nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc nhằm giảm thời gian tính toán thiết kế, vẽ hộp giảm tốc bằng phương pháp thủ công... 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

S K C0 0 4 4 8 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 09 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii

CẢM TẠ

Từ những môn học bổ sung kiến thức chuyên môn cho đến việc thực hiện chuyên đề 1, chuyên đề 2 là một chuỗi quá trình tích lũy kiến thức nhằm mục đích hoàn thành đề tài tốt nghiệp

Luận văn tốt nghiệp là một học phần quan trọng trước khi kết thúc chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, việc thực hiện luận văn đòi hỏi học viên phải tìm hiểu nghiên cứu vấn đề mà

đề tài tốt nghiệp đặt ra

Xin cảm ơn thầy PGS TS.Đặng Thiện Ngôn, đã chỉ dẫn giúp đỡ nhiệt tình để

em thực hiện luận tốt nghiệp này, cảm ơn quý thầy cô đã có nhiều ý kiến đóng góp cho em về kiến thức chuyên ngành và thêm nhiều kiến thức khác, từ đó giúp em có thêm nhiều hành trang vững chắc khi bước ra khỏi trường và ứng dụng vào thực tiễn

iii

TÓM TẮT

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC”

Hiện nay, việc thiết kế hộp giảm tốc được thực hiện bằng tay nên tốn nhiều thời gian và công sức Do đó, cần tiến hành nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc Phần mềm có khả năng tính toán, thiết kế bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basicvà vẽ

tự động bằng ngôn ngữ lập trình AutoLisp

ABSTRACT

“ A PROPOSAL FOR AUTOMATIC DESIGN OF GEARBOX ”

Today, the design of the gearbox is done by hand so much time and effort Therefore, it is necessary to research designed automatic gearbox The software is able to calculating and designing Visual Basic programming language and automatic drawing AutoLisp programming language

