tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật TỔNG QUAN về TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG và cơ cấu RĂNG cầu

Cơ cấu răng cầu vành răng thân khai hình thành nhờmột đoạn biên dạng răng của bánh răng trụ thân khai quay 3600 xung quanh đường thẳng đi qua tâm và trung điểm củađỉnh hoặc chân răng trê

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cơ cấu bánh răng được dùng rất phổ biến trongtruyền động cơ khí Các cơ cấu bánh răng truyền thống đãđược nghiên cứu rất hoàn chỉnh về mặt lý thuyết cũng nhưphương pháp chế tạo Tuy nhiên với các cơ cấu bánh răngtruyền thống (bánh răng trụ, bánh răng côn, trục vít bánhvít, bánh răng thanh răng) có độ cứng vững cao nhưng chỉ

có 1 bậc tự do nên khả năng linh hoạt kém

Cơ cấu răng cầu là bộ truyền răng mới có nhiều bậc

tự do, khả năng linh hoạt rất cao do đó nó có thể truyềnchuyển động và truyền lực trong không gian Trên thế giới

bộ truyền bánh răng cầu được dùng trong các khớp cổ tay,cánh tay rôbốt, máy dẫn đường cho tên lửa, hệ thống điềukhiển ăngten vệ tinh, cơ cấu phun sơn… Đặc điểm của cơcấu răng cầu là có thể làm khớp truyền động có nhiều bậc

tự do

Theo các tài liệu công bố gần đây cơ cấu răng cầumới chỉ được phát triển và hoàn thiện về mô hình truyềnđộng Việc chế tạo cơ cấu vẫn chưa có các công nghệ hoànchỉnh được công bố

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a.Ý nghĩa khoa học.

Sự khác biệt cơ bản của răng cầu và bánh răng là đườngrăng của nó Vì thế phương pháp tạo hình và công nghệ chếtạo răng cầu cũng khác với bánh răng Các nghiên cứu về

răng cầu là chưa hoàn thiện, trên thế giới chưa có các cơcấu chuyên dùng để tiện bao hình răng cầu.

Chế tạo răng cầu đạt độ chính xác cao là vấn đề rất lớn

mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu Vì thếmục tiêu chủ yếu của đề tài là thiết kế ra cơ cấu tiện baohình răng cầu đồng thời đưa ra giải pháp để chế tạo daotiện bao hình răng cầu đạt độ chính xác yêu cầu

b.Ý nghĩa thực tiễn.

Thiết kế, chế tạo cơ cấu tiện bao hình răng cầu làm cơ

sở cho việc hình thành công chế tạo răng cầu có ý nghĩathực tiễn Kết quả nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệứng dụng trong điều kiện sản xuất chế tạo máy của nướcnhà

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG VÀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Truyền động bánh răng

1.1.1 Định nghĩa cơ cấu bánh răng

Cơ cấu bánh răng là cơ cấu có khớp cao dùng để truyền chuyển động quay giữa hai trục với tỷ số truyền xác định nhờ sự ăn khớp trực tiếp giữa hai khâu có răng

Tỷ số truyền của cơ cấu: 12 1

2



 với  1, 2 là vận tốc góc của bánh răng 1 và 2

1.1.2 Phân loại cơ cấu bánh răng

1.1.3 Biên dạng răng thân khai

Bánh răng có biên dạng răng là đường thân khai của đườngtròn được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm và đã được nghiên cứu hoàn chỉnh về công nghệ chế tạo

Hình 1.2 Đường thân khai của đường tròn

Định nghĩa: Khi cho đường thẳng () lăn không trượt trên đường tròn Cb(O,rb) thì một điểm M bất kỳ trên đường

() sẽ vạch nên một đường cong (E) gọi là đường thân khai của đường tròn Đường tròn Cb(O,rb) gọi là đường tròn

cơ sở của đường thân khai Điểm Mb gọi là gốc của đường thân khai (E) trên đường tròn cơ sở

