyện, Hình 4.1.

Hình 4.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng


- 13 -

4.2 Tiến hành thí nghiệm thấm Ni tơ Plasma

Hình 4.2. Gá lắp mẫu thí nghiệm vào thùng lò thấm Ni tơ Plasma
Quá trình thấm Ni tơ Plasma các răng mẫu thử cùng các mẫu đối chứng được
thực hiện trên thiết bị H4580 Eltrolab của hãng ETRO, CHLB Đức tại Phòng thí
nghiệm Trọng điểm Quốc gia Hàn và Xử lý bề mặt thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí,
Bộ Công Thương. Quy trình công nghệ thấm Ni tơ Plasmatrình bày trên Hình 4.3.

Hình 4.3. Quy trình công nghệ thấm Ni tơ Plasma
4.3 Đo mẫu sau khi thấm Ni tơ Plasma
Sử dụng thiết bị FM-700E của Công ty Future-Tech, Nhật Bản để đo độ cứng
tế vi. Thực hiện đo tại Phòng thí nghiệm Vật liệu tại Viện Công nghệ, Bộ Công
Thương.

Hình 4.4. Đo độ cứng tế vi mẫu thực nghiệm trên máy FM-700E
Trong nghiên cứu này để đo sai lệch do biến dạng nhiệt mẫu thử sau khi thấm,
tác giả đã sử dụng máy đo không tiếp xúc công nghệ ánh sáng xanh Capture 3D –
ATOS Blue Light III TRIPLE của hãng GOM (CHLB Đức) tại Trung tâm dịch vụ
công nghệ 3Dtech (AIE) , để đo 3D và phân tích kết quả đo.


- 14 -

Hình 4.5. Quét 3D mẫu trên máy scan ATOS III TRIPLE

Hình 4.6 Máy đo và kết quả đo
Để đo độ nhám bề mặt mẫu thực nghiệm, tác giả đã sử dụng máy đo điện tử
Mitutoyo SV 2100 của Nhật Bản tại Trung tâm Cơ khí Chính xác JICA, Trường đại
học Công nghiệp Hà Nội. Quá trình đo và kết quả được trình bày trên Hình 4.6.
Tổng hợp kết quả đo

Số

TN

Các giá trị biến
thực

Các giá trị
biến mã hóa

Các giá trị hàm mục tiêu
Biến
dạng,
Y2

Độ
nhám,
Y3

Z1

Z2

Z3

X1

X2

X3

Độ
cứng,
Y1

1

000

4

510

4

-1

-1

-1

625,4

0,0074

4,45

2

001

4

510

6

-1

-1

0

647,4

0,0060

4,41

3

002

4

510

8

-1

-1

1

653,3

0,0085

4,42

4

010

4

530

4

-1

0

-1

673,9

0,0080

4,66

5

011

4

530

6

-1

0

0

687,2

0,0102

4,56

6

012

4

530

8

-1

0

1

679,6

0,0095

4,64

7

020

4

550

4

-1

1

-1

695,1

0,0105

4,78

8

021

4

550

6

-1

1

0

710,2

0,0095

4,80

9

022

4

550

8

-1

1

1

678,5

0,0118

4,83

10 100

6

510

4

0

-1

-1

644,5

0,0082

4,57

11 101

6

510

6

0

-1

0

622,4

0,0096

4,49

12 102

6

510

8

0

-1

1

659,4

0,0074

4,20

13 110

6

530

4

0

0

-1

654,2

0,0100

4,38

14 111

6

530

6

0

0

0

695,2

0,0085

4,34


- 15 -

15 112

6

530

8

0

0

1

675,4

0,0090

4,41

16 120

6

550

4

0

1

-1

699,3

0,0110

4,37

17 121

6

550

6

0

1

0

715,4

0,0089

4,38

18 122

6

550

8

0

1

1

690,4

0,0095

4,42

19 200

8

510

4

1

-1

-1

671,2

0,0095

4,35

20 201

8

510

6

1

-1

0

643,6

0,0085

4,33

21 202

8

510

8

1

-1

1

661,1

0,0105

4,33

22 210

8

530

4

1

0

-1

680,2

0,0090

4,63

23 211

8

530

6

1

0

0

665,2

0,0110

4,64

24 212

8

530

8

1

0

1

690,3

0,0075

4,63

25 220

8

550

4

1

1

-1

725,1

0,0125

4,60

26 221

8

550

6

1

1

0

695,2

0,0090

4,67

27 222

8

550

8

1

1

1

708,9

0,0174

4,68

4.4 Xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm
Hàm hồi quy thực nghiệm đối với độ cứng mẫu thử
H h,TL,G1  0.0194h2  0.000599  0.00271hTL  0.00208hG1

