intTypePromotion=1

Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc: Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn

Chia sẻ: Chung Chung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0
143
lượt xem
7
download

Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc: Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ truyền bánh răng con lăn là một loại bộ truyền mới với nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên có rất ít tài liệu cũng như phương pháp tính thiết kế, đặc biệt là phần mềm tự động hoá thiết kế phục vụ vấn đề thiết kế trong nghiên cứu và sản xuất. Dựa trên phương pháp tính thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn theo độ bền, bài báo này giới thiệu phần mềm tự động hoá thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc: Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn

63<br /> Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc<br /> Kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Cơ học. Hà Nội, 09/04/2014<br /> <br /> Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn<br /> Vũ Lê Huy1<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Email liên lạc: huy.vule@hust.edu.vn<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bộ truyền bánh răng con lăn là một loại bộ truyền mới với nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên có rất ít tài liệu cũng như<br /> phương pháp tính thiết kế, đặc biệt là phần mềm tự động hoá thiết kế phục vụ vấn đề thiết kế trong nghiên cứu và sản xuất.<br /> Dựa trên phương pháp tính thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn theo độ bền, bài báo này giới thiệu phần mềm tự động hoá<br /> thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn.<br /> Từ khóa: truyền động, bánh răng con lăn, tự động hoá thiết kế, độ bền<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Bộ truyền bánh răng con lăn là một loại bộ truyền mới được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt<br /> với bánh răng có biên dạng Cycloid (nên còn gọi là đĩa Cycloid). Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền lớn, khả<br /> năng tải lớn, hiệu suất cao, làm việc êm, kích thước nhỏ gọn [1,2]. Bộ truyền này có ý nghĩa lớn lao trong việc<br /> giải các bài toán đặt ra cho các hệ dẫn động có kích thước nhỏ của các máy. Các động cơ-hộp giảm tốc với loại<br /> bộ truyền này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, chẳng hạn như<br /> trong máy nén và máy bơm, máy xay bột và máy nghiền, các dạng khác nhau của máy khuấy và các loại thiết bị<br /> khác. Do đó loại truyền động này có nhiều triển vọng áp dụng.<br /> Mặc dù loại bộ truyền này đã được chế tạo thử thành công tại Việt Nam [3], nhưng tài liệu nghiên cứu về<br /> loại bánh răng này không nhiều, đặc biệt là các tài liệu đi nghiên cứu về độ bền đặc biệt là tại Việt Nam. Cũng<br /> do hạn chế về cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế bộ truyền này nên phần mềm thực hiện tính toán thiết kế bộ<br /> truyền này cũng chưa có. Mặt khác, do hình dạng và kết cấu phức tạp của bộ truyền này, việc tính toán thiết kế<br /> kích thước bộ truyền và xây dựng biên dạng đĩa Cycloid theo cách thủ công rất khó khăn. Do vậy việc xây dựng<br /> một phần mềm tự động hóa phục vụ công việc tính toán thiết kế và xây đựng bộ truyền là cần thiết. Dựa trên<br /> phương pháp tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn đã được xây dựng bởi tác giả [4], một phần mềm tính<br /> toán thiết kế tự động loại bộ truyền này đã được xây dựng. Bài báo này đi vào giới thiệu phần mềm này. Kết quả<br /> thu được từ phần mềm này có thể đưa vào các phần mềm CAD phục vụ cho việc nghiên cứu và chế tạo dễ dàng,<br /> nhanh chóng.