nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo mô hình hộp giảm tốc harmonic

v LỜI NÓI ĐẦU Hộp số điều hòa Harmonic Gearbox còn được gọi là Hộp số truyền động điều hòa Harmonic Drive Gearbox hoặc Hộp số sóng biến dạng Strain Wave Gearbox ban đầu chỉ được giới th

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Ngày nay, sự phát triển về công nghệ kỹ thuật diễn ra một cách nhanh chóng, thúc đẩy xã hội phát triển không ngừng Sự phát triển này được xem là bước mở ngoặc lớn mà trước đây con người không nghĩ là có thể đạt được Những công nghệ này có mặt len lõi chúng ta trong đời sống hàng ngày Trong công nghiệp, sự tận dụng các robot ở các khâu sản xuất trong ngành chế tạo ô tô cải thiện độ chính xác và chất lượng sản phẩm một cách đáng kể giúp cho người dùng có trãi nghiệm tốt hơn và an toàn hơn

Sự phát triển trong việc sản xuất các sản phẩm chất bán dẫn tạo ra bộ vi xử lý mạnh mẽ và chip nhớ có dung lượng lớn Bên cạnh đó, các vệ tinh quay xung quanh Trái Đất cho phép sự kết nối toàn cầu phục vụ cho công việc trong đời sống Sự tiến bộ trong kỹ thuật y khoa đã cải thiện rất nhiều về khả năng của các bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh cũng như mở rộng và cải thiện điều kiện y tế nhằm đảm bảo cuộc sống của chúng ta trở nên chất lượng hơn Chúng ta có thể khám phá những điều kỳ diệu trong không gian như Mặt Trăng – vệ tinh tự nhiên của Trái Đất, hay các hành tinh xung quanh ta để hiểu rõ hơn về Trái Đất nơi mà chúng ta đang sinh sống

Trong tất cả các sự tiến bộ về kỹ thuật ở trên đều góp mặt của một sản phẩm phổ biến Nó dựa trên một khái niệm cơ khí độc nhất được tạo ra bởi một nhà phát minh thiên tài, người đã giành được hơn 200 bằng sáng chế - Walton Musser Sản phẩm độc đáo này được gọi là “Strain Wave Gear” (Giảm tốc bánh răng sóng) hay còn được gọi là bộ giảm tốc Harmonic

Chính vì sự độc đáo và ứng dụng rộng rãi của bộ giảm tốc Harmonic nên nhóm chúng tôi đã được giảng viên giới thiệu và hướng dẫn trong việc tìm hiểu và đồng ý thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình hộp giảm tốc Harmonic” Đề tài này giúp cho việc thiết kế, chế tạo, tính toán, cách thức hoạt động của bộ giảm tốc Harmonic một cách rõ ràng.

Tính cấp thiết của đề tài

Bộ giảm tốc Harmonic tại Việt Nam nói riêng và các nước khác nói chung đều có tính cấp thiết và quan trọng ở nhiều khía cạnh:

Tỷ số truyền động lớn: Bộ giảm tốc Harmonic có tỷ số tốc độ truyền bánh răng điều hòa cao từ 1/30 cho đến 1/320 Ở một số thiết bị khác có thể đạt tới 1/1000 Tuy vậy bộ giảm tốc Harmonic cung cấp khả năng truyền động đáng kinh ngạc mà không

2 cần sử dụng các cơ chế hay cấu trúc phức tạp Chính vì vậy đã giúp cho bộ giảm tốc này trở nên phổ biến

Cấu trúc đơn giản dễ lắp đặt: Cấu trúc của bộ tạo sóng Harmonic chỉ với ba bộ phận cơ bản được căn chỉnh trên trục đầu ra và đầu vào mang tính đồng trục cho phép sản phẩm có cấu hình đơn giản và dễ dàng được tích hợp vào các sản phẩm lắp ráp

Kích thước nhỏ và nhẹ: Với sự đơn giản và cấu trúc đơn giản nhưng mang lại hiệu quả của mình so với các bộ giảm tốc thông thường, bộ giảm tốc Harmonic có kích thước về các cơ cấu truyền động nhỏ hơn 1/3 và về trọng lượng nhỏ hơn 1/2 nhưng nó vẫn cung cấp cùng mức mômen xoắn và tỷ số truyền như các bộ giảm tốc khác cho phép ứng dụng trong việc chế tạo máy móc và thiết bị nhỏ nhẹ hơn Độ chính xác cao: Do phần lớn các răng trong bộ giảm tốc Harmonic được ăn khớp với nhau và ăn khớp ở hai vùng cách nhau 180° Điều này giúp triệt tiêu sai số bước răng lên độ quay chính xác để đảm bảo độ chính xác cao về vị trí và độ quay, giúp cho sản phẩm của mình đạt được chất lượng tốt hơn so với các sản phẩm của đối thủ cạnh tranh khác

Với những yêu cầu và sự cấp thiết trên thì nhóm chúng tôi đã thống nhất và chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình hộp giảm tốc Harmonic”.

Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của bộ giảm tốc Harmonic: nắm vững nguyên tắc chính như cấu trúc bộ giảm tốc, cách thức truyền động

- Tính toán và chọn động cơ, thiết kế trục, các bánh răng và các chi tiết cho phù hợp với yêu cầu

- Sử dụng phần mềm thiết kế 3D như Inventor, Creo để xây dựng mô hình, lắp ráp và kiểm tra sản phẩm, sau đó sử dụng phần mềm 2D như AutoCAD để lên bản vẽ chi tiết và lắp ráp

- Gia công lắp ráp các chi tiết và tiến hành chạy thử nghiệm sau đó đánh giá kết quả về độ chính xác của sản phẩm và hoàn thiện.

Đối tượng nghiên cứu

- Phần mềm thiết kế Inventor Professional, Creo

- Phần mềm xuất bản vẽ Creo, AutoCAD

Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình, nhóm chúng tôi đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: dựa trên các bài báo, tài liệu chuyên ngành về cơ khí, các đề tài tốt nghiệp của người đi trước, kiến thức trên internet, từ đó có thế xác định nguyên lí hoạt động của hộp giảm tốc Harmonic

- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành chạy thử nghiệm, thu thập số liệu, kiểm tra những vấn đề đã dự đoán có thể phát sinh như độ chính xác khi gia công, độ êm của sản phẩm khi hoạt động từ đó đưa ra phương pháp khắc phục để đạt được những mục tiêu đề ra ban đầu

- Phương án tính toán, thiết kế: tính toán, thiết kế, chọn vật liệu, kiểm tra độ ăn khớp của trục máy và các bánh răng.

Nội dung đề tài

Đề tài thực hiện gồm những nội dung sau:

- Tìm hiểu về hộp giảm tốc Harmonic cũng như công dụng thực tế của sản phẩm trong đời sống hàng ngày

- Nghiên cứu, thiết kế các chi tiết, bộ phận trên phần mềm Inventor, Creo

- Tiến hành ra bản vẽ gia công và lắp ráp các chi tiết của sản phẩm

- Lắp ráp sản phẩm hoàn chỉnh

- Chạy thử nghiệm và khắc phục các vấn đề phát sinh.

Ý nghĩa đề tài

Đề tài tạo cho người thực hiện có cơ hội để vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế từ đó nhận ra những thiếu sót của bản thân, đồng thời tạo điều kiện để học hỏi, nâng cao khả năng sáng tạo hơn trong quá trình làm việc Đề tài cũng tạo điều kiện để nghiên cứu, tính toán để chọn lựa sản phẩm phù hợp với yêu cầu của khách hàng

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Lịch sử phát triển của hộp giảm tốc Harmonic

Trong những năm 50 của thế kỷ trước, yêu cầu về hiệu suất về lĩnh vực vũ trụ ngày một tăng lên Điều này không thể thực hiện được nếu không có sự cải tiến về bộ truyền động Các bộ truyền động cũng như các bánh răng phải hoạt động chính xác, theo đó là một loạt các yêu cầu phức tạp khác như khả năng ăn khớp cao, công suất mômen xoắn lớn, độ cứng cao, thiết kế nhẹ, nhỏ gọn và giá thành cạnh tranh

Với những yêu cầu kỹ thuật như vậy, khái niệm bộ truyền động Harmonic (Harmonic Drive - HD) hay truyền động sóng biến dạng (Strain Wave Gearing - SWG) được xuất hiện đầu tiên vào năm 1955 do C.Walton Musser phát minh và được giới thiệu trong bằng sáng chế của ông, sau đó nó được ông và các nhà khoa học khác nghiên cứu và phát triển thêm Trước khi Musser phát minh ra bánh răng điều hòa Harmonic, các khuynh hướng nỗ lực nhằm cải thiện trong các cơ cấu bánh răng để đạt được tốc độ cũng như là độ chính xác cao hơn để truyền lực truyền động và chuyển động thì các nhà nghiên cứu chỉ tập trung vào việc làm cho cơ cấu bánh răng trở nên cứng hơn Trong khi đó, nguyên lí của bánh răng điều hòa Harmonic là tận dụng tính linh hoạt của kim loại và áp dụng động lực đàn hồi Vì phương pháp truyền động lực này đã thay đổi quan niệm thông thường nên nó đột nhiên trở thành đối tượng được cả thế giới quan tâm

Nhờ vào cấu trúc đơn giản cùng với tỷ số truyền lớn, hiệu suất truyền cao nên bộ truyền động Harmonic được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ, robot, ô tô, máy móc thiết bị và các lĩnh vực khác

Bộ truyền động Harmonic đầu tiên được áp dụng trong lĩnh vực máy bay và quốc phòng Vào năm 1960, bộ truyền động Harmonic được sử dụng thành công bởi tập đoàn USM (United Shoe Machinery) của Mỹ và sau đó là công ty Hasegawa Gear Works dưới sự quản lý của USM Sau đó, vào năm 1970 công ty Hasegawa Gear Works trở thành công ty trách nhiệm hữu hạn Harmonic Drive Systems có trụ sở tại Nhật Bản Ngày nay, các bánh răng Harmonic Drive có độ chính xác cao đều được sản xuất bởi các công ty lớn này Từ những năm 1970 đến 1980, phạm vi ứng dụng của Harmonic Drive đã được mở rộng sang lĩnh vực robot công nghiệp và các dụng cụ máy móc Nhờ vào sự tăng trưởng nhanh về tính chính xác và hiệu suất truyền động của mình, từ những năm 1990 cho đến nay, bộ truyền động Harmonic đã được mở rộng sử dụng trong đa dạng lĩnh vực như robot phẫu thuật, các máy đo lường và các máy CNC Từ nguồn gốc ban đầu chế tạo nhằm phục vụ trong lĩnh vực hàng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

5 không vũ trụ mà giờ đây, bộ truyền động Harmonic đã khẳng định được vị thế của mình trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau với những mục đích sử dụng khác nhau.

Cấu tạo cơ bản của hộp giảm tốc Harmonic

Một hộp giảm tốc Harmonic cơ bản được cấu tạo từ ba thành phần chính: Bộ tạo sóng (Wave Generator – WG); vòng bánh răng sóng (Flexspline - FS); vòng bánh răng cứng (Circular Spline – CS)

- Bộ tạo sóng: gồm một vòng ổ bi mỏng được lắp vào trục có đĩa hình elip Bộ tạo sóng cũng được nối với trục của động cơ có nhiệm vụ như một bộ chuyển đổi mômen xoắn từ trục động cơ sang hộp giảm tốc với hiệu suất cao

Hình 2.2 Bộ tạo sóng (Wave Generator)

- Vòng harmonic: bộ phận này có hình dạng như một chiếc cốc trụ có thành mỏng, dẻo, có tính đàn hồi, các răng được gia công ở mặt ngoài tại mép cốc

Vòng bánh răng sóng có khả năng biến dạng linh hoạt theo biên dạng hình elip, được lắp bọc bên ngoài bộ tạo sóng với vai trò là đầu ra cho bộ tạo sóng

Hình 2.3 Vòng bánh răng sóng (Flexspline)

- Vòng bánh răng cứng: bộ phận này là một vòng cứng hoặc cố định (không quay) được gia công với các răng bên trong ăn khớp với các răng ngoài của vòng bánh răng sóng Vòng bánh răng cứng thường có nhiều hơn hai răng so với vòng bánh răng sóng và thường được gắn vào vỏ hộp giảm tốc

Hình 2.4 Vòng bánh răng cứng (Circular Spline)

Bộ tạo sóng được quay bởi động cơ tạo ra chuyển động như sóng với vòng bánh răng sóng Điều này dẫn tới sự ăn khớp dần dần giữa các răng bên ngoài của vòng bánh răng sóng với các răng của vòng bánh răng cứng tại các điểm đối xứng theo đường kính Nếu bộ tạo sóng quay theo chiều kim đồng hồ thì vòng bánh răng sóng sẽ quay bên trong vòng bánh răng cứng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Vì vòng bánh răng sóng có ít hơn hai răng so với vòng bánh răng cứng và với biên dạng hình elip, quá trình tách răng diễn ra và mỗi vòng quay của bộ tạo sóng gây ra sự dịch chuyển hai răng của vòng bánh răng sóng so với vòng bánh răng cứng Sự khác biệt về răng của vòng bánh răng sóng và vòng bánh răng cứng tạo ra tỷ số truyền giữa tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Ứng dụng và ưu nhược điểm

Bộ giảm tốc Harmonic có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các máy móc thiết bị lớn cho đến các thiết bị bộ phận máy nhỏ nhờ cấu trúc nhỏ gọn, độ chính xác đáng tin cậy của mình

- Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ: Với sự phát triển nhanh chóng về công nghệ không gian và yêu cầu về ứng dụng, hiệu suất ngày một lớn trong khi yêu cầu thiết kế về trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác của sản phẩm thì bộ giảm tốc điều hòa Harmonic được ưu tiên sử dụng với đặc tính độ chính xác cao, mômen xoắn cao và độ rơ thấp và đáp ứng được các nhu cầu về thiết kế cũng như là trọng lượng của mình

Ví dụ: Đối với các sản phẩm vệ tinh, các cơ chế truyền động ăng ten, cơ chế định vị, cơ chế quét, cơ chế dẫn động bánh xe đều có thể áp dụng công nghệ truyền động điều hòa với độ chính xác cao của bộ giảm tốc Harmonic Đối với máy bay, bộ giảm tốc điều hòa Harmonic có thể được sử dụng trong hệ thống phanh, hệ thống điều khiển cánh tà máy bay, hệ thống treo và thu vào của thiết bị hạ cánh, hệ thống truyền động giảm tốc của động cơ hàng không với hiệu suất cũng như độ chính xác cao của mình

Hình 2.5 HD áp dụng vào hàng không vũ trụ

- Trong lĩnh vực thiết bị công cụ máy móc: Bộ giảm tốc Harmonic được sử dụng trong rất nhiều máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay Chúng thường sử dụng cho bàn quay, bộ thay đổi công cụ, trục,

Hình 2.6 HD áp dụng trên máy CNC

- Trong lĩnh vực robot công nghiệp: Bộ giảm tốc Harmonic thường được sử dụng trong các khớp nối quay, trục chính, trục vai, trục khuỷu tay, trục tay, nhằm đảm bảo không có độ rơ, công suất mômen lớn cũng như độ lặp lại vị trí tốt của sản phẩm

Hình 2.7 HD áp dụng trên robot sản xuất

- Trong lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử: Với việc lắp ráp các bộ phận điện tử cực nhỏ, với độ chính xác về vị trí cao ở tốc độ trong dây truyền sản xuất có thể được kiểm soát thì bộ giảm tốc Harmonic là sự lựa chọn tốt nhất trong lĩnh vực này

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Hình 2.8 HD áp dụng vào quy trình sản xuất thiết bị điện tử

- Trong thiết bị y tế: Bộ giảm tốc Harmonic được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị y tế bao gồm những chiếc giường phẫu thuật có thể điều chỉnh một cách hoàn hảo để ca phẫu thuật được suôn sẻ, cũng như trong các robot phẫu thuật đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao

Hình 2.9 HD áp dụng vào thiết bị y tế

- Trong lĩnh vực truyền thông: Ví dụ như ăng ten vệ tinh, radar đòi hỏi tốc độ, cũng như độ chính xác cao trong môi trường khắc nghiệt, vì vậy bộ giảm tốc Harmonic cũng được sử dụng một cách khéo léo nhằm đảm bảo được các yêu cầu cần thiết

Hình 2.10 HD áp dụng vào lĩnh vực truyền thông 2.3.2 Ưu nhược điểm Ưu điểm chính:

- Độ chính xác cao: Bộ truyền động điều hòa Harmonic có tỷ số giảm tốc cao do sự đồng trục của mình Ngoài ra nó còn có nhiều răng ăn khớp cùng lúc đối xứng 180 độ cho phép các sai số ảnh hưởng một cách đồng đều vì vậy độ chính xác về vị trí và độ chính xác quay đạt mức rất cao

- Mômen xoắn cao: Bộ truyền động điều hòa Harmonic có thể xử lý cho ra mômen xoắn cao với công suất được truyền qua sự ăn khớp nhiều răng giúp giảm áp lực tiếp xúc bề mặt lên mỗi bánh răng

- Vận hành êm ái: Bộ truyền động điều hòa Harmonic có tốc độ ăn khớp giữa các bánh răng thấp nên được vận hành êm và ít rung

- Tuổi thọ hoạt động hạn chế: Bộ truyền động điều hòa có tuổi thọ hoạt động hạn chế do sự mài mòn của các bánh răng Bên cạnh đó, bánh răng sóng bị biến dạng định kỳ gây ra ứng suất xen kẽ khiến nó dễ bị hư hỏng do mỏi

- Giá thành cao: Bộ truyền động điều hòa được sản xuất một cách chính xác nên có giá thành cao hơn so với các hộp số giảm tốc khác

- Độ nhạy cao: Bộ truyền động điều hòa rất nhạy cảm với các tác động sốc hoặc rung, điều này có thể gây hư hỏng thiết bị.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Định nghĩa về hộp giảm tốc

Như tên gọi của mình, bộ giảm tốc (hay hộp giảm tốc) là một thiết bị dùng để giảm tốc độ đầu vào Thông thường, động cơ điện có tốc độ quay cực kì lớn, trong khi ứng dụng thực tế vào sản xuất thì nhiều trường hợp chỉ cần tốc độ quay nhỏ hơn nhiều Với việc chế tạo động cơ có công suất nhỏ cần chi phí cao nên người ta ưu tiên việc tạo ra bộ giảm tốc có chi phí thấp vì thiết kế đơn giản, nhỏ gọn và công suất cao Vì vậy đây là thiết bị trung gian giữa động cơ và các thiết bị máy móc khác có công dụng chính là giúp thay đổi tốc độ và mômen xoắn cho phù hợp với yêu cầu.

Phân loại hộp giảm tốc

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại hộp giảm tốc và hộp số tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà thông thường hộp giảm tốc sẽ được phân thành hai loại cơ bản sau: a) Phân loại theo cấp giảm tốc: Dạng giảm tốc mà đầu ra phù hợp với yêu cầu nhiều lần thay đổi tỷ số truyền động thông qua việc thay đổi số lượng răng của các bánh răng Chúng ta có thể hiểu số cấp chính là số lần chúng ta có thể thay đổi tỷ số truyền động Nếu phân theo cấp giảm tốc, ta có rất nhiều loại hộp số giảm tốc thông dụng dưới đây

+ Hộp giảm tốc 1 cấp: Đây là hộp giảm tốc có một lần thay đổi tỷ số truyền động Hộp giảm tốc 1 cấp có nhiều dạng như bánh răng trụ, bánh răng nghiêng,

+ Hộp giảm tốc 2 cấp: Tương tự với hộp giảm tốc 1 cấp, hộp giảm tốc 2 cấp sẽ có hai lần thay đổi tỷ số truyền động Về dạng này ta có các loại hộp giảm tốc

2 cấp bánh răng trụ răng nghiêng, hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp đồng trục, + Hộp giảm tốc 3 cấp: Là hộp giảm tốc có ba lần thay đổi về tỷ số truyền động

Tương tự như thế ta có các dạng hộp giảm tốc có số cấp cao hơn Nhưng thông thường khi chế tạo hộp giảm tốc, người ta thường chỉ chế tạo hộp nhiều cấp với tỷ số truyền mỗi cấp trong khoảng từ 3 cho đến 5

Hình 3.2 Cấu tạo hộp giảm tốc đa cấp b) Phân loại theo cấu tạo: Người ta đánh giá phân loại các hộp giảm tốc tùy theo hình dáng bên ngoài và thiết kế cấu tạo bên trong cùng với phương pháp truyền động để đưa ra tên gọi cho các hộp giảm tốc đó Dưới đây là một số loại hộp giảm tốc thông dụng

+ Hộp giảm tốc trục vít: Hộp giảm tốc trục vít được cấu tạo gồm cơ cấu trục vít đầu vào và bánh răng vít đầu ra, và được đặt vuông góc ở hướng đầu ra Chuyển động tương đối giữa các răng khớp nhau của hai phần tử gần như hoàn toàn trượt, truyền chuyển động và công suất giữa hai trục chéo nhau trong không gian Góc giữa 2 trục thường bằng 90 ° và thường trục vít sẽ là trục dẫn động nên được gọi là hộp giảm tốc vuông góc Chúng dễ dàng được lắp hoặc ghép với động cơ điện nhưng hiệu suất sẽ bị giảm khi tỷ lệ này tăng lên

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 3.3 Cấu tạo hộp giảm tốc trục vít

+ Hộp giảm tốc hành tinh: Hộp giảm tốc hành tinh có thiết kế được cải tiến theo dạng truyền bánh răng ăn khớp trong Các bánh răng được bố trí và lắp đặt sao cho ăn khớp với nhau Hộp giảm tốc hành tinh có đặc tính chính xác cao, hiệu suất cao, mômen xoắn đầu ra lớn, thiết kế nhỏ gọn Bên cạnh đó, hộp số hành tinh chất lượng không cần bảo dưỡng trong suốt thời gian sử dụng và không cần thay dầu nhớt Do tính năng và thiết kế nhỏ gọn của mình nên quy trình sản xuất bánh răng phức tạp hơn yêu cầu gia công chính xác cao Hộp giảm tốc hành tinh thường được lắp đặt ở các vị trí không gian chật hẹp nhưng cần công suất lớn

Hình 3.4 Cấu tạo hộp giảm tốc hành tinh

+ Hộp giảm tốc bánh răng trục thẳng: Hộp giảm tốc bánh răng trục thẳng là loại thiết bị tiêu chuẩn được thiết kế với các cặp bánh răng ăn khớp với nhau, trục đầu vào trùng với trục đầu ra Hộp giảm tốc này được làm bằng thép hoặc gang, được kết nối với motor truyền động thông qua các khớp nối hoặc bánh đà thường được sử dụng trong công nghiệp do có công suất và mômen lớn, tuy nhiên kích thước của nó lớn nên chiếm nhiều không gian

Hình 3.5 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh răng trục thẳng

+ Hộp giảm tốc Cyclo: Hộp giảm tốc cyclo có cấu tạo bằng bi, được thiết kế đặc biệt hơn với con lăn và các đĩa, hoạt động theo dạng trượt Nhiều người thường lựa chọn sử dụng hộp giảm tốc này bởi cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, tỉ số truyền động rất lớn nhưng nó đảm bảo độ an toàn cao, vận hành êm ái, ít tiếng ồn và ít tiêu hao năng lượng

Hình 3.6 Cấu tạo hộp giảm tốc Cyclo

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

+ Hộp giảm tốc sóng (Harmonic Reducers): Hộp giảm tốc sóng hay hộp giảm tốc điều hòa hoạt động dựa trên nguyên lí sóng biến dạng trong đó bánh răng sóng linh hoạt có các răng bên ngoài được dẫn động bởi bộ tạo sóng hình elip và quay trong một bánh răng cứng Chúng cung cấp độ chính xác cao, tỷ số truyền lớn và thiết kế nhỏ gọn Các tính năng này làm cho bộ giảm tốc điều hòa trở thành giải pháp tuyệt vời cho các ứng dụng định vị chính xác và robot

Hình 3.7 Hộp giảm tốc Harmonic

Trong bài báo cáo này, chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu về bộ giảm tốc điều hòa Harmonic Về cơ bản, bộ giảm tốc Harmonic được chia làm ba loại theo hình dạng tương ứng: dạng hình cốc, dạng mũ chóp và dạng bánh kép

- Về dạng cốc: do bánh răng sóng có các răng bên ngoài và có cấu tạo giống hình chiếc cốc Đây là dạng phổ biến nhất trong các dạng hộp giảm tốc Hamonic

Hình 3.8 Hộp giảm tốc Harmonic dạng cốc

- Về dạng mũ chóp: do bánh răng sóng có vành trông như mũ chóp, đóng vai trò như một bề mặt lắp đặt hoàn hảo

Hình 3.9 Hộp giảm tốc Harmonic dạng mũ chóp

- Về dạng bánh kép: gồm bốn phần chính: bộ tạo sóng WG, bánh răng sóng

FS, bánh răng cứng động (Dynamic Circular Spline – DCS), bánh răng cứng tĩnh (Static Circular Spline – SCS) mang hình dáng cực kì phẳng và nhỏ gọn như chiếc bánh kép

Hình 3.10 Hộp giảm tốc Harmonic dạng bánh kép

Ngoài ra các thành phần chi tiết mỗi loại cũng có các dạng khác nhau như:

- Bánh răng sóng gồm có hai dạng: dạng hình cốc và dạng rỗng

Hình 3.11 Bánh răng sóng dạng hình cốc

Hình 3.12 Bánh răng sóng dạng hình rỗng

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Bánh răng cứng gồm hai dạng: dạng vòng và dạng mặt bích

Hình 3.13 Bánh răng cứng dạng vòng

Hình 3.14 Bánh răng cứng dạng mặt bích

- Đầu vào trục có bốn dạng: dạng khớp nối Oldham, dạng rỗng, dạng đặc và dạng đĩa

Hình 3.15 Đầu vào trục dạng khớp nối Oldham

Hình 3.16 Đầu vào trục dạng rỗng

Hình 3.17 Đầu vào trục dạng đặc Hình 3.18 Đầu vào trục dạng đĩa

Từng loại chi tiết này có thể kết hợp với nhau tùy vào mục đích và nhu cầu sử dụng

Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn phương án thiết kế với bánh răng sóng dạng cốc, bánh răng cứng dạng vòng, và đầu vào dạng đĩa với 8 ổ bi thay thế cho ổ bi có hình elip.

Định nghĩa về dao động điều hòa

Trước khi tìm hiểu về dao động điều hòa là gì thì chúng ta cần phải biết khái niệm cơ bản của dao động cơ

Vậy dao động cơ là gì? Dao động cơ là một chuyển động có giới hạn trong không gian và lặp đi lặp lại nhiều lần quanh một điểm tham chiếu hoặc vị trí cân bằng Dao động cơ học là một biến thiên liên tục giữa hai năng lượng động năng và thế năng Những dao động này có thể xảy ra trong các hệ thống kỹ thuật khác nhau như máy móc, kết cấu hay các bộ phận cơ khí khác Sự dao động có thể xảy ra do các ngoại lực tác động lên hệ thống thiết bị hoặc do các yếu tố bên trong như sự cộng hưởng và tần số tự nhiên của các chi tiết tác dụng vào nhau (thường là thiết bị quay) Một số dao động có sự chủ ý và cần thiết để các thiết bị máy móc có thể hoạt động một cách bình thường, nhưng bên cạnh đó có những dao động không mong muốn có thể dẫn đến nhiều vấn đề về hiệu suất, hao mòn chi tiết và thậm chí là hư hỏng cấu trúc thiết bị sản phẩm

Dao động điều hòa về cơ bản là dao động cơ khi trạng thái của vật được lặp đi lặp lại như cũ trong các khoảng thời gian xác định bằng nhau quanh một vị trí cân bằng

Do đó, dao động điều hòa là trường hợp đơn giản nhất của dao động tuần hoàn Dao động điều hòa, có li độ là (x) là hàm sin hoặc hàm cosin (hàm số lượng giác) theo thời gian vì vậy dao động điều hòa còn được gọi là dao động hình sin

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hướng quay hộp giảm tốc Harmonic

Để có thể biết được hướng quay giữa đầu vào và đầu ra có cùng hướng với nhau hay không và với mỗi hướng tỷ số truyền được tính toán như thế nào, ta sẽ xét sự cố định của bộ tạo sóng, bánh răng sóng và bánh răng cứng

- Hộp giảm tốc Harmonic dạng cốc: Đầu vào: được thể hiện bằng mũi tên nét liền Đầu ra: được thể hiện bằng mũi tên nét đứt

R: tỷ lệ giảm sóng Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: bánh răng sóng

Cố định: Bánh răng cứng

R Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: Bánh răng cứng

Cố định: bánh răng sóng

R+1 Đầu vào: bánh răng sóng Đầu ra: Bánh răng cứng

Cố định: Bộ tạo sóng

Bảng 3.1 Bảng hướng quay của HD dạng cốc Đầu vào Đầu ra

- Hộp giảm tốc Harmonic dạng mũ chóp: Đầu vào: được thể hiện bằng mũi tên nét liền Đầu ra: được thể hiện bằng mũi tên nét đứt

R: tỷ lệ giảm sóng Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: bánh răng sóng

Cố định: Bánh răng cứng

R Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: Bánh răng cứng

Cố định: bánh răng sóng

R+1 Đầu vào: bánh răng sóng Đầu ra: Bánh răng cứng

Cố định: Bộ tạo sóng

Bảng 3.2 Bảng hướng quay của HD dạng mũ chóp Đầu vào Đầu ra

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Hộp giảm tốc Harmonic dạng bánh kép: Đầu vào: được thể hiện bằng mũi tên nét liền Đầu ra: được thể hiện bằng mũi tên nét đứt

R: tỷ lệ giảm sóng Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: Bánh răng cứng động

Cố định: Bánh răng cứng tĩnh

R Đầu vào: Bộ tạo sóng Đầu ra: Bánh răng cứng tĩnh

Cố định: Bánh răng cứng động

R+1 Đầu vào: Bánh răng cứng động Đầu ra: Bánh răng cứng tĩnh

Cố định: Bộ tạo sóng

Bảng 3.3 Bảng hướng quay của HD dạng bánh kép

R tỉ lệ giảm sóng Đầu vào Đầu ra Đầu ra Đầu vào Đầu ra Đầu vào Đầu ra Đầu vào

Nguyên lí hoạt động hộp giảm tốc Harmonic

Để nắm rõ được nguyên lí hoạt động của hộp giảm tốc Harmonic thì chúng ta cần phải biết được nguyên lí hoạt động của một hộp giảm tốc cơ bản Thông thường trong các ứng dụng công nghiệp có rất nhiều cách để giảm tốc độ động cơ, nhưng cách phổ biến nhất là lắp các bánh răng (thẳng hoặc nghiêng) ăn khớp với nhau theo đúng mômen quay và tỷ số truyền đã định sẵn Khi được cung cấp một nguồn điện ổn định ở mức điện áp nhất định thì hộp số giảm tốc sẽ tạo ra số vòng quay phù hợp Công suất động cơ được truyền qua trục động cơ tới hộp số trong bộ giảm tốc và được phân phối bằng trục đầu ra của bộ giảm tốc Hộp số được lắp ráp bởi các bánh răng lớn, bánh răng nhỏ với phần vỏ bao bọc bên ngoài thường có dạng hình hộp hoặc hình trụ tròn, được chế tạo từ các vật liệu bền bỉ như gang, inox, thép để chống ăn mòn và giảm tác động của va đập

Nguyên lí hoạt động của hộp giảm tốc Harmonic:

Bánh răng sóng sẽ nhỏ hơn so với bánh răng cứng (cố định), thông thường bánh răng sóng sẽ ít hơn so với bánh răng cứng là

2 răng Với biên dạng của bộ tạo sóng là hình elip, cho nên các răng của bánh răng sóng chỉ ăn khớp với bánh răng cố định ở hai đầu của hình elip

Circular Spline = Bánh răng cứng Wave Generator = Bộ tạo sóng Flexspline = Bánh răng sóng

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi bộ tạo sóng quay, các răng của bánh răng sóng ở hai đầu hình elip sẽ tương tác ăn khớp với các răng của bánh răng cứng, từ đó giảm tốc độ quay và tăng mômen

Chiều quay của bánh răng sóng ngược chiều với bộ tạo sóng Bộ tạo sóng quay theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng sóng sẽ quay ngược lại

Bộ tạo sóng quay cứ 180 ° theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng sóng sẽ di chuyển được một răng ngược chiều kim đồng hồ so với bánh răng cứng Khi bộ tạo sóng quay một vòng hoàn chỉnh (360°) theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng sóng di chuyển 2 răng theo ngược chiều kim đồng hồ do sự chênh lệch về số răng giữa bánh răng sóng và bánh răng cứng là 2 răng Chuyển động này được coi là công suất đầu ra của bộ giảm tốc

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Tổng quan về các đặc tính của hộp giảm tốc Harmonic

Sau khi thu thập và rút gọn thông tin, chúng tôi xác định được các yêu cầu chính khi chế tạo bộ giảm tốc Harmonic như sau:

- Truyền chuyển động chính xác và đạt hiệu quả cao: Bộ giảm tốc Harmonic này phải đạt tỷ số truyền 1/50

- Bánh răng sóng biến dạng có tiếp xúc bề mặt, áp suất tiếp xúc với răng thấp, ứng suất cắt ở răng thấp và ứng suất phân bố đồng đều trên các răng

- Không có sai lệch khoảng cách tâm bánh răng: Sự ăn khớp răng của bộ giảm tốc Harmonic không phụ thuộc vào vị trí chính xác hay sự căn chỉnh của tâm trục Đầu vào và đầu ra của bộ giảm tốc có tính đồng trục và các lực được cân bằng để tự động đảm bảo tính đồng trục này

- Trọng lượng và kích thước gọn nhẹ: Bộ giảm tốc cần phải đạt kích thước nhỏ gọn, có ít bộ phận do đó về tổng thể yêu cầu cần có trọng lượng nhẹ tuy vậy nhưng vẫn đảm bảo cung cấp cùng mức tỷ lệ giảm mômen xoắn và tốc độ như các bộ giảm tốc thông thường khác

- Vận hành êm ái: Bộ giảm tốc cần phải có sự truyền động chính xác, tỷ lệ răng tiếp xúc lớn, vận tốc bước răng thấp, chuyển động răng nhỏ và áp suất tiếp xúc giữa các răng thấp Những điều này sẽ giúp cho bộ giảm tốc hoạt động một cách êm ái

- Không có độ rơ: Bộ giảm tốc Harmonic phải được tính toán các răng ăn khớp sao cho các khoảng hở vừa đủ để các răng có thể chuyển động tịnh tiến theo phương hướng tâm một cách dễ dàng mà vẫn đảm bảo độ rơ của bộ giảm tốc nhỏ nhất có thể.

Chọn phương án thiết kế từ các đặc tính nêu trên

Sau khi tìm hiểu và phân tích các đặc tính của hộp giảm tốc Harmonic, các phương án tính toán thiết kế sẽ được đưa ra như sau:

- Bỏ qua đặc điểm về nhỏ gọn của hộp giảm tốc Harmonic, trong đề tài này, để thuận lợi cho quá trình đo đạc và quan sát, nhóm đề xuất thiết kệ hộp giảm tốc lớn hơn so với đặc tính bằng cách tăng modun của răng

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- Vì ổ lăn đặc biệt với biên dạng elip quá khó để chế tạo, thay vào đó nhóm đề xuất thay thế bằng các vòng bi thông thường có kích thước nhỏ, được đặt dọc theo biên dạng elip của bộ tạo sóng Do đó độ êm của hộp giảm tốc sẽ giảm vì sai lệch giữa khoảng các của các ổ bi

- Về loại hộp giảm tốc, nhóm chọn hộp giảm tốc với đầu ra và đầu vào là trục, điều này góp phần tăng kích thước của hộp giảm tốc

Ngoài các điều vừa nên trên, các đặc tính còn lại của hộp giảm tốc vẫn được giữ nguyên để tiến hánh tính toán và thiết kế.

Chọn động cơ đầu vào

Với mục tiêu của đề tài là chế tạo hộp giảm tốc Harmonic với động cơ đầu vào là động cơ bước, nên trong phần này nhóm sẽ tìm hiểu sơ bộ về động cơ này:

4.3.1 Khái niệm về động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lí và ứng dụng khác với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết

Hình 4.1 Động cơ bước 4.3.2 Cấu tạo của động cơ bước Động cơ bước cấu tạo bao gồm roto là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau Trên các lá nam châm được chia thành các cặp cực đối xứng nhau Ngoài ra, stato được tạo bắng sắt từ chia thành các rãnh để đặt cuộn dây

Hình 4.2 Cấu tạo của động cơ bước

4.3.3 Nguyên lí hoạt động Động cơ bước không hoạt động theo cơ chế thông thường, nó quay theo từng bước một nên có độ chính xác cao Động cơ bước làm việc nhờ vào bộ chuyển mạch điện tử Các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

4.3.4 Ưu và nhược điểm của động cơ bước Động cơ bước có những ưu điểm như có khả năng cung cấp mômen xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, tuổi thọ bền, giá thanh thấp Bên cạnh đó, nó cũng có các nhược điểm như hay xảy ra hiện tượng trược bước, gây ra tiếng ồn lớn khi hoạt động, nóng dần lên trong quá trình hoạt động

4.3.5 Phân loại động cơ bước Động cơ bước được phân loại thành các loại cơ bản là động cơ 2 pha với góc bước 1,8 độ, 3 pha với góc bước 1,2 độ và 5 pha với góc bước là 0,72 độ:

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình 4.3 Động cơ bước 2 pha

Hình 4.4 Động cơ bước 3 pha

Hình 4.5 Động cơ bước 5 pha

4.3.6 Chọn động cơ đầu vào

Sau khi tìm hiểu về động cơ bước, nhóm chọn động cơ bước 57HS7630A4 với các thông số như sau: Động cơ bước size 57

Bảng 4.1 Thông số động cơ bước 57SH7630A4

Hình 4.6 Động cơ bước 57SH7630A4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Phân tích, lập luận phương hướng tính toán

Hộp giảm tốc Harmonic được xem là một kiểu truyền động hành tinh đặc biệt với bánh vệ tinh là bánh răng sóng và bánh răng trung tâm là bộ tạo sóng Kiểu truyền động này không có yêu cầu về khoảng cách trục giữa các bánh răng vệ tinh so với bánh răng trung tâm và bánh răng cố định như các hộp giảm tốc thông thường, thay vào đó nó yêu cầu cao về độ biến dạng, cũng như độ đồng tâm của các chi tiết

Hộp giảm tốc Harmonic được nghiên cứu trong đề tài này có cấu tạo tương đối giống với hộp giảm tốc hành tinh loại A [1] với hai bánh răng vệ tinh Do đó, ta có thể dùng công thức tính ứng suất của bánh răng thông thường để tính toán cho đề tài này.

Thông số đầu vào tính toán

Số răng bánh răng mềm 𝑍 𝐷 100

Số răng bánh răng cứng 𝑍 𝐸 102

Số đỉnh của bộ tạo sóng n 2

Tổng thời gian làm việc t 2 năm

Số vòng quay đầu ra của động cơ 𝑛 0 2 vòng/phút

Chọn vật liệu gia công bánh răng

5.3.1 Cơ sở chọn vật liệu

Trong bộ giảm tốc Harmonic có bộ tạo sóng tạo ra chuyển động quay tương đối giữa bánh răng sóng và bánh răng cứng, các răng ngoài của bánh răng sóng liên tục chịu biến dạng đàn hồi lớn khi ăn khớp với các răng bên trong của bánh răng cứng trong quá trình quay Vì vậy khi chế tạo, bánh răng sóng phải đảm bảo chịu được lực biến dạng đàn hồi do bộ tạo sóng gây ra

Trong phương pháp sản xuất để giảm bớt thời gian gia công và chi phí nhưng đồng thời đảm bảo được độ bền và độ biến dạng mong muốn ta sử dụng phương pháp đúc Nguyên liệu thô dùng để đúc bánh răng sóng là thép có hàm lượng carbon từ 0,5% trở xuống (ví dụ như thép C45) Khi sử dụng nguyên liệu này, các khuyết tật như các vết nứt khó có thể xảy ra khi gia công nguội Sản phẩm đúc cần được

30 nung nóng đến khoảng nhiệt độ nhất định để pha chính của cấu trúc kim loại trở thành cấu trúc austenite Điều này giúp loại bỏ được ứng suất dư xảy ra trên bề mặt trong của quá trình gia công nguội cũng như là nguyên nhân gây nứt trong quá trình sử dụng Sau khi gia nhiệt, sản phẩm được làm nguội nhanh đến một nhiệt độ nhất định trong khoảng thời gian nhất định để kim loại có pha chính là bainite Điều này giúp tạo ra sản phẩm đúc tốt, ổn định, đạt được các đặc tính cần thiết như tính uốn cũng như là độ bền cho bánh răng sóng

Qua đó chọn thép SCR435 làm vật liệu gia công với thành phần gồm:

Thép C Si Mn P S Cr Ni

Giới hạn chảy ϭ 𝑐 800 MPa Độ cứng HB 241

Xác định ứng suất cho phép

Theo công thức (6.5) và bảng (6.3) [1] ta có chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc:

𝑁 𝐻0 = 30 𝐻 𝐻𝐵 2,4 = 30 241 2,4 = 1,563 10 7 5.1 Theo (6.85) và (6,86) [1] ta có số chu kì thay đổi ứng suất tương đương:

Trong đó: c, t, 𝑛 0 , lần lượt là số đỉnh của bộ tạo sóng, tổng thời gian làm việc của hộp giảm tốc trong 2 năm (16128 giờ), số vòng quay đầu ra trong một phút

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Theo bảng 6.24 [1], ta có công thức về tỉ số truyền và số vòng quay các khâu truyền động hành tinh:

 Vì NH1>NH0 nên KHL1=1

Vật liệu để chế tạo bánh răng ngoài được tôi bề mặt

1,75 = 314,3 𝑀𝑃𝑎 5.9 Trong đó KFC = 1 do bánh răng sóng làm việc 1 phía; theo bảng 6.2 [1] ϭ 𝐹𝑙𝑖𝑚 0 = 550 𝑀𝑃𝑎; 𝑆 𝐹 = 1,75 Với HRC = 50, theo (6.13) [1]

Bánh răng cứng ăn khớp 1 phía => 𝐾 𝐹𝐿 = 1 Ứng suất quá tải cho phép: theo (6,13 và 6,14) [1] Ứng suất tiếp tiếp xúc:

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Tính toán chế tạo bánh răng sóng và bánh răng cứng

Vì cấu tạo đặc biệt của bánh răng sóng, do đó công thức tính toán bánh răng hành tinh thông thường không thể áp dụng một cách chính xác, vì vậy người ta đã phát triển các công thức riêng cho nó từ những nền tản có sẵn để tính toán biên dạng của các bánh răng sóng và bánh răng cứng

5.5.1 Tính toán và thiết kế

Xác định đường kính vòng chia:

𝐷 𝑅 : đường kính vòng chia của bánh răng cố định

𝐷 𝐸 : đường kính vòng chia của bánh răng sóng

𝑁 𝑅 : số răng của bánh răng cố định

𝑁 𝐸 : số răng của bánh răng sóng

Từ thông số đầu vào ta có:

Ta có công thức tính độ lệch của bánh răng sóng khi lắp vào bộ tạo sóng:

5.5.2 Tính chiều rộng vành răng

Theo bảng 6.28 [1] chọn hệ số chiều rộng răng Dựa vào bánh răng hành tinh loại

Ta có chiều dày răng của bánh răng cứng: [1]

Ta có chiều dày răng của bánh răng sóng: [1]

Vì có độ lệch d nên dẫn đến việc bánh răng sóng có góc ăn khớp lớn hơn bánh răng cứng:

Ta có công thức tính góc ăn khớp của bánh răng cứng: [3]

Ta có công thức tính góc ăn khớp của bánh răng sóng: [3]

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

5.5.4 Tính toán ứng suất của bánh răng sóng

Tính ứng suất kéo lớn nhất của bánh răng biến dạng tại 2 đỉnh của bộ tạo sóng: [3] ϭ 𝑚𝑎𝑥 = 1,03.𝑡 𝑑 𝐸

Trong đó: t: độ dày của bánh răng biến dạng từ vòng đáy (chọn t = 2mm) Độ dày 1 2 3 Ứng suất (MPa) 135,136 270,272 405,408

Vì ϭ 𝑚𝑎𝑥 < ϭ 𝐹𝐸 = 300𝑀𝑃𝑎 nên ta chọn t = 2mm vừa đáp ứng điều kiện vừa thuận lợi trong việc gia công d: tổng độ lệch của bánh răng biến dạng (d = 2,5)

E: môdun đàn hồi của vật liệu (E = 205 GPa = 205 10 3 MPa) r: bán kính vòng chia của bánh răng sóng

Tính ứng suất kéo tại đáy của bộ tạo sóng: [3] ϭ 1 = 0,59.𝑡 𝑑 𝐸

5.5.5 Tính mômen đầu ra của hộp giảm tốc

Ta có mômen đầu vào: [3]

 𝑒 𝑚 : hiệu suất làm việc của hộp giảm tốc

Ta có hiệu suất làm việc của hộp giảm tốc [3]

𝑓 1 : hệ số ma sát trượt của răng

𝑓 2 : hệ số ma sát lăn của ổ bi khi lăn trên thành răng sóng

𝑓 2 = 0,0015 ( hệ số ma sát của vòng bi khi làm việc )

Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên mặt răng: [1]

𝑍 𝑀 là hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp

Tra bảng 6.5 [1] ta có được 𝑍 𝑀 = 274(𝑀𝑃𝑎 1 3 )

𝑍 𝐻 là hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc

𝛽 𝑏 = 0 là góc nghiêng răng trên hình trụ cơ sở

𝑍 𝜀 là hệ số kể đến sự trùng khớp của mặt răng:

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Theo bảng 6.11[1], với cặp răng ăn khớp trong ta có hệ số trùng khớp ngang:

𝑑 𝑏𝐸 : Đường kính vòng cơ sở bánh răng sóng

𝑑 𝑎𝐸 : Đường kính đỉnh răng của bánh răng sóng

𝑑 𝑎𝐸 = 𝐷 𝐸 + 2 𝑎 = 125 + 2.1,09 = 127,18 𝑚𝑚 5.46 a: Chiều cao răng của bánh răng sóng

𝑑 𝑏𝐷 : Đường kính vòng cơ sở bánh răng cứng

𝑑 𝑎𝐷 : Đường kính đỉnh răng của bánh răng cứng

𝐾 𝐻 là hệ số tải trong tĩnh khi tiếp xúc

𝐾 𝐻𝛽 : là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng

Vì trị số cấp chính xác (phục vụ cho việc tra các hệ số 𝐾 𝐻𝛼 và 𝐾 𝐻𝑣 ) phụ thuộc vào vận tốc vòng

𝑛 0 : Số vòng quay đầu ra, vì hộp giảm tốc harmonic có vòng bánh răng sóng được lắp đồng tâm với bộ tạo sóng đóng vai trò là bánh chủ động, nên

𝑛 𝐸 = 𝑛 0 = 2 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 Theo bảng 6.11 [1] ta chọn cấp chính xác là 9

𝛿 𝐻 là hệ số kể đến ảnh hưởng của các sai số ăn khớp

𝑔 0 hệ số kể đến ảnh hưởng của sai lệch các bước bánh bánh răng cứng và bánh răng sóng Tra bảng 6.15 [1], ta có:

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Tra bảng 6.16 [1], ta có được 𝑔 0 = 73

Kiểm nghiệm độ bền uốn

Theo tài liệu [1], ta có:

𝑇 là mômen xoắn trên trục chủ động (N.mm)

𝑏 𝑤 = 20 𝑚𝑚 là chiều rộng vành răng (mm)

𝑑 𝑤𝐸 = 125 𝑚𝑚 là đường kính vòng chia bánh răng sóng (mm)

𝜀 𝛼 là hệ số kể đến sự trùng khớp của bánh răng, 𝜀 𝛼 là hệ số trùng khớp ngang

140= 1 là hệ số kể đến độ nghiêng của răng

𝑌 𝐹𝐸 , 𝑌 𝐹𝐷 là hệ số dạng răng của bánh răng sóng và bánh răng cứng, phụ thuộc vào số răng tương đương 𝑧 𝑣𝐸 = 𝑧 𝐸 cos 𝛽 3 , 𝑧 𝑣𝐷 = 𝑧 𝐷 cos 𝛽 3 và hệ số dịch chuyển, vì 𝛽 = 0 nên:

𝑧 𝑣𝐷 = 𝑧 𝐷 = 102 Tra bảng 6.18 [1], ta chọn được:

𝐾 𝐹 là hệ số tải trọng khi tính về uốn

𝐾 𝐹𝛽 là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên bề rộng vành răng khi tính về uốn

𝐾 𝐹𝛼 là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp khi tính về uốn

𝐾 𝐹𝑣 là hệ số kể đến tải trọng động trong vùng ăn khớp khi tính về uốn

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Kiểm nghiệm răng về quá tải

Theo tài liệu [1], ta có:

𝜎 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎 𝐹 √𝐾𝑞𝑡 (𝐾 𝑞𝑡 = 1) 5.60 Ứng suất tiếp xúc cực đại

𝑚𝑎𝑥 = 2000 𝑀𝑃𝑎 5.61 Ứng suất uốn cực đại

Tính toán thông số bánh răng

5.9.1 Các thông số đã cho trước

- Số lượng đỉnh của bộ tạo sóng: n = 2 (đỉnh)

- Số răng của bánh răng cứng: ND = 102 (răng)

- Số răng của bánh răng mềm: NE = 100 (răng)

- Đường kính vòng chia bánh răng cứng: DD = 127,5 (mm)

- Đường kính vòng chia bánh răng mềm: DE = 125 (mm)

Theo công thức từ tài liệu [3], ta có:

8 = 0,3125 𝑚𝑚 (5.66) Đường kính vòng chia bánh răng sóng khi chưa co dãn với n = 2 đỉnh:

𝐷 𝑆 = 𝐷 𝐸 − 0,0416 𝑑 = 125 − 0,0416.2,5 = 124,9 𝑚𝑚 5.67 Đường kính đỉnh răng của bánh răng trong:

8 2,5 = 125,3125 𝑚𝑚 5.68 Đường kính đỉnh răng của bánh răng sóng:

16 3,927 = 1,72 𝑚𝑚 5.70 Chiều sâu làm việc của răng:

𝑊 = 0,77 𝑑 = 0,77.2,5 = 1,925 𝑚𝑚 5.71 Khoảng cách giữa các răng của bánh răng cứng được tính trên đường chia:

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Hình 5.1 Cấu tạo răng của hộp giảm tốc Harmonic từ tài liệu Strain Wave

Hình 5.2 Kích thước răng của bánh răng sóng được thiết kế theo công thức tính toán trên phần mềm Creo

Hình 5.3 Kích thước răng của bánh răng cứng được thiết kế theo công thức tính toán trên phần mềm Creo

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Tính toán thông số bộ tạo sóng

Bộ tạo sóng thực chất là một cơ cấu cam với hai đầu cam đối xứng, được tính toán theo tài liệu [4]:

Hình 5.4 Sơ đồ tính toán vòng cung của bộ tạo sóng theo cơ chế bốn đoạn cung

Gọi: AB là đoạn cung tròn ở đỉnh của bộ tạo sóng

BC là đoạn cung tròn ở đáy của bộ tạo sóng

E là độ lệch tâm tính từ tâm đường chia bánh răng cứng λ là hệ số sai lệch (0,98÷1,02), chọn λ = 1

𝑅 0 = bán kính đường tròn tại đỉnh bộ tạo sóng

𝑅 1 = bán kính đường tròn tại đáy bộ tạo sóng

𝜃 ( 45 – 60) góc mà răng của bánh răng sóng kết thúc quá trình ăn khớp, chọn 𝜃 = 45

Cam bốn đoạn Bánh răng cứng

Hình 5.5 Kích thước bộ tạo sóng từ thông số tính toán

CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

Phương án chế tạo mẫu sản phẩm

Để quá trình gia công sản phẩm có yêu cầu độ phức tạp cao như hộp giảm tốc Harmonic, nhóm chọn in 3D các chi tiết bằng nhựa PETG làm phương pháp chế tạo trong đề tài này

6.1.1 Nhựa PETG, đặc tính, thông số cơ tính

Nhựa PETG là một loại nhựa thuộc Polyester và là biến thể của nhựa PET, có tên hóa học là Polyethylene Terephthalate Glycol Một số đặc điểm nổi bật của loại nhựa này bao gồm:

 Khả năng chống va đập và rơi vỡ tốt

Tính chất cơ học của nhựa PETG như sau:

Giới hạn chảy ϭ 𝒄 69,5 MPa Độ cứng Rockwell HB 107

Bảng 6.1 Bảng thông số nhựa PETG 6.1.2 Kiểm nghiệm độ phù hợp của vật liệu đối với sản phẩm

Từ các thông số cơ tính trên, ta tiến hành tính toán kiểm tra về độ phù hợp của vật liệu:

- Tính ứng suất kéo lớn nhất của bánh răng biến dạng tại hai đỉnh của bộ tạo sóng: ϭ 𝑚𝑎𝑥 = 1,03.𝑡 𝑑 𝐸

 t: độ dày của bánh răng biến dạng từ vòng đáy (chọn t = 2 mm)

 d: tổng độ lệch của bánh răng biến dạng (d = 2,5 mm)

 E: modun đàn hồi của vật liệu

- Tính ứng suất kéo tại đáy của bộ tạo sóng: ϭ 𝟏 = 0,59.𝑡 𝑑 𝐸

Từ đó có thể thấy, nhựa PETG là vật liệu có thể dùng để gia công mẫu thử nghiệm cho hộp giảm tốc Harmonic

6.1.3 Phương án thiết kế Để thuận lợi cho việc quan sát và thử nghiệm, cũng như đơn giản quá trình tạo mẫu, chúng tôi đã bỏ qua các ưu điểm về kích thước nhỏ gọn của hộp giảm tốc Harmonic, thay vào đó là hộp giảm tốc có kích thước lớn với nhiều chi tiết hơn so với các sản phẩm trên thị trường hiện nay

Bộ tạo sóng với vòng bi biên dạng hình elip rất khó tính toán thiết kế và chế tạo, vì vậy nhóm chọn gia công bộ tạo sóng bằng cách lắp 8 ổ bi theo biên dạng của bộ tạo sóng, các ổ bi này có nhiệm vụ tiếp xúc làm biến dạng bánh răng sóng và lăn khi bộ tạo sóng quay Với 2 đỉnh của bộ tạo sóng, ổ bi có nhiệm vụ làm biến dạng, còn lại có chức năng định hình, tránh bánh răng sóng bị biến dạng như hình 6.1

Hình 6.1 Biến dạng của bánh răng sóng khi chịu tác dụng của bộ tạo sóng

Bánh răng sóng khi biến dạng Bánh răng cứng

Biến dạng của bánh răng sóng

Bộ tạo sóng Con lăn

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

Mô hình 3D, bản vẽ và sản phẩm mẫu

Hình 6.2 Mô hình 3D hộp giảm tốc Harmonic 6.2.1 Bánh răng sóng

Thông qua các thông số được tính toán ở chương 5, bánh răng sóng được thiết kế theo biên dạng chiếc cốc không đáy, nhằm mục đích tăng tính dẻo của chi tiết, giúp chi tiết dễ dàng biến dạng, hạn chế nứt vỡ ở phần đáy

Hình 6.3 Mô hình 3D của bánh răng sóng

Hình 6.4 Sản phẩm mẫu của bánh răng sóng 6.2.2 Bánh răng cứng Được thiết kế và chế tạo như sau:

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

Hình 6.5 Mô hình 3D của bánh răng cứng

Hình 6.6 Sản phẩm mẫu của bánh răng cứng

Bộ tạo sóng được thiết kế bao gồm 8 vòng bi nhỏ cùng với phần thân bao gồm thân trên và thân dưới của bộ tạo sóng Các vòng bi được bố trí theo biên dạng hình elip,

52 sao cho các tiếp điểm khi được lắp vào bánh răng sóng, sẽ làm biến dạng bánh răng theo biên dạng elip đã tính toán

Hình 6.7 Mô hình cụm lắp ráp của bộ tạo sóng

Hình 6.8 Sản phẩm mẫu cụm lắp ráp của bộ tạo sóng

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

Hình 6.9 Mô hình thân trên của bộ tạo sóng

Hình 6.10 Mô hình thân dưới của bộ tạo sóng

Quy trình lắp ráp

6.3.1 Lắp ráp cụm bộ tạo sóng

Cụm bộ tạo sóng bao gồm 8 vòng bi 𝑑 = 10𝑚𝑚, trục input và thân trên, thân dưới của bộ tạo sóng, được lắp ghép như hình bên dưới:

Hình 6.11 Cụm lắp của bộ tạo sóng 6.3.2 Lắp ráp cụm bánh răng sóng và output

Cụm output bao gồm bánh răng sóng được lắp đồng tâm với trục output, bên trong trục output có lắp một vòng bi 𝑑 = 20𝑚𝑚 có nhiệm vụ đỡ trục input:

Hình 6.12 Cụm lắp bánh răng sóng và trục output

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

6.3.3 Lắp ráp cụm thân hộp giảm tốc

Cụm thân hộp bao gồm bánh răng cứng, thân trên được lắp hai vòng bi đỡ 𝑑 40𝑚𝑚 có nhiệm vụ đỡ trục ouput:

Hình 6.13 Cụm thân hộp giảm tốc 6.3.4 Lắp ráp cụm đáy của hộp giảm tốc

Cụm thân dưới hộp giảm tốc bao gồm đáy hộp, được lắp cùng với gá đỡ động cơ cùng với vòng bi đỡ 𝑑 = 25 𝑚𝑚 có nhiệm vụ đỡ trục input:

Hình 6.14 Cụm đáy của hộp giảm tốc

6.3.5 Các bước lắp ráp hoàn chỉnh hộp giảm tốc

Bước 1: Lắp cụm bộ tạo sóng vào bánh răng sóng

Bước 2: Lắp cụm trên vào bánh răng cứng

Bước 3: Lắp đáy của bộ tạo sóng

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

Bộ điều khiển động cơ bước

Động cơ bước được điều khiển bằng Arduino kết hợp với Driver TB6600, được lắp đặt như sau:

Đo kiểm và thử nghiệm

Yêu cầu ban đầu của đề tài:

- Hộp giảm tốc đạt đủ số truyền 1/50, với 50 vòng quay của bộ tạo sóng thì bánh răng sóng quay được một vòng

- Độ rơ của hộp giảm tốc bằng 0

- Khả năng tải của động cơ khớp 72 N.m

- Khả năng hoạt động trơn tru

Với các yêu cầu trên, nhóm tiến hành quan sát và đo kiểm như sau:

6.5.1 Kiểm tra số vòng quay của động cơ Để kiểm tra số vòng quay đầu ra và đầu vào của hộp giảm tốc có đạt yêu cầu hay không, nhóm đã đánh dấu điểm ban đầu trên một đỉnh ăn khớp của bánh răng sóng và bánh răng cứng, sau đó quay bộ tạo sóng 50 vòng thì quan sát được bánh răng sóng quay được một vòng Bên cạnh đó mỗi một vòng quay của bộ tạo sóng, bánh răng sóng sẽ quay được 2 răng Điều này khớp với yêu cầu kỹ thuật của hộp giảm tốc Harmonic

Hình 6.16 Đo kiểm số vòng quay

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ ĐO KIỂM MẪU THỬ

6.5.2 Đo kiểm mômen đầu ra của hộp giảm tốc Để có thể đo kiểm mômen đầu ra của hộp giảm tốc, nhóm chọn phương pháp đo bằng cách dùng tạ treo lên cánh tay đòn, từ đó suy ra momen đầu ra của sản phẩm:

Hình 6.17 Đo kiểm mômen đầu ra

Với động cơ bước được lập trình để quay một vòng trong 1600 xung, cánh tay đòn dài 150mm, số cân tạ mà động cơ có thể kéo và giữ là 20kg Khi số ký vượt qua mức 20kg, cánh tay đòn và then của nó xuất hiện hiện tượng nứt gãy, mặc dù trục output vẫn còn giữ vững Từ đó có thể kết luận rằng với cơ cấu được thiết kế cứng vững hơn, hoặc bằng vật liệu thép, hộp giảm tốc có thể chịu tải xấp xỉ như thông số tính toán ở chương 5 (mômen xoắn đầu ra 72000 N.mm tương đương 50kg với cánh tay đòn 150mm)

6.5.3 Đo độ rơ của hộp giảm tốc Đo độ rơ của sản phẩm bằng đồng hồ so Cho cánh tay đòn quay và dừng tại cùng một vị trí trong nhiều lần, từ đó lấy thông số của đồng hồ so Sau khi cho cánh tay đòn quay 90 độ và trở lại vị trí ban đầu, thông số trên đồng hồ chỉ thay đổi 0,005mm gần như bằng 0 Ta có thể kết luận rằng sản phẩm đã đạt yêu cầu về không có độ rơ của hộp giảm tốc Harmonic

Tại vị trí ban đầu:

Sau khi quay được một góc 90 độ và quay về vị trí ban đầu:

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Qua quá trình tính toán bằng cách dựa theo các công thức của hộp giảm tốc hành tinh thông thường, có thể thấy, các ưu điểm của hộp giảm tốc Harmonic được thể hiện một cách rõ rệt như ứng suất uốn ở răng thấp (2,54 MPa), độ rơ hầu gần như bằng không (0,005mm) Tải trọng và số vòng quay của hộp giảm tốc cũng được đảm bảo đúng với yêu cầu đặt ra, đạt đươc đúng tỷ số truyền mong muốn (R = 50)

Bên cạnh các điều trên, sản phẩm còn xuất hiện các hiện tượng không mong muốn như có sự đảo trên trục output khi bộ tạo sóng hoạt động Để khắc phục vấn đề này, có thể tăng chiều sâu biên dạng cốc của bánh răng sóng, giảm modun của bánh răng, từ đó sẽ giảm được độ lệch và độ lệch càng nhỏ thì sự rung động đầu trục càng giảm

Ngoài ra, ở sản phẩm này còn có một khuyết điểm lớn chính là tiếng ồn khi hoạt động khá to Điều này là do sự chuyển động của các vòng bi riêng lẻ, do đó, các hãng sản xuất hộp giảm tốc này sẽ thiết kế một ổ bi có biên dạng đặc biệt hình elip, từ đó giúp giảm tiếng ồn của sản phẩm, cũng như tránh các lỗi không mong muốn như bánh răng sóng bị biến dạng sai biên dạng tính toán ở các khoảng hở giữa các vòng bi riêng lẻ

Thiết kế của sản phẩm này chưa thật sự tối ưu, nó có thể nhỏ gọn và đơn giản hơn nếu bỏ các chi tiết như trục output và thay vào đó là mặt bích làm đầu ra, điều này sẽ đáp ứng được tiêu chí nhỏ gọn của loại hộp giảm tốc này