5.3.1 Sơ đồ cấu trúc
Hình 5.12: Sơ đồ cấu trúc Bộ Chạy Dao Bên
5.3.2 Trình tự tính toán
Tính toán Góc cắt (gá đặt Dao). Tính toán bộ truyền Vít – Đai Ốc Kiểm bền Dao, Thanh Trượt, Thanh đỡ
5.3.3 Nội dung tính toán
5.3.3.1 Tính toán Góc cắt (góc gá đặt Dao) [20] [26]. Dao Tấm đỡ Gối đỡ Đai ốc Ống lót Thanh đỡ Rãnh trượt Thanh trượt Vít me Tay quay
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
105
Hình 5.13: Hình dáng Dừa trước khi gọt (I) và sau khi gọt (II)
Qua các thử nghiệm kiểm tra khả năng cắt gọt cho thấy việc gá đặt góc Dao sẽ quyết định năng suất cắt gọt và độ bền của Dao. Hơn nữa, để đảm có thể gọt được lượng Xơ Dừa nhiều nhất, nhưng vẫn đảm bảo được tính thẩm mỹ và không làm hư hỏng sản phẩm. Do vậy, cần gá đặt Dao với các góc cắt như sau :
Đối với Dao gọt phần Thân : Góc gá đặt Dao ( ) sẽ được điều chỉnh trong phạm vi = 82 ÷ 86 (hình..)
Hình 5.14: Cấu tạo và góc cắt (gọt) Dừa sau khi gọt.
Đuôi Dừa Cuống Dừa Vỏ ngoài Vỏ trong (xơ) Đường gọt Vai Đường gọt Thân Xơ Dừa Đường cắt Chóp Gáo Dừa Cơm Dừa
106
Hình 5.15: Góc gá Dao Bên
Ngoài ra, năng suất và khả năng cắt gọt còn phụ thuộc vào vật liệu làm Dao và Góc mài Lưỡi Dao. Từ cơ sở lý thuyết ở chương 3, ta chọn góc mài dao như sau : [29]
Góc sau chính được chọn từ = 6 ÷ 12 (đối với thép gió)
Góc trước chính được chọn = 30 ÷ 40 .
Hình 5.16: Góc mài Lưỡi Dao
5.3.3.2 Tính toán, kiểm bền bộ truyền Vít Me – Đai Ốc
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
107
5.3.3.2.1 Cơ sở tính toán
Hình 5.17: Vít – Đai ốc trong cơ cấu chạy Dao
Vật liệu:
- Vít: Thép C45 hay S45C (không nhiệt luyện).
Giới hạn chảy: = 490 (MPa) (trang 303, [12]) - Đai ốc: Đồng Thanh Thiếc – Chì – Kẽm (ƂpOЦC 6-6-3)
Hình 5.18: Lực dọc trục tác dụng lên trục Vít
5.3.3.2.2 Thực hiện tính toán
Tính đường kính ren trung bình :
≥
. . .[ ] (công thức 8.1, trang 163,[10]) (5.37) Trong đó :
: Lực dọc trục (N) (lực dọc trục chính bằng lực chạy dao tạo ra) Fa
108 Lấy = 237,4 (N)
ψ : Hệ số chiều cao đai ốc
ψ = 1,2÷2,5 (với đai ốc nguyên) => chọn ψ = 1,2 ( trang 163,[10])
ψ : Hệ số chiều cao ren
ψ = 0,5 (đối với ren hình thang, trang 163,[10])
[q]: Áp suất cho phép
Chọn [q] = 8 Mpa ( trang 163,[10]) Ta có :
≥ ,
. , . , . = 3,96 (mm)
Chọn = 7 mm (ren hình thang 1 đầu mối cần khả năng tự hãm) (bảng P2.4, trang 251,[10])
Từ bảng P2.4, trang 251,[10] tra được :
Bước ren: p = 2 mm
Đường kính ngoài: d = 8 mm
Đường kính trong: = 6 mm
Tính Bước vít:
= . (công thức 8.2, trang 163,[10]) (5.38) => = 1.2 = 2 mm ( =1, ren một đầu mối)
Tính góc vít: Góc vít : = ( . ) (công thức 8.3, trang 163,[10]) (5.39) => = ( . ) = 5,2 Kiểm tra tính tự hãm: Để đảm bảo tính tự hãm: < = ( ) (trang 163, [10]) (5.40) => < = ( , ) = 5,91 ( với hệ số ma sát f = 0,1 ; góc nghiêng cạnh ren hình thang = 15 )
Vậy, tính tự hãm thỏa mãn yêu cầu.
Chiều cao đai ốc và số vòng ren :
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY 109 H = . = 1,2.7 = 8,4 (mm) (5.41) Số vòng ren đai ốc: z z = H/p ≤ = 10÷12 (8.6, trang 164,[10]) (5.42) => z = 8,4/2 = 4,2
Vậy chọn số vòng ren của đai ốc là : z = 5. 5.3.3.2.3 Kiểm nghiệm độ bền :
Trục Vít trong cơ cấu này được để di chuyển thanh trượt nên tải trọng của Vít là rất nhỏ và Vít không trực tiếp chịu tác động từ lực cắt. Do đó, độ bền của Vít không cần kiểm nghiệm.
5.3.3.2.4 Kiểm nghiệm tính ổn định :
Tính ổn định của Vít được xác định qua điều kiện sau :
S = F / F ≥ [S ] (CT 8.15, trang 166, [10]) (5.43) Trong đó : - Hệ số an toàn về ổn định : S - Tải trọng tới hạn: F (N) - Lực dọc trục: F = 237,4 (N) - Hệ số an toàn cho phép : [S ] = 2,5…4 Độ mềm của Vít: = . / (CT 8.16, trang 166, [10]) (5.44) Với : - hệ số chiều dài tương đương ( = 0,7)
l - chiều dài vít ( l = 87 mm, xác định từ tính toán thiết kế) i - bán kính quán tính : i = / ( / 4) Mômen quán tính: J = . (0,4+0,6. ) = . (0,4+0,6. ) = 2,12 Suy ra: i = 2,12 / ( . 6 / 4) = 0,27 Vậy: = 0,7.87 /0,27 = 225,6 Tải trọng tới hạn: F = . . / (( . ) ) ( CT 8.17, trang 167, [10]) (5.45) = . 2,1.10 . 2,12 / ((0,7.87) ) = 1184,7 (N)
( với E là môđun đàn hồi của thép) Ta có :
110
Vậy, Vít đảm bảo điều kiện về ổn định.
5.3.3.3 Kiểm bền Thanh Trượt và Thanh đỡ, Dao 5.3.3.3.1 Kiểm bền Dao
Vật liệu : Thép Không gỉ (SUS304)
Giới hạn bền cho phép : [ ] = 102,5 (MPa)
Các đặc tính của vật liệu được lấy giống với phần kiểm bền Trục.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
111
Hình 5.20: Kết quả phân tích chuyển vị
Hình 5.21: Kết quả phân tích ứng suất
Kết luận :
112
- Ứng suất lớn nhất : = 1,28.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa) , thỏa mãn điều kiện bền
5.3.3.3.1 Kiểm bền Thanh Trượt – Thanh Đỡ - Thanh Truyền
Do việc phân tích ứng suất lắp ghép của cơ cấu Thanh Trượt – Thanh Đỡ - Thanh Truyền khá phức tạp, nên sẽ được đơn giản hóa thành một chi tiết có kết cấu tương tự. Kết quả phân tích sẽ làm cơ sở tham khảo về khả năng bền của kết cấu.
Vật liệu : SUS304
Giới hạn bền cho phép : [ ] = 102,5 (MPa)
Các đặc tích vật liệu được chọn giống với phần phân tích Trục
Hình 5.22: Mô hình 3D
Thanh truyền
Bulông
Thanh đỡ
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
113
Hình 5.23: Kết quả phân tích chuyển vị
Hình 5.24: Kết quả phân tích ứng suất
Kết luận :
Chuyển vị lớn nhất là : 0,0825 (mm)
114
5.4 TÍNH TOÁN BỘ CHẠY DAO TRÊN 5.4.1 Sơ đồ kết cấu (sơ đồ động) 5.4.1 Sơ đồ kết cấu (sơ đồ động)
Hình 5.25: Các chi tiết chính trong bộ chạy dao Trên
Động cơ Rãnh trượt Tấm lót Thanh trượt Chống tâm Dao Bộ gá Dao Bánh răng lớn Bánh răng nhỏ Thanh đỡ Thanh răng
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
115
Sơ đồ 5.5: Sơ đồ động bộ chạy dao Trên
5.4.2 Trình tự tính toán
Chọn góc cắt (gá đặt Dao).
Tính toán lực cắt, lực chạy dao và lực đẩy.
Tính, kiểm bền bộ truyền Bánh răng – Thanh răng. Kiểm bền : Thanh trượt, chống tâm, thanh đỡ, Dao. Chọn động cơ phụ
5.4.3 Nội dung tính toán
5.4.3.1 Chọn góc gá đặt Dao, [20] [26].
Góc gá Dao trên cũng được xác định từ các kết quả thực nghiệm và dựa theo cấu tạo , kích thước của Dừa. Đối với Dao gọt phần Vai : Góc gá Dao ( ) hiệu quả trong phạm vi = 50 ÷ 56 (hình ..). Các góc mài Dao cũng được chọn giống Dao gọt phần thân.
Động cơ Thanh răng-Bánh răng
Bộ phận chấp hành
116
Hình 5.26: Cấu tạo và góc cắt (gọt) Dừa sau khi gọt.
Hình 5.27: Góc gá Dao Trên
5.4.3.2 Tính toán lực cắt, lực chạy dao và lực đẩy. 5.4.3.2.1 Cơ sở tính toán − Cạnh lưỡi Dao X Đường gọt Vai Đường gọt Thân Xơ Dừa Đường cắt Chóp Gáo Dừa Cơm Dừa
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
117
Hình 5.28: Lực Đẩy kẹp Dừa Hình 5.29: Phản lực N lên chấu kẹp
Kết cấu mũi nhọn và vật liệu
Mũi nhọn gồm:
6 mũi nhọn dưới: đường kính ∅6 mm, góc nhọn 20
Mũi nhọn trên: đường kính ∅10 mm, góc nhọn 30
Vật liệu mũi nhọn: Inox 304 (SUS304) , độ cứng HV ~ HB ~ 200 (trang 781, [12])
Hình 5.30: Kích thước các mũi nhọn
Tổng tổng tiết diện , của các mũi nhọn: = π. 0.5 . 6 + π. 1 = 7,86 (mm ) = 0,0786 (cm ) = . 3 . 6 + . 5 = 248,2 (mm ) = 2,482 (cm )
118
Lực cắt, lực chạy dao
Tốc độ chạy dao, lực cắt, lực chạy dao và công suất cắt của Dao Trên được lấy giá trị gần bằng với giá trị tính toán của Dao Bên :
Tốc độ chạy dao : S = 0,056 mm/vòng (với chiều rộng cắt = 100 mm). (hình….)
Tốc độ chạy dao phút: S = S. n = 0,056.285,7 = 16 (mm/phút) = 0,27 (mm/s)
Lực cắt : F = 237,4 (N)
Tính lực đẩy cần thiết kẹp Dừa
Theo kết quả thực nghiệm, với mũi nhọn tiết diện 3,14 cm có thể đâm xuyên Dừa Tươi khi tác dụng 1 lực có độ lớn 251 (N). [27]
Như vậy, với tiết diện lớn nhất = 2,482 (cm ) sẽ cần F’ là: F′ = . ,
, = 195,5 (N)
Chọn lực chạy dao bằng lực đẩy F’ và bằng 195,5 (N).
5.4.3.3 Tính toán, kiểm bền bộ truyền Bánh răng(răng trụ, răng thẳng)-Thanh răng, chọn động cơ. (trang 303, [13])
5.4.3.3.1 Cơ sở tính toán
Bộ truyền hở, bôi trơn theo chu kỳ, làm việc với vận tốc thấp.
Với tải nhỏ chọn vật liệu như sau:
Thanh răng, Bánh răng: Thép 40, tôi cải thiện, độ cứng 192 ÷ 288 HB, = 700 MPa , = 400 MPa. (bảng 6.1, trang 92,[10])
Vận tốc thanh răng :
Vận tốc thanh răng được tính theo công thức thực nghiệm :
v = (m/s) . (5.46)
Trong đó: l (mm) – là quãng đường thanh răng di chuyển (chiều sâu mũi nhọn đâm vào vỏ Dừa).
t = 0,5 (s) – Thời gian kẹp mong muốn
Ta có: l = l + l + l =40 + 20 +20 = 80 (mm)
( l là khoảng cách an toàn khi gá Dừa; l và l là chiều sâu trung bình mũi nhọn Trên và Dưới trong lớp vỏ Dừa, chiều sâu này có thể thay đổi tùy theo độ dày của lớp vỏ).
Vậy:
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
119
a) Khi chưa kẹp Dừa b) Khi kẹp Dừa
Hình 5.31: Khoảng cách mũi nhọn trước và sau khi kẹp Dừa
Vận tốc Bánh răng:
Vận tốc Bánh răng chính bằng vận tốc thanh răng, v = 0,16 (m/s)
Tốc độ quay của bánh răng:
n = .
. (vòng/phút)
Công suất làm việc:
P = . (Kw) (công thức 2.11, trang 20, [10])
= , . , = 0,018 (Kw)
5.4.3.3.2 Thực hiện tính toán (trang 303, [13]) 5.4.3.3.2.1 Các điều kiện bền
Xác định ứng suất tiếp xúc:
- Chọn độ cứng Bánh răng: HB1 = 200 (bảng 6.2, trang 94, [10]) - Chọn độ cứng Thanh răng: HB2 = 200 (bảng 6.2, trang 94, [10]) - Theo bảng 6.2 trang 94, [10]: 0 lim 0 lim 2 70 1,8 H F HB HB 1,1 1,75 H F S S (5.47) Bánh răng: = 2.200 + 70 = 470 (Mpa)
120
(ứng suất tiếp xúc cho phép với chu kỳ cơ sở) = 1,8.250 = 360 (Mpa)
(ứng suất uốn cho phép với chu kỳ cơ sở) Thanh răng: = 2.200 + 70 = 470 (Mpa)
= 1,8.200 = 360 (Mpa) Ứng suất tiếp xúc cho phép được xác định sơ bộ:
- Theo công thức 6.1a trang 93 [10], ta có: olim. HL H H H K S (5.48) Tra bảng 6.2 trang 94 [10], ta có SH = 1,1 [ ] = 470. , = 427,27 (Mpa) (với K = 1) [ ] = 4700. , = 427,27 (Mpa) Theo công thức 6.12 trang 95 [10], ta có:
[ ] = [ ] [ ] = , , = 427,27 (MPa) Ta có :
[ ′ ] = 1,25. [ ]min = 1,25.427,27 = 534 (Mpa) Suy ra [ ] < [ ′ ] , thỏa mãn điều kiện.
Ứng suất uốn cho phép:
- Chọn: KFL1 = 1, KFL2 = 1 (hệ số tuổi thọ)
- Bộ truyền quay một chiều nên: KFC = 1 (hệ số xét đến ảnh hưởng của đặt tải) - Theo công thức 6.2a trang 93 [10], ta có:
Ứng suất uốn cho phép:
Folim. FL. FC F F K K S (5.49) Với SF = 1,75, ta có: F1 = 75 , 1 1 . 1 . 360 = 205,7 ( MPa ) F2 = 75 , 1 1 . 1 . 360 = 205,7 ( MPa )
- Theo công thức 6.13 trang 95,[10], ứng suất tiếp xúc cho phép :
H max2,8.ch MPa (5.50)
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY 121 H1max2,8.ch1 2,8.4001120 MPa H2max2,8.ch2 2,8.4001120 MPa
- Theo công thức 6.14 trang 96 [10], ưng suất quá tải cho phép:
F max0,8.ch (MPa), khi HB ≤ 350. (5.51) F1max0,8.ch10,8.400320
MPa F2max0,8.ch1 0,8.400320
MPa
5.4.3.3.2.2 Tính toán Bánh răng trụ - răng thẳng và Thanh răng
Với yêu cầu thiết kế nhỏ gọn nên chọn bánh răng trụ - răng thẳng với thông số như sau:
- Môđun: m = 1 (mm). (bảng 6.8, trang 99, [10]).
- Số răng: z = 21 ; hệ số dịch chỉnh bằng 0 .(bảng 6.9, trang 100, [10]) Tính toán các thông số Bánh răng
Từ bảng 6.11, trang 104, [10] ta tính các thông số sau : - Góc β = 20 - Góc α = 20 (góc prôfin gốc) - Đường kính chia : d = m.z/cos (mm) = 1.21/cos20 = 22,35 (mm) - Đường kính lăn : d = d = 22,35 (mm) - Đường kính đỉnh răng : d = d + 2. m = 22,35 + 2.1 = 24,35 (mm) - Đường kính đáy răng :
d = d − 2,5. m = 22,35 - 2,5.1 = 19,85 (mm) - Góc prôfin răng : = ( / ) = arctg(tg20/cos20) = 21,17 Các thông số bánh răng: Môđun: m (mm) 1 Số răng: z 21 Góc nghiêng: β 20 Góc prôfin gốc: α 20 Đường kính chia : d (mm) 22,35 Đường kính lăn : d (mm) 22,35 Đường kính đáy : d (mm) 19,85
122
Đường kính đỉnh : d (mm) 24,35 Góc prôfin răng : 21,17
Đối với bánh răng còn lại được chọn giống Bánh răng trên.
Tính toán Thanh răng
Các thông số của Thanh răng được lựa chọn theo các thông số của Bánh răng. Bảng 5.7: Thông số Thanh Răng [13]
Môđun: m (mm) 1
Góc Prôfin răng: (độ) 20
Góc nghiêng của răng: (độ) 20
Bước pháp tuyến : P = π. m (mm) π
Bước mặt đầu: P = (mm) 3,34 Bề rộng thanh răng:
b = (2÷10).m (mm)
10
Chiều cao răng: h = 2,5.m (mm) 2.5 Chiều dài dịch chuyển của Thanh răng:
L (mm) theo góc quay của Bánh răng.
L = . .
z = 21 (số răng của bánh răng)
5.4.3.3.2.3 Kiểm bền Bánh răng và Thanh răng
Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn, độ bền tiếp xúc, quá tải của răng:
Bánh răng:
Xét độ bền tại thời điểm làm việc của 1 răng bất kỳ: với tác dụng của lực chạy dao = F =237,4 (N).
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
123
Hình 5.32: Bánh răng m = 1, z = 21.
124
Hình 5.34: Kết quả phân tích ứng suất
Kết luận:
Ứng suất lớn nhất: =3,4.10 < [ ] = 2,057.10 (Pa), thỏa mãn các điều kiện bền .
Thanh răng:
Môđun: m = 1 (mm).
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
125
Hình 5.35: Mô hình Thanh răng
126
Hình 5.37: Kết quả phân tích ứng suất trên Răng
Kết luận:
Ứng suất uốn lớn nhất trên răng: =2,72.10 < [ ] = 2,057.10 (Pa), thỏa mãn các điều kiện bền .
5.4.3.4 Kiểm bền: Dao, Thanh đỡ 5.4.3.4.1 Kiểm bền Dao
Vật liệu: SUS304
Lực cắt tác dụng lên lưỡi Dao: F = 237,4 (N)
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
127
Hình 5.39: Kết quả phân tích chuyển vị
Hình 5.40: Kết quả phân tích ứng suất
Kết luận:
Ứng suất lớn nhất: = 7,98.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa), Dao đảm bảo điều kiện bền.
5.4.3.4.1 Kiểm bền Thanh Đỡ
Thanh đỡ được hàn với Thanh gá Dao, Thanh gá Dao được bắt bulông cố định với Thanh trượt.
128 Lực uốn tác dụng: F = 237,4 (N)
Vật liệu: Thanh đỡ, Thanh gá Dao đều là Inox 304
Bulông: M4x0.7, giới hạn bền cho phép [ ] = 0,8. = 0,8.240 = 192 MPa ( =240 MPa, bảng 1, [43])
Hình 5.41: Mô phỏng kết cấu
Hình 5.42: Kết quả phân tích chuyển vị
Thanh lắp Dao Thanh lắp Dao
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
129
Hình 5.43: Kết quả phân tích ứng suất
Kết luận:
Chuyển vị lớn nhất trên Thanh lắp Dao và Thanh đỡ là : 0,105 (mm).
Ứng suất lớn nhất gây ra các điểm tiếp xúc của Bulông và Thanh gá Dao: = 1,81.10 < [ ] = 1,92.10 (Pa), đảm bảo điều kiện bền, nếu cần thiết tăng độ bền có thể thay thế bulông M5x0,8.
5.4.3.5 Chọn Động cơ Phụ
- Chọn hiệu suất truyền động bộ truyền Bánh răng – Thanh răng tương tự bộ truyền Bánh răng – Bánh răng với: η = 0,94 (bảng 2.3, trang 19, [10]) - Hiệu suất của bộ truyền:
η = η = 0,94
- Công suất cần thiết của động cơ:
P = (công thức 2.8, trang 19, [10]) = 0,018/0,94 = 0,019 (Kw) - Tốc độ quay : n = . , . , = 2,28 (vòng/phút) Chọn động cơ giảm tốc: [44] Công suất: 25 W Tốc độ 4 (vòng/phút) Nguồn : 220VAC
130
5.5 KIỂM BỀN THÂN VÀ KHUNG MÁY 5.5.1 Kiểm bền Thân Máy
Thân máy được hàn bằng các thép chữ nhật 20x40 và dày 2 (mm). Các mối hàn sử dụng là các mối hàn góc, hàn giáp mí và hàn chồng mí.
Vật liệu: Thép CT3kn với [ ] = 0,8. = 0,8.235 = 188 MPa ( =235 MPa, bảng b, trang 114, [12])
Thân máy chịu tác dụng của trọng lực P lớn nhất 600 (N) và chịu tác dụng va đập của lực cắt F =237,4 (N).
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
131
Hình 5.45: Kết quả phân tích chuyển vị
Hình 5.46: Kết quả phân tích ứng suất