<br /> <br /> 2. Bộ truyền bánh răng con lăn<br /> Hình 1 mô tả các thành phần chính cấu tạo nên bộ truyền bánh răng con lăn với 4 thành phần chính là:<br /> - Trục đầu vào cùng với bạc lệch tâm và ổ lăn.<br /> - Các con lăn bánh răng chốt lắp trên vành răng chốt. Tâm các con lăn răng chốt được giữ cố định.<br /> - Bánh răng Cycloid hay đĩa Cycloid (trong một bộ truyền có thể có 1, 2 hoặc 3 đĩa Cycloid).<br /> - Trục đầu ra được gắn với các chốt đầu ra, nhận chuyển động quay từ chuyển động của đĩa Cycloid.<br /> Nhờ sử dụng các con lăn nên ma sát xuất hiện khi bộ<br /> truyền làm việc là ma sát lăn, nhờ đó bộ truyền bánh<br /> răng con lăn cho hiệu suất cao và làm việc êm.<br /> Hình 2 giới thiệu nguyên lý làm việc của bộ truyền<br /> này. Khi trục đầu vào quay làm bạc lệch tâm gắn trên nó<br /> quay theo. Bánh răng Cycloid do lắp trên bạc cũng có xu<br /> hướng quay theo nhưng bánh răng ăn khớp với các con<br /> lăn răng chốt trên vành răng chốt nên bánh răng chỉ lăn<br /> hành tinh bên trong vành răng chốt đồng thời nó cũng tự<br /> Hình 1. Cấu tạo bộ truyền bánh răng con lăn<br /> quay quanh tâm của nó với tốc độ chậm và theo chiều<br /> <br /> 64<br /> <br /> Vũ Lê Huy<br /> <br /> Bạc lệch tâm<br /> <br /> (a) Trục vào ở 00<br /> <br /> Trục vào<br /> <br /> Bánh răng Cycloid<br /> <br /> (b) Trục vào ở 900<br /> <br /> Con lăn<br /> <br /> (c) Trục vào ở 1800<br /> <br /> Chốt đầu ra<br /> <br /> (d) Trục vào ở 2700<br /> <br /> Hình 2. Mô tả quá trình làm việc của bộ truyền bánh răng con lăn<br /> ngược lại. Do số răng bánh răng Cycloid ít hơn số răng chốt một răng nên sau mỗi một vòng quay của trục vào<br /> thì bánh răng Cycloid mới quay quanh tâm của nó một bước răng. Như vậy, tỉ số truyền đạt được bằng chính số<br /> răng của bánh răng Cycloid. Vận tốc của bánh răng Cycloid được truyền ra trục ra thông qua các chốt đầu ra có<br /> mang con lăn. Cụ thể theo như trên hình 2, ban đầu đường thẳng nối tâm trục vào và tâm của bạc lệch tâm tạo<br /> với phương ngang một góc là 0 (gọi tắt là trục vào ở 0) (hình 2 (a)) thì trục ra cũng ở góc 0. Khi trục vào quay<br /> được một góc 90 theo ngược chiều kim đồng hồ (hình 2(b)) thì bánh răng Cycloid quay được một góc 90/u<br /> theo chiều kim đồng hồ quanh tâm của nó, đồng thời kéo trục ra quay theo cũng được một góc 90/u, với u là tỉ<br /> số truyền của bộ truyền. Tiếp tục, khi trục vào quay được một góc 180 (hình 2(c)) thì trục ra quay được một<br /> góc 180/u. Tương tự, khi trục vào quay được một góc 270 (hình 2(d)) thì trục ra quay được một góc 270/u.<br /> Trong truyền động này, tỉ số truyền u chính bằng số răng đĩa Cycloid là z1. Do vậy tỉ số truyền của bộ truyền<br /> bánh răng con lăn rất lớn có thể từ 8 đến 65. Nếu sử dụng 2 cấp bộ truyền, tỉ số truyền có thể từ 65 đến 3600.<br /> Tuy nhiên, ở đây chỉ dừng lại ở việc thiết kế các bộ truyền đơn lẻ, tức là chỉ dùng 1 cấp bộ truyền.<br /> <br /> 3. Các công thức thiết kế và kiểm nghiệm độ bền cho bộ truyền bánh răng con lăn<br /> Các công thức sau đây đã được thiết lập trong [4]. Một số thông số hình học được mô tả trên hình 3.