Bộ truyền bánh răng cycloid mới với khả năng chịu tải và rung động nổi bật

Nghiên cứu dựa trên bộ truyền bánh răng cycloid thông thường để đề xuất bộ truyền bánh răng cycloid mới – bộ truyền bánh răng cycloid bao kép không hoàn toàn, mô tả các phương trình ăn khớp và phương trình biên dạng cặp ăn khớp liên hợp của bộ truyền mới.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 41 BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CYCLOID MỚI VỚI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VÀ RUNG ĐỘNG NỔI BẬT NOVEL CYCLOID GEAR TRANSMISSION WITH OUTSTANDING LOAD CAPACITY AND VIBRATION Nguyễn Thái Dương, Đào Thanh Hùng, Võ Quang Trường Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; ntduong.dct@gmail.com, hungthanhdao93@gmail.com, truong124@yahoo.com Tóm tắt - Nghiên cứu dựa truyền bánh cycloid thông thường để đề xuất truyền bánh cycloid – truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn, mơ tả phương trình ăn khớp phương trình biên dạng cặp ăn khớp liên hợp truyền Trên sở đó, sử dụng phần mềm Pro/Engineer 4.0 để dựng biên dạng cặp ăn khớp liên hợp, từ mơ hình hóa 3D cho truyền Thơng qua việc phân tích mơ động lực học truyền bánh cycloid môi trường ANSYS Workbench ADAMS/View, kết thể trội truyền khả chịu tải rung động so với truyền khác Kết mang lại giá trị tham khảo định việc thiết kế truyền nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung Abstract - The double-enveloping conjugated tooth pair is analyzed based on conventional conjugated tooth pair The formation method and the curve equation of tooth profile are described, then the feature of conjugated tooth pair is discussed; After that, tooth profile of conjugated tooth pair and the 3D solid model of tranmission are built on Pro/E software; the dynamic analysis of cycloid gear transmissions in ANSYS Workbench environment and ADAMS/View environment is done to show the best load capacity and vibration of the new cycloid tranmission In addition, the study provides certain reference values for designing other similar transmissions in particular and mechanical designing in general Từ khóa - trù n đợng bánh răng; bánh cycloid; rung động; mô động lực học hệ thống; ANSYS Workbench; ADAMS/View Key words - gear tranmission; cycloid gear; vibration; system dynamic simulation; ANSYS Workbench; ADAMS/View Đặt vấn đề Bộ truyề n bánh cycloid có kế t cấ u nhỏ go ̣n, tro ̣ng lươ ̣ng nhe ̣, tỷ số truyề n lớn, hiê ̣u suấ t truyề n đô ̣ng cao, khả tải lớn [1, 2] … nên bô ̣ truyề n này đươ ̣c ứng du ̣ng rô ̣ng rãi nhiề u liñ h vực kỹ thuâ ̣t khí, kỹ thuâ ̣t nâng chuyể n, luyê ̣n kim, dê ̣t may… ở và ngoài nước Chính vì vâ ̣y, bô ̣ truyề n bánh cycloid từ lâu đã trở thành mô ̣t đề tài nóng cho các nhà kỹ thuâ ̣t khắ p thế giới quan tâm nghiên cứu nhằ m cải tiế n bô ̣ truyề n để đa ̣t hiê ̣u quả tố t nhấ t hoă ̣c thiế t kế mô ̣t da ̣ng mới của bô ̣ truyề n bánh cycloid… Kế t quả là đã có rấ t nhiề u bô ̣ truyề n cycloid mới đươ ̣c thiế t kế lý luâ ̣n, chế ta ̣o kiể m nghiê ̣m và thu la ̣i những kế t quả rấ t hiê ̣u quả, đáp ứng đươ ̣c nhu cầ u sử du ̣ng thực tế , có thể kể đế n bô ̣ truyề n FA, bô ̣ truyề n Dojen, bô ̣ truyề n RV, bô ̣ truyề n Twinspin… Trong những năm gầ n đây, bô ̣ truyề n bánh bao kép [3, 4] đươ ̣c nghiên cứu lý luâ ̣n mô ̣t cách ma ̣nh mẽ vì những đă ̣c tính ưu viê ̣t nâng cao đô ̣ chính xác truyề n đô ̣ng, khả chiụ tải tố t hơn… Thêm