Ứng dụng phần mềm Workbench và ADAMS/VIEW để phân tích chế độ làm việc đối với bánh răng hành tinh

Bánh răng hành tinh đóng vai trò là chi tiết chủ yếu trong bộ truyền bánh răng hành tinh, trong quá trình truyền động ăn khớp chịu lực tác dụng đồng thời của nhiều chi tiết khác nhau như bánh răng trung tâm, bánh răng vòng nội tiếp và các chốt ra.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ứng dụng phần mềm Workbench ADAMS/VIEW để phân tích chế độ làm việc bánh hành tinh Applying Workbench software and ADAMS/VIEW software for modal analysis of planetary gear Nguyễn Thái Dương Khoa Cơ khí, Trường Đai học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng Email: ntduong.dct@gmail.com Mobile: 0977.127.868 Tóm tắt Từ khóa: Bánh hành tinh; ANSYS Workbench; ADAMS/View; Phân tích chế độ làm việc Bánh hành tinh đóng vai trị chi tiết chủ yếu truyền bánh hành tinh, trình truyền động ăn khớp chịu lực tác dụng đồng thời nhiều chi tiết khác bánh trung tâm, bánh vòng nội tiếp chốt Do đó, tần số dao động riêng tần số ăn khớp trình truyền động trùng gây cộng hưởng, phá hủy chi tiết máy Vì vậy, thơng qua việc phân tích chế độ làm việc bánh hành tinh môi trường ANSYS Workbench ADAMS/View để xác định tần số dao động riêng kiểu hình tương ứng nó, kết so sánh dựa hai phần mềm nghiệm chứng độ tin cậy mơ hình Kết mang lại giá trị tham khảo định thiết kế truyền nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung Abstract Keywords: Planetary gear; ANSYS Workbench; ADAMS/View; Modal analysis The planetary gear serves as the main part of the planetary transmission; during transmission, the cycloid gear affects various components simultaneously, such as the center gear, the internal ring gear and outputpins Therefore, if its own vibration frequency and engagement frequency during transmission are identical, this will generate resonance and destroy machine components Consequently, by performing modal analysis of planetary gear on ANSYS Workbech environment and ADAMS/View to determinate the planetary gear’s own vibration frequencies and correspondent shapes, compared results based on two softwares proved that the 3D solid model of tranmission is reliable The results have certain reference values in the design of the transmissions in particular or in the field of mechanical design in general Ngày nhận bài: 26/06/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Do truyền bánh hành tinh có tỷ số truyền lớn, từ trục truyền lượng tới số trục bị động với vận tốc góc thay đổi thời gian làm việc, kích thước khn khổ nhỏ gọn [1,2] … Nên truyền hành tinh sử dụng phổ biến máy cắt kim loại, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 hệ dẫn động điều chỉnh vô cấp, thiết bị đo lường Tuy nhiên, truyền bánh hành tinh có nhiều khác biệt so với truyền bánh truyền thống mặt động học (tỷ số truyền), hiệu suất phương pháp tính tốn thiết kế Trong nước ta năm gần đây, việc nghiên cứu tính tốn bơ truyền bánh hành tinh cịn tương đối ít, tài liệu nghiên cứu cịn hạn chế Ngồi ra, việc phân tích động lực học q trình thiết kế yêu cầu bắt buộc, mô động lực học làm giảm thiểu việc chế tạo mẫu thử vốn tốn nhiều chi phí, đồng