iv

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

1.4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Kết cấu của luận văn 2

Chương 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Hộp giảm tốc 4

2.1.1 Định nghĩa 4

2.1.2 Phân loại 5

2.1.3 Ứng dụng 6

2.2 Các thành phần của hộp giảm tốc 6

2.2.1 Bánh răng 6

2.2.2 Trục 6

2.2.3 Then 7

2.2.4 Ổ lăn 7

2.2.5 Vỏ hộp 7

2.2.6 Các chi tiết phụ 7

2.3 Các yêu cầu thiết kế 7

2.4 Vấn đề thiết kế 8

2.4.1 Thiết kế tay 8

2.4.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm 8

2.4.3 Thiết kế tự động 8

v

2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 8

2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 8

2.4.2 Các nghiên cứu trong nước 9

2.4.3 Các hạn chế tồn tại 9

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

3.1 Trình tự tính toán 10

3.1.1 Bộ truyền bánh răng trụ 10

3.1.2 Tính toán bộ truyền bánh côn 18

3.1.3 Tính toán bộ truyền trục vít – bánh vít 25

3.1.4 Tính toán trục 29

3.2 Lập trình AutoLisp 30

3.2.1 Căn bản về AutoLisp 30

3.2.2 File chương trình AutoLisp 33

Chương 4 THIẾT KẾ CHI TIẾT SỬ DỤNG PHẦN MỀM INVENTOR 36

4.1 Phần mềm Autodesk Inventor 36

4.1.1 Giới thiệu 36

4.1.2 Các bước thiết kế sử dụng Module Design Accelerator 36

4.1.3 Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ - spur gear 37

4.1.3 Thiết kế bộ truyền bánh răng côn - bevel gear 39

4.1.4 Thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít – worm gear 41

4.1.5 Thiết kế trục – shaft 43

4.1.6 Thiết kế ổ lăn – bearing 44

4.2 Trình tự lắp ráp hộp giảm tốc 45

4.2.1 Tạo các đơn vị lắp 45

4.2.2 Lắp ghép các cụm chi tiết 46

4.2.3 Mô phỏng lắp ráp hộp giảm tốc 46

Chương 5 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG 54

5.1 Quy trình thiết kế tự động 54

5.2 Quy trình tính toán thiết kế 55

5.2.1 Giao diện chương trình 55

5.2.2 Quy trình tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng 55

5.2.3 Quy trình tính toán thiết kế trục 57

5.3 Quy trình vẽ tự động 59

5.3.1 Lưu đồ giải thuật 59

5.3.2 Giao diện chương trình 60

5.3.2 Vẽ tự động 60

Chương 6 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 62

6.1 Tính toán thiết kế tay 62

6.1.1 Thông số thiết kế 62

6.1.2 Tính toán thiết kế tay 62

6.2 Tính toán thiết kế tự động 65

vi

6.3 So sánh đánh giá kết quả 69

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

7.1 Kết luận 70

7.2 Kiến nghị 70

Tài liệu tham khảo……….77

Phụ luc 1: Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm tính toán 73

Phụ luc 2: Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm vẽ tự động 77

Phụ luc 3: Code thêm Menubar trong AutoCad 80

Phụ luc 4: Code tạo cây thư mục cho Menubar trong AutoCad 80

Phụ luc 5: Code AutoLisp vẽ bánh răng trụ 84

Phụ luc 6: Code Visual Basic tính toán bộ truyền bánh răng 90

Phụ luc 7: Code Visual Basic kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 101

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Các loại hộp giảm tốc thông dụng trong thực tế 4

Hình 2.2: Phân loại theo truyền động 5

Hình 2.3: Phân loại theo số cấp 5

Hình 2.4: Phân loại theo vị trí giữa các trục 6

Hình 2.5: Các bộ truyền bánh răng 6

Hình 2.6: Vỏ hộp giảm tốc 7

Hinh 3.1: Biểu thức trong AutoLisp 31

Hình 4.1: Thẻ thiết kế của bộ truyền bánh răng trụ 37

Hình 4.2: Thẻ tính toán của bộ truyền bánh răng trụ 38

Hình 4.3: Thẻ thiết kế của bộ truyền bánh răng côn 39

Hình 4.4: Thẻ tính toán của bánh răng côn 40

Hình 4.5: Thẻ thiết kế của bộ truyền trục vít – bánh vít 41

Hình 4.6: Thẻ tính toán của trục vít – bánh vít 42

Hình 4.7: Thẻ thiết kế của trục 43

Hình 4.8: Thẻ tính toán của trục 44

Hình 4.9: Thẻ biểu đồ của trục 44

Hình 4.10: Thẻ thiết kế của ổ lăn 45

Hình 4.11: Thẻ tính toán của ổ lăn 45

Hình 4.12: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc bánh răng trụ 49

Hình 4.13: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc bánh răng trụ 49

viii

Hình 4.14: Mô hình hộp giảm tốc bánh răng trụ 49

Hình 4.15: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc bánh răng côn 50

Hình 4.16: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc bánh răng côn 51

Hình 4.17: Mô hình hộp giảm tốc bánh răng côn 51

Hình 4.18: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 52

Hình 4.19: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 53

Hình 4.20: Mô hình hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 53

Hình 5.1: Sơ đồ quy trình thiết kế tự động hộp tốc độ 54

Hình 5.2: Giao diện chương trình tính toán thiết kế 55

Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật quy trình tính toán thiết kế 56

Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật quy trình tính toán thiết kế 58

Hình 5.5: Sơ đồ quy trình vẽ tự động 59

Hình 5.6: Giao diện chương trình vẽ tự động 60

Hình 5.7: Giao diện nhập giá trị 60

Hình 5.8: Giao diện thư viện 61

Hình 6.1: Khởi động chương trình tính toán thiết kế 65

Hình 6.2: Biểu tượng chương trình tính toán thiết kế 65

Hình 6.3: Giao diện chương trình tính toán thiết kế 66

Hình 6.4: Giao diện nhập dữ liệu tính toán thiết kế 66

Hình 6.5: Kết quả của chương trình tính toán thiết kế 66

Hình 6.6: Các thông số cơ bản của bộ truyền 67

Hình 6.7: Chọn chức năng tính toán kiểm nghiệm 67

Hình 6.8: Giao diện kiểm nghiệm của phần mềm thiết kế bộ truyền bánh răng 67

ix

Hình 6.9: Giao diện phần lưu kết quả của phần mềm 68Hình 6.10: Giao diện phần lưu kết quả 68Hình 6.11: Giao diện lưu kết quả thành công 69

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Hệ số tập trung tải trọng 11

Bảng 3.2: Hệ số tải trọng động bánh răng trụ răng thẳng 14

Bảng 3.3: Hệ số tải trọng động bánh răng trụ răng nghiêng 15

Bảng 3.4: Bảng chọn giá trị z1p 20

Bảng 3.5: Bảng hệ số tải trọng tính bộ truyền bánh răng côn 22

Bảng 3.6: Bảng hệ số tải trọng động bộ truyền trục vít 27

Bảng 6.1: Kết quả thiết kế thủ công bộ truyền bánh răng 65

Bảng 6.2: Kết quả của chương trình thiết kế bộ truyền bánh răng 69

Bảng 6.3: Kết quả so sánh của giá trị tính toán tay và tính toán bằng phần mềm 69

