Ứng dụng phần mềm adams view để phân tích rung động trong bộ truyền bánh răng cycloid

Phân tích so sánh đặc tính rung động các bộ truyền...39 Trang 4 DANH MỤC BẢNG BIỂUHình 1.1- Một số loại hộp giảm tốc Cycloid mớiHình 1.2- Ứng dụng bộ truyền bánh răng Cycloid trong kỹ t

Giới thiệu bộ truyền bánh răng Cycloid

Bộ truyền bánh răng Cycloid được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt với bánh răng có biên dạng Cycloid (còn gọi là đĩa Cycloid) Biên dạng Cycloid đã được một kỹ sư người Đức, ông Lorenz Braren, phát minh ra vào năm 1931 và đã được nghiên cứu phát triển cho đến tận ngày nay ở Nga đã tiến hành nghiên cứu về loại bộ truyền này từ những năm 1948 Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền cao, có thể từ 6 đến 65, kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên việc ứng dụng loại bộ truyền bánh răng chốt vào thực tế lúc đó còn nhiều hạn chế do sự phức tạp trong quá trình xây dựng biên dạng Cycloid và hiệu suất của bộ truyền chưa cao do chưa khắc phục được ma sát trượt hình thành trong bộ truyền khi làm việc a) Bản vẽ lắp b) Hộp giảm tốc FA c) Hộp giảm tốc Dojen d) Hộp giảm tốc RV e) Hộp giảm tốc Twinspin f) Động cơ – Hộp giảm tốc

Hình 1.1- Một số loại hộp giảm tốc Cycloid mới 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 xung 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, như hộp giảm tốc FA, hộp giảm tốc Dojen, hộp giảm tốc RV, hộp giảm tốc Twinspin,

Thuyết minh Đề tài NCKH Cấp cơ sở v.v…(Hình 1.1).

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 (hình 1.2) 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 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.

Do đặc điểm ăn khớp của loại bộ truyền này không có khe hở cạnh răng nên làm việc êm, không gây va chạm khi đổi chiều quay Cùng với khối lượng và kích thước nhỏ gọn nên được ứng dụng ngày càng nhiều trong các máy hiện đại, đặc biệt thích hợp để ứng dụng trong công nghệ rôbốt. a) Cánh tay Robot b) Modun quay trong Robot

Hình 1.2- Ứng dụng bộ truyền bánh răng Cycloid trong kỹ thuật Robot

Bối cảnh nghiên cứu

Bộ truyền bánh răng Cycloid đã được ứng dụng rộng rãi ở trong và ngoài nước, do đó đã có không ít tác giả đối với bộ truyền này tiến hành nghiên cứu và thực hiện cải

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID tiến.

T.S.Lai [3-5] dựa trên biến đổi hệ trục tọa độ, lý luận tiếp xúc và lý luận ăn khớp liên hợp đã thiết lập được mô hình toán học của bộ truyền bánh răng Cycloid, đề xuất được phương trình ăn khớp, đối với trình tự thiết kế và phương pháp gia công cũng đã tiến hành nghiên cứu, thêm vào đó đã đề xuất ra một loại bộ truyền bánh răng Cycloid mới có hai tổ hợp phân bố chốt răng, từ đó đưa ra phương trình ăn khớp và phương trình biên dạng của bộ truyền mới đó.

F.L.Litvin và đồng nghiệp [6-7] dựa trên lý luận ăn khớp bánh răng đưa ra phương trình ăn khớp và phương trình biên dạng răng của cặp ăn khớp liên hợp trong bộ truyền bánh răng Cycloid, tiến hành phân tích đối với đặc tính ăn khớp của bộ truyền.

C.Gorla và các đồng nghiệp [8] đã cho ra thiết bị truyền động bánh răng Cycloid mới, trong đó cặp ăn khớp liên hợp do bánh răng vòng có biên dạng răng Cycloid bên trong cùng với bánh răng hành tinh mang chốt ngoài tạo thành, và nhóm tác giả đã tiến hành phân tích lý luận và nghiên cứu thực nghiệm đối với thiết bị này.

E.Chen và D.Walton [9] đã đưa ra một phương pháp thiết kế tối ưu mới đối bộ truyền bánh răng Cycloid, phương pháp này làm cho sự khác biệt số răng càng nhỏ, đồng thời vẫn đáp ứng được điều kiện góc áp lực vận hành nhỏ nhất.

S.Li [10-12] ứng dụng lý luận tiếp xúc đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn để tiến hành phân tích đối với đặc tính tiếp xúc và phân bổ tải trọng của bộ truyền bánh răng Cycloid, kết quả thể hiện tải trọng cực đại phân bố tập trung tại bề mặt bánh răng Cycloid mà không phải trên chốt ra, do đó việc tiến hành tính toán ứng suất trên bề mặt của chốt ra không quan trọng so với việc tính toán ứng suất trên bề mặt bánh răng Cycloid, từ đó cung cấp giá trị tham khảo cho việc tính toán ứng suất đối với bộ truyền bánh răng Cycloid.

T.C.Lim và các đồng nghiệp [13-15] đã nghiên cứu một cách có hệ thống đối với động lực học bánh răng, bên cạnh đó cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ cứng ăn khớp đến đặc tính động lực học hệ thống bánh răng, cuối cùng thảo luận sự ảnh hưởng của sai số lắp ráp và độ cứng ổ bi đối với sự phân bố tải trọng trên bề mặt răng;

Thuyết minh Đề tài NCKH Cấp cơ sở

J.D.Smith [38] đã tiến hành thảo luận đối với động lực học bánh răng, sau đó đã viết ra một chuyên đề về rung động và tiếng ồn trong bánh răng.