1.2 Cơ cấu răng cầu

Cơ cấu răng cầu là một cơ cấu truyền động răng cónhiều bậc tự do, nó có thể truyền moment và lực trongkhông gian Đó là điểm khác biệt cơ bản của răng cầu đốivới những cơ cấu bánh răng một bậc tự do đã biết trướcđây Cơ cấu răng cầu được phát minh bởi A.H.Kulin ngườiLiên Xô và lần đầu tiên được sử dụng trong khớp cổ taycủa robot phun sơn ở nhà máy Trallfa tại Norway và đượcgọi là cơ cấu răng cầu Trallfa Cơ cấu cơ bản của khớp cổtay linh hoạt là cặp vành răng cầu Trallfa

1.2.1 Cơ sở hình học của cơ cấu răng cầu

Để đưa ra công nghệ tạo hình răng cầu ta cần phảinghiên cứu cơ sở hình thành vành răng cầu thân khai

1.2.1.1 Sự hình thành bề mặt vành răng cầu thân khai 1.2.1.2 Sự hình thành răng cầu vành răng thân khai.

Cơ cấu răng cầu vành răng thân khai hình thành nhờmột đoạn biên dạng răng của bánh răng trụ thân khai quay

3600 xung quanh đường thẳng đi qua tâm và trung điểm củađỉnh hoặc chân răng trên biên dạng răng Trên hìnhđường thẳng O1O2 là đường tâm quay hình thành nên haibánh răng cầu số 1 và số 2, nó đi qua trung điểm chân răng

trên biên dạng hình thành nên bánh răng cầu số 1 và đi quatrung điểm đỉnh răng trên biên dạng hình thành nên bánhrăng cầu số 2 Đoạn O1O2 có giá trị bằng a, đây chính làkhoảng cách tâm của hai răng cầu

Khi quay hai biên dạng răng thân khai xung quanhtrục quay như trên hình 1.6 tất cả các điểm đỉnh răng hoặcchân răng trở thành các vòng tròn đỉnh răng hoặc chân răngcủa răng cầu còn các vòng tròn đỉnh răng, chân răng hoặcvòng chia lúc này trở thành các mặt cầu đỉnh, chân rănghoặc mặt cầu chia của răng cầu

1.2.2 Đặc điểm về kết cấu và lắp ráp của cơ cấu răng cầu.

Quan sát răng cầu từ một đầu trục, chúng ta nhận thấyrằng các răng trên bề mặt cầu phân bố thành một nhómvành răng đồng tâm Trục răng cầu chính là đường thẳng điqua tâm giữa hai răng của nó, khi đó trên khối cầu, hìnhdạng một vành lõm mà đường tâm là trục Biên dạng của

nó là đường thân khai Trục của chi tiết răng cầu khác điqua tâm đỉnh răng của nó.

1.2.3 Đặc điểm truyền động của cơ cấu răng cầu.

Khi một cặp răng cầu ăn khớp, hai biên dạng răngtiếp xúc từ đầu đến cuối trong quá trình ăn khớp

Chỉ khi hai trục của vành răng được căn chỉnh sao chođường tiếp xúc thực tế tạo thành một vành để bề những bềmặt vành răng của chúng song song Bởi vì hình dạng răngtrong bất kỳ mặt cắt dọc trục là giống như biên dạng răngcủa một bề mặt răng trụ, nếu trục là đường tâm, cơ cấurăng cầu có thể ăn khớp dọc theo bất kỳ hướng nào Điềunày có nghĩa là hai điểm nút hình cầu có thể thực hiệnchuyển động quay thuần tuý dọc theo mọi hướng, và haitrục của chúng có thể lắc tương đối tất cả mọi hướng

1.2.4 Điều kiện ăn khớp đúng của cơ cấu răng cầu.

Một chi tiết răng cầu được hình thành trên cơ sở mộtbánh răng trụ răng thẳng Hình dạng răng của bánh răng trụrăng thẳng giống như hình dạng răng ở tiết diện pháp tuyếncủa cơ cấu răng cầu Vì vậy, chúng ta xác định rằng bánhrăng trụ răng thẳng là bánh răng tương đương của cơ cấurăng cầu

1.2.5 Điều kiện truyền động liên tục của cơ cấu răng cầu.

