Chẩn đoán hư hỏng của bánh răng và ổ lăn bằng phương pháp phân tích phổ đường bao bằng phương pháp pháp phân tích phổ đường bao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ HỌC ỨNG DỤNG
o0o
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Chẩn đoán hư háng của bánh răng và ổ lănbằng phương pháp
phân tích phổ đường bao
bằng phương pháp phân tích phổ đường bao
Giáo viên hướng dẫn :TS. Nguyễn Phong Điền TS. Nguyễn
Phong Điền
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Minh Đức
Líp : Cơ Tin A - K44
1
Hà Nội 5-2004
2
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TÙ DO - HẠNH PHểC
o0o
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN
Họ và tên: Nguyễn Minh Đức
Khoá: 44Khoa : Cơ Khí 44 Khoa : Cơ Khí
Ngành: Cơ tin kĩ thuật ABộ môn : Cơ học ứng dụng Bộ môn : Cơ học ứng dụng
1. Đầu đề thiết kế
Chẩn đoán hư háng của bánh răng và ổ lăn bằng phương pháp phân tích phổ đường bao.
2. Các số liệu ban đầu

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
Đồ án bao gồm:
Chương 1: Giới thiệu về kết cấu, các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng và ổ lăn, các bộ
truyền bánh răng thông dụng, các dạng hư háng thường gặp của bánh răng và ổ lăn như mũn,
dớnh, trúc, rỗ, gẫy vỡ.
Chương 2: Phân tích các nguồn gây rung cơ bản, các cơ chế kích động dao động sinh ra trong
hộp số bánh răng và ổ lăn khi vận hành, do các nguyên nhân khác nhau.
Chương 3: Giới thiệu các phương pháp chẩn đoán, cơ sở lý thuyết tín hiệu bao gồm tín hiệu
trong miền thời gian và tín hiệu số, các bộ lọc số, các phép biến đổi tín hiệu như Fourier và
Hilbert, phân tích mô hình các dạng tín hiệu cơ bản sử dụng cho chẩn đoán kĩ thuật như tín hiệu
3
điều biến biên độ và biến điệu tần số, các phép phân tích tín hiệu số như phép phân tích phổ tần
số, phân tích Cepstrum và phổ đường bao
Chương 4: Nghiên cứu, đánh giá các ví dụ áp dụng phương pháp phân tích phổ đường bao vào
chẩn đoán hư háng của bánh răng và ổ lăn.
4. Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Phong Điền
5. Ngày được giao nhiệm vô
6. Ngày hoàn thành nhiệm vô
Ngày thỏng 5 năm 2004
Chủ nhiệm bộ mụnGiỏo viờn hướng dẫn Giáo
viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tờn)(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký,
ghi rõ họ tên)
Sinh viên đã hoàn thành
(và nép bản thiết kế cho khoa)
Ngày tháng 5 năm 2004

4
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TÙ DO - HẠNH PHểC
o0o
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Minh Đức
Khoá: 44Khoa: Cơ Khí 44 Khoa: Cơ Khí
Ngành: Cơ tin kĩ thuật ABộ môn: Cơ học ứng dụng Bộ môn: Cơ học ứng dụng
Cán bộ duyệt thiết kế:
1. Đề tài thiết kế tốt nghiệp
Chẩn đoán hư háng của bánh răng và ổ lăn bằng phương pháp phân tích phổ đường bao.
2. Nhận xét
a) Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:












5

b) Nhận xét của cán bộ duyệt thiết kế:

6
Lời nói đầu
Hiện nay, bài toán đặt ra cho việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm
đang là yếu tố quyết định cho sự thành bại của một doanh nghiệp. Vì vậy, bất cứ một
công ty nào bị tạm ngừng sản xuất vì một điều kiện kĩ thuật nào đó sẽ là một tổn hại
không nhỏ, gõy lóng phí về nguyên vật liệu, các tổn thất kinh tế dẫn đến làm chậm chiến
lược phát triển của công ty. Chính vì vậy, mỗi công ty cần có một phương châm, sách
lược để ngăn ngõa, giảm đến mức tối đa những nguyên nhân gây ra sự đình trệ đó.

Nguyên nhân quan trọng nhất là sự hỏng húc thiết bị. Cùng với sự phát triển của công
nghệ điện tử, công nghệ thông tin và công nghệ vật liệu, kĩ thuật giám sát và phân tích
chẩn đoán tình trạng máy móc thiết bị đó cú những bước tiến nhảy vọt trong việc dự báo
hư hại cho các hệ thống dây chuyền sản xuất. Vì vậy, trong những năm gần đây, hệ thống
giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị trở thành một bộ phận không thể thiếu trong bất
kì một dây chuyền nào của các nước công nghiệp tiên tiến.
Đồ án tốt nghiệp này nghiên cứu về kĩ thuật chẩn đoán hỏng húc của bánh răng và ổ
lăn bằng phương pháp phân tích phổ đường bao. Đây là phương pháp rất hiệu quả giúp
cho việc xác định mức độ hỏng húc bánh răng và ổ lăn của thiết bị máy móc. Phương
pháp này được coi là giải pháp tối ưu cho việc chẩn đoán và ngày càng được áp dụng
rộng rãi.
Đồ án được hoàn thành tại bộ môn Cơ học ứng dụng thuộc khoa Cơ khí, trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội với sự chỉ bảo hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Phong
Điền.
Trong những ngày vừa qua, sự chỉ bảo hướng dẫn của thầy đó giỳp em hoàn thành
Đồ án tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy.
Hà Nội ngày 22 tháng 05 năm 2004
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Đức
7
Chương I: Kết cấu và các dạng háng thường gặp của bánh răng và ổ lăn
của bánh răng và ổ lăn
1.1 Kết cấu và các dạng háng thường gặp của bánh răng
1.1.1 Kết cấu của bánh răng
a) Các đặc điểm
Trong các kết cấu cơ khí, bộ truyền bánh răng thường được sử dụng để truyền chuyển động và
tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng (hoặc thanh răng). Các loại bộ truyền bánh
răng thông dụng được thể hiện trong hình 1.1a - g.

