Hãy tưởng tượng một cỗ máy hạng nặng bị dừng lại do hỏng hộp số - những thiệt hại kinh tế có thể lên tới hàng triệu đô la. Là thành phần cốt lõi của hệ thống cơ khí, hiệu suất, hiệu quả và tuổi thọ của hộp số phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu được chọn để chế tạo nó. Việc lựa chọn vật liệu hộp số phù hợp không chỉ đảm bảo hoạt động đáng tin cậy; nó còn rất quan trọng để giảm chi phí bảo trì và nâng cao hiệu quả sản xuất. Bài viết này khám phá việc lựa chọn vật liệu cho các bộ phận hộp số khác nhau để giúp đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất, tuổi thọ và chi phí.

Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, hiệu suất, yêu cầu bảo trì và cấu trúc chi phí tổng thể của hộp số:

• Độ bền: Hộp số thường hoạt động dưới tải nặng và điều kiện căng thẳng cao. Vật liệu bền chịu được sự mài mòn và kéo dài tuổi thọ.
• Hiệu suất: Hiệu quả truyền tải điện phụ thuộc vào các đặc tính vật liệu của bánh răng và vỏ.
• Bảo trì: Vật liệu chống ăn mòn và mài mòn làm giảm tần suất bảo trì và nhu cầu thay thế.
• Chi phí: Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến tổng chi phí sở hữu, đòi hỏi sự cân bằng cẩn thận giữa đầu tư ban đầu và tiết kiệm dài hạn.

Hộp số bao gồm một số bộ phận chính - bánh răng, ổ trục, vỏ và trục - mỗi bộ phận yêu cầu các vật liệu cụ thể phù hợp với yêu cầu chức năng và điều kiện vận hành của chúng.

Là các bộ phận truyền động chính, vật liệu bánh răng phải thể hiện độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn cao.

• Thép: Vật liệu bánh răng phổ biến nhất. Thép carbon, thép hợp kim và thép không gỉ mang lại độ bền và độ bền đặc biệt. Thép tôi bề mặt như 20MnCr5 đặc biệt phổ biến vì bề mặt bên ngoài cứng và lõi cứng.
• Gang: Cung cấp khả năng gia công và khả năng chống mài mòn tốt cho các ứng dụng tốc độ thấp, mặc dù không phù hợp với môi trường căng thẳng cao.
• Đồng thau và Đồng: Được sử dụng trong các ứng dụng ma sát thấp như bánh răng sâu, mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời và đặc tính tự bôi trơn.
• Nhựa: Nhựa kỹ thuật (nylon, acetal) được sử dụng trong các ứng dụng tải trọng thấp, tốc độ thấp, nơi trọng lượng nhẹ và giảm tiếng ồn là ưu tiên.

Tính linh hoạt và hiệu suất vượt trội của thép khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên để sản xuất hộp số:

• Thép Carbon: Với hàm lượng carbon lên đến 2%, các loại thép này cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo dai, phù hợp với bánh răng và trục chịu ứng suất vừa phải.
• Thép hợp kim: Các chất phụ gia crom, molypden và niken làm tăng đáng kể độ cứng, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn. Các loại phổ biến như 4140 và 4340 phù hợp với các ứng dụng chịu ứng suất cao.
• Thép không gỉ: Chứa ≥10,5% crom để chống ăn mòn tuyệt vời. Các loại như 17-4PH và 304 được sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc tiếp xúc hóa chất.

Các bộ phận này hỗ trợ các trục quay đồng thời giảm thiểu ma sát giữa các bộ phận chuyển động, đòi hỏi các vật liệu chịu được tải nặng đồng thời đảm bảo hoạt động trơn tru.

• Thép Chrome: Vật liệu vòng bi phổ biến nhất, mang lại độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ mỏi.
• Thép không gỉ: Được sử dụng khi khả năng chống ăn mòn là tối quan trọng, mặc dù độ cứng hơi thấp hơn so với thép chrome.
• Gốm: Vòng bi lai với bi gốm cung cấp khả năng tốc độ cao, ma sát thấp và khả năng chống mài mòn đặc biệt cho các ứng dụng hiệu suất.

Vỏ hộp số bao bọc các bộ phận đồng thời cung cấp khả năng bảo vệ và hỗ trợ kết cấu, đòi hỏi các vật liệu kết hợp độ bền với khả năng chống va đập.

• Gang: Được sử dụng rộng rãi vì độ bền, khả năng gia công và đặc tính giảm rung.
• Nhôm: Nhẹ và chống ăn mòn, lý tưởng khi giảm trọng lượng là rất quan trọng.
• Thép: Cung cấp độ bền và độ bền vượt trội cho các ứng dụng hạng nặng.

Truyền lực từ hộp số đến các bộ phận khác, trục yêu cầu các vật liệu chắc chắn, bền và chống lại ứng suất xoắn.

• Thép hợp kim: Thường được sử dụng vì độ bền cao, độ dẻo dai và khả năng chống mỏi.
• Thép không gỉ: Được chọn để chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.
• Thép Carbon: Cung cấp sự kết hợp cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và hiệu quả về chi phí.

Ngoài các vật liệu chính, một số vật liệu khác phục vụ các mục đích chuyên biệt:

• Các loại Gang:
  • Gang xám: Chứa các vảy than chì để chống mài mòn và giảm rung tuyệt vời.
  • Gang dẻo: Cung cấp độ dẻo và khả năng chống va đập lớn hơn gang xám.
• Đồng thau và Đồng:
  • Đồng thau (hợp kim đồng-kẽm): Được sử dụng trong bánh răng sâu và các ứng dụng ma sát thấp.
  • Đồng (hợp kim đồng-thiếc): Cung cấp khả năng chống mài mòn và độ bền vượt trội cho vòng bi và bánh răng tải trọng cao.
• Nhựa kỹ thuật:
  • Nylon: Kết hợp độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn cho bánh răng và vòng bi.
  • Acetal: Được biết đến với ma sát thấp và độ ổn định kích thước trong các bộ phận chính xác.

Một số yếu tố quan trọng hướng dẫn việc lựa chọn vật liệu:

1. Khả năng chịu tải: Vật liệu phải chịu được tải trọng vận hành mà không bị biến dạng hoặc hỏng.
2. Khả năng chống mài mòn: Khả năng chống cao kéo dài tuổi thọ.
3. Khả năng chống ăn mòn: Thép không gỉ hoặc lớp phủ ngăn ngừa sự xuống cấp trong môi trường khắc nghiệt.
4. Tính chất nhiệt: Vật liệu phải hoạt động đáng tin cậy trong phạm vi nhiệt độ.
5. Khả năng gia công: Ảnh hưởng đến khả năng sản xuất, đặc biệt đối với hình dạng bánh răng phức tạp.
6. Chi phí: Yêu cầu cân bằng nhu cầu về hiệu suất với các ràng buộc về ngân sách.

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu tiếp tục chuyển đổi công nghệ hộp số:

• Vật liệu composite: Kết hợp các điểm mạnh của vật liệu (ví dụ: vật liệu composite kim loại-nhựa kết hợp độ bền của kim loại với các đặc tính nhẹ của nhựa).
• Xử lý bề mặt: Các kỹ thuật như nitriding, carburizing và lớp phủ PVD tăng cường độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn mà không ảnh hưởng đến các đặc tính vật liệu cốt lõi.
• Sản xuất bồi đắp: In 3D cho phép hình dạng bánh răng phức tạp với các đặc tính vật liệu tùy chỉnh.

Các yêu cầu cụ thể của ngành quyết định việc lựa chọn vật liệu:

Phải chịu được tải trọng cao đồng thời đảm bảo hoạt động trơn tru và khả năng chống mài mòn.

• Bánh răng: Thường được tôi cứng (20MnCr5) hoặc thép hợp kim (4140)
• Vòng bi: Thép chrome hoặc gốm lai để vận hành tốc độ cao
• Vỏ: Nhôm để giảm trọng lượng, gang cho xe hạng nặng
• Trục: Thép hợp kim cường độ cao (4340)

Phục vụ các môi trường đa dạng từ hệ thống băng tải đến tuabin gió.

• Bánh răng: Thép hợp kim cường độ cao và thép tôi cứng
• Vòng bi: Thép không gỉ để chống ăn mòn hoặc thép chrome cho tải nặng
• Vỏ: Gang để tăng độ bền và giảm rung
• Trục: Thép hợp kim cường độ cao cho khả năng chịu tải nặng

Yêu cầu khả năng chống ăn mòn và độ bền đặc biệt.

• Bánh răng: Thép không gỉ hoặc đồng
• Vòng bi: Thép không gỉ hoặc gốm để chịu được nước biển
• Vỏ: Nhôm cấp hàng hải hoặc thép không gỉ
• Trục: Thép không gỉ chống ăn mòn