J.G.Blanche、D.C.H.Yang [16-19] đã tiến hành phân tích chuyển động học đối với thiết bị giảm tốc bánh răng Cycloid có tồn tại sai số gia công, đồng thời suy luận ra công thức tính toán khe hở cạnh răng do sai số lắp ráp và sai số gia công gây ra.

H.Hashimoto và các đồng nghiệp [20] đã tiến hành nghiên cứu đối với sự phân bố ứng suất của bánh răng trong bộ truyền bánh răng hành tinh RV, trong đó điều kiện biên là momen xoắn được thêm vào, sau đó các kết quả thí nghiệm và kết quả phân tích lý luận được so sánh, kết quả cho thấy sự nhất quán giữa hai phương pháp.

T.Hidaka và các đồng nghiêp [21-25] đã nghiên cứu độ chính xác truyền động của bộ truyền bánh răng RV, và thảo luận sự ảnh hưởng của các sai số gia công và sai số lắp ráp đối với độ chính xác của bộ truyền, cuối cùng các tác giả đã tiến hành thí nghiệm thực tế để nghiệm chứng kết quả, đồng thời so sánh với các kết quả của D.C.H.Yang và J.G.Blanche, đạt được các kết quả khá tương đồng, thêm vào đó cũng đề xuất ra phương pháp tính toán của độ dày tương đương của bánh răng Cycloid, tiến hành phân tích ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc của cạnh bánh răng Cycloid trong bộ truyền

RV, thảo luận sự ảnh hưởng của độ dày răng đối với ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn, đồng thời nghiên cứu mối quan hệ giữa sai số biên dạng răng, chiều rộng bánh răng Cycloid, tham số hình học và momen xoắn với tải trọng trên bánh răng.

M.Blagojevic và các đồng nghiệp [26] đã thiết lập mô hình động lực học đối bộ truyền bánh răng Cycloid một cấp, sau đó ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink để giải quyết, thu được hàm số thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vi, tốc độ và động lực với thời gian.

Yao Wenxi [27] đã ứng dụng lý luận ăn khớp bánh răng để thiết lập phương pháp tính toán giải quyết các sai số truyền động của bộ truyền bánh răng Cycloid, bên cạnh đó đã phân tích sự ảnh hưởng của các nhân tố sai số chế tạo đối với sai số truyền động của bộ truyền bánh răng Cycloid.

Li Wen [28] đã tiến hành nghiên cứu đối với bộ truyền bánh răng cycloid loại mới,

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn động thái tiếp xúc để tiến hành phân tích, cuối cùng áp dụng thử nghiệm rung động để tiến hành thực nghiệm và lấy kết quả đi so sánh với kết quả dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, kết quả cho thấy là khá tương đồng.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID 9 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Thông số cơ bản và kích thước hình học của bộ truyền cycloid

Dựa trên tính năng và các thông số thiết kế ban đầu của bộ truyền cycloid, biết:

- Công suất trên trục vào: P1 = 22 kW；

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID

- Số vòng quay trên trục vào: n150 rpm；

（1） Momen xoắn trên trục ra： 9.55 10 6 P

  ; Dựa vào bảng 2.7-8 (43-44) , chọn hiệu suất truyền động=0.92，do dó， T 1466353 N mm

（2） Chọn sơ bộ hệ số bề rộng K1：Theo bảng 2.7-2, K 1=0.42～0.55。

（3） Chọn sơ bộ hệ số đường kính chốt K2: K 2 2.8， Theo bảng 2.7-3,

（4） Bán kính vòng tròn qua tâm các con lăn của vành răng chốt rp ：

Với vật liệu là thép ổ bi 58～62HRC, ta có [ H ] 00～1200MPa.

（5） Bề rộng bánh răng cycloid： b  (0.1 ~ 0.15) r p , chọn b 15 mm.

（7） Hệ số bề rộng thực tế K1： K 1  aZ p / r p  6 12 /130 0.554 

（8） Hệ số đường kính chốt thực tế K2： 2 sin180 2.804 o p rp p

（9） Bán kính con lăn vành răng chốt rrp：

（10） Bán kính chốt trên vành răng chốt rsp: chọn r sp ＝7mm.

（11） Kiểm tra biên dạng răng không cắt đỉnh:

12 min r rp    Theo bảng 2.7-1 và công thức 2.7-17 biết được, dựa trên kết quả tính toán, biên dạng răng không có cắt đỉnh.

Bảng 2.1 Thông số cơ bản của bánh răng Cycloid（mm）

Số răng zc Độ lệch tâm a

Bán kính vòng tròn qua tâm các con lăn của vành răng chốt rp Đường kính của con lăn trên vành răng chốt drp Đường kính chốt trên vành răng chốt dsp

Bề rộng bánh răng cycloid b

（12） Hiệu chỉnh dạng răng： r rp ＝0,35， r p ＝0,2 Xem xét thay đổi hình dạng hợp lý, thiết lập mô hình tối ưu, sau khi tính toán thu đươc.

（13） Đường kính vòng chân bánh răng cycloid dfc:

（14） Đường kính vòng đỉnh bánh răng cycloid dac：

（16） Đường kính vòng tròn qua tâm các lỗ ra của bánh răng cycloid Dw：

（18） Đường kính chốt trụ ra dsw：  

（19） Đường kính con lăn chốt trụ ra drw：d rw ＝32，Theo bảng 2.7—7，chọn d rw ＝32mm.