(a) Bộ truyền bánh trụ răng thẳng(b) Bộ truyền bánh trụ răng nghiêng (b) Bộ truyền bánh trụ răng nghiêng

(c) Bộ truyền bánh trụ răng chữ V

8
(d) Bộ truyền bỏnh cụn răng thẳng(e) Bộ truyền bỏnh cụn răng nghiêng (e) Bộ truyền bánh côn răng
nghiêng

(f) Bộ truyền bánh răng - thanh răng (g) Bộ truyền bánh răng hành tinh .
Hình 1.1: Các loại bộ truyền bánh răng thông dụng
Ưu điểm của bộ truyền bánh răng là có kích thước nhỏ, khả năng tải lớn, hiệu suất cao (97 -
99%), tuổi thọ cao, làm việc ổn định. Tuy nhiên, truyền động bánh răng cũng cú cỏc nhược điểm
là chế tạo tương đối phức tạp do yêu cầu về độ chính xác cao, gây ra ồn khi làm việc ở vận tốc
lớn.
Hiện nay, trong các bộ truyền bánh răng người ta thường hay sử dụng loại bánh răng cú biờn
dạng là đường thân thân khai. Đây là yếu tố bảo đảm cho tỉ số truyền giữa hai bánh răng tham gia
ăn khớp không thay đổi trong suốt quá trình vận hành, thỏa mãn điều kiện ăn khớp đều và ăn
khớp khít của bộ truyền. Các thông số hình học cơ bản của bánh răng thân khai được thể hiện
trong hình 1.2.
Bé truyền bánh răng được sử dụng rất rộng rãi trong các máy móc từ nhỏ (đồng hồ cơ) đến cỏc
mỏy hạng nặng, có thể truyền công suất từ nhỏ đến lớn (300 MW), vận tốc từ thấp đến rất cao
(200 m/s).
9
Hỡnh1.2: Các thông số hình học cơ bản của bánh răng thân khai
Thông sè Kí hiệu Công thức tính Ghi chó
Số răng Z Do nhà sản xuất qui định
Môđun m Đã được tiêu chuẩn hóa
Bước răng p
p =
π
. m
bước trên vòng chia

Đường kính vòng chia d
.d Z m
=
Đường kính vòng đỉnh d
a
d
a
= d + 2m
Đường kính vòng đáy d
f
d
f
= d - 2,5m
Chiều cao đỉnh răng h
a
1
( )
2
a a
h d d
= −
Chiều cao chân răng h
c
1
( )
2
c f
h d d
= −
Chiều cao răng h h = h

a
+ h
c
Đường kính vòng cơ
sở
b
d
.cos
b
d d
φ
=
φ
là góc áp lực, (hình 1.4)
Bảng 1.3: Các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng thân khai
Hình1.4: Sơ đồ nguyên lý bộ truyền bánh răng trụ
b) Kết cấu
10
Do hình dạng của bánh răng tương đối phức tạp, như hình 1.4, nên trong các bản vẽ kĩ thuật,
người ta không vẽ chi tiết từng chiếc răng một mà thay vào đó, ta chỉ thể hiện một cách đơn giản
nhất những thông số cơ bản của một bánh răng, xem hình 1.5.

Hình 1.5: Bản vẽ chi tiết bánh răng
Tùy theo kích thước và tính chất của truyền động mà bánh răng có thể được thiết kế theo nhiều
khuôn dạng khác nhau.
Bánh răng thẳng thường được dùng trong các bộ truyền có vận tốc trung bình hoặc thấp, trong
các bộ truyền để hở, trong các bộ truyền có yêu cầu chuyển động dọc trục (ví dụ như trong các
hộp tốc độ, hộp sè ). Bánh răng nghiêng thường được dùng trong các bộ truyền có vận tốc cao.
Bánh răng chữ V thường được dùng trong các bộ truyền chịu tải rất lớn và không gây ra lực dọc
trục tác động lờn cỏc ổ lăn.