vào đó, nghiên cứu mô phỏng đô ̣ng lực ho ̣c dựa phầ n mề m SolidWorks COSMOS cho thấ y thiết kế có lăn gây biến đổi chuyển động rung động lớn so với thiết kế khơng có lăn, đồng thời độ lớn ứng suất thiết kế khơng có lăn nhỏ so với thiết kế có lăn [5] Trong bối cảnh nước ta nay, việc tiếp cận truyền bánh cycloid để nâng cao đặc tính truyền bánh cycloid truyền thống cịn mẻ Với mong muốn đóng góp sở lý luận phương pháp nghiên cứu động lực học truyền bánh này, bên cạnh đó, để tiế t kiê ̣m nguyên vâ ̣t liê ̣u, chi phí gia công và đánh giá kiể m nghiê ̣m, nghiên cứu đã thiế t lâ ̣p mô hình hóa bô ̣ truyề n bánh cycloid mới, sau đó tiế n hành mô phỏng bô ̣ truyề n môi trường ANSYS Workbench ADAMS/View để khảo sát đặc tính động lực học, từ nghiệm chứng kết việc thiết kế mơ hình Cuối cùng, kế t quả phân tích sẽ mang la ̣i ý nghiã lý luâ ̣n quan tro ̣ng và có tính ứng du ̣ng cao thực tế Phương pháp nghiên cứu Bằng phương pháp xây dựng sở lý thuyết cho phương trình ăn khớp phương trình biên dạng của cặp ăn khớp liên hợp đố i với truyền khác nhau, bài báo tiế n hành thảo luận đặc tính ăn khớp truyền Sau đó, nghiên cứu thực ứng du ̣ng phần mềm Pro Engineering 4.0 [6] để xây dựng mơ hình, lắp ráp mơ hình, mơ trực quan mơ hình 3D hồn chỉnh theo kích thước Quan tro ̣ng nhấ t, trình nghiên cứu, báo tiế p câ ̣n phầ n mề m phân tích phần tử hữu hạn ANSYS Workbench 12.0 [7] phần mềm phân tích động lực học hệ thống ADAMS/View 2013 [8] để mô phỏng phân tích đô ̣ng lực ho ̣c đố i với các bơ ̣ trù n Mơ hình hóa truyền bánh cycloid 3.1 Căp̣ ăn khớp cycloid bao kép (a) (b) Hình Cặp ăn khớp cycloid thơng thường và bao kép Cặp ăn khớp liên hợp truyền bánh cycloid thông thường biên dạng bánh cyloid biên dạng lăn Hình trình bày cặp ăn khớp liên hợp ứng dụng dựa tượng tiếp xúc lần Nguyễn Thái Dương, Đào Thanh Hùng, Võ Quang Trường 42 truyền động bánh Từ đó, cặp ăn khớp liên hợp cycloid lần tiếp xúc suy luận thông qua ứng dụng phương pháp bao kép, cặp ăn khớp biên dạng bánh cycloid thông thường (bánh cycloid ngoại tiếp) biên dạng bánh bao kép (bánh vòng nội tiếp) hình thành, Hình 1.b thể Hình mô tả phương pháp bao kép Theo nguyên lý ăn khớp bánh răng, biên dạng liên hợp biên dạng chuyển động tiếp xúc cho trước phơi dao cắt mà hình thành Trong truyền bánh cyloid thông thường, biên dạng bánh cycloid biên dạng lăn đóng vai trị dao cắt, thơng qua chuyển động tiếp xúc tương đối dao cắt phôi gia công mà đạt Sau đó, xem biên dạng bánh cycloid đóng vai trị bề mặt dao cắt, dựa chuyển động tiếp xúc tương đối cho trước bề mặt dao cắt phôi gia công, thu biên dạng bánh vịng bao kép Từ đó, cặp ăn khớp liên hợp hình thành thơng qua kết hợp biên dạng bánh cycloid biên dạng bánh vòng bao kép, gọi cặp ăn khớp cycloid bao kép dùng đường cong chuyển tiếp Trong Hình 3.a, đường cong A1BCDE1 biên dạng bánh cycloid khơng hồn tồn, đường cong BCD phần lồi biên dạng bánh cycloid, giống với phần lồi biên dạng bánh cylcoid thông thường; đường cong A1B DE1 phần lõm biên dạng bánh cycloid, nhiên, phần lõm bánh cycloid không tham gia ăn khớp trình truyền làm việc Hình 3.b thể so sánh hai biên dạng: biên dạng bánh cycloid thông thường biên dạng bánh cycloid (a) (b) Hình Biên dạng bánh cycloid Hình Phương pháp bao kép 3.2 Căp̣ ăn khớp cycloid bao kép khơng hồn tồn Cặp ăn khớp cycloid bao kép có nhiều ưu điểm bật [3] lợi dụng tiếp xúc kép để nâng cao khả chịu tải; gia tăng thêm đường