thời giúp người thiết kế khảo sát lựa chọn thiết kế nhằm nâng cao hiệu thiết kế [3] Hầu hết kỹ sư khí kết cấu có kinh nghiệm dao động, nên thiết kế xong truyền thiết kế họ yêu cầu xem xét đến khả dao động [4,5,6] Trong báo này, bánh hành tinh đóng vai trị chi tiết chủ yếu truyền, trình truyền động ăn khớp chịu lực tác dụng đồng thời nhiều chi tiết khác bánh trung tâm, bánh vịng nội tiếp chốt Do đó, tần số dao động riêng tần số ăn khớp trình truyền động trùng gây cộng hưởng, phá hủy chi tiết máy Vì vậy, thơng qua việc phân tích chế độ làm việc bánh hành tinh môi trường ANSYS Workbench [8] ADAMS/View [9] để xác định tần số dao động riêng nó, nghiệm chứng độ tin cậy mơ hình Kết mang lại giá trị tham khảo định thiết kế truyền nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung MƠ HÌNH HĨA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 2.1 Giới thiệu truyền bánh hành tinh Hình Cơ cấu bánh hành tinh 2k-0 - Bánh trung tâm; - Bánh hành tinh; - Bánh vòng; - Cần Truyền động bánh hành tinh (như hình thể hiện) truyền động bánh mà cấu có bánh có trục quay di động vỏ Bánh có trục quay di động vỏ trình làm việc gọi bánh hành tinh Khâu đặt bánh hành tinh gọi cần ký hiệu số Khi làm việc cần quay quay quanh trục cố định gọi trục Các bánh ăn khớp với bánh hành tinh có trục trùng với trục gọi bánh trung tâm Các khâu quay quanh trục truyền làm việc tiếp nhận tải trọng gọi khâu 2.2 Cơ sở toán học tính chọn số Khi thiết kế hệ truyền động hành tinh, việc xác định số bánh hệ liên quan chặt chẽ với thông số như: tỷ số truyền, hiệu suất truyền động Do số bánh chọn phải đảm bảo yêu cầu tỷ số truyền, độ bền uốn đặc điểm kết cấu truyền động hành tinh, yêu cầu điều kiện đồng trục, điều kiện lắp điều kiện kề HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.2.1 Điều kiện đồng trục Trong truyền động hành tinh, bánh trung tâm phải đảm bảo yêu cầu trục hình học bánh trung tâm trùng Đó yêu cầu đồng trục Ở cấu 2k-0 (hình 1), trục quay bánh trùng khoảng cách trục a12 bánh trung tâm bánh hành tinh khoảng cách trục a23 bánh vòng bánh hành tinh nhau, tức là: a12  a23 (1) Hoặc: r1  r2  r3  r2 (2) Với bánh mơ đun thì: Z1  2Z2  Z3 (3) 2.2.2 Điều kiện lắp Trong truyền động hành tinh, số bánh hành tinh thường chọn từ đến Muốn cho truyền làm việc được, phải đảm bảo điều kiện lắp, tức đảm bảo điều kiện: Trục đối xứng rãnh tất bánh vệ tinh phải trùng với trục đối xứng bánh trung tâm ăn khớp với bánh vệ tinh Giả sử ăn khớp với bánh trung tâm có q bánh vệ tinh, chúng cách góc bằng:  2 q (4) Điều kiện lắp có hai bánh trung tâm ăn khớp với q bánh hành tinh là: Z1  Z3 k q (5) Với k số nguyên 2.2.3 Điều kiện kề Khi số bánh hành tinh q tăng lên, xảy trường hợp vịng đinh chúng cắt nhau, khả không xảy nếu: da  l (6) Trong đó: da2: Đường kính vịng đỉnh bánh hành tinh l: khoảng cách từ trục bánh hành tinh kề nhau, khoảng cách biểu diễn qua đường kính vịng chia bánh trung tâm bánh vệ tinh l    0,5  d2  d1  sin   2 Với  2 q (7) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018     da   d2  d1  sin      Do đó: (8) Nếu thay: d  m.Z d a  m  Z2   u12   P 1  Z2 Z1 Ta xác định trị số lớn P tỷ số truyền: i10  1  P  đảm bảo điều kiện kề    2  sin      q  Z1 mZ1 Với bánh không dịch chỉnh: P  (9)    sin   q Trong Δ khe hở cần thiết, thường chọn Δ = m, P cịn phụ thuộc vào q Z1 2.3 Mơ hình hóa truyền bánh hành tinh số Ví dụ: Thiết kế truyền bánh hành tinh với số liệu ban đầu: Công suất trục vào P1 = 11 kW；số vòng quay trục vào: n1=1450 vòng/phút；tỷ số truyền: i = Sau tiến hành tính tốn, thu thơng số hình học truyền bảng sau thể hiện: Số bánh trung tâm Z1 19 Số bánh hành tinh Z2 29 Số bánh vòng Z3 77 Mơ đun m Bề rộng B Góc ăn khớp α 1,25 12,5 mm 200 Hình Bản vẽ khai triển 3D truyền bánh hành tinh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mơ hình 3D truyền bánh hành tinh Tiến hành áp dụng phần mềm thiết kế 3D Pro/E 4.0 [7] để mơ hình hóa thực thể 3D chi tiết chủ yếu truyền, sau tiến hành lắp ráp chi tiết để tạo thành truyền bánh hành tinh hình hình thể KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích kết dựa phần mềm Workbench Dựa vào lý thuyết thực tế thấy rằng, trạng thái làm việc cấp thấp kết cấu ảnh hưởng tương đối lớn đến rung động kết cấu, phân tích chế độ làm việc, thông thường cần biết số tần số dao động riêng kiểu hình tương ứng ban đầu, mà khơng cần phải tìm tồn tần số dao động kiểu hình tương ứng Bài báo chọn mode dao động ban đầu bánh hành tinh Sau tính tốn thu tần số dao động riêng kiểu hình tương ứng bánh hành tinh Bảng hình thể tần số dao động riêng kiểu hình tương ứng ban đầu bánh hành tinh Do bánh hành tinh chi tiết chủ yếu truyền động, nên yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến đặc tính rung động tồn máy, nhiên tính tốn tần số ăn khớp q trình truyền động vào khoảng f = i*(n/60) = 5*(1450/60) = 120Hz, tần số ăn khớp so với tần số dao động riêng thứ bánh hành tinh 10557 Hz cách xa, nghiệm chứng độ tin cậy mơ hình Quan sát kiểu hình ứng với tần số dao động riêng thấy chuyển vị lớn bánh hành tinh phát sinh đỉnh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Các kiểu hình bánh hành tinh Bảng tần số dao động riêng kiểu hình tương ứng ban đầu bánh hành tinh STT Tần số dao động riêng/Hz 10557 15392 22485 28301 38090 44069 Kiểu hình tương ứng Uốn cong mặt phẳng YOZ Uốn cong mặt phẳng YOZ XOZ Uốn cong mặt phẳng XOZ Xoắn Uốn cong mặt phẳng YOZ Uốn cong mặt phẳng YOZ XOZ 3.2 Phân tích kết dựa phần mềm ADAMS/View Sau tính tốn điều kiện khơng tải, thu kết hình hình thể Trong đó, hình thể biến đổi vận tốc góc trục theo thời gian, thấy rằng: ban đầu truyền cịn tồn khe hở khó tránh khỏi, nên lúc bắt đầu chuyển động, thay đổi vận tốc góc có tính chu kỳ tương đối lớn Qua thời gian nhanh, biến đổi vận tốc góc trở nên ổn định dần đạt đến giá trị vận tốc góc trung bình 30.06 rad/s, từ dễ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 dàng tính tỷ số truyền trung bình truyền bánh i = 5.05; so với tỷ số truyền ban đầu i = sai số nhỏ, nhận thấy mơ hình 3D truyền bánh hành tinh có tính xác cao Hình Sự thay đổi vận tốc góc trục theo thời gian Để khảo sát sâu đặc tính động lực học truyền bánh này, kết cho biến đổi gia tốc góc bánh hành tinh, đồng thời thông qua phương pháp biến đổi Fourier để thu đặc tính phổ tần chi tiết Hình thể thay đổi gia tốc góc bánh hành tinh theo thời gian Sau sử dụng phương pháp