Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay

Biến dạng của trục đo được xác định bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn.. Thông qua việc xây dựng đường đặc tuyến biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gaug

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-    -

NGUYỄN HỮU QUÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG CẦM TAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Hữu Quân - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ

khí, khóa 2011 - 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực hiện

đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Ngô Như Khoa

và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa

từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 12 năm 2014

Học viên

Nguyễn Hữu Quân

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Ngô Như Khoa -

Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công

nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã

tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản

luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chú Nguyễn Đức Dũng – Xưởng cơ khí

Dũng Trình và học viên Nguyễn Thu Hường lớp cao học Khóa K15 đã giúp đỡ Tôi

trong thời gian Tôi triển khai thực hiện đê tài

Cuối cùng Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, bạn bè đã ủng hộ và

động viên Tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Hữu Quân

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ 1

1.1 Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực 2

1.2 Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp 3

CHƯƠNG 2 5

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 5

2.1 Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng 6

2.2 Mạch cầu đo biến dạng 10

Mạch cầu Wheatston’s Bridge 11

a Mạch cầu một nhánh 13

b Mạch cầu hai nhánh 14

c Mạch cầu đầyđủ 16

CHƯƠNG 3 19

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO 19

3.1 Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn 19

Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn 19

3.2 Tính toán, thiết kế trục đo 20

3.2.1 Tính toán kích thước trục đo 20

3.2.2 Bản vẽ chế tạo trục mẫu 22

3.3 Chọn thiết bị cảm biến strain gauge 25

3.4 Chọn loại keo dán strain gauge 28

Trang 5

3.5 Thiết kế mạch hiển thị 31

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA TRỤC ĐO 34

4.1 Thí nghiệm 34

4.2 Kết quả thí nghiệm 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 44

1 Bảng kết quả đo giá trị điện áp momen và giá trị điện áp biến dạng trên trục đo 44

2 Chương trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng 45

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

Trang 7

28 Vout QĐ Điện áp đầu ra quy đổi theo điện áp biến dạng trục đo

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 3.5 strain gauge đo biến dạng theo 2 phương vuông góc 22

Trang 9

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ

Trong lĩnh vực kĩ thuật, với những mối ghép kẹp chặt bằng ren thì việc xác định lực kẹp là rất quan trọng Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bề mặt làm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lại không đảm bảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của những chi tiết được kẹp chặt Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay có rất nhiều dạng dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt của ren Nguyên lí hoạt động chung của các dụng cụ

đo này đều dựa trên việc đo momen xoắn dạng tĩnh

Hình 1.1 Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay

Momen xoắn dạng tĩnh là momen có sự dịch chuyển nhỏ trong phép đo Ứng dụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt của bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh được chia thành 2 dạng dựa vào phương pháp đo :

- Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực

- Thiết bi đo momen dạng nối tiếp

Trang 12

1.1 Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực

Hình 1.2 Thiết bị đo momen dạng phản lực

Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đo lực xoắn thông qua biến dạng của lò xo trong dụng cụ

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực

Lực xoắn của lò xo đƣợc hiển thị bằng đồng hồ cơ học hoặc đồng hồ điện tử nhờ một bộ phận cảm biến lực trong dụng cụ :

Trang 13

Hình 1.4 Thiết bị đo momen dạng phản lực

1.2 Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp

Hình 1.5 Thiết bị đo momen dạng nối tiếp

Nguyên lí hoạt động của thiết bị đo momen dạng nối tiếp dựa trên việc đo biến dạng của trục chịu xoắn bằng thiết bị cảm biến strain gauge

Hình1.6 Trục mẫu dán strain gauge

Trang 14

Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Dưới tác dụng của momen xoắn ngoại lực, biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất Do đó, đường đặc tuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạng của trục xoắn trên 2 phương 450 và 1350 Biến dạng của trục đo được xác định bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn Thông qua việc xây dựng đường đặc tuyến biến dạng

và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ cho phép xác định được mối tương quan giữa momen – biến dạng của trục đo được chế tạo

