Xây dựng cơ sở tính toán và phần mềm tự động hoá thiết kế truyền động vít me ma sát lăn

thời điểm có thể chế tạo loại chi tiết này, vấn đề đặt ra là phải xây dựng một cơ sở lý thuyết cùng các chỉ tiêu đánh giá và phương pháp tính toán thiết kế về truyền động vít me ma sát l

-

NGUYỄN VĂN THUẬT

XÂY D ỰNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG HÓA THI ẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME MA SÁT LĂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: C Ơ HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội - 2009

-

NGUYỄN VĂN THUẬT

XÂY DỰNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME MA SÁT LĂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ VĂN UYỂN

Hà Nội - 2009

MỤC LỤC

Mục lục……… 1

Chương I: Tổng quan về truyền động vít me bi……….6

1.1 Giới thiệu chung……… 6

1.2 Trong luận văn này thực hiện nghiên cứu Truyền động vít me bi nhằm………9

Chương II: Cơ sở tính toán truyền động vít me ma sát lăn………10

2.1 Hình dạng bề mặt tiếp xúc………10

2.1.1 Hình dạng bề mặt tiếp xúc là hình thang……… 10

2.1.2 Hình dạng bề mặt tiếp xúc là elip……… 10

2.1.3 Hình dạng bề mặt tiếp xúc là hình tròn……….11

2.2 Xác định ứng xuất tác dụng trên bề mặt tiếp ……… 16

2.2.1 Xác định lực tác dụng lên con lăn ……….16

2.2.2 Xác định ứng suất trên bề mặt lăn……… 17

2.3 Xác định chu kỳ chịu tải của các điểm tiếp xúc bề mặt lăn …………25

Chương III: Phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vít me bi……….27

3.1 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán……… 27

3.2 Tính toán truyền động vít me bi………28

3.2.1 Tính theo khả năng tải động……… 28

3.2.2 Tính toán về độ ổn định……….30

3.3 Phương pháp tính chọn bộ truyền động vít me bi……….32

3.3.1 Dữ liệu ban đầu……… 32

3.3.2 Trình tự tính chọn theo khả năng tải động……….32

Chương IV: Thiết kế kết cấu……… 36

4.1 Các loại kết cấu của vít me bi………36

4.1.1 Kết cấu trục vít me……….36

4.1.2 Kết cấu đai ốc bi……….38

4.2 Thiết kế kết cấu đai ốc……… 40

4.2.1 Kết cấu của đai ốc bi có rãnh hồi bi làm chìm trong đai ốc… 41

4.2.2 Kết cấu của đai ốc bi có rãnh hồi bi bên ngoài đai ốc…………42

4.2.3 Lựa chọn kết cấu………44

Chương V: Lập trình tự động hóa tính toán và thiết kế kết cấu truyền động vít me bi đai ôc kép………46

5.1 Lưu đồ thuật toán chương trình……….46

5.2 Tổng quan về các bước xây dựng chương trình………48

5.2.1 Tạo cơ sở dữ liệu……… 48

5.2.2 Tạo project……….50

5.2.3 Tạo các form và đặt thuộc tính cho các form………50

5.2.4 Tạo các module……….50

5.2.5 Tạo kết nối Data Environment……… 51

5.2.6 Đặt các control lên form……….51

5.2.7 Tạo các Icon……… 51

5.2.8 Cài đặt chương trình……… 51

5.3 Sử dụng chương trình………55

Chương VI: Vật liệu, nhiệt luyện và công nghệ chế tạo……… 62

6.1 Vật liệu……… 62

6.2 Nhiệt luyện………63

6.3 Các phương pháp chế tạo……… 64

6.3.1 Phương pháp gia công cơ……… 65

6.3.2 Phương pháp gia công cán……… 66

Kêt luận………67

Tài liệu tham khảo……… 68

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khi nền khoa học công nghệ trên thế giới đang phát triển nhanh chóng, nhiều công trình khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực chế tạo máy được ra đời, nhiều máy móc mới được thiết kế thành công do vậy ngành cơ khí luôn đóng một vai trò quan trọng là ngành mũi nhọn thúc đẩy các ngành kinh tế kỹ thuật khác cùng phát triển Nhu cầu về sản xuất và tiêu dùng cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các loại máy móc tiên tiến đòi hỏi công nghệ cao ra đời đã mang lại năng suất và ưu việt hơn các loại máy trước đây Với sự đổi mới về cơ khí đó các chi tiết máy có độ chính xác, ổn định và ít hao phí sẽ đóng một vai trò rất quan trọng để cấu thành các sản phẩm hiện đại Vít me bi là một trong các chi tiết hội tụ nhiều các yêu cầu đó và là một sản phẩm tương đối mới trên thị trường Việt Nam trong những năm gần đây

