Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kết hợp làm việc trong môi trường ăn mòn

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng Cycloid bằng vật liệu kết hợp làm việc trong môi trường ăn mòn” là công trình nghiên cứu của c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ NGHĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID BẰNG VẬT LIỆU KẾT HỢP LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA- 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ NGHĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID BẰNG VẬT LIỆU KẾT HỢP LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng Cycloid bằng vật liệu kết hợp làm việc trong môi trường ăn mòn”

là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Một phần số liệu trong luận văn được lấy từ kết quả nghiên cứu của đề tài NCKH cấp Trường TR2016-13-01, trong đó tôi có tham gia dưới sự hướng dẫn của chủ nhiệm đề tài và đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý sử dụng kết quả đó trong luận văn này

Nha Trang, ngày 18 tháng 01 năm 2018

Tác giả luận văn

Lê Nghĩa

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại Học Nha Trang em đã nhận được sự giúp đỡ của các các Thầy Cô, nhiều bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Đầu tiên tôi xin gửi đến các Thầy Cô ở trường Đại Học Nha Trang lòng biết ơn sâu sắt nhất đối với những kiến thức quý báu mà các Thầy Cô đã truyền dạy cho em trong suốt quá trình học tập tại nhà trường

Đặt biệt trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp nhờ sự chỉ bảo tận tình của thầy TS.Đặng Xuân Phương và các thầy cô bộ môn chế tạo máy đã tổ chức các buổi sinh hoạt học thuật, góp ý cho luận văn và Sản phẩm nghiên cứu Ngoài ra tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS Nguyễn Văn Tường- Trưởng Khoa Cơ Khí và Xưởng Cơ khí – Trường Đại học Nha Trang

Nha Trang, ngày 18 tháng 01 năm 2018

Tác giả luận văn

Lê Nghĩa

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID 3

1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng bộ truyền cycloid 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Ứng dụng của bộ truyền bánh răng Cycloid 4

1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng bộ truyền Cycloid hiện nay ở Việt Nam 7

1.4 Cấu tạo và nguyên lí làm việc 8

1.4.1 Cấu tạo 8

1.4.2 Nguyên lí làm việc 9

1.5 Ứng dụng hộp giảm tốc cycloid trong nuôi trồng thủy sản 11

1.5.1 Yêu cầu đảo nước sục khí (quạt nước) trong nuôi trồng thủy sản 11

1.5.2 Các loại máy quạt nước trên thị trường 11

1.5.3 Lý do lựa chọn hộp giảm tốc cycloid 12

1.6 Mục tiêu nghiên cứu: 13

1.7 Phạm vi nghiên cứu 13

1.8 Phương pháp nghiên cứu 13

1.8.1 Cách tiếp cận 13

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu 14

1.8.3 Nội dung của nghiên cứu của đề tài: 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN CYCLOID 15

2.1 Xây dựng biên dạng đĩa cycloid 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Thiết lập biên dạng đĩa cycloid 17

2.2 Cơ sở tính toán thiết kế bộ truyền cycloid 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỘP GIẢM TỐC CYCLOID 32

3.1 Xác định thông số kỹ thuật cơ bản 32

3.2 Lựa chọn vật liệu 33

3.2.1 Đặc tính của nhựa MC Nylon 33

3.2.2 Đặc tính của inox 304 35

3.4 Tính toán thiết kế 38

3.4.1 Xác định ứng suất nén cho phép 38

3.4.2 Tính toán thông số bộ truyền 39

3.4.3 Tính vành răng chốt, đĩa cycloid 41

3.4.4 Kiểm nghiệm bánh răng về độ bền nén 42

3.4.5 Tính trục vào, bạc lệch tâm 42

3.4.6 Tính chốt trục ra và trục ra 43

3.4.7 Chọn ổ lăn và bạc trượt 45

3.5 Tính toán độ bền đĩa Cycloid bằng phương pháp phần tử hữu hạn 50

3.5.1 Tính bền vành trong đĩa cycloid 51

3.5.2 Tính bền vành răng đĩa cycloid 52

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BIÊN DẠNG ĐĨA CYCLOID 59

4.1 Xác định dạng sản xuất 59

4.2 Đánh giá chi tiết gia công 59

4.3 Chọn phôi 60

4.4 Gia công 60

4.4.1 Định vị 61

4.4.2 Thiết lập các thông số chung 61

4.4.3 Chu trình khoan 6 lỗ 22mm 63

4.4.4 Chu trình khoét 6 lỗ 25mm 67

4.4.5 Chu trình gia công phay theo biên dạng đĩa cycloid 70

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ GIA CÔNG, LẮP RÁP THỬ NGHIỆM 74

5.1 Kết quả chế tạo và thử nghiệm 74

5.2 Tính giá thành sản phẩm 77

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC

Trang

Hình 1.1 Động cơ - hộp giảm tốc Cycloid trên thị trường 3

Hình 1.2 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Hap Dong 5 Hình 1.3 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Sumitomo 5 Hình 1.4 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Centa 6

