Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế tính toán và chế tạo bánh răng côn cong dùng trong công nghiệp

Bộ công thơng
viện nghiên cứu cơ khí







Báo cáo tổng kết đề tài

Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế tính toán
và chế tạo bánh răng côn cong
dùng trong công nghiệp


Chủ nhiệm đề tài: ks . đào duy trung

6867
19/5/2008

hà nội - 2007


BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

1
MỤC LỤC

CÁC THÀNH VIÊN VÀ CƠ QUAN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI……… 3
MỞ ĐẦU 4

Chương 1 TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 6
1.1 Tổng quan nghiên cứu ở nước ngoài 6
1.2 Tổng quan trong nước việc thiết kế, chế tạo bánh răng côn cong 8
1.3 Ưu nhược điểm của bánh răng côn cong 13
1.3.1 Ưu điểm 13
1.3.2 Nhược điểm 13
1.4 Các hệ bánh răng côn cong và phạm vi nghiên cứu của đề tài 14
1.4.1 Các hệ bánh răng côn cong 14
1.4.2 Ưu nhược điểm của từng hệ bánh răng côn răng cong và phạm vi nghiên

cứu của đề tài 14

Chương 2 NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ…………16
2.1 Nguyên lý tạo hình bánh răng côn cong 16
2.1.1 Đối với hệ Gleason 16
2.1.2 Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg 17
2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng Oerlikon 18
2.2 Truyền động bánh răng côn răng cong tròn 19
2.2.1 Số răng của bánh răng nhỏ và bánh răng lớn 19
2.2.2 Môđun 21
2.2.3 Góc nghiêng và hướng răng 22
2.2.4 Prôfin gốc và dạng răng chiều trục 25
2.2.5 Chọn đường kính danh nghĩa của đầu dao 28
2.2.6 Chọn hệ số dịch chỉnh và hệ số thay đổi chiều dày tính toán của răng
prôfin gốc 31

2.2.7 Hệ số để tính toán góc chân răng và góc đầu răng bánh răng côn có
dạng răng dọc II 33

2.2.8 Tính toán các thông số hình học 35
2.3 Yêu cầu kỹ thuật 39
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

2
2.4 Kết luận Chương 2 40

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO - CHẾ TẠO CẶP BÁNH RĂNG 41

3.1 Tính toán các thông số hình học và thiết kế 41
3.1.1 Phần mềm tính toán và thiết kế 41
3.1.2 Các kết quả tính toán các thông số hình học và bản thiết kế 45
3.2 Quy trình công nghệ chế tạo cặp bánh răng côn cong 51
3.2.1 Bánh răng chủ động (bánh răng quả dứa) 51
3.2.2 Bánh răng bị động (bánh răng chậu) 52
3.2.3 Quy trình công nghệ nhiệt luyện 53
3.3 Thuật toán chương trình tính và điều chỉnh máy phay răng 62
3.4 Kết quả chế tạo cặp bánh răng 67
3.5 Dụng cụ và phương pháp gia công bánh răng côn cong hệ Gleason 68
3.5.1 Dụng cụ để gia công bánh răng côn cong hệ Gleason: 68
3.5.2 Các phương pháp gia công bánh răng côn cong hệ Gleason 69
3.5.3 Chọn hướng quay của đầu dao 71
Kết luận Chương 3 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 73

Một số hồ sơ thử nghiệm, nghiệm thu có liên quan
PHỤ LỤC 1 - Các số liệu tiêu chuẩn, tính toán thiết kế cặp bánh răng và dao cắt
PHỤ LỤC 2 – Các kết quả tính toán thiết kế cặp bánh răng côn cong (in kèm Báo
cáo)

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

3

THÀNH VIÊN NHÓM ĐỀ TÀI


1.
Đào Duy Trung TS. Cơ khí, Chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí
2. Nguyễn Mạnh Tuấn KS. Cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
3. Nguyễn Khoa Nguyên Ths. Cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
4. Lê Thanh Sơn TS. Cơ khí, Trung tâm nghiên cứu
KT Cơ khí Chính xác - Đại học Bách khoa Hà Nội
5. Trần Đức Hưng Đại tá, Thsĩ. Cơ khí, Giám đốc xí nghiệp Cơ khí Chính
xác 79, Z111, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Bộ
Quốc phòng






DANH SÁCH CÁC ĐƠN VỊ CÙNG THAM GIA THỰC HIỆN

1. Viện Nghiên cứu Cơ khí

2. Trung tâm Kỹ thuật Cơ khí Chính xác - Đại học Bách khoa Hà Nội
3. Nhà máy Cơ khí Chính xác 79, Z111, Tổng cục Công nghiệp Quốc
phòng - Bộ Quốc phòng