Cho đến nay đã có nhiều quốc gia nghiên cứu và chế tạo thành công loại sản phẩm này như Mỹ, Đức, Nhật, Đài Loan… sản phẩm đã có tính thương mại ngày càng cao trong thị trường thế giới và đang phát triển trên thị trường Việt Nam Mặc dù giá thành của sản phẩm bán tại Việt Nam vẫn còn cao và điều quan trọng hơn là việc đặt hàng sản phẩm sao cho phù hợp

và nhanh chóng Mặt khác các hãng sản xuất chỉ cung cấp sản phẩm mà không cung cấp các tài liệu để nghiên cứu, tính toán và lựa chọn cùng việc chưa có tài liệu sử dụng cho khách hàng và ở nước ta cũng chưa có cơ sở sản xuất nào tiến hành nghiên cứu và chế tạo loại sản phẩm này Tuy nhiên do nhu cầu thị trường và khả năng gia công cơ khí của chúng ta cho thấy đây là

thời điểm có thể chế tạo loại chi tiết này, vấn đề đặt ra là phải xây dựng một

cơ sở lý thuyết cùng các chỉ tiêu đánh giá và phương pháp tính toán thiết kế

về truyền động vít me ma sát lăn làm cơ sở cho nghiên cứu tính toán thiết kế kết cấu, các quy trình công nghệ chế tạo để đạt được năng suất cao, độ chính xác và tuổi thọ theo yêu cầu

Được giao nhiệm vụ: “Xây dựng cơ sở tính toán và phần mềm tự động hóa thiết kế truyền động vít me ma sát lăn” làm cơ sở nghiên cứu

hoàn chỉnh về loại truyền động này

Để hoàn thành được bản luận văn này Em xin chân thành cám ơn PGS-TS Lê Văn Uyển đã tận tình giúp đỡ và cho em những ý kiến quý báu trong quá trình hoàn thành bản luận văn

Học viên thực hiện:

Nguyễn Văn Thuật

Chương I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME

1.1 Giới thiệu chung

Trước thế kỷ XX, các phương pháp sản xuất thay đổi rất chậm, sản xuất hàng loạt chỉ hình thành và phát triển sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất Cho đến những năm đầu 1930 các phát minh mới và nổi bật trong sản xuất bắt đầu tác động mạnh đến các quá trình sản xuất Từ đó, sự phát triển trở nên nhanh chóng đến mức nhiều phát minh và thành tựu mới làm chúng

ta chúng ta kinh ngạc, thậm trí sự phát triển này được coi là cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lẩn thứ 2

Nền sản xuất trước năm 1932 được thực hiện trên các máy công cụ tiêu chẩn, rất ít hoặc không tự động hóa, các máy tiện thường, máy khoan, máy bào, máy phay ngang là những công cụ phổ biến thời kỳ đó Hầu hết các công cụ đều được làm từ thép Carbon hoặc thép gió chất lượng chưa cao, chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn ngày nay dẫn tới năng suất thấp, chi phí sản xuất cao

Trong các máy cắt gọt (máy tiện, máy phay…) vạn năng hay chuyên dùng đã và đang sử dụng ở nước ta, các chuyển động của băng máy theo phương dọc ngang hầu hết được thực hiện nhờ truyền động Vít me đai ôc trượt

Ưu điểm của bộ truyền động vít me ma sát trượt:

- Thực hiên được tỉ số truyền lớn, dịch chuyển chính xác cao và đều

- Có thể định vị một cách tin cậy cụm máy dịch chuyển dọc theo đường hướng nằm ngang hoặc thẳng đứng với khả năng tự hãm cao

Nh ược điểm của truyền đông vít me đai ốc:

- Ma sát trên mặt ren lớn, làm tăng khả năng mài mòn do vậy giảm

hiệu suất và tuổi thọ của bộ truyền

- Nhiệt luyện trục vít tương đối khó khăn do trục vít me thường có chiều dài tương đối lớn so với đường kính trục

Máy và các bộ phận máy là các sản phẩm cơ khí được tạo thành từ cách liên kết các chi tiết máy bộ phận lại với Để thực hiện các chuyển động theo yêu cầu của bộ phận công tác trong đó có truyền động vít me bi là

ma sát trượt nên được sử dụng ngày càng nhiều, đặc biệt trong các máy CNC, Rôbốt điều khiển…

Hình 1 Bộ truyền động Vitme-bi

Vít me đai ốc bi thuộc nhóm cơ cấu biến chuyển động quay tròn thành chuyển động tịnh tiến va ngược lại do có các đặc điểm sau:

Ưu điểm của bộ truyền động vít me ma sát lăn:

- Điều hòa được các chuyển động nhỏ, không kẹt ở tốc độ thấp và tải trọng lớn do hạn chế được hiện tượng tích thoát ở mặt tiếp xúc