Tuy nhiên, hiện nay việc mua thiết bị đo momen có sẵn ở Việt Nam là rất khó Với điều kiện hạn chế trong nước, vẫn chưa có cơ sở nào sản suất, chế tạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo momen dạng nối tiếp

Trang 15

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp Việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách Mối tương quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp thông qua việc đo momen xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn

Hình 2.1 Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn

Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ đó xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Tuy nhiên, đối với hầu hết các loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ Việc đo được góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trục chịu xoắn

Hình 2.2 Biến dạng dài của trục xoắn

Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài theo 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất Do đó, Biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn Mối tương quan giữa momen – biến

ε450

Trang 16

dạng được xác định bằng việc xây dựng đường đặc tuyến momen – sự thay đổi điện trở trên cầu biến dạng

2.1 Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng

Strain gauge là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu Biến dạng của vật liệu được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trên strain gauge Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng được khắc thành dạng lưới lên trên một tấm nhựa mỏng Lưới lá kim loại được nối cả hai đầu với hai miếng kim loại được phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tín hiệu đo

Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến strain gauge

Tấm nhựa

Vị trí hàn dây dẫn

Trang 17

Hình 2.4 Các dạng cảm biến strain gauge

Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain gauge liên hệ theo các hệ thức sau

( )

L R

A



(2.1)

Hình 2.5 Biến dạng dây điện trở strain gauge

Khi có sự thay đổi điện trở :

Trang 18

Trang 19

 đặc trƣng mức độ cản trở dòng điện của vật liệu dây dẫn,là hằng

số đối với mỗi loại thiết bị strain gauge khác nhau

Đại lƣợng 12 đặc trƣng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây và giảm diện tích dây dẫn

Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng ) đƣợc gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF :

= /

đo đƣợc sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1%

Việc xác định sự thay đổi của điện trở strain gauge dựa trên nguyên lí cơ bản của mạch phân áp điện trở nhƣ sau:

Hình 2.6 Nguyên lí ánh xạ dòng điện

Điện áp đầu ra :

Trang 20

Biến dạng của strain gauge vô cùng nhỏ, có thể lấy xấp xỉ   R d R ( ), do đó

sự thay đổi điện áp đƣợc xác định nhƣ sau :

Khi đó, sự thay đổi điện áp đầu ra :

Trang 21

Tuy nhiên, khi sử dụng strain gauge đo biến dạng, có sự ảnh hưởng của một số thông số tới sự thay đổi điện trở Các thông số ảnh hưởng tới sự thay đổi điện trở bao gồm: sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môi trường và nhiệt kể đến biến dạng của strain gauge Đối với mỗi loại strain gauge, sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môi trường đã được tính toán và cho thành hệ số Sai số biến dạng cũng xảy ra khi dán strain gauge lên vật liệu được đo do có sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của strain gauge và vật liệu được đo Rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của yếu tố này do tính không đồng nhất của hai vật liệu Vì vậy, sai số biến dạng strain gauge được xác định trên đồ thị sai số như một hàm của nhiệt độ và được nhà sản xuất cung cấp Việc

bù lại sai số biến dạng do nhiệt của srain gauge khi đo biến dạng được thực hiện bằng cách sử dụng mạch cầu Wheatston’s Bridge Việc bù sai số do nhiệt trên mỗi strain gauge không loại bỏ được toàn bộ ảnh hưởng Do đó, sự loại bỏ sai số do nhiệt được tính toán tùy thuộc vào dạng mạch cầu Wheatston’s Bridge

Mạch cầu Wheatston’s Bridge

Hình 2.7 Mạch cầu Wheatston’s Bridge 4 nhánh

Điện áp Vout được xác định theo hệ thức sau:

Trang 22

(2.23)

Do đó, biến dạng của strain gauge đƣợc xác định theo công thức:

