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


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


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

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

-

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


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.


-

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:

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.

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

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…


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.

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



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


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