Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước”

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Bánh răng côn răng cong Hypoid là loại chi tiết máy có hình dạng hình học phức tạp, tính toán thiết kế nhiều thông số, và được gia công trên các máy chuyên dùng có độ chính xác cao. Vì có nhiều ưu điểm trong truyền động như: khả năng truyền tải lớn, độ bền và tuổi thọ cao, làm việc êm, có khả năng giảm được kích thước tổng thể của bộ truyền. Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng côn răng cong luôn là vấn đề mới đối với các nhà khoa học và các nhà sản xuất. Hiện nay việc lựa chọn vật liệu và công nghệ gia công cặp Hypoid có thể thực hiện tại Việt Nam. Tuy nhiên, chất lượng bộ truyền của các bánh răng chế tạo trong nước vẫn rất còn nhiều vấn đề về độ chính xác gia công, độ bền lâu và hiệu suất. Một trong những nguyên nhân chính của hạn chế đó là chưa có công nghệ nhiệt luyện tốt cho cặp bánh răng Hypoid trong cụm cầu chủ động của xe ô tô tải chế tạo trong nước. Hiệu suất của cụm cầu chủ động là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của cụm cầu cũng như chất lượng của hệ thống truyền lực. Hiện trong nước chưa có công trình nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng truyền lực chính tới hiệu suất cầu sau xe ô tô tải. Việc nghiên cứu chuyên sâu có lý luận khoa học và thực nghiệm là việc làm cần thiết để từng bước phát triển ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Vì vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước” nhằm mục tiêu nghiên cứu hiệu suất cụm cầu cho cặp truyền lực chính Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với các thông số công nghệ hợp lý trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án - Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới chất lượng bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô; - Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của báng răng Hypoid tới hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ với điều kiện thiết bị hiện có tại Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu - Chất lượng bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid chế tạo trong nước; - Hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải với cặp bánh răng Hypoid được thấm Ni tơ Plasma với chế độ công nghệ phù hợp. 4. Phương pháp, nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và phân tích các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên quan để làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài; - Ứng dụng phương pháp PTHH và sử dụng phần mềm Ansys mô phỏng phân tích bề mặt ăn khớp giữa hai răng ăn khớp của cặp bánh răng Hypoid với các hệ số ma sát chọn theo công thức thực nghiệm. Qua đó, đã phân tích được ảnh hưởng của chất lượng của bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid tới hiệu suất cầu sau ô tô; - Tiến hành thực nghiệm, thiết lập các phương trình hồi quy, sử dụng phần mềm tính toán để xây dựng mối quan hệ giữa thông số công nghệ thấm với thông số chất lượng bề mặt làm việc, giải tìm ra được chế độ thấm phù hợp cho cặp bánh răng Hypoid; - Ứng dụng công nghệ đo quang số 3D để đánh giá sai lệch do biến dạng nhiệt bề mặt chi tiết và sai lệch kích thước sau khi thấm Ni tơ Plasma; - Xây dựng bộ thông số thí nghiệm trên bệ thử; - Chế tạo cặp bánh răng Hypoid, sau khi tôi thể tích, tiến hành thấm Ni tơ Plasma theo thông số đã xác định để thí nghiệm kiểm chứng hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ. 