biến đổi Fourier biến đổi gia tốc bánh trên, thu đường cong đặc tính phổ tần gia tốc góc bánh hành tinh hình thể Dựa hình 7, tiến hành chọn vị trí có giá trị tần số gia tốc góc lớn chi tiết bánh hảnh tinh thể bảng Hình Sự thay đổi gia tốc góc bánh hành tinh theo thời gian HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Đặc tính phổ tần gia tốc góc bánh hành tinh Bảng Đặc tính phổ tần bánh hành tinh trạng thái không tải Số thứ tự Bánh hành tinh Tần số (Hz) Độ lớn (rad/s2) 101 21 266,5 302,8 305,6 129,1 368 149,5 407,1 58,6 469,5 185,3 553 129,4 Dựa vào bảng thấy rằng: tần số bánh hành tinh vào khoảng 101 Hz xuất giá trị độ lớn tương đối (trị số gia tốc góc 21 rad/s2), điều giải thích tần số lúc tần số ăn khớp bánh hành tinh bánh khác [f=i*(n/60) =120 Hz] tương đối gần, trị số độ lớn khuếch đại lên Tuy nhiên, tần số tần số 266.5 Hz xuất giá trị cực đại (trị số gia tốc góc 302.8 rad/s2), khoảng cách tương đối xa so với tần số ăn khớp Như vậy, dựa vào phân tích nghiệm chứng mơ hình 3D truyền bánh hành tinh làm việc môi trường không tải đạt độ tin cậy cao KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu sơ lược sở tính tốn truyền bánh hành tinh Sau đó, ứng dụng phần mềm thiết kế 3D Pro Engineering 4.0 để mơ hình hóa truyền Sau chuyển đổi đưa vào môi trường Ansys Workbench ADAMS/View để phân tích chế độ làm việc bánh hành tinh, kết phân tích dựa hai phần mềm cho thấy mơ hình truyền bánh hành tinh làm việc đạt độ tin cậy cao Kết phân tích mang lại giá trị tham khảo định việc thiết kế truyền nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing [2] http://www.instructables.com/id/Planetary-Gear/ [3] Ling X., Nan G and Aijun H (2018), Dynamic analysis of a planetary gear system with multiple nonlinear parameters, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 327, pp 325-340 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [4] Farshad S.A., Mina M., Farhad S.S and Mohamad A.H (2014), Vibration behavior optimization of planetary gear sets, Propulsion and Power Research, Volume 3, Issue 4, pp 196206 [5] Parra J and Cristian M.V (2017), Two methods for modeling vibrations of planetary gearboxes including faults: Comparison and validation, Mechanical Systems and Signal Processing [6] Song X and Ian H (2018), Torsional vibration signal analysis as a diagnostic tool for planetary gear fault detection, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 100, pp.706728 [7] http://www.ptc.com/cad/pro-engineer [8] http://www.ansys.com/ [9] https://en.wikipedia.org/wiki/MSC_ADAMS ... bánh hành tinh Sau đó, ứng dụng phần mềm thiết kế 3D Pro Engineering 4.0 để mơ hình hóa truyền Sau chuyển đổi đưa vào môi trường Ansys Workbench ADAMS/View để phân tích chế độ làm việc bánh hành. .. HĨA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH 2.1 Giới thiệu truyền bánh hành tinh Hình Cơ cấu bánh hành tinh 2k-0 - Bánh trung tâm; - Bánh hành tinh; - Bánh vòng; - Cần Truyền động bánh hành tinh (như hình... thể hiện) truyền động bánh mà cấu có bánh có trục quay di động vỏ Bánh có trục quay di động vỏ trình làm việc gọi bánh hành tinh Khâu đặt bánh hành tinh gọi cần ký hiệu số Khi làm việc cần quay