（20） Đường kính lỗ ra trên bánh răng cycloid dw：d w d rw 2 a  44.15，để cho giữa bề mặt lỗ ra trên bánh răng cycloid và bề mặt con lăn chốt ra có khe hở thích hợp, thì giá trị d w nâng lên một lượng ：

Bảng 2.2 Thông số hình học của bánh răng cycloid（mm） Đường kính vòng chân bánh răng cycloid dfc Đường kính vòng đỉnh bánh răng cycloid dac

Chiều ca răng h Đường kính vòng tròn qua tâm các lỗ chốt ra

Dw Đường kính chốt ra dsw Đường kính con lăn chốt ra drw Đường kính lỗ chốt ra dw

Mô hình 3D của bộ truyền bánh răng cycloid

2.3.1 Giới thiệu phần mềm Pro/E

Pro/ENGINEER (Pro/E) là phần mềm của hãng Prametric Technology Corporation (PTC) Đây là phần mềm thiết kế cơ khí phục vụ chủ yếu cho ngành chế tạo máy như thiết kế khuôn mẫu Là phần mềm CAD áp dụng nguyên lý tham số (parameter) trong thiết kế Theo đó tất cả những phần tử thiết kế ra đều ở dạng tham số Điều này giúp nâng cao hiệu suất thiết kế, khi cần nhà thiết kế có thể hiệu chỉnh dễ dàng những phần tử này mà không phải thiết kế lại từ đầu.

Cho đến nay Pro/E trải qua các phiên bản như: Pro/Engineer 2000, 2001; Pro/Engineer Wildfire 2.0, 3.0; Pro/Engineer Wildfire 4.0, Pro/Engineer Wildfire 5.0, Creo Elements/pro 5.0, Creo Prametric 1.0, Creo Prametric 2.0 Đây là phần mềm mạnh và linh hoạt, dễ sử dụng nhất và được minh chứng là có đến 75% người sử dụng. Pro/ Engineer đã chinh phục được hầu hết những người thiết kế cơ khí Việt Nam, nhất là trong lĩnh vực khuôn mẫu, thiết kế máy cũng như gia công cơ khí chính xác và khó lòng có một phần mềm nào sánh kịp.

Pro/E thiết kế tốt ở cả hai dạng solid và surface, việc chuyển đổi dễ dàng giữa hai định dạng này của Pro/E cho phép nhà thiết kể thể hiện ý tưởng của mình lên sản phẩm một cách trung thực nhất Khi làm việc với phần mềm CAD, Pro/E cho phép nhập những thiết kế từ các phần mềm khác vào để tiếp tục thiết kế Trong trường hợp mẫu đưa vào bị lỗi, Pro/E cung cấp công cụ Import DataDoctor để chỉnh sửa Cuối cùng, khi sản phẩm hoàn chỉnh, nó có thể được xuất qua AutoCAD hay một phần mềm nào khác để tiện lợi hơn cho việc in ấn.

Pro/E có nhiều tính năng rất mạnh trong lĩnh vực CAD/CAM/CAE, nó giúp người sử dụng các khả năng cần thiết trong thiết kế khuôn cũng như gia công cơ khí:

- Pro/E giúp mô hình hóa trực tiếp vật thể rắn.

- Pro/E tạo các môdun bằng các khái niệm và phần tử thiết kế.

- Pro/E dùng trong thiết kế thông số.

- Pro/E sử dụng cơ sở dữ liệu thống nhất

- Pro/E có khả năng mô phỏng động học, động lực học kết cấu cơ khí.

2.3.2 Mô hình hóa các bộ phận chủ yếu của bộ truyền bánh răng Cycloid

Bánh răng cycloid là một chi tiết dạng đĩa có các lỗ được phân bố đồng đều, biên dạng răng của bánh răng cycloid là một nét đặc trưng của bánh răng này; việc tạo ra được biên dạng răng cycloid là một điểm khó của chi tiết này Do trong phần mềm Pro/E 4.0 không có các lệnh để vẽ được biên dạng răng của bánh răng cycloid, nên trong phần này sẽ dựa vào các phương trình biên dạng tương ứng đễ tính toán ra các tọa độ điểm, từ đó dễ dàng hình thành nên biên dạng răng cycloid.

Dựa trên phương trình biên dạng răng cycloid, có thể sử dụng chương trình Excel để tính toán ra các tọa độ điểm, thỏa mãn phương trình biên dạng răng cycloid Sau đó các tọa độ điểm này sẽ được lưu thành một file có đuôi là ibl Tiếp theo, trong phần mềm Pro/E tiến hành nhập file đuôi ibl vừa lưu, sẽ cho ra được đường cong biên dạng răng cycloid như hình 2.3a thể hiện, tiếp tục sử dụng các lệnh đùn (tạo bề rộng bánh răng), lệnh cắt và lệnh sao chép (tạo các lỗ bánh răng) để hình thành mô hình bánh răng cycloid hoàn chỉnh, như hình 2.3b thể hiện. a) Biên dạng răng cycloid b) Bánh răng cycloid hoàn chỉnh

Hình 2.3 – Mô hình bánh răng Cycloid

Do hộp đựng bộ truyền có hình dạng tương đối phức tạp, nên việc mô hình hóa hợp lý yêu cầu phải tỉ mỉ và chuẩn xác, như hình 2.4 thể hiện. a) Hộp đựng b) Hộp bánh răng chốt

Hình 2.4- Mô hình của hộp bộ truyền

Các mô hình trục vào và trục ra của bộ truyền được hình thành dựa trên các lệnh đùn, lệnh cắt, lệnh vát trong phần mềm Pro/E như hình 2.5a và 2.5b thể hiện a) Trục ra b) Trục vào

Hình 2.5 – Mô hình các trục

Thông qua các bộ phận chủ yếu của mô hình bộ truyền bánh răng cycloid đã được thiết lập phía trên, tiến hành lắp ráp để tạo thành bộ truyền cycloid hoàn chỉnh Đầu tiên tiến hành lắp cơ cấu vào bao gồm trục vào, bánh lệch tâm và các ổ bi; cơ cấu bánh răng chốt bao gồm chốt, con lăn và vành răng chốt; cơ cấu ra bao gồm trục ra, chốt ra,

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID con lăn chốt ra và các ổ bi Sau đó tiến hành lắp tổng thể, trình tự lắp từ trong ra ngoài, đầu tiên lắp cơ cấu vào, cơ cấu ra, tiếp sau đó, lắp hai bánh răng cycloid, rồi đến lắp cơ cấu bánh răng chốt Cuối cùng thêm các phụ kiện, ta được mô hình 3D hoàn chỉnh của bộ truyền bánh răng cycloid như hình 2.7 thể hiện Hình 2.6 thể hiện mô hình khai triển của bộ truyền cycloid, trình tự lắp ráp trong quá trình lắp rất quan trọng, việc lắp ráp hợp lý hay không sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tốt xấu của bộ truyền.