Kết cấu bánh răng phụ thuộc nhiều vào kích thước (chủ yếu là đường kính bánh răng), qui mô
sản xuất và cách lắp ghép với trục. Nếu đường kính bánh răng không lớn (dưới 150mm) bánh
răng thường được chế tạo liền một khối, khụng khoột lừm như hình 1.6a. Nếu đường kính vòng
đáy răng Ýt chênh lệch với đường kính trục hoặc cần tăng độ đồng tâm giữa bánh răng đối với
trục, bánh răng thường được làm liền với trục. Thường thì bánh răng được làm liền trục khi
đường kính khoảng cách từ đáy răng đến rãnh then nhỏ hơn 2,5m đối với bánh răng trụ và 1,6m
đối với bánh răng côn, trong đó m là mụđun, xem hình 1.6b. Bánh răng có đường kính nhỏ hơn
500mm được chế tạo bằng phụi rốn hoặc phôi dập (nếu sản xuất số lượng lớn), được khoột lừm
và làm lỗ để giảm bớt khối lượng, những bánh răng không quan trọng có thể được đúc hoặc chế
tạo bằng thép cán. Nhờ có các lỗ trờn thõn bỏnh mà việc tháo lắp, gá đặt trờn mỏy gia công và
chuyên chở được thuận tiện như hình 1.6c. Bánh răng có đường kính lớn trên 500mm được chế
tạo bằng hàn như hình 1.6d nếu sản xuất đơn chiếc hay loạt nhỏ và chế tạo bằng đúc như hình
11
Vßng ®Ønh r¨ng
Vßng chia
Vßng ®¸y r¨ng
R·nh then
1.6e nếu sản xuất loạt lớn. Đối với các bánh răng kích thước lớn đặt trong hộp giảm tốc có
khoảng cách trục trên 400mm, để tiết kiệm vật liệu, người ta thường chế tạo riêng vành răng
bằng thép tốt, lõi bằng gang hoặc thép thường. Vành răng được lắp với lõi bằng độ dôi và có bắt
vít.

(a) Bánh răng được làm liền một khối(b) Bánh răng liền trục . (b) Bánh răng liền
trục .
khụng khoột lừm
(c) Bánh răng được khoột lừm và làm lỗ (d) Bánh răng được chế tạo bằng hàn (d) Bánh răng được
chế tạo bằng hàn
12
(e) Bánh răng được chế tạo bằng phương pháp đúc
Hình 1.6: Các dạng kết cấu thường gặp ở bánh răng

1.1.2 Các dạng háng thường gặp ở bánh răng
a) Mòn
Cơ chế chủ yếu gây ra mòn là sự thiếu hụt độ dầy cho phép của líp dầu bôi trơn giữa các bề mặt
tiếp xúc của các răng. Ngoài ra, các nhân tố khác có thể gây ra hoặc làm mòn trầm trọng hơn là
các hạt mài mòn lẫn trong dầu bôi trơn, sự không đồng đều của bề mặt răng làm dầu ngấm vào.
- Mòn vừa phải:
Mòn vừa phải thường được gây ra bởi sự thiếu hụt độ dầy líp dầu bôi trơn, hình 1.7a. Độ mòn tỉ
lệ với vận tốc trượt, vận tốc trượt biến đổi từ 0 tại vòng chia và lên tới cực đại tại điểm tiếp xúc,
theo lý thuyết các răng sẽ thể hiện độ mòn lớn nhất tại vòng chia và chân nhưng trên thực tế
không có mòn tại vòng chia. Mòn vừa phải thường không được coi là lỗi tuy nhiên nó là khúc
dạo đầu cho mòn nghiêm trọng và cuối cùng là háng răng hoàn toàn. Độ mòn có thể được giảm
bằng cách tăng độ nhít của dầu, sử dụng loại dầu cao áp (loại dầu chịu được lực ăn khớp lớn), cải
thiện chất lượng bề mặt răng hoặc thay đổi các thông số hình học răng để giảm vận tốc trượt.
* Mòn nghiêm trọng:
Nếu không được khắc phục, mòn vừa phải sẽ tiến triển thành mòn nghiêm trọng như hình 1.7b
trong đó, biên dạng gốc của răng bị hủy hoại và cuối cùng là lỗi gẫy răng do các nguyên nhân
sau:
- răng bị mòn mỏng tới mức giới hạn bền uốn của răng bị vượt quá.
- các vết nứt phát triển từ chỗ hỏng trờn bề mặt răng.
13
- tải trọng lớn phỏ hỏng biờn dạng răng.
* Mòn bởi hạt mài:
Mòn bởi hạt mài được gây ra bởi các hạt nhỏ lẫn trong dầu bôi trơn, hình 1.7c, độ rắn của các
hạt này gần bằng hoặc lớn hơn độ rắn của bề mặt răng và có đường kính lớn hơn hoặc bằng độ
dầy của màng dầu. Để tránh dạng mòn này, việc cần thiết là phải bảo đảm cho dầu được sạch cặn
bẩn trong mọi thời điểm bằng cách sử dụng bộ lọc hay là thường xuyên thay dầu. Các hạt mài
cũng có thể là kết quả của một lỗi háng khác nào đó chẳng hạn như lỗi ở ổ lăn.

(a) Mòn vừa phải (b) Mòn nghiêm trọng (c) Mòn bởi hạt mài
Hình 1.7: Các dạng mòn thường gặp ở bánh răng

