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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC CƯỜNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

BIÊN DẠNG BÁNH RĂNG CON LĂN

S KC 0 0 3 9 8 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC CƯỜNG

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG

BÁNH RĂNG CON LĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC CƯỜNG

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG

BÁNH RĂNG CON LĂN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Ngọc Cường Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/6/1984 Nơi sinh: Phú Yên

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 14/6 Chu Mạnh Trinh – phường 3 – Tuy Hòa – Phú yên

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: SPKT TP.HCM

Người hướng dẫn: Th.S Lê Đăng Danh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

3/2007 –

4/2008 - nay Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 2 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Cường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ lực, cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới:

PGS-TS Lê Hiếu Giang, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin gởi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi

Các Thầy trong khoa Chế tạo máy đã hết lòng giúp đỡ để tôi hoàn thiện luận văn này

Gia đình, đồng nghiệp những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ

và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Cường

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

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC……… i

LỜI CAM ĐOAN ………ii

LỜI CẢM ƠN ……… iii

TÓM TẮT ……… iv

MỤC LỤC ………v

DANH MỤC CÁC BẢNG ………viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………ix

PHẦN I: MỞ ĐẦU ……… 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: ……… 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ………3

3 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU ………3

3.1 Đối tượng nghiên cứu ……… 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu ……… 3

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 3

5 NỘI DUNG THỰC HIỆN ……… ……… 4

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ……… 6

PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ……….……….7

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ………7

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……….…………12

2.1 GIỚI THIỆU TÓM LƯỢC CAD/CAM/CAE VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRONG THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ ….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 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CON LĂN ……… …18

2.2.1 Cấu tạo……… 18

2.2.2 Nguyên lý làm việc……… 18

2.3 THIẾT LÂ ̣P PHƯƠNG TRÌNH BIÊN DẠNG ĐĨA CYCLOID … 20

2.3.1 Khái niệm……….20

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

2.4 NHẬN XÉT……… 29

Chương 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CON LĂN30 3.1 LỰC TÁC DỤNG TRONG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CON LĂN 30

3.2 TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN TIẾP XÚC RĂNG ĐĨA CYCLOID… 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 TÍNH TOÁN CON LĂN ……… 52

3.4 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ……… 54

Chương 4 CHƯƠNG TRÌNH XÂY DỰNG BIÊN DẠNG – TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN BÁNH RĂNG CON LĂN ……… 57

4.1 CHƯƠNG TRÌNH XÂY DỰNG BIÊN DẠNG ……… 57

4.1.1 Nội dung chương trình Visual Basic ……… 58

4.1.2 Nội dung chương trình AutoLISP ……… 63

4.2 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN BÁNH RĂNG CON LĂN ……….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

Chương 5 TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG BÁNH RĂNG CON LĂN

82

5.1 CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ HÌNH BÀI TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO

BÁNH RĂNG CON LĂN ……… 82

5.2 THIẾT KẾ BIÊN DẠNG ĐĨA RĂNG CYCLOID ……… 86

5.3 ỨNG DỤNG CAE TRONG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BÁNH RĂNG CON LĂN ……… 86

5.4 ỨNG DỤNG CAM TRONG GIA CÔNG BÁNH RĂNG CON LĂN 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 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ……… 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……… 93

1 KẾT LUẬN ……… 93

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……… ….94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 95

PHỤ LỤC ……… 97

của hãng Hap Dong

9

1.4 Mô ̣t số loa ̣i Đô ̣ng cơ – Hô ̣p giảm tốc bánh răng con lăn

của hãng Sumitomo

10

1.5 Mô ̣t số loa ̣i Đô ̣ng cơ – Hô ̣p giảm tốc bánh răng con lăn

của hãng Centa

10 1.6 Các môđun quay với bánh răng con lăn dùng cho Rôbốt 11 2.1 Mô phỏng gia công với phần mềm CATIA 15 2.2 Mô phỏng ứng suất và chuyển vị với CATIA 17 2.3 Cấu tạo bộ truyền bánh răng con lăn 18 2.4 Khai triển của một hộp giảm tốc bánh răng con lăn 18 2.5 Mô tả nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng con lăn 19 2.6

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

răng chốt

22 2.10 Xây dựng đường Epicloid 23 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 3.9 Sơ đồ tải trọng thay đổi 50 4.1 Lưu đồ khối Visual Basic xuất bảng tọa độ 58 4.2 Chương trình tính 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

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

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

là đường 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 ứng dụng loại bộ truyền bánh răng con lăn vào thực tế còn nhiều hạn chế do sự phức 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 của các máy được chế tạo có sự tham gia trực tiếp của 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 của 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 phức 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 cứu 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 của các máy phay CNC đạt được độ chính xác và năng suất yêu cầu cũng là một vấn đề cần được nghiên cứu

Hơn nữa, Ở Việt Nam bộ truyền này chủ yếu nhập từ nước ngoài, hoặc máy có sẵn mua từ nước ngoài có sử dụng bộ truyền này, việc nghiên cứu 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 ứng dụng trong 3 giai đoạn chính của quá trình sản xuất - gia công gồm: Thiết kế, tính toán mô phỏng và điều khiển gia công

Nhiệm vụ thiết

kế

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD)

Tính toán, phân tích thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAE)

Mô phỏng

Chọn thiết kế với

sự trợ giúp của máy tính

Điều khiển sản xuất

với sự trợ giúp của

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 thường chưa được khảo sát kỹ Để tính toán thiết kế thường 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 của máy tính để mô phỏng phân tích thiết kế, tiết kiệm thời gian và tiền bạc, nâng cao chất lượng và thuận tiện đổi mới trong quá trình phát triển sản phẩm

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

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực thiết kế và gia công, người nghiên cứu

chọn đề tài: “Tính toán – Thiết kế - Chế tạo biên dạng bánh răng con lăn” làm đề

tài cho luận văn Thạc Sĩ

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nhằm nghiên cứu hình dạng, thông số hình học, phương pháp tính toán thiết kế và công nghệ gia công bánh răng con lăn Nghiên cứu kỹ thuật và khai thác các phần mềm ứng 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 cứu công nghệ gia công bánh răng con lăn trên máy phay CNC, nhằm ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cũng như trong công tác đào tạo

3 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Máy phay CNC

- Phần mềm tính toán, thiết kế, chế ta ̣o (CAD/CAM/CAE)

- Chi tiết bánh răng con lăn

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng biên dạng bánh răng con lăn

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

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

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu được thực hiện dựa trên việc kết hợp lý thuyết và thực nghiệm:

- Nghiên cứu kỹ thuật và khai thác các phần mềm ứng dụng CAD/CAM/CAE để thiết kế, phân tích thiết kế và gia công bánh răng con lăn

- Nghiên cứu xây dựng, thiết lập phương trình biên dạng cho bánh răng con lăn

- Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu tính toán, phân tích

thiết kế Công cụ là phần mềm ANSYS tích hợp SolidWorks

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

5 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Trong đề tài này , tôi tiến hành nghiên cứ u và thực hiện những chương sau đây:

GHI CHÚ PHẦN I MỞ ĐẦU

Trong phần này , đề tài tâ ̣p trung nghiên cứu:

+ Đối tượng nghiên cứu + Phạm vi nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 CƠ SỞ LÝ

+ Cách thiết lập phương trình biên dạng đĩa Cycloid theo trường hợp ăn khớp Epicycloid theo đường tròn lăn ngoài

Chương 3

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ

BỘ

TRUYỀN BÁNH RĂNG

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

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

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

Chương 4

CHƯƠNG TRÌNH XÂY DỰNG BIÊN DẠNG – TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN BÁNH RĂNG CON LĂN

Trong chương này, đề tài tâ ̣p trung:

+ Lập trình Visual Basic với phương trình đã xây dựng , từ đó xuất kết quả ra phần mềm excel làm cơ sở để dựng hình chính xác biên da ̣ng bánh răng con lăn Cho phép người dùng có thể nhanh chóng thiết kế các biên da ̣ng với các thông số khác nhau

+ Lập trình biên da ̣ng bánh răng con lăn bằng AUTOLISP trong Auto CAD + Lập trình Visual Basic với phương trình lực đã xây dựng, từ đó cho phép người thiết

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

Chương 5

TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG BÁNH RĂNG CON LĂN

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

+ Tính ứng suất và chuyển vị bánh răng dựa vào phần mềm Ansys

+ Chế tạo bánh răng con lăn

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Trong phần này, đề tài tập trung:

+ Tổng hợp các kết quả đã nghiên cứu của

đề tài + Nêu ra các hướng phát triển của đề tài

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- 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 sở 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 ứng 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 của nền sản xuất trong nước