Đối với cơ cấu răng cầu, điểm ăn khớp nằm trênđường cong giao nhau của răng đỉnh cầu, chi tiết răng cầu

bị động và mặt côn ăn khớp Dễ dàng biết được đườngcong giao nhau là một đường tròn Điểm ra khớp cũng nhưnhau và đường cong giao nhau cũng là một đường tròn.Khi cơ cấu răng cầu không đối xứng theo hướng nào, trongmặt nghiêng dịch chuyển, điểm ăn khớp sẽ di chuyển dọctheo đường sinh của mặt côn ăn khớp Độ dài của đườngtiếp xúc thực tế là gấp đôi của đường sinh hình côn ănkhớp

1.2.6 Phương trình tham số biên dạng răng ∑1 của chi tiết răng cầu dẫn động(1).

1.2.7 Phân tích động học cơ cấu răng cầu.

1.2.7.1 Mô hình toán học chuyển động của cơ cấu răng cầu.

1.2.7.2 Phân tích động học cơ cấu răng cầu.

1.2.7.3 Phân tích động học của cơ cấu đĩa răng cầu – bánh răng cầu.

Trong cơ cấu bánh răng cầu và đĩa răng cầu, nếubánh răng cầu được xem như một cơ cấu dẫn động , haichiều quay của bánh răng cầu kết hợp tạo thành chuyểnđộng tịnh tiến của thanh răng cầu Ngược lại, nếu đĩa răngcầu được xem như một cơ cấu dẫn động, chuyển động tịnhtiến của đĩa răng cầu dọc theo trục X và Z sẽ tạo ra haichuyển động quay của bánh răng cầu Do đó sự thay đổigiữa hai chiều chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

có thể được thực hiện bằng cơ cấu đĩa răng cầu - bánh răng

cầu Điều này có thể được áp dụng để điều khiển cơ cấuchấp hành trong không gian.

1.2.8 Kiểu truyền động hành tinh của cơ cấu bánh răng cầu và phân tích động học của nó:

- Khi một chi tiết răng cầu có bán kính bằng vô cùngthì nó được gọi là đĩa răng cầu với các vành răng đồng tâmtrong mặt phẳng ăn khớp Cắt đĩa răng bằng mặt phẳng cắt

đi qua tâm ta thu được thanh răng sinh Đây là cơ sở đểnghiên cứu phương pháp tạo bao hình răng cầu

- Việc phân tích động học của cơ cấu răng cầu là cầnthiết cho việc thiết kế cơ cấu răng cầu và các nghiên cứulựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo bánh răng cầu chínhxác, hiệu quả theo yêu cầu kỹ thuật của nó.

- Gia công răng cầu bằng phương pháp bao hình lànhắc lại sự ăn khớp của cặp truyền động vì vậy khảo sáttổng quan về truyền động, đặc trưng động học và đặc điểm

ăn khớp răng cầu có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việclựa chọn giải pháp hợp lý tạo hình răng cầu theo phươngpháp bao hình

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÁNH

RĂNG 2.1 Phương pháp chế tạo bánh răng

Bánh răng thường dùng nhất là bánh răng có biên dạngrăng là đường thân khai của đường tròn, dựa vào nguyên lýtạo thành đường thân khai bánh răng được chế tạo bằng 2phương pháp chủ yếu là phương pháp chép hình và phươngpháp bao hình

2.1.1 Phương pháp chép hình

2.1.2 Phương pháp bao hình

2.2 Phương pháp chế tạo răng cầu.

Sự khác biệt cơ bản của răng cầu với bánh răng làđường răng của nó Cho nên phương pháp tạo hình và côngnghệ chế tạo răng cầu cũng khác với bánh răng Hiện nay,

2.2.1 Đặc điểm hình học của bộ truyền:

Như đã trình bày ở chương 1 về sự hình thànhrăng cầu vành răng thân khai Răng cầu vành răng thânkhai được hình thành nhờ một đoạn biên dạng răng củarăng trụ thân khai quay 3600 xung quanh đường thẳng điqua tâm và điểm giữa của đỉnh hoặc chân răng trên biêndạng răng Khi trục quay đi qua điểm giữa của biên dạngđỉnh răng ta có răng nhận được là vành răng cầu lồi, cònkhi trục xoay đi qua điểm giữa của biên dạng chân răng khi

đó răng nhận được là vành răng cầu lõm

Quá trình ăn khớp chỉ diễn ra giữa một vành răngcầu lồi và một vành răng cầu lõm

Như vậy ta thấy biên dạng răng cong của bánh răngcầu trên trục quay trong bất kỳ mặt cắt nào đều là biên

dạng thân khai, và tất cả các đường thân khai tạo thành mộtvành răng cong.

