Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid xây dựng phần mềm tự động tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong dạng hypoid

PHAN BÌNH NGUYÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHAN BÌNH NGUYÊN

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG HYPOID
XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN CONG DẠNG HYPOID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2009
Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN BÌNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG HYPOID
XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN CONG DẠNG HYPOID

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. LÊ THANH SƠN

Hà Nội – 2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………………….. 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ....................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. .....9
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………...11
Chương I: TỔNG QUAN……………………………………………………………..15
1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của bánh răng côn răng cong hypoid……...15
1.1.1 Một số đặc điểm của bánh răng côn răng cong hypoid………………………….15
1.1.2. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong…….17
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế và công nghệ
chế tạo bánh răng côn cong hiện nay……………………………….………………19
1.2.1. Xu hướng phát triển của công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên thế
giới…………………………………………………………………………………….19
1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo bánh răng côn răng cong ở Việt Nam…………...25
1.3 Kết luận…………………………………………………………………………...26
Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH CỦA BÁNH
RĂNG CÔN RĂNG CONG HYPOID………………………………………………..28

2.1. Phân loại bánh răng côn răng cong và cách tạo hình…………………………28
2.1.1. Nguyên lý gia công bánh răng côn hệ Gleason…………………………………29
2.1.2. Nguyên lý chế tạo bánh răng theo hệ Klingelnberg…………………………….30
2.1.3. Nguyên lý chế tạo bánh răng theo hệ Oerlikon…………………………………31
2.1.4. Ưu nhược điểm của các hệ bánh răng côn răng cong…………………………..33

Phan Bình Nguyên

2

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------2.2. Lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong………………………………….34
2.2.1. Công trình nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của Φ-Litvin………………………...34
2.2.2. Phương pháp tính toán gần đúng của Picmanhíc……………………………….36
2.2.3. Phương pháp phân tích vết tiếp xúc của Wang và Ghosh………………………37
2.3. Lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong hệ Gleason……………………..41
2.3.1. Các phương pháp cắt……………………………………………………………41
2.3.2. Tạo hình bánh răng hypoid lớn…………………………………………………43
2.3.3 Tạo hình bánh răng hypoid nhỏ…………………………………………………46
2.3.4 Điều kiện đủ để tồn tại bao hình của họ bề mặt…………………………………52
2.4 Kết luận…………………………………………………………………………...54
Chương III:

XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN

BÁNH RĂNG HYPOID………………………………………………………………55

3.1 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu trong tính toán thiết kế bánh răng côn răng cong
hypoid…………………………………………………………………………………56
3.1.1 Các công thức tính toán thiết kế thông số hình học bộ truyền bánh răng côn răng
cong hypoid hệ Gleason……………………………………………………………….56
3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán và giải thuật của phần mềm tự động thiết kế bộ
truyền bánh răng côn răng cong hypoid....................................................................71
3.3 Lập chương trình tự động thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid
hệ Gleason…………………………………………………………………..………...74
3.3.1 Chọn công cụ thiết lập…………………………………………………………...74
3.3.2. Thiết lập phần tự động hóa tính toán……………………………………………76

Phan Bình Nguyên

3

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------3.3.3. Thiết lập phần xuất bản vẽ tự động……………………………………………..80
3.3.4. Bảo mật chương trình…………………………………………………………...90
3.4 Kết luận…………………………………………………………………………...92
Chương IV: CHẠY THỬ PHẦN MỀM VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ………………..93
4.1. Chạy thử chương trình và so sánh với số liệu tính toán đã được kiểm
chứng………………………………………………………………………………….93
4.2. Chạy thử phần thiết kế bản vẽ …………………………………………………96
4.3. Kết luận…………………………………………………………………………..96
KẾT LUẬN CHUNG………………………………………………………………….97
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………..99