Trước kia, để thiết kế chế tạo ra chi tiết máy mới, các kỹ sư phải tốn rất nhiều thời gian để thiết kế và tính toán các thông số kỹ thuật sao cho chính xác Trong quá trình thiết kế các bản vẽ bằng tay họ phải lặp đi lặp lại một số chi tiết hay khi vẽ sai phải thực hiện bản vẽ đó lại từ đầu Điều này khiến cho người thiết kế mất rất nhiều thời gian và làm giảm chất lượng bản vẽ Từ thực tế đó, rất nhiều kỹ sư thiết kế mong muốn có được công cụ hỗ trợ mình trong công việc thiết kế nhằm nâng cao chất lượng bản vẽ Nắm bắt nhu cầu này, các công ty phần mềm đã cho ra đời một loạt các phần mềm hỗ trợ như AutoCad, Inventor, Solidworks, ProE, Catia,…

Tuy nhiên, bản chất công việc thiết kế với AutoCad hoặc các phần mềm cùng tương đương vẫn là công việc thiết kế thủ công Kỹ sư thiết kế phải vẽ hoặc chọn các chi tiết, cụm chi tiết và hoàn thiện bản thiết kế trên cơ sở dựa vào các yêu cầu kỹ thuật

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc nhằm giảm thời gian tính toán thiết

kế, vẽ hộp giảm tốc bằng phương pháp thủ công

2

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề xuất phương pháp thiết kế tự động hộp giảm tốc

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Giảm thời gian tính toán thiết kế, cho phép tự động hóa công việc tính toán thiết kế một số mẫu hộp giảm tốc

Không yêu cầu người sử dụng, có kiến thức và trình độ cao về thiết kế

1.4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Trong khuôn khổ của luận văn, việc nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc Các nội dung kết nối với hộp giảm tốc không thuộc phạm vi nghiên cứu

Đề tài thực hiện với các nội dung chủ yếu sau:

 Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc

 Nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế hộp giảm tốc

 Đề xuất cách thức, phương pháp thiết kế tự động hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng một cấp, trên nền tảng sử dụng ngôn ngữ lập trình AutoLisp của phần mềm AutoCad

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu phân tích lý thuyết như phân tích các nguồn tài liệu, sách, tạp chí có liên quan đến đề tài

Phương pháp thực nghiệm kiểm tra kết quả tính toán thiết kế của phần mềm với kết quả tính toán thiết kế tay

1.6 Kết cấu của luận văn

Nội dung thuyết minh của luận văn bao gồm:

 Chương 1: Mở đầu

sẽ thực hiện trong đề tài

 Chương: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình tính toán thiết kế

 Chương 4: Thiết kế chi tiết sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Tạo các bản vẽ 3D chi tiết, lắp ráp thành hộp giảm tốc hoàn chỉnh

 Chương 5: Xây dựng quy trình thiết kế tự động

Xây dựng cơ sở dữ liệu liên quan để từng bước hình thành phần mềm tính toán thiết kế

 Chương 6: Kiểm nghiệm và đánh giá

Tính toán tay và đem so sánh kết quả với phần mềm

 Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Khả năng đạt đượcvà hướng mở rộng của đề tài

 Tài liệu tham khảo

 Phụ lục

Hộp giảm tốc là một bộ phận quan trọng của máy, dùng để truyền công suất

từ động cơ điện đến trục chính, là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỷ

số truyền không đổi được dùng để giảm vận tốc góc và tăng momen xoắn

Hộp giảm tốc là hệ thống các bộ truyền bánh răng trong hộp kín dùng để giảm tốc độ và truyền công suất từ động cơ đến bộ phận công tác Thông thường, hộp giảm tốc được chế tạo sẵn, do đó khi cần, ta có thể lựa chọn theo tỷ số truyền và công suất mà không cần chế tạo

Hình 2.1: Các loại hộp giảm tốc thông dụng trong thực tế

a) Bánh răng trụ b) Bánh răng côn c) Trục vít – bánh vít

Hình 2.2: Phân loại theo truyền động

 Theo số cấp: một cấp, hai cấp…

a) Một cấp b) Hai cấp Hình 2.3: Phân loại theo số cấp

 Theo vị trí tương đối giữa các trục trong không gian: hộp giảm tốc đặt ngang, thẳng đứng…

6

a) Nằm ngang b) Thẳng đứng Hình 2.4: Phân loại theo vị trí giữa các trục

2.1.3 Ứng dụng

Hộp giảm tốc được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ công nghiệp đến nông nghiệp Đặc biệt được sử dụng rất nhiều trong cơ khí, ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác như: kỹ thuật, công nghệ, chế biến, xây dựng…