Hình 2.6 – Mô hình khai triển

Hình 2.7 – Mô hình hoàn chỉnh

Kết luận

Chương 2 chủ yếu giới thiệu kết cấu và tham số cơ bản của bộ truyền bánh răng Cycloid, nội dung bao gồm:

1 Miêu tả ngắn gọn nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng Cycloid

2 Đối với các tham số hình học của các bộ phận chủ yếu, tiến hành tính toán; sau đó ứng dụng phần mềm vẽ 3D Pro/E 4.0 để mô hình hóa các bộ phận chủ yếu của bộ truyền và lắp ráp mô hình, quan sát được vị trí tương quan của các chi tiết trong bộ truyền, đánh giá được mối quan hệ giữa các chi tiết có hợp lý hay không, để chuẩn bị mô hình thực nghiệm cho việc mô phỏng động lực học ở chương sau.

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC BỘ TRUYỀN 19 3.1 Giới thiệu về ADAMS/VIEW

Ứng dụng ADAMS/View để phân tích động lực học

3.2.1 Thiết lập điều kiện biên Để đơn giản hóa việc mô phỏng của mô hình bộ truyền nhằm nâng cao hiệu suất tính toán Dựa trên mối quan hệ chuyển động của các chi tiết máy trong bộ truyền bánh răng cycloid bao kép không hoàn chỉnh, đối với các chi tiết máy không chuyển

Thuyết minh Đề tài NCKH Cấp cơ sở trục vào, ổ lăn trục vào, bạc bánh lệch tâm và ổ lăn bánh lệch tâm được nhóm thành bộ phận đầu vào (hình 3.1); bánh răng cycloid vòng nội tiếp và vỏ hộp được nhóm thành bộ phận vỏ hộp (hình 3.2); các chốt ra, bạc các chốt ra, trục ra và ổ lăn trục ra được nhóm thành bộ phận đầu ra (hình 3.3).

Hình 3.1- Bộ phận đầu vào

Hình 3.2- Bộ phận vỏ hộp

Hình 3.3- Bộ phận đầu ra Sau khi thiết lập các bộ phận có liên kết cứng, tiến hành thiết lập quan hệ tiếp xúc đối với các bộ phận đó Đầu tiên, thực hiện việc lựa chọn vật liệu cho các chi tiết máy đều là Steel, từ đó hệ thống phần mềm sẽ tự động tính toán ra các giá trị moment quán tính, trọng lượng và các thông số vật lý khác của các bộ phận. Để mô phỏng động lực học của bộ truyền, dựa trên sự chuyển động quay tròn của trục vào so với vỏ hộp, nên tiến hành thiết lập quan hệ Revolute giữa hai bộ phận, đồng thời đặt trên trục vào vận tốc góc cố định ω1= 8700 0 /s (tương đương 1450r/min) để mô phỏng trạng thái đầu vào của bộ truyền; trên trục vào được lắp đặt 2 bánh lệch tâm được bố trí lệch nhau 1800 và 2 ổ lăn được đặt trên 2 bánh lệch tâm đó, do đó để mô phỏng động lực học từ trục vào truyền đến bánh răng cycloid, giữa 2 ổ lăn và 2 bánh răng cycloid tiến hành thiết lập mối quan hệ Contact với đặc tính tiếp xúc là Solid – Solid Đóng vai trò là hạt nhân của bộ truyền, bánh răng cycloid chuyển động song phẳng cùng với các chốt ra, đồng thời chuyển động hành tinh so với bánh răng cycloid vòng nội tiếp, do đó để ràng buộc bánh răng cycloid với các chi tiết trên, tiến hành thiết lập mối quan hệ Contact với đặc tính tiếp xúc là Solid – Solid giữa 2 bánh răng cycloid và

1 bánh răng cycloid vòng nội tiếp, đồng thời cũng tiến hành thiết lập mối quan hệ

Cuối cùng, bộ phận đầu ra chuyển động quay tròn so với vỏ hộp, nên tiến hành thiết lập mối quan hệ Revolute giữa 2 bộ phận, để mô phỏng động lực học của bộ truyền trong điều kiện làm việc không tải.

3.2.2 Phân tích kết quả a Đối với điều kiện làm việc không tải

Sau khi tính toán, thu được các kết quả như hình 3.4 đến hình 3.7 thể hiện Trong đó, hình 3.4 thể hiện sự biến đổi vận tốc góc của trục ra theo thời gian, có thể thấy rằng: do ban đầu trong bộ truyền còn tồn tại các khe hở khó tránh khỏi, nên lúc bắt đầu chuyển động, sự thay đổi vận tốc góc có tính chu kỳ tương đối lớn Qua thời gian rất nhanh, sự biến đổi vận tốc góc trở nên ổn định và dần đạt đến giá trị vận tốc góc trung bình là -13.8334 rad/s, từ đó dễ dàng tính ra tỷ số truyền trung bình của bộ truyền bánh răng là i = 10.97 ; so với tỷ số truyền ban đầu là i = 11 thì sai số rất nhỏ, do đó có thể nhận thấy mô hình 3D của bộ truyền bánh răng cycloid mới có tính chính xác cao.

