Phân tích hư hỏng bánh răng: Rỗ bề mặt, cào xước, mài mòn và gãy răng — Dữ liệu ứng suất và biện pháp khắc phục

Nội dung

Bốn cơ chế hư hỏng chiếm phần lớn các hư hỏng hộp giảm tốc: rỗ bề mặt, cào xước, mài mòn và gãy răng. Mỗi loại để lại dấu vết đặc trưng tại một vị trí cụ thể trên răng, và mỗi loại đáp ứng với một biện pháp khắc phục khác nhau. Do đó, chẩn đoán phải được thực hiện trước khi thiết kế lại. Khi đã xác nhận dạng hư hỏng, hướng khắc phục thường là một trong ba: kiểm tra lại khả năng chịu tải theo GB/T 3480, siết chặt kiểm soát nhiệt luyện và mài, hoặc nâng cấp phương pháp bôi trơn và lọc. Hầu hết các hư hỏng xuất hiện sớm trong quá trình sử dụng đều bắt nguồn từ một trong ba lĩnh vực này chứ không phải từ giới hạn vật liệu không thể tránh khỏi.

1. Bản đồ vị trí hư hỏng: Bốn dạng song song

Trước khi thực hiện bất kỳ phép đo nào, vị trí hư hỏng trên răng sẽ thu hẹp đáng kể nguyên nhân.

Rỗ bề mặt xuất hiện dưới dạng các vết bong tróc tập trung trên mặt răng làm việc. Cào xước thể hiện thành các rãnh bị hàn và xé dọc theo hướng trượt. Mài mòn loại bỏ vật liệu đồng đều trên mặt răng. Gãy răng là vết nứt hoàn toàn hoặc một phần bắt nguồn từ góc lượn chân răng.

2. Hư hỏng mặt răng: Rỗ bề mặt và cào xước

2.1 Rỗ bề mặt: Ứng suất tiếp xúc vượt giới hạn

Áp suất nén tức thời tại điểm tiếp xúc của hai răng là ứng suất tiếp xúc. Nó được đánh giá bằng công thức Hertz như quy định trong GB/T 3480, tương đương kỹ thuật với ISO 6336. Rỗ bề mặt thường bắt đầu gần đường chia vì vận tốc trượt ở đó thấp nhất và việc hình thành màng dầu ngăn cách là khó nhất.

Đối với bánh răng thép, ứng suất tiếp xúc cho phép được quyết định bởi vật liệu và nhiệt luyện. Dưới tải trọng mạch động, các giá trị trong bảng được công bố đại khái là:

Lấy một cặp chạy ở 750 MPa. Với 20CrMnTi, biên dự trữ còn lại gần gấp đôi; với 40Cr, ứng suất nằm gần giới hạn. Cùng mô-men truyền, tuổi thọ rất khác nhau.

Công việc khắc phục theo ba hướng:

• Thay đổi kích thước hoặc chọn lại vật liệu sao cho ứng suất tính toán giảm xuống dưới giá trị cho phép.
• Giữ hệ thống bôi trơn khỏe mạnh, vì khi ứng suất tiến gần giới hạn, tình trạng màng dầu quyết định tuổi thọ.
• Tăng độ cứng bề mặt, điều này trực tiếp nâng ứng suất cho phép.

Hệ số an toàn cần hướng tới đối với ứng suất tiếp xúc, SH: 1,0–1,3 cho máy móc thông thường, 1,3–1,6 cho các bộ truyền mà thời gian dừng máy tốn kém.

2.2 Cào xước: Hàn rồi xé

Khi áp suất và tốc độ vượt qua màng dầu, các đỉnh nhám tiếp xúc, hàn lại với nhau rồi bị xé ra, để lại các rãnh xước. Đây là cào xước. Nó đe dọa cả các bộ truyền tốc độ thấp chịu tải nặng và các bộ truyền tốc độ cao. Nhiệt độ tức thời là biến số kiểm soát. Dầu khoáng mất hiệu quả khi nhiệt độ tức thời vượt khoảng 120–180°C; chất lỏng tổng hợp chịu được giá trị cao hơn.

Các biện pháp khắc phục thực tế bao gồm lựa chọn dầu và hình học: chọn dầu bôi trơn có phụ gia EP gốc lưu huỳnh và phốt pho; giữ độ nhám mặt răng dưới Ra 0,4 để ít đỉnh nhám vi mô tiếp xúc hơn; tăng độ cứng bề mặt. Bánh răng thấm nitơ, có hệ số ma sát thấp ở bề mặt, cũng được sử dụng trong các ứng dụng này.

3. Gãy chân răng: Ứng suất uốn, va đập và cháy mài

Ứng suất uốn tại chân răng là ứng suất kéo mà răng phải chịu dưới tải. Vượt giới hạn vật liệu và răng sẽ gãy tại chân. Tồn tại hai dạng riêng biệt: nứt do mỏi, tích lũy qua nhiều chu kỳ, và nứt do quá tải, xảy ra sau một sự kiện nghiêm trọng duy nhất. Khi có va đập, hệ số ứng dụng KA đạt 1,5–2,0, và những tải trọng như vậy không được coi là chạy êm.

