tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế, mô PHỎNG và CHẾ tạo THỬ NGHIỆM bộ KHỚP nối mềm DÙNG cơ cấu RĂNG cầu

Các cơ cấu bánh răng truyền thống bánh răng trụ, bánh răngcôn, trục vít bánh vít, bánh răng thanh răng đã được nghiên cứu rấthoàn chỉnh về mặt lý thuyết cũng như phương pháp chế tạo.. Tr

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM

BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU

NGUYỄN THỊ HẢI

THÁI NGUYÊN, NĂM 2012

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cơ cấu bánh răng là cơ cấu rất phổ biến trong truyền động cơkhí Các cơ cấu bánh răng truyền thống (bánh răng trụ, bánh răngcôn, trục vít bánh vít, bánh răng thanh răng) đã được nghiên cứu rấthoàn chỉnh về mặt lý thuyết cũng như phương pháp chế tạo Tuynhiên với các cơ cấu bánh răng truyền thống có độ cứng vững cao,chế tạo đơn giản nhưng chỉ có 1 hoặc 2 bậc tự do nên khả năng linhhoạt kém

Cơ cấu răng cầu được phát minh bởi Pan Cunyun và ShangJianzhong vào năm 1990 là cơ cấu răng mới có nhiều bậc tự do, khảnăng linh hoạt rất cao do đó nó có thể truyền chuyển động và truyềnlực trong không gian.Về nguyên lí, cơ cấu có thể hoạt động như mộtkhớp cầu không gian với khả năng truyền động ăn khớp răng

Trên thế giới cơ cấu răng cầu được ứng dụng trong các cơ cấuđòi hỏi tính linh hoạt và độ chính xác cao trong truyền động nhưkhớp cổ tay, cánh tay rôbốt, máy dẫn đường cho tên lửa, hệ thốngđiều khiển ăngten vệ tinh, cơ cấu phun sơn…

Theo các tài liệu công bố gần đây [1]… [7], cơ cấu răng cầumới chỉ được nghiên cứu và hoàn thiện về mô hình truyền động, môhình toán học, cấu trúc động lực học Việc thiết kế và chế tạo hoànchỉnh cơ cấu răng cầu vẫn chưa được công bố Trong các tài liệunghiên cứu đã được công bố về cơ cấu răng cầu: tác giả S.-C Yangđưa ra mô hình toán học của răng cầu loại vành răng liên tục 2 bậc tự

do [1]; tác giả Li Ting và Pan Cunyun nghiên cứu về máy mài vàứng suất tiếp xúc của cơ cấu răng cầu [2]; đặc tính tiếp xúc của cặpbánh răng cầu là kết quả nghiên cứu của hai tác giả Li-Chi Chao vàChung-Biau Tsay[3] Các nghiên cứu trên mới chỉ đưa ra mô hình và

đặc điểm động học của cơ cấu răng cầu mà chưa đưa ra thiết kế cụthể để chế tạo ra cặp truyền động răng cầu.

Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế,

mô phỏng và chế tạo thử nghiệm bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răngcầu”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

bề mặt không gian có cấu tạo hình học phức tạp, profile của nó làđường thân khai phẳng, dựa trên cơ sở này để chế tạo cơ cấu răngcầu Các nghiên cứu về răng cầu là chưa hoàn thiện, việc thiết kế vàchế tạo răng cầu là rất cần thiết

Chế tạo răng cầu đạt độ chính xác cao là vấn đề rất lớn mà các nhàkhoa học đang quan tâm nghiên cứu Vì thế mục tiêu chủ yếu của đềtài là thiết kế và chế tạo cặp răng cầu đảm bảo độ chính xác yêu cầu

2.2.Ý nghĩa thực tiễn.

Thiết kế cơ cấu răng cầu làm cơ sở cho việc chế tạo răng cầu có ýnghĩa rất lớn Nếu thành công sẽ có thể chế tạo được răng cầu ngaytrong nước Đây là điều kiện quan trọng để phát triển sản phẩm mớiứng dụng trong kỹ thuật

3 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răngcầu.

