Tính toán thiết kế thông số hình học và mô phỏng bộ truyền bánh răng từ vật liệu nhựa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TẠ TRÍ THƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ THƠNG SỐ HÌNH HỌC VÀ MƠ PHỎNG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TỪ VẬT LIỆU NHỰA DESIGN CALCULATION OF GEOMETRICAL PARAMETERS AND SIMULATION OF PLASTIC GEAR DRIVE Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Cán chấm nhận xét 1: TS Phạm Quang Trung Cán chấm nhận xét 2: TS Phạm Hữu Lộc Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 10 tháng năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Thư ký: TS Dương Huyền Luynh Phản biện 1: TS Phạm Quang Trung Phản biện 2: TS Phạm Hữu Lộc Ủy viên: PGS.TS Phạm Sơn Minh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Thanh Hải TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TẠ TRÍ THƠNG MSHV: 2070323 Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1997 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 8520103 TÊN ĐỀ TÀI: Tính tốn thiết kế thơng số hình học mơ truyền bánh từ vật liệu nhựa - Design Calculation of Geometrical Parameters and Simulation of Plastic Gear Drive I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nội dung 1: Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp tính tốn thơng số hình học truyền bánh từ vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn khác  Nội dung 2: Nghiên cứu lựa chọn vật liệu nhựa cho bánh  Nội dung 3: Đưa quy trình tính tốn truyền bánh từ vật liệu nhựa áp dụng quy trình vào tính tốn bánh máy cụ thể  Nội dung 4: Mô độ bền uốn, độ bền tiếp xúc bánh nhựa so sánh với kết tính tốn lý thuyết  Nội dung 5: Phân tích kết kết luận II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tp HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc PGS.TS Bùi Trọng Hiếu TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc i LỜI CẢM ƠN HVTH: Tạ Trí Thơng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn trực tiếp tôi, thầy PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC, người theo sát suốt thời gian luận văn vừa qua, tận tình hướng dẫn, bảo hướng, cung cấp tài liệu, thiết bị cần thiết để tơi hồn thành luận văn Không hướng dẫn luận văn, mà môn, lớp học, thầy dạy tận tình, sẵn sàng giải đáp khuất mắc tơi để qua tơi có thêm kiến thức thực tế, tích lũy kinh nghiệm cho cơng việc sau Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC Tôi xin trân trọng cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Tp HCM, người dạy dỗ truyền đạt cho kiến thức chuyên môn để tơi có tảng tốt, hỗ trợ nhiều cho tơi q trình nghiên cứu, hồn thiện luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến xưởng khí C1 –Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM cung cấp, hỗ trợ thiết bị máy móc cần thiết để tơi hồn thành luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Sau Đại học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu cách thuận lợi Do vốn kiến thức, thời gian nghiên cứu tìm hiểu có hạn nên khơng tránh sai sót q trình thực hiện, tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô bạn đọc để luận văn hoàn thiện sau TP.HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2023 Học viên thực Tạ Trí Thơng ii TĨM TẮT LUẬN VĂN HVTH: Tạ Trí Thơng TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong nội dung luận văn này, trình bày nghiên cứu lựa chọn vật liệu, dạng hỏng, tiêu tính, tính tốn bánh trụ từ vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn khác áp dụng tính tốn cụ thể cho truyền bánh trụ thẳng máy sạ lúa dựa theo điều kiện đảm bảo độ bền tiếp xúc uốn Ngồi cịn tính tốn nhiệt độ bánh trình làm việc Kết nghiên cứu biển diễn dạng bảng, cơng thức hình ảnh Dùng phần mềm CAD/CAE để mơ hình hóa mơ bánh Từ kết này, có sở để chọn sơ kích thước bánh nhựa máy nông nghiệp Với đề tài trên, xin trình bày nội dung luận văn gồm phần sau: Chương 1: Giới thiệu bánh nhựa đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, tính khoa học ứng dụng Chương 2: Cơ sở lý thuyết: lựa chọn vật liệu, kết hợp vật liệu, bơi trơn tiêu chuẩn tính toán bánh nhựa Chương 3: Các dạng hỏng, tiêu tính quy trình tính tốn Chương 4: Kết tính tốn cụ thể mơ phỏng: kết tính tốn cụ thể cho máy sạ lúa, kết mô bánh nhựa phần mềm sai lệch kết mơ tính tốn Ngồi ra, cịn trình bày bảng biểu, hình ảnh phần mềm tính tốn tự động cho bánh nhựa Chương 5: Kết luận: nêu ưu điểm khuyết điểm luận văn hướng phát triển cho đề tài iii HVTH: Tạ Trí Thơng ABSTRACT OF MASTER THESIS ABSTRACT OF MASTER THESIS In the content of this thesis, present studies on material selection, types of failure, calculation criteria, calculation of cylindrical gears from plastic materials according to different standards and apply specific calculations to straight cylinder gear transmissions in tractor based on conditions to ensure contact and bending stress There is also a calculation of the gear temperature during work Research results show tables, formulas and images Use CAD/CAE software to model and simulate gears From these results, there is a basis for preliminary selection of plastic gear sizes in agricultural machines With the above topic, I would like to present the content of the thesis including the following parts: Chapter 1: Introduction to Plastic Gears and topics, research objectives, research content, research subjects, scientific properties and applications Chapter 2: Theoretical basis: material selection, material combination, lubrication and calculation criteria for plastic gears Chapter 3: Types of failures, calculation criteria and calculation procedures Chapter 4: Specific and simulated calculation results: specific calculation results for tractor, plastic gear simulation results on the software, and deviations between simulation and calculation results In addition, there are presentations of tables, images and automatic calculation software for plastic gears Chapter 5: Conclusion: point out the advantages and disadvantages of the thesis and the development direction for the topic iv LỜI CAM ĐOAN HVTH: Tạ Trí Thơng LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố hình thức trước Ngồi ra, số liệu, bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, có dẫn xác ghi rõ danh mục Tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận nào, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung nghiên cứu TP.HCM, ngày 31 tháng 01 năm 2023 Học viên thực Tạ Trí Thơng v MỤC LỤC HVTH: Tạ Trí Thơng MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii ABSTRACT OF MASTER THESIS .iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC KÝ HIỆU xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết tính .1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .7 1.3 Nội dung nghiên cứu .7 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Tính khoa học ứng dụng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lựa chọn vật liệu 2.2 Kết hợp vật liệu 12 2.2.1 Kết hợp nhựa kim loại .13 2.2.2 Nhựa toàn 13 2.3 Bôi trơn .13 2.3.1 Các loại bôi trơn 14 2.3.2 Bánh chạy khơ khơng có chất bơi trơn bên .14 2.3.3 Bánh chạy khơ có chất bơi trơn bên 15 2.3.4 Bơi trơn bên ngồi 16 2.4 Các dạng hỏng tiêu tính 18 2.4.1 Các dạng hỏng 18 2.4.2 Chỉ tiêu tính 19 2.5 Các tiêu chuẩn tính kiểm nghiệm bánh nhựa 19 2.5.1 Tiêu chuẩn VDI 2736 20 2.5.1.1 Tính tốn thơng số hình học bánh từ vật liệu nhựa 22 2.5.1.2 Nhiệt độ 27 2.5.1.3 Ứng suất uốn chân 29 2.5.1.4 Ứng suất tiếp xúc thân 35 2.5.1.5 Độ mài mòn 40 vi MỤC LỤC HVTH: Tạ Trí Thơng 2.5.1.6 Sự biến dạng 41 2.5.1.7 Kiểm nghiệm tải 42 2.5.1.8 Hiệu suất truyền tải 42 2.5.2 Tiêu chuẩn JIS B 1759 43 2.5.2.1 Tính tốn thơng số hình học bánh từ vật liệu nhựa 43 2.5.2.2 Ứng suất uốn chân 47 2.5.2.3 Đánh giá độ an toàn bánh 54 2.5.3 Tiêu chuẩn BS 6168: 1987 55 2.5.3.1 Tính tốn thơng số hình học bánh từ vật liệu nhựa 55 2.5.3.2 Nhiệt độ 61 2.5.3.3 Ứng suất uốn chân 62 2.5.3.4 