Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu các thông số hình học trong quá trình thiết kế của bộ giảm tốc cycloid nhằm giảm sai số động học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN NHÂN

NGHIÊN CƯU CÁC THÔNG SỐ HINH HỌC TRONGQUÁ TRINH THIÊT KÊ CUA BỘ GIẢM TỐC CYCLOID

NHĂM GIẢM SAI SỐ ĐỘNG HỌC

Chuyên ngành :Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số :8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG QUỐC THANH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS TS BÙI TRỌNG HIẾU

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 02 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC 2 Thư ký: TS PHẠM QUANG TRUNG 3 Phản biện 1: PGS TS BÙI TRỌNG HIẾU

4 Phản biện 2: PGS TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ 5 Ủy viên: TS PHẠM HỮU LỘC

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Văn Nhân MSHV: 1970230 Ngày, tháng, năm sinh: 01/11/1994 Nơi sinh: Bình Dương

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 8520103 I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu các thông số hình học trong quá trình thiết kế của bộ giảm tốc cycloid nhằm giảm sai số động học

Analysis of the geometry and design parameters of a cycloidal speed reducer to reduce kinematic error

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết bộ truyền cycloidal

 Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến sai số động học của bộ truyền cycloidal

 Tính sai số động học của bộ truyền cycloidal khi có các thông số thiết kế thay đổi như số lượng răng zc, bán kính con lăn Rrp, vị trí con lăn Rp, độ lệch tâm e

 Phân tích các sơ đồ mối quan hệ của thông số thiết kế đến sai số động học, từ đó lựa chọn thông số thiết kế phù hợp để giảm sai số động học cho bộ truyền cycloidal

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13/06/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG QUỐC THANH

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn đến Quý thầy/cô Khoa Cơ khí trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã hướng dẫn và dạy em các kiến thức môn học trong thời gian học cho đến giai đoạn em hoàn thiện luận văn thạc sỹ

Em xin cám ơn đến người vợ và con gái yêu quý đã đồng hành, tạo động lực và điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn đến thầy Trương Quốc Thanh vì đã giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này Thầy đã tận tình hỗ trợ từ việc hoàn thành đề cương đến việc hoàn thành luận văn, cho em những lời động viên và những kiến thức bổ ích để em có hướng nghiên cứu phù hợp khi thực hiện đề tài Em cũng xin cám ơn đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu khoa học của Thầy đã đưa ra những lời động viên và những lời khuyên bổ ích, cũng như chia sẽ kiến thức thêm về phương pháp nghiên cứu khoa học giúp em dễ dàng tiếp cận đề tài

Em xin cám ơn đến thầy Võ Tùng Linh, Phó Trưởng Khoa Cơ Khí, Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, nơi em đang công tác và giảng dạy, thầy đã hỗ trợ và bố trí thời gian cũng như tạo điều kiện thuận lợi để giúp em hoàn thành luận văn

Em xin cám ơn đến các thành viên lớp cao học ngành Kỹ Thuật Cơ Khí – Khoá 2019 đã cùng chia sẻ giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Kính mong nhận được sự nhận xét và góp ý từ Quý thầy/cô về nội dung để bản thân em có thể hoàn thiện hơn kiến thức của mình và giúp ích cho các nghiên cứu về sau

Bộ giảm tốc cycloidal đã được sử dụng thành công để truyền chuyển động và mô-men xoắn trong máy móc đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như thiết bị rô-bốt và hệ thống điều khiển tự động So với bộ truyền động bánh răng thân khai, bộ giảm tốc cycloidal có ưu điểm là hiệu suất cao hơn, tỷ số truyền cao hơn và kích thước nhỏ gọn hơn Chúng cũng chiếm ưu thế hơn bộ truyền harmonic về khả năng chịu tải, vì các phần tử truyền mô-men xoắn chịu lực nén mà không chịu lực cắt Do đó, chúng được áp dụng phổ biến trong các thiết bị có yêu cầu đầu ra chính xác và trọng tải lớn, chẳng hạn như rô-bốt hạng nặng

Tuy nhiên, so với bộ truyền động bánh răng thân khai, việc sản xuất bộ giảm tốc bánh răng cycloidal đòi hỏi các quy trình chuyên dụng hơn, do các đặc tính không tiêu chuẩn của thiết bị Hơn nữa, các công cụ được sử dụng để sản xuất bánh răng cycloidal không chuyên dụng như các công cụ được sử dụng để sản xuất bánh răng thân khai Những tính năng này làm cho việc kiểm soát độ chính xác và giảm chi phí sản xuất bộ giảm tốc cycloidal trở thành một nhiệm vụ đầy thách thức

Do đó, việc hiểu các mối quan hệ của các thông số thiết kế đối với sai số động học, hiệu suất của bộ giảm tốc bánh răng cycloidal là thực sự cần thiết Luận văn này nghiên cứu cơ sở lý thuyết , sau đó xây dựng hệ phương trình toán để tính sai số động học khi thay đổi các thông số thiết kế ở những bộ truyền cycloidal có tỉ số truyền khác nhau Cuối cùng rút ra mối quan hệ định lượng và phương trình hồi quy giữa các thông số thiết kế với sai số động học, từ đó có thể lựa chọn thông số thiết kế phù hợp để giảm sai số động học cho bộ truyền cycloidal

Từ khóa : Bộ giảm tốc cycloidal, sai số động học, phân tích tiếp xúc răng

Cycloidalgearreducershavebeensuccessfullyusedformotionandtorquetransmissioninprecisionmachinery,suchas roboticdevices andautomated machines.Compared withinvolutegear drives,cycloidalgearreducershavetheadvantagesofhigherefficiency,higherspeedreductionratio,andmorecompactsize.Theyalsoprevailoverharmonicdrivesintermsof payloadcapacity,becausethetorque-transmittingelementsaresubjecttocompressionwithoutshear.Thus,theyarepop-ularlyappliedinequipmentwherepreciseoutputandlargepayloadareinvolved,suchasheavy-dutyrobots.

Nonetheless,comparedtoinvolutegeardrives,themanufacturingofcycloidalgearreducersrequiresmorededicatedprocesses,owingtothenon-standardcharacteristicsofthedevices.Furthermore,thetoolsusedformanufacturingcycloidalgearsarenotasspecializedasthoseusedformanufacturinginvolutegears.Thesefeaturesmakeaccuracycontrolandcostreductionofmanufacturingcycloidalgearreducersachallengingtask

Therefore, in light of the necessity of understanding the quantitative relations between the tolerances of design parameters and the accuracy performance of cycloidal gear reducers This thesis studies the theoretical basis, then builds a system of mathematical equations to calculate the kinematic error in different cycloidal gear reducers Finally, the quantitative relationship and regression equation between the design parameters and the kinematic error, from which the appropriate design parameters can be selected to reduce the kinematic error for the cycloidal gearreducers

Keywords : Cycloidal gear reducers, kinematic error, tooth contact analysic

Tôi tên: Lê Văn Nhân MSHV: 1970230

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên cứu các thông số hình học trong quá trình thiết kế của bộ giảm tốc cycloid nhằm giảm sai số động học” dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Trương Quốc Thanh

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học của tôi, số liệu trong luận văn là thực, thực hiên luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo sau đại học và theo hướng dẫn của Thầy TS Trương Quốc Thanh

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu luận văn của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 06 năm 2022 Học viên

Lê Văn Nhân

MỤC LỤC

-     -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

LỜI CAM ĐOAN v

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC BỘ TRUYỀN CÓ TỶ SỐ TRUYỀN LỚN 3

2.1 Bộ truyền Epycyclic 3

2.1.1 Lịch sử phát triển 3

2.1.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 4

2.1.3.Ứng dụng của bộ truyền Epycyclic 5

2.1.4.Ưu nhược điểm của bộ truyền Epycyclic 6

2.2 Bộ truyền harmonic 7

2.2.1 Lịch sử phát triển 7

2.2.4.Ưu nhược điểm của bộ truyền harmonic 9

2.3.Bộ truyền cycloidal 10

2.3.1 Lịch sử phát triển 10

2.3.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 10

2.3.3.Ứng dụng của bộ truyền cycloidal 13

2.3.4.Ưu nhược điểm của bộ truyền cycloidal 14

CHƯƠNG 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ TRUYỀN CYCLOIDAL 18

3.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất 18

3.1.1 Tình hình sản xuất trên thế giới 18

3.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 20

3.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 20

3.1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 22

3.2 Cơ sở lý thuyết bộ truyền cycloidal 24

3.2.1 Tỷ số truyền của bộ truyền cycloidal 24

3.2.2 Đặc tính hình học và thiết kế đĩa cycloid 26

3.2.2.1 Phân tích xác định dạng hình học của đĩa cycloid 26

3.2.2.2 Bán kính đường cong lý thuyết và làm việc của biên dạng cycloid 34

3.2.3 Các góc ăn khớp 37

3.2.4 Phân tích các thông số trên đĩa cycloidal 39

3.3 Phân tích động học và động lực học 42

3.4 Sự phân bố lực 50

3.5 Phân phối mô-men xoắn 53

3.6.Tối ưu hóa các thông số chính của hộp giảm tốc cycloidal 55

3.6.2 Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh răng 56

3.6.3 Ảnh hưởng của bán kính con lăn 57

3.6.4 Ảnh hưởng của số lượng răng 58

3.6.5 Ảnh hưởng của số con lăn đầu ra 59

3.6.6 Ảnh hưởng của hệ số ma sát 60

3.6.7 Tối ưu hóa hiệu suất của hộp giảm tốc 61

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH SAI SỐ ĐỘNG HỌC CHO BỘ TRUYỀN CYCLOIDAL 65

4.1 Phương pháp tính sai số động học 65

4.1.1 Phương pháp phân tích tiếp xúc răng TCA (tooth contact analysis) 65

4.1.1.1 Sự hình thành biên dạng đĩa cycloidal 65

4.1.1.2 Hiệu chỉnh biên dạng răng 66

4.1.1.3 Phân tích sự ăn khớp răng 67

4.1.2 Phương pháp sử dụng điểm rời rạc (Monte Carlo) 69

4.2 Giải các phương trình toán dựa trên phương pháp TCA để tính sai số động học của bộ truyền cycloidal 74

4.2.1 Xử lý và xây dựng hệ phương trình phi tuyến tính 74

4.2.2 Phương pháp giải hệ phương trình phi tuyến Newton-Raphson 77

4.2.3 Sử dụng phần mềm Matlab để tính sai số động học 78

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ ĐỂ GIẢM SAI SỐ ĐỘNG HỌC 80

5.1 Xem xét ảnh hưởng của số răng đĩa cycloidal đến sai số động học 80

5.2 Xem xét ảnh hưởng bán kính con lăn đến sai số động học 83

5.4 Xem xét ảnh hưởng vị trí con lăn đến sai số động học 85

5.5 Biễu diễn sơ đồ dạng surface 86

PHỤ LỤC A Chương trình Maple và Matlab 96

PHỤ LỤC B.Các phương án chế tạo biên dạng đĩa cycloidal 112

dRp Tham số sửa đổi răng cho khoảng cách tâm con lăn

dRrp Tham số sửa đổi răng cho bán kính con lăn de Tham số dung sai cho biên dạng răng

d2 Sai số động học (sai số truyền động)

e Độ lệch tâm

Et Sai số bước đối với răng cycloidal

Mcp Ma trận biến đổi từ tọa độ con lăn sang tọa độ bánh răng cycloidal

nc, np Pháp tuyến tiếp xúc của bánh răng cycloidal và con lăn

rc Vectơ vị trí biên dạng bánh răng cycloidal

Re Tham số dung sai dịch chuyển cho vị trí tâm con lăn

rp Vectơ vị trí của điểm tiếp xúc trên con lăn

Rp Khoảng cách giữa tâm con lăn và gốc tọa độ Rrp Bán kính con lăn

wi Hệ số gia trọng trong tối ưu hóa

z Tỷ số truyền của hộp giảm tốc cycloidal zp Số lượng con lăn

zc Số răng đĩa cycloidal

α Tham số góc của điểm tiếp xúc trên con lăn

β Tham số góc điểm tiếp xúc trên con lăn trong các hệ tọa độ lắp ráp

δe Dung sai của độ lệch tâm

δRp Dung sai của vị trí đối với tâm con lăn

δRrp Dung sai của bán kính con lăn 1 Góc trục đầu vào

 Góc trục đầu ra c Góc quay của Sc

 Góc quay của Sp.

 Hệ số ma sát vòng bi

1

R Hệ số ma sát con lăn đầu ra

CS Tải trọng không đổi đầu ra ( mô-men xoắn)

CXi,CYi Các thành phần của lực trao đổi giữa đĩa và con lăn KC Hệ số biên độ của lực trao đổi giữa con lăn đầu ra và đĩa KS Hệ số biên độ của lực trao đổi giữa con lăn vành và đĩa kcy Hằng số độ cứng tuyến tính / không tuyến tính

MCi Mô-men xoắn trao đổi giữa đĩa và con lăn vành

mcy Khối lượng đĩa cycloidal.

MSi Mô-men xoắn trao đổi giữa đĩa và con lăn đầu ra NC Số lượng con lăn đầu ra

p Số mũ phi tuyến r1 Bán kính cơ sở

r2 Bán kính phân bố con lăn vành rc Bán kính con lăn đầu ra

RS Bán kính phân bố con lăn đầu ra

SXj,S SYj Các thành phần của lực trao đổi giữa con lăn đầu ra và đĩa x Hệ số sửa đổi răng

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động bánh răng hành tinh 4

Hình 2.2 Cấu tạo hộp số bánh răng Epycyclic 5

Hình 2.3 Cấu tạo của bộ truyền harmonic 8

Hình 2.4 Cấu tạo bộ giảm tốc cyclodidal 11

Hình 2.5 Bản vẽ của hộp giảm tốc cycloidal 12

Hình 2.6 Hộp giảm tốc Sumitomo Drive 6000 16

Hình 3.1 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Hap Dong 18

Hình 3.2 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Sumitomo 19

Hình 3.3 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Centa 19

Hình 3.4 Các đĩa Cycloidal do Trung tâm tự động hoá-ĐH Bách Khoa HN chế tạo 20

Hình 3.5 Hộp giảm tốc bánh răng bánh răng cycloidal do Nhà máy Cơ khí Trường ĐH Bách Khoa HN chế tạo 21

Hình 3.6 Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng cycloidal do Nhà máy Cơ khí Mai Động sản xuất 21

Hình 3.7 Mô tả nguyên lý làm việc của bộ truyền cycloidal 25

Hình 3.8 Thiết kế biên dạng răng của đĩa cycloidal 26

Hình 3.9 Đường cong epicycloid bình thường 27

Hình 3.10 Đường cong epicycloid rút ngắn 28

Hình 3.11.Đường kính bánh răng 30

Hình 3.12 Định nghĩa hình học của các yếu tố cấu tạo của biên dạng làm việc (P) khi biết biên dạng lý thuyết (T) 33

Hình 3.13 Matlab graphics để đánh giá biên dạng lý thuyết và làm việc 34

Hình 3.14 Matlab graphics để đánh giá biên dạng lý thuyết và làm việccác con lăn 35

Hình 3.15 Mặt cắt lồi và lõm 36

Hình 3.16 Bán kính cong làm việc W so với góc quay1 37

Hình 3.17 Góc xiên αW 38

Hình 3.18 Góc truyền chuyển động γ 39

Hình 3.21 Ảnh hưởng đến hình học đĩa của zc thay đổi 42

Hình 3.22 Hình minh họa giải thích định lý Kennedy 43

Hình 3.23 Các hệ quy chiếu được sử dụng 44

Hình 3.24 Thiết lập của đĩa cycloid và điểm tiếp xúc A 45

Hình 3.25 Thiết lập của tấm cycloid và điểm tiếp xúc A (giữa đĩa cycloid và một con lăn duy nhất) 47

Hình 3.26 Vận tốc của điểm A 49

Hình 3.27 Sự phân bố lực giữa đĩa cycloid và các bộ phận 50

Hình 3.28 Thiết lập hình dạng của tiếp xúc giữa bánh răng cycloid và con lăn 52

Hình 3.29 Lực của các tiếp điểm so với góc quay của trục đầu vào 52

Hình 3.30 Mô-men đầu vào tức thời (mô-men đầu ra bằng 300 Nm) 56

Hình 3.31.Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh răng 57

Hình 3.32 Ảnh hưởng của bán kính con lăn 57

Hình 3.33 Ảnh hưởng của số lượng răng 58

Hình 3.34 Ảnh hưởng của số con lăn đầu ra 59

Hình 3.35 Ảnh hưởng của hệ số ma sát 60

Hình 3.36 Giá trị hiệu suất tối đa dưới dạng hàm của tỷ số truyền 61

Hình 3.37 So sánh giữa các giá trị hiệu suất lý thuyết của hộp số cycloidal và các giá trị hiệu suất điển hình của hộp giảm tốc hành tinh truyền thống 62

Hình 4.1 Sự hình thành biên dạng của đĩa Cycloidal 65

Hình 4.2 Hệ tọa độ xác định để phân tích sự ăn khớp răng 68

Hình 4.3 Các điểm rời rạc đối với biên dạng bánh răng cycloidal 71

Hình 4.4 Rời rạc góc đầu ra 72

Hình 4.5 Điểm được chọn để kiểm tra nhiễu 73

Hình 5.1 Sai số động học theo góc đầu vào ở hộp giảm tốc 1 80

Hình 5.2 Sai số động học theo góc đầu vào ở hộp giảm tốc 2 82

Hình 5.3 Ảnh hưởng của bán kính con lăn đến sai số động học 83

Hình 5.4 Ảnh hưởng của độ lệch tâm e đến sai số động học 85

Hình 5.6 Mối liên hệ giữa bán kính con lăn và độ lệch tâm với sai số động học 87

Hình 5.7 Mối liên hệ giữa vị trí con lăn và độ lệch tâm với sai số động học 88

Hình 5.8 Mối liên hệ giữa vị trí con lăn và bán kính con lăn với sai số động học 89

Hình B.1 Gia công profin răng đĩa Cyloid trên máy phay đứng CNC 112

Hình B.2 Mô tả quá trình cắt biên dạng đĩa Cyloid trực tiếp 113

Hình B.3 Các thông số xác định biên dạng đĩa cycloidal 114

Hình B.4 Phương trình biên dạng đĩa cycloidal từ chương trình của Blender 115

Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của bộ truyền Eppycyclic 15

Bảng 2.2 Ưu nhược điểm của bộ truyền Hamornic 19

Bảng 2.3 Những điểm khác biệt giữa hộp giảm tốc cycloidal và hộp giảm tốc bánh răng hành tinh truyền thống 25

Bảng 3.1 Các thông số chính để xác định duy nhất hình dạng hình học bên ngoài của đĩa cycloidal 49

Bảng 4.1 Các thông số cho bộ truyền cyloidal 89

Bảng 5.1 Bảng giá trị góc đầu vào1 mà sai số động học lớn nhất ở HGT 1 91

Bảng 5.2 Bảng giá trị góc đầu vào 1mà sai số động họcd2 0 ở HGT 1 91

Bảng 5.3 Bảng giá trị góc đầu vào 1 mà sai số động học ở Hộp giảm tốc 2 92

Bảng 6.1 Bảng thông số thiết kế của để tìm mối quan hệ bán kính con lăn Rrp với sai số động học 100

Bảng 6.2 Bảng thông số thiết kế của để tìm mối quan hệ vị trí con lăn Rp với sai số động học 101

Bảng 6.3 Bảng thông số thiết kế của để tìm mối quan hệ độ lệch tâm e với sai số động học 103

Bảng B.1 Bảng thông số xây dựng phương trình biên dạng răng cyloidal 125

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Bộ giảm tốc cycloidal đã được sử dụng thành công để truyền chuyển động và mô-men xoắn trong máy móc đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như thiết bị rô bốt và hệ thống điều khiển tự động So với bộ truyền động bánh răng thân khai, bộ giảm tốc cycloidal có ưu điểm là hiệu suất cao hơn, tỷ số truyền cao hơn và kích thước nhỏ gọn hơn Chúng cũng chiếm ưu thế hơn bộ truyền harmonic về khả năng chịu tải, vì các phần tử truyền mô-men xoắn chịu lực nén mà không chịu lực cắt Do đó, chúng được áp dụng phổ biến trong các thiết bị có yêu cầu đến đầu ra chính xác và trọng tải lớn, chẳng hạn như rô bốt hạng nặng

Tuy nhiên, so với bộ truyền động bánh răng thân khai, việc sản xuất bộ giảm tốc bánh răng cycloidal đòi hỏi các quy trình chuyên dụng hơn, do các đặc tính không tiêu chuẩn của thiết bị Hơn nữa, các công cụ được sử dụng để sản xuất bánh răng cycloidal không chuyên dụng như các công cụ được sử dụng để sản xuất bánh răng thân khai ( Phụ lục B) Những tính năng này làm cho việc kiểm soát độ chính xác và giảm chi phí sản xuất bộ giảm tốc cycloidal trở thành một nhiệm vụ đầy thách thức

Do đó, việc hiểu các mối quan hệ của các thông số thiết kế đối với sai số động học, hiệu suất của bộ giảm tốc bánh răng cycloidal là thực sự cần thiết Luận văn này nghiên cứu cơ sở lý thuyết , sau đó xây dựng hệ phương trình toán để tính sai số động học khi thay đổi các thông số thiết kế ở những bộ truyền cycloidal có tỉ số truyền khác nhau Cuối cùng rút ra mối quan hệ định lượng và phương trình hồi quy giữa các thông số thiết kế với sai số động học, từ đó có thể lựa chọn thông số thiết kế phù hợp để giảm sai số động học cho bộ truyền cycloidal

1.2 Mục đích nghiên cứu

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của bộ truyền cycloidal

+ Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến sai số động học

+ Dựa trên phương pháp điểm tiếp xúc răng (TCA) tính toán sai số động học khi thay đổi các thông số thiết kế đầu vào

+ Sử dụng phương pháp đánh giá và phân tích dữ liệu từ sơ đồ quan hệ, từ đó rút ra cách lựa chọn các thông số trong quá trình thiết kế của bộ truyền cycloidal để giảm sai số động học

1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phương pháp phân tích tiếp xúc răng (TCA) để hình thành các phương trình liên hệ giữa góc đầu vào và góc đầu ra Sau đó giải hệ phương trình phi tuyến

thu được góc đầu ra của đĩa cyloidal, sai số động học có thể nhận được là sự khác biệt giữa góc đầu ra mô phỏng và đầu ra lý thuyết

1.4 Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu các tài liệu và tạp chí khoa học liên quan đến bộ truyền cycloidal

+ Tìm ra các phương pháp tính toán sai số động học đã nghiên cứu + Lựa chọn phương án thích hợp tính toán sai số động học đã nghiên cứu

+ Sử dụng phần mềm Mapple để xử lý,rút gọn các phương trình toán

+ Sử dụng phương pháp Newton Raphson để giải hệ phương trình phi tuyến tính toán

+ Sử dụng Matlab tính toán và vẽ các sơ đồ liên hệ giữa các thông số thiết kế đến sai số động học

+ Đánh giá số liệu, đưa ra mối liên hệ của các thông số thiết kế đến bộ truyền cycloidal từ đó lựa chọn thông số thiết kế phù hợp để giảm sai số động học cho hộp giảm tốc cycloidal

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC BỘ TRUYỀN CÓ TỶ SỐ TRUYỀN LỚN 2.1 Bộ truyền Epycyclic

2.1.1 Lịch sử phát triển

Vào khoảng năm 500 trước Công nguyên, người Hy Lạp đã phát minh ra ý tưởng về các chu kỳ, vòng tròn di chuyển trên các quỹ đạo tròn Với lý thuyết này, Claudius Ptolemy năm 148 Sau công nguyên đã có thể dự đoán đường đi của quỹ đạo hành tinh Cơ chế Antikythera vào khoảng năm 80 trước Công nguyên, đã có bánh răng có thể ước lượng gần đúng đường đi hình elip của mặt trăng qua các tầng trời và thậm chí để điều chỉnh theo tuế sai chín năm của đường đó

Trong luận thuyết Almagest vào thế kỷ thứ 2 sau Công nguyên, Ptolemy đã sử dụng các chu kỳ quay tạo thành các đoàn tàu bánh răng theo chu kỳ để dự đoán chuyển động của các hành tinh Các dự đoán chính xác về chuyển động của Mặt trời, Mặt trăng và năm hành tinh (Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa, Sao Mộc và Sao Thổ) trên bầu trời giả định rằng mỗi hành tinh đi theo một quỹ đạo được truy tìm bởi một điểm trên bánh răng hành tinh của một đoàn tàu bánh răng tuần hoàn Đường cong này được gọi là biểu mô

Vào thế kỷ 11 sau Công nguyên, hệ thống truyền động theo chu kỳ được phát minh lại bởi Ibn Khalaf al-Muradi ở Al-Andalus Đồng hồ nước có bánh răng của ông đã sử dụng một cơ chế truyền bánh răng phức tạp bao gồm cả bánh răng phân đoạn và vòng tuần hoàn

Richard ở Wallingford, tu viện trưởng người Anh của tu viện St Albans, sau đó đã mô tả việc vận hành theo chu kỳ cho đồng hồ thiên văn vào thế kỷ 14 Năm 1588, kỹ sư quân sự người Ý, Agostino Ramelli, đã phát minh ra một giá sách xoay theo chiều dọc có chứa bánh răng theo chu kỳ với hai cấp bánh răng hành tinh để duy trì hướng phù hợp của sách

Nhà toán học và kỹ sư người Pháp Desargues đã thiết kế và xây dựng nhà máy đầu tiên với bánh răng epicycloidal vào năm 1650

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bộ truyền Epycyclic có hai bánh răng được lắp, bánh răng này quay quanh tâm của bánh răng kia Một giá đỡ được sử dụng để kết nối các tâm của bánh răng đầu vào và bánh răng đầu ra Bánh răng hành tinh sẽ quay quanh bánh răng mặt trời

Bánh răng hành tinh kết hợp với bánh răng mặt trời theo cách sao cho các vòng tròn góc của chúng có thể lăn mà không bị trượt Các hộp giảm tốc bánh răng hành tinh có thể sử dụng kết hợp với động cơ thủy lực, động cơ điện hoặc động cơ IC để tăng hiệu suất, độ bền và khả năng kiểm soát tải trọng lớn

Sự kết hợp giữa bánh răng hành tinh ăn khớp với bánh răng mặt trời và bánh răng vòng cùng một lúc, được gọi là tàu bánh răng hành tinh và được thể hiện trên Hình 2.1.Khi động cơ truyền động bánh răng mặt trời, nó sẽ tiếp tục truyền động bánh răng hành tinh về các trục tương ứng của chúng và bánh răng mặt trời Nơi của bánh răng hành tinh cố định thông qua một giá đỡ Giá đỡ này tiếp tục kết nối với trục đầu ra Cấu tạo của một hộp số bánh răng hành tinh thực tế được thể hiện ở Hình 2.2

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động bánh răng hành tinh[motioncontroltips.com]

GIÁ ĐỠ VÀNH RĂNG

BÁNH RĂNG MẶT TRỜI

BÁNH RĂNG HÀNH TINH

Hình 2.2.Cấu tạo hộp số bánh răng Epycyclic [lancereal.com]

2.1.3 Ứng dụng của bộ truyền Epycyclic

Bộ truyền Epycyclic là trái tim của các công nghệ kỹ thuật mới Hộp số sử dụng các bánh răng để truyền động mọi thứ từ máy móc đơn giản đến các hệ thống cơ điện hiện đại nhất Ngày nay, các nhà sản xuất sử dụng bánh răng hành tinh, cần độ bền cao, hiệu suất cao và mật độ mô-men xoắn

Trong hộp số hành tinh, các răng ăn khớp lớn nhất của các bánh răng quay cùng một lúc Chuyển động này mang lại sự giảm tốc ở tốc độ cao, có được thông qua các bánh răng tương đối nhỏ và quán tính thấp được phản hồi bởi hệ thống

Các răng của bánh răng phân phối tải trọng và cho phép các bộ phận hành tinh tạo ra mô-men xoắn cao Việc phân nhóm truyền mô-men xoắn cao, kích thước nhỏ gọn và giảm tốc độ làm cho hộp số hành tinh trở thành lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng có không gian hạn chế Các hộp số này được sử dụng phổ biến nhất trên máy bay, xe máy, ô tô và nhiều loại xe khác

Bánh răng hành tinh

Bánh răng hành tinhBánh răng mặt trời

Bánh răng hành tinh

Hộp số bánh răng hành tinh Epycyclic được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng sau :

 Ngành robot để tăng mô-men xoắn

 Trong máy ép in để giảm tốc độ của trục lăn  Sử dụng để điều khiển vị trí cụ thể

 Sử dụng trong các dây chuyền đóng gói  Dẫn động các bánh xe

 Truyền động đầu máy cắt

 Sử dụng để điều khiển máy khoan  Sử dụng trong máy bơm và máy nén

2.1.4 Ưu nhược điểm của bộ truyền Epycyclic

Hệ thống bánh răng hành tinh có rất nhiều lợi thế so với các hộp số truyền thống

Ưu nhược điểm của bộ truyền Epycyclic được mô tả như Bảng 2.1

Bảng 2.1 Ưu nhược điểm của bộ truyền Eppycyclic

- Được sử dụng trong các ứng dụng có tỷ số truyền cao hơn khi cần không gian nhỏ gọn

- Đối với tỷ số truyền tương tự sẽ có trọng lượng nhẹ hơn

- Hiệu suất truyền lực tốt

- Có khả năng truyền mô-men xoắn cao hơn và quán tính thấp hơn - Tải trọng đang được truyền sẽ được

chia sẻ giữa nhiều bánh răng hành tinh, do đó sự phân bổ tải trọng sẽ

- Giá thành cao hơn so với hộp số truyền thống

- Thiết kế và chế tạo hệ thống bánh răng hành tinh khá phức tạp

- Sự ăn khớp phải chính xác

- Một số cách sắp xếp bánh răng hành tinh tạo ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động

- Bộ phận dẫn động và được dẫn động phải đồng tâm

khá tốt và việc truyền mô-men xoắn cũng sẽ được tăng lên bằng cách sử dụng bố trí bánh răng hành tinh - Sự sắp xếp bánh răng hành tinh sẽ

mang lại sự ổn định cao hơn

- Tuổi thọ sử dụng cũng sẽ khá tốt nếu chúng ta so sánh nó với tuổi thọ sử dụng của hộp số truyền thống đối với tải trọng tương tự

- Khó xác định hiệu suất của hệ thống bánh răng hành tinh

2.2 Bộ truyền harmonic 2.2.1 Lịch sử phát triển

Khái niệm cơ bản về truyền động bánh răng dạng sóng (SWG) được C.W Musser đưa ra trong một bằng sáng chế năm 1957 khi ông còn là cố vấn tại United Shoe Machinery Corp (USM) Lần đầu tiên nó được sử dụng thành công vào năm 1960 bởi USM Co và sau đó là Hasegawa Gear Works theo giấy phép của USM Sau đó, Hasegawa Gear Work trở thành Harmonic Drive Systems đặt tại Nhật Bản

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý bộ truyền

Nó hoạt động theo nguyên lý khác với nguyên lý của các bộ thay đổi tốc độ thông thường Thiết bị này bao gồm một vòng mỏng có thể bị lệch đàn hồi khi nó cuộn bên trong một vòng tròn cứng lớn hơn một chút

Có ba yếu tố trong một bộ truyền harmonic cơ bản: một đường tròn, một đường gấp khúc và một bộ tạo sóng Đường cong tròn có các răng bên trong lưới với các răng bên ngoài trên đường gấp khúc Đường uốn có ít răng hơn và do đó đường kính hiệu dụng nhỏ hơn so với đường tròn Bộ tạo sóng có hình dạng elip và hoạt động như một liên kết với hai con lăn quay trong đường gấp khúc, làm cho nó lưới với đường tròn tăng dần tại các điểm đối diện nhau về mặt đường kính

Nếu bộ tạo sóng (đầu vào) quay theo chiều kim đồng hồ trong khi đường trục tròn được cố định, đường gấp khúc (đầu ra) sẽ quay hoặc cuộn bên trong đường trục tròn với tốc độ chậm hơn nhiều theo hướng ngược chiều kim đồng hồ

Tỷ số giữa tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra phụ thuộc vào sự khác biệt về số lượng răng trên đường trục tròn và trên đường gấp khúc Các tỷ số truyền cao từ 320 đến 1 có thể được tạo ra trong các bộ truyền 1 cấp, nhẹ hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn các bộ truyền có tỷ số truyền cao thông thường

Bộ truyền động hỗn hợp có thể tạo ra tỷ lệ cao tới 1.000.000 đến 1 Đường spline tròn, đường gấp khúc hoặc bộ tạo sóng có thể được cố định trong khi hai phần tử còn lại đóng vai trò là đầu vào và đầu ra Hình 2.3 biểu diễn nguyên lý hoạt động và cấu tạo của bộ truyền hamonic

Hình 2.3 Cấu tạo của bộ truyền harmonic

2.2.3 Ứng dụng của bộ truyền harmonic

Một đặc tính hữu ích và độc đáo của bộ truyền là khả năng truyền chuyển động qua các bức tường kín Các răng (flexspline) có thể được đặt gần tâm của một ống hình trụ dẻo dài được bịt kín Bộ truyền động sóng có thể ở bên trong ống, và bằng cách quay của nó, nó có thể làm lệch đường uốn cong và tạo ra chuyển động quay

chậm của đường ống tròn bao quanh Một phiên bản chuyển động quay sang tuyến tính của bộ truyền sử dụng một vít và di chuyển thanh điều khiển trong đầu lò phản ứng hạt nhân mà không cần tiếp xúc cơ học qua một ống kín Hệ thống bộ truyền harmonic hữu ích trong việc tăng mô-men xoắn đầu ra trong các bánh răng được sử dụng trong máy phay, trong sản xuất và trong các máy sử dụng cánh tay rô-bốt Chúng đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ các mặt hàng tiêu dùng giá rẻ như máy bán hàng tự động cho đến các hệ thống tinh vi dùng trong quân sự và hàng không vũ trụ

2.2.4 Ưu nhược điểm của bộ truyền hamornic

Bộ truyền hamornic thuộc một đẳng cấp riêng khi nói đến khả năng điều khiển chuyển động và truyền lực cơ học Với các nguyên tắc hoạt động và cấu tạo giúp tối đa hóa mô-men xoắn đầu ra và giảm thiểu kích thước và trọng lượng, bộ truyền harmonic mang lại những lợi thế như tỷ số truyền cao ở bộ truyền một cấp, không có phản ứng dữ dội và độ chính xác cao mà các bánh răng thông thường không thể sánh được Ưu nhược điểm của bộ truyền hamornic được thể hiện ở Bảng 2.2

Bảng 2.2 Ưu nhược điểm của bộ truyền Hamornic

- Độ chính xác cao

- Công suất mô-men xoắn cao

- Tỷ số truyền cao trong một cấp dao động từ 50: 1 đến 320: 1 với cùng trọng lượng và kích thước cơ học - Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ - Hiệu suất vượt trội và tuổi thọ cao - Hoạt động êm ái và rung động ở

mức tối thiểu

- Phương pháp chế tạo phức tạp giá thành cao

- Điều kiện tản nhiện kém

- Không thể sử dụng trong trường hợp tỉ số truyền nhỏ hơn 35

- Mômen quán tính và mômen khởi động lớn nên không thích hợp cho bộ truyền theo dõi công suất thấp

2.3 Bộ truyền cycloidal 2.3.1 Lịch sử phát triển

Bộ truyền bánh răng cycloidal được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng con lăn với bánh răng có biên dạng cycloidal (còn gọi là đĩa cycloidal) hay gọi tắt là bộ truyền cycloidal Biên dạng cycloidal 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 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 cycloidal vào thực tế lúc đó còn nhiều hạn chế do sự phức tạp trong quá trình xây dựng biên dạng cycloidal và hiệu suất của bộ truyền chưa cao do chưa khắc phục được ma sát trượt hình thành trong bộ truyền khi làm việc

Đến những năm 80 với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hướng thay dần ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ bổ sung các con lăn trên các chốt và sự trợ giúp của máy tính thì các nghiên cứu về biên dạng cycloidal 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

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của bộ truyền cycloidal được thể hiện ở Hình 2.4

Hộp giảm tốc cycloidal bao gồm bốn thành phần chính:

1 Trục đầu vào: nó liên quan đến mô-men xoắn thấp hơn và tốc độ cao hơn và nó được ghép trực tiếp với các đĩa cycloidal Hơn nữa, trục đầu vào có hai ổ lăn lệch tâm

như Hình 2.5 cho thấy

2 Các đĩa cycloidal: có khả năng thêm nhiều hơn một đĩa, để giảm các biến dạng trên bản thân các đĩa cycloidal đặc biệt là đối với tải trọng cao Tuy nhiên, các đĩa phải được gắn theo cách này để giảm rung động Do sự ra đời của ổ trục lệch tâm, có sự lệch tâm của trục vào và đĩa cycloidal, được lắp lệch pha Độ lệch tâm này cho phép các tâm đĩa quay trong vỏ, giúp cho việc gắn kết có thể xảy ra Các đĩa cycloidal

được trang bị các răng có số răng thấp hơn các con lăn của vỏ, gây ra quỹ đạo quay ngược lại trong chính vỏ

3 Vỏ với các con lăn bên trong: các con lăn (ở trạng thái cố định) tiếp xúc lưới với các răng của đĩa cycloidal

4 Trục đầu ra với các con lăn: các con lăn được kết hợp với các đĩa cycloidal thông qua các thùy bên trong để có thể truyền chuyển động từ các đĩa sang trục đầu ra Hơn nữa, trục đầu ra liên quan đến mô-men xoắn cao hơn và tốc độ thấp hơn

Hình 2.4 Cấu tạo bộ giảm tốc cyclodidal.[1]

Sau đó, trục tốc độ cao được liên kết với các đĩa cycloidal thông qua mối ghép then hoa, mối nối cứng này gây ra chuyển động quay bánh răng cycloidal lệch tâm Điều này cho phép các đĩa lăn trên các con lăn bánh răng vòng Phần tiếp giáp giữa các con lăn đầu ra và các đĩa bằng các lỗ bên trong giúp cho việc quay của trục đầu ra có thể thực hiện được Các lỗ này lớn hơn kích thước của các con lăn đầu ra và điều này cho phép các con lăn tự quay xung quanh các lỗ

Đĩa cycloid

Ổ lệch tâm đầu vào

Trục đầu vào

Con lăn đầu ra Con lăn trên vỏ

Ổ lệch tâm đầu ra Trục đầu ra

Hình 2.5 Bản vẽ của hộp giảm tốc cycloidal.[1]

Tất cả những tương tác này giải thích tại sao chuyển động quay của trục đầu ra lại có cùng hướng với chiều quay của trục đầu vào Phân tích những đặc điểm chính này, có thể thấy rõ rằng hộp giảm tốc cycloidal so với hộp giảm tốc truyền thống có cấu tạo phức tạp hơn.Tuy nhiên có thể có được tỷ số truyền cao với một cấp duy nhất, điều này ảnh hưởng đến kích thước chung của hộp giảm tốc Trong một số ứng dụng,

kích thước có thể là một trong những điều kiện thiết kế và được xem là yếu tố quan trọng nhất

2.3.3 Ứng dụng của bộ truyền cycloidal

Bộ truyền với ăn khớp cycloidal 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 Các động cơ hộp giảm tốc này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, ví 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.[15]

Mỗi khi chúng ta nên chọn cho một ứng dụng cụ thể có dùng đến hay không sử dụng bộ truyền bánh răng cycloidal, thì bắt buộc phải tính đến các vấn đề sau:

1 Điều kiện môi trường (nhiệt độ hoạt động, bụi, )

2 Kích thước vật lý và bất kỳ yêu cầu nào về hình dạng hoặc không gian

3 Bảo dưỡng và bôi trơn

4 Độ cứng xoắn của các bộ phận chính của bản thân bộ giảm tốc 5 Chu kỳ làm việc

Theo các điều kiện đã đề cập ở trên, cuối cùng chúng ta có thể xác định lĩnh vực ứng dụng điển hình cho bộ truyền động cycloidal và hộp số hành tinh Ngày nay, các nhà sản xuất hộp giảm tốc cycloidal hàng đầu là Sumitomo ([2]) và Nabtesco ([3]) Để tìm ra công nghệ này, chúng tôi sẽ hãy xem một ví dụ từ catalouge thương mại của Sumitomo

2.3.4 Ưu nhược điểm của bộ truyền cycloidal

Giữa hộp giảm tốc truyền thống và hộp giảm tốc cycloidal, độ chính xác cần thiết trong các ứng dụng sẽ trở thành một trong những tiêu chuẩn cho sự lựa chọn thiết kế Nếu phản hồi và độ chính xác của vị trí là quan trọng, thì hộp giảm tốc cycloidal là lựa chọn tốt nhất Theo tỷ số truyền từ 3 : 1 đến 100 : 1, hộp số hành tinh cung cấp mật độ mô-men xoắn, trọng lượng và độ chính xác tốt nhất Tuy nhiên, nếu tỷ số truyền yêu cầu vượt quá 100 : 1, hộp giảm tốc cycloidal giữ lợi thế vì các giai đoạn xếp chồng là không cần thiết, do đó hộp giảm tốc có thể nhỏ gọn hơn và ít tốn kém hơn

Phản hồi, tỷ lệ và kích thước cung cấp cho các kỹ sư lựa chọn hộp giảm tốc sơ bộ Nhưng việc lựa chọn hộp số phù hợp còn liên quan đến khả năng chịu lực, độ cứng xoắn, tải trọng xung kích, điều kiện môi trường, chu kỳ làm việc và tuổi thọ

Cả bộ giảm tốc cycloidal và hành tinh đều thích hợp trong bất kỳ ngành công nghiệp nào sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước Và mặc dù cả hai đều là bộ giảm tốc tuần hoàn, nhưng sự khác biệt giữa hầu hết các hộp số hành tinh bao gồm dạng hình học của bánh răng và quy trình sản xuất hơn là nguyên lý hoạt động

Để tóm tắt tất cả các cuộc thảo luận, chúng ta có thể liệt kê những lợi ích của hộp giảm tốc bánh răng hành tinh :

1 Mật độ mô-men xoắn cao (đặc biệt đối với tải trọng thấp hơn)

2 Sự phân bố và chia sẻ tải trọng giữa các bánh răng hành tinh

3 Hiệu suất cao

4 Quán tính đầu vào thấp 5 Phản ứng dữ dội thấp

6 Chi phí thấp

Ngược lại, đối với hộp giảm tốc cycloidal, chúng có những lợi ích như:

1 Phản ứng dữ dội bằng không hoặc rất thấp vẫn tương đối không đổi trong suốt thời gian hoạt động của ứng dụng

2 Lăn thay vì trượt tiếp điểm

3 Khả năng chịu tải xung kích

4 Tỷ số truyền vượt quá 200 : 1 trong một kích thước nhỏ gọn

5 Hoạt động êm ái

Chúng ta tóm tắt những điểm khác biệt chính giữa hộp giảm tốc cycloidal và hộp giảm tốc bánh răng hành tinh truyền thống ở Bảng 2.3

Bảng 2.3 Những điểm khác biệt giữa hộp giảm tốc cycloidal và hộp giảm tốc bánh

răng hành tinh

Hộp giảm tốc Cycloidal Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

- Bao gồm 4 thành phần chính: trục đầu vào, đĩa cycloidal, vỏ với các con lăn và trục đầu ra

-Ba thành phần chính: bánh răng mặt trời, nhiều bánh răng hành tinh và một bánh răng vòng trong

- Sử dụng rất tốt khi ải cực nặng - Có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn

- Hoạt động ở tỷ số truyền cao hơn cho phép chúng được điều khiển với ít năng lượng hơn

- Hoạt động với tỷ số truyền nhỏ

- Là sự lựa chọn tốt nhất trong các ứng dụng để có độ chính xác vị trí cao

- Bánh răng hành tinh tốt nếu độ chính xác vị trí không phải là mối quan tâm

Để hiểu rõ hơn hộp giảm tốc này , chúng ta sẽ xem xét một ví dụ từ catalouge của Sumitomo.Đề cập đến bộ truyền cycloidal ở Hình 2.6, kể từ khi phân tích dữ liệu kỹ thuật, chúng ta nhận thức được các thuộc tính cực kỳ cách mạng của bộ giảm tốc này:

ví dụ đối với bộ giảm tốc 0,37kW, có thể có tỷ số truyền trong khoảng 25 đến 731 với kích thước tối đa từ 70 mm đến 102 mm

Như trong catalouge của Sumitomo chúng ta có thể liệt kê những lợi ích quan trọng của công nghệ này:

1 Khả năng quá tải cực sốc

Vì cấu tạo của hộp giảm tốc cycloidal phân bổ tải trọng đến nhiều răng cycloidal, nên nó có thể chịu được quá tải do ngắt quãng tạm thời trong các tình huống khẩn cấp

4 Khả năng dừng, khởi động thường xuyên và đảo chiều

Quán tính của hộp giảm tốc cycloidal được giảm xuống mức tối thiểu để nó phản ứng nhanh trong các ứng dụng đặc biệt

5 Tiếng ồn thấp

Khi so sánh với sự tiếp xúc trượt răng của bánh răng xoắn thông thường, hệ thống cycloidal cung cấp mức độ tiếng ồn giảm

6 Hiệu quả cao ở tỷ số truyền cao

Bộ phận truyền mômen quay có tác dụng lăn với ma sát tối thiểu

7 Không có giới hạn về yếu tố nhiệt

Hoạt động hầu như ít ma sát hơn nên loại bỏ những hạn chế thông thường do nhiệt

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ TRUYỀN CYCLOIDAL 3.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất

3.1.1 Tình hình sản xuất trên thế giới

Hãng Hap Dong của Hàn Quốc có hộp giảm tốc kiểu nằm và đứng (Hình 3.1) với:

- Mômen xoắn tới hạn đạt tới 60700Nm

Hình 3.2 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng

- Tỉ số truyền 6 đến 119 với hộp một cấp, đến 10000 với hai cấp, đến 100000 với ba cấp

- Hiệu suất 94%; quá tải 500%

3.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số đơn vị sản xuất loại bộ truyền này, cụ thể là đề tài KC-05-15 do Viện nghiên cứu cơ khí hợp tác với Trung tâm tự động hoá Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thực hiện Trong đề tài đó đã thực hiện chế tạo thành công đĩa Cycloidal với phương pháp cắt bao hình bằng dao phay lăn

Tuy nhiên phương pháp đó không linh hoạt đối với các profin và sai số khá nhiều do gặp sự sai lệch ngay từ khi thiết kế dao Sau đó Trung tâm tự động hoá Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện chế tạo thành công đĩa Cycloid bằng máy cắt dây CNC (Hình 3.4 và Hình 3.5) và chuyển giao công nghệ cho Nhà máy Cơ khí Mai Động sản xuất hàng loạt (Hình 3.6) Tuy nhiên chưa tiến hành nghiên cứu tính toán độ bền đối với các bộ truyền này

Hình 3.4 Các đĩa Cycloidal do Trung tâm tự động hoá-ĐH Bách Khoa HN chế

tạo

Các đề tài nghiên cứu khác:

- Đề tài “Tính toán độ bền mỏi tiếp xúc trong bộ truyền bánh răng con lăn” do Vũ Lê

Huy Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ 53 (1) (2015) 115-126

Ứng dụng của đề tài:

Đề tài dựa theo phương pháp tính toán bánh răng trụ thân khai theo độ bền tiếp xúc, thiết lập phương pháp tính toán kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc cho bộ truyền bánh răng con lăn Công thức tính ứng suất tiếp xúc xuất hiện giữa răng đĩa Cycloid và các con lăn trên vành răng chốt cũng như giữa các lỗ đầu ra trên đĩa Cycloid và các con lăn đầu ra đã được thiết lập xuất phát từ công thức Héc Từ đó đã rút ra được các công thức tính thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn theo độ bền tiếp xúc, trong đó công thức xác định bán kính của vành răng chốt là quan trọng nhất

Kết quả tính toán thiết kế áp dụng đã cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các công thức tính toán về độ bền tiếp xúc cũng như công thức tính thiết kế đã được xây dựng trong bài báo này Tuy nhiên, trong các công thức đã thiết lập cho bộ truyền này, một số hệ số được suy ra trực tiếp từ bộ truyền bánh răng trụ thân khai răng

thẳng, do đó cần có các nghiên cứu bổ sung để củng cố các hệ số này Mặt khác cũng cần có thêm các tính toán khảo sát ảnh hưởng của các tham số cũng như cơ tính vật liệu đến kết quả tính toán kiểm nghiệm và thiết kế

Dẫu vậy, đây là bước đầu quan trọng làm cơ sở cho việc xây dựng một phương pháp tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn cũng như các hộp giảm tốc bánh răng con lăn, từ đó có thể tiến tới chế tạo các bộ truyền cụ thể và tiến hành thí nghiệm để có giá trị của các hệ số chính xác và hoàn chỉnh phương pháp tính toán này

- Đề tài “ Tổng hợp bộ truyền bánh răng không tròn ăn khớp ngoài biên dạng cycloid”

“Synthesis of the External Non-Circular Gear-Train with Cycloid Profile ” do

Nguyễn Hồng Thái trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ 145 (2020) 033-039

Ứng dụng của đề tài:

Mô hình toán học của đề tài được thiết lập bởi nghiên cứu này cho phép thiết kế các cặp BRKT có biên dạng là đường cong cycloid đây chính là điểm mới của nghiên cứu này Ưu điểm của thiết kế này so với biên dạng thân khai mà các công trình nghiên cứu khác về BRKT đã công bố là các răng luôn được cân đối và đều nhau (do đặc điểm hình thành biên dạng đường tròn lăn không trượt trên đường lăn), còn biên dạng thân khai thì các răng của bánh răng không tròn có độ dày không đều nhau dẫn đến yếu chân răng

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn trong việc chế tạo các loại BRKT mới phục vụ trong các cơ cấu và máy tự động của sản xuất công nghiệp như : hộp biến đổi tốc độ CVT của động cơ ô tô thế hệ mới, máy đột dập liên tục, thiết bị y tế

3.1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu về bộ giảm tốc cycloidal đã được nhiều nhà nghiên cứu tiến hành về các chủ đề khác nhau, chẳng hạn như biên dạng, tiêu chí sản xuất không có đường cắt, phân tích lỗi động học và khe hở, phân tích lực, phát triển cơ chế mới và hiệu suất động lực học Nghiên cứu về bộ giảm tốc cycloidal bắt nguồn từ các nghiên cứu

của Botsiber và Kingston [4] và Pollitt [5], nơi mà bộ giảm tốc cycloidal ban đầu được giới thiệu Blanche và Yang [6] đã sử dụng phương pháp vectơ để tạo ra biên dạng cycloidal và sau đó phân tích dung sai gia công và ảnh hưởng của chúng đến tốc độ đầu ra Litvin và Feng [7] đã nghiên cứu sự hình thành và hình học của các bánh răng cycloidal phẳng thông qua lý thuyết về bánh răng Yan và Lai [8] đã tiếp cận thiết kế hình học thông qua phép biến đổi ma trận và lý thuyết bề mặt liên hợp Fong và Tsay [9] và Hwang và Hsieh [10] đã nghiên cứu các điều kiện và đề xuất các tiêu chí để sản xuất không cắt xén Beard et al [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và độ dịch chuyển của con lăn đối với độ cong và sự dịch chuyển của epitrochoidal gerotors

Ngoài ra, sự phát triển của bộ giảm tốc cycloidal mới có thể được tìm thấy trong tài liệu sáng chế [12,13] Janek [12] đã phát minh ra một hệ thống truyền động trong đó một cơ cấu trong thiết bị có thể biến đổi chuyển động hành tinh của cycloidal thành chuyển động quay của bộ phận đầu ra Nakamura [13] đề xuất một bộ giảm tốc độ hai cấp trong đó cấp đầu tiên chứa bộ bánh răng hành tinh và cấp thứ 2 là bộ bánh răng cycloidal Li và cộng sự [14] đề xuất một bộ truyền động cycloidal mới dành cho khả năng chịu tải cao Blagojevic và cộng sự [15] đã giới thiệu một bộ giảm tốc cycloidal hai cấp mới có tỷ lệ truyền có thể tăng lên trong khi vẫn duy trì khối lượng xấp xỉ như của bộ truyền cycloidal một cấp Chen và cộng sự [16] trình bày một bộ truyền động cycloidal mới có khả năng chịu tải lớn hơn Lin và cộng sự [17] cũng đề xuất một bộ giảm tốc cycloidal hai cấp mới và nghiên cứu các sai số truyền động của bộ truyền động có hiệu chỉnh răng

Sai số và khe hở động học là hai trong số những mối quan tâm lớn khi đánh giá hiệu suất của bộ truyền động bánh răng Yang và Blanche [18] đã nghiên cứu sai số và khe hở động học do dung sai của biên dạng cycloidal; tuy nhiên, chỉ có một loại dung sai biên dạng được xem xét Hidaka và cộng sự [19,20] đã phát triển một mô hình có lò xo để mô phỏng một mô hình có dung sai, và sau đó giải các phương trình cân bằng lực để thu được độ dịch chuyển như một hàm của dung sai và sai số động học; họ đã xem xét nhiều loại dung sai hơn cho bánh răng cycloidal Tuy nhiên, cần