Tính toán, thiết kế và chế tạo biên dạng bánh răng con lăn

TệNHăCẤPăTHIẾTăCỦAăĐỀăTÀI Trong những năm gần đây, bộ truyền bánh răng con lăn có biên dạng răng là đư ng Cycloid được sử dụng ngày càng rộng rãi.. Tuy nhiên việc ng dụng loại bộ truyền

TÓM TẮT

Tên đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG BÁNH

RĂNG CON LĂN

Thời gian: Từ 1/9/2012 đến 28/2/2013

Địa điểm: Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

 Kết quả chủ yếu đạt được:

- Nghiên cứu khái quát về CAD/CAM/CAE và khả năng ứng dụng phần mềm trong thiết kế, phân tích thiết kế và gia công cơ khí

- Nghiên cứu lý thuyết bánh răng biên dạng Cycloid, thiết lập phương trình biên dạng đĩa Cycloid

- Xây dựng được thêm một phương pháp tính ứng suất tiếp xúc răng đĩa bằng phần mềm ANSYS

- Xây dựng được 2 chương trình thiết kế biên dạng đĩa Cycloid và chương trình tính các lực tác dụng lên biên dạng đĩa

- Tiến hành gia công thử nghiệm bánh răng con lăn trên máy phay CNC

 The primary outcomes achieved:

- esearch overview of CAD/CAM/CAE applications and software capabilities in the design, analysis and design for mechanical processing

- Research theory Cycloid gear profiles, set the compiler Cycloid discs

- Develop two programs designed Cycloid discs and programs of the forces on the disc boundary

- Conduct testing processing in the roller gears on CNC milling machines

MỤCăLỤC

QUYẾTăĐỊNHăGIAOăĐỀăTÀI

LÝăLỊCHăKHOAăHỌC……… i

LỜIăCAMăĐOAN ………ii

LỜIăC Mă N ……… iii

TÓMăT T ……… iv

MỤCăLỤC ………v

D ANHăMỤCăCỄCăB NG ………viii

DANHăMỤCăCỄCăH̀NHăVẼ ………ix

PHỂNăI: M ̉ ăĐỂU ……… 1

1.ăTệNHăCẤPăTHIẾTăCỦAăĐỀăTÀI: ……… 1

2 MỤCăĐệCHăCỦAăĐỀăTÀI ………3

3 ĐỀăXUẤTăH ́NGăNGHIểNăC U ………3

3.1 ăĐốiăt ngănghiênăcứu ……… 3

3.2.ăPh măviăănghiênăcứu ……… 3

4.ăPH NGăPHỄPăNGHIểNăĆU……… 3

5.ăNỘIăDUNGăTHỰCăHI N ……… ……… 4

6.ăÝăNGHĨAăKHOAăHỌCăVÀăTHỰCăTIỄNăCỦAăĐỀăTÀI ……… 6

PHỂNăII: NỌ̣IăDUNGăNGHIểNăC U ……….……….7

Ch ngă1 TỌ̉NGăQUANăVểăLĨNHăV ̣CăNGHIểNăC U ………7

Ch ngă2 C ăS ̉ ăLYăTHUYểT ……….…………12

2.1.ăGÍIăTHI UăTÓMăL CăCAD/CAM/CAEăVÀăKH ăNĂNGắNGă DỤNGăPHẦNăMỀMăTRONGăTHIẾTăKẾăVÀăGIAăCỌNGăC ăKHệ ….12 2.1.1 CAD (Computer Aided Design)……… ……….12

2.1.2 CAM (Computer Aided Manufacturing)……… ………… 13

2.1.3 CAE (Computer Aided Engineering)……….…….16

2.2 CẤUăṬOăVÀăNGUYểNăLÝăLÀMăVI CăCỦAăBỌ̣ăTRUYểNăBANHă RĂNGăCONăLĂN ……… …18

2.2.1 Cấu tạo……… 18

2.2.2 Nguyên lý làm việc……… 18

2.3 THIểTăLỆ̉PăPH NGăTRINHăBIểNăDẠNGăĐĨAăCYCLOID … 20

2.3.1 Khái niệm……….20

2.3.2 Thiết lập phương trình biên dạng đĩa Cycloid……… 23

2.4.ăNHẬNăXÉT……… 29

Ch ngă3ăPHỂNăTệCHăTHIẾTăKẾăBỘăTRUYỀNăBỄNHăRĂNGăCONăLĂN30 3.1.ăLỰCăTỄCăDỤNGăTRONGăBỘăTRUYỀNăBỄNHăRĂNGăCONă LĂN 30

3.2.ăTệNHăTOỄNăĐỘăBỀNăTIẾPăX́CăRĂNGăĐĨAăCYCLOID… 32

3.2.1 Hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc ZM………… 33

3.2.2 Tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc qH……… 33

3.2.3 Bán kính cong tương đương ……… 43

3.2.4 Các công thức kiểm nghiệm cho đĩa Cycloid ……… 46

3.2.5 Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép  H ……….48

3.3.ăăTệNHăTOỄNăCONăLĂN ……… 52

3.4.ăTR̀NHăTỰăTHIẾTăKẾăBỘăTRUYỀN ……… 54

Ch ng 4 CH NGăTRINHăXỂYăD ̣NGăBIểNăDẠNGăậ TệNHăLỰCă TỄCăDỤNGăLểNăBANHăRĂNGăCONăLĂN ……… 57