7

2.2.3 Then

Then là chi tiết lắp trên rãnh của chi tiết quay và trục, nó cản sự dịch chuyển hoặc quay tương đối hai chi tiết này Nhờ vào then mà chuyển động và công suất được truyền từ chi tiết quay sang chi tiết trục và ngược lại

2.2.4 Ổ lăn

Ổ lăn có công dụng là đỡ trục tâm và trục truyền, đảm bảo chuyển động quay

và đỡ tải trọng tác dụng lên các chi tiết quay để thực hiện chuyển động quay chung quanh trục

2.2.5 Vỏ hộp

Vỏ hộp giảm tốc có nhiệm vụ đảm bảo vị trí tương đối giữa các chi tiết và các bộ phận của máy, tiếp nhận tải trọng do các chi tiết lắp trên vỏ truyền đế, chứa dầu bôi trơn và bảo vệ các chi tiết tránh bụi

2.3 Các yêu cầu thiết kế

Bên cạnh vật liệu chế tạo các chi tiết và điều kiện chịu tải, việc phân phối tỷ

số truyền cho các cấp bộ truyền trong hộp có ảnh hưởng rất lớn đến kích thước và

8

khối lượng của hộp giảm tốc Có nhiều phương pháp phân phối tỷ số truyền, xuất phát từ các yêu cầu về công nghệ, về kích thước và khối lượng gọn nhẹ và vấn đề bôi trơn các bánh răng ăn khớp song các phương pháp này đều dựa vào điều kiện sức bền đều: các cấp bánh răng trong hộp cần có khả năng tải tiếp xúc như nhau

Phân phối tỷ số truyền các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc cần phải thỏa mãn các điều kiện sau: kích thước bao hộp, điều kiện bôi trơn, độ bền đều giữa các cặp bánh răng, kết cấu thân hộp hợp lý, thuận tiện để bố trí các chi tiết máy trong hộp giảm tốc

2.4 Vấn đề thiết kế

2.4.1 Thiết kế tay

Công việc tính toán thiết kế hoàn toàn thực hiện bằng thủ công, từ việc tính toán công thức, tra bảng dữ liệu, vẽ các chi tiết…

2.4.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm

Bên cạnh việc phải tính toán, người thiết kế sử dụng các thư viện được cung cấp bởi các phần mềm hỗ trợ như: Autodesk Mechanical Desktop, Autodesk Inventor…

2.4.3 Thiết kế tự động

Công việc thiết tính toán thiết kế hoàn toàn tự động, người thiết kế chỉ nhập các thông số đầu vào, chương trình sẽ tự động tính toán và vẽ tự động

2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Trên trang web CAD Tips có 2 bài đăng của tác giả Tony Hotchkiss: Spur Gear 01/09/2004, Beveled Gear 01/09/2006 sử dụng AutoLisp để vẽ tự động bánh răng trụ và bánh răng côn nhưng chỉ dùng cho AutoCad Release 14

9

2.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Ứng dụng ngôn ngữ AutoLisp trong việc lập trình chương trình tự động vẽ bản vẽ 3D kiến trúc công trình cầu giao thông Bài báo giới thiệu Chương trình tự động vẽ 3D kiến trúc cầu giao thông, với điểm nổi bật của chương trình là có khả năng tự động hóa cao, khả năng tương tác cao giữa chương trình và người sử dụng thông qua các thông báo giúp người dùng biết được những sai sót khi nhập số liệu để người dùng điều chỉnh lại [6]

Chương trình AutoLisp tích hợp vào AutoCad biểu diễn tổng quát hình cắt dọc bánh răng côn Bài báo nghiên cứu xây dựng chương trình AutoLisp tích hợp vào AutoCad nhằm biểu diễn hình cắt dọc của kết cấu bánh răng côn thường được dùng rộng rãi trong các bản vẽ thiết kế máy cũng như thiết kế hộp giảm tốc của các loại đồ

án tốt nghiệp và đồ án môn học đối với sinh viên cơ khí [7]

Sử dụng mã nguồn mở của AutoCad để tạo menu bar dùng cho sinh viên khối

kỹ thuật Bài báo hướng dẫn cách thức thiết kế một Menu Bar tích hợp các lệnh chuyên dùng, chuyển đổi trạng thái Menu Bar của chương trình AutoCad từ tiếng Anh sang ngôn ngữ tiếng Việt phù hợp với các sinh viên đang theo học chuyên ngành xây dựng [8]

Các đề tài nghiên cứu tối ưu hóa tính toán, thiết kế hộp giảm tốc như: Tự động hóa thiết kế hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp [9], tính toán tối