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

4
MỞ ĐẦU

Bánh răng côn răng cong là loại chi tiết máy cơ khí có kết cấu phức tạp,
tính toán thiết kế nhiều thông số, có quy trình công nghệ gia công cơ khí
không đơn giản, cần gia công trên các máy chuyên dùng có độ chính xác cao.
Tuy nhiên nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị máy móc thuộc các
lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế (thiết bị giao thông vận tải, thiết bị khai
thác mỏ, thiết bị công nghiệp nhẹ, thiết bị công nghiệp nặ
ng, thiết bị quân sự,
đặc biệt sử dụng nhiều trong công nghiệp ôtô, máy kéo, tàu thuỷ, v.v ), vì có
rất nhiều ưu điểm trong truyền động, như: khả năng tải lớn, độ bền và tuổi thọ
cao, làm việc êm ngay cả ở tỷ số truyền động lớn, đảm bảo truyền động với tỷ
số truyền chính xác, cho phép có sai số lớn trong lắp ráp, giảm kích thước của
b

ộ truyền .

Nghiên cứu để tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng côn răng cong là
một vấn đề cần thiết lúc này, đặc biệt hiện nay việc chế tạo bánh răng côn
cong sẽ có một thị trường với tiềm năng lớn và sẽ được phát triển khi công
nghiệp sản xuất ô tô trong nước đang được hình thành và có định hướng đi lên.
Trước đây, việc đầu tư chiề
u sâu cho công nghiệp sản xuất bánh răng, đặc biệt
là gia công bánh răng côn răng cong còn bị hạn chế cả về nghiên cứu cũng
như chế tạo sản phẩm. Sản xuất bánh răng côn răng cong ở trong nước mới
chỉ dừng lại ở mức sản xuất đơn chiếc, mang tính chất chế tạo phụ tùng thay
thế dựa trên các thế hệ máy cũ của Liên xô 9 (cũ) và Cộng hoà Dân ch
ủ Đức
trước đây. Không chỉ việc nghiên cứu chế tạo mà tính toán thiết kế, lập quy
trình công nghệ chế tạo cũng chưa thực sự hoàn chỉnh, đặc biệt còn chưa áp
dụng các phần mềm chuyên dụng cho khâu tính toán, thiết kế, điều chỉnh tự
động theo chương trình máy cắt răng. Điều đó làm cho chất lượng sản phẩm
bánh răng côn răng cong thấp, giá thành cao và không đáp ứ
ng được nhu cầu
của sản xuất cũng như thị trường đòi hỏi.

Trong khi đó trên thế giới việc gia công bánh răng đã được ứng dụng các
công nghệ mới, tiên tiến, như việc: tính toán thiết kế bằng các phần mềm
chuyên dụng cho thiết kế bánh răng, gia công trên máy CNC,

Việc cho triển khai đề tài: “Nghiên cứu khảo sát, tính toán thiết kế và
chế tạo bánh răng côn cong dùng trong công nghiệp” là cầ
n thiết, có ý nghĩa
và hiệu quả kinh tế xã hội, đáp ứng đòi hỏi của thực tế hiện nay.

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

5
Trong quá trình triển khai thực hiện, nhóm đề tài xin chân thành cám ơn
Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công nghiệp, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Trung
tâm nghiên cứu Kỹ thuật Cơ khí chính xác- Đại học Bách khoa Hà Nội, nhà
máy cơ khí chính xác 79, Z111 - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, các cơ
sở có liên quan, các công tác viên của đề tài đã hợp tác, giúp đỡ hoàn thành
công việc.

Thay mặt nhóm đề tài
Chủ nhiệm ĐT






TS. Đào Duy Trung
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

6

Chương 1 TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan nghiên cứu ở nước ngoài
Theo những thông tin mới nhất cập nhật trên mạng, hiện nay trên thế
giới ở một số nước như Mỹ, Nhật Bản, Cộng hoà Liên bang Đức, Ấn Độ, Hàn
Quốc, Trung Quốc,…việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bánh răng côn cong
tập trung một số hướng sau:
- Mô phỏng 3D mặt răng của bánh răng côn cong;
- Mô phỏng quá trình ch
ế tạo 3D bánh răng côn cong;
- Thiết kế tối ưu hoá bánh răng côn cong có răng cao dựa trên thuật toán di
truyền học;
- Thiết kế và mô phỏng sai số truyền động hình học bánh răng côn cong;
- Mô hình hoá và mô phỏng các thông số 3D nhờ phần mềm Pro/eng.;
- Mô phỏng lưới tải trọng và thử quan hệ động lực học bánh răng côn cong
có chiều cao răng dài;
- Mô hình hoá CAD 3D bánh răng côn cong hệ Gleason khi cắt răng th
ực
tế;
- Nghiên cứu chế tạo bánh răng côn cong bằng NC;
- Nghiên cứu điều khiển số chế tạo bánh răng côn cong trên trung tâm gia
công;
- Lựa chọn tự động thông số truyền động của bánh răng côn cong và
Hypoit;
- Phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu độ bền bánh răng côn cong;
- Phân tích đáp tuyến điều hoà trục chính máy mài lắp bánh răng côn
cong;
-
Nghiên cứu bánh răng côn cong dạng WN được chế tạo bằng trung tâm
gia công,…