tiếp xúc góp phần làm giảm sai số thơng qua hiệu ứng qn bình hóa sai số, từ nâng cao độ xác truyền động; ngồi ra, đặc tính ăn khớp đường tiếp xúc thứ hai có lợi cho việc nâng cao tính bơi trơn độ bền tiếp xúc Tuy nhiên, đặc tính tiếp xúc đôi truyền động yêu cầu sai số gia công sai số lắp ghép cho cặp ăn khớp liên hợp nhạy cảm, nói, trường hợp này, độ xác gia cơng cao, từ thực q trình tiếp xúc đơi vùng ăn khớp định, phát huy hết đặc tính ăn khớp trội đường tiếp xúc thứ hai Để giảm bớt độ nhạy cảm sai số gia công cặp ăn khớp cycloid bao kép, đồng thời giữ tính bật đường tiếp xúc thứ hai, nội dung này, dựa cặp ăn khớp cycloid bao kép ban đầu đề xuất cặp ăn khớp mới: cặp ăn khớp cycloid bao kép khơng hồn tồn Dựa đặc điểm biên dạng bánh cycloid, đề xuất phương pháp tạo hình biên dạng bánh cycloid khơng hồn tồn sau: biên dạng tạo nên hai phần, đó: phần giống với phần lồi bánh cycloid thơng thường, phần cịn lại cung trịn, Hình Hệ tọa độ Hệ tọa độ thiết lập Hình 4, đó, bánh vịng thể thành phần 1, thành phần thể bánh cycloid-cung trịn ngoại tiếp, đường cong A1B thể biên dạng phần lõm dịch chuyển bánh cycloid-cung tròn, đường cong BC thể biên dạng phần lồi bánh cycloid-cung trịn Phương trình biên dạng phần lồi  BC bánh ( 2) cycloid-cung tròn hệ tọa độ OgX2Y2Z2 thể sau [4]:  x2 BC  Rz sin (i  1) 1   rz cos   (i  1) 1   e sin(i1)   y2 BC  Rz cos (i  1) 1   rz sin   (i  1) 1   e cos(i1) , 1   t ,   (1)   z2 BC       R (i  1)cos   ie cos   1  1    z Biên dạng phần lõm A1B bánh cycloid-cung trịn đường cong chuyển tiếp, khơng tham gia trình ăn khớp Phương trình biên dạng cung tròn thể sau [4]: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN  x2 A B  L sin    y2 A1B  Rz  e  L cos    z2 A1B   (2) Phương trình biên dạng bánh vòng nội tiếp đươ ̣c thể hiê ̣n sau [4]:   (i  1)(1  i1)   1 i   x1  Rz sin    rz cos   i 1  (i  1) 1  i           i 1  e sin    sin  1  i1   i i         y  R cos  (i  1)(1  i1)   r sin    i   (i  1)   1 1 z   z  i i         e cos  1   cos  i  1  i1      i  i     z1      sin  1  i1  sin    1  (i  2)1       2      Hình Mô hình 3D bộ truyề n bánh cycloid Bảng Thông số truyền bánh cycloid (mm) Bán kính vịng Đường kínhĐường kính Số Độ Bề rộng tròn qua tâm lăn chốt lệch bánh lăn vành vành vành zc tâm a cycloid b chốt rp chốt drp chốt dsp 130 24 14 15 Bảng Thơng số hình của bánh cycloid (mm) Đường Đường Chiều Đường Đường Đường Đường kính vịng kính vịng cao kính vịng kính kính kính lỗ chân bánh đỉnh bánh trịn qua h chốt lăn chốt chốt răng tâm lỗ dsw drw dw cycloid dfccycloid dac chốt Dw 223,7 247,7 12 166 22 32 Do phần mềm Pro/E 4.0 khơng có lệnh vẽ biên dạng bánh cycloid, nên phần dựa vào phương trình biên dạng tương ứng để tính tọa độ điểm, từ dễ dàng hình thành biên dạng cycloid, thể hiê ̣n Hình Tương tự, tiến hành áp dụng phần mềm thiết kế 3D Pro/E 4.0 để mô hình hóa thực thể 3D chi tiết chủ yếu truyền, sau tiến hành lắp ráp chi tiết để tạo thành truyền bánh cycloid (Hình 6) (3) 3.3 Mơ hình hóa truyền bánh cycloid Bộ truyền bánh cycloid với thông số đầu vào sau: Công suất trục vào: P1 = 22 kW; Số vòng quay trục vào: n1 = 1.450 vòng/phút; Tỷ số truyền: i =11 Dựa số liệu ban đầu, thông qua cơng thức, ta tính thơng số truyền sau: 11 43 Kết thảo luận Các mơ hình 3D truyền đưa vào môi trường ANSYS Workbench ADAMS/View, sau thiết lập điều kiện biên ban đầu ràng buộc, với trường hợp truyền làm việc điều kiện đầy tải tức trục