Hình 1.5 Các đĩa cycloid do Trung tâm tự động hoá-ĐH Bách Khoa HN 7

chế tạo 7

Hình 1.6 Hộp giảm tốc bánh răng con lăn 7

Hình 1.7 Các nhóm chính trong bộ truyền cycloid 9

Hình 1.8 Khai triển của một hộp giảm tốc bánh răng con lăn 9

Hình 1.9 Nguyên lí làm việc của bộ truyền cycloid 10

Hình 1.10 Máy quạt nước 4 cánh 12

Hình 1.11 Máy quạt nước dạng cánh tay dài 12

Hình 2.1 Sự tạo thành đường EpiCycloid 15

Hình 2.2 Sự tạo thành đường EpiCycloid kéo dài 16

Hình 2.3 Sự tạo thành biên dạng ăn khớp EpiCycloid với con lăn răng chốt 17

Hình 2.4 Xây dựng đường Epicycloid 18

Hình 2.5 Đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ 19

Hình 2.6 Xây dựng biên dạng đĩa cycloid 20

Hình 2.7 Đường bao trong đầy đủ của họ vòng tròn bán kính rc 22

Hình 2.8 Lực tác dụng trong bộ truyền cycloid 24

Hình 2.9 Xác định các góc αi và γi 26

Hình 2.10 Mô tả kích thước hình dáng của bộ truyền cycloid được lấy làm ví dụ xác định giá trị các lực 27

Hình 2.11 Các lực tác dụng khi υ = 0o 28

Hình 2.12 Các lực tác dụng khi υ = 25o 29

Hình 3.1 Kết cấu hộp giảm tốc cycloid 37

Hình 3.2 Kết cấu của hộp giảm tốc cycloid khai triển 37

Hình 3.3 Bạc trượt trục ra 49

Hình 3.4 Đĩa Cycloid được xây dựng bằng phần mềm solidwork 50

Hình 3.5 Kích thước đĩa cycloid 51

Hình 3.6 Đĩa cycloid vị trí chịu tác dụng lực 51

Hình 3.7 Thiết lập các thông số phân tích 51

Hình 3.9 Phân bố các lực tác dụng lên đĩa cycloid 53

Hình 3.10 Thiết lập các thông số phân tích lực trên bề mặt răng 56

Hình 3.11 Kết quả phân bố ứng suất đĩa cycloid 56

Hình 3.12 Thiết lập các thông số phân tích lực trên lỗ chốt đầu ra 57

Hình 3.13 Kết quả phân bố ứng suất trong lổ chốt đầu ra 57

Hình 4.1 Kích thước của đĩa Cycloid sau khi tính độ giãn nỡ 60

Hình 4.2 Các bề mặt định vị 61

Hình 4.3 Chọn máy công cụ 61

Hình 4.4 Chọn trục tọa độ chi tiết 62

Hình 4.5 Phôi gia công 62

Hình 4.6 Xác định đối tượng gia công 63

Hình 4.7 Thiết lập thông số dao 63

Hình 4.8 Chọn bề mặt gia công 64

Hình 4.9 Thông số dao khoan T1 64

Hình 4.10 Xác định chiều sâu khoan 65

Hình 4.11 Đường chạy dao khi khoan 6 lỗ 65

Hình 4.12 Chi tiết sau khi khoan 66

Hình 4.13 Xác định lỗ gia công 67

Hình 4.14 Chọn dao khoét T2 68

Hình 4.15 Chiều sâu khoét 68

Hình 4.16 Đường chạy dao khi khoét 6 lỗ 68

Hình 4.17 Chi tiết sau khi khoét 69

Hình 4.18 Xác định bề mặt gia công 70

Hình 4.19 Chọn dao phay T3 70

Hình 4.20 Cài đặt chiều sâu gia công 71

Hình 4.21 Cài đặt kiểu chạy dao 71

Hình 4.22 Đường chạy dao 72

Hình 4.23 Chi tiết sau khi hoàn thành phay biên dạng đĩa cycloid 73

Hình 5.1 Đĩa cycloid bằng nhựa MC Nylon sau khi được chế tạo 74

Hình 5.2 Bích trụ ra, đĩa cố định và các chốt trên đĩa 75

Hình 5.3 Lắp ráp đĩa trục ra với đĩa cycloid 75

Hình 5.4 Hộp giảm tốc cycloid sau khi lắp ghép các bộ phân chính 76

Hình 5.5 Lắp ráp hoàn chỉnh đông cơ điện và hộp giảm tốc để thử nghiệm 76

Trang

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ điện 32

Bảng 3.2 Tính hấp thụ nước và độ ẩm của nhựa MC Nylon 34

Bảng 3.3 Độ hút ẩm và sự biến dạng của kích thước 34

Bảng 3.4 Thành phần hóa học của các dòng inox theo tiêu chuẩn UNS 35

Bảng 3.5 Mô tả kết cấu của hộp giảm tốc cycloid 38

Bảng 3.6 Bảng tra hệ số KL 40

Bảng 3.7 Bảng tra hệ số 44

Bảng 3.8 Thông số ổ bi NSK SS6006-ZZ 47

Bảng 3.9 Thông số ổ bi NSK SS 6302-ZZ 48

Bảng 3.10 Thông số hộp giảm tốc cycloid 49

Bảng 3.11 Các giá trị của Fr 54

Bảng 3.12 Các giá trị của Fp 55

Bảng 3.13 So sánh các giá trị về độ bền của đĩa Cycloid 58

Bảng 5.1 Giá vật tư hộp giảm tốc cycloid 77

σ : Giới hạn bền nén (MPa) của mặt răng

A : Khoảng cách lệch tâm (độ lệch tâm)