- Tổn thất ma sát nhỏ, lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ,

hệ số ma sát tĩnh rất nhỏ do đó đảm bảo được truyền động đều, hiệu suất truyền động của cơ cấu vít me đai ốc bi η=0,9÷0,95 (trong khi đó hiệu suất truyền động ở vít me đai ốc trượt η=0,2÷0,4 )

- Độ định vị chính xác cao, độ bền cao, độ mài mòn thấp

- Khả năng khử khe hở sinh ra khi mòn

Với các đặc điểm đó nên bộ truyền vít me bi thường được sử dụng làm cơ cấu chạy dao sau cùng trong truyền dẫn chạy dao của máy công cụ, đặc biệt là máy công cụ điều khiển kỹ thuật số, các cơ cấu di chuyển chính xác, cơ cấu định lượng và điều chỉnh

Ưu thế chính của bộ truyền vít me đai ốc bi là dạng ma sát lăn nên độ nhạy chuyển động với tín hiệu phát động cao, có khả năng thực hiện các dịch chuyển vi cấp độ chính xác đến 1 µm trên khâu chấp hành sau cùng, nên cơ cấu vít me đai ốc bi có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong Máy công cụ điều khiển số

Nhược điểm của bộ truyền động vít me ma sát lăn:

- Hiện nay các thiết bị như máy, dụng cụ cắt để chế tạo đai ốc bi là những thiết bị chuyên dùng, rất hiếm và đắt, chủ yếu được gia công trên các máy CNC nhiều trục với các loại dụng cụ chuyên dùng như dao phay cầu

- Công nghệ chế tạo đai ốc bi phức tạp do phải chế tạo rãnh hồi bi, mài bề mặt lăn của trục vít me và đai ốc là một công nghệ phức tạp đòi hỏi

và điều quan trọng hơn là phiền hà, phức tạp trong việc đặt hàng sản phẩm sao cho phù hợp với yêu cầu của người sử dụng đặc biệt ở nước ta

1.2 Nội dung nghiên cứu:

Do công nghệ chế tạo phức tạp, mặt khác các hãng sản xuất chỉ cung cấp sản phẩm mà không cung cấp các tài liệu để nghiên cứu, tính toán và lựa chọn cùng việc chưa có tài liệu sử dụng cho khách hàng và ở nước ta cũng chưa có cơ sở sản xuất nào tiến hành nghiên cứu và chế tạo loại sản phẩm này do vậy luận văn này thực hiện nghiên cứu Truyền động vít me bi nhằm:

- Cung cấp cho người sử dụng những thông tin cơ bản về vít me bi

và cơ sở lựa chọn hợp lý loại truyền động này

- Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế truyền động vít me ma sát lăn

- Làm cơ sở cho các nghiên cứu và phục vụ công tác đào tạo sinh viên các ngành kỹ thuật

Chương II CƠ SỞ TÍNH TOÁN TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME

MA SÁT L ĂN 2.1 HÌNH DẠNG BỀ MẶT TIẾP XÚC

Do con lăn có dạng hình cầu được lăn trong rãnh với tác dụng của tải trọng nên trong thực tế thường được sử dụng các dạng bề mặt tiếp xúc phổ biến giữa con lăn với rãnh lăn như sau:

2.1.1 Hình dạng bề mặt tiếp xúc là hình thang:

Hình 2.1: Rãnh lăn hình thang

Bề mặt tiếp xúc là hình thang

với con lăn hình tròn nó có thể tạo ra

được điểm tiếp xúc tại bốn điểm trên

con lăn và khi đó có thể khử được độ

dơ dọc trục Việc chế tạo bề mặt rãnh

lăn hình thang là rất khó khăn đặc biệt là trong việc chế tạo làm sao cho con lăn có thể tiếp xúc với rãnh lăn tại bốn điểm như yêu cầu

2.1.2 Hình dạng bề mặt tiếp xúc là

elip:

Hình 2.2: Rãnh lăn hình elíp

Với hình dạng rãnh lăn là elíp nó

tạo ra được vùng lăn trên con lăn và trên

rãnh lăn tương đối giống mặt phẳng nên

R r

ma sát tại đó sẽ được giảm đi Nhưng rất khó khăn trong việc chế tạo nó vì biên dạng rãnh tiếp xúc là elíp rất khó chế tạo và kiểm tra

- Đơn giản, dễ chế tạo và có thể đạt độ chính xác về hình dạng cao

+ Nhược điểm:

- Không tự khử được độ dơ dọc trục

- Xác định bán kính rãnh lăn hợp lí là một vấn đề phức tạp Trong thực tế thường dùng truyền động vít me bi với rãnh lăn dạng tròn bán kính R Tuy nhiên giá trị R lấy bao nhiêu là một vấn đề liên quan đến ma sát, mài mòn và tuổi thọ của truyền động vít me bi theo tài liệu [1] thì con lăn tiếp xúc với rãnh lăn theo một elíp cùng với bán trục lớn b và bán trục nhỏ a (hình 2.4) Kích thước của hình dạng mặt tiếp xúc này phụ thuộc vào các yếu tố như tải trọng, tỉ lệ giữa bán kính rãnh và đường kính bi, vật liệu chế tạo trục vít me bi và con lăn, độ rắn HB Vùng tiếp xúc hình elíp này được

