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

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:
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

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

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

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

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
- Sự khụng ng u v vt liu ch to bỏnh rng.
Cỏc li trờn lm thay i cỏc thụng s ng lc hc ca bỏnh rng, lm mt i s cõn bng v
hỡnh hc, ng hc. Do ú, trong quỏ trỡnh lm vic, s mt cõn bng ú s gõy ra cỏc chn ng
ph cú th ph hng bỏnh rng, trc v
1.2 Kt cu v cỏc dng hỏng thng gp ca ln
1.2.1 Kt cu ca ln
a) Cu to v phõn loi ln
Trong ln, ti trng t trc trc khi truyn n gi trc phi qua cỏc con ln (bi hoc a) .
Nh cú con ln cho nờn ma sỏt sinh ra trong l ma sỏt ln. ln thng gm bn b phn.
Vũng trong v vũng ngoi thng cú rónh, vũng trong lp vi ngừng trc, vũng ngoi lp vi
gi trc (v my, thừn my). Thng ch vũng trong cựng quay vi trc, cn vng ngoi ng
yờn, nhng cng cú khi vũng ngoi cựng quay vi gi trc cũn vũng trong ng yờn cựng vi
trc (nh ln ca bnh t ).
Con ln cú th l bi hoc a, ln trn rúnh ln. Rónh cú tỏc dng gim bt ng sut tip xỳc
ca bi, hn ch b di ng dc trc v do ú cú th chu c mt vi ti trng dc trc.
trỏnh ma sỏt trt, bỏn kớnh cong ca rónh phi ln hn bỏn kớnh ca bi.
Vng cỏch gi cho hai con ln k nhau cỏch nhau mt khong nht nh, nu khụng, chỳng cú
th tip xỳc nhau v im tip xỳc chuyn ng ca hai con ln ngc chiu nhau, do ú vn
tc ma sỏt gp hai ln vn tc vũng ca con ln b mũn r nhanh, mt khỏc lm vic s n
nhiu. gim bt mi mũn con ln, vng cch nờn lm bng vt liu tng i mm.
Hỡnh 1.11: Cu to ln
17
d

- 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

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¬

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

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 :

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
( ) ( )

/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