- Thiết kế bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răng cầu

- Mô phỏng quá trình chế tạo bộ khớp nối mềm dùng cơ cấurăng cầu

- Chế tạo thử nghiệm bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răng cầu

- Kiểm tra độ chính xác

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Nội dung nghiên cứu và kết quả dự kiến của đề tài

Chương 1: Tổng quan về cơ cấu răng cầu

Chương 2: Thiết kế bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răng cầu

Chương 3: Chế tạo thử nghiệm bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răngcầu

Chương 4: Đánh giá kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Sự hình thành cơ cấu răng cầu

1.1.1 Sự hình thành bề mặt vành răng cầu thân khai

Trên hình 1.3 mô tả nguyên tắc hình thành bề mặt vành răngthân khai Ở đây C là đường tròn cơ sở, KK là đường sinh, N và S làhai giao điểm của mặt cầu cơ sở với trục quay, KK và trục quay nằmtrong mặt phẳng với đường tròn cơ sở

Hình 1.3.Sự hình thành bề mặt vành răng thân khai.

1.1.2 Sự hình thành cơ cấu răng cầu vành răng thân khai.

1.2 Đặc điểm về kết cấu và lắp ráp của cơ cấu răng cầu.

1.3 Đặc điểm

truyền động của cơ cấu răng cầu.

Khi một cặp bánh răng cầu ăn khớp, điểm tiếp xúc của 2 hìnhcầu tạo nên một dao động lắc ngang thuần tuý từ đầu đến cuối Vì lý

do này, hai biên dạng răng tiếp xúc từ đầu đến cuối trong quá trình ănkhớp

1.4 Điều kiện ăn khớp đúng của cơ cấu răng cầu.

Hình 1.5 Sơ đồ lắp ghép của

cơ cấu răng cầu.

Hình 1.6 Mặt nón ăn khớp của cơ cấu

răng cầu.

Mặt cầu cơ sở

Môđun mặt cơ sở và góc áp lực phải bằng nhau, và giá trịđược tiêu chuẩn hoá:

mn1 = mn2 = m

αn1 = αn2 = α

Ngoài ra hai cơ cấu răng cầu ăn khớp phải là một đôi với một

cơ cấu răng lồi và một cơ cấu răng lõm

1.5 Điều kiện truyền động liên tục của cơ cấu răng cầu.

Độ dài của đường thẳng tiếp xúc thực tế, khoảng cách pháptuyến giữa các răng liền kề, và công thức tính toán độ trùng khớp, tất

cả đều như nhau:

           

(1)

Ở đây, B1B2 là chiều dài của đường ăn khớp thực, pb là khoảngcách chuẩn của cơ cấu răng cầu Z1,Z2 là số răng của bánh răng tươngứng, αn1, αn2 là góc áp lực của hai bánh răng tương ứng, α là góc ănkhớp

1.6 Phương trình tham số biên dạng răng ∑1 của cơ cấu răng cầu thứ nhất.

u r

y

u u

u r

x

b

Ở đây u k  k gọi là góc cuộn k tgk k gọi là hàm

số thân khai k là góc áp lực trên điểm k trên đường thân khai, rb làbán kính của đường tròn cơ sở

Trong khi trên hệ toạ độ Y-X phương trình tham số của đườngthân khai có những thay đổi sau đây:

1.7 Phân tích động học của cơ cấu răng cầu.

1.7.1 Mô hình toán học chuyển động của cơ cấu răng cầu.

1 Trước tiên, quay trục ym đến trục ym (yn), sự thay đổi hệtrục O,x j,y j,z j thành ra hệ trục O,x m,y m,z m.

2 Thứ hai, quay trục ym đến trục ym (yn), sự thay đổi hệ trục

O,x m,y m,z m thành ra hệ trục O,x n,y n,z n

3 Cuối cùng, quay trục yn đến trục yj, sự thay đổi hệ trục

O,x n,y n,z n thành ra hệ trục O,x j,y j,z j

Hình 1.7 Hệ tọa độ của cơ cấu răng cầu vành răng thân khai

Kể từ hệ trục O,x i,y i,z i và trục K không có sự quay với góc

 , mối quan hệ vị trí giữa hệ toạ độ O,x i,y i,z i và hệ toạ độ

O,x m,y m,z m là giống như mối quan hệ vị trí giữa hệ toạ độ

O,x j,y j,z j và hệ toạ độ O,x n,y n,z n Từ công thức 5 mối quan

hệ của hai hệ toạ độ được mô tả bằng ma trận (29)

1.7.2 Phân tích động học của cơ cấu răng cầu.

Hình 1.9: Phép quay của hai hệ trục toạ độ

(a)

1 cos sin /

z

x

i i

Nội dung của chương 1 đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Cơ cấu bánh răng cầu là cơ cấu truyền động không gian Vềmặt nguyên lý cho phép truyền động trên bề mặt cầu với cơ cấu bánhrăng cầu là tùy ý với một tỉ số truyền xác định Tuy nhiên do hạn chế

về mặt kết cấu nên các nhà nghiên cứu trên thế giới mới đưa ra cơcấu hai bậc tự do Để phát triển các mô hình ứng dụng bánh răng cầucần có những nghiên cứu tiếp theo

- Các khảo sát về đặc điểm kết cầu và lắp ráp, đặc điểmtruyền động, điều kiện ăn khớp đúng, điều kiện trùng khớp, phươngtrình tham số biên dạng răng của bánh răng cầu nhằm làm cơ sở choviệc thiết kế động học cho các máy móc dùng để chế tạo bánh răngcầu

- Việc phân tích động học của cơ cấu bánh răng cầu nhằmlàm cơ sở cho các nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạobánh răng cầu chính xác, hiệu quả theo yêu cầu kỹ thuật của nó

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU

RĂNG CẦU 3.1 Tính tốn, thiết kế cơ cấu:

3.1.1 Tính tốn các thơng số cơ bản của cơ cấu:

Đường kính vịng chia: d = m*Z =3*25=75 (mm)

Đường kính vịng đỉnh: da= d + 2*m =75+2*3=81 (mm)

Đường kính vịng chân: df = d – 2,5*m =75-2,5*3=67,5 (mm)Chiều cao răng : h = (2+2,5)* m/2=(2+2,5)*3/2=6,75 (mm)

Biên dạng bánh răng thân khai trên hình 3.2 xây xựng cho bánhrăng cầu lồi, trục xoay x-x đi qua tâm bánh răng và trung điểm đỉnh

răng

O

Trục xoay Vòng đỉnh

3.1.2 Hình học cơ cấu răng cầu:

Như vậy ta thấy biên dạng răng cong của bánh răng cầu trêntrục quay trong bất kỳ mặt cắt nào đều là biên dạng thân khai, và tất

cả các đường thân khai tạo thành một vành răng cong

3.2 Các giải pháp chế tạo răng cầu:

Hình 3.3 Sơ đồ tiện chép hình cơ cấu răng cầu.

3.2.1.2 Phương pháp phay chép hình

Hình 3.4 Sơ đồ phay chép hình cơ cấu răng cầu

Phương pháp này cho độ chính xác khơng cao, độ chính xácchi tiết gia cơng phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác chế tạo dụng cụcắt và độ chính xác của quá trình phân độ, định vị Phương pháp nàychỉ áp dụng đối với sản xuất đơn chiếc loạt nhỏ, cho các bộ truyền cĩ

O 1

n 2

Dao thanh răng

Bánh răng cầuCơ cấu

răng cầu

Hình 3.5 Sơ đồ tiện bao hình cơ cấu răng cầu.

3.2.2.2 Phương pháp phay bao hình.

Hình 3.7 Sơ đồ phay bao hình cơ cấu răng cầu

Phay bao hình cơ cấu răng cầu cho năng suất cao do có nhiềulưỡi cắt đồng thời tam gia cắt đồng thời đem lại chất lượng cho bềmặt chi tiết gia công

3.2.2.3 Phương pháp mài bao hình

3.2.3 Phân tích lựa chọn phương pháp:

Trong điều kiện sản xuất loạt nhỏ có thể sử dụng giải pháptiện chép hình cơ cấu răng cầu trên trung tâm tiện CNC Để đảm bảo

độ chính xác, dao tiện được chép hình theo đúng biên dạng rãnh răngtrên máy cắt dây Tuy nhiên, đây chỉ là biện pháp gia công thô, độchính xác cũng như chất lượng bề mặt phụ thuộc nhiều yếu tố, do đó,giải pháp tiện chép hình chỉ nên sử dụng ở nguyên công gia công thô.Điều cần chú ý là giải pháp công nghệ để đảm bảo chất lượng đồngđều trên toàn bộ bề mặt gia công

3.3 Thiết kế, chế tạo dao tiện:

3.3.2 Thiết kế dao tiện chép hình cắt răng môđuyn m = 3, Z tđ = 25:

3.3.2.1 Vật liệu dụng cụ cắt:

*) Vật liệu phần cắt:

Sử dụng hợp kim cứng hai các-bít T15K6

*) Vật liệu phần thân dao:

Sử dụng thép các-bon dụng cụ Y10 để làm phần thân dao

3.2.2.2 Thiết kế phần thân khai hiệu dụng của prôfin:

Biết các thông số sau của cơ cấu răng cầu cần gia công như sau:

Hình 3.13 Mảnh dao tiện chép hình

3.3.3 Chế tạo dao tiện:

Mảnh dao sau khi được cắt trên máy cắt dây sẽ được hàn vớithân dao Hình ảnh cắt mảnh dao tiện định hình được sử dụng để cắt

cơ cấu răng cầu như sau:

Hình 3.14 Quá trình cắt dây tạo biên dạng phần cắt của dao tiện định

hình

3.4 Chế tạo thực nghiệm:

Phôi thực nghiệm cho gia công là phôi hợp kim nhôm

Sau đây là một số hình ảnh về phôi ban đầu và phôi sau khi

đã tiện cầu trên máy tiện CNC:

t

3.4.3 Chế độ cắt khi tiện trên máy CNC:

3.4.3.1 Chiều sâu cắt khi tiện:

Để đạt nhám bề mặt gia công Ra = 0,8, thì chiều sâu cắt khitiện t = 0,1 - 0,4 mm Chọn t = 0,2 mm

3.4.3.2 Lượng chạy dao (bước tiến) S, mm/vòng:

Lượng chạy dao S = 0,04 - 0,085mm Chọn lượng chạy dao S

= 0,05 mm

3.4.3.3 Tốc độ cắt:

Quan hệ giữa tốc độ cắt và số vòng quay trục chính:

Hình 3.17: Sự biến thiên của đường kính gia công và tốc độ trục

chính theo thời gian

3.5 Nhận định kết quả:

3.5.1.Thuận lợi:

So với các phương pháp khác sử dụng để gia công cơ cấurăng cầu thì phương pháp tiện chép hình có một số ưu điểm nổi bậtnhư sau:

- Nguyên lý gia công tương đối đơn giản

- Dụng cụ cắt chế tạo dễ dàng bằng phương pháp cắt dây mà vẫn đảmbảo chính xác biên dạng thân khai

- Chi tiết sau khi gia công bằng phương pháp tiện định hình đảm bảo

độ chính xác về biên dạng thân khai cũng như đảm bảo độ chính xác

- Góc sau của dao thay đổi liên tục trong quá trình gia công, đó lànguyên nhân làm giảm chính xác biên dạng thân khai của răng Tuynhiên, lượng sai số nằm trong phạm vi cho phép

- Ảnh hưởng sai số gá đặt và định vị đến độ chính xác hình học lớn

Để khắc phục tình trạng trên, trong quá trình cắt trên máytiện CNC, điều chỉnh chế độ cắt với vận tốc không đổi trong suốt quátrình gia công để đảm bảo chất lượng đồng đều trên toàn bộ bề mặtrăng, đồng thời sử dụng dung dịch tưới nguội để giảm nhiệt cắt

Với ưu điểm và những hạn chế như trên, tiện chép hình cơcấu răng cầu trên máy CNC nên dùng cho nguyên công gia công bántinh, để nâng cao hơn nữa chất lượng bề mặt cơ cấu răng cầu, cơ thểdùng phương pháp mài nghiền

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết quả nghiên cứu:

Nghiên cứu về cơ cấu bánh răng cầu cho khớp nối mềm chothấy cơ cấu bánh răng cầu có khả năng chuyển động linh hoạt trongkhông gian, có nhiều ứng dụng trong thực tế Mô hình được thiết kếvới 2 bậc tự do, cho phép điều chỉnh góc theo tọa độ cầu trong phạm

vi giới hạn của bộ cơ cấu răng cầu Việc nghiên cứu, đề xuất phươngpháp chế tạo bánh răng cầu cần được tập trung nghiên cứu để đưa ragiải phương pháp gia công đạt hiệu quả nhất Các nghiên cứu trìnhbày ở trên đã đạt được mục tiêu của đề tài với các kết quả sau:

 Mô hình hóa hình học bề mặt bánh răng cầu, đặc điểm truyềnđộng của cơ cấu bánh răng cầu

 Đưa ra phương án thiết kế mô hình cơ cấu bánh răng cầutheo hai tham số modul và số răng kết hợp với việc xây dựngbiên dạng thân khai bằng hình học giải tích, đảm bảo độchính biên dạng của cơ cấu

 Thiết kế hoàn chỉnh cơ cấu bánh răng cầu trên phần mềmCatia V5R20

 Đề xuất một số giải pháp gia công chế tạo chi tiết bánh răngcầu

 Chế tạo thành công bộ khớp nối linh động dùng cơ cấu răngcầu, trong đó bộ truyền bánh răng cầu được chế tạo bằngphương pháp tiện chép hình đạt yêu cầu kỹ thuật

4.2 Hướng phát triển của đề tài

Một số hướng nghiên cứu cần thiết để tiếp tục phát triển đề tài:

 Gia công tinh bánh răng cầu bằng phương pháp mài nghiềnbao hình

 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm bánh răng cầu theophương pháp phay chép hình

 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm bánh răng cầu theophương pháp phay và mài bao hình

 Phát triển ứng dụng bộ khớp nối mềm và bộ định hướng linhhoạt dùng cơ cấu răng cầu và khớp cầu định tâm cơ cấu đểnâng cao độ chính xác ăn khớp

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến (1970),

Nguyên lý máy, Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp,

Hà Nội

[2] PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển (2001), Tính toán thiết kế

hệ dẫn động cơ khí, Nhà xuất bản Giáo dục

Tiếng Anh

[1] S.-C Yang, Mathematical Model of a Ring-Involute-TeethSpherical Gear with a Double Degree of Freedom, Department ofMechanical Engineering, Kunshan University of Technology, DaWan Road, Tainan Hsein,

[2] Li Ting , Pan Cunyun, On grinding manufacture technique andtooth contact and stress analysis of ring-involute spherical gears,School of Mechatronics and Automation, National University ofDefense Technology, Changsha 410073, China

[3] Li-Chi Chao, Chung-Biau Tsay, Contact characteristics ofspherical gear, Department of Mechanical Engineering, NationalChaio Tung University, Hsinchu 30010, Taiwan

[4] Shyue-Cheng Yang, Chao-Kuang Chen, Ke-Yang Li, Ageometric model of a spherical gear with a double degree offreedom, J Mater Process Technol.123 (2002) 219–224

[5] Journal of Materials Processing Technology 95 (1999) 169±179,Rapid prototyping and manufacturing technology applied to theforming of spherical gear sets with skew axes

[6] Mechanism and Machine Theory 44 (2009) 1807–1825, Ongrinding manufacture technique and tooth contact and stress analysis

of ring-involute spherical gears

[7] Sande GAO, Atsushi KATO and Xiaochu TANG Iwaki MeiseiUniversity,Japan Liaoning Shihua University, China-a new type ofspherical involute gear