b) Dính, rỗ, tróc
Dính, rỗ và tróc được gây ra bởi sự gắn kết tức thời và phỏ háng gắn kết của những chỗ nhấp
nhô trên bề mặt răng trong quá trình ăn khớp. Điều này xảy ra bởi sự kết hợp của tải trọng, vận
tốc trượt và nhiệt độ dầu bôi trơn đạt đến một giá trị giới hạn làm phỏ hỏng lớp dầu ngăn cách
các bề mặt răng dẫn tới kim loại tiếp xúc trực tiếp kim loại, nếu ứng suất bề mặt và vận tốc trượt
đủ lớn thì sự kết dính sẽ xảy ra. Sự khác nhau giữa dính và rỗ là ở phạm vi của sự gắn kết và hậu
quả của việc phá hủy gắn kết. Rỗ thường được thấy trong các hộp số cao tốc, chịu tải lớn vận
hành với dầu tổng hợp có độ nhít thấp.
* Dính:
Xảy ra khi đỉnh của các bề mặt nhấp nhô bị gắn kết rồi phá hủy một phần nhỏ hoặc không bị
phá hủy thêm nữa. Trên bề mặt răng xuất hiện một lớp dớnh tinh thể gây ra bởi bề mặt bị rỗ nhỏ
mà không có vết nứt trên hướng trượt, hình 1.8a. Dính giai đoạn đầu có thể làm tăng diện tích
tiếp xúc dẫn đến giảm áp suất bề mặt, làm cho bánh răng có thể chạy dài hạn mà không bị hỏng
thờm. Nếu cần thiết, có thể khử dính bằng cách đánh bóng dùng giấy ráp và bánh răng lại làm
việc như không có vấn đề gì.
* Rỗ cục bộ:
Các điều kiện sinh ra tải trọng phân bố không đều trên bề mặt răng như là lệch và biên dạng địa
phương có lỗi có thể gây ra rỗ cục bộ, hình 1.8b. Bánh răng bị rỗ cục bộ ở mức độ nhỏ có thể tiếp
tục vận hành mà không bị hỏng thờm nếu rỗ xóa bỏ được nguyên nhân tải trọng phân bố không
14
đều (như là điểm nhụ trờn biờn dạng) và làm cho bề mặt tiếp xúc có khả năng chịu tải hoàn toàn.
Trong một vài tình huống, rỗ cục bộ giai đoạn đầu có thể biểu hiện vấn đề, như là lệch, mà cũng
có thể đưa tới lỗi nguy hiểm hơn nếu không được khắc phục.

(a) Dính (b) Rỗ cục bé .
Hình 1.8: Dính và Rỗ cục bộ
c) Tróc mỏi bề mặt
Tróc mỏi bề mặt sinh ra bởi tác dụng lặp đi lặp lại và sự di chuyển của tải trọng trên bề mặt
răng mà có thể dẫn tới lỗi khi sức bền mỏi của vật liệu bị vượt quá. Các lỗi khác kết hợp với tróc
mỏi bề mặt là rỗ và nứt. Khả năng chịu mỏi của bánh răng phụ thuộc vào tải trọng và số chu kỳ

chịu tải của vật liệu. Bánh răng có tuổi thọ được thiết kế ngắn thì phải chịu tải trọng bề mặt lớn
hơn nhiều so với loại tương đương được thiết kế cho tuổi thọ lâu dài. Hầu hết các lỗi tróc mỏi bề
mặt đều bắt nguồn từ các độ sâu khác nhau bên dưới líp bề mặt răng nhưng lại được gọi là tróc
mỏi bề mặt răng vì bề mặt răng bị phỏ hỏng bởi quá trình lỗi.
* Rỗ sơ khai:
Các tải trọng cục bộ tập trung có thể gây ra rỗ rất nhỏ trên bề mặt răng, trải đều trên mặt răng
tại vòng chia hoặc chỉ tại một phần dưới chân răng, hình 1.9a. Lỗi này thường chỉ phát triển tới
khi điều kiện quá tải cục bộ được giảm bớt và tại thời điểm đó, cạnh của các vết rỗ bị biến dạng
dẻo và được làm nhẵn trơn. Rỗ sơ khai bản thân nó không được xem là lỗi tuy nhiên nếu không
được khắc phục thỡ nú sẽ tiếp tục phát triển thành rỗ phá. Không may là hiện nay chưa có cách
nào để xác định được là rỗ sơ khai sẽ dừng hay phát triển.
* Nứt:
15
Rỗ phá thường gọi là nứt và ngược lại, hình 1.9b, vì những biểu hiện tương đương trong các
giai đoạn sau này của hư háng, tuy nhiên cơ chế háng của chúng khác nhau. Nứt được sản sinh
bởi sự kết hợp của ứng suất bề mặt lớn và vận tốc trượt tương đối cao, gây ra sù thay đổi nguồn
gốc gây ra mỏi bề mặt. Trong các trạng thái sơ khai của nứt, các vết rạn xuất hiện trên bề mặt
răng và trải dài từ gốc lỗi ở chân răng theo hướng của vận tốc trượt. Cuối cùng là một mẩu vật
liệu bị bóc rời khỏi bề mặt để lé ra cơ hội cho rỗ phỏ. Cỏc vết rỗ chạy cùng nhau tạo ra vùng bị
nứt. Nứt hay xảy ra đối với loại bánh răng vỏ cứng vỡ nú quan hệ tới cả ứng suất bề mặt và sự
trượt. Có thể trỏnh nú bằng cách giảm độ trượt hay hệ số ma sát bằng cách thay đổi biên dạng
răng, cải tiến chất lượng bề mặt, thay đổi loại dầu bôi trơn.

