Tính toán thiết kế và khảo sát đặc tính động lực học bộ truyền bánh răng hành tinh

Kết luận...38 Trang 4 DANH MỤC BẢNG BIỂUHỡnh 1.1- Một số loại bộ truyền bỏnh răng hành tinhHỡnh 1.2- Cấu tạo của bộ truyền bỏnh răng hành tinhHỡnh 1.3- Sơ đồ nguyờn lý của bộ truyền bỏn

Giới thiệu bộ truyền bánh răng hành tinh

Truyền động bánh răng hành tinh là truyền động bánh răng mà trong cơ cấu có ít nhất một bánh răng có trục quay di động đối với vỏ Bánh răng có trục quay di động đối với vỏ trong quá trình làm việc đợc gọi là bánh vệ tinh Khâu trên đó đặt bánh vệ tinh đợc gọi là cần và đợc kí hiệu bằng số 0 Khi làm việc cần quay hoặc có thể quay quanh một trục cố định gọi là trục chính Các bánh răng ăn khớp với bánh vệ tinh và có trục trùng với trục chính đợc gọi là các bánh trung tâm Các khâu có thể quay quanh trục chính và khi bộ truyền làm việc tiếp nhận tải trọng ngoài đợc gọi là các khâu cơ bản.

Truyền động hành tinh so với truyền động bánh răng thờng có rất nhiều u điểm nh: tỷ số truyền lớn, từ một trục chủ động có thể truyền năng lợng tới một số trục bị động với vận tốc góc thay đổi trong thời gian làm việc (nh hệ dẫn động các bánh xe ô tô), khuôn khổ kích thớc nhỏ gọn (chỉ bằng 1/3 hay 1/4 khối lợng của hệ dẫn động bánh răng thờng có cùng công suất truyền dẫn hoặc có khi còn bé hơn nữa) Truyền động hành tinh còn dùng để tổng hợp chuyển động, sử dụng khá rộng trong máy cắt kim loại, trong hệ dẫn động điều chỉnh vô cấp, trong các thiết bị đo lờng Ngoài ra hệ dẫn động hành tinh còn có một số công dụng đặc biệt nh:

Hệ hành tinh rất thích hợp trong công việc truyền công suất lớn giữa hai trục đồng trôc víi nhau.

Với hệ hành tinh cũng có thể thực hiện đợc truyền động theo một chiều (tải không thuận nghịch bằng cách lợi dụng hiện tợng tự hãm).

Truyền động bánh răng hành tinh có rất nhiều sự khác biệt so với truyền động bánh răng thờng về mặt động học (tỷ số truyền), hiệu suất, phơng pháp tính toán thiết kÕ.

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường a) b) c)

Hình 1.1- Một số loại bộ truyền bánh răng hành tinh

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH

1.1.1 Cấu tạo bộ truyền bánh răng hành tinh

Hình 1.2 - Cấu tạo của một bộ truyền bánh răng hành tinh

Các bánh răng trong bộ truyền bánh răng hành tinh có 3 loại: bánh răng bao, bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời và cần dẫn Cần dẫn nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hành tinh và làm cho các bánh răng hành tinh xoay chung quanh.

Với bộ các bánh răng nối với nhau kiểu này thì các bánh răng hành tinh giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời, và do đó chúng được gọi là các bánh răng hành tinh.

Thông thường nhiều bánh răng hành tinh được phối hợp với nhau trong bộ truyền bánh răng hành tinh.

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường

Hình 1.3 - Sơ đồ nguyên lý của bộ truyền bánh răng hành tinh

Bằng cách thay đổi vị trí đầu vào, đầu ra, phần và các phần tử cố định có thể giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc. a Giảm tốc Đầu vào: Bánh răng bao Đầu ra: Cần dẫn

Cố định: Bánh răng mặt trời

Cần dẫnBánh răng mặt trờiBánh răng hành tinh

Hình 1.4 - Sơ đồ nguyên lý giảm tốc của bộ truyền bánh răng hành tinh

Khi bánh răng mặt trời bị cố định thì chỉ có bánh răng hành tinh quay và quay xung quanh bánh răng mặt trời Do đó trục đầu ra chỉ giảm tốc độ so với trục đầu vào bằng chuyển động quay của bánh răng hành tinh Độ dài của mũi tên chỉ tốc độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ mômen Mũi tên càng dài thì tốc độ quay càng lớn và mũi tên càng rộng thì mô men càng lớn. b Đảo chiều Đầu vào: Bánh răng mặt trời Đầu ra: Bánh răng bao

Bánh răng bao (đầu vào)

Cần dẫn (đầu ra) Bánh răng mặt trời (cố định) Bánh răng hành tinh Đầu vào của công suất Đầu ra của công suất

Chiều quay Đầu vào Đầu ra

Hình 1.5 - Sơ đồ nguyên lý đảo chiều của bộ truyền bánh răng hành tinh

Khi cần dẫn được cố định ở vị trí và bánh răng mặt trời quay thì bánh răng bao quay trên trục và hướng quay được đảo chiều Độ dài của mũi tên chỉ tốc độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ mômen Mũi tên càng dài thì tốc độ quay càng lớn, và mũi tên càng rộng thì mômen càng lớn. c Nối trực tiếp Đầu vào: Bánh răng mặt trời, bánh răng bao Đầu ra: Cần dẫn

Bánh răng hành tinh Đầu ra của công suất

Bánh răng bao (đầu ra)

Cần dẫn (cố định) Bánh răng mặt trời (đầu vào) Đầu vào của công suất

Chiều quay Đầu vào Đầu ra

Hình 1.6 - Sơ đồ nguyên lý nối trực tiếp của bộ truyền bánh răng hành tinh

Do bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng nhau với cùng một tốc độ nên cần dẫn cũng quay với cùng tốc độ đó Độ dài của mũi tên chỉ tốc độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ mômen Mũi tên càng dài thì tốc độ quay càng lớn, và mũi tên càng rộng thì mômen càng lớn. d Tăng tốc Đầu vào: Cần dẫn Đầu ra: Bánh răng bao

Cố định: Bánh răng mặt trời

Bánh răng mặt trời (đầu vào) Bánh răng bao (đầu vào)

Cần dẫn (đầu ra) Bánh răng hành tinh Đầu vào của công suất Đầu vào Đầu ra Đầu ra của công suất

Hình 1.7 - Sơ đồ nguyên lý tăng tốc của bộ truyền bánh răng hành tinh

Khi cần dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng hành tinh chuyển động xung quanh bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ Do đó bánh răng bao tăng tốc trên cơ sở số răng trên bánh răng bao và trên bánh răng mặt trời Độ dài của mũi tên chỉ tốc độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ mômen Mũi tên càng dài thì tốc độ quay càng lớn, và mũi tên càng rộng thì mômen càng lớn.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 11 2.1 Cơ sở toán học tính chọn số răng

Mô hình 3D của bộ truyền bánh răng hành tinh

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.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 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 Các module làm việc trên phần mềm a Pro/Design:

Modul này cho phép người dùng thiết kế các sản phẩm bất kỳ theo các phương pháp như: Thiết kế tự do (Style), phương pháp đồ thị (Graphs), phương pháp tham số (Paramater). b Pro/Assembly

Module hỗ trợ thiết kế những chi tiết có dạng tấm, vỏ và hỗ trợ cho việc tạo lập các chi tiết trên khuôn dập liên hoàn

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường c Pro/Sheetmetal:

Module hỗ trợ thiết kế những chi tiết có dạng tấm, vỏ và hỗ trợ cho việc tạo lập các chi tiết trên khuôn dập liên hoàn d Pro/Manufacturing:

Module này bao gồm mô phỏng quá trình gia công, bảo lỗi, xuất dữ liệu NC, format dữ liệu CL, thư viện các phần tử e Pro/Mold Design:

Module thiết kế khuôn có các phương pháp tạo mặt phân khuôn từ đơn giản đến phức tạp Giúp mô phỏng quá trình tách khuôn và ép thử sản phẩm f Pro/Mechanical:

Module giúp mô phỏng các bài toán va chạm, kiểm nghiệm ứng suất, chuyển bị, viên dạng tuyến tính và phi tuyến, xác định và dự toán khản năng phá hủy vật liệu… g Pro/Mechanism:

Module này phân tích, mô phỏng động học, động lực học cho hệ thống lắp ráp. Các bài toàn va chạm cơ học cũng tích hợp đầy đủ module này h Pro/Plastic Advisor:

Module này giúp phân tích dòng chảy, mô phỏng các bài toán truyền nhiệt

2.3.3 Mô hình hóa các bộ phận chủ yếu của bộ truyền bánh răng hành tinh

Bánh răng thân khai là một chi tiết dạng đĩa có các vành răng được phân bố đồng đều, biên dạng răng thân khai của bánh răng hành tinh là một nét đặc trưng của bánh răng này; việc tạo ra được biên dạng răng thân khai là một điểm khá phức tạp của chi tiết này Hiện nay, đã có nhiều công cụ hỗ trợ giúp người dùng có thể thu được biên biên dạng răng thân khai Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả ứng dụng phần mềm

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH mềm Pro/E 4.0 không có các lệnh để vẽ được biên dạng răng của bánh răng hành tinh, 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 thân khai, cụ thể như sau:

2 Add và Apply tùy chọn cấu hình sau: allow_anatomic_features yes

3 Kích Close của hộp thoại Options

4 Kích chọn File, New, sau đó nhấn < involute_gear > để đặt tên cho chi tiết.

5 Nhấn OK trong hộp thoại New

6 Kích chọn Insert, Model Datum, Curve, From Equation, Done

7 Lựa chọn hệ tọa độ mặc định, sau đó kích chọn Cartesian.

8 Trong trình ứng dụng Notepad, nhập các phương trình sau: r = 21,25 ( r – bán kính vòng tròn cơ sở) ang = t * 90 s = (PI * r * t ) / 2 xc = r * cos(ang) yc = r * sin(ang) x = xc + ( s * sin(ang)) y = yc - ( s * cos(ang)) z = 0

Sau khi kích chọn OK sẽ cho ra được đường cong biên dạng răng thân khai như hình 2.2 thể hiện, tiếp tục sử dụng các lệnh đùn (tạo bề rộng bánh răng), lệnh cắt và lệnh sao chép (tạo các vành bánh răng) để hình thành mô hình bánh răng thân khai hoàn chỉnh, như hình 2.3 thể hiện.

Hình 2.2 – Biên dạng thân khai

Hình 2.3 – Mô hình bánh răng trung tâm

Tương tự với cách làm nhu trên, thu được các mô hình 3D của 2 bánh răng hành tinh và bánh răng vòng nội tiếp còn lại như hình 2.4 và 2.5 thể hiện.

Hình 2.4 – Mô hình bánh răng hành tinh

Hình 2.5 – Mô hình bánh răng vòng nội tiếp

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 2.6 và hình 2.7 thể hiện.

Hình 2.6- Mô hình vỏ hộp sau

Kết luận

Chương 2 chủ yếu miêu ta phương pháp tính toán thiết kế các tham số cơ bản của bộ truyền bánh răng hành tinh Sau đó, đối với các tham số hình học của các bộ phận chủ yếu 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.

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ADAMS/VIEW ĐỂ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC BỘ TRUYỀN BÁNH

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM WORKBENCH ĐỂ PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BỘ TRUYỀN BÁNH

Dao động tự do là dao động mà chu kỳ chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của hệ (khối lượng, độ cứng của hệ cơ học; hoặc điện cảm, điện dung của hệ điện từ; v.v ), không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài Động lực học nghĩa là sự thay đổi theo thời gian của tải trọng Tải trọng cố định với kết cấu và tải trọng di động đều biến đổi theo thời gian Do đó, nội ứng suất và giá trị biến dạng cũng phụ thuộc vào thời gian hay bản chất của động lực học Trong thực tế, không có tải trọng nào cố định trên một kết cấu có giá trị không đổi Tất cả mọi kết cấu có khối lượng và đàn hồi đều có khả năng dao động Vì vậy, hầu hết các kỹ sư cơ khí và kết cấu đều có kinh nghiệm về dao động và các thiết kế của họ đều yêu cầu xem xét đến khả năng dao động.

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn(Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.Trong bài toán kết cấu (Structural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu Giải các bài toán tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, đâm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật liệu đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt… Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau Mỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về nhập các tham số tương ứng để giải Đồng thời việc chọn phần tử,

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường hình là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số vật lý của vật liệu Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình học thực Vì vậy, cần đưa vào mô hình học đúng Ansys cho phép xây dựng các mô hình học 2D và 3D với các kích thước thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thât Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường, diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng hoặc tự động chia lưới Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt Nhưng việc chia lưới phụ thuộc năng lực của từng phần mềm. Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học Các ràng buộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) đưa vào tại từng nút, hoặc phần tử trong mô hình hình học.

Sau khi xác lập được các điều kiện của bài toán, để giải chúng Ansys cho phép chọn các dạng bài toán Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt vấn đề là sự hội tụ của của bài toán Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải các bài toán lặp với độ chính xác cao Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ Các kết quả tính toán được ghi vào file dữ liệu Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, Ansys xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số.

2 Phân tích một số đặc điểm của Ansys

- Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định đường chuyển vị, biến dạng, ứng suất và các phản lực.

+ Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh

+ Ứng xử phi tuyến: Ví dụ như độ võng lớn, biến dạng lớn, bài toán tiếp xúc, chảy dẻo, siêu đàn hồi, từ biến…

- Phân tích động lực học:

+ Bao gồm hiệu ứng khối lượng, giảm chấn.

+ Phân tích Mode dao động: Xác định tần số riêng, dao động riêng.

+ Phân tích điều hòa: Xác định kết cấu khi tải trọng có dạng hình sin với biên độ và tần số xác định.

+ Phân tích động lực học tức thời: Xác định kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả phi tuyến.

- Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu:

+ Phân tích dao động ngẫu nhiên

 Động lực học biến dạng lớn

- Dùng để mô phỏng biến dạng rất lớn khi lực quán tính đóng vai trò quyết định.

- Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm, phá hủy, tạo hình nhanh…

- Phân tích nhiệt được dùng để xác định các trường phân bố nhiệt độ trong một vật thể. Các đại lượng đáng quan tâm khác bao gồm: lượng nhiệt mất đi hoặc tăng lên, gradient nhiệt, và dòng nhiệt.

- Tất cả 3 dạng truyền nhiệt cơ bản đều có thể được phân tích và mô phỏng: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ.

- Trạng thái ổn định: Bỏ qua các ảnh hưởng phụ thuộc thời gian

- Trạng thái tức thời hay chưa ổn định:

+ Để xác định nhiệt độ và một số đại lượng khác như một hàm của thời gian.

+ Cho phép mô phỏng sự thay đổi pha (nóng chảy hoặc đông đặc).

- Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong các thiết bị điện từ.

+ Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều, nguồn xoay chiều tần số thấp, các tín hiệu tần số tức thời tần số thấp.

+ Ví dụ: Thiết bị khởi động từ, các động cơ, máy biến thế.

+ Các thông số đáng quan tâm bao gồm: Mật độ thông lượng từ, cường độ từ trường, lực và mô men từ, trở kháng, độ từ cảm, dòng điện xoáy, công suất mất mát và dòng rò.

- Phân tích điện từ tần số cao:

+ Mô phỏng các thiết bị truyền sóng điện từ

+ Ví dụ: Các thiết bị thu vi sóng và sóng radio, dẫn sóng, thiết bị kết nối đồng trục. + Các đại lượng quan tâm gồm có: Các thông số S, nhân tố Q, tổn thất đường về, tổn hao điện môi và tổn hao dẫn điện, các trường điện từ.

+ Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hay tích điện.

+ Ví dụ: Thiết bị cao áp, các hệ vi cơ điện tử (MESH), đường truyền

+ Các đại lượng điển hình là cường độ và điện dung của trường điện

- Độ dẫn điện: Để tính toán dòng điện trong dây dẫn khi áp đặt một điện áp.

- Kết nối mạch: Để kết nối một mạch điện với các thiết bị điện từ

- Các kiểu phân tích điện từ:

+ Phân tích tĩnh: Tính toán từ trường của dòng một chiều hoặc nam châm vĩnh cữu. + Phân tích điều hòa: Tính toán từ trường của dòng điện xoay chiều

+ Phân tích tức thời: Được sử dụng với từ trường thay đổi theo thời gian

 Tính toán động lực học dòng chảy

- Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy

- ANSYS/FLOTRAN có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén được và dòng nén không được, và nhiều dòng chảy kết hợp.

- Ứng dụng cho: hàng không vũ trụ, đóng gói điện tử, thiết kế ô tô

- Các đại lượng đặc trưng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt đọ và các hệ số màng.

Ứ D P NG M W ỤNG HẦN Đ P T ỀM C Đ ORKBENCH L V B Ể HÂN ÍCH HẾ Ộ ÀM IỆC Ộ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 31 3.1 Tổng quan về Ansys

Phân tích chế độ làm việc của bánh răng hành tinh

Hầu hết các kỹ sư cơ khí và kết cấu đều có kinh nghiệm về dao động và các thiết kế của họ đều yêu cầu xem xét đến khả năng dao động Dao động có thể được phân loại như dao động tự do và dao động cưỡng bức Dao động tự do xảy ra khi một hệ dao động dưới tác dụng của lực vốn có trong hệ và không chịu tác dụng của lực bên ngoài.

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường tính của hệ dao động Dao động xảy ra dưới kích thích của các lực bên ngoài được gọi là dao động cưỡng bức Nếu kích thích đó có tần số trùng với một trong các tần số dao động riêng của hệ, xảy ra hiện tượng cộng hưởng, dẫn đến dao động lớn trong kết cấu mà cuối cùng có thể làm phá hủy kết cấu

Bánh răng hành tinh đóng vai trò là chi tiết chủ yếu trong bộ truyền, trong quá trình truyền động ăn khớp chịu lực tác dụng đồng thời của nhiều chi tiết khác nhau như bánh răng trung tâm, bánh răng vòng nội tiếp và các chốt ra Do đó, tần số dao động riêng của nó và tần số ăn khớp trong quá trình truyền động nếu trùng nhau sẽ gây ra cộng hưởng, có thể phá hủy các chi tiết máy Chính vì vậy, mục này sẽ tiến hành phân tích chế độ làm việc của bánh răng hành tinh để xác định các tần số dao động riêng và kiểu hình tương ứng của nó.

3.2.1 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn và điều kiện biên

- Mô hình 3D của chi tiết bánh răng hành tinh tại phần mềm Pro/E sau khi chuyển đổi thành file có đuôi IGES sẽ được nhập vào môi trường ANSYS Workbench

- Thiết lập tham số vật liệu tương quan của mô hình như sau: Mô đun đàn hồi E 210GPa, hệ số Poat-xông γ = 0.3, tỷ trọng vật liệu ρ = 7850Kg/m 3

- Tại mục “Mesh”, kích hoạt Size, trong thực đơn thuộc tính của “Size”, lựa chọn toàn bộ vật thể, sau đó chỉ định kích cỡ của lưới là 3mm Trong việc thiết lập mô hình phần tử hữu hạn, nếu kích thước của lưới càng mịn (tức các phần tử càng nhỏ), thì độ chính xác tính toán càng cao

Dựa vào lý thuyết cũng như thực tế có thể thấy rằng, các trạng thái làm việc cấp thấp của kết cấu sẽ ảnh hưởng tương đối lớn đến rung động của kết cấu, do đó trong phân tích chế độ làm việc, thông thường chỉ cần biết một số tần số dao động riêng và kiểu hình tương ứng ban đầu, mà không cần phải tìm toàn bộ tần số dao động và kiểu hình tương ứng của nó Đề tài chỉ chọn ra 6 mode dao động ban đầu của bánh răng hành tinh

Sau khi tính toán thu được các tần số dao động riêng và kiểu hình tương ứng của

RĂNG HÀNH TINH bánh răng hành tinh Bảng 3.1 và hình 3.1 thể hiện 6 tần số dao động riêng và kiểu hình tương ứng ban đầu của bánh răng hành tinh.

Hình 3.1 - Các kiểu hình của bánh răng hành tinh

Bảng 3.1 - 6 tần số dao động riêng và kiểu hình tương ứng ban đầu của bánh răng hành tinh

STT Tần số dao động riêng/Hz Kiểu hình tương ứng

1 10557 Uốn cong trong mặt phẳng YOZ

2 15392 Uốn cong trong mặt phẳng YOZ và XOZ

3 22485 Uốn cong trong mặt phẳng XOZ

Do bánh răng hành tinh là chi tiết chủ yếu trong truyền động, nên nó cũng chính là một trong các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến đặc tính rung động của toàn máy, tuy nhiên có thể tính toán tần số ăn khớp trong quá trình truyền động vào khoảng f = i*(n/

60) = 5*(1450/60) = 120Hz, tần số ăn khớp này so với tần số dao động riêng thứ nhất của bánh răng hành tinh là 10557 Hz cách nhau rất xa, nghiệm chứng được độ tin cậy của mô hình Quan sát các kiểu hình ứng với các tần số dao động riêng có thể thấy rằng chuyển vị lớn nhất của bánh răng hành tinh đều phát sinh tại đỉnh răng.

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ADAMS/VIEW ĐỂ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 39 4.1 Giới thiệu về ADAMS/VIEW

Ứng dụng ADAMS/View để phân tích động lực học

4.2.1 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 hành tinh, đối với các chi tiết máy không chuyển động tương đối đối với nhau thì sẽ được hợp thành từng bộ phận có liên kết cứng; cụ thể là trục vào, ổ lăn trục vào và bánh răng trung tâm được nhóm thành bộ phận đầu vào (hình 3); bánh răng vòng nội tiếp và vỏ hộp được nhóm thành bộ phận vỏ hộp (hình 4); các chốt ra, con

Hình 4.1 - Bộ phận đầu vào

Hình 4.2 - Bộ phận vỏ hộp

Hình 4.3 -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 ω 1 = 8700 0 /s (tương đương 1450r/min)

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường trung tâm Z1, do đó để mô phỏng động lực học từ bánh răng trung tâm Z1 truyền đến

3 bánh răng hành tinh Z2, tiến hành thiết lập mối quan hệ Contact với đặc tính tiếp xúc là Solid – Solid

Các bánh răng hành tinh Z2 chuyển động quay tròn quanh các con lăn chốt ra, đồng chuyển động hành tinh so với bánh răng vòng nội tiếp, do đó để ràng buộc các bánh răng hành tinh với các chi tiết trên, tiến hành thiết lập mối quan hệ Contact với đặc tính tiếp xúc là Solid – Solid giữa 3 bánh răng hành tinh Z2 và 1 bánh răng vòng nội tiếp Z3, đồng thời cũng tiến hành thiết lập mối quan hệ Revolute giữa 3 bánh răng hành tinh Z2 và 3 con lăn chốt ra

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, đồng thời thiết lập momen M đặt trên bộ phận đầu ra để tiến hành mô phỏng trạng thái động lực học của bộ truyền trong điều kiện làm việc đầy tải.

Sau khi chạy mô phỏng động lực học trong trường hợp đầy tải, thu được các kết quả như hình 4.4 đến hình 12 thể hiện

Trên hình 4.4 thể hiện vận tốc góc của trục vào là 8700 0 /s và vận tốc góc của trục ra vào khoảng 1730 0 /s Cả hai giá trị vận tốc góc đều mang giá trị dương thể hiện sự chuyển động quay cùng chiều của hai trục Kết quả mô phỏng cho thấy độ tin cậy của mô hình khi cho ra giá trị tỷ số truyền là ~ 5.02 (trong khi đó, tỷ số truyền theo lý thuyết là 5).

Hình 4.4 - Vận tốc góc của trục vào và trục ra

Hình 4.5 và hình 4.6 cho thấy đường cong dịch chuyển theo phương X và phương Y của bánh răng hành tinh Z2 trong suốt thời gian từ 0 ~ 1.5s Cả hai đường cong này thể hiện: khi bánh răng trung tâm Z1 quay đều, thì tâm bánh răng hành tinh Z2 dịch chuyển qua lại với khoảng cách dịch chuyển lớn nhất là 30mm trong cả hai phương X và Y, và đây cũng chính là khoảng cách trục của cặp bánh răng trung tâm Z1 và bánh răng hành tinh Z2, từ đó chứng tỏ rằng sự dịch chuyển của bánh răng hành tinh Z2 phù hợp với quy luật chuyển động trong quá trình mô phỏng.

Hình 4.5 - Đường cong dịch chuyển của bánh răng hành tinh theo phương X

Hình 4.6 - Đường cong dịch chuyển của bánh răng hành tinh theo phương Y

Khi bánh răng hành tinh Z2 tự quay quanh tâm nó, đồng thời chuyển động hành tinh xung quanh bánh răng trung tâm Z1 từ 0 ~ 360 0 , đã có sự diễn ra quá trình ăn khớp đồng thời giữa bánh răng hành tinh Z2 với bánh răng trung tâm Z1 và bánh răng vòng nội tiếp Z3 như hình 4.7 và hình 4.8 thể hiện Cả hai hình cho thấy: lực tác dụng giữa bánh răng hành tinh Z2 với cả hai bánh răng Z1 và Z3 theo hai phương X và phương Y tuân theo quy luật hình SIN, vì bánh răng Z2 chuyển động hành tinh quanh bánh trung tâm Z1 nên hướng các lực tác dụng sẽ thay đổi liên tục, do đó lực tác dụng có thể mang giá trị dương hoăc âm Bên cạnh đó, các cặp bánh răng được thiết kế với hệ số trùng khớp ε ≥ 1 nên trong quá trình ăn khớp luôn diễn ra ít nhất một đôi răng ăn khớp để tránh va đập, khi đó lực tác dụng sẽ đạt giá trị cực đại, khi diễn ra sự ăn khớp của hai đôi răng thì giá trị lực tác dụng giảm xuống, điều đó lý giải đường cong lực tác dụng tổng hợp của bánh răng hành tinh Z2 với các bánh răng khác (nét liền) luôn có sự dao động Trong hình 4.7, có thể thấy lực tác dụng cực đại giữa bánh răng hành tinh Z2 và bánh răng trung tâm Z1 là Fmax ~ 2950 N, trong khi đó, lực pháp tuyến lý thuyết:

Như vậy, giá trị lực tác dụng mô phỏng phù hợp với giá trị lực tác dụng lý thuyết,nghiệm chứng độ tin cậy của mô hình Trong hình 4.8, lực tác dụng cực đại giữa bánh răng hành tinh Z2 và bánh răng vòng nội tiếp Z3 là Fmax ~ 2733 N.

Hình 4.7 - Lực tác dụng giữa bánh răng hành tinh và bánh răng trung tâm

Hình 4.8 - Lực tác dụng giữa bánh răng hành tinh và bánh răng vòng nội tiếp

Bên cạnh đó, bánh răng hành tinh đóng vai trò rất quan trọng trong bộ truyền,bởi vì bánh răng này đồng thời ăn khớp với các bánh răng trung tâm Z1 và bánh răng vòng nội tiếp Z3, bên cạnh đó còn chuyển động quay tròn quanh con lăn chốt ra, do đó tần số dao động riêng của nó và tần số ăn khớp trong quá trình truyền động nếu trùng nhau sẽ gây ra cộng hưởng, gây nguy hiểm đến bộ truyền Chính vì vậy, bài báo đã khảo sát sự biến đổi gia tốc góc của bánh răng hành tinh Z2, sau đó thông qua phương pháp biến đổi Fourier được tích hợp trong ADAMS/View thu được đặc tính phổ tần của bánh răng hành tinh này Hình 4.9 và 4.11 thể hiện sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng hành tinh theo thời gian trong trường hợp không tải và đầy tải Sau khi sử

Thuyết minh Đề tài NCKH cấp Trường được đường cong đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng hành tinh như hình 4.10 và 4.12 thể hiện Dựa trên hình 4.10 và 4.12, tiến hành chọn ra 5 vị trí có giá trị tần số gia tốc góc lớn nhất đối với chi tiết bánh răng hảnh tinh như được thể hiện trong bảng 4.1 và bảng 4.2. a Trường hợp không tải

Hình 4.9 - Sự thay đổi gia tốc góc của bánh răng hành tinh theo thời gian

Hình 4.10 - Đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng hành tinh Bảng 4.1 - Đặc tính phổ tần của bánh răng hành tinh ở trạn g thái không tải

Bánh răng hành tinh Tần số (Hz) 101 266,5 305,6 368 407,1 Độ lớn (rad/s 2 ) 21 302,8 129,1 149,5 58,6

Dựa vào bảng 4.1 có thể thấy rằng: tần số của bánh răng hành tinh vào khoảng

101 Hz xuất hiện giá trị độ lớn tương đối (trị số gia tốc góc là 21 rad/s 2 ), điều này có thể được giải thích là do tần số lúc này và tần số ăn khớp giữa bánh răng hành tinh và các bánh răng khác [f=i*(n/60) 0 Hz] tương đối gần, và khi đó trị số độ lớn sẽ được khuếch đại lên Tuy nhiên, ở những tần số tiếp theo như tần số 266.5 Hz xuất hiện giá trị cực đại (trị số gia tốc góc là 302.8 rad/s 2 ), nhưng ở khoảng cách tương đối xa so với tần số ăn khớp Như vậy, dựa vào những phân tích trên nghiệm chứng mô hình 3D của bộ truyền bánh răng hành tinh làm việc ở môi trường không tải đạt độ tin cậy cao. b Trường hợp đầy tải

Hình 4.11 - Gia tốc góc của bánh răng hành tinh

Hình 4.12 - Đặc tính phổ tần gia tốc góc của bánh răng hành tinh

Bảng 4.2 - Đặc tính phổ tần của bánh răng hành tinh ở trạng thái đầy tải

Bánh răng hành tinh Tần số (Hz) 368.5 736.9 1105 1472 1841 Độ lớn (rad/s 2 ) 87347 49151 54634 49738 40676 Dựa vào bảng 4.2 có thể thấy rằng: tần số của bánh răng hành tinh vào khoảng 368.5 Hz xuất hiện giá trị cực đại (trị số gia tốc góc là 87347 rad/s 2 ), tuy nhiên tần số lúc này và tần số ăn khớp giữa bánh răng hành tinh và các bánh răng khác [f=i*(n/60)

=5*(1450/60)0 Hz] cách nhau tương đối xa Từ đó, nghiệm chứng mô hình của bộ truyền bánh răng hành tinh làm việc ở môi trường đầy tải đạt độ tin cậy cao.

Kết luận

Chương 4 tiến hành phân tích động lực học đối với bộ truyền bánh răng hành tinh 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 hành tinh cũng mang lại một giá trị tham khảo nhất định trong lĩnh vực thiết kế cơ khí.

Tiêu đề	Tính Toán Thiết Kế Và Khảo Sát Đặc Tính Động Lực Học Bộ Truyền Bánh Răng Hành Tinh
Tác giả	ThS. Nguyễn Thái Dương
Trường học	Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật
Thể loại	Báo Cáo Tổng Kết
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	3,55 MB