Khi một vành răng cầu có bán kính bằng vô cùngthì được gọi là đĩa răng cầu với các vành răng đồng tâmtrong mặt phẳng ăn khớp Mặt cắt đi qua tâm của các vànhrăng là thanh răng sinh của bánh răng trụ tương ứng Đây là

cơ sở để thiết kế các dụng cụ cắt bằng phương pháp baohình

Qua phân tích hình dáng hình học của bộ truyềnrăng cầu và tuỳ theo yêu cầu sản xuất, độ chính xác ta thấy

có thể dùng các phương pháp cắt răng sau đây:

2.2.2 Phương pháp chép hình

Bản chất của phương pháp chép hình là profile củarăng cầu được chép lại theo Profile lưỡi cắt của dao Cácphương pháp này gồm có:

Quá trình cắt răng theo phương pháp bao hình cómột số đặc điểm sau:

- Tiết diện lớp cắt thay đổi theo chu kì trong thờigian gia công.

- Những đoạn khác nhau trên lưỡi cắt chịu tải trọngkhác nhau, vì kích thước lớp cắt ứng với từng đoạn lớp cắtkhác nhau Cũng như do lớp cắt và lượng chạy dao đềuthay đổi

- Trị số góc trước và góc sau thay đổi dọc theolưỡi cắt của dao, cần lưu ý tránh hiện tượng ma sát ở cácđoạn có góc sau nhỏ

2.3.1 Thiết kế dao tiện

2.3.2 Đặc điểm công nghệ

Phương pháp gia công này thực hiện được trên máyvạn năng có đồ gá phân độ, hoặc trên trung tâm tiện CNCnhiều trục để phân độ tự động

Cắt răng theo phương pháp này có ưu nhược điểmsau:

- Ưu điểm:

+ Chế tạo dao đơn giản, giá thành rẽ

+ Không yêu cầu máy chuyên dùng

+ Có thể thiết kế dao tiện chép hình chuyên dùng đểtiện nhiều rãnh răng đồng thời nhằm đạt năng suất và độchính xác cao

- Nhược điểm: Độ chính xác gia công không cao lắm,năng suất thấp

2.3.3 Nhận xét

Muốn gia công chính xác một bánh răng có môđun m

và số răng Z, cần phải thiết kế một dao tiện phù hợp Điềunày về mặt kinh tế là không cho phép.Vì vậy gia công bánhrăng bằng phương pháp tiện chép hình được sữ dụng ởdạng sản xuất đơn chiếc

2.4 Phay chép hình

Dùng dao phay ngón để gia công bánh răng cầu theo

phương pháp chép hình, biên dạng lưỡi cắt của dao trùngvới biên dạng 1 rãnh răng

2.4.1 Thiết kế dao phay ngón

2.4.2 Đặc điểm công nghệ

Phương pháp gia công này thực hiện được trên máyphay vạn năng có đồ gá phân độ, hoặc trên trung tâm phayCNC nhiều trục để phân độ tự động

Cắt răng theo phương pháp này có ưu nhược điểmsau:

- Ưu điểm:

+ Chế tạo dao đơn giản, giá thành rẽ

+ Không yêu cầu máy chuyên dùng

Muốn gia công chính xác một bánh răng có môđun m

và số răng Z, cần phải thiết kế một dao phay ngón phù hợp.Điều này về mặt kinh tế là không cho phép Ngoài ra việcphân độ làm quá trình cắt răng xãy ra không liên tục làmgiảm năng suất và độ chính xác gia công Vì vậy gia côngbánh răng bằng phương pháp phay chép hình được sữ dụng