(a) Rỗ sơ khai (b) Rỗ phá .
Hình 1.9: Rỗ sơ khai và Rỗ phá
d) Gẫy răng
Đây là lỗi nặng nhất của bánh răng, xem hình 1.10. Không như các dạng hỏng đó được đề cập ở
trên, thường phải phát triển một thời gian dài từ lúc sơ khai đến khi lỗi nghiêm trọng. Gẫy răng
có thể ngay lập tức làm mất khả năng phục vụ hay giảm lớn năng lực truyền động. Điều này có
thể gây ra tổn thất nghiêm trọng về người và của nhất là trong các trang bị như máy bay, cần trục,

tời, ở đó khả năng truyền động hay cản trở chuyển động quay là chủ yếu. Gẫy răng có thể xảy
ra bằng một số cách khác nhau từ nhiều nguyên nhân khác nhau.
Hình 1.10: Gẫy nứt chân răng và đỉnh răng
e) Lỗi chế tạo
Thường là các lỗi trong quá trình sản xuất và lắp đặt, chủ yếu hay xảy ra các dạng sau:
- Sai lệch về các thông số hình học cơ bản của bánh răng.
16
- Sù không đồng đều về vật liệu chế tạo bánh răng.
Các lỗi trên làm thay đổi các thông số động lực học của bánh răng, làm mất đi sự cân bằng về
hình học, động học. Do đó, trong quá trình làm việc, sự mất cân bằng đó sẽ gây ra các chấn động
phụ có thể phỏ hỏng bánh răng, trục và ổ
1.2 Kết cấu và các dạng háng thường gặp của ổ lăn
1.2.1 Kết cấu của ổ lăn
a) Cấu tạo và phân loại ổ lăn
Trong ổ lăn, tải trọng từ trục trước khi truyền đến gối trục phải qua các con lăn (bi hoặc đũa) .
Nhờ có con lăn cho nên ma sát sinh ra trong ổ là ma sát lăn. ổ lăn thường gồm bốn bộ phận.
Vòng trong và vòng ngoài thường có rãnh, vòng trong lắp với ngõng trục, vòng ngoài lắp với
gối trục (vỏ mỏy, thõn mỏy). Thường chỉ vòng trong cùng quay với trục, cũn vũng ngoài đứng
yên, nhưng cũng có khi vòng ngoài cùng quay với gối trục còn vòng trong đứng yên cùng với
trục (như ổ lăn của bỏnh ụtụ ).
Con lăn có thể là bi hoặc đũa, lăn trờn rónh lăn. Rãnh có tác dụng giảm bớt ứng suất tiếp xúc
của bi, hạn chế bị di động dọc trục và do đó ổ có thể chịu được một vài tải trọng dọc trục. Để
tránh ma sát trượt, bán kính cong của rãnh phải lớn hơn bán kính của bi.
Vũng cách giữ cho hai con lăn kề nhau cách nhau một khoảng nhất định, nếu không, chúng có
thể tiếp xúc nhau và ở điểm tiếp xúc chuyển động của hai con lăn ngược chiều nhau, do đó vận
tốc ma sát gấp hai lần vận tốc vòng của con lăn bị mòn rấ nhanh, mặt khác ổ làm việc sẽ ồn
nhiều. Để giảm bớt mài mòn con lăn, vũng cỏch nên làm bằng vật liệu tương đối mềm.
Hình 1.11: Cấu tạo ổ lăn
17
d

D
ε
Vïng t¶i träng t¸c dông

f
n
F
dyn
F
stat




Thông thường con lăn cú cỏc loại sau : bi (hình 1.12a), đũa trụ ngắn (hình 1.12b), đũa trụ dài
(hình 1.12c), đũa cụn (hỡnh 1.12d), đũa hình trống đối xứng (hình 1.12đ) hoặc không đối xứng
(hình 1.12e), đũa hình kim (hỡnh1.12g), đũa xoắn (hỡnh1.12h).
®)
Hình 1.12: Các loại con lăn thông dụng
b) Ưu nhược điểm của ổ lăn
So sánh với ổ trượt , ổ lăn cú cỏc ưu điểm sau:
- Hệ số ma sát nhỏ (vào khoảng 0,0012  0.0035 đối với ổ bi và 0.002  0.006 đối với ổ đũa),
mụmen cản sinh ra khi mở máy cũng Ýt hơn so với ổ trượt; do đó dùng ổ lăn hiệu suất của máy
tăng lên và nhiệt sinh ra tương đối Ýt. Ngoài ra hệ số ma sát tương đối ổn định ( í chịu ảnh hưởng
của vận tốc ) cho nên có thể dùng ổ lăn làm việc với vận tốc rất thấp.
- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, Ýt tồn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn.
- Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rrộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng trục.
- Mức độ tiêu chuẩn hoá và tính lắp lẫn cao, do đó thay thế thuận tiện, giá thành chế tạo tương
đối thấp khi sản xuất loạt lớn.
Tuy nhiên, ổ lăn có một số nhược điểm sau:

- Kích thước hướng kính lớn
- Lắp ghép tương đối khó khăn.
- Làm việc có nhiều tiếng ồn, khả năng giảm chấn kém.
- Lực quán tính tác dụng lờn cỏc con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao.
- Giá thành tương đối cao nếu sản xuất với số lượng Ýt.
18
Ổ lăn được dùng rất phổ biến trong nhiều loại máy: máy cắt kim loại, máy điện, ụtụ, máy bay,
máy kéo, máy nông nghiệp, cần trục, máy xây dựng, máy mỏ, trong các hộp giảm tốc, trong các
cơ cấu v.v