Hai yếu tố ẩn bên trong quá trình gia công. Thứ nhất là bán kính góc lượn chân răng. Dao phay thanh răng tiêu chuẩn tạo ra bán kính gần 0,38m; bán kính nhỏ hơn sẽ tập trung ứng suất. Chuyển sang dao phay bán kính đầy đủ làm giảm hệ số dạng YF khoảng 5%, và ứng suất uốn cũng giảm theo. Thứ hai là cháy mài. Lượng ăn dao quá lớn hoặc làm nguội không đủ trong khi mài răng có thể làm ram, hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là tôi lại, lớp bề mặt, để lại ứng suất kéo dư đo bằng hàng trăm MPa; tuổi thọ mỏi uốn sau đó giảm rõ rệt. Kiểm tra tiếng ồn Barkhausen (phương pháp từ đàn hồi) và ăn mòn nital là các phương pháp phát hiện được chấp nhận. Đối với mài tinh, lượng ăn dao thường được giới hạn ở 0,005–0,01 mm mỗi lượt.

Phun bi là biện pháp khắc phục tiêu chuẩn. Nó tạo ứng suất nén dư khoảng 300–600 MPa vào lớp bề mặt tại chân răng, bù đắp một phần ứng suất kéo mà răng phải chịu khi làm việc. Bánh răng thấm cacbon hưởng lợi nhiều nhất, vì chân răng của chúng đã cứng.

4. Mài mòn: Chủ yếu là vấn đề độ sạch của dầu

Các hạt cứng như bụi hoặc phoi gia công xâm nhập vào vùng ăn khớp do dầu bôi trơn mang theo và cắt vào mặt răng. Bánh răng mới trải qua giai đoạn chạy rà, trong đó khoảng 0,005–0,02 mm vật liệu bị mài mòn trước khi đạt điều kiện ổn định. Nếu độ sạch của dầu kém, tốc độ mài mòn tăng mạnh, biên dạng răng thay đổi, và cả tiếng ồn lẫn khe hở đều xấu đi.

Độ sạch được phân loại theo ISO 4406. Ví dụ, mã 17/15/12 tương ứng với 1300–2500 hạt lớn hơn 4 µm trong mỗi mililít. Các biện pháp khắc phục không phức tạp: chọn cấp lọc phù hợp với yêu cầu, làm kín vỏ, và thay dầu theo lịch. Phương pháp bôi trơn cũng quan trọng — bôi trơn bằng cách té dầu phù hợp với tốc độ trung bình và thấp, trong khi tốc độ cao và tải nặng cần cấp dầu bằng tia phun cưỡng bức.

5. Quy trình lựa chọn trong sáu bước

1. Kiểm tra độ bền. Tính hệ số an toàn tiếp xúc và uốn theo GB/T 3480, hướng tới SH/SF là 1,0–1,3 cho máy móc thông thường hoặc 1,3–1,6 cho các bộ truyền quan trọng.
2. Gán hệ số ứng dụng. KA 1,0–1,25 cho tải đều, 1,25–1,5 cho va đập vừa, 1,5–2,0 cho va đập nặng.
3. Chọn vật liệu dựa trên rủi ro hư hỏng chính. Đối với rỗ bề mặt, bề mặt cứng hơn nhờ thấm cacbon hoặc thấm nitơ; đối với gãy răng, kiểm tra độ bền chân răng và cân nhắc phun bi; đối với cào xước, chỉ định dầu EP.
4. Chọn phương pháp bôi trơn. Té dầu cho tốc độ trung bình và thấp, tia phun cưỡng bức cho tốc độ cao và tải nặng, với cấp dầu được đặt theo độ nhớt ISO VG.
5. Đặt mục tiêu độ sạch theo ISO 4406 và kiểm tra dầu theo các khoảng thời gian xác định.
6. Xác định cấp chính xác. Răng mài đạt DIN 5–6; phay lăn và cà răng đạt DIN 7–8. Độ chính xác chi phối phân bố tải và do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ.

Hoàn thành kiểm tra độ bền trước khi tranh luận về chi tiết quy trình, và hướng chi tiêu vào yếu tố giới hạn. Khi biên dự trữ eo hẹp, hãy tăng mô-đun hoặc chiều rộng mặt răng trước; thay đổi vật liệu sau.

6. PinyiGear sản xuất gì

PinyiGear sản xuất bánh răng trụ thẳng và bánh răng trụ nghiêng theo bản vẽ; mô-đun, đường kính ngoài và cấp chính xác răng theo ghi chú trên bản vẽ của khách hàng. Các mác thép thường được chỉ định — 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo và 38CrMoAl — đều được xử lý nội bộ, hỗ trợ bởi thấm cacbon, thấm nitơ khí và kiểm tra toàn diện theo các hạng mục đã thống nhất trong bản vẽ, với cháy mài được kiểm soát trong quá trình.

• Sản phẩm bánh răng trụ thẳng
• Sản phẩm bánh răng trụ nghiêng
• Năng lực sản xuất

Cung cấp dữ liệu tải của bạn — công suất, tốc độ, mức va đập và điều kiện bôi trơn — và đội ngũ kỹ thuật sẽ trả về kết quả kiểm tra độ bền và báo giá sau khi dữ liệu đó được xem xét. Trước tiên hãy xác định dạng hư hỏng nào đang xảy ra; hướng khắc phục sẽ theo đó mà có.

Gửi dữ liệu tải của bạn qua trang web PinyiGear hoặc sử dụng trang đánh giá kỹ thuật để yêu cầu tính toán độ bền miễn phí và đề xuất quy trình.