4.1.ăCH NGăTR̀NHăXỂYăDỰNGăBIểNăḌNG ……… 57

4.1.1 Nội dung chương trình Visual Basic ……… 58

4.1.2 Nội dung chương trình AutoLISP ……… 63

4.2.ăCH NGăTR̀NHăTệNHăLỰCăTỄCăDỤNGăLểNăBỄNHăRĂNGă CONăLĂN ……….68

4.2.1 Lưu đồ khối ……… 69

4.2.2 Nội dung chương trình ……… 72

4.2.3 Hướng dẫn sử dụng chương trình ……… 79

Ch ngă5 TệNHăTOỄNăVÀăCHểăTẠOăBIểNăḌNGăBANHăRĂNGăCONăLĂN

82

5.1.ăCỄCăTHỌNGăS ăVÀăMỌăH̀NHăBÀIăTOỄNăTHIẾTăKẾăCHẾăṬOă

BỄNHăRĂNGăCONăLĂN ……… 82

5.2 THIẾTăKẾăBIểNăḌNGăĐĨAăRĂNGăCYCLOID ……… 86

5.3.ắNGăDỤNGăCAEăTRONGăPHỂNăTệCHăTHIẾTăKẾăBỄNHăRĂNGă CONăLĂN ……… 86

5.4.ắNGăDỤNGăCAMăTRONGăGIAăCỌNGăBỄNHăRĂNGăCONăLĂN 90

5.4.1 Lưu đồ quá trình thiết lập qui trình công nghệ gia công chi tiết trên Pro/ENGINEER ……… 90

5.4.2 Chi tiết sau khi gia công ……… 91

5.5.ăKIỂMăNGHI MăVÀăĐỄNHăGIỄ ……… 92

KẾTăLUẬNăVÀăH ́NGăPHỄTăTRIỂNăCỦAăĐỀăTÀI ……… 93

1.ăKẾTăLUẬN ……… 93

2.ăH ́NGăPHỄTăTRIỂNăCỦAăĐỀăTÀI ……… ….94

TÀIăLI UăTHAMăKH O ……… 95

PHỤăLỤC ……… 97

DANHăMỤCăCỄCăH̀NHăVẼ

Sốăhi uă

1.1 Bản vẽ hộp giảm tốc bánh răng con lăn 8 1.2 Động cơ - hộp giảm tốc bánh răng con lăn 8 1.3 Mô ̣t sô loa ̣i Đô ̣ng cơ – Hô ̣p giảm tôc banh răng con lăn

1.4 Mô ̣t sô loa ̣i Đô ̣ng cơ – Hô ̣p giảm tôc banh răng con lăn

Sự tạo thành đường EpiCycloid 20 2.7 Sự tạo thành đường HypoCycloid 20 2.8 Sự tạo thành đường EpiCycloid kéo dài 21 2.9 Sự tạo thành biện dạng ăn khớp EpiCyloid với con lăn

2.11 Đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ 25 2.12 Xây dựng biên dạng đĩa Cycloid 26 2.13 Đường bao trong đầy đủ của họ vòng tròn bán kính rc 28 3.1 Lực tác dụng trong bộ truyền bánh răng con lăn 30 3.2 Xác định các góc αi và i 32

3.4 Thông số bộ truyền bánh răng con lăn 35

3.6 Lực con lăn tác dụng lên đĩa đồng quy về 1 điểm 37 3.7 Lực con lăn tác dụng lên đĩa khi đường nối tâm trục với

tâm đĩa Cycloid quay được một góc 

38

3.8 Kích thước bộ truyền bánh răng 41

4.1 Lưu đồ khối Visual Basic xuất bảng tọa độ 58 4.2 Chương trinh tinh to ̣a đô ̣ X, Y 62 4.3 Lưu đồ khối AutoLISP vẽ biên dạng bánh răng con lăn 63 4.4 Đường bao trong đầy đủ của họ vòng tròn bán kính rc 67 4.5 Lưu đồ khối tính phản lực từ con lăn tác dụng lên đĩa 69 4.6 Lưu đồ khối tính phản lực từ chốt tác dụng lên đĩa 70 4.7 Lưu đồ khối tính phản lực từ trục tác dụng lên đĩa 71 4.8 Giao diện chương trình tính lực 79 4.9 Nhập các thông số chung và riêng 79 4.10 Chương trình yêu cầu nhập các góc Anpha 80 4.11 Chương trình yêu cầu nhập các góc Gamma 80 4.12 Kết quả các lực tác dụng 81 5.1 Mô tả kích thước hình dáng của bộ truyền bánh răng con

lăn được lấy làm ví dụ xác định giá trị các lực 82 5.2 Lắp ráp bộ truyền bánh răng con lăn 86 5.3 Trường ứng suất von-Mises 87

5.5 Lưu đồ quá trình lập QTCN gia công chi tiết trên

Pro/Engineer

90 5.6 Sản phẩm hoàn chỉnh sau khi gia công 91

PHỂNăI: M ̉ ăĐỂU

1 TệNHăCẤPăTHIẾTăCỦAăĐỀăTÀI

Trong những năm gần đây, bộ truyền bánh răng con lăn có biên dạng răng

là đư ng Cycloid được sử dụng ngày càng rộng rãi Đây là loại bộ truyền cho tỉ

số truyền cao, kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên việc ng dụng loại bộ truyền bánh răng con lăn vào thực tế còn nhiều hạn chế do sự ph c tạp trong quá trình xây dựng biên dạng và độ chính xác chế tạo răng đĩa Cycloid Bộ truyền với ăn khớp Cycloid có ý nghĩa lớn lao trong việc giải các bài toán đặt ra cho các hệ dẫn động

có kích thước nhỏ c a các máy được chế tạo có sự tham gia trực tiếp c a động

cơ điện lắp với các bộ truyền Các động cơ - hộp giảm tốc này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, thí dụ dùng trong máy nén và máy bơm, máy xay bột và máy nghiền, các dạng khác nhau

c a máy khuấy và các loại thiết bị khác

Sản xuất loại bộ truyền này theo phương pháp truyền thống cần có thiết bị chuyên dùng ph c tạp và khá đắt tiền, mà đầu tư thiết bị chuyên dùng này nếu

sử dụng không hết công suất sẽ gây lãng phí lớn Vì vậy, tiến hành nghiên c u công nghệ gia công bánh răng con lăn trên máy phay CNC hay trên các trung tâm gia công nhằm phát huy tối đa khả năng công nghệ c a các máy phay CNC đạt được độ chính xác và năng suất yêu cầu cũng là một vấn đề cần được nghiên

c u

Hơn nữa, Việt Nam bộ truyền này ch yếu nhập từ nước ngoài, hoặc máy có sẵn mua từ nước ngoài có sử dụng bộ truyền này, việc nghiên c u công nghệ chế tạo bánh răng con lăn nhằm để chế tạo chi tiết thay thế khi hư hỏng bộ truyền là cần thiết