Dưới đây là một số hình ảnh dây chuyền thiết bị và sản phẩm bánh răng
được sản xuất trên thế giới (Hình 1.1 và 1.2).
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

7

Máy cắt răng côn cong Phoenix 1000 HC













Máy cắt răng côn cong Phoenix II 275HC

Hình 1.1 – Hai máy cắt răng côn cong hãng Phoenix
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

8

Hình 1.2 - Dây chuyền sản xuất và sản phẩm bánh răng côn cong

1.2 Tổng quan trong nước việc thiết kế, chế tạo bánh răng côn cong
Qua điều tra khảo sát thực tế, tại Việt Nam một số cơ sở thiết kế, chế
tạo bánh răng côn cong, như sau:
- Trung tâm Kỹ thuật Cơ khí chính xác, khoa Cơ khí- Đại học Bách
khoa Hà Nội;
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

9
- Xí nghiệp cơ khí Z29, nhà máy cơ khí chính xác 11, Tổng cục Công
nghiệp Quốc phòng - Bộ Quốc phòng;
- Công ty Cổ phần Cơ khí Hồng Lĩnh, Đại Mỗ, Hà Nội;
- Công ty Cơ khí Nghiệp Hà Tây;
- Cơ khí Trung tâm Cẩm Phả.
Tuy nhiên, tại các cơ sở trên hiện nay trong quá trình nghiên cứu, tính
toán, thiết kế và chế tạo chưa thực sự hoàn chỉnh, quy trình công nghệ chế
tạo, việc tính toán các thông số, đặc biệt các thông số hình học ( cho dao cắt
và bánh răng ) và tính
độ bền chưa được quan tâm đúng mức, chưa xây dựng
phần mềm cho tính toán, thiết kế, phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng
còn chưa hoàn chỉnh và chưa phù hợp với tiêu chuẩn; các thiết bị nhiệt luyện
tại các cơ sở chưa đầy đủ và đồng bộ; chưa có thiết bị kiểm tra đánh chất
lượng, bánh răng chế tạo ra có độ chính xác và độ ổn đị
nh chưa cao. Thực
trạng cụ thể được trình bày dưới đây.
Xí nghiệp cơ khí chính xác Z29, thuộc nhà máy Z111, Tổng cục Công
nghiệp Quốc phòng là đơn vị chuyên sản xuất các mặt hàng cơ khí cho
ngành quốc phòng và cho nền kinh tế, trong đó có thiết kế, chế tạo các bánh
răng côn cong, được đầu tư các thiết bị gia công của Liên xô (cũ), (các Hình
1.3 đến 1.6) từ gia công cắt thô đến cắt tinh và chạy rà từng đôi một.
Đặc
biệt cơ sở này còn được trang bị dây chuyền nhiệt luyện (thấm than thể khí,
tôi trung tần, ủ, ) bánh răng sau khi gia công cơ khí. Các cặp bánh răng chế
tạo của công ty này được dùng để thay thế cho các cặp bánh răng côn cong
có môđun và số răng khá lớn, dùng cho ôtô mỏ và các thiết bị trong công
nghiệp khai thác than và khoáng sản. Vật liệu chế tạo các cặp bánh răng này

của xí nghiệp được nhập chủ yếu từ Cộ
ng hoà Liên bang Nga, Nhật Bản và
Trung Quốc. Xí nghiệp không có thiết bị kiểm tra độ chính xác chế tạo bánh
răng.
Trung tâm Kỹ thuật cơ khí chính xác, Khoa Cơ khí - Đại học Bách
khoa Hà Nội được trang bị các thiết bị gia công bánh răng côn cong của Nga
đã được tin học và CNC hoá, chế tạo các cặp bánh răng thay thế phụ tùng cho
các máy móc công nghiệp trong ngành ôtô, thiết bị hoá chất, thực phẩm, công
nghiệp chế biến nông sản,
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

10








Hình 1.3 Hình 1.4

H×nh 1.5 - C¸c s¶n phÈm chÝnh cña C«ng ty Z79 Hình 1.6










Hình 1.7 Hình 1.8
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

11







Hình 1.9 Hình 1.10

Đó là máy cắt bánh răng côn cong ZFTKKR250 X5 của Cộng hoà
Dân chủ Đức (cũ), dùng cho các máy móc thiết bị chịu tải và công suất
không lớn, hệ Gleason của Mỹ (các Hình 1.7 đến 1.10 ). Các cặp bánh răng
được gia công này có môđun và số răng bé hơn, song độ chính xác gia công
cao hơn, làm việc êm, truyền chuyển động giữa hai trục vuông góc với nhau
có độ chính xác động học khá. Trung tâm được trang bị các thiết bị nhiệt
luyện bánh răng, như tôi thể tích, thấm C-N và ram. Trung tâm không có
thiế
t bị kiểm tra độ chính xác chế tạo bánh răng.
Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Máy kéo và Máy nông nghiệp
(Nhà máy Cơ khí Nông nghiệp Hà Tây cũ) thuộc Tổng Công ty Máy Động
lực và máy nông nghiệp (VEAM) là nhà máy cơ khí nông nghiệp truyền
thống. Ngay từ đầu những năm 70 của thế kỷ trước, cùng với các thiết bị gia
công chế tạo các sản phẩm cơ khí nông nghiệp, công ty còn được trang bị một
số máy 525, 528 và máy chạy rà 5PKM của Liên Xô cũ (các Hình 1.11 đến
1.14) gia công bánh ră
ng côn cong. Các sản phẩm này chủ yếu dùng để thay
thế các chi tiết cho đầu máy Diezen công suất nhỏ, một số hộp tốc độ trong
máy công cụ, và sản lượng độ 150 bộ/năm.