truyền thiết lập thêm mômen xoắn tính theo cơng thức: T  9.55  106 P  i = 1466353 (Nmm) n Trong đó: η = 0,92 – Hiệu suất truyền 4.1 Phân tích động lực học môi trường ANSYS Workbench Sau thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn truyền, tiến hành tính tốn thu kết Hình 7, 8, và 10 thể 44,15 Hình Phân bố ứng suất truyền bánh cycloid thông thường Hình Bánh cycloid Bánh cycloid chi tiết dạng đĩa có lỗ phân bố đồng đều, biên dạng bánh cycloid nét đặc trưng bánh này; việc tạo biên dạng cycloid điểm khó chi tiết Hình Phân bố ứng suất truyền bánh cycloid bao kép Nguyễn Thái Dương, Đào Thanh Hùng, Võ Quang Trường 44 thường giảm khoảng 10% Từ đó, việc ứng dụng truyền bánh cycloid khơng có lăn, cụ thể truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn làm tăng độ bền tiếp xúc, nâng cao khả chịu tải Bảng Biên độ ứng suất lớn ứng suất trung bình truyền Loại Hình Phân bố ứng suất truyền bánh rang cycloid bao kép khơng hồn tồn Từ Hình 7, thấy rằng: Trong q trình mơ động lực học, đặc tính ăn khớp truyền bánh cycloid khác biệt rõ rệt Tại thời điểm t = 0,23 ms, ăn khớp truyền bánh cycloid thông thường chủ yếu phần lõm bánh cycloid với lăn vịng chốt ăn khớp (Hình 7); mặt khác, ăn khớp truyền bánh cycloid bao kép bao gồm phần: phần phần lồi bánh cycloid với phần lõm bánh vòng ăn khớp, phần lại phần lõm bánh cycloid với phần lồi bánh vòng ăn khớp (Hình 8); cuối cùng, ăn khớp truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn phần lồi bánh cycloid với phần lõm bánh vòng ăn khớp, phần lõm bánh cycloid khơng tham gia ăn khớp (Hình 9) Bên cạnh đó, q trình khảo sát phân bố ứng suất chiều rộng vành truyền công tác, phát rằng, truyền bánh cycloid truyền thống truyền bánh cycloid bao kép có phân bố ứng suất khơng đồng Cụ thể, truyền bánh cycloid thông thường, ứng suất tập trung vành răng, cịn truyền bánh cycloid bao kép ứng suất lại phân bố hai đầu vành răng, đó, truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn lại có ứng suất phân bố đồng (được hiển thị phần màu đỏ Hình – tức gần nút chiều rộng vành tiếp nhận tải trọng) Điều có khả làm cho ứng suất truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn phát sinh q trình làm việc nhỏ hơn, yếu tố quan trọng để nâng cao khả chịu tải truyền so với truyền khác Thơng thường Bao kép Bao kép khơng hồn tồn Biên độ ứng suất lớn (MPa) Ứng suất trung bình (MPa) Dưới 1.360,7 Dưới 1.236,5 Khoảng 1.089,2 Khoảng 1.0461 Dưới 1.380,8 Khoảng 977,7 4.2 Phân tích động lực học môi trường ADAMS/View Với trường hợp làm việc điều kiện đầy tải, mơ hình 3D truyền tiến hành tính tốn thu kết từ Hình 11 đến Hình 14 thể Trong truyền bánh cycloid, bánh đóng vai trị hạt nhân lúc tiếp xúc với bánh vòng (hoặc lăn chốt) chốt ra, nên trình chuyển động cần thay đổi nhỏ vận tốc góc bánh gây rung động tiếng ồn cho truyền Nghiên cứu tiến hành phân tích độc lập hai đối tượng bánh cycloid (Hình 11, 12) trục (Hình 13, 14) Khi bắt đầu chuyển động, tồn khe hở nên truyền có biến động lớn vận tốc góc, nhiên, xảy khoảng thời gian ngắn So với vận tốc góc danh nghĩa trục ωdn = 2πn/i = 13,8 (rad/s), hai truyền thể khơng ổn định vận tốc góc bánh trục Tuy nhiên, dựa vào Hình 11 Hình 12 (đối với bánh cycloid) thấy rằng, biên độ vận tốc góc bánh cycloid truyền nhỏ so với truyền thông thường, với biên độ lớn vận tốc góc ứng với truyền thơng thường 12,7 (rad/s) (sai số 7,9%) truyền 12,9 (rad/s) (sai số 6,9%) Tương