Ứng suất tiếp xúc 66 2.6 Kết luận .69 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN 70 3.1 Quy trình tính tốn bánh trụ (thẳng nghiêng) từ vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn VDI 2736 70 3.2 Chương trình tự động tính toán 74 3.3 So sánh sai khác thơng số hình học tính tốn kiểm nghiệm bánh trụ tiêu chuẩn kim loại nhựa .76 3.4 Kết luận .78 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TỐN CỤ THỂ VÀ MÔ PHỎNG 79 4.1 Áp dụng tính tốn cụ thể cho bánh máy sạ lúa 79 4.2 Mô 93 4.3 Kết luận .101 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC .103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .118 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bánh nhựa Hình 1.2 Bánh nhựa cấu dẫn động khác sử dụng máy rút tiền tự động máy bán vé (Franz Morat Group) Hình 1.3 Bánh nhựa cho động E-bike (Franz Morat Group) Hình 1.4 Bánh nhựa sử dụng làm truyền động cho máy hủy tài liệu (Franz Morat Group) Hình 1.5 Bánh nhựa sử dụng truyền động đảm bảo đóng mở cửa hút gió phía trước động theo nhu cầu (Franz Morat Group) Hình 1.6 Bánh nhựa sử dụng hệ thống truyền dịch tự động (Franz Morat Group) Hình 1.7 Bánh nhựa sử dụng hệ thống cửa tự động (Franz Morat Group) Hình 1.8 Bánh nhựa sử dụng truyền động cầu thang nâng, di chuyển tự động (Franz Morat Group) Hình 1.9 Bánh nhựa sử dụng hệ thống nước đóng chai tập đồn Rưchling sản xuất cung cấp Hình 2.1 Bánh kết hợp nhựa kim loại (trái) bánh toàn nhựa (phải) 13 Hình 2.2 Khả kháng chất bơi trơn chất dẻo 14 Hình 2.3 Kết hợp dầu gốc-nhựa phù hợp 17 Hình 2.4 Lưu đồ đơn giản để tính tốn bánh trụ nhựa theo VDI 2736 21 Hình 2.5 Hệ số dạng YFa cho bên 32 Hình 2.6 Hệ số hiệu chỉnh ứng suất YSa 33 Hình 2.7 Giá trị giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải FlimN nhiệt độ chân Fu 34 Hình 2.8 Hệ số xét đến hình dạng bề mặt tiếp xúc ZH cho  = n = 200 từ DIN 3990 37 Hình 2.9 Hệ số xét đến tổng chiều dài tiếp xúc Z (chỉ  = n = 200) từ DIN 3990 38 Hình 2.10 Giá trị giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với số chu kỳ tải HlimN nhiệt độ thân Fla 39 Hình 2.11 Mặt cắt bánh 48 Hình 2.12 Mặt cắt bánh 48 Hình 2.13 Cấu hình tiêu chuẩn 51 Hình 2.14 Độ dày vành bánh (trái) bánh (phải) 52 Hình 2.15 Hệ số giãn nở nhiệt th 58 Hình 2.16 Hệ số mở rộng hút ẩm hy 59 Hình 2.17 Hệ số dạng YF hàm số z giá trị khác hệ số dịch chỉnh đầu x 64 Hình 2.18 Giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải (PA 66 khơng bơi trơn) 65 Hình 2.19 Giới hạn mỏi uốn tương ứng với số chu kỳ tải (POM khơng bơi trơn) 65 Hình 2.20 Hệ số kích thước YX hàm modun bánh 66 Hình 2.21 Modun đàn hồi E so với nhiệt độ 67 Hình 2.22 Giới hạn mỏi tiếp xúc tương ứng với số chu kỳ tải (PA 66 không bôi trơn) 68 viii DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 104 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 105 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 106 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 107 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 108 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 109 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 110 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 111 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 112 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 113 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 114 HVTH: Tạ Trí Thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 115 HVTH: Tạ Trí Thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO HVTH: Tạ Trí Thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP), “Thermoplastic gear wheels - Cylindrical gears - Calculation of the load-carrying capacity [in German: Thermoplastische Zahnräder – Stirnradgetriebe - Tragfähigkeitsberechnung].” Germany, VDI 2736 Blatt 2, June 2014 [2] Japanese Standards Association, “Estimation of tooth bending strength of cylindrical plastic gears.” Japan, JSA JIS B 1759:2019, November 2019 [3] The Machinery