b : Bề rộng đĩa cycloid

Cd : Khả năng tải động của ổ lăn

C0 : Khả năng tải tĩnh của ổ lăn

dt : Đường kính trong bạc lệch tâm

db : Đường kính ngoài bạc lệch tâm

d1 : Đường kính trục vào

d2 : Đường kính trục ra

E l : Kí hiệu lấy phần nguyên của phép chia

E1, E2 : Mô đun đàn hồi vật liệu

k

Fr

: Các phản lực từ con lăn tác dụng lên đĩa cycloid

Fpk : Các phản lực từ chốt đầu ra tác dụng lên đĩa cycloid

KL : Hệ số phục vụ

KH : Hệ số tải trọng

KHβ : Hệ số phân bố không đều lên chiều rộng vành răng

KHV : Hệ số tải trọng động

k

: Hệ số góc tiếp xúc

z

k : Hệ số số răng đĩa cycloid

Ni : Điểm đặt các lực Fr1, Fr2,…,Frn tác dụng khi ăn khớp

Pr : Lực vòng do các con lăn tác dụng lên đĩa cycloid

Pp : Lực vòng do các chốt đầu ra tác dụng lên đĩa cycloid

R1, R2 : Vòng tròn bán kính R1, R2

Rt : Bán kính vòng tròn qua tâm các chốt trên trục ra

Rtb : Trung bình cộng của tất cả các khoảng cách từ tâm O đến các điểm Ni là điểm đặt các lực Fr1, Fr2,…,Frn

rp : Bán kính con lăn chốt đầu ra

T1 : Momen xoắn trục vào

T2 : Momen xoắn trục ra

Chủ đề nghiên cứu của luận văn là Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng Cycloid bằng vật liệu kết hợp làm việc trong môi trường ăn mòn được ứng dụng chủ yếu trong nghành nuôi trồng thủy sản

Với mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng phương pháp thiết kế bộ truyền bánh răng Cylcoid làm bằng vật liệu kết hợp giữa kim loại và phi kim có khả năng mang tải lớn, làm việc êm chịu được môi trường ăn mòn, đặc biệt làm mát và bôi trơn bằng nước được ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí thủy sản như hộp giảm tốc cho guồng sục khí của ao nuôi sao cho giá thành thấp, chi phí bảo dưỡng, sửa chữa thấp, đặc biệt

có độ bền trong môi trường ăn mòn

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nhằm mục đích kế thừa các lý thuyết và kinh nghiệm của các nghiên cứu trước bằng cách phân tích, tổng hợp và so sánh

Phương pháp phi thực nghiệm: Khảo sát, tính toán thiết kế dựa vào mô hình hình học, toán học và cơ học

Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm ảo bằng mô phỏng nhờ sự trợ giúp của máy tính và thực nghiệm, khảo nghiệm trên sản phẩm thật sau khi chế tạo để đánh giá kết quả

Kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận văn là xây dựng được phương pháp tính toán thiết bộ truyền bánh răng Cycloid làm từ vật liệu kết hợp kim loại và nhựa trong đó đĩa Cycloid được làm từ nhựa MC Nylon, kiểm tra đánh giá độ bền của đĩa Cycloid bằng phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn để so sánh, đánh giá và gia công và lắp đặt một bộ truyền bánh răng cycloid với đĩa Cycloid được làm

từ MC Nylon và các bộ phận khác được làm Inox 304 với công suất động cơ 1,5HP đã đưa vào thử nghiệm tại ao nuôi và hoạt động tương đối ổn định Tuy nhiên cần phải nghiên cứu thêm loại bộ truyền này ở các tỷ số truyền khác nhau và công suất khác nhau để đáp ứng được nhu cầu hiện nay

Từ khóa: Bộ truyền bánh răng Cycloid, Đĩa Cycloid bằng nhựa MC Nylon,

MỞ ĐẦU

Bộ truyền bánh răng cycloid có nhiều đặc điểm nổi trội như làm việc êm, tỉ số truyền cao, khả năng mang tải lớn cần phải được nghiên cứu thêm về mặt lý thuyết thiết kế, công nghệ chế tạo để phát huy các ưu điểm của nó, từ đó có thể làm giảm giá thành chế tạo của thiết bị và nâng cao độ bền của nó là một nghiên cứu có ý nghĩa Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nhiều loại vật liệu mới, đặc biệt các loại nhựa (vật liệu polymer) có độ bền cao, giá thành thấp được ứng dụng ngày càng nhiều trong các thiết bị cơ khí nên việc nghiên cứu ứng dụng kết hợp các vật liệu polymer và kim loại có khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước hoặc ẩm ướt, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí thủy sản góp phần tiết kiệm vật liệu kim loại truyền thống, làm giảm khối lượng và tăng tuổi thọ của thiết bị Ngoài ra, việc thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kết hợp, có thể bôi trơn bằng nước là một ý tưởng nghiên cứu mới có tính khả thi phù hợp với năng lực nghiên cứu Đề tài

có tính mới cả về mặt khoa học và thực tiễn cần được tiến hành nghiên cứu

Ngoài ra do đặc điểm trong nuôi trồng thủy sản ở các hồ, đìa thì một hệ thống không thể thiếu đó là hệ thống quạt nước nhằm tạo Oxy cho các sinh vật nuôi Hiện nay người dân thường sử dụng các hộp giảm tốc thông thường làm bằng các vật liệu bị