tự, dựa vào Hình 13 Hình 14 (đối với trục ra) thấy rằng, biên độ vận tốc góc trục truyền nhỏ so với truyền thông thường, với biên độ lớn vận tốc góc ứng với truyền thơng thường 14,76 (rad/s) (sai số 7%) truyền 14,7 (rad/s) (sai số 6,5%) Điều chứng tỏ rằng, rung động xuất truyền bánh cycloid loại so với loại thơng thường có phần nhỏ – đặc tính động lực học có ý nghĩa lĩnh vực thiết kế truyền bánh nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung Hình 10 So sánh ứng suất lớn truyền bánh cycloid Hình 10 thể so sánh ứng suất phân bố lớn thay đổi theo thời gian truyền Dựa vào Bảng thấy rằng, ứng suất phân bố lớn truyền bánh cycloid bao kép khơng hồn tồn có giá trị nhỏ nhất, giá trị ứng suất trung bình truyền so với giá trị ứng suất trung bình truyền bánh cycloid thơng Hình 11 Sự thay đổi vận tốc góc bánh cycloid ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN Hình 12 Sai số vận tốc góc bánh cycloid 45 Kết luận Nghiên cứu dựa truyền bánh cycloid thông thường, giới thiê ̣u truyền bánh cycloid bao kép bao kép không hoàn toàn, trình bày các phương trình ăn khớp và phương trình biên da ̣ng các că ̣p ăn khớp liên hơ ̣p của các bô ̣ truyề n, đồ ng thời thảo luận đặc tính ăn khớp truyền Sau đó, ứng du ̣ng phầ n mề m thiế t kế 3D Pro Engineering 4.0 để mô hình hóa các bô ̣ truyề n Cuố i cùng, thông qua mô động lực học môi trường ANSYS Workbench ADAMS/View để phân tích động lực học truyền, kết thể ưu việt truyền bánh cycloid loại so với truyền khác phương diện khả chịu tải rung động Kết nghiên cứu phân tích vừa đóng góp cho trạng nghiên cứu nước hướng tiếp cận phân tích động lực học dựa kết hợp hai phần mềm trên, đồng thời mang lại giá trị tham khảo định thiết kế truyền bánh cycloid nói riêng lĩnh vực thiết kế khí nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 13 Sự thay đổi vận tốc góc trục [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloidal_drive [2] http://www.darali.com/page21.html [3] Chen B.K., Zhong H., Liu J.Y., LiC.Y and Fang T.T., “Generation and investigation of a new cycloid drive with double contact”, Mechanism and Machine Theory, Vol 49, 2012, pp 270-283 [4] Liu J.Y., Chen B.K., Matsumura S., Li, C.Y and Houjoh H., “Design of a Novel Cycloid Drive with a Cycloid-arc Gear and Analysis of Its Meshing Characteristic”, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol 6, No.2, 2012, pp.310-322 [5] Chiu-FanHsieh, “Dynamics Analysis of Cycloidal Speed Reducers with Pin wheel and Nonpinwheel Designs”, Journal of Mechanical Design, Vol.136 /091008, [DOI:10.1115/1.4027850], 2014 [6] http://www.ptc.com/cad/pro-engineer [7] http://www.ansys.com/ [8] http://www.mscsoftware.com/page/research-msc Hình 14 Sai số vận tốc góc trục (BBT nhận bài: 08/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 09/10/2017) ... khơng đồng Cụ thể, truyền bánh cycloid thông thường, ứng suất tập trung vành răng, cịn truyền bánh cycloid bao kép ứng suất lại phân bố hai đầu vành răng, đó, truyền bánh cycloid bao kép khơng... bánh cycloid (Hình 6) (3) 3.3 Mơ hình hóa truyền bánh cycloid Bộ truyền bánh cycloid với thông số đầu vào sau: Công suất trục vào: P1 = 22 kW; Số vòng quay trục vào: n1 = 1.450 vòng/phút; Tỷ số truyền: ... góc bánh trục Tuy nhiên, dựa vào Hình 11 Hình 12 (đối với bánh cycloid) thấy rằng, biên độ vận tốc góc bánh cycloid truyền nhỏ so với truyền thông thường, với biên độ lớn vận tốc góc ứng với truyền