ưu hộp giảm tốc trục vít hai cấp [10], kết cấu và tính toán tối ưu động cơ – hộp giảm tốc [11]

2.4.3 Các hạn chế tồn tại

Các đề tài nghiên cứu tối ưu hóa tính toán, thiết kế hộp giảm tốc là các đề tài cấp bộ đã được thực hiện trước đây khá lâu nên khó có điều kiện tiếp cận Các nghiên cứu, bài báo, bài viết được đăng trên nhiều diễn đàn về AutoLisp chủ yếu phục vụ cho dân xây dựng, kiến trúc Chưa tìm thấy đề tài hoàn chỉnh về nghiên cứu thiết kế

tự động hộp giảm tốc

Giá trị KHL không được lớn hơn 2,4 để đảm bảo điều kiện không

có biến dạng dẻo bề mặt răng khi làm việc

SH = 1,1÷1,2 – hệ số an toàn

Xác định ứng suất uốn cho phép : [𝜎𝐹] =𝜎0𝐻𝑙𝑖𝑚 𝐾 𝐹𝐶

𝑆𝐹 𝐾𝐹𝐿 (3-2) Trong đó:

σ0Flim – giới hạn mỏi uốn

SF = 1,5÷2,2 – hệ số an toàn trung bình

KFC – hệ số xét ảnh hưởng khi quay hai chiều đến độ bền mỏi

KFC = 1 khi quay một chiều, KFC = 0,7÷0,8 khi quay hai chiều

11

Xác định chỉ tiêu tính toán là theo độ bền tiếp xúc hoặc độ bền uốn phụ thuộc vào bôi trơn, độ cứng bề mặt vật liệu…

3.1.1.1 Tính toán thiết kế theo độ bền tiếp xúc:

Chọn ứng suất tiếp xúc cho phép [σH] theo bánh bị dẫn, là bánh răng có độ bền thấp hơn [1]: [𝜎𝐻] = 0,5√[𝜎2

Nếu giá trị trên không thỏa, ta chọn các giá trị biên

Chọn hệ số chiều rộng vành răng ψba theo tiêu chuẩn

(3-5)

T1 – momen xoắn trên bánh dẫn

T2= T1u – momen xoắn trên bánh bị dẫn Nmm

Tùy thuộc vào độ cứng bề mặt ta chọn môđun m theo khoảng cách trục aw

và chọn m theo dãy số tiêu chuẩn

 Nếu độ cứng H1, H2 ≤ 350 HB thì môđun m = (0,01÷0,02)aw

 Nếu độ cứng H1 > 45 HRC, H2 < 350 HB thì môđun m =

(0,0125÷0,025)aw

 Nếu độ cứng H1, H2 > 45 HRC thì môđun m = (0,016÷0,0315)aw

Trong các bộ truyền bánh răng thường chọn m ≥ 2 Môđun càng nhỏ thì số răng càng lớn, khi đó tăng khả năng chống dính, tăng hệ số trùng khớp ngang, giảm tiếng ồn và khối lượng lao động cắt răng, giảm hao phí vật liệu (giảm đường kính đỉnh), tuy nhiên độ bền uốn giảm xuống

Môđun lớn sẽ mòn nhanh hơn, có thể làm việc thời gian lâu sau khi bị tróc

rỗ, không nhạy với quá tải và tính không đồng nhất vật liệu

Xác định tổng số răng theo công thức:

13

 Bánh răng trụ răng nghiêng

Chọn thêm góc nghiêng răng β theo điều kiện: 20o ≥ β ≥ 8o

𝑐𝑜𝑠8𝑜 ≥𝑚𝑛 𝑧1(𝑢±1)

2𝑎𝑤 ≥ 𝑐𝑜𝑠20𝑜 (3-9) Suy ra: 2𝑎𝑤𝑐𝑜𝑠8

𝑜

𝑚𝑛(𝑢±1) ≥ 𝑧1 ≥ 2𝑎𝑤𝑐𝑜𝑠20𝑜

𝑚𝑛(𝑢±1) (3-10) Chọn z1 là số nguyên và tính góc β, sau đó tính các thông số khác của bộ truyền bánh răng

Số răng tối thiểu bằng 17 để tránh hiện tượng cắt chân răng Sau khi tìm số răng z1, z2 ta tính lại giá trị aw và d1, d2 Đối với các bộ truyền quay nhanh, để giảm

ồn ta chon z1 ≥ 25

Vì giá trị của ứng suất tiếp xúc tính toán giống nhau đối với bánh dẫn và bánh bị dẫn, do đó khi tính toán, ta lấy giá trị ứng suất tiếp xúc cho phép [σH] của bánh răng nào có giá trị nhỏ hơn