3 5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới độ cứng tế vi, sai lệch do biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt tiếp xúc của bánh răng Hypoid làm bằng thép hợp kim 18ХГT; - Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tiếp xúc của các cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ chế tạo trong nước với điều kiện chuyển động thẳng, ổn định trên đường bằng phẳng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án - Bằng phương pháp thiết kế hiện đại, bộ thiết kế cụm cầu sau ô tô tải nhẹ có độ tin cậy cao để gia công chính xác cặp bánh răng Hypoid và các chi tiết trong cụm cầu, phục vụ trực tiếp cho các nội dung nghiên cứu trong Luận án; - Xây dựng được mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số công nghệ thấm Ni tơ đến độ cứng tế vi, sai lệch do biến biến dạng nhiệt và độ nhám bề mặt làm việc; - Xác định được chế độ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid để đạt được hiệu suất truyền động cao ở các chế độ tải và vận tốc đặc trưng theo tiêu chuẩn quốc tế; - Xây dựng được bộ thông số thí nghiệm để đo hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ theo chất lượng bề mặt làm việc. 7. Các điểm mới của luận án - Tìm ra được công cụ phù hợp là công nghệ đo quét quang số 3D của hãng GOM để xây dựng bộ thí nghiệm đo kích thước hình học và sai lệch do biến dạng nhiệt bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid trước và sau khi nhiệt luyện. Công cụ này có thể áp dụng để kiểm tra sai số gia công các bề mặt cong bất kỳ; - Chế tạo cặp bánh răng Hypoid đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về dung sai và độ bóng bề mặt trước khi nhiệt luyện. Xác định được chế độ thấm 4 Ni tơ hợp lý để không làm biến dạng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, trong khi độ cứng bề mặt đảm bảo đạt từ 55÷60 HRC, rút ngắn qui trình gia công, bớt được nguyên công mài tinh phụ thuộc vào máy mài sườn răng; - Thiết kế, chế tạo được bệ thử cầu sau theo nguyên lý dòng công suất hở để nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới hiệu suất cụm cầu sau ô tô tải nhẹ theo phương pháp đo mô men đồng thời trên cả 3 trục quay. 8. Bố cục của luận án Nội dung luận án được chia thành 5 chương, cụ thể gồm: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan về cụm truyền lực cầu sau ô tô Chương 2: Công nghệ thấm Ni tơ Plasma và hiệu suất của cầu sau ô tô tải nhẹ Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc bánh răng hypoid đến hiệu suất cầu sau Chương 4: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma đến chất lượng bề mặt bánh răng Hypoid Chương 5: Thí nghiệm đo hiệu suất cầu sau ô tô Kết luận chung 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CỤM TRUYỀN LỰC CẦU SAU Ô TÔ 1.1 Cầu sau và cụm truyền lực chính trên ô tô 1.1.1 Cấu tạo cầu sau và cụm truyền lực chính Cầu sau chủ động (sau đây gọi tắt là “cầu sau”) trên ô tô tải nhẹ với cơ cấu truyền lực chính có công dụng phân phối mô men truyền từ hệ thống truyền lực ra các bánh xe chủ động của ô tô làm cho ô tô chuyển động phù hợp với từng tay số. Hình dáng tổng thể cầu sau ô tô tải nhẹ và cụm truyền lực chính được giới thiệu trên Hình 1.1. a) Hình dáng tổng thể cầu sau ô tô tải nhẹ b)Cụm truyền lực chính Hình 1.1. Cầu sau ô tô tải nhẹ Trong quá trình làm việc, các cặp chi tiết chuyển động quay như: khớp nối trục, ổ trục, các cặp bánh răng ăn khớp sẽ phát sinh ma sát ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của bộ truyền. Cấu tạo chi tiết cầu sau và truyền lực chính của xe tải nhẹ được trình bày trên Hình 1.2. 1.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật của cầu sau và cụm truyền lực chính Cầu sau ô tô có các yêu cầu sau kỹ thuật [10]: - Đảm bảo đặc tính động lực học và tính kinh tế tối ưu cho ô tô; - Có hiệu suất cao, làm việc êm và không ồn; - Đảm bảo khoảng sáng gầm xe đủ lớn; - Đảm bảo độ cứng vững của khung vỏ xe và cả xe. 6 a) Cấu tạo chi tiết cầu sau b) Cặp bánh răng Hypoid Hình 1.2. Cấu tạo chi tiết truyền lực chính của xe tải nhẹ 1 - Bu lông và đai ốc 2 - Đai ốc ngoài ổ bi 3 - Các nửa gối đỡ ổ b 5 - Cụm vi sai 7 - Phớt làm kín 4 - Bu lông điều chỉnh 8 - Ổ bi 6 - Cụm bánh răng quả dứa