ăn mòn nhanh trong môi trường nước mặn như thép, gang… nên tuổi thọ ngắn, bảo dưỡng khó khăn, làm tăng chi phí cho việc nuôi trồng

Với các đặc điểm như đã nêu trên, cùng với sự tư vấn, hướng dẫn của thầy

PGS.TS Đặng Xuân Phương em đã chọn luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng Cycloid bằng vật liệu kết hợp làm việc trong môi trường ăn mòn”

Nội dung thực hiện bao gồm:

 Chương 1: Tổng quan về bộ truyền bánh răng cycloid

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ truyền Cycloid

 Chương 3: Thiết kế bộ truyền bánh răng Cycloid

 Chương 4: Quy trình công nghệ chế tạo biên dạng đĩa cycloid

 Chương 5: Kết quả gia công, lắp ráp thử nghiệm

 Kết luận và đề xuất ý kiến

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Đặng Xuân Phương, trong suốt khoảng thời gian 9 tháng tôi đã hoàn thành luận văn, bước đầu đã đi vào thực tiễn Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên luận văn vẫn không thể tránh được những thiếu sót

Vì vậy, tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG

Đến những năm 80 với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hướng thay dần

ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ bổ sung các con lăn trên các chốt và sự trợ giúp của máy tính thì các nghiên cứu về biên dạng cycloid mới thực sự hoàn thiện và một loạt các hộp giảm tốc được ra đời và được áp dụng ngày càng nhiều trong thực tiễn

Hình 1.1 Động cơ - hộp giảm tốc Cycloid trên thị trường [11]

1.1.2 Ứng dụng của bộ truyền bánh răng Cycloid

Bộ truyền với ăn khớp cycloid có ý nghĩa lớn 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 (hình 1.1) Các động cơ-hộp giảm tốc này

có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, trong các bộ truyền của các cân định lượng sử dụng biến tần, 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 Vùng công suất truyền hợp lý nhất của 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 đồng 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

Cuộc khảo sát được tiến hành ở Viện thiết kế Quốc gia Leningrad chỉ ra rằng kích thước bao của hộp giảm tốc cycloid nhỏ hơn từ 1,5 đến 2 lần kích thước bao của hộp giảm tốc bánh răng trụ có cùng công suất và tỉ số truyền Trọng lượng giảm từ 3 đến 4 lần

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 của hệ dẫn động nhờ làm tăng hệ số công suất (tăng hệ số cosϕ) và giảm đáng kể giá thành của 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 cosϕ mà còn có khối lượng nhỏ (một động cơ điện 7kW quay 3000 vòng/phút có trọng lượng bằng 1/2 động cơ điện quay 750 vòng/phút) Cũng cần nhớ rằng điều kiện tăng tốc của động cơ không đồng bộ chạy nhanh tốt hơn

so với chạy chậm Hiện nay, với dạng cải tiến mới, thay ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ các con lăn, đồng thời 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 công ty ở các nước trên thế

giới đã tiến hành sản xuất hàng loạt các loại động cơ-hộp giảm tốc loại này

Hãng Hap Dong [12]của Hàn Quốc có hộp giảm tốc kiểu nằm và đứng (hình 1.2) với:

- Tỉ số truyền từ 11 đến 7569

- Công suất từ 0,2 đến 30 kW

Hình 1.2 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Hap

- Mômen xoắn tới hạn đạt tới 60700Nm

Hình 1.3 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng

Sumitomo [13]

Hãng Centa [14] của Anh cũng sản xuất hộp giảm tốc cycloid với nhiều chủng loại khác nhau (hình 1.4) :

Hình 1.4 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Centa

[14]

- Cycloid al drivers với mômen xoắn từ 20 đến 60000Nm; tỉ số truyền 6 đến 119 với hộp một cấp, đến 10000 với hai cấp, đến 100000 với ba cấp; hiệu suất 94%; quá tải 500%

- Planet grears với mômen xoắn từ 430 đến 550000Nm; tỉ số truyền từ 32 đến hơn 10000

- Robus series với kích thước ngoài khá bé từ 110 đến 330mm; khe hở nhỏ; mômen xoắn 111 đến 5450Nm chịu quá tải tới 24000Nm; tỉ số truyền từ 29 đến

179

- Servo series kích thước nhỏ gọn <85mm; mômen xoắn từ 16 đến 500Nm; tỉ số truyền từ 11 đến 87

- ServoGrears tỉ số truyền từ 3 đến 1000

- Spiral Bevel Grears ở dạng tiêu chuẩn có 6 mặt (6 đầu vào-ra); mômen xoắn từ

8 đến 8400Nm; tỉ số truyền chuẩn từ 1 đến 6, còn không phải dạng chuẩn tỉ số truyền lên tới 300

- ZezoGrears với sự cân bằng mômen động và độ chính xác chế tạo cao đã tạo ra một chủng loại hộp giảm tốc có thể chịu được tốc độ cao, với độ cứng xoắn cao nên làm việc được với mômen và sự quá tải lớn Khe hở đối với

hộp giảm tốc này là không tồn tại trong suốt thời gian sử dụng và có một ngoại lệ là hộp có thể làm việc với tải trọng động lên tới 24000Nm; Mômen xoắn tiêu chuẩn từ