<br /> 3.1. Theo độ bền tiếp xúc của răng đĩa Cycloid<br /> Công thức kiểm nghiệm có dạng:<br /> 3<br /> <br /> H <br /> <br /> ZM<br /> K H .k .k z .T2<br />   H <br /> 3<br /> c<br /> 2(k z  1)<br /> z. bd .R2<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> H và [H] là ứng suất tiếp xúc lớn nhất xuất hiện trên bề mặt răng đĩa Cycloid và ứng suất tiếp xúc cho phép.<br /> ZM - hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp<br /> <br /> R2<br /> <br /> xúc.<br /> KH - hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc.<br /> <br /> Fpi<br /> Ni<br /> <br /> Mi<br /> <br /> Fri<br /> Rt<br /> <br /> Ft<br /> <br /> <br /> <br /> R2 - bán kính đường tròn qua tâm các con lăn.<br /> Từ công thức (1), thu được công thức thiết kế xác định<br /> R2 như sau:<br /> <br /> rc<br /> <br /> i<br /> <br /> c<br /> bd - hệ số bề rộng vành răng đĩa Cycloid.<br /> <br /> rp<br /> <br /> i<br /> <br /> - hệ số góc tiếp xúc α.<br /> - hệ số xác định theo số răng đĩa Cycloid.<br /> - mômen xoắn trên trục ra.<br /> - số đĩa Cycloid.<br /> <br /> <br /> i<br /> <br /> k<br /> kz<br /> T2<br /> z<br /> <br /> O<br /> <br /> A<br /> <br /> Hình 3. Các thông số hình học và lực tác dụng<br /> <br /> Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn<br /> <br /> 2<br /> <br /> R2  3<br /> <br /> 65<br /> <br /> 3<br /> <br /> Z M K H .k .k z .T2<br /> 2<br /> c<br /> 4.z. bd .( k z  1) 2  H <br /> <br /> (2)<br /> <br /> 3.2. Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc con lăn trục ra<br /> Ứng suất tiếp xúc lớn nhất xuất hiện giữa con lăn đầu ra và lỗ đầu ra trên đĩa Cycloid xác định theo công<br /> thức:<br /> <br />  H  ZM<br /> với:<br /> <br /> k K H T2<br /> zbRt<br /> <br /> .<br /> <br /> A<br />   H <br /> rp (rp  A)<br /> <br /> kγ - hệ số xét đến góc tiếp xúc γ.<br /> Rt - bán kính vòng tròn qua tâm các chốt đầu ra.<br /> A - độ lệch tâm của đĩa Cycloid.<br /> <br /> (3)<br /> rp - bán kính con lăn đầu ra.<br /> b - bề rộng đĩa Cycloid.<br /> <br /> 3.3. Tính chốt trục ra<br /> Công thức thiết kế xác định bán kính chốt trục ra theo độ bền cắt và độ bền uốn:<br /> <br /> <br /> T2 .k .K Fp<br /> rch <br />  .z.Rt . c <br /> <br /> <br /> 4.T2 .k .K Fp .(b / 2  L)<br /> <br /> rch  3<br />  .z.Rt . <br /> <br /> <br /> (4)<br /> <br /> Trong đó [c] và [] là ứng suất cắt và ứng<br /> suất uốn cho phép đối với các chốt, KFp là hệ<br /> số tỉ lệ sai lệch lực tác dụng giữa lý thuyết và<br /> thực tế, L là chiều dài của chốt.<br /> <br /> 4. Tính thiết kế tự động bộ truyền bánh<br /> răng con lăn<br /> Dựa theo trình tự tính toán thiết kế bộ<br /> truyền bánh răng con lăn đã được thiết lập<br /> trong nghiên cứu trước đây [4], quá trình tính<br /> toán tự động cho bộ truyền này được thực<br /> hiện theo lưu đồ thuật toán như trên hình 4.<br /> Để thực hiện tính thiết kế, số liệu đầu vào cần<br /> biết là<br /> - Công suất cần truyền P1 (kW) hoặc<br /> mômen xoắn trên trục chủ động T1 (Nmm).<br /> - Số vòng quay trên trục chủ động n1<br /> (vòng/phút).<br /> - Tỉ số truyền của bộ truyền u.<br /> - Thời hạn làm việc Lh (giờ).<br /> - Điều kiện làm việc và đặc tính tải trọng.<br /> Quá trình tính toán tiếp theo được thực hiện<br /> theo lưu đồ. Nếu tất cả các điều kiện kiểm tra<br /> độ bền như đã liệt kê ở mục trước được thỏa<br /> mãn thì sẽ cho kết quả thiết kế và kết thúc quá<br /> trình. Kết quả thiết kế ở đây là các thông số<br /> kích thước của bộ truyền, trục ra, trục vào<br /> cũng như vật liệu được sử dụng và ổ lăn được<br /> dùng để đỡ đĩa Cycloid.