Phan Bình Nguyên

4

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phan Bình Nguyên

Phan Bình Nguyên

5

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động

tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

LỜI NÓI ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp chế tạo ôtô, máy
kéo, tàu thuỷ ... truyền động bánh răng được sử dụng rộng rãi vì nó có rất nhiều ưu
điểm, trong đó đáng chú ý là khả năng tải lớn và đảm bảo tỷ số truyền động chính xác,
hiệu suất truyền động cao.
Truyền động bánh răng côn với mục đích truyền chuyển động giữa 2 trục cắt
nhau trong không gian (thường là 90 ο ), cũng có đầy đủ các ưu điểm trên. Tuy nhiên để
nâng cao khả năng tải, giảm tiếng ồn, giảm kích thước của bộ truyền với loại truyền
động này người ta còn chế tạo các bộ truyền bánh răng côn với răng có dạng cong, đặc
biệt với bộ truyền bánh răng hypoid còn có khả năng truyền giữa 2 trục chéo nhau.
Trong tất cả các lĩnh vực kĩ thuật, luôn có nhiều hơn một phương pháp để đạt
được lời giải đúng. Điều này cũng đúng với bộ truyền Hypoid, hiện nay có ba hệ thống
khác nhau mà người thiết kế có thể sử dụng. Hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất trong
những năm gần đây, đặc biệt là trong công nghiệp ôtô, là hệ Gleson Hoa Kì, được
chứng minh và thừa nhận đầy đủ bởi cả AGMA (hiệp hội các nhà chế tạo bánh răng
Hoa Kì) và AAAM (hiệp hội các nhà sản xuất ôtô Hoa Kì). Nhưng từ thế chiến thứ II,
Gleson gặp phải sự cạnh tranh từ hai công ty châu âu nổi tiếng, nơi đã đưa ra những
cách tiếp cận mới để chế tạo các bánh răng côn. Những công ty đó là Oerlikon của
Thuỵ Điển và Klingelnberg của Đức.
Cả ba phương pháp đều sử dụng dạng răng thân khai, nhưng chúng có độ cong
khác nhau được tạo ra bởi những phương pháp cắt khác nhau.
Hệ Gleson có răng cung tròn và chiều cao răng thay đổi, trong khi cả hai hệ của
người Châu Âu đưa ra cố gắng đạt được chuyển động lăn ở mặt bên của răng, sử dụng
răng có chiều cao không đổi. Tuy nhiên chúng có hình dạng khác nhau: Oerlikon sử
dụng đường cong răng dạng epicycloit, Klingelnberg sử dụng đường cong răng dạng
thân khai chính xác.

Phan Bình Nguyên

11

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Các bộ truyền bánh răng côn cong được sử dụng khá nhiều ở nước ta, chủ yếu là
trong ôtô đặc biệt để làm bộ cầu sau, trong máy kéo, hộp số các thiết bị khác. Sau một
thời gian dài sử dụng, các bộ truyền bánh răng bị mòn gây ra tiếng ồn và truyền chuyển
động không còn chính xác nữa hoặc bị hỏng nên luôn luôn cần thay thế, vì vậy việc
thiết kế và chế tạo các bộ truyền mới là hết sức cần thiết.
Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, việc thiết kế bộ truyền bánh răng côn cong
Hypoid cũng không có tiêu chuẩn cụ thể nào, chúng ta đa phần là sử dụng các nguồn
tài liệu, tiêu chuẩn thiết kế từ nước ngoài, cụ thể là từ Liên Xô cũ, và gần đây là các tài
liệu từ Hoa Kì và Châu Âu. Việc chế tạo được các bộ truyền bánh răng côn cong chủ
yếu là theo hệ Gleason, nhưng sản xuất chỉ dừng lại ở dạng đơn chiếc và loạt nhỏ với
độ chính xác thấp. Việc đầu tư hiện đại cho công nghệ chế tạo bánh răng trong nước
còn hạn chế, công nghệ cũ đã dần lạc hậu, điều đó làm cho độ chính xác và chất lượng
của bánh răng gia công chưa cao.
Để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng bộ truyền bánh răng côn răng cong
hypoid, luận văn này đi sâu nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của bộ truyền, lập trình giúp
thực hiện tính toán thiết kế, tạo bản vẽ bộ truyền một cách tự động phục vụ cho việc
gia công chế tạo bánh răng.
Trong thời gian làm luận văn em đã rất cố gắng học tập, tìm hiểu và nghiên cứu
đề tài. Đồng thời với sự hướng dẫn, giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy TS. Lê Thanh
Sơn cùng các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và dụng cụ
công nghiệp, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đến nay em đã hoàn thành luận văn

đúng thời hạn và khối lượng công việc được giao.
Tuy nhiên, do đề tài khá mới mẻ và kiến thức còn hạn chế nên luận văn này
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Kính mong được sự đóng góp ý kiến, bổ
sung của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô khác trong bộ môn và bạn đọc để luận văn
được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Phan Bình Nguyên

12

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Nội dung của luận văn
-

Tổng quan việc nghiên cứu và ứng dụng bánh răng hypoid.

-

Nghiên cứu lý thuyết tạo hình của bộ truyền bánh răng hypoid, xây dựng
một cách tổng quát bề mặt răng của cả bánh răng nhỏ và bánh răng lớn.

-

Xây dựng chương trình tự động hóa thiết kế bộ truyền bánh răng hypoid.

-

Kiểm nghiệm đánh giá chất lượng của chương trình thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên những công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đi trước, luận văn
sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết tạo hình bề mặt thực biên dạng răng bánh răng côn răng
cong hypoid hệ Gleason. Từ đó tạo cơ sở lý luận cho những nghiên cứu tiếp theo.
Áp dụng phương pháp tính toán gần đúng bộ truyền bánh răng côn răng cong
hypoid và lý thuyết về lập trình, em đã xây dựng phần mềm phục vụ cho công tác tự
động hóa thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason.
Tiến hành so sánh kết quả của phần mềm với những số liệu thiết kế đã được
kiểm chứng. Bên cạnh đó tiến hành đo các thông số trên bộ truyền đã được chế tạo và
kiểm tra để đánh giá chất lượng của phần mềm.
Những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn
Nghiên cứu lý thuyết tạo hình bề mặt thực biên dạng răng bánh răng côn cong
hypoid hệ Gleason, từ đó có thể cho phép dựng những bề mặt này trong môi trường
CAD 3D, làm cơ sở cho việc ứng dụng công nghệ CAM và máy CNC vào gia công
bánh răng côn răng cong.
Xây dựng thuật toán, và cơ sở dữ liệu cho phần mềm tự động hóa thiết kế bộ
truyền bánh răng côn cong hypoid, và tiến hành lập trình trên môi trường Visual Basic.
Phần mềm giúp giảm sai sót và thời gian trong tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng
côn cong hypoid.

Phan Bình Nguyên

13

Khóa 2009-2011

Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Giới hạn của luận văn
Chỉ nghiên cứu cho loại bánh răng côn răng cong hệ Gleason
Chương trình tự động tính toán mới chỉ đưa ra các thông số hình học, và bản vẽ
bộ truyền bánh răng côn răng cong, chưa đưa ra được các thông số dành cho điều chỉnh
máy gia công.

Phan Bình Nguyên

14

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chương I:

TỔNG QUAN
1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của bánh răng côn răng cong hypoid
Những tính toán về biên dạng răng và những lý thuyết về cơ cấu bánh răng bắt
đầu được xây dựng trong khoảng từ năm 1450 đến 1750. Euler là một trong những
người có đóng góp to lớn vào sự phát triển của bánh răng với việc đề xuất sử dụng
bánh răng thân khai, cũng như đưa ra định lý cơ bản về ăn khớp. Các bộ truyền bánh
răng được thiết kế theo định lý này đều đảm bảo tỉ số truyền ổn định. Với sự phát triển
của công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp ôtô, người ta cần bánh răng ngày càng chính

xác hơn và làm việc êm hơn. Mặc dù bánh răng hypoid đã được sản xuất từ 1916
nhưng nó chỉ được sử dụng trong thực tế từ năm 1926 trong ôtô Packard [6]. Bánh răng
hypoid làm cho trục dẫn được bố trí thấp hơn và tạo thêm không gian cho ôtô. Chúng
làm việc êm hơn, ít ồn hơn nhiều và bền hơn bánh răng côn cong có cùng tỉ số truyền.
Trục của các bánh răng không giao nhau nên có thể bố trí ổ trục ở cả hai bên cho phép
nâng cao độ cứng vững.
1.1.1 Một số đặc điểm của bánh răng côn cong hypoid
Bộ truyền bánh răng côn cong hypoid dùng để truyền chuyển động giữa hai trục
chéo nhau trong không gian. Loại phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp là hai
trục chéo nhau và vuông góc với nhau.
Nhìn sơ bộ bánh răng côn cong hypoid rất giống với bánh răng côn cong
thường. Khác biệt chính giữa chúng là mặt chia là mặt hyperboloid thay vì mặt nón dẫn
đến các trục bánh răng không cắt nhau: trục bánh răng nhỏ dịch lên trên hoặc xuống
phía dưới so với trục bánh răng lớn. Độ dịch chuyển đó gọi là lượng dịch chuyển
hypoid, thường được kí hiệu là E. Vì vậy mà bộ truyền bánh răng côn cong hypoid có
những đặc tính khác với bộ truyền bánh răng côn cong thường

Phan Bình Nguyên

15

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Được sử dụng để truyền động với tỉ số truyền lớn, có thể từ 10-120.

-

Số răng nhỏ nhất của bánh răng nhỏ nhỏ hơn, là 8 ứng với tỉ số truyền lớn hơn
hoặc bằng 6, và là 6 với những tỉ số truyền nhỏ hơn

-

Bánh răng nhỏ của bộ truyền hypoid có kích thước lớn hơn so với bánh răng
nhỏ của bộ truyền bánh côn cong thường có cùng tỉ số truyền vì góc xoắn của
bánh răng nhỏ lớn hơn góc xoắn của bánh răng lớn nên khi có cùng môđun pháp
thì môđun mặt đầu của bánh nhỏ lớn hơn môđun mặt đầu của bánh lớn. Vì vậy
bánh răng nhỏ của bộ truyền hypoid có độ bền cao hơn bánh răng nhỏ của bộ
truyền bánh răng con cong thường, và do kích thước răng lớn hơn nên đối với
bánh nhỏ của bộ truyền hypoid có thể tăng đường kính trục lắp ổ đỡ. Do vậy, nó
có độ cứng vững cao hơn, và như vậy nâng cao khả năng chịu tải trọng cũng
như độ bền lâu cho bộ truyền.

-

Vì trục của hai bánh răng không giao nhau nên có thể bố trí ổ trục ở cả hai bên
bánh răng nhỏ, thay thế cho kiểu lắp công xôn, cho phép nâng cao độ cứng
vững, làm giảm sự phân bố không đều tải trọng trên răng.

-

Khi gia công bộ bánh răng hypoid, có thể hiệu chỉnh để tạo ra vết tiếp xúc với vị
trí, hình dạng và kích thước mong muốn, đảm bảo khả năng làm việc êm, ít
nhạy cảm đối với những sai lệch do lắp ráp và sai lệch vị trí làm việc do biến
dạng dưới tác dụng của tải trọng.

-

Do đặc điểm ăn khớp có trục ăn khớp tức thời luôn thay đổi trong quá trình ăn
khớp nên nó có sự trượt phụ giữa các bề mặt đối tiếp làm cho bộ truyền làm việc
êm hơn so với bộ truyền bánh răng côn cong thường, cũng đồng thời làm tăng
khả năng chịu mài mòn giữa các bề mặt tiếp xúc.

-

Công nghệ chế tạo bánh răng hypoid về nguyên tắc giống như bánh răng côn
cong thường, nó được cắt cũng như mài răng trên các máy gia công bánh răng
côn cong thông dụng. Vấn đề khác nhau chỉ là thông số hình học của bộ truyền,
tính toán các thông số dao và thông số điều chỉnh máy.

Phan Bình Nguyên

16

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tính ưu việt của truyền động bánh răng côn cong hypoid còn phải được kể đến
là khả năng thiết kế và chế tạo bộ truyền với góc chéo nhau bất kì dễ dàng hơn
khi chế tạo bộ truyền trục vít bánh vít, vì trong trường hợp này bộ truyền trục vít
bánh vít có vùng tiếp xúc nhỏ nên khả năng mang tải kém.
Tuy nhiên chúng vẫn còn có một số nhược điểm:

- Lực chiều trục của truyền động bánh răng côn cong hypoid lớn hơn so với

truyền động bánh răng côn răng thẳng, do đó gây mòn răng và khó khăn cho việc thiết
kế ổ.
- Tính toán thiết kế phức tạp hơn so với bánh răng côn răng thẳng.
- Thiết bị chế tạo bánh răng hypoid đắt tiền.
- Việc tính toán điều chỉnh máy phức tạp đòi hỏi phải có công nhân và kỹ thuật
viên có tay nghề cao.
Với những ưu thế hơn hẳn về chuyển động êm và độ bền cao, bộ truyền bánh
răng hypoid được sử dụng rộng rãi trong cầu dẫn động chính của ôtô cũng như một số
thiết bị khác.
1.1.2. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết tạo hình bánh răng côn răng cong
Qua những công trình nghiên cứu bánh răng côn răng cong đã được công bố cho
thấy các tác giả đã sử dụng hai phương pháp chính để nghiên cứu quá trình tạo hình bề
mặt biên dạng của bánh răng côn răng cong đó là: Phương pháp giải tích, và phương
pháp tính bộ truyền gần đúng.
1.1.2.1 Phương pháp giải tích
Người đầu tiên phải nhắc đến là nhà khoa học người Mỹ Wikdhaberg, người đã
đặt nền tảng của lý thuyết ăn khớp không gian dựa trên công cụ toán học là giải tích cổ
điển. Sau đó tác giả T. Olivier đã ứng dụng hình học để đưa ra lý thuyết chung tạo ra
bề mặt biên dạng răng, theo đó hai bề mặt răng đối tiếp với nhau sẽ tiếp xúc theo
đường hoặc điểm. Do phương pháp hình học có nhiều hạn chế nên sau đó X.И.ΓoxMaH

Phan Bình Nguyên

17

Khóa 2009-2011

Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------đã phát triển lý thuyết ăn khớp giải tích để nghiên cứu quá trình hình thành bề mặt biên
dạng răng bánh răng côn răng cong. Theo lý thuyết ăn khớp giải tích thì bề mặt ăn
khớp được xác định như là vị trí hình học của đường tiếp xúc bề mặt răng trong hệ tọa
độ cố định. Phương pháp giải tích còn được nhiều tác giả tiếp tục nghiên cứu về sau
này.
Các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã đưa ra một lý thuyết ăn khớp
không gian tổng quát nhất đó là:
Tại điểm tiếp xúc của hai bề mặt đối tiếp ăn khớp với nhau trong không gian thì
véctơ chuyển động tương đối của hai bề mặt đó phải vuông góc với véctơ pháp tuyến
của từng bề mặt đối tiếp.
Công trình nghiên cứu của Φ.Л.ЛИTBИH đã phát triển lý thuyết của các nhà khoa
học đi trước, từ đó xây dựng một phương pháp mới ứng dụng giải tích véctơ cho nội
dung sau:
-

Lập phương trình biên dạng của bánh răng dẹt sinh gia công bánh răng nhỏ

-

Lập phương trình biên dạng của bánh răng dẹt sinh gia công bánh răng lớn

-

Giải phương trình ăn khớp giữa bánh răng nhỏ và bánh răng lớn

-

Xác định các thông số điều chỉnh máy và dụng cụ.

1.1.2.2. Phương pháp tính toán bộ truyền gần đúng
Để đáp ứng nhanh chóng và thuận tiện cho quá trình thiết kế, chế tạo bánh răng

côn răng cong thì một số nhà khoa học đã đưa ra một hướng nghiên cứu mới đó là
phương pháp tính bộ truyền gần đúng. Bộ truyền ăn khớp gần đúng có nhiều ưu điểm
hơn so với bộ truyền ăn khớp đúng trong công nghệ chế tạo cũng như vận hành sử
dụng. Vì vậy ngay cả trong một số trường hợp tính toán thiết kế bộ truyền ăn khớp
đúng cũng sử dụng phương pháp tính gần đúng.
Trong phương tính toán gần đúng các nhà khoa học đã giải quyết bài toán để đạt
được mục đích: Biên dạng răng của bánh răng côn răng cong có khả năng chịu tải trọng

Phan Bình Nguyên

18

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------cao, độ ồn thấp khi làm việc, độ nhạy đối với sai số lắp ráp nhỏ, và đặc biệt là vết tiếp
xúc không được thay đổi trong quá trình làm việc.
Dựa theo mục đích trên các tác giả đã đưa ra hai hệ số εP: hệ số phủ profin cao,
ε1: hệ số phủ dọc trục của biên dạng răng để đánh giá tỉ lệ diện tích tiếp xúc trên toàn
bộ diện tích bề mặt biên dạng răng. Ngoài ra các tác giả cũng chỉ ra diện tích vùng tiếp
xúc đúng khi tải trọng toàn phần có dạng elip với trục lớn của elíp nằm trên đường
trung bình của biên dạng răng theo chiều dài, còn trục nhỏ của elíp nằm trên đường
trung bình của biên dạng răng theo chiều cao.
Để điều chỉnh diện tích và vị trí của vùng tiếp xúc của hai bề mặt biên dạng răng
ăn khớp đối tiếp, các tác giả đã đưa ra một số thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quá

trình tạo hình biên dạng răng. Từ đó chỉ ra phương pháp hiệu chỉnh bao hình trên máy
để đạt được hình dạng, kích thước, vị trí của vùng tiếp xúc, đồng thời loại trừ các yếu
tố ảnh hưởng đến quá trình ăn khớp đúng của bộ truyền.

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế và
công nghệ chế tạo bánh răng côn cong hiện nay
Chúng ta đang ở những năm đầu của thế kỉ XXI và có thể thấy rằng những công
nghệ mới như máy CNC (máy gia công điều khiển số), máy CCM (máy đo tọa độ) sẽ
tạo ra những thay đổi trong lý thuyết cũng như công nghệ gia công bánh răng. Bên
cạnh đó sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kĩ thuật cũng cho phép các nhà khoa học có
điều kiện nghiên cứu sâu hơn nữa về quá trình tạo hình bề mặt biên dạng răng, qua đó
lựa chọn biên dạng hình học tối ưu để nâng cao chất lượng bánh răng.
1.2.1. Xu hướng phát triển của công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên
thế giới

Phan Bình Nguyên

19

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Công nghệ CAD/CAM dùng trong chế tạo bánh răng côn răng cong đã được áp
dụng ví dụ như: phần mềm HyGears của hãng Gleason Works, Kisssoft của hãng L.
Kissling&Co.AG, CPC của hãng CommunityPC ...
1.2.1.1. Một số phần mềm tính toán thiết kế bánh răng phổ biến trên thế giới
HyGears [22]
Đây là phần mềm có nhiều tính năng nổi bật hơn cả. Phần mềm HyGears của

hãng Gleason cho phép tính toán thiết kế và mô phỏng quá trình tạo hình bánh vít,
bánh răng trụ, bánh răng côn răng thẳng, bánh răng côn răng cong và bánh răng hypoid.
HyGears còn có khả năng phân tích đường tiếp xúc, vết tiếp xúc của bộ truyền thiết kế
để từ đó có thể đánh giá khả năng làm việc của bộ truyền. Phần mềm này cũng cho
phép điều khiển máy CNC để gia công các loại sản phẩm trên.

Hình 1-1: Giao diện nhập dữ liệu của Hình 1-2: Tính toán các thông số của dao
HyGears

Phan Bình Nguyên

cắt

20

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 1-3: HyGears cung cấp các máy cắt phổ biến nhất

Hình 1-4: Phân tích đường tiếp xúc và vết tiếp xúc trong HyGears

Phan Bình Nguyên

21

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Kisssoft [9]
Kisssoft là bộ phần mềm khá lớn cho phép thiết kế hầu hết các chi máy từ các
bộ truyền đai, xích, bánh răng (trụ, côn, hypoid) và những chi tiết như trục, then,
bulông … . Môđun Bevel and hypoid Gears có khả năng thiết kế bộ truyền hypoid theo
cả ba hệ phổ biến là Gleason, Klingelnberg và Oerlikon, cũng như xác định dung sai
kích thước của bộ truyền.

Hình 1-5: Giao diện chung của phần mềm Kisssoft

Hình 1-6: Nhập thông số đầu vào để thiết kế bộ truyền

Phan Bình Nguyên

22

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------AGMA Bevel Gear Rating
AGMA Bevel Gear Rating là phần mềm thiết kế của hiệp hội sản xuất bánh răng
Hoa Kì (AGMA). Bánh răng hypoid được thiết kế theo hệ Gleason theo cả hai hệ đơn
vị SI và hệ Anh. Phần mềm cũng cho phép chọn vật liệu bánh răng, xác định các thông
số của dụng cụ cắt…

Hình 1-7: Giao diện của AGMA Bevel Gear Rating
1.2.1.2. Thiết bị gia công bánh răng côn răng cong
Công nghệ gia công bánh răng côn răng cong trên thế giới đã phát triển mạnh
mẽ, hiện nay các máy gia công tinh với hệ thống điều khiển tự động đã xuất hiện. Đặc
biệt máy mài biên dạng bánh răng côn răng cong điều khiển CNC đã dần phổ biến và
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đi đầu trong thiết kế chế tạo máy gia
công bánh răng côn răng cong là hãng Gleason của Mỹ. Các máy của hãng vẫn thực
hiện theo nguyên lý gia công bánh răng cổ điển. Tuy nhiên, quá trình gia công được
điều khiển bằng hệ thống tự động, ứng dụng điều khiển CNC 6 trục theo sơ đồ như
hình 1-9 [11]

Phan Bình Nguyên

23

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 1-8: Máy CNC gia công bánh răng

Hình 1-9: Sơ đồ mô tả 6 trục của máy

côn cong của Gleason

CNC chế tạo bánh răng hypoid [11]

1.2.1.3. Thiết bị kiểm tra bánh răng côn răng cong

Hình 1-10: Thiết bị kiểm tra bánh răng côn

Hình 1-11: Thiết bị kiểm tra bánh răng

răng cong trước đây. [7]

côn răng cong hiện nay.

Cùng với sự phát triển của các thiết bị gia công bánh răng là sự phát triển của
thiết bị kiểm tra bánh răng. Các thiết bị kiểm tra có kết nối với máy tính cho phép lưu

Phan Bình Nguyên

24

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------trữ và xử lí số liệu đo. Bên cạnh đó là sự phát triển của các máy đo tọa độ cũng cho
phép kiểm tra biên dạng bề mặt răng của bánh răng côn cong.
Mặc dù đã đưa công nghệ mới (CAD/CAM) vào chế tạo bánh răng côn răng
cong nhưng nguyên lý gia công vẫn dựa trên hai phương pháp đã nêu nên vẫn còn tồn
tại một số vấn đề liên quan đến quá trình tạo hình bánh răng côn răng cong. Do vậy
chúng ta cần phải tiếp tục đi sâu nghiên cứu để có thể tạo ra được các sản phẩm bánh
răng côn răng cong có chất lượng cao.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo bánh răng côn răng cong ở Việt Nam
Ở Việt Nam gần đây đã có một số công trình nghiên cứu về lý thuyết ăn khớp,
bôi trơn bánh răng của các tác giả ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Thiết kế
máy năng lượng và mỏ … Các công trình này đã nghiên cứu lý thuyết ăn khớp theo
phương pháp giải tích, hình học vi phân, nghiên cứu màng dầu bôi trơn, cũng như độ
bền của bộ truyền nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ cho các bộ truyền. Và trong
những năm gần đây GS. Bành Tiến Long đã đi sâu vào giải quyết các vấn đề cụ thể về
tạo hình bề mặt của bộ bánh răng côn răng cong nhờ ứng dụng phép toán Tenxơ quay.
Từ đó tạo cơ sở cho các nghiên cứu về động học, công nghệ cắt răng.
Sản phẩm bánh răng côn răng cong ở nước ta hiện nay chủ yếu được chế tạo tại
một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất chính như Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Viện Thiết kế máy năng lượng và mỏ, Nhà máy Cơ khí Hà Nội … Những cơ sở này
thường sử dụng những tính toán bằng tay để thiết kế và sử dụng thế hệ máy cũ do Liên
Xô, Đức chế tạo để gia công bánh răng. Việc đầu tư chiều sâu cho lĩnh vực nghiên cứu
chế tạo bánh răng côn răng cong của các cơ sở sản xuất vẫn chưa được quan tâm đúng
mức, do vậy năng suất, chất lượng sản phẩm thấp, giá thành cao không đáp ứng được
nhu cầu thị trường đòi hỏi.
Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền công nghiệp nước nhà, nhu cầu
thực tế về sản phẩm bánh răng côn cong hypoid ngày càng lớn do số lượng ôtô, máy

Phan Bình Nguyên

25

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------móc có sử dụng bộ truyền động này ngày càng nhiều. Song để có thể đáp ứng nhu cầu

thực tế đó thì ở nước ta vẫn chưa có nhiều cơ sở tập trung nghiên cứu và chế tạo loại
bánh răng này. Phần lớn các bộ truyền bánh răng hypoid vẫn được nhập từ nước ngoài.
Để nội địa hoá từng bước các sản phẩm nhập ngoại thì chúng ta cần thiết phải
đầu tư nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới để nâng cao năng suất và chất lượng sản
phẩm sản xuất trong nước. Qua đó cũng nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị
trường thế giới để từ đó tiến tới xuất khẩu.

1.3 Kết luận
Thông qua nghiên cứu và phân tích các tài liệu cũng như tham khảo thực tế sản
xuất bánh răng trong nước cũng như thế giới em đưa ra một số nhận xét sau:
-

Về lý thuyết: Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra được các phương pháp để
nghiên cứu quá trình tạo hình bề mặt biên dạng răng như: Phương pháp giải
tích, phương pháp tính toán gần đúng, phương pháp ten xơ quay … Những
phương pháp này tập trung vào nghiên cứu xác định các thông số đặc trưng bề
mặt biên dạng răng.

-

Về thực tế: Trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu dựa vào lý thuyết
cơ bản để ứng dụng CAD/CAM vào thiết kế chế tạo máy gia công và sản xuất
bánh răng côn răng cong. Đi kèm với đó là những thiết bị kiểm tra hiện đại cho
phép kiểm tra chất lượng của bộ truyền bánh răng đã được thiết kế, chế tạo.

-

Với tình hình nghiên cứu và sản xuất bánh răng côn răng cong trong nước;
Những đầu tư dành cho nghiên cứu, ứng dụng công nghệ cao (CAD/CAM) dùng
trong công nghệ gia công bánh răng côn răng cong còn rất hạn chế, phần thiết kế

được thực hiện bằng tay nên tốn nhiều thời gian, độ tin cậy không cao, các máy
gia công bánh răng côn răng cong thì lạc hậu nên chất lượng sản phẩm bánh
răng côn răng cong rất thấp.

Phan Bình Nguyên

26

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Căn cứ vào những nhận xét trên đây, trong luận văn này em sẽ tập trung hướng
nghiên cứu vào những nội dung chính sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về bánh răng côn cong hypoid, và tình hình gia
công chế tạo bánh răng này
2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các nguyên lý tạo hình của bánh răng côn
răng cong hypoid
3. Xây dựng hệ thống CAD. Nội dung này phục vụ cho việc tự động hóa
thiết kế bánh răng côn răng cong hypoid hệ Gleason và thiết lập bản vẽ
phục vụ cho việc chế tạo bánh răng sau này.
4. Kiểm nghiệm hệ thống CAD đã xây dựng dựa trên việc so sánh với số
liệu đã được kiểm chứng, và số liệu đo từ bộ truyền thực tế.

Phan Bình Nguyên

27

Khóa 2009-2011

Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chương II:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH
CỦA BÁNH RĂNG CÔN RĂNG CONG HYPOID
Nội dung của chương này gồm những phần chính sau:
-

Phân loại bánh răng và cách tạo hình

-

Lý thuyết tạo hình bánh răng côn cong

-

Lý thuyết tạo hình của bánh răng côn cong hệ Gleason

2.1. Phân loại bánh răng côn răng cong và cách tạo hình
Hiện nay bánh răng côn răng cong hypoid được chế tạo theo 3 dạng chính căn cứ
vào dạng đường xoắn của răng trong mặt phẳng chia của bánh dẹt sinh:
1.

Bánh răng có dạng cung tròn (hệ Gleason) của Mỹ. Loại này thường có

chiều cao răng thay đổi.
2.

Bánh răng có dạng xoắn theo đường thân khai kéo dài (hệ Klingelnberg) của

Cộng hoà Liên bang Đức.
3.

Bánh răng có dạng xoắn theo đường Epicycloit kéo dài (hệ Oerlikon) của

Thụy Điển. Loại này thường có chiều cao răng không đổi.
Ngoài ra còn có các hệ Fiat - Mammano của Italia và Caraven Brother của Anh,
nhưng các hệ này đều dựa trên nguyên lý Oerlicon.
Chúng ta nhận thấy rằng bánh răng côn răng cong hypoid có rất nhiều ưu điểm
vượt trội so với các hệ truyền động thông thường khác. Vậy câu hỏi đặt ra cho các nhà
nghiên cứu là: Tại sao loại bánh răng này lại có những tính năng ưu việt như vậy? và
thực tế thì dựa trên cơ sở nào để có thể gia công và thực hiện những biên dạng hết sức
phức tạp của chúng? Để đưa ra được đáp án cho các câu hỏi này chúng ta sẽ đi sâu tìm
hiểu cơ sở lý thuyết và nguyên lý tạo hình của bánh răng côn răng cong.

Phan Bình Nguyên

28

Khóa 2009-2011


Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động
tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid
--------------------------------------------------------------------------------------------------------2.1.1. Nguyên lý gia công bánh răng côn 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) [2,10,13,19]. Dụng cụ cắt là dao phay mặt đầu 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 S1);
- Chuyển động quay quanh trục đầu dao Of với vận tốc cắt V [m/phút] (theo chiều
S2). Chuyển động S2 là chuyển động tạo hình đơn giản tạo ra chiều dài răng.

Hình 2-1: Nguyên lý gia công bánh răng côn theo hệ Gleason
Ngoài ra phôi còn chuyển động quay S3 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 ω d và bánh răng được
cắt ω k mối quan hệ động học giữa chúng được viết :

i

bh =

ω d zk
=
ω k zd

(k = 1, 2 )

Trong đó :

Phan Bình Nguyên

29

Khóa 2009-2011