(4.2)

2.17h  0.000111TL  0.157TL  0.0403G  0.765G1
2

2
1

Hàm hồi quy thực nghiệm đối với độ biến dạng mẫu thử
 h,TL,G1  0.194h 2  0.00180  0.0127hTL  0.0875hG 1  12.0h
0.000628TL 2  0.00104TLG 1 0.473TL  0.211G 12  3.32G 1

(4.3)

Hàm hồi quy thực nghiệm đối với độ nhám mẫu thử
Ra h,TL,G1  0.00125h 2  0.0000339  0.00146hG 1
0.0963h  0.00000608TL 2  0.0000417TLG 1
0.00888TL  0.0150G 12  0.263G 1

Đồ thị biểu diễn các hàm hồi quy thực nghiệm

Hình 4.7. Đồ thị 3D hàm H, Ra,  theo h, TL khi G1 không đổi

(4.4)


- 16 -

Hình 4.8. Đồ thị 3D hàm H, Ra,  theo TL, G1 khi h không đổi

Hình 4.9. Đồ thị 3D hàm H, Ra, theo h, G1 khi TL không đổi
Phân tích các hàm hồi qui, phân tích dữ liệu kết quả đo bằng phần mềm Excel
và phần mềm thống kê Statistica, ta được bộ thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma
để có độ cứng lớn nhất, đồng thời DSBD và độ nhám bề mặt là bé nhất: Thời gian
thấm h = 8 h, Nhiệt độ thấm TL = 530 0C, Lưu lượng khí thấm G1 = 8 l/h.
4.5 Thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng truyền lực chính Hypoid

Hình 4.10. Kết quả thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid


- 17 -

Kết quả phân tích sai lệch do biến dạng giữa bánh răng trước và sau khi nhiệt
luyện được thể hiện dưới dạng các giá trị cùng với dải màu bên cạnh. Trong đó, các
giá trị sai lệch nằm trong khoảng 0,0021 - 0,0434mm, Hình 4.10.
Kết luận chƣơng 4
Đã thiết kế quy hoạch thực nghiệm với 27 mẫu thử, tiến hành thấm Ni tơ
Plasma trên thiết bị H4580 Eltrolab của hãng ETRO, đo các giá trị độ cứng tế vi H,
sai lệch do biến dạng nhiệt ɛ, độ nhám bề mặt Ra của mẫu trên các thiết bị đo chuẩn,
hiện đại. Đã sử dụng phương pháp đo quang số có độ chính xác cao và linh hoạt để
đánh giá sai lệch do biến dạng nhiệt của bề mặt làm việc của răng bánh răng Hypoid.
Đây là phương pháp đo hiện đại nhất, lần đầu tiên được áp dụng trong các nghiên
cứu ở Việt Nam. Đã lập được các bộ thông số công thấm Ni tơ Plasma cho từng mục
tiêu khác nhau như: độ cứng tế vi bề mặt lớn nhất, sai lệch do biến dạng nhiệt bé nhất
và độ nhám bề mặt nhỏ nhất. Trên cơ sở các hàm hồi quy thực nghiệm xây dựng
được đối với các mẫu thử, luận án đã xác định được bộ thông số công nghệ thấm Ni
tơ Plasma với yêu cầu chất lượng bề mặt làm việc có độ cứng lớn, đồng thời sai lệch
do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt là bé (thời gian thấm h = 8 h, nhiệt độ thấm TL
= 530 0C, lưu lượng khí thấm G1 = 8 l/h). Tiến hành thấm Ni tơ Plasma cặp bánh
răng Hypoid với chế độ công nghệ này cho đo hiệu suất ở chương 5.
Chƣơng 5: THÍ NGHIỆM ĐO HIỆU SUẤT CẦU SAU Ô TÔ
5.1 Mục đích, các thông số đo
Mục đích của thí nghiệm là đo mô men xoắn trên các trục vào cụm cầu sau
(trục Các đăng) và trên hai trục ra (bán trục phải, bán trục trái), tính toán hiệu suất cơ
khí cầu sau ô tô tải nhẹ ở một số chế độ làm việc khác nhau, trên cơ sở đó đánh giá
ảnh hưởng của thông số thấm Ni tơ Plasma đến hiệu suất cơ khí cầu sau.
Theo tiêu chuẩn SAE J1266, khi biết tỉ số của bộ truyền (it = 6.83), phải đo
đồng thời mô men xoắn T1, T2 trên trục vào, trục ra. Mô men trên trục ra trên các bán
trục bên phải (Tp) và bán trục bên trái (Tt) được xác định bởi công thức (5.1).
T 2 = Tp + T t
(5.1)
5.2 Phƣơng pháp đo
Thí nghiệm sử dụng phương pháp đo theo tiêu chuẩn quốc tế SAE J1266 do
Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Mỹ ban hành. Quy trình đo thực hiện trong phòng thí nghiệm
(bệ thử) và trên xe hoạt động trên đường.
5.3 Đối tƣợng, sơ đồ thí nghiệm