Sau khi tính toán thiết kế theo độ bền tiếp xúc, ta kiểm nghiệm lại theo độ bền tiếp xúc và độ bền uốn Thông thường khi kiểm nghiệm theo độ bền uốn thường

dư bền Nếu không thỏa khi kiểm nghiệm theo độ bền uốn thì ta sử dụng bánh răng

có dịch chỉnh dương hoặc tăng môđun m, tuy nhiên điều đó chỉ xảy ra khi độ cứng

bề mặt vật liệu lớn (50÷60 HRC)

Tính toán lại tỉ số truyền u Khi cần thiết phải kiểm tả sai số ∆𝑢 ≤ 2 ÷ 3% Xác định kích thước bộ truyền bánh răng Các giá trị đường kính tính chính xác đến 0,01 mm

Xác định giá trị các lực tác dụng lên bộ truyền

Hệ số xét đến tổng chiều dài tiếp xúc: 𝑍𝜀 = √1

𝜀 𝛼

Hệ số xét đến hình dạng của bề mặt tiếp xúc:

16

Bánh răng trụ răng thẳng: 𝑍𝐻 = √ 2

𝑠𝑖𝑛2𝛼 𝜔 Bánh răng trụ răng nghiêng: 𝑍𝐻 = √ 2𝑐𝑜𝑠𝛽

𝑠𝑖𝑛2𝛼𝑡𝜔

αtω là góc ăn khớp trong mặt ren

Số răng của bánh răng tương đương 𝑧𝑣 = 𝑧

Khi tăng β thì zv tăng lên, do đó làm tăng khả năng tải của bộ truyền Cho phép quá tải đến 5% Nếu điều kiện bền tiếp xúc không thỏa thì ta tăng chiều rộng vành răng b2 Nếu điều kiện này không thỏa ta thay đổi khoảng cách trục

aw hoặc chọn lại vật liệu có độ bền cao hơn và tính toán lại

Chọn hệ số dạng răng: 𝑌𝐹 = 3 ÷ 4, giá trị YF càng lớn khi số răng càng nhỏ Xác định đặc tính so sánh độ bền uốn theo tỷ số [𝜎𝐹 ]

𝑌𝐹 Tính toán tiến hành theo răng có độ bền thấp hơn

Tính toán kiểm nghiệm độ bền uốn theo công thức:

120 – hệ số ảnh hưởng góc nghiêng răng đến độ bền uốn

YF – hệ số dạng răng theo số răng tương đương zυ

Nếu giá trị tính toán nhỏ hơn nhiều so với [σF] thì bình thường, vì khi thiết

kế theo độ bền tiếp xúc thì theo độ bền uốn dư bền rất nhiều Nếu điều kiện bền uốn không thỏa thì ta tăng môđun m và tương ứng giảm số răng z1, z2 (không đổi khoảng cách trục aw) và tiến hành tính toán kiểm nghiệm lại Nếu khoảng cách trục aw không thay đổi thì không ảnh hưởng đến độ bền tiếp xúc

3.1.1.2 Tính toán thiết kế theo dộ bền uốn

Chọn số răng z1 ≥ 17 và xác định số răng z2 [1]

𝑚= 𝑧1𝜓𝑏𝑑 được gọi là hệ số chiều rộng vành răng

Hệ số tải trọng 𝐾𝐹 = 𝐾𝐹𝛽𝐾𝐹𝑉 dđối với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng ta có thể chọn sơ bộ √2𝐾3 𝐹𝑉

= 1,4 Suy ra công thức xác định môđun:

3.1.2 Tính toán bộ truyền bánh côn

Chọn vật liệu chế tạo bánh răng, phương pháp nhiệt luyện, tra cơ tính vật liệu như: giới hạn bền, giới hạn chảy, độ cứng vật liệu [1]

Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép để thiết kế sơ bộ theo công thức:

[𝜎𝐻] = 𝜎0𝐻𝑙𝑖𝑚0.9𝐾𝐻𝐿

Trong đó:

19

σ0Hlim – giới hạn mỏi tiếp xúc

KHL – hệ số tuổi thọ

Giá trị KHL không được lớn hơn 2,4 để đảm bảo điều kiện không

có biến dạng dẻo bề mặt răng khi làm việc

SH = 1,1÷1,2 – hệ số an toàn

Xác định ứng suất uốn cho phép: [𝜎𝐹] =𝜎0𝐻𝑙𝑖𝑚 𝐾 𝐹𝐶

𝑆 𝐹 𝐾𝐹𝐿 (3-20) Trong đó:

σ0Flim – giới hạn mỏi uốn

SF = 1,5÷2,2 – hệ số an toàn trung bình

KFC – hệ số xét ảnh hưởng khi quay hai chiều đến độ bền mỏi

KFC = 1 khi quay một chiều, KFC = 0,7÷0,8 khi quay hai chiều

3.1.2.1 Tính toán thiết kế theo độ bền tiếp xúc

Chọn ứng suất tiếp xúc cho phép [σH] theo giá trị nhỏ nhất của [σH1] và [σH2] [1]

Ứng suất tiếp xúc cho phép đối với bộ truyền bánh răng côn chọn theo giá trị nhỏ nhất cặp bộ truyền bánh răng

Tuy nhiên khi độ cứng một bánh răng lớn hơn 350 HB và khi HB1 – HB2

≥ 100 và vận tốc vòng v ≤ 20 m/s thì ứng suất cho phép tính theo công thức:

[σH]min ≤ [σH] ≈ 0,45([σH1] + [σH2]) ≤ 1,15[σH]min (3-21) Trong đó: [σH1] ≤ [σH2]

Chọn hệ số chiều rộng vành răng ψbe = 0,285

Sau khi tính được giá trị de1 ta xác định me và z1 theo trình tự:

Từ giá trị de1 tìm được, tỷ số truyền u, ta chọn z1p theo bảng:

Tính giá trị môđun vòng ngoài: 𝑚𝑒 =𝑑𝑒1

𝑧1 và chọn theo giá tri tiêu chuẩn

21

Tính toán lại tỉ số truyền u kiểm tra sai số tỉ số truyền ∆𝑢 ≤ 2 ÷ 3% Xác định các góc mặt côn chia δ1 và δ2 theo công thức: 𝛿1= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (1

𝑢) (3-24) Tính các kích thước chủ yếu khác của bộ truyền bánh răng côn Các giá trị đường kính tính chính xác đến 0,01 mm

Xác định môđun vòng trung bình mm Tính vận tốc vòng v theo đường kính vòng chia trung bình và chọn cấp chính xác bộ truyền:

Cấp chính xác 6 tương ứng với bộ truyền có vận tốc lớn, cấp chính xác 7 tương ứng với bộ truyền chính xác, cấp chính xác 8 tương ứng với cấp chính xác trung bình và cấp 9 là bộ truyền cấp chậm và cấp chính xác thấp

 Ft là lực vòng

 Fr là lực hướng tâm

 Fa là lực dọc

Chọn hệ số tải trọng động KHV và KFV theo bảng:

KH – hệ số tải trọng tính

Nếu vật liệu chế tạo cặp bánh răng bằng thép thì: ZM = 275, ZH = 1,76 khi α = 20o, Zε = 0,96 khi εα = 1,2

Khi đó ZMZHZε = 465,2 Cho phép thiếu tải nhỏ hơn 10% và dư tải đến 5% Nếu điều kiện bền tiếp xúc không thỏa thì ta tăng chiều rộng vành răng b Nếu tiếp tục không thỏa ta chọn lại vật liệu có độ bền cao hơn và tính toán lại

Xác định số răng tương đương: 𝑧𝑣1 = 𝑧1

𝑐𝑜𝑠𝛿1 , 𝑧𝑣2 = 𝑧2

𝑐𝑜𝑠𝛿2 (3-29), (3-30) Chọn hệ số dạng răng: 𝑌𝐹 = 3 ÷ 4, giá trị YF càng lớn khi số răng càng nhỏ Xác định đặc tính so sánh độ bền uốn theo tỷ số [𝜎𝐹 ]

𝑌 𝐹 Tính toán tiến hành theo răng có độ bền thấp hơn

Tính toán giá trị ứng suất uốn tại chân răng:

𝜎𝐹 = 𝑌𝐹 𝐹𝑡𝐾𝐹

0,85𝑏𝑤𝑚𝑚 ≤ [𝜎𝐹] (3-31) Trong đó:

KF – hệ số tải trọng tính

mm – môđun chia trung bình

YF – hệ số dạng răng tính theo số răng tương đương zv

23

Nếu giá trị tính toán nhỏ hơn nhiều so với [σF] thì bình thường, vì khi thiết

kế theo độ bền tiếp xúc thì theo độ bền dư bền rất nhiều Nếu điều kiện bền uốn không thỏa thì ta tăng môđun me và tương ứng giảm số răng z1, z2 và tiến hành tính toán kiểm nghiệm lại