Hình 3.4 - Sự thay đổi vận tốc góc của trục ra theo thời gian Để khảo sát sâu hơn về đặc tính động lực học của bộ truyền bánh răng cycloid mới này, kết quả đã cho ra sự biến đổi gia tốc góc của các chi tiết chủ yếu, đồng thời thông qua phương pháp biến đổi Fourier để thu được các phổ tần của các chi tiết chủ yếu

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID trong bộ truyền Hình 3.5 thể hiện sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng cycloid mới theo thời gian Sau khi sử dụng phương pháp biến đổi Fourier đối với sự biến đổi gia tốc của bánh răng trên, thu được đường cong đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng cycloid như hình 3.6 thể hiện Dựa trên hình 3.6 tiến hành chọn ra 7 vị trí có giá trị tần số gia tốc góc lớn nhất đối chi tiết bánh răng của bộ truyền như được thể hiện trong bảng 3.1 Cách làm tương tự đối với trục ra và cũng được thể hiện như hình 3.7 và bảng 3.1

Hình 3.5 - Sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng cycloid theo thời gian.

Hình 3.6 - Đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng cycloid

Hình 3.7 - Đặc tính phổ tần gia tốc góc của trục ra

Bảng 3.1 - Đặc tính phổ tần của bánh răng cycloid và trục ra ở trạng thái không tải

Tần số (Hz) 131.8 290.5 580 816.8 870.5 1080.5 1291.7 Độ lớn

Tần số (Hz) 131.8 290.5 580 816.8 870.5 1080.5 1291.7 Độ lớn (rad/s 2 ) 28.7 225.4 49.56 18.8 21.3 59.2 25.1

Dựa vào bảng 3.1 có thể thấy rằng: tần số của chi tiết bánh răng cycloid và trục ra vào khoảng 290.5 Hz xuất hiện giá trị độ lớn cực đại, điều này có thể được giải thích là do tần số lúc này và tần số ăn khớp giữa bánh răng cycloid và bánh răng vòng (f=i*(n/

60) &6 Hz) tương đối gần, và khi đó trị số độ lớn sẽ được khuếch đại lên b Đối với điều kiện làm việc đầy tải Để mô phỏng động lực học của bộ truyền trong điều kiện làm việc đầy tải, tiến hành thiết lập tại trục ra của bộ truyền momen xoắn T Sau khi tính toán, thu được các kết quả như hình 3.8 đến hình 3.11 thể hiện Trong đó, hình 3.8 thể hiện sự biến đổi vận tốc góc của trục ra theo thời gian, có thể thấy rằng: do ban đầu trong bộ truyền còn tồn tại các khe hở khó tránh khỏi, nên lúc bắt đầu chuyển động, sự thay đổi vận tốc góc có tính chu kỳ tương đối lớn Qua thời gian rất nhanh, sự biến đổi vận tốc góc trở nên ổn định và dần đạt đến giá trị vận tốc góc trung bình là -13.7835 rad/s, từ đó dễ dàng tính ra tỷ số truyền trung bình của bộ truyền bánh răng là i = 11.0155 ; so với tỷ số truyền ban đầu là i = 11 thì sai số rất nhỏ, do đó có thể nhận thấy mô hình 3D của bộ truyền bánh răng cycloid mới có tính chính xác cao.

Hình 3.8 - Sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng cycloid theo thời gian. Để khảo sát sâu hơn về đặc tính động lực học của bộ truyền bánh răng cycloid mới này trong điều kiện đầy tải, kết quả đã cho ra sự biến đổi gia tốc góc của các chi tiết chủ yếu, đồng thời thông qua phương pháp biến đổi Fourier để thu được các phổ tần của các chi tiết chủ yếu trong bộ truyền Hình 3.9 thể hiện sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng cycloid mới theo thời gian Sau khi sử dụng phương pháp biến đổi Fourier đối với sự biến đổi gia tốc của bánh răng trên, thu được đường cong đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng cycloid như hình 3.10 thể hiện Dựa trên hình 3.10 tiến hành chọn ra 7 vị trí có giá trị tần số gia tốc góc lớn nhất đối chi tiết bánh răng của bộ truyền như được thể hiện trong bảng 3.2 Cách làm tương tự đối với trục ra và cũng được thể hiện như hình 3.11 và bảng 3.2

Hình 3.9 - Sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng cycloid theo thời gian.

Bảng 3.2 - Đặc tính phổ tần của bánh răng cycloid và trục ra ở trạng thái đầy tải

Bánh răng cycloid Tần số (Hz) 290.5 580 791.1 870.5 1054.9 1160 1317 Độ lớn(rad/s 2 ) 193.3 90.5 1243.5 100.7 154.2 133.5 65.8 Trục ra Tần số (Hz) 290.5 580 791.1 870.5 1054.9 1160 1317 Độ lớn(rad/s 2 ) 213.9 140 1078.8 73.3 110.7 73.6 51.51

Bảng 3.2 thể hiện đặc tính phổ tần (bao gồm tần số và độ lớn tương ứng) của bánh răng cycloid và trục ra trong điều kiện đầy tải So với đặc tính phổ tần trong điều kiện không tải của các chi tiết chủ yếu thể hiện trong bảng 3.1, thì ứng với các tần số như trên đều xuất hiện các biên độ lớn, có điều trong điều kiện đầy tải thì giá trị của các biên độ đó cao hơn Trong đó, ứng với tần số khoảng 790Hz thì biên độ dao động của bánh răng cycloid và trục ra đạt giá trị cao nhất, sẽ gây ra rung động đối với bộ truyền.