R

r

chia thành hai vùng cơ bản đó là vùng lăn không trượt và vùng lăn có trượt (hình 2.5) Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nếu vòng lăn lớn thì ma sát và mài mòn bề mặt tiếp xúc nhỏ, có nghĩa là tuổi thọ về mòn của truyền động vít me bi tăng Ngược lại khi diện tích tiếp xúc nhỏ thì ứng suất bề mặt sẽ lớn, điều này làm bề mặt chóng hỏng do ứng suất bề mặt Theo các tài liệu [1] và [2] thì quan hệ giữa R và db được lấy trong khoảng sau:

R=(0.51-0.53) db

Trong đó: R: Bán kính rãnh lăn của trục vít và đai ốc

db: Đường kính con lăn

Ω

Theo tài liệu [1] ta có: )( 1 )

2 (

m

AR L

AB b S

1 ' 0

1

(

* 2

S,S’: Thông số chiều sâu rãnh tiếp xúc

T(y1) : Lực tiếp tuyến tại y1

a,b : 2 Bán trục của elip ứng với các trục x,y

A,B: Giá trị của hàm thuận nghịch với bán kính uốn cong của 2 biên

tương ứng x,y

) 1 1 ( 2 1

) 1 1 ( 2 1

x

y

R r B

R r A

1 1

µ: Hệ số ma sát

Hệ số γ = y0/b

Khảo sát phương trình (2.1) thu được đồ thị như hình 2.6

Hình 2.6: Biểu đồ

quan hệ giữa tải trọng

với thông số rãnh lăn

Qua đồ thị quan

hệ giữa tải trọng và thông số rãnh lăn, để có áp lực nhỏ tác dụng lên bề mặt tiếp xúc thì giá trị của γ từ 0.35 tới 0.7 tức là vị trí y từ (0.35÷0.7)b và tối ưu nhất khi γ=0.4, y=0.4*b

Theo tính toán trong tài liệu [1] ta có : ( )

a

c L

b

y R

B b

* ) 2

3 (

x

ε : Sức căng bề mặt trong khu vực đàn hồi theo x

c: Kích thước danh nghĩa ở khu vực biến dạng cục bộ

'

'i

i a a

c= −

0.4

0.8 1.0

X Ω Ω

X

γ

S 0.7 0.6 0.5 0.45 0.4 0.35

Khoảng giá trị của γ

c L b

y R

T T R

r

R r T

b

y L

c

a b

T

b

y L

c

a b R r R

r

b

y L

c

a b R

y L

x y

x y

m

1 )

* ( 1

* )

1

1

(

) 1 1 ( 2

1

) (

) (

* ) 1 1 ( 2

1 )

1

1

(

) (

2

1 1

1

) 1 1

(

) (

.

2

1

1 1 2

1 2 1 2

2

2 2 2 1

2

2 2 2 1

2

2 2 2 1

2

2 2 2

±

= +

−

±

= +

γ µ

γ µ

γ µ

1 1 1 2

1 1 1 2

)

1 )

* ( (

)

1 )

* ((

r T T R

y

y

⇒

1 1

1 2

1 1

1 2

)

2 )

* ( (

)

2 )

* ((

b y

d T

T R

d T

T R

(2.2)

Từ (2.2) với Ry= R bán kính rãnh lăn, qua chương trình tính toán quan hệ của R = f(db) có đồ thị sau:

Hìn h 2.7: Biểu đồ quan hệ bán kính rãnh lăn và đường kính bi

Qua đó có kết quả như sau:

Tỉ lệ giữa bán kính rãnh lăn và đường kính bi: R= (0.505÷0.611)db

Tại vị trí tối ưu nhất γ=0.4 tức là y=0.4*b ta có R = 0.518 db

2.2 XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT TÁC DỤNG TRÊN MẶT TIẾP XÚC 2.2.1 Xác định lực tác dụng lên con lăn

Giả thiết trục vitme quay, đai ốc tịnh tiến Gọi z là số lượng bi làm việc Tại vị trí tiếp xúc giữa viên bị thứ i và rãnh lăn có áp lực pháp tuyến

ni

F Fni được phân tích thành các thành phần (hình 2.8) :

ai ri ti

tg cos F

F

) ( tg F

F

) cos(

cos

cos F F

ai ri

ai ti

ai ni

γ + ϕ

α ϕ

=

γ + ϕ

=

γ + ϕ α

ϕ

=

(2.4)

