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

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.. Nguyên lí hoạt động của thiết

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

Mã số : 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGÔ NHƯ KHOA

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Hữu Quân - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơkhí, 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 chưatừng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 12 năm 2014.

Học viên

Nguyễn Hữu Quân

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 đãtạo 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

vàđộng viên Tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Hữu Quân

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

7 e, Vout Điện áp đầu ra

26 TT Biến dạng tính toán

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

29 Vout Mz Điện áp momen Mz

30 KB Hệ số khuếch đại trên thiết bị 3B18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay 1

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực 2

Hình 2.1 Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn 5

Hình 2.7 Mạch cầu Wheatston’s Bridge 4 nhánh 11Hình 2.8 Mạch cầu Wheatston’s Bridge 2 nhánh 12Hình 2.9 Mạch cầu Wheatston’s Bridge 1 nhánh 13Hình 2.10 Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge 14Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn 15Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất trên trục tròn chịu xoắn 16Hình 3.2 Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy 16

Hình 3.4 Strain gauge đo biến dạng dài thông thường 21Hình 3.5 strain gauge đo biến dạng theo 2 phương vuông góc 22

Hình 3.9 Silicon chống nhiễu cho strain gauge 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

Hình 3.12 Sơ đồ mạch khuếch đại thiết bị analog 3B18 28

Hình 3.14 sơ đồ đấu nguồn cho bộ khuếch đại 3B18 28Hình 3.15 sơ đồ mạch hiển thị giá trị momen cho dụng cụ đo 29Hình 4.1 Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo 36Hình 4.2 Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng 39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thành phần hóa học của thép 18Mn2Si 18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

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 xácđịnh lực kẹp là rất quan trọng Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bề mặtlàm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lại không đảmbảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của những chi tiết đượckẹp chặt Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay có rất nhiều dạngdụng 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 Ứngdụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt củabulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh được chia thành 2 dạng dựa vàophương pháp đo :

- Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực

- Thiết bi đo momen dạng nối tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

2

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

Đầu kẹp Lò xo chịu kéo

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

3

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 biếndạng của trục chịu xoắn bằng thiết bị cảm biến strain gauge

Strain gaugechịu kéo Strain gauge

chịu nén

MZ

Trục chịu xoắn Momen xoắn

Hình1.6 Trục mẫu dán strain gauge.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

4Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việc xâydựng 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 đặctuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạng của trục xoắn trên 2phương 450 và 1350 Biến dạng của trục đo được xác định bằng cách dán thiết bị cảmbiến 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 quangiữa 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 đomomen dạng dụng cụ Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momendạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo momen dạng nối tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

5

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp Việc xây dựng đườngđặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách Mối tương quan momenxoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp thông qua việc đomomen 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 xâydựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Tuy nhiên, đối với hầu hết các loại vậtliệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ Việc đo được góc xoắntrong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyếnmomen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trụcchịu 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 2phương 450 và 1350 là lớn nhất Do đó, Biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bịcảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn Mối tương quan giữa momen – biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu htt p: // www.l rc -t nu.ed u.v n /

6dạng 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 Biếndạng của vật liệu được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trên straingauge Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng được khắc thành dạng lưới lêntrên một tấm nhựa mỏng Lưới lá kim loại được nối cả hai đầu với hai miếng kim loạiđược phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tín hiệu đo

Lưới lá kim loại mỏng Miếng kim loại được phủ lớp đồng

Vị trí hàn dây dẫn

Tấm nhựa

Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến strain gauge.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

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

R   L

()

A (2.1)

Khi có sự thay đổi điện trở :

Hình 2.5 Biến dạng dây điện trở strain gauge.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

(2.4) (2.5)

được xác định theo công thức :

R / R của strain gauge

đặc trưng 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 lượng 1  2

giảm diện tích dây dẫn

đặc trưng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây và

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

đo được 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 bảncủa mạch phân áp điện trở như sau:

Điện áp đầu ra :

Hình 2.6 Nguyên lí ánh xạ dòng điện

Biến dạng của strain gauge vô cùng nhỏ, có thể lấy xấp xỉ

sự thay đổi điện áp được xác định như sau :

2.2 Mạch cầu đo biến dạng.

Tuy nhiên, khi sử dụng strain gauge đo biến dạng, có sự ảnh hưởng của một sốthông số tới sự thay đổi điện trở Các thông số ảnh hưởng tới sự thay đổi điện trở baogồm: sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môi trường và nhiệt kể đến biến dạng củastrain gauge Đối với mỗi loại strain gauge, sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môitrường đã được tính toán và cho thành hệ số Sai số biến dạng cũng xảy ra khi dánstrain gauge lên vật liệu được đo do có sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của straingauge và vật liệu được đo Rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của yếu tố này dotính không đồng nhất của hai vật liệu Vì vậy, sai số biến dạng strain gauge được xácđịnh 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 bằngcách sử dụng mạch cầu Wheatston’s Bridge Việc bù sai số do nhiệt trên mỗi straingauge không loại bỏ được toàn bộ ảnh hưởng Do đó, sự loại bỏ sai số do nhiệt đượctính 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:

V  V  R V V  V  R3 V

3 4

DB R

 R

in

Khi chưa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R1 = R2 = R3 = R4 = R nên từ(2.20) điện áp đầu ra trên mạch được viết như sau:

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

- 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 mạchcầu không loại bỏ được ảnh hưởng do nhiệt tới sai số biến dạng, trừ khi hệ số giãn nởnhiệt của điện trở strain gauge có hệ số giãn nở nhiệt bằng không

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h tt p : / / www l r c - t nu e du.v n /

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

V  GF  GF  T out

Mối quan hệ giữa và

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:

c Mạch cầu đầyđủ.

Hình 2.10 Mạch cầu đầy đủ

Mối quan hệ giữa và

Từ những mạch cầu trên để có giá trị lớn và với mục đích chế tạo thiết bị đomomen 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:

R1, R3 : chịu kéo theo phương 450

R2 , R4 : chịu nén theo phương 1350

Mạch cân bằng : R2  R3 , với

R1 R4 R1  R2  R3  R4  R

Khi có biến dạng, điện trở trên mạch cầu thay đổi 1 lượng

được xác định theo sự thay đổi của điện trở

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 straingauge dán trên bề mặt của một trục mẫu chịu xoắn, đo biến dạng của trục theo cácphương ± 45o so với tâm trục, từ sự thay đổi điện trở strain gauge để tính toán giá trịmomen xoắn Sơ đồ nguyên lý của phép đo MZ có thể mô tả như sau:

Momen xoắn tác dụng lên trục

đo dán strain gauge trên

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

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO

Việc thiết kế, tính toán trục đo được tiến hành tính toán cho trục rỗng chịuxoắn và tính toán trong miền đàn hồi của vật liệu Các hệ thức tính toán tuân theo địnhluật 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 :

      max    max



2