Kết luận

Chương 3 tiến hành phân tích động lực học tức thời đối với bộ truyền bao gồm các điều kiện mô phỏng là không tải và đầy tải, kết quả cho thấy bộ truyền được thiết kế hợp lý, đảm bảo trong quá trình làm việc Bên cạnh đó, phân tích đã đưa ra các tần số và độ lớn tương ứng tại các tần số đó, đối với bộ truyền bánh răng Cycloid cũng mang lại một giá trị tham khảo nhất định trong lĩnh vực thiết kế cơ khí.

TỐI ƯU KHẢ NĂNG RUNG ĐỘNG CỦA BỘ TRUYỀN 28 4.1 Khái niệm về cặp ăn khớp cycloid bao kép

Khái niệm về cặp ăn khớp cycloid bao kép không hoàn toàn

Theo Chen.BK và các đồng nghiệp [39] , cặp ăn khớp cycloid bao kép có rất nhiều ưu điểm: như lợi dụng tiếp xúc kép để nâng cao khả năng chịu tải; sự gia tăng thêm đường tiếp xúc góp phần làm giảm sai số thông qua hiệu ứng quân bình hóa sai số, từ đó sẽ nâng cao độ chính xác truyền động; ngoài ra, đặc tính ăn khớp của đường tiếp xúc thứ hai có lợi cho việc nâng cao tính năng bôi trơn và độ bền tiếp xúc Tuy nhiên,đặc tính tiếp xúc đôi của truyền động này yêu cầu sai số gia công cũng như sai số lắp ghép cho cặp ăn khớp liên hợp này vô cùng nhạy cảm, cũng có thể nói là trong trường hợp này thì độ chính xác gia công là rất cao, từ đó mới có thể thực hiện được quá trình tiếp xúc đôi trong vùng ăn khớp nhất định, từ đó mới có thể phát huy hết đặc tính ăn

Thuyết minh Đề tài NCKH Cấp cơ sở khớp nổi trội của đường tiếp xúc thứ hai Do đó, để giảm bớt độ nhạy cảm của sai số gia công cặp ăn khớp cycloid bao kép, đồng thời vẫn giữ được tính năng nổi bật của đường tiếp xúc thứ hai, trong nội dung này dựa trên cặp ăn khớp cycloid bao kép ban đầu sẽ đề xuất ra cặp ăn khớp mới: cặp ăn khớp cycloid bao kép không hoàn toàn

Hình 4.5 - Biên dạng bánh răng cycloid Hình 4.6 - So sánh hai biên dạng

Trong hình 4.5, đường cong ABCDE là biên dạng một răng của biên dạng bánh răng cycloid, đường cong AB và DE là biên dạng phần lõm của bánh răng cycloid, đường cong BCD là biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid, B và D là giao điểm của hai biên dạng lồi và lõm Dựa trên đặc điểm biên dạng bánh răng của cycloid, đề xuất phương pháp tạo hình biên dạng bánh răng cycloid không hoàn toàn như sau: biên dạng răng được tạo nên bởi hai phần, trong đó: một phần giống với phần lồi của bánh răng cycloid thông thường, phần còn lại là cung tròn được dùng như là đường cong chuyển tiếp Trong hình 4.5, đường cong A1BCDE1 là biên dạng một răng của bánh răng cycloid không hoàn toàn, đường cong BCD là phần lồi của biên dạng bánh răng cycloid, giống với phần lồi của biên dạng bánh răng cylcoid thông thường; đường cong A1B và DE1 là phần lõm của biên dạng bánh răng cycloid, tuy nhiên phần lõm của bánh răng cycloid mới này không tham gia ăn khớp trong quá trình bộ truyền làm việc Hình 4.6 thể hiện sự so sánh giữa hai biên dạng: biên dạng bánh răng cycloid thông thường và biên dạng bánh răng cycloid mới Sau đó, bánh răng vòng được thiết kế, biên dạng răng của bánh răng vòng này là biên dạng răng liên hợp với bánh răng cycloid-cung tròn, nói chính xác hơn là biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn Tóm lại, cặp bánh răng liên hợp của bộ truyền cycloid mới này bao gồm bánh

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp và bánh răng vòng nội tiếp Và đặc tính ăn khớp của cặp ăn khớp cycloid mới này khác biệt so với cặp ăn khớp thông thường cũng như cặp ăn khớp cycloid bao kép.

4.2.1 Phương trình biên dạng bánh răng cycloid không hoàn toàn

Hệ tọa độ được thiết lập dựa theo quy tắc bàn tay phải như hình 4.7, phương pháp thiết lập và các ký hiệu của chúng giống với phương pháp nội suy ra cặp bánh răng cycloid bao kép ở phần trên, do đó trong phần này sẽ không trình bày lại Tuy nhiên, phần không giống ở đây là thành phần 2 trong hình 4.7 thể hiện bánh răng cycloid- cung tròn ngoại tiếp, trong đó đường cong A1B thể hiện biên dạng phần lõm dịch chuyển của bánh răng cycloid-cung tròn, còn đường cong BC thể hiện biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn.

Biên dạng răng của bánh răng cycloid-cung tròn bao gồm hai phần, nên phương trình biên dạng cũng được chia làm hai phần, trong đó biên dạng phần lồi BC giống với biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid thông thường, do đó phương trình biên dạng phần lồi của nó với phương trình biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid thông

Thuyết minh Đề tài NCKH Cấp cơ sở nhau Theo công thức (4.4), phương trình biên dạng phần lồi  (2) BC của bánh răng cycloid-cung tròn tại hệ tọa độ OgX2Y2Z2 được thể hiện như sau [40] :

1 z 1 1 x R sin (i 1) r cos (i 1) esin(i ) y R cos (i 1) r sin (i 1) e cos(i )

Trong đó tham số góc quay βt tương ứng với điểm tiếp tuyến B của phần lồi và phần lõm của bánh răng cycloid thường, đồng thời cũng là điểm giới hạn ăn khớp của răng chốt trong cặp ăn khớp liên hiệp cycloid thông thường Tham số góc quay βt được thể hiện như công thức (4.8).