1.2.2 Các dạng háng thường gặp của ổ lăn
Trong quá trình làm việc,thụng thường trờn cỏc bề mặt làm việc của ổ lăn xuất hiện một số
dạng hư hỏng chớnh sau:
a) Mài mòn
Quá trình mài mòn xuất hiện do ma sát của các bề mặt trượt. Nguyên nhân chủ yếu ở đây là do
bôi trơn không đầy đủ và đúng quy cách. Độ mòn tăng lên tỷ lệ với thời gian vận hành. Hậu quả
của dạng háng này là tăng khe hở hướng kính của ổ và làm tiền đề cho các dạng háng tiếp theo
nguy hiểm hơn. Độ mòn có thể giảm bằng cách cải thiện quá trình bôi trơn và tăng chất lượng bề
mặt tiếp xúc của các chi tiết trong quá trình gia công.
b) Rỗ và tróc
Hiện tượng rỗ và tróc thường gặp phải trên bề mặt làm việc của các chi tiết như: vòng trong,
vòng ngoài, viên bi. Nguyên nhân sinh ra của hiện tượng này là do mòn nghiêm trọng, ứng suất
tiếp xúc vượt quá giới hạn cho phép. Dạng háng này thường tập trung cục bộ ở một số điểm trên
bề mặt trượt, hậu quả của chúng là khi các vết tróc và rỗ phát triển trên diện tích lớn sẽ dãn đến
gẫy háng đột ngột các chi tiết làm việc và làm đình trệ sự hoạt động của toàn bộ thiết bị, xem
hình 1.13. Do đó việc chuẩn đoán và phát hiện sớm dạng háng này đóng vai trò hết sức quan
trọng trong việc đảm bảo hoạt động thiết bị.

Hình 1.13: Rỗ và tróc
c) Nứt và gẫy các chi tiết

Quá trình hình thành các vết nứt trên bề mặt các chi tiết của ổ có nguyên nhân từ tróc và rỗ bề
mặt do ứng suất mỏi sinh ra vượt quá giới hạn cho phép. Các vết nứt hình thành ban đầu thường
19
rất nhỏ(cỡ vài m) và sau thời gian hoạt động tương đối ngắn vết nứt này sẽ phát triển rất nhanh
và gây nên gẫy háng chi tiết, hình 1.14. Dạng háng này là hư háng cục bộ và cũng đóng vai trò
hết sức quan trọng, như là một đối tượng cần phát hiện của chuẩn đoán.

Hình 1.14: Gẫy nứt vòng ngoài
Tần suất hư háng của các chi tiết của ổ lăn được cho trong bảng 1.15.
Dạng háng Tần suất (%)
-Mài mòn
-Tróc rỗ
-Nứt và gẫy
25%
26%
49%
Bảng 1.15: Tần suất hư háng của các chi tiết trong ổ lăn
Chương II: Phân tích các nguồn gây rung tại bánh răng và ổ lăn
2.1 Các nguồn gây rung tại bánh răng
2.1.1 Cơ chế kích động dao động
Để đơn giản, xét mô hình hộp số bánh răng một cấp như hình 2.1, mụmen xoắn được truyền từ
trục chính của động cơ qua bé li hợp rồi đến trục vào của hộp số. Tại trục ra của hộp, nhờ có bộ
truyền bánh răng, mụmen xoắn được tăng lên và tốc độ quay giảm đi để đáp ứng yêu cầu của
máy sản xuất.
20
Vá hép
§Çu ®o
§êng truyÒn
tiÕng ån
Nguån

rung ®éng
Li hîp
§êng truyÒn
rung ®éng chÝnh.
Hình 2.1: Mô hình hộp số bánh răng một cấp.
Trong quá trình làm việc của hộp, rung động và tiếng ồn là hai yếu tố cơ bản phát sinh. Tuy
nhiên, trong khuôn khổ của đồ án này, ta chỉ xét đến các rung động vì đó là cơ sở để chẩn đoán
hư háng của các bánh răng. Việc nghiên cứu các hiệu ứng động lực và dao động của bộ truyền
bánh răng đã được bắt đầu từ những năm 50 của thế kỉ trước và vẫn còn là vấn đề đáng quan tâm
cho tới ngày nay. Bài toán xây dựng mô hình dao động của bộ truyền trong quá trình ăn khớp vẫn
còn là vấn đề thời sự. Trong nhiều tài liệu chuyên khảo, các tác giả đã đề ra một số dạng kích
động dao động tại quá trình ăn khớp răng như sau:
a) Các nguồn kích động do ngoại lực
Chóng được sinh ra do sự biến đổi theo thời gian của ngẫu lực cản, ngẫu lực phát động và do sù
thay đổi số vòng quay của trục dẫn và trục bị dẫn. Những thay đổi này là do các yếu tố công
nghệ, kĩ thuật gây ra.
b) Các nguồn kích động bên trong chủ yếu do các nguyên nhân sau
- Do sù thay đổi độ cứng ăn khớp c
z
(t ) theo thời gian: nguyên nhân này là do số răng tham gia
ăn khớp trong từng thời điểm có sự khác nhau. Ví dụ như cặp bánh răng thẳng có thể có 2 hay 1
cặp răng ăn khớp tại một thời điểm. Điều này xảy ra ngay cả khi bánh răng được chế tạo rất
chính xác và không bị hư hại.
- Do lỗi háng có thể là lỗi chế tạo (ví dụ như sai lệch bước răng, sai lệch biên dạng răng, lệch
tâm bánh răng), lỗi lắp đặt (ví dụ như lệch trục), lỗi vận hành (ví dụ như dính, rỗ, mũn, trúc mỏi
bề mặt răng, gẫy nứt chân và đỉnh răng).
- Va chạm giữa các bề mặt răng do thân răng bị biến dạng uốn dưới tác dụng của tải trọng.
- Do ma sát xuất hiện trờn cỏc bề mặt trượt.
21
§éng c¬

M¸y SX
Trong số các nguồn kích động bên trong, ba nguyên nhân đầu tiên là đáng kể và là đối tượng
nghiên cứu của một số tài liệu chuyên khảo phục vụ cho chẩn đoán rung, còn nguyên nhân do ma
sát có thể được khắc phục bằng cách nâng cao chất lượng bôi trơn.
Giữa các cặp răng tham gia vào quá trình ăn khớp xuất hiện các lực (lực ăn khớp). Về bản chất,
lực ăn khớp hình thành do ngẫu lực phát động và tải trọng công nghệ đặt lên hệ. Trong thực tế,
lực ăn khớp sinh ra do một số nguyên nhân kích động trên lớn hơn nhiều so với lực ăn khớp tĩnh.
Lực ăn khớp động được truyền dẫn đến ổ đỡ tạo ra các phản lực ở gối đỡ và dao động của vỏ hộp
số. Do đó, ta có thể đo được các dao động này bằng các đầu đo dao động.
Trước hết, ta cần phân biệt hai khái niệm: "Lỗi" và "Hư háng". "Lỗi" ăn khớp được hiểu là các
độ lệch ăn khớp, được sinh ra do chế tạo, lắp đặt và thường phân bố đều trên khắp các răng (Ví
dụ như sai lệch bước răng, sai lệch biên dạng răng). "Hư háng" (được gọi tắt là "háng") là sự thay
đổi của chi tiết do quá trình làm việc và yếu tố môi trường gây ra. Theo tiêu chuẩn CHLB Đức
DIN 3979, có tất cả 27 dạng háng khác nhau của bánh răng. Xét về phương diện nghiên cứu dao
động, ta có thể chia các dạng háng làm 2 nhúm chớnh:
- Háng phân bố: mài mòn bề mặt răng, tróc mỏi nhiều bề mặt răng. Nhóm này sinh ra do bộ
truyền làm việc trong một thời gian dài. Dạng háng phân bố làm thay đổi bước răng, phỏ hỏng
biờn dạng răng và là một nguồn kích động dao động trong quá trình ăn khớp răng.
- Háng cục bộ: các hư háng xảy ra trên một vài răng như nứt gẫy chân răng, mẻ đỉnh răng,
Nguyên nhân chính là do bộ truyền làm việc quá tải, khuyết tật trong vật liệu và không đủ dầu
bôi trơn. Dạng háng cục bộ làm thay đổi đột ngột độ cứng ăn khớp và có thể gây ra các va chạm
ăn khớp. Các xung va chạm sẽ kích động dao động riêng của các chi tiết xung quanh như thân
bánh răng, trục và vỏ hộp số. Như vậy bằng cách đo dao động rung trên vỏ hộp số, ta có thể xác
định được nguyên nhân sinh ra dao động trong quá trình ăn khớp răng. Đó là mục tiêu quan trọng
của chẩn đoán rung cho thiết bị này.
2.1.2 Dao động tham sè do độ cứng ăn khớp thay đổi và do dạng háng phân bố
Như đã phân tích ở trên, các dao động sinh ra do va chạm ăn khớp từ nguyên nhân hư háng cục
bộ có thể được nhận dạng bởi các thành phần dao động riêng tắt dần trong tín hiệu dao động đo
được. Tuy nhiên, cơ chế kích động do các hư hởng phân bố tương đối phức tạp, mô hình dao
động đơn giản cho quá trình ăn khớp răng được mô tả trong hình 2.2 dưới đây nhằm giải thích

điều này.
22
Hình 2.2: Mô hình dao động đơn giản của quá trình ăn khớp răng
Khảo sát một cặp bánh răng ăn khớp dưới tải trọng M
1
(t ) và M
2
(t ). Chọn tọa độ 
1
và 
2
là hai
góc quay của hai bánh. r
b1
và r
b2
là bán kính vòng lăn của hai bỏnh. Cỏc cặp răng tham gia vào
quá trình ăn khớp được mô hình bởi lò xo có độ cứng thay đổi c
z
(t ) theo đường ăn khớp. Mô
hình này được sử dụng khá nhiều trong các tài liệu nghiên cứu. Ảnh hưởng của hư háng và lỗi
phân bố đối với dao động trong quá trình ăn khớp được đặc trưng bởi hàm kích động e(t ) (kích
động động học) theo phương của đường ăn khớp.
Tỉ số giữa lực ăn khớp và lượng biến dạng tổng cộng của các cặp răng ăn khớp theo phương
của đường ăn khớp gọi là độ cứng ăn khớp. Như vậy, khi số cặp răng tham gia ăn khớp biến đổi
thì độ cứng ăn khớp cũng biến đổi theo. Đối với cặp bánh răng thẳng, số cặp răng ăn khớp thay
đổi từ 1 cặp thành 2 cặp rồi lại trở về 1 cặp , với cặp bánh răng nghiờng thỡ sự thay đổi đó là 2 -
3 - 2 hay 3 - 4 - 3 tùy theo góc nghiêng của răng. Do đó, ở răng nghiờng, sự thay đổi của c
z
(t ) Ýt

hơn so với răng thẳng, xem hình 2.3a-b.
0
0
0
0
1
1
(a) bánh trụ răng thẳng (b) bánh trụ răng nghiêng (b) bánh trụ răng nghiêng
Hình 2.3: Dạng của hàm c
z
(t)
23