Hình 5.1. Bệ thử cầu sau ô tô tải nhẹ


- 18 -

Đối tượng thí nghiệm là cụm cầu sau xe ô tô tải nhẹ 3 tấn LIFAN 3070G1 được
sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam. Đây cũng chính là bộ cầu mà đề tài KC05.22/062010 đã tiến hành đo hiệu suất theo nguyên lý dòng công suất kín với cặp bánh răng
Hypoid do Việt Nam và Trung Quốc chế tạo.
Trong quá trình thí nghiệm đo hiệu suất, ngoại trừ việc thay đổi bộ truyền lực
chính, tất các chi tiết khác trong cụm cầu kể cả bệ thử và xe thí nghiệm là không đổi.
Cặp bánh răng Hypoid sử dụng trong thì nghiệm đo hiệu là cặp bánh răng Hypoid
được thấm Ni tơ Plasma với thông số công nghệ có độ cứng bề mặt là lớn nhất và
biến dạng bề mặt là nhỏ nhất.
5.4 Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
5.4.1 Bệ thử thí nghiệm
Bệ thử được NCS thiết kế, chế tạo trên cơ sở sản phẩm của đề tài NCKH trọng
điểm cấp Nhà nước KC.05.22/06-10. Bệ thử cải tiến thiết kế theo nguyên lý dòng
công suất hở, với các cảm biến tenzo và bộ tiếp điểm thủy ngân gắn trực tiếp trên ba
trục quay,

Hình 5.2. Bệ thử cầu sau ô tô tải nhẹ
5.4.2 Xe thí nghiệm
Xe tải nhẹ LF3070G1 (hình 5.3), có các đặc tính như trong bảng 5.1.

Hình 5.3. Xe thí nghiệm và đoàn các nhà khoa học, chuyên gia kỹ thuật
tại hiện trường thí nghiệm


- 19 -

Bảng 5.1. Đặc tính xe tải nhẹ LF3070G1
Tự trọng của xe
Tải trọng của xe
Vận tốc lớn nhất
Công suất max./số vòng quay
Mô men xoắn max./số vòng quay
Tỷ số truyền cầu sau
Vmax khi toàn tải ở tay số cao nhất

kg
kg
km/h
Kw/rpm
N.m/rpm
km/h

4230
2980
75
81/3000
320/2000-2200
6.83
75

5.4.3 Tenzo

Hình 5.4. Tenzo và quá trình dán tenzo
Sử dụng cầu tenzo loại FCA-3-11 do công ty Tokyo Sokki Kenkyjo của Nhật
Bản sản xuất có các thông số cơ bản: chiều dài: 3 mm, điện trở:120±0.5 Ω. Trên trục
chịu xoắn, tiến hành dán trực tiếp các tenzo lên bề mặt được làm sạch. Dán tenzo lên
3 trục: trục vào (trục Các đăng), trục ra (bán trục phải và trái).
Cầu Wheatstone (bao gồm 4 điện trở: R1, R2, R3 và R4) sử dụng làm mạch đo
cho điện trở tenzo. Hai đầu mút của cầu được nối với nguồn nuôi, hai đầu còn lại
được nối với thiết bị đo điện áp, hình 5.5.
Với các tenzo làm từ vật liệu kim loại, điện áp đo Vout gần như tỷ lệ thuận với
biến dạng của trục, còn biến dạng này lại tỷ lệ thuận với mô men xoắn trục T, nên
thiết bị đo có thể coi là tuyến tính theo công thức 5.3.
 R3
R2 
Vout  Vin 

;
 R3  R4 R1  R2 

[mV]

(5.2)

Hình 5.5. Mạch cầu Wheatstone và trục Các đăng được dán tenzo
Vout ~ k.T
(5.3)
Trong đó k là hệ số tỷ lệ, T là mô men xoắn trên trục.
5.4.4 Bộ thu dòng thủy ngân
Thí nghiệm đã sử dụng Bộ thu dòng thủy ngân để lấy tín hiệu đo từ trục (qua
trục Các đăng và hai bán trục) ra thiết bị đo.


- 20 -

Hình 5.6. Bộ thu dòng tiếp điểm thủy ngân
Lắp 01 bộ loại TPAΠ-70 trên trục Các đăng và 02 bộ loại TPAΠ-50 lắp trên hai
bán trục phải và trái. Nguyên lý làm việc của thiết bị: rotor lắp cố định và quay cùng
trục cần đo mô men, stator lắp tự lựa trên đồ gá được ghép trên mặt bích các bán trục
và trục Các đăng; Thủy ngân (Hg) là kim loại dạng lỏng linh hoạt đóng vai trò là tiếp
điểm nối tiếp giữa các cổ góp của rotor và stator sẽ truyền dẫn tín hiệu dạng điện áp
(Vout) đo được tới bộ khuếch đại trong máy đô DMC Plus.
5.4.5 Máy đo DMC plus
Máy đo DMC plus là thiết bị đo tích hợp (bao gồm phần mềm DMCLab plus
phiên bản P12a) của hãng HBM, CHLB Đức, dùng để xử lý tín hiệu nhận từ tenzo
(Vout) có điện áp thấp (<10mV), sau khi khuếch đại được chuyển đổi A/D
(Analog/Digital) để bộ vi điều khiển thực hiện các xử lý, hiển thị quá trình đo và ghi
kết quả đo thành file có thể lưu trữ được trên máy tính, hình 5.7.

Hình 5.7 Phía trước và sau Bộ máy đo DMC plus
5.4.6 Sơ đồ lắp ráp các trang thiết bị thí nghiệm
Trên các trục dán các cảm biến tenzo tại các vị trí C-1, C-2 và C-3 như hình
5.8. Qua các bộ thu dòng thủy ngân T-1, T-2 và T-3 tín hiệu từ các cảm biến được
đưa tới máy đo DMC để khuếch đại và xử lý.

Hình 5.8. Sơ đồ lắp ráp các thiết bị thí nghiệm


- 21 -

5.5 Hiệu chuẩn số liệu đo
Để bộ đo mô men làm việc được chính xác ứng với kết cấu, kích thước và khả
năng chịu tải trên các trục, NCS đã thực hiện hiệu chuẩn hệ thống. Kết quả của việc
hiệu chuẩn là xây dựng được quan hệ tuyến tính giữa mô men và biến dạng thông qua
tín hiệu trung gian là điện áp Vout. Từ đây xác định được hệ số biểu thị quan hệ giữa
mô men thực trên trục Các đăng và giá trị hiển thị trên thiết bị đo, kcđ=79.145. Tiến
hành tương tự trên bán trục phải có hệ số kbtp = 88.526 và trên bán trục trái có hệ số
kbtt = 86.835.
5.6 Tiến hành thí nghiệm
5.6.1 Đo trên bệ thử trong phòng thí nghiệm

Lắp bộ thu dòng tiếp điểm thủy ngân
trên trục Các đăng

Lắp bộ thu dòng tiếp điểm
thủy ngân trên bán trục

Hình 5.9. Lắp đặt thiết bị và thí nghiệm trên bệ thử trong phòng thí nghiệm
Các bước tiến hành thí nghiệm và dạng các kết quả thí nghiệm trên bệ thử được
trình bày trên trên hình 5.9, hình 5.10.
3)

2)
1)

Hình 5.10. Kết quả giá trị đo mô men xoắn trên bệ thử trong phòng thí nghiệm
1) Trên bán trục trái, 2) Trên trục Các đăng, 3) Trên bán trục phải
5.6.2 Đo trên xe tải nhẹ LF3070G1 ngoài hiện trƣờng

Hình 5.10 Lắp đặt thiết bị và quá trình thử nghiệm tại hiện trường


- 22 -

Hình 5.11. Kết quả giá trị đo mô men xoắn trên xe đang chạy
Quá trình lắp các thiết bị lên xe và quá trình thí nghiệm được nêu trên hình
5.10. Dạng các kết quả thí nghiệm trên xe được trình bày trên hình 5.11.
5.7 Kết quả thí nghiệm
5.7.1 Kết quả thí nghiệm trên bệ thử
Tải
50%
100%
125%
Hiệu suất trung bình

Cầu sau
thí nghiệm
94,36
93,98
91,60
93,31

Cầu sau đề tài
KC.05.22/06-10
90,60
90,30
90,60
90,50

Cầu sau mẫu
Trung Quốc
92,60
92,60
92,30
92,50

Đánh giá 1:
Khi thực hiện thí nghiệm trên bệ thử dòng công suất hở, hiệu suất cụm cầu sau
với bộ truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma có giá trị lớn hơn các bộ
Hypoid nhiệt luyện theo công nghệ truyền thống của đề tài KC.05.22/06-10 và cầu
sau Trung Quốc (thí nghiệm trên bệ thử dòng công suất kín). Trong cùng điều kiện
thí nghiệm, khi tăng tải thì hiệu suất cụm cầu sau giảm.

5.8.2 Kết quả thí nghiệm trên xe tải nhẹ LF3070G1 ngoài hiện trƣờng
Tải

20km/h

40km/h

60km/h

Hiệu suất trung
bình 

Hiệu suất
trung bình chung

0%
25%
50%
100%

93,94
93,59
92,57
91,80

93,65
93,41
92,45
91,67

93,28
93,19
92,25
91,29

93,62
93,40
92,42
91,58

92,76

Đánh giá 2:
Khi đo hiệu suất trên xe thật ngoài hiện trường, hiệu suất cụm cầu sau với bộ
truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma (92,76%) có giảm so với điều kiện


- 23 -

phòng thí nghiệm nhưng vẫn có giá trị lớn hơn so với hiệu suất bộ Hypoid nhiệt
luyện theo công nghệ truyền thống của đề tài KC.05.22/06-10 (90,50%) và bộ
Hypoid Trung Quốc (92,50%) thí nghiệm trên bệ thử dòng công suất kín.

Kết luận chƣơng 5
Đã áp dụng tiêu chuẩn SAE J1266 để đo hiệu suất cầu sau của xe tải nhẹ có cặp
bánh răng Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với các thông số công nghệ xác định qua
quy hoạch thực nghiệm. NCS đã thiết kế, chế tạo bệ thí nghiệm đo hiệu suất theo
nguyên lý dòng công suất hở. Sử dụng cảm biến tenzo theo nguyên lý cầu đo
Wheatstone và các bộ thu dòng thủy ngân lắp trên 3 trục của cầu sau ô tô để lấy tín
hiệu từ các trục đang quay ra máy đo cố định. Hiệu suất của cầu sau xe tải nhẹ với
truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma có hiệu suất là 93,31% khi đo trong
phòng thí nghiệm và 92,76% khi đo trên xe thật. Các giá trị này đều lớn hơn hiệu suất
cũng chính cụm cầu này khi đo trên bệ thử theo nguyên lý dòng công suất kín với cặp
bánh răng Hypoid nhiệt luyện theo công nghệ truyền thống (đề tài KC05.22/06-2010)
là 90,50% và tương đương hiệu suất khi sử dụng cặp bánh răng Hypoid do Trung
Quốc chế tạo (92,50%).
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN
1. Luận án đã lập được các bộ thông số công thấm Ni tơ Plasma cho từng mục
tiêu khác nhau như: độ cứng tế vi bề mặt lớn nhất, sai lệch do biến dạng nhiệt bé nhất
và độ nhám bề mặt nhỏ nhất. Với yêu cầu chất lượng bề mặt làm việc có độ cứng lớn,
đồng thời sai lệch do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt là bé, quy hoạch thực
nghiệm xác định được bộ thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma cho cặp bánh răng
Hypoid cầu sau ô tô tải nhẹ:
- Thời gian thấm h = 8 h,
- Nhiệt độ thấm TL = 530 0C,
- Lưu lượng khí thấm G1 = 8 l/h.
2. Kết quả thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra,
độ cứng tương đương 58-60 HRC, sai lệch do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt hầu
như không thay đổi. Biến dạng theo chiều dày răng và biến dạng theo đường kính lớn
nhất của bánh răng vành chậu và bánh răng quả dứa lần lượt là: ƐdVC = 0,032mm,
ƐdQD = 0,030mm; ƐØVC = 0,045mm , ƐØQD = 0,041mm. Các giá trị này đều nhỏ hơn
qui định đối với nhiệt luyện bánh răng côn răng cong cầu sau ô tô.
3. Phương pháp đo quang số 3D không tiếp xúc trên máy đo hiện đại có độ


- 24 -

chính xác cao được sử dụng để phân tích sai lệch do biến dạng nhiệt của bề mặt làm
việc của răng bánh răng Hypoid, phát hiện ra sai lệch bước răng và sai lệch biên dạng
của các răng bánh răng Hypoid cũng như các bề mặt cong phức tạp khác. Với phương
pháp này, có thể quan sát toàn diện các sai lệch trên tất cả các bề mặt chi tiết mà hiện
nay các phòng thí nghiệm đo lường trong nước không thực hiện được.
4. NCS đã thiết kế bệ thử thí nghiệm đo hiệu suất theo nguyên lý dòng công
suất hở dùng trong thí nghiệm của Luận án. Sử dụng bệ thử này, có thể tiến hành đo
hiệu suất cho nhiều bộ cầu có kích thước khác nhau với độ chính xác cao hơn so với
với bệ thử theo nguyên lý dòng công suất kín. Cụ thể, hiệu suất của cầu sau xe tải nhẹ
với truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma có hiệu suất là 93,31% khi đo
trong phòng thí nghiệm và 92,76% khi đo trên xe thật. Các giá trị này đều lớn hơn
hiệu suất cầu sau sử dụng cặp bánh răng Hypoid nhiệt luyện theo công nghệ truyền
thống và tương đương hiệu suất cầu sau sử dụng cặp bánh răng Hypoid do Trung
Quốc sản xuất. Hiệu suất cầu sau được cải thiện bằng cách giảm hệ số ma sát thông
qua hóa bền bề mặt bằng phương pháp thấm Ni tơ Plasma với biến dạng nhỏ và độ
cứng bề mặt tiếp xúc răng lớn.
5. Từ nghiên cứu Luận án, NCS đề xuất quy trình công nghệ chế tạo bánh răng
Hypoid với vật liệu có cơ tính cao như sau: (1) tạo phôi bằng phương pháp dập định
hình trong khuôn kim loại, (2) gia công chính xác trên máy chuyên dùng (hoặc máy
phay CNC 5 trục) đạt độ bóng bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật, (3) hóa bền bề mặt bằng
phương pháp thấm Ni tơ Plasma tránh biến dạng, (4) làm sạch bề mặt răng. Quy trình
công nghệ chế tạo bánh răng Hypoid được rút ngắn nguyên công mài sườn răng, hiệu
quả kinh tế cao hơn phương pháp truyền thống và phù hợp với giai đoạn đầu tư công
nghệ mới ở Việt Nam.
6. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ và đề xuất
các yêu cầu để làm tăng hiệu suất:

Chế tạo

Thiết kế

Các yếu tố ảnh hƣởng
Các yêu cầu để làm tăng hiệu suất cầu sau
Theo bề mặt hình học rãnh Thiết kế theo yêu cầu nâng cao khả năng tải, tăng vết tiếp
răng Hypoid
xúc ăn khớp
Thiết kế bộ truyền bánh răng Hypoid nhờ sự hỗ trợ của
Theo các phần mềm
máy tính (CAD/CAE)
Thiết kế ngược theo mẫu
Thiết kế ngược bằng công nghệ quang số
Sử dụng phương pháp gia Gia công chính xác trên máy chuyên dùng hoặc máy
công tiên tiến theo công CNC 5 trục (chỉ qua một lần gia công cơ với độ chính
nghệ CAD/CAM-CNC
xác cao, độ nhám bề mặt thấp)

Nhiệt luyện

Phương pháp nhiệt luyện
Độ cứng bề mặt
Chiều sâu lớp thấm
Biến dạng bề mặt

Thấm Ni tơ Plasma chống biến dạng
Bề mặt: 56-62 HRC, lõi: 30-40 HRC để giảm hệ số ma
sát trượt
- Lớp trắng: tổ chức  chiều dày từ 2-4 m, tổ chức  dày
tới 20 m
- Miền khuếch tán: độ dày tới 0,8 mm
Biến dạng không đáng kể, giảm hệ số ma sát lăn



x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×