1tlà hàm giới hạn ăn khớp của cặp bánh răng cycloid thông thường.

Biên dạng phần lõm A1B của bánh răng cycloid-cung tròn là đường cong chuyển tiếp, không tham gia trong quá trình ăn khớp Phương trình biên dạng của cung tròn này được thể hiện theo công thức (4.9)

Trong đó: L là bán kính của cung tròn chuyển tiếp, γ là tham số góc quay, pham vi của γ là (0,γt), và γt tương ứng với giao điểm B Theo hình 4.7, giá trị của L và γt được thể hiện theo công thức (4.10). t t

Dựa theo phương pháp chuyển động học của lý thuyết hình học bánh răng, biên dạng cặp bánh răng liên hợp được tạo nên dựa trên biên dạng răng của dụng cụ cắt và chuyển động tương quan được cho trước: các điểm trên biên dạng răng ăn khớp liên hợp là kết quả của sự dịch chuyển tọa độ của các điểm trên biên dạng răng dụng cụ cắt ban đầu, cùng với việc thỏa mãn phương trình ăn khớp Trong phần này, biên dạng răng của bánh răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp được sử dụng như là biên dạng răng của dụng cụ cắt, và biên dạng răng của bánh răng vòng nội tiếp là biên dạng răng liên hợp của bánh răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp, nói chính xác hơn, đó là biên dạng răng liên hợp của phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp, bởi vì đường cong tròn chuyển tiếp của bánh răng cycloid-cung tròn được thiết kế để không tham gia ăn khớp trong quá trình truyền động.

Phương trình ăn khớp được thể hiện ở công thức

Trong đó:  2BC là phương trình ăn khớp của cặp bánh răng liên hợp cycloid không hoàn toàn; n 2BC là vecto pháp tuyến đơn vị đến bề mặt của bánh răng cycloid-cung tròn; v (21) 2BC là tốc độ tương đối của bánh răng cycloid-cung tròn liên quan đến bánh răng vòng nội tiếp tại điểm ăn khớp trong hệ tọa độ O g -X 2 Y 2 Z 2

Do biên dạng răng phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn và biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid thường có sự tương đồng, nên có thể suy ra được phương trình ăn khớp của cặp bánh răng liên hợp cycloid không hoàn toàn, lúc này vecto pháp tuyến đơn vị trên bề mặt răng n 2BC và phương pháp tính toán của tốc độ chuyển động tương đối n 2BC cũng giống nhau, tuy nhiên, phạm vi của tham số góc quay t là không giống nhau Do đó để không lặp lại như phía trên đã trình bày, phần này sẽ không đi vào chi tiết.

Phương trình ăn khớp của cặp bánh răng liên hợp cycloid không hoàn toàn được thể hiện ở công thức (12).

4.2.2 Phương trình biên dạng bánh răng vòng nội tiếp

Biên dạng răng của bánh răng vòng nội tiếp là biên dạng răng liên hợp của bánh răng cycloid-cung tròn, nói chính xác hơn là biên dạng răng liên hợp của phần lồi (2) BC

Phương trình biên dạng răng của nó được thể hiện trong hệ tọa độ ObX1Y1Z1 như công thức (4.13)

Trong đó: M12 là ma trận biến đổi từ hệ tọa độ OgX2Y2Z2 sang ObX1Y1Z1, được thể hiện như sau:

Thay thế các phương trình (4.7), (4.12) và (4.14) vào phương trình (4.13), thu được phương trình biên dạng của bánh răng vòng nội tiếp theo công thức (4.15)

4.2.3 Đặc điểm của cặp ăn khớp liên hợp cycloid bao kép không hoàn toàn

Cặp bánh răng liên hợp cycloid bao kép không hoàn toàn do biên dạng răng của bánh răng vòng nội tiếp và biên dạng răng của bánh răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp tạo nên Trong đó, biên dạng răng của bánh răng cycloid-cung tròn ngoại tiếp được chia ra làm hai phần: biên dạng phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn giống với biên dạng phần lồi của bánh răng cycliod thông thường, còn biên dạng phần lõm là biên dạng đường cong tròn chuyển tiếp không tham gia ăn khớp Đường cong biên dạng của bánh răng vòng là đường biên dạng liên hợp của bánh răng cycloid-cung tròn, nói chính xác hơn là đường biên dạng liên hợp với phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn Trong cặp ăn khớp liên hợp cycloid bao kép không hoàn toàn, các điểm trên phần lồi và phần lõm của bánh răng vòng nội tiếp ăn khớp với các điểm trên phần lồi của bánh răng cycloid-cung tròn, do đó, biên dạng răng của bánh răng vòng nội tiếp trong cặp ăn khớp liên hợp xem như là đường cong liên hợp hoàn chỉnh đối với bánh răng cycloid-cung tròn Từ đó, có thể rút ra: đường cong biên dạng răng của bánh răng vòng nội tiếp trong cặp ăn khớp liên hợp cycloid bao kép không hoàn toàn giống với cặp ăn khớp liên hợp cycloid bao kép, đều là biên dạng răng bao kép.