3.1.2.2 Tính toán thiết kế theo độ bền uốn

𝑌 𝐹 Tính toán tiến hành theo răng có độ bền thấp hơn

Xác định môđun me và chọn theo tiêu chuẩn

Ta có: môđun chia trung bình: 𝑚𝑚 = 1,4√0,85𝜓𝑇1𝐾𝐹𝛽𝑌𝐹1

𝑏𝑑 𝑧12[𝜎𝐹]

3

(3-36)

Cấp chính xác 6 tương ứng với bộ truyền có vận tốc lớn, cấp chính xác 7 tương ứng với bộ truyền chính xác, cấp chính xác 8 tương ứng với cấp chính xác trung bình và cấp 9 là bộ truyền cấp chậm và cấp chính xác thấp

Xác định giá trị các lực tác dụng lên bộ truyền

Chọn hệ số tải trọng động KFV theo Bảng 3.5

Tính toán giá trị ứng suất uốn tại chân răng: 𝜎𝐹 = 𝑌𝐹 𝐹𝑡𝐾𝐹

0,85𝑏𝑤𝑚𝑚 ≤ [𝜎𝐹] (3-39) Trong đó:

KF – hệ số tải trọng tính

mm – môđun chia trung bình

YF – hệ số dạng răng tính theo số răng tương đương zv

105 3√𝑇2 (3-41) Trong đó:

ω1 – vận tốc góc trên trục vít rad/s

T2 – mômen xoắn trên bánh vít Nmm

n1 – số vòng quay trên trục vít vg/ph Chọn vật liệu bánh vít, trục vít, phương pháp chế tạo, nhiệt luyện, cấp chính xác

Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép:

[𝜎𝐻] = (0,76 ÷ 0,9)𝜎𝑏𝐾𝐻𝐿𝐶𝑣 (3-42) Trong đó:

σb – giới hạn bền kéo của vật liệu σb < 300 Mpa

Hệ số (0,75 ÷ 0,9) được chọn theo chiều tăng độ cứng của trục vít

𝐶𝑣 = 0,8 ÷ 1,33 – hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc trượt

𝐾𝐻𝐿 = √107

𝑁𝐻𝐸

8 – là hệ số tuổi thọ

𝑁𝐻𝐸 = 60 ∑ (𝑇2𝑖

𝑇2)2𝑛𝑖𝑡𝑖 – là số chu kỳ làm việc tương đương

ni, T2i, ti – số vòng quay trong một phút, mômen xoắn trên bánh vít và thời gian làm việc tính bằng giờ trong chế độ làm việc thứ

i

T2 – mômen lớn nhất trong các giá trị T2i

σch – giới hạn chảy của vật liệu, 120 ≤ σch ≤ 200 MPa

σb – giới hạn bền của vật liệu, 200 ≤ σch ≤ 400 Mpa

𝑁𝐹𝐸 = 60 ∑ (𝑇2𝑖

𝑇2)9𝑛𝑖𝑡𝑖 – số chu kỳ tải trọng tương đương

ni, T2i, ti – số vòng quay trong một phút, mômen xoắn trên bánh vít và thời gian làm việc tính bằng giờ trong chế độ làm việc thứ

i

T2 – mômen lớn nhất trong các giá trị T2i

Nếu 𝑁𝐹𝐸 ≥ 2,6 108 thì ta lấy 𝑁𝐻𝐸 = 2,6 108 chu kỳ

Nếu 𝑁𝐹𝐸 ≤ 106 thì ta lấy 𝑁𝐹𝐸 = 106 chu kỳ

Chọn số mối ren z1 theo tỷ số truyền u, tính z2=uz1 (với z2 ≥ 28) Tính lại tỷ

số truyền u Chọn hệ số đường kính q theo tiêu chuẩn thỏa mãn điều kiện 0,40 ≥

𝑞

𝑧2≥ 0,22 , thông thường chọn 𝑞

𝑧2≈ 0,26 Khi tính toán sơ bộ, hiệu suất của bộ truyền trục vít có thể xác định theo tỷ

Trong trường hợp bộ truyền hở, quay tay hoặc khi số răng bánh vít lớn (z2

> 100 răng), khi đó xác định môđun: 𝑚 = √1,5𝑇2 𝑌 𝐹 𝐾 𝐹

𝑧2𝑞[𝜎𝐹]

3

Xác định các kích thước của bộ truyền

Kiểm nghiệm vận tốc trượt: 𝑣𝑠 = 𝑚𝑛1

Một trong những ưu điểm của bộ truyền trục vít là làm việc êm và không

ồn, do đó hệ số tải trọng động thường có giá trị không lớn theo bảng:

Hiệu suất: η = (0,9 ÷ 0,95) 𝑡𝑔𝛾