Hình 1.11 Hình 1.12


BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007

“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

12







H×nh1.13 - M¸y rµ nghiÒn 5PKM H×nh 1.14 - C¸c s¶n phÈm b¸nh r¨ng c«n cong
Các bánh răng chế tạo trên các thiết bị của Công ty này có môđun max
đến 14mm và đường kính ngoài lớn nhất đến 400mm. Công ty không có thiết
nhiệt luyện sau gia công cơ khí và kiểm tra độ chính xác.
Nhà máy Cơ khí Trung tâm Cẩm Phả là một trong các trung tâm chế tạo
cơ khí lớn nhất không chỉ ở vùng Đông Bắc mà còn của cả nước. Công ty
được trang bị các máy móc thiết bị cơ khí gia công các chi tiết lớn, siêu
trường siêu trọng, như: máy cắt, lốc uốn, rèn dập, gia công bánh r
ăng thẳng và
côn có đường kính 4 đến 5m, Ngoài ra, nhà máy còn được trang bị một số
máy gia công bánh răng côn cong của Liên xô cũ, như máy 525, 528 và máy
chạy rà cặp bánh răng côn cong (các Hình 1.15 và 1.17) có thể gia công bánh
răng có đường kính ngoài lớn nhất đến 800 mm.

H×nh 1.15 - M¸y c¾t r¨ng 525 cña Nga H×nh 1.16 - M¸y c¾t r¨ng 528 cña Nga
BO CO TNG KT TI CP B NM 2007
Nghiờn cu, kho sỏt, thit k bỏnh rng cụn cong trong cụng nghip


VIN NGHIấN CU C KH - B CễNG THNG

13








Hình 1.16 - Má
y
chạ
y
rà cặp bánh răng
côn cong
Hình 1.17 - Các sản phẩm bánh răng
côn cong

1.3 u nhc im ca bỏnh rng cụn cong
1.3.1 u im
- Cú kh nng thc hin c t s truyn ln trong mt khụng gian
tng i hp;
- Truyn lc ln, h s trựng khp cao;
- bn v tui th cao. Do cú bn ln, nờn vi cựng mt cụng sut,
cú th gim c kớch thc v trng lng ca b truy
n;
- mũn ca bỏnh rng ớt, s mũn ca cp profin i tip ng u;
- n khp ờm, gim n ngay c khi cú s vũng quay ln v cú kh
nng iu chnh vựng n khp;
- nhy i vi sai s khi lp nh.
V gia cụng bỏnh rng,cú mt s u im sau:
- Khụng b ct chõn rng khi s rng nh (Z
min
= 5 rng);
- Nng sut cao vỡ chuyn ng ct l liờn tc;
- i vi dng rng cung trũn, cú th mi rng.
1.3.2 Nhc im
- Lc chiu trc ca truyn ng ln hn so vi truyn ng bỏnh rng
thng, do ú gõy mũn rng v khú khn cho vic thit k ;
- Tớnh toỏn thit k phc tp hn;
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

14
- Thiết bị chế tạo bánh răng loại này đắt tiền.

1.4 Các hệ bánh răng côn cong và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.4.1 Các hệ bánh răng côn cong
Bánh răng côn răng cong được sử dụng nhiều trong các thiết bị công
nghiệp, nhưng tập trung có ba hệ chính sau:
- Bánh răng côn hệ Gleason ( của Mỹ ): Bánh răng côn răng cong có
đường răng là cung tròn.
- Bánh răng côn hệ Klingelnberg: Bánh răng côn răng cong có đường răng
là đường thân khai kéo dài.
- Bánh răng côn h
ệ Oerlikon: Bánh răng côn răng cong có đường răng là
đường cong Epicycloid kéo dài.
1.4.2 Ưu nhược điểm của từng hệ bánh răng côn răng cong và phạm vi
nghiên cứu của đề tài
Trong ba hệ bánh răng côn răng cong kể trên, bánh răng hệ
Klingelnberg, Oerlikon có ưu điểm độ chính xác cao, cho phép làm việc ở tốc
độ lớn và độ ồn thấp hơn so với bánh răng hệ Gleason. Nhưng nhược điểm
của hai hệ bánh ră
ng này là : chế tạo máy và dụng cụ gia công rất phức tạp,
năng suất gia công thấp, giá thành sản phẩm cao và khó ứng dụng công nghệ
cao trong điều khiển máy gia công.
Đối với hệ bánh răng côn răng cong Gleason: chế tạo máy và dụng cụ
gia công sẽ đơn giản hơn và có năng suất gia công cao hơn hẳn so với hai hệ
trên. Trước đây các nước phương tây thường dùng dạng răng Klingelnberg,
Oerlikon phục vụ cho công nghiệp ôtô. Ngày nay bằ
ng sự tiến bộ vượt bậc
của khoa học kỹ thuật đã cho phép chúng ta ứng dụng công nghệ CAD/CAM,
NC,… trong lĩnh vực gia công bánh răng (như phần 1.1 ở trên đã trình bày).
Điều này cho tạo điều kiện để có thể cải thiện một bước đáng kể chất lượng
của sản phẩm, từ đó có thể ứng dụng bánh răng côn răng cong hệ Gleason
trong mọi lo

ại thiết bị có yêu cầu độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ ồn
thấp. Trong khi giá thành của sản phẩm bánh răng côn răng cong hệ Gleason
lại rẻ hơn rất nhiều so với hai loại trên.
Cho đến nay, toàn bộ các thiết bị gia công bánh răng côn cong của Việt
Nam nhập từ Liên xô và CHDC Đức (cũ) đều thuộc hệ Gleason . Do vậy, để
có thể đáp ứng được nhu cầu chế tạo ph
ụ tùng thay thế cho các thiết bị giao
thông vận tải, khai thác mỏ, xây dựng, dệt may mặc, thực phẩm, nông nghiệp,
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

15
v.v thì cần thiết phải nghiên cứu bánh răng côn răng cong hệ Gleason với
các thiết bị hiện có trên.
Do vậy, trong đề tài này chúng tôi chỉ đi sâu nghiên cứu loại bánh răng
côn răng cong hệ Gleason, có hai trục vuông góc với nhau, được gia công
bằng các thiết bị trên cho phù hợp với tình hình đầu tư thiết bị hiện có và việc
sản xuất bánh răng côn răng cong ở Việt nam.
Nội dung các Chương đề cập đến tổng quan các vấn
đề nghiên cứu; trình
bày nguyên lý tạo hình và cơ sở tính toán thiết kế; tính toán, thiết kế, lập quy
trình công nghệ chế tạo, nhiệt luyện, điều chỉnh máy gia công, chế tạo hai cặp
bánh răng côn cong dùng cho hộp số máy cào than,

Nội dung nghiên cứu chính
Để đáp ứng yêu cầu đặt ra của đề tài, nội dung chính của báo cáo đề cập
đến các vấn đề sau:

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan và phạm vi nghiên cứu củ
a đề tài
Chương 2: Nguyên lý tạo hình và tính toán, thiết kế
Chương 3: Tính toán, thiết kế và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo. Chế
tạo cặp bánh răng
Kết luận và kiến nghị




BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

16
Chương 2 NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN
THIẾT KẾ
2.1 Nguyên lý tạo hình bánh răng côn cong
2.1.1 Đối với hệ Gleason
Việc gia công bánh răng côn hệ Gleason dựa theo nguyên lý ăn khớp
cưỡng bức giữa bánh răng dẹt sinh tưởng tượng (do chuyển động của dao tạo
nên) và phôi bánh răng gia công (Hình 2.1). Dụng cụ cắt là dao phay mặt đầu,
trên đó có gắn lưỡi dao cắt. Khi cắt răng, đầu dao cắt sẽ thực hiện hai chuyển
động tạo hình:
- Chuyển động quay quanh trục O (theo chiều S
1

);
- Chuyển động quay quanh trục đầu dao O
f
với vận tốc cắt V [m/phút]
(theo chiều S
2
). Chuyển động S
2
là chuyển động tạo hình đơn giản tạo ra
chiều dài răng.
Ngoài ra phôi còn chuyển động quay S
3
quanh trục của nó. Để tạo profin
răng, bánh dẹt sinh (giá lắc lư) và phôi được cắt có mối liên hệ động học với
nhau thông qua xích bao hình. Nếu bánh dẹt sinh chuyển động với vận tốc
góc
d
ω
và bánh răng được cắt
k
ω
, mối quan hệ động học giữa chúng được
viết :
k
d
k
d
bh
z
z

i ==
ω
ω

(,)
k
= 12

Trong đó :
z
d
- số răng của bánh dẹt
sinh;
z
k
-số răng của bánh
răng 1 hoặc 2 (chủ động,
bị động);
i
bh
- tỷ số truyền chung
của xích bao hình.