ở dạng sãn xuất đơn chiếc

2.5 Mài chép hình

2.5.1 Thiết kế đá mài

Profile của đá mài được tính như profile lưỡi cắt củadao tiện chép hình

2.5.2 Đặc điểm công nghệ

Phương pháp gia công này thực hiện được trênmáy vạn năng có đồ gá phân độ, hoặc trên trung tâm CNCnhiều trục để phân độ tự động

Mài răng theo phương pháp này có ưu nhược điểmsau:

- Ưu điểm:

+ Chế tạo đá đơn giản, giá thành rẽ

+ Không yêu cầu máy chuyên dùng

- Nhược điểm: Độ chính xác gia công không cao lắm

2.5.3 Nhận xét

Muốn mài chính xác một bánh răng có môđun m

và số răng Z, cần phải thiết kế một mãnh đá mài phù hợp.Điều này về mặt kinh tế là không cho phép Vì vậy giacông bánh răng bằng phương pháp mài chép hình được sửdụng ở dạng sản xuất đơn chiếc

2.6 Tiện bao hình

Cắt răng theo phương pháp tiện bao hình dựa trênnguyên lý ăn khớp giữa thanh răng – bánh răng cầu, trong

đó thanh răng cầu đóng vai trò là dao tiện

Khi cắt răng theo phương pháp này thường có các

chuyển động sau:

- Chuyển động quay của chi tiết tạo ra tốc độ cắtchính

- Chuyển động tịnh tiến T của dao tiện trong mặtphẳng chứa đường tâm của bánh răng cầu tạo ra tốc độ baohình.

- Chuyển động quay của chi tiết xung quanh tâm cầu

để nhắc lại sự ăn khớp với thanh răng cầu hình thànhchuyển động bao hình (phân độ)

- Ngoài ra dao tiện còn chuyển động hướng tâm cầu

để cắt hết chiều cao răng

2.7 Phay và mài bao hình

2.8 Kết luận

- Trên đây đã khảo sát các giải pháp tạo hình bề mặtrăng được dùng trong nghành chế tạo máy làm cơ sở hìnhthành giải pháp tạo hình bề mặt răng cầu

- Nội dung chương đã giải quyết được các vấn đề độnghọc tạo hình răng cầu theo các phương pháp bao hình vàchép hình Mỗi phương pháp đều có ưu thế riêng tùy vàođiều kiện kỹ thuật cụ thể

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TIỆN

BAO HÌNH RĂNG CẦU 3.1 Thiết kế các chuyển động bao hình

3.1.1 Sơ đồ cấu trúc động học của tiện bao hình:

3.1.1.1 Sơ đồ gia công

3.1.1.2 Thiết lập sơ đồ cấu trúc động học

S k

Các chuyển động xích bao hình đã được trình bày ởphân trên ở đây chỉ mô phỏng chuyển động cắt dựa trênnguyên lý ăn khớp của bánh răng cầu và thanh răng cầu.

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm Pro/engineer wildfire 5.0 3.2.2 Mô phỏng chuyển động tiện bao hình răng cầu bằng phần mềm Pro/engineer wildfire 5.0.

3.3 Kết luận

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO DAO TIỆN BAO

HÌNH GIA CÔNG RĂNG CẦU

4.1 Cơ sở thiết kế dao tiện bao hình

4.1.1 Nguyên lý hình thành biên dạng răng dao

4.1.2 Thanh răng cầu của vành răng cầu lõm

4.1.3 Thanh răng cầu của vành răng cầu lồi

4.1.4 Các bán kính của cung tròn thanh răng cầu 4.1.5 Các chuyển động khi cắt răng bằng dao tiện bao hình:

4.1.6 Profile răng dao:

4.2 Tạo hình dao tiện bao hình:

4.2.1.Phay thô các rãnh răng:

4.2.2 Phay hớt lưng rãnh răng dao tiện bao hình: 4.3.3 Phay hớt lưng đỉnh răng dao tiện bao hình: 4.2.4 Mài mặt trước trên máy mài phẳng

4.3 Chế tạo dao tiện bao hình răng cầu