Khi trục vitme làm việc với mômen xoắn T,

đai ốc chịu tải dọc trục Fa, có quan hệ :

( tg F 2

t ai

=

γ + ϕ

T 2 F

t

2.2.2 Xác định ứng suất trên bề mặt lăn

Do con lăn là bi cầu, rãnh lăn có tiết diện ôvan hoặc tam giác, do đó diện tiếp xúc ban đầu giữa con lăn với các rãnh răn là tiếp xúc điểm Khi đó

ta quan tâm tới ứng suất tiếp xúc σH giữa con lăn và rãnh lăn Đồng thời khi làm việc thì vị trí của các con lăn chuyển vị liên tục, do đó vị trí tiếp xúc thay đổi Như vậy ứng suất tiếp xúc suất hiện ở mỗi điểm trên con lăn và rãnh lăn là ứng suất thay đổi theo chu kỳ mạnh động gián đoạn Đây cũng

chính là nguyên nhân gây ra các dạng hỏng bề mặt của truyền động

vitme-bi: tróc rỗ bề mặt viên bị và các rãnh lăn

Ứng suất tiếp σH xúc xuất hiện giữa bi và rãnh lăn theo công thức Héc

với trường hợp hình cầu tiếp xúc với mặt cong

có :

3 2

2 n H

E F 388 , 0

ρ

=

Trong đó :

Fn: áp lực pháp tuyến tại bề mặt tiếp xúc

E : môđun đàn hồi tương tương

2 1

2 1 E E

E E 2

E

+

với E1, E2 là môđun đàn hồi của vật liệu làm trục vitme (hoặc đai ốc) và bi

Nếu vật liệu làm trục vitme (hoặc đai ốc) và bi đều là thép có:

E = E1 = E2 = 2,1.105 MPa

ρ : bán kính cong tương đương của hai bề mặt tiếp xúc

1 Xác định áp lực pháp tuyến tại bề mặt tiếp xúc F n

Để xác định ra ứng suất tiếp xúc lớn nhất xuất hiện khi làm việc, ta sẽ

xác định áp lực pháp tuyến lớn nhất giữa bi với rãnh lăn Fn

Theo [2] với đai ốc bi đơn (không có sự ghép căng) có phân bố tải

trọng theo chiều dài đai ốc như trên hình 2.9 Có quan hệ:

Hình 2.9 : Qui luật phân bố lực F a

cos sin d

p F q

t

ai

Theo [2] có quy luật phân bố trên hình 2.9 là đường cong bậc hai, do

đó giả thiết q(z) xác định theo phương trình:

q(z) = a.z2+b.z+c (2.16)

Thu được phương trình :

γ α π

+

−

=

cos sin d

p F z

H

(2.17) với :

2 pd 2

1 2

b pd v

k k

1 1

d k p

=

nv - số vòng ren làm việc, có :

2 pd 2

1 2

v

k k

1 1

1 z n

kpd - hệ số quan hệ giữa bước vít p và đường kính bi db, có :

=

cos sin d

p Lg

Gọi Kz là hệ số phân bố không đều tải trọng dọc trục lên các viên bi, có :

) sin d

z

z

γ +

Từ (2.3), (2.25) và (2.26) có được áp lực pháp tuyến lớn nhất tác dụng giữa

bi và rãnh lăn Fn chính là áp lực tác dụng lên viên bi thứ nhất có :

) cos(

cos

.

z

cos K F F

2 Xác định bán kính cong tương đương

a/ Tiếp xúc giữa bi và rãnh lăn trên trục vít

Theo [3] có bán kính cong tương đương của hai bề mặt cong tiếp xúc giữa bi và rãnh lăn trên trục vít:

22 12 21 11

1

1 1 1 1

1

ρ

+ ρ

+ ρ

− +

1 1

2 k

1

4

d

1 rb

b

b/ Tiếp xúc giữa bi và rãnh lăn trên đai ốc

22 12 21 11

2

1 1 1 1

1

ρ

+ ρ

− ρ

1 1

2 k

1

4

d

1 rb

+

−

=

sin k

1 1

2 k

1 4

K

1 rb

3 a z

2

b

1 H

) cos(

cos z

cos K F d

K E 388

,

0

ϕ + γ α

Hình 2.11 Đồ thị xác định quan hệ của n v theo F a

2.3 XÁC ĐỊNH CHU KỲ CHỊU TẢI CỦA CÁC ĐIỂM TIẾP XÚC BỀ MẶT LĂN

Tùy thuộc vào chế độ chịu tải mà chu kỳ chịu tải của bề mặt lăn được xác định:

- Khi chịu tải trọng tĩnh :

−

=

− +

1 1

sin k

1 1 k

n - số vòng quay của trục vít (vòng/phút)

t∑ - tổng số giờ làm việc của bộ truyền

- Khi chịu tải thay đổi theo bậc (Hình 2.11 ), chu kỳ chịu tải xác định như sau:

60 ' σ

σ

Chương III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME BI

- Tróc vì mỏi bề mặt làm việc : do chịu ứng suất tiếp xúc thay đổi, khi

số chu kỳ thay đổi ứng suất đạt tới trị số đủ lớn, trên bề mặt tiếp xúc (của bi hoặc rãnh lăn trên trục vít và đai ốc) sinh ra những vết nứt rồi phát triển thành tróc

- Mòn rãnh vít và bi : xảy ra nhiều khi bề mặt làm việc không được bôi trơn và không được giữ sạch

- Vỡ con lăn (là các viên bi) : xảy ra khi bị quá tải do va đập, chấn động

- Trục vitme bị mất ổn định : xảy ra đối với các trục vít dài, dẫn đến trục vitme bị uốn làm ảnh hưởng xấu tới sự tiếp xúc của bi với các rảnh lăn

- Biến dạng xoắn hoặc kéo/nén khi chịu tải lớn

Với các dạng hỏng như trên thì để bộ truyền động vitme-bi được thiết kế đảm bảo độ bền, ổn định và tuổi thọ cần tính toán về :

- Tính theo khả năng tải động : nhằm ngăn ngừa các dạng hỏng bề mặt như tróc và mòn

- Độ ổn định : đề phòng trục mất ổn định gây uốn trục vitme

- Theo khả năng tải tĩnh : đề phòng biến dạng của con lăn và rãnh lăn Các tính toán trong bài này được thực hiện với các điều kiện :

- Tính với rãnh lăn có tiết diện tròn

3.2.1 Tính theo khả năng tải động

Xuất phát từ phương trình đường cong mỏi:

const N

Nc : số chu kỳ thay đổi ứng suất cho đến khi xuất hiện vết tróc đầu tiên

m : số mũ, bậc của đường cong mỏi

Trong đó σH và Nc được xác định theo tài liệu [8]

Ứng suất tiếp xúc thay đổi có liên quan đến tải trọng tác dụng lên rãnh lăn và số chu kỳ thay đổi ứng suất, trên cơ sở đó thiết lập mối quan hệ giữa tải trọng tính bằng Niutơn và tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay hay chính là chu kỳ chịu tải Do:

- Ứng suất có quan hệ với tải trọng tác động [8]

- Tải trọng tác động lên trục vitme có thể tính theo mô men xoắn T không đổi hoặc thay đổi

- Số chu kỳ thay đổi ứng suất Nc có liên quan đến L (tuổi thọ tính bằng triệu chu kỳ chịu tải)

Vì vậy ta có thể biến đổi phương trình đường cong mỏi (3.1) về dạng tích số của tải trọng tương đương Q và tuổi thọ L với hằng số Cd như sau:

Qq.L = const (3.2) ⇔ 1 / q

d Q L

C = (3.3) Trong đó:

Cd : khả năng tải động tính toán của trục vitme (kN)

Q : tải trọng tương đương được tính theo lực dọc trục (kN)

L : tuổi thọ của trục vitme, tính bằng triệu chu kỳ chịu tải

q : bậc đường cong mỏi tính theo tải trọng tương đương, về lý thuyết thì tiếp xúc giữa bi và trục vitme là tiếp xúc điểm nên q = 3, có :

3 / 1

d Q L

C = (3.4)

Tải trọng tương đương Q được tính theo công thức :

Q = Fa.kF (3.5)

kF: hệ số tải trọng Theo [2], kFđược xác định :

kF = 1,0-1,2 với tải trọng không có sự va chạm

Lh : số giờ làm việc của trục vitme tính bằng giờ

n : số vòng quay của trục vitme (vòng/ phút)

Nếu tải trọng và số vòng quay làm việc của trục vitme là tải thay đổi theo bậc như trên hình 1.3, Fa và n được tính theo công thức sau:

2 2 3 1 1

100

t F 100

t

F = + + (3.7)

n 100

t n 100

F2 : lực dọc trục tồn tại trong thời gian t2 của chu kỳ

n1 : Vận tốc của trục vít me bi trong thời gian t1 của chu kỳ

n2: Vận tốc của trục vít me bi trong thời gian t2của chu kỳ

F F1 F2

được xác định bằng thí nghiệm với từng loại và từng kích thước của bộ truyền động Hiện nay, một số tài liệu của các hãng trên thế giới có cung cấp kèm giá trị Ca với các bảng tra kích thước và đặc tính các loại bộ truyền, do

đó Ca tạm thời được sử dụng theo các tài liệu này [5], [6], [7]

3.2.2 Tính toán về độ ổn định

Với các trục vitme tương đối dài và chịu nén cần tiến hành kiểm nghiệm

về uốn dọc nhằm đảm bảo điều kiện ổn định Euler [8] :

[ ]0 a

n3 n4n

t 1 t2 t3 t 4 t 100%

a/ Độ mềm của vít λ

i l

µ

λ = (3.11)

µ - hệ số phụ thuộc phương pháp cố định các đầu trục vitme như ở hình 2.4

l - chiều dài tính toán của trục vitme, được xác định như trên hình 3.2

i - bán kính quán tính của tiết diện trục vitme

4 d

1

d

d 6 , 0 4 , 0 64

( − λ)

π

= 0 , 25 d a b

Fth 12 (3.15) với a, b là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu làm trục vitme

- Khi λ ≤ 60 thì không cần kiểm nghiệm về độ ổn định

3.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT ME BI

Phương pháp tính chọn căn cứ vào khả năng tải động của truyền động vitme-bi nhằm lựa chọn được một bộ truyền đã được chế tạo sẵn đảm bảo được khả năng làm việc và yêu cầu đặt ra

3.3.1 Dữ liệu ban đầu

Các số liệu cần thiết thường dùng để tính chọn như sau :

Fa (N) hoặc T (Nmm), với Fa là lực dọc trục tác dụng lên đai ốc, T là mô men xoắn tác dụng lên trục vitme

l (mm) : chiều dài làm việc của bộ truyền động vitme-bi

v (m/s) hoặc n (vòng/phút), với v là vận tốc di chuyển của đai ốc, n là

số vòng quay của trục vitme

Lh(h) : thời hạn làm việc tính theo giờ

sơ đồ bố trí gối đỡ trục vitme, điều kiện làm việc,

Thường khi cho biết Fa thì sẽ kèm theo với v, còn khi cho T sẽ kèm theo với n

3.3.2 Trình tự tính chọn theo khả năng tải động

Bước 1: Chọn vật liệu => độ rắn HB, hệ số an toàn khi tính về tiếp xúc

SH, σch, σHlim0 Chọn giới hạn bền xoắn cho phép [τ]= 8÷25 MPa

Bước 2: Xác định Fa(hoặc T) theo (3.7)

Bước 3: Xác định sơ bộ đường kính trong d1

[ ]k

a 1

.

F 3 ,

T

d1 (3.16) với [σk] là ứng suất kéo cho phép, [σk] = σch/3

Bước 4: Tính đường kính mặt trụ chia trung bình d0 = (1+kb1)d1 và chọn giá trị tiêu chuẩn theo các bảng trong các tài liệu của các hãng sản xuất truyền động vít me bi ([5], [6] hoặc [7])

Bước 5: Tính khả năng tải động của bộ truyền Cd theo hình (3.2)

Bước 6: Dựa vào d0, d1 và Cd tra các bảng trong [5], [6] hoặc [7] tìm ra

bộ truyền động vitme-bi đảm bảo điều kiện (3.9) Nếu không đảm bảo, tăng

d1và quay lại bước 5

Bước 7: Tính kiểm nghiệm độ ổn định theo công thức (3.10) đối với các

trục vitme dài để tránh vitme bị uốn dọc

Bước 8: Tính kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh, đối với các trục vitme quay

chậm đề phòng con lăn bị vỡ, theo điều kiện :

[ H max]

max

H ≤ σ

σ (3.17)

với [σHmax] là ứng suất tiếp xúc quá tải cho phép, [σHmax]=3000 MPa

Bước 9: Xác định các thông số cơ bản, theo các tài liệu tra bảng có :

- Bước vít p

- Đường kính trung bình d0

Trên cơ sở đó, giả thiết góc tiếp xúc giữa bi với trục vitme và bi với đai

ốc là α = 450 , xác định được các thông số kích thước cơ bản của trục vít me

và đai ốc bi:

- Số vòng ren làm việc nv : có thể được xác định theo lực dọc Fa dựa vào

đồ thị ở hình 3.3, hoặc để đảm bảo Kz ≤ 2 có quan hệ :

nv ≤ 12.10-5.Fa + 1,9 (3.18) trong đó Kz là hệ số phân bố không đều tải trọng trên các bi [1]

1 1 n

k arctg (3.20)

- Chiều cao prôfin ren: h = (d0 - d1)/2

Qua các kết quả và đồ thị nhận thấy:

- Các hệ số Kb1 và Kbd ảnh hưởng không nhiều tới giá trị hệ số K có thể chọn giá trị trung bình của Kb1 và Kbd để thiết kế sơ bộ: Kb1=0,1;

K pd =1,5

K pd =1,1

Kbd =1,3 Tuy nhiên tùy theo điều kiện tải trọng và điều kiện làm việc mà chọn giá trị phù hợp

- Khi nv càng lớn thì hệ số K càng tăng dẫn đến làm tăng sự phân bổ không đều của tải trọng lên các con lăn, do đó không nên chọn số vòng ren làm việc quá lớn

Để K ≤ 2 khi Fa = 5000 N → nv ≤ 2,5

khi Fa = 20000 N → nv ≤ 4,3

Cũng theo đồ thị thì Fa và nv có quan hệ tuyến tính:

5 , 2 15000

5000 8

, 1

15000

5000 8

, 1

5 , 2 5000

20000

5000 5

, 2

3

,

4

5 , 2

a v

a v

F n

F n

F n

9 , 1 10

Như vậy nếu Fa nhỏ mà chọn số vòng ren làm việc nv lớn thì những con lăn phía sau không làm việc hoặc làm việc với tải rất nhỏ, do đó không nên chọn nv quá lớn Điều này hoàn toàn phù hợp với nhận xét nêu trên

Chương IV THIẾT KẾ KẾT CẤU

Để tạo điều kiện cho các nhà sản xuất có ý định chế tạo loại truyền động vít me ma sát lăn, bản luận văn này đã tiến hành nghiên cứu cụ thể kết cấu trục vít me và đai ốc

Do đặc thù làm việc là các con lăn luân chuyển tuần hoàn trên rãnh lăn nên kết cấu của nó, đặc biệt là kết cấu của đai ốc là quan trọng nhất Kết cấu đai ốc liên quan đến khả năng công nghệ cũng như việc gá đặt đai ốc với bộ phận máy Hiện nay trong các tài liệu của các công ty không cung cấp kết cấu cụ thể và vì thế sẽ gặp nhiều khó khăn khi thiết kế bộ phận gá đặt với đai

ốc và đặc biệt trong trường hợp muốn tự chế tạo loại sản phẩm này

Trong chương này chúng tôi muốn giới thiệu một số kết cấu của đai ốc thường gặp trong thực tế và xây dựng phần mềm "Tự động hoá thiết kế truyền động vitme-bi" và đề xuất một số phương án về kết cấu đai ốc bi và xuất ra bản vẽ chế tạo theo các kích thước tính chọn được

Kết quả này giúp có thể thiết kế chế tạo mới các bộ truyền động

vitme-bi, từ đó xây dựng các bộ truyền tiêu chuẩn, tiến hành thí nghiệm xác định được khả năng tải động cho phép, cùng với phương pháp tính chọn sẽ giúp sản xuất và ứng dụng nhiều hơn loại bộ truyền này tại Việt Nam

4.1 CÁC LOẠI KẾT CẤU CỦA VÍT ME BI

4.1.1 Kết cấu trục vít me

Trục vít me nhận mômen và truyền mômen, chính vì vậy trên trục cần

có các phần lắp ghép với các chi tiết khác ví dụ như: khớp nối, bánh răng, bánh đai, ổ lăn

Trên phần trục làm việc (phần ren) có các viên bi luân chuyển tuần hoàn trên các rãnh ren nên rãnh lăn phải có tiết diện thuận lợi để không ảnh hưởng tới sự di chuyển của con lăn và phải có tính công nghệ Hình dạng rãnh lăn

có dạng cung tròn với bán kính chọn trong khoảng r1 = (0,51- 0,53).db

Khi bộ truyền được bôi trơn bằng dầu thì áp suất do dầu sinh ra trên các

bề mặt trong đai ốc và bề mặt ngoài của trục vít là rất lớn, do đó ta có thể làm rãnh nhỏ trên trục vít me để khi làm việc dầu được đẩy ra theo các rãnh không gây áp suất lớn cho bộ truyền

Trục vít me thường làm bằng thép 40C thấm Ni hoặc thép hợp kim CrWMn sau đó tôi để đạt độ rắn bề mặt từ 55…60HRC Để bộ truyền làm việc êm, hiệu suất và tuổi thọ cao thì bề mặt rãnh lăn phải có độ chính xác cao với sai số bước tích lũy 8…10µm trên chiều dài 300mm, độ bóng bề mặt

Rz = 1,6…3,2µm

Do trục vít me cần phải nhiệt luyện để đạt độ rắn bề mặt cao, mặt khác trục vít me lại nhỏ và dài nên khâu nhiệt luyện là một trong các khâu vô cùng quan trọng cần được quan tâm đặc biệt khi chế tạo truyền động vít me

ma sát lăn Trong luận văn này chưa có điều kiện nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện các chi tiết trong truyền vít me ma sát lăn Trên hình 4.1 giới thiệu một loại kết cấu trục vít me đai ốc kép

Hình 4.1 Kết cấu trục vít me đai ốc kép

4.1.2 Kết cấu đai ốc bi

Kết cấu của đai ốc bi chủ yếu phụ thuộc vào dạng rãnh hồi bi Rãnh hồi

bi có công dụng tạo ra vòng khép kín giúp bi luân chuyển tuần hoàn Có hai dạng rãnh hồi bi cơ bản, đó là:

- Rãnh hồi bi chìm bên trong đai ốc hình 4.2 a,b

- Rãnh hồi bi bên ngoài đai ốc hình 4.2 c