Trong lĩnh vực cơ khí, máy tính được ng dụng trong 3 giai đoạn chính c a quá trình sản xuất - gia công g m: Thiết kế, tính toán mô phỏng và điều khiển gia công

Nhiệm vụ thiết

kế

Thiết kế với sự trợ giúp c a máy tính (CAD)

Tính toán, phân tích thiết kế với sự trợ giúp

c a máy tính (CAE)

Mô phỏng

Chọn thiết kế với

sự trợ giúp c a máy tính

Điều khiển sản xuất

Tại Việt Nam mặc dù việc cơ khí hóa và tự động hóa đã có những bước phát triển nhất định nhưng việc mô phỏng tính toán, phân tích thiết kế trước khi gia công thư ng chưa được khảo sát kỹ Để tính toán thiết kế thư ng dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) đây là một phương pháp ngày càng được sử dụng rộng rãi với sự trợ giúp c a máy tính để mô phỏng phân tích thiết kế, tiết kiệm th i gian và tiền bạc, nâng cao chất lượng và thuận tiện đ i mới trong quá trình phát triển sản phẩm

Qui trình đề tài được tiến hành theo sơ đ sau:

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực thiết kế và gia công, ngư i nghiên c u

chọn đề tài: ắTính toán ậ Thi tăk ă- Ch ăt o biênăd ngăbánhărĕngăconălĕn” làm đề

tài cho luận văn Thạc Sĩ

2 MỤCăĐệCHăCỦAăĐỀăTÀI

Đề tài nhằm nghiên c u hình dạng, thông số hình học, phương pháp tính toán thiết kế và công nghệ gia công bánh răng con lăn Nghiên c u kỹ thuật và khai thác các phần mềm ng dụng CAD/CAM/CAE để thiết kế, phân tích thiết kế và gia công:

- Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập phương trình nhằm xây dựng biên dạng cho bánh răng con lăn

- Phân tích thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn

- Nghiên c u công nghệ gia công bánh răng con lăn trên máy phay CNC, nhằm ng dụng vào thực tiễn sản xuất cũng như trong công tác đào tạo

3 ĐỀăXUẤTăH ́NGăNGHIểNăĆU

3.1 Đốiăt ngănghiênăcứu

- Máy phay CNC

- Phần mềm tính toan, thiêt kê, chê ta ̣o (CAD/CAM/CAE)

- Chi tiết bánh răng con lăn

3.2 Ph măviăănghiênăcứu

- Xây dựng biên dạng bánh răng con lăn

- Nghiên c u thiết kế, tính toán phân tích thiết kế bánh răng con lăn

- Nghiên c u công nghệ gia công bánh răng con lăn trên máy phay CNC

- ng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên c u tính toán, phân tích

thiết kế Công cụ là phần mềm ANSYS tích hợp SolidWorks

- ng dụng công nghệ CAD/CAM để gia công bánh răng con lăn trên máy phay CNC

+ Cách thiết lập phương trình biên dạng đĩa Cycloid theo trư ng hợp ăn khớp Epicycloid theo đư ng tròn lăn ngoài

Ch ngă3

PHÂN TệCHă THIểTăKểă BỌ̣ă TRUYểNă BỄNHă RĂNG

Trong chương này, đề tài tâ ̣p trung nghiên cưu:

+ Cách xây dựng mô hình tính toán ng suất tiếp xúc bánh răng đĩa Cycloid

+ Các công th c kiểm nghiệm bền bộ truyền bánh răng con lăn

Ch ngă4

TR̀NHă XÂY

D ̣NGă BIÊN ḌNGăậ TệNHăLỰCă TÁC DỤNGă LÊN BỄNHă RĂNGă CONăLĂN

Trong chương này, đề tài tâ ̣p trung:

+ Lâ ̣p trinh Visual Basic vơi phương trinh đã xây dựng , tư đo xuât kêt quả ra phần mêm excel lam cơ sở để dựng hinh chinh xác biên da ̣ng banh răng con lăn Cho phep ngươi dung co thể nhanh chong thiêt kê cac biên da ̣ng vơi cac thông sô khac nhau

+ Lâ ̣p trinh biên da ̣ng banh răng con lăn băng AUTOLISP trong Auto CAD + Lâ ̣p trinh Visual Basic vơi phương trinh lực đã xây dựng, từ đó cho phép ngư i thiết

kế nhanh chóng tính các lực tác dụng lên bánh răng con lăn các vị trí khác nhau

Ch ngă5

TÍNH TOÁN VÀ CHểăTẠOă BIÊN ḌNGă BỄNHă RĂNGă CON LĂN

Trong chương nay, đề tài tâ ̣p trung nghiên cưu:

+ Tính ng suất và chuyển vị bánh răng dựa vao phân mêm Ansys

+ Chê ta ̣o bánh răng con lăn

KẾTă LUẬNăVÀă

H ́NGă PHÁT TRIỂNăĐỀă TÀI

Trong phần này, đề tài tập trung:

+ T ng hợp các kết quả đã nghiên c u c a

đề tài + Nêu ra các hướng phát triển c a đề tài

6 ÝăNGHĨAăKHOAăHỌCăVÀăTHỰCăTIỄNăCỦAăĐỀăTÀI

- Ý nghĩa khoa học

Đề tài góp phần xây dựng phương pháp, trình tự tính toán thiết kế và công nghệ gia công bánh răng con lăn sử dụng trong công nghiệp và phục vụ cho công tác đào tạo

- Ý nghĩa thực tiễn

Trên cơ s thiết kế, phân tích thiết kế, tiến hành lập trình gia công chi tiết bánh răng con lăn trên máy phay CNC nhằm khai thác khả năng công nghệ CAD/CAM, đưa loại bánh răng mới vào ng dụng thực tiễn, điều này thực sự khiến

ngành cơ khí có những đóng góp to lớn và thiết thực hơn cho sự phát triển c a nền sản xuất trong nước

PHỂNăII: NỌ̣IăDUNGăNGHIểNăC U

Ch ngă1 TỌ̉NGăQUANăVểăLĨNHăV ̣CăNGHIểNăC U, CỄCă KểTăQUẢăNGHIểNăC UăTRONGăVA NGOÀIă

Bộ truyền bánh răng chốt là loại bộ truyền đã được nghiên c u từ những năm 1950, tuy nhiên do có những hạn chế nên đã không được phát triển Gần đây dựa trên cơ s c a loại bộ truyền đó đã ra đ i một loại bộ truyền mới là bộ truyền bánh răng con lăn với những ưu điểm vượt trội so với những loại bộ truyền khác

Bộ truyền bánh răng con lăn được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt với bánh răng có biên dạng Cycloid hay gọi tắt là bộ truyền Cycloid Biên dạng Cycloid đã được một kỹ sư ngư i Đ c, Lorenz Braren, phát minh ra vào năm 1931 và đã được nghiên c u phát triển cho đến tận ngày nay Nga đã tiến hành nghiên c u về loại bộ truyền này từ những năm 1948 Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền cao, kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên việc ng dụng loại

bộ truyền bánh răng chốt vào thực tế còn nhiều hạn chế do sự ph c tạp trong quá trình xây dựng biên dạng Cycloid và hiệu suất c a bộ truyền chưa cao do chưa khắc phục được ma sát trượt hình thành trong bộ truyền khi làm việc

Đến những năm 80 với sự phát triển c a khoa học kỹ thuật, xu hướng thay dần ma sát trượt bằng ma sát lăn nh b xung các con lăn trên các chốt (hình 1.1) và sự trợ giúp c a máy tính thì các nghiên c u về biên dạng Cycloid mới thực sự hoàn thiện và một loạt các hộp giảm tốc được ra đ i và được áp dụng ngày càng nhiều trong thực tiễn

Bộ truyền với ăn khớp Cycloid có ý nghĩa lớn lao trong việc giải các bài

toán đặt ra cho các hệ dẫn động có kích thước nhỏ c a các máy được chế tạo có

sự tham gia trực tiếp c a động cơ điện lắp với các bộ truyền (hình 1.2) Các động cơ - hộp giảm tốc này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, thí dụ dùng trong máy nén và máy bơm, máy xay bột và máy nghiền, các dạng khác nhau c a máy khuấy và các loại thiết bị khác Vùng công suất truyền hợp lý nhất c a các bộ động cơ - hộp giảm tốc nằm trong phạm vi 0,5 đến 10 kW Trong kiểu giảm tốc này, trục ra và trục vào là đ ng trục Các hộp giảm tốc này cho phép sử dụng với tỉ số truyền lớn, mỗi cấp từ 8 đến 65 Để nhận được tỉ số truyền từ 65 đến 3600 cần sử dụng các bộ truyền hai cấp

Ngoài việc giảm trọng lượng hộp giảm tốc, bộ truyền bánh răng con lăn còn cho phép sử dụng động cơ điện có số vòng quay cao hơn, khi đó làm tăng hiệu suất c a hệ dẫn động nh làm tăng hệ số công suất (tăng hệ số cos) và giảm đáng kể giá thành c a thiết bị Khi lựa chọn động cơ điện quay nhanh không chỉ giảm đáng kể về giá thành, nâng cao hiệu suất và hệ số cos mà còn

có khối lượng nhỏ (một động cơ điện 7kW quay 3000 vòng/phút có trọng lượng

Hình 1 1 Bản vẽ hộp giảm tốc

bánh răng con lăn Hình 1.2 Động cơ - hộp giảm tốc bánh răng con lăn

bằng 1/2 động cơ điện quay 750 vòng/phút) Hiện nay, với dạng cải tiến mới, thay ma sát trượt bằng ma sát lăn nh các con lăn, đ ng th i tạo ra màng dầu tại chỗ tiếp xúc, hiệu suất một bộ truyền theo lý thuyết có thể đạt tới 0,95 Đến nay

đã có một số Viện cơ học, trư ng Đại học và các công ty các nước trên thế giới tiến hành nghiên c u kỹ và tiến hành sản xuất hàng loạt các loại động cơ - hộp giảm tốc loại này

- Khoa Cơ khí Chế tạo máy c a trư ng Kragujevac, Serbia đã tiến hành nghiên c u “ảnh hư ng lực phân bố ma sát lên bộ truyền bánh răng con lăn”

- S.V Thube và T.R.Bobak đã tiến hành nghiên c u “Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích động học bộ truyền Cycloid”

- Piermaria Davoli, Carlo Gorla, Francesco Rosa, … Đã tiến hành nghiên

c u “Phân tích lý thuyết và thực nghiệm c a hộp giảm tốc Cycloid”

Hiê ̣n nay co mô ̣t sô cơ sở va công ty nươc ngoai đang nghiên cưu va sản xuât bô ̣ truyên nay:

Hãng Hap Dong c a Hàn Quốc có hộp giảm tốc kiểu năm va kiểu đưng vơi :

Hãng Sumitomo c a N hâ ̣t ngoai sản xuât kiểu năm va kiểu đưng con co kiểu nghiêng vơi:

- Hô ̣p giảm tôc co thể

chịu được sự quá tải lên đên

Hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam cũng đã co một sô đơn vi ̣ sản xuât loa ̣i bộ truyên nay ,

Hình 1.4 Một sô loại Động cơ – Hộp giảm tôc bánh răng con lăn của hãng Sumitomo

Hình 1.5 Một sô loại Động cơ – Hộp giảm tôc bánh răng con lăn c̉a h̃ng Centa

cụ thể là đề tài KC -05-15 do Viê ̣n nghiên cưu cơ khi hợp tac vơi trung tâm tự đô ̣ng hóa – Trương Đa ̣i ho ̣c Bach Khoa thực hiê ̣n Trong đê tai đo đã chê ta ̣o thanh công đĩa Cycloid vơi phương phap căt bao hinh băng dao phay lăn Tuy nhiên phương pháp này không linh hoạt đối với các profin và sai số khá nhiều do gặp sự sai lệch ngay tư khi chê ta ̣o dao Vì vậy, trong đề tài này tiến hành nghiên c u và gia công đĩa Cycloid trên máy phay CNC Phương pháp này rất linh hoạt và đạt độ chính xác cao

Do đặc điểm ăn khớp c a loại bộ truyền này không có khe h cạnh răng nên làm việc êm, không gây va chạm khi đ i chiều quay Cùng với khối lượng và kích thước nhỏ gọn nên được ng dụng ngày càng nhiều trong các máy hiện đại, đặc biệt thích hợp để

Ch ngă2

C ăS ̉ ăLYăTHUYểT 2.1 GÍIă THI Uă TÓMă L Că CAD/CAM/CAEă VÀă KH NĂNGă ́NGă DỤNGăPHẦNăMỀMăTRONGăTHIẾTăKẾăVÀăGIAăCỌNGăC ăKHệ

2.1.1 CAD (Computer Aided Design)

CAD là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để giúp

đỡ việc tạo, sửa đ i, phân tích và tối ưu hóa thiết kế

Theo đó, bất c chương trình máy tính nào có tính năng đ họa và một chương trình ng dụng với các ch c năng kỹ thuật thuận tiện đều được phân loại như là phần mềm CAD Nói cách khác, các công cụ CAD có nhiều cấp độ khác nhau tùy theo ng dụng Có thể chúng chỉ có những công cụ để vẽ hình học nhằm tạo ra hình dạng vật thể, hoặc có thêm các công cụ phân tích dung sai, tính toán một số đại lượng vật lý và mô hình hóa phần tử hữu hạn m c độ cao là các phần mềm CAD với các chương trình ng dụng nâng cao cho phân tích và tối ưu hóa

Vai trò cơ bản nhất c a CAD là để xác định hình học c a thiết kế như hình dáng hình học c a các chi tiết cơ khí, các kết cấu kiến trúc, mạch điện tử, mặt bằng nhà cửa trong xây dựng Các ng dụng điển hình c a CAD là tạo bản vẽ

kỹ thuật với đầy đ các thông tin kỹ thuật c a sản phẩm và mô hình hình học 3D c a sản phẩm Hơn nữa, mô hình CAD này sẽ được dùng cho các ng dụng CAE và CAM sau này Đây là lợi ích lớn nhất c a CAD vì có thể tiết kiệm th i gian một cách đáng kể và giảm được các sai số gây ra do phải xây dựng lại hình học c a thiết kế mỗi khi cần đến nó

Một quá trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:

 Xây dựng mô hình hình học sản phẩm

 Phân tích kỹ thuật sản phẩm

 Kiểm tra và đánh giá kỹ thuật

 Xây dựng bản vẽ kỹ thuật

Các công cụ CAD cần có để hỗ trợ quá trình thiết kế tùy thuộc vào pha thiết kế:

 Đối với pha khái niệm hóa thiết kế các công cụ CAD cần có là các kỹ thuật mô hình hóa hình học, các hỗ trợ đ họa và các thao tác đ họa

 Pha mô hình hóa và mô phỏng thiết kế cần các công cụ kể trên, công cụ

mô phỏng chuyển động, lắp ráp và một số gói mô hình hóa khác

 Pha phân tích thiết kế cần các gói về phân tích, các gói và các chương trình tùy biến

 Pha thiết kế tối ưu cần các ng dụng tùy biến và tối ưu hóa kết cấu

 Pha đánh giá thiết kế cần các công cụ về dung sai, kích thước và bảng các vật liệu

 Pha tạo tài liệu và truyền đạt thông tin thiết kế cần công cụ tạo bản vẽ kỹ thuật và công cụ tạo ảnh tô bóng

Ngày nay, CAD được ng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau Có thể kể tên ra một số lĩnh vực như sau: cơ khí, xây dựng, kiến trúc, điện - điện tử,

y học, dệt may, thiết kế sản phẩm, thiết kế công nghiệp, thiết kế nhạc cụ, thiết

kế vư n tược, chiếu sáng,

Trên thị trư ng hiện nay có rất nhiều phần mềm CAD với những cấp độ khác nhau Có những phần mềm giá chỉ vài trăm đô la với tính năng hạn chế nhưng cũng có những gói phần mềm giá hàng chục ngàn đến hàng trăm ngàn đô

la Cũng có phần mềm CAD riêng lẻ và có những phần mềm CAD tích hợp trong phần mềm CAD/CAM Việt Nam, trong lĩnh vực cơ khí, các phần mềm CAD ph biến hiện nay là: AutoCAD, Mechanical Destop, Inventor, Solidworks, Catia, Pro/Engineer, Unigraphics, Solid Edge,

2.1.2 CAM (Computer Aided Manufacturing)

CAM là công nghệ liên quan với việc sử dụng hệ thống máy tính để lập kế hoạch, quản lý và điều khiển các quá trình chế tạo

Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất c a CAM là điều khiển chương trình số (Numerical Control - NC) Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ dẫn đã được

lập trình để điều khiển các máy công cụ như: máy mài, máy tiện, máy phay, máy dập Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu hình học từ cơ s dữ liệu CAD cộng với những thông tin b sung được cung cấp b i ngư i vận hành

Một ch c năng quan trọng khác c a CAM là lập trình robot Các robot này

có thể vận hành trong một tế bào gia công, chọn, định vị dao và chi tiết gia công cho các máy NC Những robot này cũng có thể thực hiện các nhiệm vụ đơn lẻ như hàn, lắp ráp hoặc vận chuyển thiết bị hoặc chi tiết trong phân xư ng

Lập quy trình chế tạo cũng là một mục đích c a CAM Quy trình chế tạo bao g m các nguyên công chi tiết c a các bước sản xuất từ ban đầu đến kết thúc, từ máy này đến máy khác trong phân xư ng

Mặc dù việc lập quy trình chế tạo hoàn toàn tự động là điều gần như không thể nhưng quy trình công nghệ chế tạo cho một chi tiết có thể được tạo ra nếu

t n tại một quy trình chế tạo c a một chi tiết tương tự Cho mục đích này, công nghệ nhóm đã được phát triển để t ch c các chi tiết tương tự nhau thành một

họ Các chi tiết được phân thành cùng một họ nếu chúng có những đối tượng gia công giống nhau như các rãnh, các túi rỗng, các mép vát, các lỗ, Vì thế để

dò tự động sự giống nhau giữa các chi tiết, cơ s dữ liệu CAD phải ch a các thông tin về những đối tượng như thế Nhiệm vụ này được thực hiện nh công nghệ nhận dạng đối tượng

Thêm vào đó, máy tính có thể được sử dụng để xác định khi nào đặt hàng nguyên liệu và mua sắm chi tiết và số lượng hàng hóa cần phải đặt để đáp ng

 Pha kiểm tra cần phần mềm kiểm tra

 Pha lắp ráp cần công cụ về lập trình và mô phỏng robot

Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng tích hợp CAD/CAM Giá thành c a các gói phần mềm này cũng khác biệt nhiều tùy thuộc tính năng c a chúng Các phần mềm CAM, CAD/CAM ph biến Việt Nam hiện nay là MasterCAM, Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron, VISI-Series,

Hình 2 1 Mô phỏng gia công với phần mềm CATIA

 Danh sách các phần mềm CAD/CAM

Bảng bên dưới là danh sách phần mềm CAD/CAM, có đính kèm tên các quốc gia mà các phần mềm này được phát triển để chúng ta so sánh được công nghệ

c a mỗi nước Và điều dễ hiểu là các phần mềm này đều xuất phát từ Mỹ và Anh

CNC Software, Inc MỸ Mastercam

MecSoft Corporation MỸ VisualMill

Parametric Technology

(Ngu n: http://engineershandbook.com)

2.1.3 CAE (Computer Aided Engineering)

CAE là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để phân tích đối tượng hình học CAD, cho phép ngư i thiết kế mô phỏng và nghiên c u cách ng xử c a sản phẩm từ đó có thể tinh chỉnh và tối ưu hóa sản phẩm Các công cụ CAE tương đối đa dạng, đáp ng được cho nhiều nhu cầu phân tích sản phẩm Ví dụ, các chương trình chuyển động học có thể được sử dụng để xác định các hành trình chuyển động và tốc độ các khâu trong cơ cấu máy Các chương trình phân tích động học dịch chuyển lớn có thể được dùng để xác định các tải và các dịch chuyển trong một hệ thống lắp ráp ph c tạp như trong ô tô

Trong CAE ngư i ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) và phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method - BEM) Trong đó có lẽ phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi nhất

CAE được áp dụng trong các lĩnh vực sau:

 Phân tích ng suất trên các chi tiết và trên các láp ráp bằng cách sử dụng FEM

 Phân tích dòng chảy và truyền nhiệt (CFD)

 Phân tích động học các cơ cấu

 Mô phỏng các trư ng hợp cơ khí (MES)

 Mô phỏng các quá trình công nghệ như đúc, dập,

 Tối ưu hóa sản phẩm hoặc quá trình công nghệ

Hình 2 2 Mô phỏng ứng suất và chuyển vị với CATIA

2.2 ă CẤUă ṬOă VÀă NGUYểNă LÝă LÀMă VI C CỦAăBỘăTRUYỀNăBỄNHă RĂNGăCONăLĂN

2.2.1 Cấu tạo

Hình 2.3: C ấu tạo bộ truyền bánh răng con lăn

Về cấu tạo bộ truyền bánh răng con lăn g m 4 nhóm thành phần cơ bản (hình 2.3, hình 2.4):

- Trục đầu vào cùng với bạc lệch tâm và lăn

- Các con lăn bánh răng chốt lắp trên vành răng chốt

- Bánh răng Cycloid hay đĩa Cycloid (trong một bộ truyền có thể có 1, 2 hoặc 3 đĩa Cycloid)

các con lăn răng chốt trên vành răng chốt nên bánh răng chỉ lăn hành tinh bên trong vành răng chốt đ ng th i nó cũng tự quay quanh tâm c a nó với tốc độ chậm và theo chiều ngược lại Do số răng bánh răng Cycloid ít hơn số răng chốt một răng nên sau mỗi một vòng quay c a trục vào thì bánh răng Cycloid mới quay quanh tâm c a nó một bước răng Như vậy, tỉ số truyền đạt được bằng chính số răng c a bánh răng Cycloid Vận tốc c a bánh răng Cycloid được truyền ra trục ra thông qua các chốt đầu ra có mang con lăn

Trên hình 2.5, mô tả nguyên lý làm việc c a một bộ truyền bánh răng con lăn Ban đầu đư ng thẳng nối tâm trục vào và tâm c a bạc lệch tâm tạo với phương ngang một góc là 00

(hình 2.5a) thì trục ra cũng góc 00 Khi trục vào quay được một góc 900 theo ngược chiều kim đ ng h (hình 2.5b) thì bánh răng Cycloid quay được một góc 900/u theo chiều kim đ ng h quanh tâm c a nó, đ ng th i kéo trục ra quay theo cũng được một góc 900

/u

Với u là tỉ số truyền c a bộ truyền, được xác định theo công th c:

1 2

1

z-z

z

u 

Trong đó: z1: số răng đĩa Cycloid

z2: số con lăn (số răng vành răng chốt) với: z2 = z1 + 1

do đó có: u = z1 (2.2)

Bạc lệch tâm Trục vào Bánh răng Cycloid Con lăn Chốt đầu ra

a Trục vào ở 0 0 b.Trục vào ở 90 0 c.Trục vào ở 180 0

d.Trục vào ở 270 0

Hình 2.5 Mô tả nguyên lý làm việc c̉a bộ truyền bánh răng con lăn

Tiếp tục, khi trục vào quay được một góc 1800

(hình 2.5c) thì trục ra quay được một góc 1800/u Tương tự, khi trục vào quay được một góc 2700

(hình 2.5d) thì trục ra quay được một góc 2700

/u

2.3 THIểTăLỆ̉PăPH NGăTRINHăBIểNăDẠNGăĐĨAăCYCLOID

2.3.1 Khái niệm

Biên dạng Cycloid là quỹ tích c a một điểm cố định trên một đư ng tròn khi

đư ng tròn này lăn không trượt trên một đư ng thẳng hoặc đư ng tròn cố định khác

Trong các hình 2.6 và 2.7, có các vòng tròn bán kính r1 và r2 là các vòng tròn lăn (vòng tròn tâm tích) Khi lăn không trượt vòng tròn bán kính r2 trên vòng tròn bán kính r1 (hình 2.6) thì một điểm B nào đó cố định trên vòng tròn bán kính r2sẽ vẽ nên đư ng EpiCycloid B0B1có phương trình dạng tham số:

A = O1O2: Khoảng lệch tâm giữa hai vòng tròn

Khi vòng tròn bán kính r1 lăn không trượt bên trong vòng tròn bán kính r2

(hình 2.7) thì một điểm B nằm cố định trên đư ng tròn bán kính r1 sẽ vẽ lên đư ng HypoCycloid B0B1có phương trình dạng tham số:

R2: Bán kính vòng tròn qua tâm các con lăn

Nếu sử dụng một điểm D cũng gắn với đư ng tròn bán kính r2 nhưng nằm bên ngoài thì điểm D sẽ vẽ lên đư ng EpiCycoid kéo dài D0D1 (hình 2.8) có phương trình dạng tham số :

Nếu thay điểm D bằng con lăn có bán kính rc thì khi 2 vòng tròn bán kính r1

và r2 lăn không trượt trên nhau, con lăn bán kính rc sẽ tạo ra các đư ng bao cách đều

đư ng EpiCycloid kéo dài D'0D'1 (hình 2.9) hoặc HypoCycloid kéo dài Đó là biên dạng răng ăn khớp với con lăn răng chốt

Phương trình đư ng bao cách đều đư ng EpiCycloid kéo dài D'0D'1:

/ /

D / 2 / 2 / /

D / 2 / 2

c D D

c D D

x'D, y'D: đạo hàm bậc nhất c a xD và yD, có:

/

2

2 2 /

rc: bán kính con lăn răng chốt

Hình 2.9 Sự tạo thành biện dạng ăn khớp EpiCyloid với con

lăn răng chốt

2.3.2 Thiết lập phương trình biên dạng đĩa Cycloid

2.3.2.1 Phương trình đư ng EpiCycloid kéo dài

Các vòng tròn bán kính r1 và r2 (Hình 2.10) là các vòng tròn lăn và cần thoả mãn điều kiện:

r1 = A.z1 , r2 = r1 + A (2.8) Trong đó: z1 là một số nguyên dương, chính là số răng đĩa Cycloid, A là khoảng lệch tâm giữa hai vòng tròn r1 và r2, A=O1O2

Điểm B nằm cố định trên vòng tròn bán kính r2 Điểm D nằm cố định trên vòng tròn bán kính R2, vòng tròn R2 luôn đ ng tâm với vòng tròn r2 và không chuyển động tương đối so với nhau

Khi góc tạo b i đư ng nối tâm hai vòng tròn r1 và r2 là O1O2 tạo với phương

x một góc  = 0 thì điểm B trùng với điểm B0 còn D trùng với điểm D0

Khi vòng tròn bán kính r2 lăn không trượt trên vòng tròn bán kính r1 với

đư ng nối tâm O2O1 tạo với phương x một góc  thì điểm B trùng với B1 có toạ độ (xB, yB), điểm D trùng với D1có toạ độ (xD, yD) Có chiều dài cung tròn mà r2 đã lăn trên r1 là:

1 2 1

r

r r

S B O

Tiếp tục đ i biến, đặt :



2

như vậy để có được đư ng

EpiCycloid kéo dài đầy đ thì

 biến thiên từ 0 đến 2(1+z1),

còn  biến thiên từ 0 đến 2

Ví dụ với A = 6 mm, R2

= 100 mm, z1 = 10,  biến

thiên từ 0 đến 2 sẽ thu được

đư ng EpiCycloid kéo dài đầy

2.3.2.2 Phương trình đư ng biên dạng đĩa Cycloid

Thay điểm D bằng

một vòng tròn bán kính rc, đây

chính là con lăn trong bộ

truyền bánh răng con lăn Khi

 biến thiên từ 0 đến 2, quỹ

đạo điểm D sẽ cho được

đư ng EpiCycloid kéo dài

D0D1D2, khi đó đư ng bao họ

các vòng tròn rc sẽ tạo ra các

đư ng bao cách đều, với

đư ng bao phía trong là

N0N1N2

Các điểm N0, N1 và N2 được sinh ra tương ng từ D0, D1 và D2 Gọi N có toạ

độ (x, y) là một điểm trên đư ng bao cách đều tương ng với vị trí c a điểm D có toạ độ (xD, yD) trên đư ng EpiCycloid kéo dài, luôn có DN = rc, do vậy có phương trình:

2 2 2

) (

) ( x  xD  y  yD  rc

(2.17) Lấy đạo hàm (2.17) theo xD có:

D

D D

D

dx

dy y

y x

Thay (2.18) vào (2.17) ta được:

2 2

1

) (

c D

dx dy

r y

y

(2.19)

Khai căn hai vế (2.19), có:

Hình 2.12 Xây dựng biên dạng đĩa Cycloid

c D

dx dy

r y

D c D

dx dy dx

dy r x

x

(2.21)

Trong đó (xD,yD) được xác định theo (2.13) phụ thuộc  hoặc (2.16) phụ thuộc , dấu (-) (2.20) và (+) (2.21) biểu diễn đư ng bao ngoài, dấu (+) (1.20)

và (-) (1.21) biểu diễn đư ng bao trong c a họ vòng tròn bán kính rc

Lấy đạo hàm (2.16) theo  có:

D D

1 1

sin(1 )cos(1 )

D

D D D

D

x y d

dx d dy dx

d d

dy dx

/ / 2 / 2 / / 2 / 2

c D D

c D D

Dạng c a (2.25) tương ng với (2.6) đã giới thiệu trên

Từ (2.16), ( 2.23) và (2.25), khi cho  biến thiên từ 0 đến 2 thì (xD, yD) sẽ vẽ lên đư ng EpiCycloid kéo dài đầy đ , còn (x, y) sẽ vẽ lên đư ng bao họ vòng tròn bán kính rc

đư ng EpiCycloid kéo dài

đầy đù và đư ng bao trong

c a họ vòng tròn bán kính

rc như trên hình 2.13

Như vậy phương trình biên dạng đĩa Cycloid cần dựng:

/ / 2 / 2 / / 2 / 2

c D D

c D D

2.4 NHẬNăXÉT

Từ lý thuyết xây dựng biên dạng đĩa Cycloid rút ra những nhận xét:

- Truyền động ăn khớp Cycloid về nguyên lý, tất cả các con lăn đều đ ng

th i tiếp xúc với mặt răng tương ng và có tối đa một nửa số con lăn tham gia truyền lực cho nên khả năng truyền lực là rất lớn

- Về mặt lý thuyết các con lăn sẽ đ ng th i tiếp xúc với đĩa Cycloid nên bộ truyền bánh răng con lăn làm việc êm khi đảo chiều

- Chế tạo biên dạng đĩa Cycloid có thể ng dụng các phương pháp cắt bao hình, nhưng đòi hỏi chi phí lớn cho sản xuất dụng cụ cắt, các thiết bị đặc biệt và công nhân có trình độ chuyên môn tay nghề cao

Hình ̀.1 Lực tác dụng trong bộ truyền

bánh răng con lăn

Ch ngă3 PHỂNăTệCHăTHIẾTăKẾăBỘăTRUYỀNăBANHăRĂNGă

CONăLĂN 3.1.ăLỰCăTỄCăDỤNGăTRONGăBỘăTRUYỀNăBỄNHăRĂNGăCONăLĂN

Bộ truyền bánh răng con

lăn khi làm việc cần truyền một

mômen xoắn T1 từ trục vào đến

trục ra với mômen xoắn T2 =

T1.u.η, với u = z1 là tỉ số truyền

c a bộ truyền, η là hiệu suất c a

bộ truyền Do đĩa Cycloid lắp

lệch tâm so với tâm trục nên trục

vào sẽ tác động lên đĩa Cycloid

một lực (hình 3.1):

A z

Với z là số đĩa Cycloid

trong một bộ truyền bánh răng con lăn, thư ng z = 1, 2 hoặc 3

Đĩa Cycloid chuyển động quay quanh tâm trục và quay quanh tâm c a bản thân nó Về mặt lý thuyết đĩa Cycloid tiếp xúc đ ng th i với tất cả các con lăn nhưng chỉ có tối đa một nửa số con lăn chịu lực tác dụng Với số răng c a đĩa Cycloid là z1, số con lăn là z2 = z1+1 thì tối đa có n con lăn chịu lực, với:

1

E

z E

Với E là ký hiệu lấy phần nguyên c a phép chia

Gọi Frk (với k=1 n) là các phản lực từ con lăn tác dụng lên đĩa Cycloid (hình3.1)

T P

ON R

n

i N n

i

i tb

αilà các góc giữa phương c a lực Fri và đư ng nối tâm O đến điểm Ni là điểm đặt c a lực Fri (hình 3.2)

T hợp các lực Fri sẽ thu được lực Fx và Fy (hình 3.1) xác định theo :

1 1

cos sin

n

i n

Gọi Fpk (với k = 1 m) là các phản lực từ chốt đầu ra tác dụng lên đĩa Cycloid (hình 3.1) có:

T P

0

 : ng suất tiếp xúc xuất hiện trên bề mặt răng đĩa Cycloid (MPa),

Theo công th c Hec (Hertz) có :





2

H M H

q Z

ZM : hằng số đàn h i c a vật liệu các vật thể tiếp xúc

qH : tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc

 : bán kính cong tương đương c a hai bề mặt tiếp xúc

3.2.1 Hằng số đàn h i c a vật liệu các vật thể tiếp xúc ZM

ZMlà hằng số đàn h i c a vật liệu các vật thể tiếp xúc, được xác định :

)]

1()1([

2

2 2 1

2 1 2

2 1

E E

Trong đó : E1, E2là mô đun đàn h i vật liệu làm bánh răng và con lăn

2

1

 là hệ số Poatxông c a vật liệu làm bánh răng và con lăn

Với vật liệu c a cả hai chi tiết tiếp xúc bằng thép có:

3 , 0



E=2,1.105 MPa1/2  ZM = 274MPa1/2 3.2.2 Tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc qH

qH là tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc, do có sự phân bố tải trọng không đều trên chiều rộng vành răng và cho các răng nên theo [1] có :

H n