( )V = GF .V 4

Từ mạch cầu với giá trị điện trở R không đổi

- Thay thế 1 điện trở bằng điện trở thay đổi gọi là mạch cầu 1 nhanh

- Thay thế 2 điện trở gần nhau gọi là mạch cầu 2 nhanh

Trang 23

- Thay thế 4 điện trở gọi là mạch cầu đầy đủ

a Mạch cầu một nhánh

Hình 2.8 Mạch cầu 1 nhánh

Khi Strain gauge biến dạng thì điện trở sẽ thay đổi giống điện trở biến thiên nên

ta có mối quan hệ giữa và

Đối với mạch cầu một nhánh, việc sử dụng 1 strain gauge trên một nhánh mạch cầu không loại bỏ được ảnh hưởng do nhiệt tới sai số biến dạng, trừ khi hệ số giãn nở nhiệt của điện trở strain gauge có hệ số giãn nở nhiệt bằng không

Trang 24

Điện áp trên mạch cầu một nhánh được xác định theo công thức:

Dựa vào sự loại bỏ ảnh hưởng do nhiệt trên 2 nhánh liền kề mà có thể thay thế

2 điện trở trên mạch cầu thành 2 điện trở thay đổi Điện áp đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt bất kì và được xác định bằng công thức:

Trang 25

Trang 26

c Mạch cầu đầyđủ

Hình 2.10 Mạch cầu đầy đủ

Từ những mạch cầu trên để có giá trị lớn và với mục đích chế tạo thiết bị đo momen xoắn cầm tay có thể hiển thị giá trị mô men theo hai phương cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ là giống nhau nên tác giả lựa chọn mạch cầu đầy đủ ( full) với các Strain gauge có giá trị điện trở R1 = R2 = R3 = R4 = R

Hình 2.10 Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge

Điện áp đầu ra được tính cho 2 nhánh mạch cầu được xác định như sau:

Trang 27

Kết luận: Từ những nội dung đã trình bầy trên đây về cảm biến đo biến dạng

strain gauge ta có thể thiết kế bộ đo mô men xoắn dựa trên nguyên lý dùng strain gauge dán trên bề mặt của một trục mẫu chịu xoắn, đo biến dạng của trục theo các phương ± 45o so với tâm trục, từ sự thay đổi điện trở strain gauge để tính toán giá trị momen xoắn Sơ đồ nguyên lý của phép đo MZ có thể mô tả như sau:

Trang 28

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn

Momen xoắn tác dụng lên trục

đo dán strain gauge trên phương 450

và 1350Trục đo : E, Jp, Wp, υ

Trang 29

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO

Việc thiết kế, tính toán trục đo được tiến hành tính toán cho trục rỗng chịu xoắn và tính toán trong miền đàn hồi của vật liệu Các hệ thức tính toán tuân theo định luật Hooke, vòng tròn Mo ứng suất và thuyết bền ứng suất tiếp cực đại

3.1 Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn

Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn

Hình 3.2 Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy

Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại :

Trang 30

Khi xoắn thuần túy : 1  3, 2  0

M GJ

( ) 2(1 )

Z P

M r

MPa J

d q

d



3 2

Trang 31

quang phổ thành phần hóa học của vật liệu Từ bảng thành phần hóa học của vật liệu được thí nghiệm Tra sổ tay mác thép thê giới, xác định được vật liệu dùng để thiết kế trục là thép 18Mn2Si Bảng thành phần hóa học và bảng cơ tính thép 18Mn2Si như sau:

Mác thép

Thành phần các nguyên tố, %

Bảng 3.1 Bảng thành phần hóa học của thép 18Mn2Si

Bảng 3.2 Bảng cơ tính thép 18Mn2Si

Việc thiết kế trục đo được tính toán đảm bảo hai bài toán : bài toán cứng và bài toán bền khi trục làm việc Bài toán bền dùng để xác định kích thước và chiều dày trục đo Ứng suất cho phép được xác định theo công thức (3.1), (3.2).Bảng xác định ứng suất cắt cho phép khi thiết kế, tính toán trục

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	1,37 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
1. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, 2	Khác
2. PGS. Hà Văn Vui, TS. Nguyễn Chỉ Sáng, THs. Phan Đăng Phong, Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1, 2, 3	Khác
3. Hoàng Thắng Lợi, Bài giảng sức bền vật liệu	Khác
4. Jame M. Gere, Mechanics al of materials, sixth edition	Khác
5. Practical strain gage measurement Website: www.omega.com/techref/pdf/StrainGage_Measurement.pdf	Khác