Hình 2.1 - Nguyên lý tạo hình cắt bánh răng hệ Gleason

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

17
Trong quá trình bao hình, bánh dẹt sinh thực hiện chuyển động quay không
toàn phần xung quanh trục.









Hình 2.2 - Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn cong hệ Klingelnberg
Sau mỗi lần gia công xong một rãnh răng, xích bao hình bị phân giải,
giá lắc đảo chiều, quay về vị trí ban đầu, bánh răng được cắt thực hiện phân
độ liên tục và chuẩn bị chu kỳ gia công mới, cứ như thế cho đến khi gia công
hết răng.
2.1.2 Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg
Nguyên lý chế tạo bánh răng Klingelnberg khác với nguyên lý chế tạo
bánh răng Gleason cơ bản là sử dụng đầu dao phay lăn côn, làm việc theo
nguyên lý bao hình liên tục. Bánh răng có chiều cao răng giống nhau trên toàn
bộ chiều rộng vành răng.
Chế tạo bánh răng côn xoắn hệ Klingelnberg dựa trên nguyên lý ăn khớp
cưỡng bức giữa bánh dẹt sinh tưởng tượng (giá lắc) đóng vai trò là dao và
bánh răng đóng vai trò là phôi (Hình 2.2).
Để tạo hình bánh răng Klingelnberg dao phay trục vít thực hi
ện chuyển

động S
3
quay quanh trục của nó tạo ra tốc độ cắt gọt, đầu dao thêm chuyển
động phụ S
1
để dao phay trục vít lăn trên mặt côn bánh dẹt sinh. Bánh dẹt
quay quanh trục tâm máy với chuyển động S
4
. Bánh răng chuyển động quanh
trục của nó S
2
.
Để tạo hình biên dạng răng của bánh răng máy cần phải thực hiện các
mối liên kết động học giữa các khâu chấp hành:
1. Mối liên hệ động học giữa Dụng cụ cắt - bánh dẹt sinh :
Nếu gọi vận tốc góc đầu dao
ω
n
,
ω
d
- vận tốc góc của bánh dẹt sinh;
k
-
số đầu mối của dao phay trục vít ta có :
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

18

ddn
dn
d
zk
z
k
ωω
ω
ω
⋅=⋅⇒=
2. Mối liên hệ động học giữa bánh dẹt sinh - giá lắc :

ωωω
ω
ω
dk d k
n
d
k
z
=+=+

trong đó:
ω
dk
- vận tốc góc tương đối giữa bánh dẹt sinh và giá lắc;

ω
k
- vận tốc góc giá lắc.
3. Mối liên hệ giữa bánh dẹt sinh - phôi có thể viết :

ph
dk
phd
ph
dph
zn
z
kn
zn
δδ
sinsin
+
⋅
⋅
=⋅

trong đó :
ph
δ
- góc côn chia của bánh răng được cắt;

n
k
- số vòng quay giá lắc.
2.1.3 Nguyên lý chế tạo bánh răng Oerlikon

Hình 2.3 - Sơ đồ nguyên lý gia công bánh răng côn cong hệ Oerlikon
Đây là loại bánh răng côn xoắn có dạng răng theo đường cong
Epicycloid kéo dài, chiều cao răng không thay đổi trên toàn bộ vành răng.
Nguyên lý chế tạo được nêu trên Hình 2.3 cho dạng răng này. Tưởng tượng
rằng một đường tròn trên đó có gắn chặt các profin cơ bản của bánh răng với
đường tròn cơ sở K
0
.
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

19
Trên bánh dẹt có các đường xoắn theo dạng đường Epicycloid kéo dài
với profin thẳng trong mặt phẳng pháp tuyến. Trên đầu dao bố trí các nhóm
dao cắt mặt lồi và mặt lõm biên dạng răng.
Để chế tạo bánh răng Oerlikon máy có chuyển động sau: Bánh dẹt sinh

chuyển động quay quanh trục tâm máy (S
1
,S
1
*); chuyển động tạo ra tốc độ cắt
gọt của đầu dao (S
2
,S
2
*);
Chuyển động của phôi quanh trục của nó (S
3
,S
3
*). Với chiều chuyển
động của phôi, dao, bánh dẹt sinh phù hợp cho ta các dạng răng Êpicicloit kéo
dài hoặc hypoit kéo dài.
Để tìm mối liên hệ động học giữa các cơ cấu chấp hành, giả thiết rằng
trục
O
n
không chuyển động, đầu dao cùng với đường tròn
K
0
quay quanh
O
n
và mang đường tròn K
0
quay quanh tâm S

d
, quan hệ chuyển động giữa
đầu dao - bánh dẹt sinh có thể viết:
ω
ω
d
d
n
z
2
=
trong đó:
n
- số nhóm dao trên đầu dao.
Cho bánh răng được cắt ăn khớp với bánh dẹt sinh, theo quy luật ăn
khớp bánh răng được cắt có số răng
z
ph
và số răng của bánh dẹt sinh z
d
, có
quan hệ sau:

phdph
d
z
n
z
z
==

2
33
;
ω
ω
ω
ω

Trong đó :
n
- là số nhóm dao trên đầu dao. Nếu coi sự ăn khớp đồng
thời của đầu dao - bánh dẹt sinh - bánh răng được gia công, ta có phương
trình :

dph
d
znz
111
::
23
===
ωωω

2.2 Truyền động bánh răng côn răng cong tròn
So với truyền động bánh răng côn răng thẳng thì truyền động bánh răng
côn răng cong tròn (sau đây gọi tắt là truyền động bánh răng côn răng cong)
có độ bền lớn hơn, tiếng ồn nhỏ hơn và cho phép có sai số lớn trong lắp ráp.
2.2.1 Số răng của bánh răng nhỏ và bánh răng lớn
Khi thiết kế bánh răng côn cong cần tính đến khả năng gia công bánh
răng trên máy với các bánh răng thay thế kèm theo máy. Với số răng của

bánh răng là 6
÷100, có thể thực hiện việc gia công răng khi bánh răng có số
răng bất kỳ. Đối với số răng của bánh răng là 100
÷
200 thì chỉ có số răng có
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

20
thể phân thành các thừa số mới có thể gia công được trên máy gia công bánh
răng mà không phải bổ sung thêm bánh răng thay thế đặc biệt. Ví dụ, không
nên thiết kế bánh răng với z = 107 bởi vì phải cần đến bánh răng thay thế mới
(không kèm theo máy) cho chạc bánh răng thay thế xích phân độ (chia) của
máy.
Bảng 2.1 giới thiệu số răng nhỏ nhất cho phép của truyền động bánh răng
côn trực giao, răng cong có prôfin gốc theo GOST 16202-70.
Bảng 2.1 - Số răng nhỏ nhất cho phép của truyền động bánh răng côn cong trực
giao
Số răng bánh
răng nhỏ, Z
1

Số răng nhỏ nhất của
bánh răng lớn, Z
2

Số răng bánh

răng nhỏ, Z
1

Số răng nhỏ nhất của
bánh răng lớn, Z
2

6
34 khi
0
42
n
β
≥
12
30 khi
0
n
β
= ÷
15
0
28 khi
0
20
n
β
≥
26 khi 29
0

<
0
45
n
β
≥
7
33 khi
0
40
n
β
≥

13
26 khi
0
n
β
=
÷
15
0
25 khi 15
0
<
0
29
n
β

≥

22 khi 29
0
<
0
45
n
β
≥
8
32 khi
0
38
n
β
≥

14
20 khi
β
n = 0 ÷45
0

9
31 khi
0
35
n
β

≥

15
19 khi
β
n = 0 ÷45
0

10
32 khi
0
28
n
β
≥

30 khi
0
32
n
β
≥
16
18 khi
β
n = 0 ÷45
0

11
30 khi

0
25
n
β
≥
28 khi 29
0
<
0
45
n
β
≥
17
17 khi
β
n = 0 ÷45
0

Số răng của bánh răng côn thấm cacbon (xêmentit) xác định theo biểu đồ
trên Hình 2.4.
Số răng của bánh răng côn nhỏ được tôi cải thiện (tôi và ram cao) cũng
có thể được chọn như trên hoặc tăng số răng lên 10-20%.
Độ mở của đầu dao cắt răng W
2
và các giá trị tương ứng của hệ số thay
đổi chiều dày tính toán của răng bánh răng nhỏ x
t1
đối với mô đun pháp m
n

được trình bày trong Bảng 1.1 của Phụ lục 1.
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

21


Hình 2.4 - Biểu đồ xác định số răng của bánh răng côn nhỏ (
n
α
= 20
0
,Σ = 90
0
)

Z
1
=
645
)425,6(sin22
16
922
2
2
2

el
n
d
gu
u
gu
ll −+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+−
β

Ví dụ: cho
1
300 ;
e
dmm= 4;u
=
0
25

n
β
= ,
Theo biểu đồ xác định được Z
1
= 25,5
≈
25.
2.2.2 Môđun
Trong tính toán bánh răng côn răng cong thường sử dụng môđun pháp m
n

ở giữa vành răng. Tuy nhiên trong các bộ truyền giảm tốc tiêu chuẩn trong đó
đường kính chia ngoài d
e2
đã được tiêu chuẩn hoá, do đó cần xác định môđun
mặt đầu (mút) ngoài m
te
= d
e2
/Z
2
và dùng môđun này trong các tính toán tiếp
theo.
Dãy các trị số môđun m
n
được qui định trong TCVN 2257-77 và tương
ứng với các giá trị của m
n
và m

te
là đường kính danh nghĩa của đầu dao d
0
và
chiều cao ngoài lớn nhất của răng h
e
(GOST 11902-66) được giới thiệu trong
Bảng 2.2.
Khi m
n
< 2mm, thông số ban đầu để tính toán chỉ có thể là môđun pháp
trung bình.
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

22
Bảng 2.2 - Các kích thước tính theo milimét
Các thông số của cặp bánh răng côn xoắn
*

Môđun lớn nhất
Đường kính danh
nghĩa của đầu dao,
d
o

Chiều cao ngoài lớn

nhất của răng h
e

Mặt mút ngoài, m
te
Pháp, m
n
20 3 0,80
25 3 1,0
32 4 1,25
40 5 1,5
50 6 2,0
60 7 2,25
80 8



-
2,5
100 9 4,0 3,0
125 10 4,5 3,5
160 13 5,0 4,0
200 16 6,0 5,0
250 20 8,0 6,0
315 24 10,0 8,0
400 30 13,0 10,0
500 36 16,0 12,0
630 45 20,0 16,0
800 60 26,0 20,0
1000 70 30,0 25,0

*Các giá trị để tham khảo
2.2.3 Góc nghiêng và hướng răng
Góc nghiêng tính toán của răng
n
β
có thể ở trong giới hạn 0÷ 45
0
. Thông
thường nên dùng một trong các giá trị của dãy sau: 0; 10; 25; 30; 35; 40; 45.
Nêu ưu tiên sử dụng
n
β
=35
0
.
Góc
n
β
cần được chọn sao cho hệ số trùng khớp dọc
β
ε
không được nhỏ
hơn 1,25. Khi cần đạt được mức làm việc êm của truyền động là lớn nhất, có
thể dùng hệ số trùng khớp dọc
β
ε
≥1,6 (Hình 2.5).
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

23

Hình 2.5 - Biểu đồ xác định hệ số trùng khớp dọc
β
ε
:
sin
n
n
b
m
β
β
ε
π
= ; Ví dụ: cho b= 30mm, m
n
= 4mm,
n
β
= 40
0
.
Theo sơ đồ khi b/ m
n

≈

7,5, xác định được
β
ε
= 1,54
Khi lựa chọn góc
n
β
cũng cần tính đến sự tăng của tải trọng tác dụng lên
trục và ổ trục theo các công thức tính toán lực chiều trục và lực hướng tâm
trong ăn khớp bánh răng côn răng cong được giới thiệu trong Bảng 2.3. Cũng
có thể xác định trị số và hướng của lực chiều trục trong truyền động bánh răng
côn trực giao, có góc prôfin gốc
0
20
α
=
theo biểu đồ trên Hình 2.6.
Bảng 2.3 - Các công thức xác định lực ăn khớp
Lực Bánh răng chủ động Bánh răng bị động
Vòng
2
2
1
2
22
d
T
d
T
F

t
==
trong đó T
1
, T
2
là momen trên bánh răng nhỏ & răng lớn

Chiều
trục
F
x
=F
t
sin
cos
cos
nn
n
tg tg
δ
α
βδ
β
⎛⎞
±
⎜⎟
⎝⎠
F
x

=F
t
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
δβ
β
δ
α
cos
cos
sin
n
n
n
tgtg m
Hướng
tâm
F
r
=F
t
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
δβ
β
δ
α
sin
cos
sin
n
n
n
tgtg m
F
r
=F
t
sin
sin
cos
nn
n
tg tg
δ
α
βδ
β

⎛⎞
±
⎜⎟
⎝⎠
Chú thích
1.Dấu bên trên trong các công thức được dùng trong trường hợp khi hướng quay của bánh
răng (nếu nhìn từ đỉnh côn chia) trùng với hướng răng như chỉ dẫn trên Hình 2.7; dấu bên dưới
- khi không có sự trùng nhau;
2. Hướng quay theo chiều kim đồng hồ – phải: ngược chiều kim đồng hồ - âm;
3. Hướng tác dụng của các lực F
x
và F
t
được xác định theo các dấu (+ hoặc -) ghi trên Hình 2.7
do kết quả tính toán theo các công thức.


BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2007
“ Nghiên cứu, khảo sát, thiết kế bánh răng côn cong trong công nghiệp”


VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ - BỘ CÔNG THƯƠNG

24
Đối với các đường cong A
Bánh răng Hướng răng Hướng quay
Trái Trái Chủ động
Phải Phải
Trái Phải Bị động
Phải Trái

Đối với các các đường cong B
Bánh răng Hướng răng Hướng quay
Trái Phải Chủ động
Phải Trái
Trái Trái Bị động
Phải Phải
Ví dụ:
- Cho
1
δ
= 18
0
,
2
δ
= 72
0
;
n
β
= 35
0
; Bánh răng nhỏ: nghiêng phải, hướng
quay - phải; Bánh răng lớn: nghiêng trái, hướng quay - trái;
- Theo biểu đồ xác định được: F
xt
= 0,79F
t
; F
x2

= 0,19F
t




Hình 2.6 - Lực chiều trục trong ăn khớp bánh răng côn cong
n
α
= 20
0
; Σ 90
Khi hướng răng trùng với hướng quay nếu nhìn từ đỉnh côn chia của
bánh răng chủ động trong truyền động giảm tốc và từ đỉnh côn chia của bánh
răng bị động trong truyền động tăng tốc thì lực chiều trục trên các bánh răng
sẽ hướng từ đỉnh của các côn chia.
Các bánh răng đối tiếp có hướng răng ngược nhau.