Độ cứng ăn khớp trung bình c
0
có thể xác định được bằng thực nghiệm trong đó hai bánh răng
chịu tác dụng của ngẫu lực là hằng số. Từ biến dạng đo được theo phương của đường ăn khớp ta
có thể tính được c
0
.
Độ cứng ăn khớp c
z
(t ) có thể tính toán được nhờ một số công cụ phần mềm sử dụng phương
pháp phần tử hữu hạn, trong đó các kích thước hình học và tham số vật liệu của cặp bánh răng
phải được khai báo một cách chính xác. Từ mô hình phần tử hữu hạn, các ma trận độ mềm được
xác định dựa trờn ba yếu tố: biến dạng uốn của thân răng, biến dạng do tiếp xúc và biến dạng
xoắn của toàn bộ bánh răng. Việc tính toán được thực hiện với từng điều kiện ăn khớp trên đường
ăn khớp và cho ta kết quả các giá trị của c

z
theo thời gian.
Nếu vận tốc góc của bánh răng không đổi thì độ cứng ăn khớp c
z
(t ) là hàm tuần hoàn có chu kì
T
z
= 1/f
z
với f
z
là tần số ăn khớp.
f
z
= Z
1
f
n1
= Z
2
f
n2
Trong đó: Trong đó: f
n1
và f
n2
là tần số quay của 2 trục
Như vậy, có thể khai triển c
z
(t ) theo chuỗi Fourier, kết quả cho ta :

0
ˆ
( ) cos(2 )= + +
∑
z z k z k
k
c t c c f kt
π φ
(2.1)
Kích động tham sè do sù thay đổi của độ cứng ăn khớp có ảnh hưởng lớn nhất tới ứng xử động
lực học của bộ truyền. Do đó, dao động ăn khớp ở răng nghiêng yếu hơn ở răng thẳng.
Phương trình vi phân mô tả dao động tham số của bộ truyền có dạng [1]:
1 1 1 1 1 2 2 1
( )[ ( )] ( )+ + + =
&&
b z b b
J r c t r r e t M t
ϕ ϕ ϕ
(2.2)
2 2 2 1 1 2 2 2
( )[ ( )] ( )+ + + =
&&
b z b b
J r c t r r e t M t
ϕ ϕ ϕ
(2.3)
Trong đó: J
1
và J
2

là mụmen quán tính của hai bánh răng đối với trục quay
Nếu đặt:
1 1 2 2
= +
b b
q r r
ϕ ϕ
(2.4) (2.4)
thì (2.2) và (2.3) sẽ trở thành:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
+ = − = −
&&
tg z z
m q c t q F t c t e t F t h t
(2.5)
Trong đó:
1 2
2 2
1 2 2 1
tg
b b
J J
m
J r J r
=
+
(2.6)
1 1 2 2
1 2
( ) ( )

( )
b b
tg
M t r M t r
F t m
J J
 
= +
 ÷
 
(2.7)
24
tg
m
là khối lượng thu gọn của hệ
F(t ) là lực kích động
h(t ) là hàm kích động
Lưu ý rằng q(t ) chính là lượng biến dạng tương đối theo phương của đường ăn khớp, phương
trình (2.5) mô tả dao động tham số cưỡng bức của cặp bánh răng ăn khớp. Trong các tài liệu, q(t )
được gọi là sai số truyền dẫn động (dynamic transmission error).
Hàm kích động e(t ) xuất hiện do lỗi ăn khớp phân bố không đều. Các lỗi ăn khớp có nguyên
nhân do sai lệch bước răng, sai lệch biên dạng răng và thường phân bố không đều trên chu vi
bánh răng. Nếu giả thiết trờn bỏnh dẫn xuất hiện hư háng phân bố, bánh răng này làm việc dưới
tải trọng đủ lớn, không có khe hở ăn khớp và vận tốc góc 
1
= const, khi đó kích động do sai
lệch của mỗi bước răng sẽ lặp lại theo tần số quay f
n1
= 
1

/2. Như vậy, hàm kích động e(t )
còng là một hàm tuần hoàn chu kì T = 2/
1
và có thể được khai triển theo chuỗi Fourier:
1
1
( ) cos( )
I
i i
i
e t e i t
ω α
=
= +
∑
(2.8)
Các hệ sè e
i
là đặc trưng cho mức độ hư háng. Khi e(t ) = 0 thì hệ chỉ cũn cú kích động tham sè.
Trong một số tài liệu [1] [10], khi F(t ) = F
0
= const, nghiệm của phương trình vi phân dao động
(2.5) sẽ có dạng:
0 1
1 1
( ) cos( ) . cos( )
I K
i i k z k
i k
q t a a i t b k

ω β ω γ
= =
 
= + + +
 
 
∑ ∑

( ). ( )a t b t
=
(2.9)
Theo lý thuyết tín hiệu, q(t ) có dạng tín hiệu điều biến biên độ. Như vậy, dao động của hệ là
một dạng dao động điều biến. Trong đó, a(t ) là tín hiệu điều biến còn b(t ) là tín hiệu mang. Các
tần sè i
1
được gọi là các tần số điều biến và k
z
là các tần số mang. Phổ tần số của q(t ) được
mô tả trờn hỡnh 2.4.
25
qt