Phân tích so sánh đặc tính rung động các bộ truyền

Để chuẩn bị cho việc mô phỏng động lực học các bộ truyền trong phần mềmANSYS Workbench, trước hết phần này sẽ tiến hành áp dụng phần mềm thiết kế 3D

Pro/E 4.0 để mô hình hóa thực thể 3D các chi tiết chủ yếu của các bộ truyền, sau đó tiến hành lắp ráp các chi tiết để tạo thành cụm chi tiết chủ yếu của các bộ truyền như hình 4.8 và 4.9 thể hiện

Thông thường Bao kép Bao kép không hoàn toàn

Hình 4.8 – Kết cấu các bộ phận chủ yếu trong các truyền bánh răng Cycloid

Hình 4.9 –Biên dạng các cặp ăn khớp liên hợp Với trường hợp làm việc trong điều kiện đầy tải, các mô hình 3D của các bộ truyền đã được tiến hành tính toán thu được kết quả như từ hình 11 đến hình 14 thể hiện.

Hình 4.10 - Sự thay đổi vận tốc góc của bánh răng cycloid

Hình 4.11 - Sai số vận tốc góc của bánh răng cycloid

Hình 4.12 - Sự thay đổi vận tốc góc của trục ra

Hình 4.13 - Sai số vận tốc góc của trục ra Trong các bộ truyền bánh răng Cycloid, do bánh răng đóng vai trò hạt nhân cùng lúc tiếp xúc với bánh răng vòng (hoặc con lăn răng chốt) và các chốt ra, nên trong quá trình chuyển động chỉ cần sự thay đổi nhỏ vận tốc góc của bánh răng cũng đều gây ra rung động và tiếng ồn cho bộ truyền Nghiên cứu đã tiến hành phân tích độc lập hai đối tượng là bánh răng Cycloid (hình 4.10, 4.11) và trục ra (hình 4.12, 4.13).

Khi bắt đầu chuyển động, do tồn tại các khe hở không tránh khỏi nên các bộ truyền đều có sự biến động lớn của vận tốc góc, tuy nhiên chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn So với vận tốc góc danh nghĩa trên trục ra ωdn = 2πn/i = 13,8 (rad/s), thìn/i = 13,8 (rad/s), thì cả hai bộ truyền đều thể hiện sự không ổn định vận tốc góc của cả bánh răng và trục ra. Tuy nhiên, dựa vào các hình 4.10 và hình 4.11 (đối với bánh răng Cycloid) có thể thấy rằng biên độ vân tốc góc của bánh răng cycloid trong bộ truyền mới nhỏ hơn so với bộ truyền thông thường, với biên độ lớn nhất của vận tốc góc lần lượt ứng với bộ truyền thông thường là 12,7 (rad/s) (sai số 7,9%) và bộ truyền mới là 12,9 (rad/s) (sai số 6,9%) Tương tự, dựa vào các hình 4.12 và hình 4.13 (đối với trục ra) thấy rằng biên độ vân tốc góc của trục ra trong bộ truyền mới cũng nhỏ hơn so với bộ truyền thông thường, với biên độ lớn nhất của vận tốc góc lần lượt ứng với bộ truyền thông thường là 14,76 (rad/s) (sai số 7%) và bộ truyền mới là 14,7 (rad/s) (sai số 6,5%) Điều này chứng tỏ rằng: sự rung động xuất hiện trong bộ truyền bánh răng cycloid loại mới so với loại thông thường có phần nhỏ hơn – đây là một đặc tính động lực học rất có ý nghĩa trong lĩnh vực thiết kế bộ truyền bánh răng nói riêng, trong lĩnh vực thiết kế cơ khí nói chung.

Cải tiến mô hình 3D của bộ truyền bánh răng cycloid

Với các nghiên cứu mô phỏng động lực học đối với các bộ truyền, bên cạnh đó cũng đã khảo sát ảnh hưởng khảo sát của các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền đến ứng suất lớn nhất sinh ra trong bộ truyền, các kết quả cho thấy: bộ truyền bánh răng cycloid bao kép không hoàn toàn với độ lệch tâm A = 6.5 mm cho phép bộ truyền làm việc với khả năng chịu tải tối ưu nhất.

Dựa vào kết cấu 3D của bộ truyền bánh răng cycloid thông thường, phần này tiến hành ưng dụng phần mềm Pro/E 4.0 để mô hình hóa kết cấu 3D của bộ truyền bánh răng cycloid bao kép không hoàn toàn – một bộ truyền bánh răng cycloid mới với khả năng chịu tải tối ưu nhất như hình 4.14 thể hiện.

Hình 4.14 – Mô hình khai triển của bộ truyền bánh răng cycloid mới

Kết luận

Chương 4 dựa trên bộ truyền bánh răng cycloid thông thường đưa ra các bộ truyền bánh răng cycloid bao kép và bao kép không hoàn toàn, đưa ra các phương trình ăn khớp và phương trình biên dạng, thảo luận đặc tính ăn khớp của các bộ truyền. Thông qua mô phỏng động lực học trong môi trường ADAMS/View, kết quả cho thấy bộ truyền bánh răng cycloid bao kép không hoàn toàn có đặc tính rung động tối ưu hơn Từ kết quả đó, ứng dụng phần mềm Pro/E để mô hình hóa 3D kết cấu của bộ truyền bánh răng Cycloid mới – bộ truyền có khả năng chịu tải tối ưu Kết quả cũng mang lại giá trị tham khảo nhất định trong các thiết kế bộ truyền nói riêng và trong lĩnh vực thiết kế cơ khí nói chung.

Tiêu đề	Ứng dụng phần mềm ADAMS/VIEW để phân tích rung động trong bộ truyền bánh răng cycloid
Tác giả	ThS. Nguyễn Thái Dương
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Khoa học và Công nghệ
Thể loại	Báo cáo tổng kết Đề tài khoa học và công nghệ cấp trường
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	56
Dung lượng	2,48 MB