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

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



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

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.


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,…


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
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

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

“ 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.


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.

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:

);
- 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


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


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;

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

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
==

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

<
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

≥

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


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

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

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


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

≈

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

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
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

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