111 đến 5450Nm; tỉ số truyền từ 87 đến 10000

1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng bộ truyền Cycloid hiện nay ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, Viện nghiên cứu cơ khí hợp tác với Trung tâm tự động hoá-Trường Đại học Bách Khoa thực hiện đề tài KC-05-15 Trong đề tài đó đã thực hiện chế tạo thành công đĩa cycloid với phương pháp cắt bao hình bằng dao phay lăn Tuy nhiên phương pháp đó không linh hoạt đối với các profin và sai số khá nhiều do gặp sự sai lệch ngay từ khi thiết kế dao Sau đó Trung tâm tự động hoá-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện chế tạo thành công đĩa cycloid bằng máy cắt dây CNC (hình 1.5 và 1.6) và chuyển giao công nghệ cho Nhà máy Cơ khí Mai Động sản xuất hàng loạt (hình 1.7) Tuy nhiên chưa tiến hành nghiên cứu tính toán độ bền đối với các bộ truyền này

Hình 1.5 Các đĩa cycloid do Trung tâm tự động hoá-ĐH Bách Khoa HN

chế tạo[2]

a) Trung tâm tự động hóa Đại học Bách Khoa

Hà Nội chế tạo

b) Nhà máy cơ khí Mai Động sản xuất

Hình 1.6 Hộp giảm tốc bánh răng con lăn [2]

Ngoài hướng nghiên cứu chế tạo ra sản phẩm cụ thể ra, một số công trình nghiên cứu lý thuyết dưới dạng đề tài thạc sĩ hoặc một số bài báo công bố trong nước Năm 2005, Vũ Lê Huy nghiên cứu tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn biên dạng cycloid dựa trên ngôn ngữ Visual C++ Kết quả có thể xuất ra Excel và AutoCAD Trần Xuân Tùy và Bùi Mạnh Tuấn (2010) ứng dụng công nghệ CAD-CAM-CAE để thiết kế và chế tạo bộ truyền bánh răng cycloid Dương Văn Ninh Toàn (2011) nghiên cứu tính toán độ bền và công nghệ gia công bộ truyền bánh răng cycloid dùng trong bơm root [2] Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết mà mô phỏng, không có gia công và thử nghiệm trên thực tế nên không đánh giá hết được tính khả dụng trong các nghiên cứu này

Cho đến nay, chưa có ý tưởng về việc thiết kế và chế tạo bộ truyền bằng cách kết hợp các loại vật liệu khác nhau, có thể làm việc trong môi trường ăn mòn, sử dụng phương án làm mát và bôi trơn bằng nước, làm việc tốt trong môi trường và điều kiện của ngành thủy sản

1.4 Cấu tạo và nguyên lí làm việc

1.4.1 Cấu tạo

Về cấu tạo của HGT bánh răng con lăn thông thường có các thành phần chính như sau:

- Trục đầu vào cùng với bạc lệch tâm và ổ bi

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

- Bánh răng Cycloid hay đĩa cycloid

- Trục đầu ra có các chốt đầu ra

Hình 1.7 Các nhóm chính trong bộ truyền cycloid[5]

Hình 1.8 Khai triển của một hộp giảm tốc bánh răng con lăn [13] 1.4.2 Nguyên lí làm việc

Khi trục đầu vào quay làm bạc lệch tâm gắn trên nó quay theo Bánh răng cycloid

do lắp trên bạc cũng có xu hướng quay theo nhưng do bánh răng ăn khớp với các con lăn răng chốt trên vành răng chốt nên bánh răng chỉ lăn hành tinh bên trong vành răng chốt đồng thời nó cũng tự quay quanh tâm của nó với tốc độ chậm và theo chiều ngược lại Do số răng cycloid ít hơn số răng chốt một răng nên sau mỗi vòng quay của trục vào thì bánh răng cycloid mới quay quanh tâm của nó một bước răng Như vậy, tỉ số

truyền đạt được bằng chính số răng của bánh răng cycloid Vận tốc của bánh răng cycloid được truyền ra trục ra thông qua các chốt đầu ra

Trên hình 1.9, mô tả nguyên lý làm việc của một bộ truyền bánh răng con lăn Ban đầu đường thẳng nối tâm trục vào và tâm của bạc lệch tâm tạo với phương ngang một góc là 00

(gọi tắt là trục vào ở 00) (hình 1.9.a) thì trục ra cũng ở góc 00

Khi trục vào quay được một góc 900 theo ngược chiều kim đồng hồ (hình 1.9.b) thì bánh răng cycloid quay được một góc 900/u theo chiều kim đồng hồ quanh tâm của nó, đồng thời kéo trục ra quay theo cũng được một góc 900

/u Với u là tỉ số truyền của bộ truyền được xác định theo công thức:

ra quay được một góc 2700

/u

Hình 1.9 Nguyên lí làm việc của bộ truyền cycloid [4]

1.5 Ứng dụng hộp giảm tốc cycloid trong nuôi trồng thủy sản

1.5.1 Yêu cầu đảo nước sục khí (quạt nước) trong nuôi trồng thủy sản

Trong quy trình nuôi trồng thủy sản để đảm bảo năng suất cao, chất lượng tốt, người ta thường thả tôm, ốc hương với mật độ dày nhằm tiết kiệm thức ăn, các chi phí

xử lý nước….Vì vậy khi nuôi với mật độ cao bắt buộc phải sử dụng quạt nước bởi vì

nó đem lại những lợi ích vô cùng to lớn:

 Cung cấp nguồn Oxy cho tôm, ốc hương

 Khuấy đảo nước, đảm bảo cân bằng nhiệt độ, độ mặn và ôxy ở lớp nước mặt và lớp nước dưới; tránh hình thành điều kiện yếm khí gây tích tụ khí độc ở tầng đáy, cũng như sự chênh lệch nhiệt độ và độ muối có thể làm tôm sốc Điều này rất quan trọng ở những nơi nóng và nhiều mưa

 Giữ thức ăn thừa lơ lửng trong tầng nước, tiếp xúc nhiều hơn với ôxy, tạo điều kiện cho các vi khuẩn dị dưỡng phát triển Các vi khuẩn này tiêu thụ amôniac

và cácbohydrat từ thức ăn thừa Kết quả là nước được làm sạch

 Đẩy một phần các khí có hại như N2, CH4, NH3, H2S ra khỏi nước vào không khí

 Giúp hóa chất và vi sinh dùng để xử lý nước phân tán đều trong ao

 Bố trí quạt nước hợp lý còn có tác dụng tạo dòng xoáy, gom chất thải và thức

ăn thừa vào giữa ao để dễ dàng làm sạch

 Kích thích tôm bắt mồi do tập tính ưa dòng chảy của tôm

Như vậy, quạt nước là yếu tố quan trọng đảm bảo chất lượng môi trường nước

và đáy cho ao nuôi, gián tiếp quyết định năng suất cho vụ nuôi

Việc đầu tư máy quạt nước đã mất đi một phần kinh phí không nhỏ cho việc mua máy, sữa chữa, bảo dưỡng máy và điện, nhiên liệu để chạy máy

1.5.2 Các loại máy quạt nước trên thị trường

Hiện nay có 3 loại máy quạt nước: loại 2 cánh hoặc 6 cánh (hình 1.10), và dạng cánh tay dài chạy bằng động cơ diesel (hình 1.11) Kết cấu bao gồm một trục được nối với trục mô tơ điện hoặc động cơ, trên trục có lắp 10 - 15 cánh quạt, cánh quạt có thể

là cánh nhựa hoặc cánh lông nhím Hộp giảm tốc của những loại quạt nước hiện có trên thị trường, thường là kiểu bánh vít trục vít hoặc bánh răng trụ răng nghiêng được

làm bằng gang Khi làm việc trong môi trường ăn mòn sau một thời gian bị rỉ sét và gãy Vì thế, hoạt động thay thế sửa chữa hộp giảm tốc đã tiêu tốn một phần chi phí không nhỏ của người nuôi

trồng Để giảm thiểu chi phí cho người nuôi và doanh nghiệp nên cần thay thế hộp giảm tốc truyền thống bằng hộp giảm tốc mới mà vẫn đáp ứng được những yêu cầu về

tỉ số truyền cao, kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ lâu dài, đồng thời hạn chế thấp nhất ảnh hưởng đến môi trường nuôi Dựa trên tiêu chí đó thì hộp giảm tốc cycloid là lựa chọn hợp lí Hộp giảm tốc cycloid cho phép sử dụng với tỷ số truyền lớn, mỗi cấp từ 8 đến 65 Kích thước nhỏ gọn, có thể sử dụng động cơ điện quay nhanh để giảm giá thành Các bộ phận hộp giảm tốc được làm bằng vật liệu chống ăn mòn và bôi trơn, làm mát bằng nước để tăng tuổi thọ Do đó, đề tài tập trung nghiên cứu bộ truyền cycloid làm bằng vật liệu chống ăn mòn, làm mát bằng nước ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản mà điển hình là nuôi tôm

1.6 Mục tiêu nghiên cứu:

Xây dựng phương pháp thiết kế bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kết hợp (kim loại, phi kim) và có tỉ số truyền lớn, khả năng mang tải tương đối, làm việc

êm và chịu được môi trường ăn mòn trong lĩnh vực cơ khí thủy sản (ví dụ làm hộp giảm tốc cho guồng đảo nước sục khí, các bộ giảm tốc trong băng chuyền chế biến thủy sản) sao cho tiết kiệm nhất và đặc biệt là có thể sử dụng phương pháp làm mát và bôi trơn bằng nước

Nghiên cứu phương pháp chế tạo bộ truyền phù hợp với từng loại vật liệu khác nhau sử dụng công nghệ CAD/CAM/CAE và máy CNC để đảm bảo độ chính xác hình học, chất lượng bề mặt gia công chế tạo để từ đó nâng cao được hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị

1.7 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu quy trình tính toán, thiết kế, chế tạo bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kết hợp như polymer, composite, và thép không gỉ; công suất nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 HP, tỉ số truyền nhỏ hoặc bằng hơn 30; sử dụng công nghệ CAD-CAM-CAE và máy CNC để thiết kế và chế tạo phù hợp với điều kiện chế tạo trong nước

1.8 Phương pháp nghiên cứu

1.8.1 Cách tiếp cận

Phân tích, so sánh, tổng hợp và kế thừa các nghiên cứu về bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kim loại để xây dựng phương pháp thiết kế bộ truyền này khi

sử dụng kết hợp một số vật liệu phi kim loại và composite để tăng cường tính chống

ăn mòn, cải thiện hệ số ma sát và làm việc êm

Sử dụng mô phỏng ảo và công nghệ CAD-CAM-CAE để khắc phục khó khăn

về việc xây dựng, tính toán mô phỏng và gia công biên dạng phức tạp của đĩa răng cycloid; tạo thuận lợi và sự linh hoạt cho việc thiết kế, chuẩn bị chế tạo và gia công bằng máy CNC

Tiếp cận thực nghiệm cũng được sử dụng để thử nghiệm và ra quyết định trong thiết kế và đánh giá sản phẩm nghiên cứu

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nhằm mục đích kế thừa các lý thuyết và kinh nghiệm của các nghiên cứu trước bằng cách phân tích, tổng hợp và so sánh

- Phương pháp phi thực nghiệm: Khảo sát, tính toán thiết kế dựa vào mô hình hình học, toán học và cơ học

- Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm ảo bằng mô phỏng nhờ sự trợ giúp của máy tính và thực nghiệm, khảo nghiệm trên sản phẩm thật sau khi chế tạo để đánh giá kết quả

1.8.3 Nội dung của nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu tổng quan về bộ truyền động cycloid

Xây dựng phương pháp tổng thể thiết kế bộ truyền bánh răng cycloid bằng vật liệu kết hợp (kim loại và phi kim) chống chịu được môi trường ăn mòn (nước mặn)

Xây dựng phương trình biên dạng của bánh răng cycloid trong đó có ứng dụng công nghệ tin học và kỹ thuật thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD)

Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng và kiểm tra bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn (ứng dụng công nghệ CAE)

Lập quy trình công nghệ gia công bộ truyền trong đó có ứng dụng công nghệ CAM để đảm bảo được độ chính xác của biên dạng phức tạp và tính linh hoạt trong công nghệ

Gia công chế tạo, lắp ráp bộ truyền với công suất 1,5 HP, chạy khảo nghiệm sản phẩm (là một hộp giảm tốc dùng cho máy đảo nước sục khí trong nuôi trồng thủy sản, sử dụng động cơ chìm kín nước do công ty Đăng Phong chế tạo hàng loạt) và đánh giá kết quả thiết kế lẫn chế tạo

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN CYCLOID 2.1 Xây dựng biên dạng đĩa cycloid

2.1.1 Khái niệm

Biên dạng Cycloid là quỹ tích của một điểm cố định trên một đường tròn khi đường tròn này lăn không trượt trên một đường thẳng hoặc đường tròn cố định khác Khi lăn không trượt vòng tròn bán kính r2 trên vòng tròn bán kính r1 (hình 2.1) thì một điểm B nào đó cố định trên vòng tròn bán kính r2 sẽ vẽ nên đường EpiCycloid B0B1 có phương trình ở dạng tham số:

2 2

2 2

cos cossin sin

2 2

2 2

cos cossin sin

Hình 2.2 Sự tạo thành đường EpiCycloid kéo dài

Nếu thay điểm D bằng con lăn có bán kính rcthì khi 2 vòng tròn bán kính r1 và 2

r lăn không trượt trên nhau, con lăn bán kính rcsẽ tạo ra các đường bao cách đều đường EpiCycloid kéo dài D' D'0 1 (hình 2.3) Đó là biên dạng ăn khớp với con lăn răng chốt

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

D

c D D

r : Bán kính con lăn răng chốt

Hình 2.3 Sự tạo thành biên dạng ăn khớp EpiCycloid với con lăn răng chốt 2.1.2 Thiết lập biên dạng đĩa cycloid

2.1.2.1 Phương trình đường EpiCycloid kéo dài

Các vòng tròn bán kính r1 và r2 (hình 2.4) là các vòng tròn lăn (vòng tròn tâm tích) và cần thỏa mãn điều kiện:

r =A.z ; r2   r1 A (2.5) 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 đường tròn bán kính r2 Điểm D nằm cố định trên đường tròn bán kính R2, vòng tròn R2 luôn đồng tâm với vòng tròn r2 và không chuyển động tương đối so với nhau.Khi góc tạo bởi đường 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 đường nối tâm O2O1 tạo với phương x một góc thì điểm B trùng với B1 có tọa độ (xB,

yB), điểm D trùng với D1 có tọa độ (xD, xD) Có chiều dài cung tròn mà r2 đã lăn trên r1là:

1

.

D D

Ta có:

1 2

2

1 2

2 2

Đây chính là phương trình (2.2) đã giới thiệu ở trên

Tiếp tục đổi biến, đặt:

Ví dụ với A = 6 mm, R2 = 100 mm, z1 = 10, biến thiên từ 0 đến 2 thế vào công thức (2.13) sẽ thu được đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ như hình 2.5

Hình 2.5 Đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ

2.1.2.2 Phương trình đường 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 τ biến thiên từ 0 đến 2π, quỹ đạo điểm D sẽ cho được đường EpiCycloid kéo dài D0D1D2, khi đó đường bao họ các vòng tròn rc sẽ tạo ra các đường bao cách đều, với đường bao phía trong là N0N1N2 (hình 2.6) Các điểm N0, N1,

và N2 được sinh ra tương ứng từ D0, D1 và D2

Hình 2.6 Xây dựng biên dạng đĩa cycloid

Gọi N có tọa độ (x, y) là một điểm trên đường bao cách đều tương ứng với vị trí của điểm D có tọa độ x , yD D trên đường EpiCycloid kéo dài, luôn có DN=rc do vậy

D

dy r dx

dy dx

Lấy đạo hàm (2.13) theo υ có:

' ' 2 ' 2 ' ' 2 ' 2

c D D

c D D

Dạng của (2.22) tương ứng với (2.3)

Từ (2.13), (2.20) và (2.22), khi cho υ biến thiên từ 0 đến 2π thì x , yD D sẽ vẽ lên đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ, còn (x,y) sẽ vẽ lên đường bao họ vòng tròn bán kính rc Ví dụ với A = 6 mm, R2= 100mm, z1 = 10 và rc = 10mm, cho υ biến thiên

từ 0 đến 2π sẽ thu được đường EpiCycloid kéo dài đầy đủ và đường bao trong của họ vòng tròn bán kính rc như trên hình 2.5 và 2.6 [3]

Như vậy phương trình đường biên dạng đĩa Cycloid cần dựng:

' ' 2 ' 2 ' ' 2 ' 2

c D D

c D D

Loại truyền động bánh răng này có đặc điểm là chỗ tiếp xúc với nhau đều nằm ngoài vùng tâm quay tức thời

Theo lý thuyết ăn khớp thì nếu điểm tiếp xúc nằm càng xa tâm tức thời thì vận tốc trượt giữa hai mặt răng càng lớn, do vậy hiệu suất càng thấp và càng chóng mòn Tuy thuộc loại ăn khớp ngoài tâm tích nhưng ở truyền động bánh răng con lăn vận tốc trượt lại rất thấp bởi vì vận tốc góc tương đối ω12 giữa đĩa Cycloid và các con lăn rất thấp:

ω

ω =

z với z2 là số con lăn

Một đặc điểm nữa của truyền động ăn khớp Cycloid nói trên, về nguyên lý, tất cả các con lăn đều đồng thời tiếp xúc với mặt răng tương ứng, 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 đồng thời tiếp xúc với đĩa cycloid nên bộ truyền bánh răng con lăn làm việc êm khi đảo chiều

2.2 Cơ sở tính toán thiết kế bộ truyền cycloid

Để tính toán bộ truyền cycloid ta phải xác định được các lực tác dụng trên bánh

răng cycloid

Khi bộ truyền cycloid làm việc sẽ truyền một momen xoắn T1 từ động cơ qua trục vào cho ra momen xoắn trục ra T2 Với đặc điểm đĩa cycloid lắp lệch tâm so với tâm trục nên trục vào sẽ tác động lên đĩa cycloid một lực 1

t

T

F = z.A, với z là số đĩa cycloid, A là độ lệch tâm

Hình 2.8 Lực tác dụng trong bộ truyền cycloid

Đĩa cycloid chuyển động quanh tâm trục và quay quanh tâm của bản thân nó Khi đĩa cycloid hoạt động có tối đa một nửa số con lăn chịu lực tác dụng Với số răng của đĩa cycloid là z1, số con lăn là z2=z1+1 thì tối đa có n con lăn chịu lực

Trong đó: E là kí hiệu lấy phần nguyên của phép chia

Gọi Frk (với k = 1…n) là các phản lực từ con lăn tác dụng lên đĩa cycloid (hình 2.9)

k

k r n

2 i i=1

Với βilà góc tạo bởi phương của lực Fri với đường nối tâm trục và tâm đĩa cycloid

Gọi số chốt đầu ra là z3 thì tối đa có m chốt đầu ra chịu lực tác dụng:

Trong đó: E là ký hiệu lấy phần nguyên của phép chia

Gọi Fpk (với k=1…m) là các phản lực từ chốt đầu ra tác dụng lên đĩa cycloid (hình 2.9)

k

2 i i=1

Hình 2.9 Xác định các góc αi và γiTheo các công thức trên, tính toán đối với bộ truyền bánh răng con lăn có các

thông số hình học (hình 2.10):

- Độ lệch tâm của đĩa cycloid : A = 4.5 mm

- Bán kính vòng tròn qua tâm các con lăn răng chốt : R2 = 145 mm

- Bán kính con lăn răng chốt : rc = 20 mm

- Bán kính vòng tròn qua tâm các chốt đầu ra : Rt = 82.5 mm

- Bán kính con lăn chốt đầu ra : rp = 13 mm

Hình 2.10 Mô tả kích thước hình dáng của bộ truyền cycloid được lấy làm ví dụ

xác định giá trị các lực

Với các thông số động lực học :

Công suất cần truyền : P1 = 5 kW

Số vòng quay trên trục vào : n1 = 2900 Vòng/phút

Tỉ số truyền : u = z1 = 15

Hiệu suất bộ truyền : η = 0,8

Thu được phân bố và biểu đồ giá trị các lực tác dụng như trên các hình 2.11, 2.12 và 2.13 Với lực tác dụng từ bạc lệch tâm lên ổ lăn lắp đĩa cycloid: Ft = 3659N

Khi đường nối tâm trục với tâm bánh răng so với phương nằm ngang một góc υ = 0o

có: