nghiên cứu, tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn

- 1 - Mục lục Mục lục 1 Chơng 1 : Tổng quan về bộ truyền bánh răng con lăn 4 1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng 4 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 10 1.2.1 Cấu tạo 10 1.2.2 Nguyên lý làm việc 11 1.3 Xây dựng biên dạng Đĩa Cycloid 12 1.3.1 Khái niệm 12 1.3.2 Thiết lập phơng trình biên dạng đĩa Cycloid 15 1.3.3 Nhận xét 23 Chơng 2 : Chế tạo biên dạng đĩa Cycloid 25 2.1 Dùng dao phay đĩa với phơng pháp chép hình 25 2.2 Dùng dao phay lăn 25 2.3 Gia công trên máy xọc bằng dao xọc định hình 29 2.4 Phơng pháp cắt lăn trên máy xọc răng bằng dao xọc tròn 31 2.5 Cắt răng trên các máy cắt hiện đại CNC 34 2.5.1 Gia công trên máy phay đứng - CNC 36 2.5.2 Gia công trên các máy cắt biên dạng trực tiếp - CNC 37 Chơng 3 : Cơ sở tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn 39 3.1 Lực tác dụng trong bộ truyền Bánh răng con lăn 39 3.2 Phân bố ứng suất trong đĩa Cycloid 46 3.3 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 48 3.3.1 Đối với đĩa Cycloid 48 3.3.2 Đối với chốt đầu ra 50 V Lờ Huy - 11/2005 - 2 - 3.4 Tính toán Độ bền tiếp xúc răng đĩa Cycloid 50 3.4.1 Hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc Z M 51 3.4.2 Tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc q H 51 3.4.3 Bán kính cong tơng đơng 62 3.4.4 Các công thức kiểm nghiệm và thiết kế cho đĩa Cycloid 65 3.4.5 Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép [ H ] 67 3.5 Tính kiểm nghiệm độ bền bánh răng khi quá tải 71 3.6 Tính toán độ bền con lăn và chốt trục ra 71 3.6.1 Tính con lăn chốt trục ra về độ bền tiếp xúc 71 3.6.2 Tính chốt trục ra về độ bền cắt và độ bền uốn 73 3.7 Tính trục và chọn ổ lăn 76 3.7.1 Tính trục 76 3.7.2 Tính chọn ổ lăn 81 3.8 Trình tự tính toán thiết kế bộ truyền 83 Chơng 4 : Chơng trình tính toán thiết kế và mô phỏng 89 4.1 Mục đích 89 4.2 Cấu trúc chơng trình 89 4.3 Hớng dẫn sử dụng chơng trình 93 4.4 Khả năng kết nối của chơng trình với các phần mềm khác 110 4.5 Một số ví dụ 111 4.5.1 Ví dụ 1 111 4.5.2 Ví dụ 2 114 4.5.3 Nhận xét 115 Kết luận 117 Tài liệu tham khảo 119 V Lờ Huy - 11/2005 - 3 - Mở đầu Bộ truyền bánh răng chốt là loại bộ truyền đã đợc nghiên cứu từ những năm 1950, tuy nhiên do có những hạn chế nên đã không đợc phát triển. Gần đây dựa trên cơ sở của loại bộ truyền đó đã ra đời một loại bộ truyền mới là bộ truyền bánh răng con lăn với những u điểm vợt trội so với những loại bộ truyền khác. Hiện nay trên thị trờng đã có một số hãng trong và ngoài nớc sản xuất loại bộ truyền bánh răng con lăn tuy nhiên lại cha có những tài liệu nghiên cứu loại bộ truyền này về độ bền cũng nh phơng pháp thiết kế. Bánh răng con lăn là loại bánh răng hoàn toàn mới, có rất nhiều triển vọng áp dụng nhng lại cha có tài liệu nào nghiên cứu sâu về vấn đề này. Tuy nhiên vận dụng những kiến thức chung về lý thuyết ăn khớp bánh răng và những phơng pháp tính toán hiện đại làm cơ sở cho việc tính toán bánh răng mới là hoàn toàn khả thi. Trên cơ sở đó có thể tìm ra những công thức tính, những đề nghị và quy phạm để nhanh chóng đa loại bánh răng mới vào ứng dụng thực tiễn. Trong luận văn này thực hiện nghiên cứu bộ truyền bánh răng con lăn nhằm : - Xây dựng những cơ sở khoa học tính toán và phân tích các chỉ tiêu đánh giá độ bền của bánh răng con lăn. - Đề xuất những giải thuật, công thức, hớng dẫn về quy phạm khi thiết kế loại bánh răng mới này. - Xây dựng hớng dẫn kỹ thuật cho việc tính toán thiết kế truyền động bánh răng con lăn. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và các kết quả đạt đợc, tiến hành lập chơng trình tính toán thiết kế và mô phỏng bộ truyền bánh răng con lăn. V Lờ Huy - 11/2005 - 4 - Chơng 1 Tổng quan về bộ truyền bánh răng con lăn 1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng Bộ truyền bánh răng con lăn đợc phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt với bánh răng có biên dạng Cycloid (còn gọi là đĩa Cycloid) hay gọi tắt là bộ truyền Cycloid. Biên dạng Cycloid đã đợc một kỹ s ngời Đức, ông Lorenz Braren, phát minh ra vào năm 1931 và đã đợc nghiên cứu phát triển cho đến tận ngày nay. ở Nga đã tiến hành nghiên cứu về loại bộ truyền này từ những năm 1948. Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền cao, có thể từ 6 đến 65, kích thớc nhỏ gọn. Tuy nhiên việc ứng dụng loại bộ truyền bánh răng chốt vào thực tế lúc đó còn nhiều hạn chế do sự phức tạp trong quá trình xây dựng biên dạng Cycloid và hiệu suất của bộ truyền cha cao do cha khắc phục đợc ma sát trợt hình thành trong bộ truyền khi làm việc. Đến những năm 80 với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hớng thay dần ma sát trợt bằng ma sát lăn nhờ bổ xung các con lăn trên các chốt (hình 1.1) và sự trợ giúp của máy tính thì các nghiên cứu về biên dạng Cycloid Hình 1.2 Động cơ - hộp giảm tốc bánh răng con lăn Hình 1.1 Bản vẽ lắp hộp giảm tốc bánh răn g con lăn V Lờ Huy - 11/2005 - 5 - mới thực sự hoàn thiện và một loạt các hộp giảm tốc đợc ra đời và đợc áp dụng ngày càng nhiều trong thực tiễn. Bộ truyền với ăn khớp Cycloid có ý nghĩa lớn lao trong việc giải các bài toán đặt ra cho các hệ dẫn động có kích thớc nhỏ của các máy đợc chế tạo có sự tham gia trực tiếp của động cơ điện lắp với các bộ truyền (hình 1.2). Các động cơ-hộp giảm tốc này có thể đợc sử dụng trong các ngành công nghiệp hoá học, cao su và thực phẩm, thí dụ dùng trong máy nén và máy bơm, máy xay bột và máy nghiền, các dạng khác nhau của máy khuấy và các loại thiết bị khác. Vùng công suất truyền hợp lý nhất của các bộ động cơ-hộp giảm tốc nằm trong phạm vi 0,5 đến 10 kW. Trong kiểu giảm tốc này, trục ra và trục vào là đồng trục. Các hộp giảm tốc này cho phép sử dụng với tỉ số truyền lớn, mỗi cấp từ 8 đến 65. Để nhận đợc tỉ số truyền từ 65 đến 3600 cần sử dụng các bộ truyền hai cấp. [16] Cuộc khảo sát đợc tiến hành ở Viện thiết kế Quốc gia Leningrad và chi nhánh HXMMA chỉ ra rằng kích thớc bao của hộp giảm tốc Cycloid nhỏ hơn từ 1,5 đến 2 lần kích thớc bao của hộp giảm tốc bánh răng trụ có cùng công suất và tỉ số truyền. Trọng lợng giảm từ 3 đến 4 lần. Để minh họa, trên hình 1.3 mô tả kích thớc của động cơ-hộp giảm tốc bánh răng con lăn có công suất 4kW và tỉ số truyền u=21 và kích thớc bao của động cơ-hộp giảm tốc bánh răng trụ thờng có cùng công suất và tỉ số truyền [16]. Ngoài việc giảm trọng lợng hộp giảm tốc, bộ truyền bánh răng con lăn còn cho phép sử dụng động cơ điện có số vòng quay cao hơn, khi đó làm tăng hiệu suất của hệ dẫn động nhờ làm tăng hệ số công suất (tăng hệ số cos) và giảm đáng kể giá thành của thiết bị. Khi lựa chọn động cơ điện quay nhanh không chỉ giảm đáng kể về giá thành, nâng cao hiệu suất và hệ số cos mà còn có khối lợng nhỏ (một động cơ điện 7kW quay 3000 vòng/phút có trọng lợng bằng 1/2 động cơ điện quay 750 vòng/phút). Cũng cần nhớ rằng điều V Lờ Huy - 11/2005 - 6 - kiện tăng tốc của động cơ không đồng bộ chạy nhanh tốt hơn so với chạy chậm. Hiện nay, với dạng cải tiến mới, thay ma sát trợt bằng ma sát lăn nhờ các con lăn, đồng thời tạo ra màng dầu tại chỗ tiếp xúc, hiệu suất một bộ truyền theo lý thuyết có thể đạt tới 0,95. Đến nay đã có một số công ty ở các nớc trên thế giới đã tiến hành sản xuất hàng loạt các loại động cơ-hộp giảm tốc loại này. Hình 1.3 So sánh kích thớc bao của động cơ - hộp giảm tốc Cycloid và hộp giảm tốc bánh răng trụ thông thờng. Hãng Hap Dong của Hàn Quốc [11] có hộp giảm tốc kiểu nằm và đứng (hình 1.4) với: - Tỉ số truyền từ 11 đến 7569 - Công suất từ 0,2 đến 30 kW V Lờ Huy - 11/2005 - 7 - Hình 1.4 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Hap Dong. Hãng Sumitomo của Nhật [12] thì ngoài các kiểu nằm và đứng còn có kiểu nằm nghiêng (hình 1.5) với : - Hộp giảm tốc có thể chịu đợc sự quá tải đến 500%. - Tỉ số truyền một cấp từ 6 đến 119, hai cấp từ 102 đến 7569 - Công suất từ 0,03 kW đến 173 kW - Mômen xoắn tới hạn đạt tới 60700Nm Hình 1.5 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Sumitomo. V Lờ Huy - 11/2005 - 8 - Hãng Centa của Anh [10] cũng sản xuất hộp giảm tốc Cycloid với nhiều chủng loại khác nhau (hình 1.6) : Hình 1.6 Một số loại Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Centa. - Cycloidal drivers với mômen xoắn từ 20 đến 60000Nm; 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%. - Planet grears với mômen xoắn từ 430 đến 550000Nm; tỉ số truyền từ 32 đến hơn 10000. - Robus series với kích thớc ngoài khá bé từ 110 đến 330mm; khe hở nhỏ; mômen xoắn 111 đến 5450Nm chịu quá tải tới 24000Nm; tỉ số truyền từ 29 đến 179. - Servo series kích thớc nhỏ gọn <85mm; mômen xoắn từ 16 đến 500Nm; tỉ số truyền từ 11 đến 87. - ServoGrears tỉ số truyền từ 3 đến 1000. - Spiral Bevel Grears ở dạng tiêu chuẩn có 6 mặt (6 đầu vào-ra); mômen xoắn từ 8 đến 8400Nm; tỉ số truyền chuẩn từ 1 đến 6, còn không phải dạng chuẩn tỉ số truyền lên tới 300. - ZezoGrears với sự cân bằng mômen động và độ chính xác chế tạo cao đã tạo ra một chủng loại hộp giảm tốc có thể chịu đợc tốc độ cao, với độ cứng xoắn cao nên làm việc đợc với mômen và sự quá tải lớn. Khe hở đối với V Lờ Huy - 11/2005 - 9 - hộp giảm tốc này là không tồn tại trong suốt thời gian sử dụng và có một ngoại lệ là hộp có thể làm việc với tải trọng động lên tới 24000Nm; Mômen xoắn tiêu chuẩn từ 111 đến 5450Nm; tỉ số truyền từ 87 đến 10000. 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-Trờng Đại học Bách Khoa thực hiện. Trong đề tài đó đã thực hiện chế tạo thành công đĩa Cycloid với phơng pháp cắt bao hình bằng dao phay lăn. Tuy nhiên phơng 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-Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện chế tạo thành công đĩa Cycloid bằng máy cắt dây CNC (hình 1.7, 1.8) và chuyển giao công nghệ cho Nhà máy Cơ khí Mai Động sản xuất hàng loạt (hình 1.9). Tuy nhiên cha tiến hành nghiên cứu tính toán độ bền đối với các bộ truyền này. Hình 1.7 Các đĩa Cycloid do Trung tâm tự động hoá-ĐH Bách Khoa HN chế tạo Hình 1.8 : Hộp giảm tốc bánh răng con lăn do Trung tâm tự động hoá- T rờng Đ H Bách Khoa H N chế tạo Hình 1.9 : Động cơ-Hộp giảm tốc bánh răng con lăn do Nhà máy Cơ khí M ai Động sản xuấ t V Lờ Huy - 11/2005 - 10 - Hình 1.10 : Các môđun quay với bánh răng con lăn dùng cho Rôbốt Do đặc điểm ăn khớp của loại bộ truyền này không có khe hở cạnh răng nên làm việc êm, không gây va chạm khi đổi chiều quay. Cùng với khối lợng và kích thớc nhỏ gọn nên đợc ứng dụng ngày càng nhiều trong các máy hiện đại, đặc biệt thích hợp để ứng dụng trong công nghệ rôbốt và các thiết bị y học. Loại bộ truyền bánh răng con lăn cũng đã đợc Trung tâm tự động hoá- Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội chế tạo và ứng dụng trong rôbốt (hình 1.10). 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 1.2.1 Cấu tạo o bộ truyền bánh răng con lăn gồm 4 nhóm thành phần cơ bản g với bạc lệch tâm và ổ lăn. chốt. yền có thể có 1, 2 Hình 1.11 : Các nhóm chính tron g bộ tru y ền bánh răn g con lăn Về cấu tạ (hình 1.11, hình 1.12) : - Trục đầu vào cùn - Các con lăn bánh răng chốt lắp trên vành răng - Bánh răng Cycloid hay đĩa Cycloid (trong một bộ tru hoặc 3 đĩa Cycloid). - Trục đầu ra. V Lờ Huy - 11/2005 [...]... răng Cycloid ít hơn số răng chốt một răng nên sau mỗi một vòng quay của trục vào thì bánh răng Cycloid mới quay quanh tâm của nó một b ớc răng Nh vậy, tỉ số truyền đạt đ ợc bằng chính số răng của bánh răng Cycloid Vận tốc của bánh răng Cycloid đ ợc truyền ra trục ra thông qua các chốt đầu ra có mang con lăn Trên hình 1.13, mô tả nguyên lý làm việc của một bộ truyền bánh răng con lăn Ban đầu đ ờng thẳng... nguyên lý, tất cả các con lăn đều đồng thời tiếp xúc với mặt răng t ơng ứng, có tối đa một nửa số con lăn tham gia truyền lực cho nên khả năng truyền lực là rất lớn - Về mặt lý thuyết các con lăn sẽ đồng thời tiếp xúc với đĩa Cycloid nên bộ truyền bánh răng con lăn làm việc êm khi đảo chiều -25Ch ơng 2 Chế tạo biên dạng đĩa Cycloid Khi chế tạo đĩa Cycloid trong truyền động bánh răng con lăn với ăn khớp... giảm tốc bánh răng con lăn 1.2.2 Nguyên lý làm việc Khi trục đầu vào quay làm bạc lệch tâm gắn trên nó quay theo Bánh răng Cycloid do lắp trên bạc cũng có xu h ớng quay theo nh ng bánh răng ăn khớp với các con lăn răng chốt trên vành răng chốt nên bánh răng chỉ lăn hành tinh bên trong vành răng chốt đồng thời nó cũng tự quay quanh tâm của nó với tốc độ chậm và theo chiều ng ợc lại Do số răng bánh răng. .. D y' D A sin R2 A A sin r2 r2 (1.7) A A R 2 cos r2 r2 A cos rc : bán kính con lăn răng chốt y D1 D' 1 rc R1 r1 O2 O1 R2 D' 0 D0 x r2 A Hình 1.17 Sự tạo thành biên dạng ăn khớp EpiCycloid với con lăn răng chốt 1.3.2 Thiết lập ph ơng trình biên dạng đĩa Cycloid Trong đồ án này tập trung đi vào nghiên cứu bộ truyền bánh răng con lăn với biên dạng đĩa Cycloid theo tr ờng hợp ăn khớp EpiCycloid ngoại tâm... giải tích Khi thiết kế dao xọc cần phải tính kích th ớc của bánh răng đ ợc cắt gọt Số răng và đ ờng kính vòng tròn ngoài của dao xọc sẽ chọn phụ thuộc vào kích th ớc của bánh răng đ ợc cắt gọt Profin răng của dao xọc có thể thu đ ợc bằng giải tích Trong tr ờng hợp này, profin l ỡi cắt là hình bao các vị trí liên tiếp của profin sản phẩm khi lăn không tr ợt vòng tròn ngoài profin của bánh răng theo vòng... một góc 2700/u Bạc lệch tâm Trục vào A Trục vào ở 00 Bánh răng Cycloid B Trục vào ở 900 Con lăn C Trục vào ở 1800 Chốt đầu ra D Trục vào ở 2700 Hình 1.13 Mô tả nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng con lăn 1.3 Xây dựng biên dạng Đĩa Cycloid 1.3.1 Khái niệm Biên dạng Cycloid là quỹ tích của một điểm cố định trên một đ ờng tròn khi đ ờng tròn này lăn không tr ợt trên một đ ờng thẳng hoặc đ ờng tròn... thì vận tốc tr ợt giữa hai mặt răng càng lớn, do vậy hiệu suất càng thấp và càng chóng mòn Tuy thuộc loại ăn khớp ngoài tâm tích nh ng ở truyền động bánh răng con lăn vận tốc tr ợt lại rất thấp bởi vì vận tốc góc t ơng đối 12 giữa đĩa Cycloid và các con lăn rất thấp : 12 1 2 11 2 1 Khi z2-z1=1 thì : 12 1 z2 1 z2 z1 z2 (1.40) , với z2 là số con lăn - Một đặc điểm nữa của truyền động ăn khớp Cycloid nói... góc 900 theo ng ợc chiều kim đồng hồ (hình 1.13.B) thì bánh răng Cycloid quay đ ợc một góc 900/u theo chiều kim đồng hồ quanh tâm của nó, đồng thời kéo trục ra quay theo cũng đ ợc một góc 900/u, với u là tỉ số truyền của bộ truyền, đ ợc xác định theo công thức : u= z1 z2 z1 (1.1) -12trong đó : z1 : số răng đĩa Cycloid z2 : số con lăn (số răng vành răng chốt) với z2=z1+1 do đó có : u = z1 (1.2) Tiếp tục,... ơng pháp phay lăn, profin của dao phay lăn khác với profin răng của bánh răng đ ợc gia công Profin của dụng cụ có thể xác định bằng đồ thị hoặc giải tích Khi đã biết đ ờng biên của thanh răng khởi thuỷ, có thể tạo ra bề mặt hình xoắn ốc của l ỡi cắt răng của dao phay nh một trục vít phù hợp với thanh răng đã cho Để cho mặt cắt tiêu chuẩn của răng dao phay đó gần trùng với profin thanh răng khởi thuỷ,... biên dạng của thanh răng theo (2.8) và sau đó thiết kế dao phay lăn 2.3 Gia công trên máy xọc bằng dao Xọc định hình Ph ơng pháp này có thể đ ợc xử dụng để chế tạo cả răng trong lẫn răng ngoài của bánh răng có profin EpiCycloid và HypoCycloid Dao xọc bản thân nó là dụng cụ nhiều l ỡi dao với các l ỡi dao răng định hình (hình 2.3) Các l ỡi cắt cần có độ chính xác chế tạo cao Hình 2.3 : Tính profin dao xọc . việc tính toán thiết kế truyền động bánh răng con lăn. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và các kết quả đạt đợc, tiến hành lập chơng trình tính toán thiết kế và mô phỏng bộ truyền bánh răng con. sở tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn 39 3.1 Lực tác dụng trong bộ truyền Bánh răng con lăn 39 3.2 Phân bố ứng suất trong đĩa Cycloid 46 3.3 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán. sản xuất loại bộ truyền bánh răng con lăn tuy nhiên lại cha có những tài liệu nghiên cứu loại bộ truyền này về độ bền cũng nh phơng pháp thiết kế. Bánh răng con lăn là loại bánh răng hoàn toàn