Theo số lượng bánh răng truyền lực chính có hai dạng: truyền lực đơn (một cặp bánh răng) và truyền lực kép (hai cặp bánh răng). Truyền lực đơn thường dùng trên xe tải nhẹ và nó có thể được phân loại theo dạng bánh răng: truyền lực chính bánh răng côn răng thẳng, răng cong; răng dạng Hypoid; dạng bánh răng trụ; dạng trục vít. Truyền lực kép được chia thành hai loại: truyền lực chính với cả hai cặp bánh răng được bố trí trong cùng một cụm nằm giữa hai bánh xe chủ động và truyền lực chính có cặp bánh răng thứ hai được bố trí tại các bánh xe chủ động, Hình 1.3. Hình 1.3. Một số sơ đồ truyền lực chính đơn trong cầu sau ô tô tải nhẹ 7 Truyền lực chính dạng Hypoid (Hình 1.3 b) được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô do có những ưu điểm: khả năng chịu tải lớn, làm việc êm, không ồn và có khả năng nâng cao khoảng sáng gầm xe. 1.1.3 Cụm bánh răng truyền lực chính Hypoid Các bánh răng Hypoid có hình dạng bên ngoài giống như các bánh răng côn xoắn răng cong thông thường, nhưng rất khác nhau về mặt hình học, Hình 1.4. Truyền động Hypoid có những điểm khác biệt: E Hình 1.4. Cặp bánh răng Hypoid truyền lực chính trong cầu sau ô tô - Trục của các bánh răng không cắt nhau mà chéo nhau với độ lệch E (gọi là độ lệch Hypoid); - Góc xoắn trung bình của bánh răng chủ động và bánh răng bị động không bằng nhau (1 > 2); - Mô đun tiếp tuyến của bánh răng chủ động lớn hơn mô đun tiếp tuyến của bánh răng bị động. - Lực pháp tuyến tại vết tiếp xúc tác động lên các bánh răng chủ động và bánh răng bị động bằng nhau, nhưng các lực tiếp tuyến không bằng nhau. 8 Khi có cùng một tỷ số truyền, cùng đường kính của bánh răng quả dứa thì bộ truyền Hypoid có đường kính vành răng của bánh răng vành chậu nhỏ hơn bộ truyền côn xoắn thông thường nên kích thước truyền lực chính giảm. - Khi có cùng một tỷ số truyền, nếu đường kính vành răng của bánh răng vành chậu không thay đổi thì ở bộ truyền Hypoid có thể tăng đường kính vành răng của bánh răng quả dứa làm cho khả năng truyền tải và độ bền của truyền lực chính cao hơn. 1.2 Đánh giá chất lượng cầu sau ô tô 1.2.1 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng cầu sau ô tô Hiệu suất cầu sau, độ ồn rung, độ bền uốn, độ bền tiếp xúc và độ bền mỏi (bền lâu) của cầu sau là các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng cầu sau ô tô. Trong đó, hiệu suất cầu sau là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất, [10,19]. a) Chỉ tiêu ồn rung của cầu sau Khi xe hoạt động, hệ thống truyền lực và cầu sau làm việc, do những nguyên nhân mất cân bằng trong hệ thống truyền lực, do lỗi bánh răng và trục… sẽ gây ra ồn rung trong hệ thống truyền lực. Ồn rung cầu sau xuất hiện nguyên nhân chủ yếu do chế độ lắp ghép không đúng yêu cầu kỹ thuật tạo ra các khe hở giữa các răng, các ổ trục hoặc do các bánh răng mòn không đều, bị tróc rỗ. Hiện nay trong nước chưa có chỉ tiêu đánh giá hoặc kiểm tra ồn rung cầu sau ô tô, trên xe thường được đánh giá trên tổng thể xe và dùng phương pháp loại trừ để xác định chất lượng cụm chi tiết tổng thành trên xe. b) Chỉ tiêu về độ bền uốn của cầu sau Xác định chỉ tiêu độ bền uốn là sự phá hủy gây ra các vết nứt, gãy răng hoặc cong vênh làm cho cầu sau không còn khả năng làm việc nữa. Trong đó, cặp bánh răng chịu ma sát do biến dạng uốn ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau ô tô. Phương pháp xác định chỉ tiêu bền uốn là tập trung vào xác định lực tác dụng trên các bánh răng cầu sau. 9 c) Chỉ tiêu về độ bền mỏi (bền lâu) của cầu sau Độ bền mỏi của chi tiết là hiện tượng xảy ra hỏng hóc của chi tiết khi chi tiết chịu tác động của lực tác động thay đổi theo thời gian. Hiện tượng hỏng như vậy gọi là hỏng do mỏi. Để đánh giá mỏi của chi tiết là một quá trình phức tạp và khó khăn. Chủ yếu dựa theo yếu tố kinh nghiệm và các thí nghiệm thực nghiệm, từ đó dự đoán trước được thời điểm hỏng do mỏi. d) Chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc của cầu sau Một dạng hỏng hóc của bánh răng ảnh hưởng đến hiệu suất cầu sau là hỏng hóc do tróc rỗ. Khi bị tróc rỗ, bề mặt các răng bị dính và bóc đi một mảng kim loại và sẽ gây ra ồn rung lớn cho cầu sau, hiệu suất truyền lực sẽ bị giảm đi nhiều và cầu sau không thể làm việc được nữa, ta phải thay thế. e) Chỉ tiêu về hiệu suất cầu sau Hiệu suất cầu sau ô tô là chỉ tiêu đặc trưng cho mức độ sử dụng công suất hữu ích của cầu sau. Hiệu suất cầu sau ô tô được đánh giá thông qua hiệu suất của bộ truyền bánh răng trong cầu. 1.2.2 Hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ Hiệu suất cầu sau ô tô được xác định bởi công thức (1.1). P P   2  1 r P1 P1 (1.1) Trong đó: P1, P2 - Công suất trên trục vào và trục ra cụm cầu sau; Pr - Công suất mất mát trên cụm cầu sau, trong đó: Pr = Ps + P0 + Pd Ps - Công suất mất mát do ma sát của các cặp bánh răng ăn khớp ; Po - Công suất mất mát trong ổ bi; Pd - Công suất mất mát do khấy dầu bôi trơn. Do mất mát công suất trong từng cụm rất phức tạp nên trong thực tế chỉ đo mất mát (hiệu suất) trong bộ truyền. 10 Trong phòng thí nghiệm, có thể thực hiện đo hiệu suất cầu sau ô tô theo nguyên lý dòng công suất hở hoặc theo nguyên lý dòng công suất kín [1,2]. Bệ thử dòng công suất kín có ưu điểm là sử dụng động cơ tạo nguồn động lực dẫn động nhỏ nhưng nhược điểm là khó kiểm soát được tải trọng trên bệ thử nên độ chính xác của phép đo không cao. Bệ thử dòng công suất hở khắc phục được nhược điểm trên nhưng động cơ dẫn động cần công suất lớn hơn. 1.3 Thiết kế, chế tạo bộ truyền lực chính Hypoid Bánh răng côn răng cong nói chung và bánh răng Hypoid nói riêng có ba hệ chính dựa vào dạng đường cong của răng. Bánh răng côn hệ Gleason (của Mỹ): bánh răng côn răng cong có sườn răng dạng cung tròn; bánh răng côn hệ Klingelberg: bánh răng côn răng cong có sườn răng là đường thân khai hoặc Palloid; bánh răng côn hệ Oerlikon: bánh răng côn răng cong có sườn răng là đường cong Epicycloid hoặc Hypozykloid [27,34,84]. Bánh răng Hypoid là những chi tiết có kết cấu phức tạp, rất khó trong việc thiết kế tạo hình bề mặt và gia công. Vật liệu chế tạo bánh răng Hypoid thường là thép hợp kim Crom-Niken hay Crom-Mangan-Titan, như: 20XH, 20XHM, SCr420H, 18XГT, 30XГT... 1.3.1 Thiết bộ truyền lực chính Hypoid Cơ sở thiết kế các bánh răng Hypoid được trình bày trong các tài liệu [41], [83-87]. Thiết kế bộ truyền bánh răng Hypoid dựa trên việc ứng dụng thuật toán tổng hợp vị trí và việc phân tích vùng tiếp xúc răng TCA (Tooth Contact Analysis) để đạt được một đường tiếp xúc có hướng phù hợp. a) Thiết kế theo yêu cầu nâng cao khả năng tải, tăng vết tiếp xúc ăn khớp Nhờ ứng dụng sự phát triển của máy tính (hardware) và các phần mềm thiết kế mạnh (software), việc tính toán thiết kế bánh răng có nhiều thuận lợi. Phần mềm chuyên dùng trong tính toán thiết kế bánh răng phổ biến trên thế giới có khá nhiều, trong đó có hãng FVA-Worksbench- GbmH [38]. Sử dụng 11 phần mềm này, tác giả Michael Otto, Karsten Stahl và Di Maximilian Zimmer đã thiết kế bánh răng theo khả năng tăng tải và giảm ồn của bánh răng, [39]. b) Thiết kế bộ bánh răng Hypoid nhờ sự hỗ trợ của máy tính (CAD/CAE) Ngoài phần mềm FVA-Worksbench-GbmH, trên thế giới hiện còn có nhiều phần mềm khác, như HyGears của hãng Gleason, KISSsoft... Tuy nhiên những phần mềm này thường đi kèm với máy và giá thành rất cao. Ở Việt Nam, đến nay việc thiết kế bánh răng Hypoid vẫn phải thực hiện bằng phương pháp tính toán thông thường, ngoại trừ công bố của nhóm tác giả trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 6/2015 [15]. c) Thiết kế ngược bằng công nghệ quang số Một trong những ứng dụng sự phát triển của kỹ thuật ngược (Reverse Engineering) là sử dụng công nghệ quang số, [25,83]. Đây là phương pháp thiết kế mới nhất hiện nay. Phương pháp này sử dụng các tia sáng xanh hay tia laser để thu thập dữ liệu, dữ liệu nhận được không phải là các tọa độ 3 chiều mà là các vùng dữ liệu (đám mây điểm) với độ chính xác phụ thuộc vào thiết bị quét và phần mềm xử lý. Mỗi lần chiếu quét được hàng nghìn điểm/1giây. Không có hạn chế về số lần cũng như các vùng chiếu quét với mỗi vật. Chức năng của phần mềm theo máy bao gồm xử lý đám mây điểm với tốc độ cao, tạo ra các mẫu đa giác, tái tạo bề mặt, sắp xếp để thiết kế bằng máy tính và cho báo cáo về biểu màu, nhập dữ liệu cho bất kì hệ thống CAD nào. Trong đề tài luận án, nghiên cứu sinh đã áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược bằng công nghệ quang số để thiết kế cặp bánh chính Hypoid và các chi tiết trong cụm cầu sau ô tô tải nhẹ phục vụ cho nghiên cứu, Hình 1.1, Hình 1.2 với thông số cơ bản như trình bày trong Bảng 1.1. 1.3.2 Chế tạo bộ truyền lực chính dạng Hypoid 12 Hệ bánh răng hệ Klingelnberg và Oerlikon có ưu điểm độ chính xác cao, cho phép làm việc ở tốc độ cao. Hệ bánh răng côn răng cong hệ Gleason có quy trình chế tạo và dụng cụ gia công sẽ đơn giản hơn và có năng suất gia công cao hơn, khả năng truyền tải lớn, độ ồn thấp so với hai hệ trên [5]. Ở trong nước, các thiết bị gia công bánh răng côn răng cong của Liên Xô và Cộng hòa dân chủ Đức (cũ) đều thuộc hệ Gleason [1,27]. TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Bảng 1.1. Thông số cơ bản của bộ truyền lực chính Hypoid xe tải LIFAN 3070G1 Bánh răng Ký Đơn Tên thông số hiệu vị Chủ động Bị động Số răng Z 6 41 Tỷ số truyền i0 6,83 Hướng xoắn của răng Trái Phải Mô đun pháp tuyến mn 7,000 Mô đun mặt đầu ms 9,42 o Nửa góc côn chia độ 11.5 78.5o   Góc xoắn răng độ 42o 25,49o Hệ số dịch chỉnh mm -0,682 0,682  Góc ăn khớp danh nghĩa độ 20o 20o  Chiều rộng bánh răng b mm 63.3 58 Chiều dài tạo bởi hình côn chia L mm 210.93 210.93 Độ lệch tâm E mm 38 Để sử dụng cho các thí nghiệm của Luận án, nghiên cứu sinh đã chế tạo ba cặp bánh răng Hypoid bằng vật liệu 18XГT trên máy Phay bánh răng côn răng cong 525 hệ Gleason, Hình 1.5. Hình 1.5. Gia công các cặp bánh răng Hypoid 13 1.4 Nhiệt luyện bánh răng Hypoid trong cụm cầu sau ô tô Các bánh răng trong cầu sau ô tô tải nói chung, cặp bánh răng Hypoid nói riêng khi làm việc chịu tải lớn và chịu mài mòn cao. Bánh răng Hypoid không những có yêu cầu cao về thiết kế, chất lượng và độ chính xác gia công cơ khí mà nhiệt luyện cũng có yêu cầu rất cao và khắt khe để đảm bảo có độ biến dạng thấp, đặc biệt là biến dạng bề mặt làm việc của các răng bánh răng. 1.4.1 Nhiệt luyện Thường hóa, tôi, ram được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ nhiệt luyện bánh răng Hypoid cụm cầu sau ô tô. Chế độ và quy trình nhiệt luyện bánh răng được xác định bằng thực nghiệm và được cho trong các sổ tay nhiệt luyện. Nhiệt luyện cải thiện rất nhiều cơ tính của thép, song nếu thực hiện không đúng sẽ gây ra các dạng hư hỏng khác nhau, vì ứng suất nhiệt và tổ chức tạo thành sau khi tôi khá lớn, thường dẫn đến biến dạng quá mức cho phép. Các hư hỏng khi nhiệt luyện sẽ gây ra lãng phí rất lớn [7,8]. 1.4.2 Hoá nhiệt luyện Để bảo đảm bề mặt làm việc có độ cứng cao (58-62 HRC), lõi bền và có độ cứng vừa phải (30-45 HRC), bánh răng Hypoid cần phải được hóa bền bề mặt bằng các phương pháp hoá nhiệt luyện khác nhau, như: thấm Các bon , thấm Ni tơ, thấm Xianua… Chế độ và quy trình hóa nhiệt luyện bánh răng được xác định bằng thực nghiệm và được cho trong các sổ tay nhiệt luyện [7,8,12]. Hiện nay, nhờ sử dụng các thép hợp kim và công nghệ hoá nhiệt luyện, nhiệt luyện hợp lý mà tuổi thọ sử dụng bánh răng đã được nâng cao. Đề tài luận án này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và lưu lượng khí thấm trong công nghệ thấm Ni tơ Plasma tới chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid của cầu sau xe ô tô tải nhẹ. Đây là công nghệ hóa bền bề mặt mới nhất hiện nay. Công nghệ này có nhiều ưu điểm nổi trội, hơn hẳn các phương pháp hóa nhiệt luyện truyền thống [3], [21-24], [77-80]. 14 1.5 Tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô 1.5.1 Tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô ở nước ngoài Nghiên cứu chế tạo cụm cầu sau ô tô ở những nước có ngành công nghiệp phát triển như Mỹ, Nga, Nhật Bản, Đức... việc tập trung nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh răng đến nay cũng luôn là vấn đề mới. Các công trình nghiên cứu về cầu sau ô tô thường tập trung tại các hãng sản xuất, các nhà máy, xí nghiệp chế tạo. Do vậy việc công bố kết quả của các công trình nghiên cứu này thường bị hạn chế bởi liên quan đến bí quyết công nghệ, bản quyền và tính cạnh tranh [1,2,44]. Phần lớn các nghiên cứu đã được công bố về hiệu suất của các truyền động bánh răng tập trung vào đo lường tổn thất công suất trực tiếp của cặp bánh răng [44-50]. Một số khác thì đo hệ số ma sát bằng cách sử dụng đĩa kép trong điều kiện mô phỏng một cặp bánh răng để hệ số ma sát có thể được sử dụng để dự báo hiệu suất của một cặp bánh răng [44-45,54-57]. Một số nghiên cứu [43-47] thiết lập công thức thực nghiệm cho hệ số ma sát được sử dụng khá rộng rãi. Những công thức thực nghiệm này cho thấy hệ số ma sát là một hàm của một danh sách các tham số, như tốc độ trượt và lăn, bán kính cong của bề mặt tiếp xúc, tải hay lực tiếp xúc, độ nhám bề mặt, và độ nhớt của dầu bôi trơn… Nhóm nghiên cứu khác [44], dựa trên công thức thử nghiệm hệ số ma sát được công bố như các tham khảo [56-57]. Các mô hình trong nhóm nghiên cứu này xem xét các cặp bánh răng trụ răng thẳng [44], xoắn và tính toán các thông số cần thiết để xác định hệ số ma sát theo công thức thực nghiệm cụ thể thích ứng. Các nghiên cứu này có sức thuyết phục mạnh hơn so với mô hình hệ số ma sát không đổi, độ chính xác của các mô hình bị hạn chế về độ chính xác của các hệ số ma sát công thức kinh nghiệm sử dụng. Mỗi công thức hệ số ma sát thực nghiệm điển hình đại diện cho một loại nhất định của vật liệu, 15 chất bôi trơn, nhiệt độ hoạt động, phạm vi tốc độ và tải, các điều kiện nhám bề mặt của mẫu con lăn có thể khác với các cặp bánh răng đang được mô hình hóa. Rất ít các công trình nghiên cứu hiệu suất bộ truyền sử dụng bánh răng cong được công bố [66-67]. Tài liệu về hiệu suất bộ truyền bánh răng Hypoid thường là các giáo trình. Buckingham [68] đề xuất một công thức gần đúng cho các tổn thất công suất của các bánh răng Hypoid, đó là tổng của các tổn thất của bánh răng côn và bánh vít – trục vít. Naruse [69] đã tiến hành một số thử nghiệm về tổn thất điểm và ma sát của bánh răng Hypoid loại Klingelnberg. Coleman [67] sử dụng công thức đơn giản để tính toán hiệu suất bánh răng Hypoid với hệ số ma sát không thay đổi hoặc công thức tính hệ số ma sát với rất hạn chế các thông số. Jia [71] đã thiết lập được các công thức EHL nhám bề mặt áp dụng cho bánh răng Hypoid. 1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam có rất ít những công trình nghiên cứu về cụm cầu sau ô tô nói chung và cụm cầu sau ô tô tải nói riêng. Một số nghiên cứu tập trung về lĩnh vực tạo hình bề mặt, thiết kế [4,15,28,29], lý thuyết ăn khớp [27] và chế tạo [1,5,17,27,28] bánh răng Hypoid trong truyền lực chính cầu sau. a) Về nghiên cứu nhiệt luyện bánh răng côn răng cong - Xí nghiệp cơ khí chính xác Z29, 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 trang bị dây chuyền nhiệt luyện (thấm than thể khí, tôi trung tần, ủ,...). 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 ô tô mỏ và các thiết bị trong công nghiệp khai thác than [1,2]. - Trung tâm Kỹ thuật cơ khí chính xác - Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị các thiết bị nhiệt luyện các loại bánh răng như: tôi thể tích, thấm C-N và ram [1,2]. 16 - Năm 2007, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương thực hiện đề tài NCKH cấp bộ “Nghiên cứu, khảo sát thiết kế tính toán và chế tạo bánh răng côn răng cong dùng trong công nghiệp”, [20]. Ngoài việc tính toán, lập bản vẽ thiết kế, gia công bánh răng côn răng cong theo phương pháp truyền thống, đề tài còn lập các qui trình công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện bánh răng côn răng cong. - Năm 2008, Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam, Bộ Công Thương đã thực hiện đề tài cấp Bộ và phát triển lên đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo cụm cầu sau xe tải nhẹ dưới 3 tấn”, [2]. Đề tài đã nghiên cứu và tiến hành nhiệt luyện bánh răng quả dứa và bánh răng vành chậu làm bằng vật liệu 18XГT với qui trình: thường hóa phôi sau khi rèn, dập; thấm Các bon chi tiết sau gia công cơ; tôi, ram. b) Về nghiên cứu thấm Ni tơ Plasma - Đề tài NCKHCN cấp Bộ của Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương (2007) [3] “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Ni tơ xung Plasma ở nhiệt độ thấp (570-600oC) trong dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy”, đã thiết kế chế tạo được thiết bị thấm Ni tơ Plasma đặt tại Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma cho thép 40CrMo” của tác giả Hoàng Minh Thuận (2012) [16], đã phân tích tổng quan công nghệ và cơ sở lý thuyết thấm Ni tơ Plasma, lựa chọn vật liệu và nghiên cứu thực nghiệm thấm một số chi tiết bánh răng để xác định thông số thấm cho thép 40CrMo. - Luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu công nghệ để nâng cao chất lượng bộ truyền bánh răng hành tinh trong các máy công trình” của tác giả Phạm Văn Đông (2012) [23], đã phân tích, so sánh phương pháp thấm Ni tơ plassma với các phương pháp xử lý bề mặt khác. Tác giả Luận án đã kết luận “ thấm Ni tơ plassma có ưu điểm nổi trội hơn các phương pháp khác, cụ thể có độ biến dạng nhỏ hơn, tuổi thọ cao hơn, chống mòn tốt hơn”. 17 - Các công trình nghiên cứu [22,24] trình bày ứng dụng công nghệ thấm Ni tơ Plasma cho các bánh răng trong các máy công trình và đánh giá độ biến dạng của bánh răng qua xử lý bề mặt bằng các phương pháp khác nhau. c) Về nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô Ở Việt Nam, cho tới hiện nay chỉ có đề tài NCKHCN trọng điểm cấp Nhà nước (KC.05.22/06-10) [1] “Hoàn thiện công nghệ chế tạo cụm cầu sau xe tải nhẹ” thực hiện đo hiệu suất cầu sau ô tô. Đề tài KC.05.22/06-10 đã công bố kết quả đo hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ LIFAN 3070G1 trên bệ thử dòng công kín với cặp bánh răng Hypoid do Việt Nam chế tạo (hiệu suất 90,50%) và cặp bánh răng Hypoid do Trung Quốc chế tạo (hiệu suất 92,50%). Một trong những khó khăn cho việc nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô là phải đo mô men xoắn đồng thời trên cả 3 trục quay. Đề tài luận án này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau xe tải nhẹ chế tạo trong nước. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 1. Đã phân tích tổng quan những vấn đề cơ bản về bộ truyền lực chính, hiệu suất cầu sau ô tô tải cũng như việc thiết kế, chế tạo và nhiệt luyện cặp bánh răng Hypoid. Tác giả đã thiết kế và chế tạo các cặp bánh răng Hypoid phục vụ cho thí nghiệm. 2. Đã phân tích tình hình nghiên cứu hiệu suất cầu sau ô tô, nhiệt luyện bánh răng Hypoid và công nghệ thấm Ni tơ Plasma ở trong nước và thế giới. Công nghệ thấm Ni tơ Plasma có nhiều ưu điểm nổi trội hơn hẳn các phương pháp xử lý bề mặt khác. 3. Hiện ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu của Luận án mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 18 Chương 2 : CÔNG NGHỆ THẤM NI TƠ PLASMA VÀ HIỆU SUẤT CỦA CẦU SAU Ô TÔ TẢI NHẸ Chương này trình bày những vấn đề cơ bản về thấm Ni tơ Plasma, đo kiểm tra chất lượng bề mặt làm việc của bánh răng Hypoid, ma sát của cặp ăn khớp Hypoid và hiệu suất cầu sau ô tô. Đây là cơ sở lý thuyết để nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ thấm Ni tơ Plasma cặp bánh răng Hypoid đến hiệu suất cầu sau ô tô tải nhẹ . Theo tiêu chuẩn quốc tế SAE J1266 [36], thực hiện thí nghiệm đo hiệu suất cầu sau trong hai trường hợp: trong phòng thí nghiệm và trên hiện trường. Trên hiện trường, xét trường hợp xe chạy thẳng, ổn định trên đường bằng phẳng. Điều đó cũng tương ứng với trường hợp khóa vi sai khi thí nghiệm trên bệ thử. Luận án giới hạn không xem xét trường hợp xe chạy trên đường gồ ghề cũng như khi xe quay vòng sang trái hoặc phải. 2.1 Cơ sở lý thuyết thấm Ni tơ Plasma 2.1.1 Giới thiệu chung Thấm Ni tơ Plasma hay thấm Ni tơ ion Plasma là công nghệ nhiệt luyện tiên tiến nhất hiện nay. Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2, N2, CH4 và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng Plasma. Ion Ni tơ được gia tốc trong quá trình Plasma và va chạm với mẫu vật. Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi [3,75,76]. 2.1.2 Công nghệ thấm Ni tơ Plasma a) Quá trình thấm Quá trình thấm Ni tơ Plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng Ni tơ, [3,80,88]. Chi tiết được đặt trong lò chân không và được nối với ca tốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện, Hình 2.1, [3]. 19 Khi nguồn điện được đóng vào, dưới điện áp cao (600-1000V) và áp suất thấp, hỗn hợp khí được biến đổi thành những ion (dòng điện dẫn Plasma). Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết. Với thép, quá trình này tạo nên chất rắn hoà tan của Ni tơ (FeN) trên bề mặt thép. Sau đó là quá trình khuếch tán. Trong suốt quá trình khuếch tán Ni tơ phần nào thay thế cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe4N, Fe2-3N ở lớp bề mặt. Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia. Sự phân chia Ni tơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm. Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo lò thấm Ni tơ Plasma Quá trình phân ly dựa trên năng lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết. Đó còn gọi là năng lượng Plasma. Nguồn Plasma Ni tơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt hoá. Sự tương tác giữa Plasma và bề mặt rắn là sự kích thích, ion hoá, phân ly và gia tốc. Trong quá trình thấm Ni tơ Plasma có hyđrô và Ni tơ nhưng không có xúc tác cho việc tạo thành NH3 như trong thấm N2 thể khí thông thường. Các phần tử N2 cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá. 20 b) Xung Plasma Trong trạng thái Plasma các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí [80,88]. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái Plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ > 8000oK. Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 mbar thì Plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Chính vì thế trong môi trường chân không Plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong công nghệ thấm Ni tơ Plasma thì Plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò). Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí dẫn điện (Plasma). Mật độ dòng tăng khi điện áp tăng. Thời gian tồn tại xung khoảng 50-100s. Chu kì xung khoảng 100300s, Hình 2.2, [3]. Hình 2.2. Mô tả xung Plasma Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung Plasma. Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung Plasma được tạo từ trước. Nó có nhiều ưu điểm như: - Tạo Plasma ổn định trong mọi trường hợp; - Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp; - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất; - Bề mặt được xử lý nhiều nhất. c) Sự phân lớp Lớp bề mặt được nitrit hoá sau khi thấm Ni tơ ion là sự kết hợp của các miền [72,73]. Một lớp trắng mỏng, chắc chắn bên ngoài và miền khuếch tán