and Components Standards Committee, “Specification for Nonmetallic spur gears.” England, BS 6168:1987, March 1987 [4] G Erhard Construction with plastics [in German: Konstruieren mit Kunststoffen] 4th Edition Munich, Germany: Hanser Publications, 2008 [5] VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP), “Thermoplastic gear wheels - Materials, material selection, production methods, production tolerances, form design [in German: Thermoplastische Zahnräder - Werkstoffe, Werkstoffauswahl, Herstellverfahren, Herstellgenauigkeit, Gestalten].” Germany, VDI 2736 Blatt 1, July 2016 [6] A F Lourenỗo Testing of Low-Loss Polymer Gears,” Master thesis, Faculty of Engineering of the University of Porto, Portugal, June 2015 [7] N Tsukamoto “A study on oil-bath lubrication for plastic gears,” Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series C, vol 55, no 514, pp 14321437, 1989 [8] N H Loc Giáo trình Cơ sở thiết kế máy TP Hồ Chí Minh: Đại học Quốc Gia, 2020 [9] Ausschuß Verzahnungen (AV) im DIN Deutsches Institut für Normung, “Series of modules for cylindrical gears [in German: Serie de modules pour les engrenages cylindriques].” Germany, DIN 780-1, May 1977 [10] S Damtie and D Tilahun “Contact stress analysis of involute spur gear by finite element method (FEM),” Journal of EEA, vol 32, pp 33-40, December 2014 [11] P S Rao, N Sriraj, and M Farookh “Contact Stress Analysis of Spur Gear for Different Materials using ANSYS and Hertz Equation,” International Journal of 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO HVTH: Tạ Trí Thơng Modern Studies in Mechanical Engineering (IJMSME), vol I, iss I, pp 45-52, June 2015 [12] S Mahendran, K M Eazhil, and L S Kumar “Design and Analysis of Composite Spur Gear,” International Journal of Research and Scientific Innovation (IJRSI), vol I, iss VI, pp 42-53, November 2014 [13] A N Taywade and V G Arajpure “Design and Development of Nylon 66 Plastic Helical Gears in Automobile Application,” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), vol 3, iss 9, pp 1330-1334, September 2014 [14] N Kumar, M K Singh, and A Kumar, “Design and Selection of Material for Plastic Gears,” Advanced Materials Science and Technology, vol 3, no 1, pp 2232, June 2021 [15] O.T Laseinde and S.B Adejuyigbe “Design of plastic spur gears using virtual reality,” Int J Computer Aided Engineering and Technology, vol 6, no 1, pp 4861, 2014 [16] I Bae and U Kissling “Comparison of strength ratings of plastic gears by VDI 2736 and JIS B 1759,” Gear Solutions Magazine, vol 18, no 12, pp 43-47, December 15, 2021 [17] I Moriwaki, A Ueda, M Nakamura, K Yoneda, and D Iba “New Japanese Standard JIS B 1759 on load capacity of plastic gears,” in International Gear Conference 2014, Lyon, 26th-28th August 2014, pp 1172-1178 [18] M R C Moutinho “Load carrying capacity of polymer-metal hybrid gears,” Master thesis, Faculty of Engineering of the University of Porto, Portugal, 2020 [19] N H Loc and L T Anh “Contact stress analysis and optimization of spur gears,” in IOP Conf Series: Materials Science and Engineering, vol 1109, 2021 [20] C M Illenberger, T Tobie, and K Stahl, “Potential and Challenges of HighPerformance Plastic Gears,” in Dudley’s Handbook of Practical Gear Design and Manufacture, 4th ed S P Radzevich, Ed Boca Raton: CRC Press, 2022, pp 755791 117 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG HVTH: Tạ Trí Thơng PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Tạ Trí Thơng Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1997 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 10, đường Lê Quý Đôn, khu phố thắng lợi 2, phường Dĩ An, thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương Q TRÌNH ĐÀO TẠO Bậc đào tạo Nơi đào tạo Đại học Trường Đại học Bách Khoa TP HCM Kỹ thuật khí 2015-2020 Thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa TP HCM Kỹ thuật khí 2020-2023 Chun mơn Q TRÌNH CÔNG TÁC 118 Thời gian