<br /> <br /> Hình 4. Lưu đồ thuật toán tính thiết kế tự động bộ truyền bánh<br /> răng con lăn<br /> <br /> 66<br /> <br /> Vũ Lê Huy<br /> <br /> 5. Phần mềm tính thiết kế bộ truyền bánh<br /> răng con lăn<br /> Phần mềm tính thiết kế bộ truyền bánh răng<br /> con lăn đã được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập<br /> trình C++ trên môi trường Microsoft Visual Studio<br /> C++ 6.0.<br /> Hình 5 thể hiện lưu đồ sử dụng phần mềm. Khi<br /> chạy chương trình và khởi tạo tài liệu mới, phần<br /> mềm cung cấp hai phương pháp khởi tạo:<br /> - Tính thiết kế một bộ truyền mới: Quá trình<br /> tính thiết kế được thực hiện theo thuật toán thể<br /> hiện trên hình 4.<br /> - Nhập kích thước bộ truyền: Dùng khi đã biết<br /> kích thước bộ truyền.<br /> Sau khi tính toán thiết kế để thu được các thông số<br /> hình học của bộ truyền bánh răng con lăn, chương<br /> trình sẽ thực hiện mô phỏng đồ hoạ bộ truyền, cho<br /> bản vẽ và báo cáo, đặc biệt là thu được bản vẽ biên<br /> dạng đĩa Cycloid. Hình 6 hiển thị giao diện chính<br /> của phần mềm khi hiển thị bản vẽ thiết kế (hình<br /> 6(a)) và mô phỏng 3D của bộ truyền (hình 6(b)).<br /> Giao diện chính của phần mềm có 4 vùng như đánh<br /> dấu trên hình 6(a) như sau:<br /> Hình 5. Sơ đồ cấu trúc của chương trình tự động hóa<br /> - Vùng 1: chứa các thanh thực đơn và thanh<br /> thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn<br /> công cụ thực hiện các chức năng của phần mềm.<br /> - Vùng 2: thể hiện các thông số, dữ liệu và đặc tính của tài liệu hiện hành.<br /> - Vùng 3: là một hộp thoại thả nổi hiển thị biểu đồ giá trị các lực tác dụng khi làm việc của bộ truyền. Các<br /> véc tơ lực được hiển thị khi thực hiện mô phỏng 2D. Việc này giúp nghiên cứu sâu hơn về quá trình làm<br /> việc của bộ truyền.<br /> - Vùng 4: là vùng quan sát chính của phần mềm về bộ truyền đã được thiết kế, bao gồm dưới dạng bản vẽ kỹ<br /> thuật, mô phỏng 2D và 3D. Hình 7 thể hiện các ví dụ là kết quả được lấy ra từ vùng quan sát này.<br /> Để thực hiện mô phỏng 3D, thư viện đồ họa mở OpenGL đã được sử dụng. Bộ công cụ hỗ trợ cho việc mô<br /> phỏng đã được xây dựng trước đây nhằm phục vụ mô phỏng 3D cho các bộ truyền cơ khí [5] được sử dụng trong<br /> phần mềm này.<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> Hình 6. Giao diện chính của phần mềm tính thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn với (a) bản vẽ thiết kế và (b) mô<br /> phỏng 3D của bộ truyền<br /> <br /> Tự động hoá tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn<br /> <br /> 67<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> Hình 7. Bản vẽ thiết kế thu được từ phần mềm tính toán thiết kế cho bộ truyền với thông số đầu vào được lấy<br /> theo sản phẩm (a) MJV3-103-17 và (b) MJH8-106-35 của hãng Hap Dong Machinery, Hàn Quốc [6]<br /> <br /> Đặc biệt, phân mềm có khả năng kết nối với các phần mềm CAD chẳng hạn như AutoCAD. Khó khăn nhất<br /> khi xây dựng mô hình 3D của bộ truyền để tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là việc xây dựng mô<br /> hình bánh răng, nhưng bây giờ phần mềm này đã giúp giải quyết vấn đề đó. Do vậy, với các kết quả thu được từ<br /> phần mềm này, việc xây dựng mô hình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong các phần mềm như<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản