2. Tính toán và thiết kế các chi tiết bộ phạn của máy BKM-10
2.5. Tính toán truyền động trục vít
2.5.1. Chọn vật liệu
Vì trong bộ truyền trục vít xuất hiện vận tốc trƣợt lớn và điều kiện bôi trơn khó khăn vì vậy càn phối hợp vật liệu làm trục vít và làm bánh vít sao cho cặp vật liệu này có hệ số ma sát thấp, bền mòn. Mạt khác do tỉ số truyền u lớn, tần số chịu tải của trục vít lớn hơn nhiều so với bánh vít. Kết hợp hai yêu cầu đó ta chọn trục vít bằng thép ăn khớp với bánh vít bằng đồng thanh. Tra bảng 7.1[I] ta chọn vật liệu làm bánh vít có kí hiệu là БpOΠC6-3-3 có
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 93
2.5.2. Xác định ứng suất cho phép
Vì bánh vít làm bằng đồng thanh có cơ tính thấp hơn nhiều so với trục vít bằng thép nên để thiết kế chỉ cần xác định ứng suất tiếp xúc cho phép và ứng suất uốn cho phép đối với vật liệu làm bánh vít. Đƣơng nhiên các ứng suất cho phép cũng phụ thuộc vào độ rắn của bề mặt ren trục vít và phuêong pháp gia công lần cuối mặt ren trục vít (mặt ren có đƣợc mài hoặc đánh bóng không ). Với các bánh vít làm bằng đồng thanh, dạng hỏng về dính là nguy hiểm hơn cả, do ứng suất tiếp xúc cho phép đƣợc xác định từ điều kiện chống dính, phụ thuộc vào trị số của vận tốc trƣợt mà không phụ thuộc vào số chu kì chịu tải, nói cách khác: Ứng suất tiếp xúc cho phép trong trƣờng hợp này đƣợc xác định từ độ bền tĩnh chứ không phải độ bền mỏi.
Vì đƣờng cong mỏi khi thử về độ bền uốn đối với các loại đồng thanh và đƣờng cong mỏi thử về tiếp xúc đối với đồng thanh thiếc có nhánh nghiêng khá dài, tới 25.107
chu kì chịu tải, trong khi phần lớn bộ truyền trục vít có tần số chịu tải khá nhỏ hơn nhiều, cho nên khi xác định ứng suất cho phép ta dựa vào giới hạn mỏi ngắn hạn chứ không dựa vào giói hạn mỏi lâu dài nhƣ đối với bộ truyền bánh răng.
2.5.3. Ứng suất tiếp xúc cho phép [ H]
Tra bảng 7.2[I] đối với thép có H =170MPa
2.5.4. Ứng suất tiếp xúc cho phép F
Đối với bánh vít đuợc làm bằng đồng thanh, ứng suất uốn cho phép đƣợc xác định theo công thức: Theo 7.6[I]
FL FO F .K
Trong đó :
FO - Ứng suất uốn với 10-6 chu kì, phụ thuộc vào số chiều quay. Đối với trục vít không tôi khi bộ truyền quay hai chiều :
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 94 b FO 0,16 KFL – Hệ số tuổi thọ : KFL = 9 6 10 EF N Với NEF = i i i t n T T 2 9 m ax 2 2 ) ( 60 ; ta lấy NEF = 106 chu kì 1 10 10 9 6 6 FL K Vậy : F 0,16 b=28,8…35,2 Mpa
2.5.5. Ứng suất cho phép khi quá tải
Để kiểm tra độ bền tĩnh tránh quá tải, cần xác định ứng suất tiếp xúc cho phép khi quá tải H max và ứng suất cho phép khi quá tải F max
H max = 2 ch = 2.100 =200 MPa
F max = 0,8 ch = 0,8.100 =80Mpa
2.5.6. Tính toán truyền động trục vít về độbền a. Xác định các thông số cơ bản của bộ truyền
- Khoảng cách trục aw
Khoảng cách trục aw của bộ truyền trục vít bằng phép ăn khớp với bánh vít bằng đồng thanh đƣợc tính theo công thức 7.16[I]
aw = 3 2 2 2 2 2 . . ) ] .[ 170 ( ). ( q K T z q z H Trong đó :
Z2 : Số răng của bánh vít Z2 = 40 răng .
q : Hệ số đƣờng kính trục vít đƣợc tiêu chuẩn hóa theo modun têu chuẩn m.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 95
q =
m d1
tra bảng 7.3[I] với m =2 lấy dãy 1 ta có q = 8.
T2 : Mômen xoắn trên trục bánh vít T2 = T1 . , T1 là mômen mômen xoắn trên trục vít và là hiệu suất.
KH : Là hệ số tải trọng.
[ ]H : Ứng suất tiếp xúc cho phép Mpa.
Để tính đƣợc aw cần chọn trƣớc các giá trị sau đây:
- Dựa vào tỉ số truyền u để chọn số mối ren Z1 = 1 của trục vít - Dựa vào Z1 = 1 đã chọn, chọn sơ bộ hiệu suất theo bảng ta đƣợc =0,75 từ và T1 sẽ tính đƣợc T2 - Chọn sơ bộ KH = 1,1 – 1,3. - Chọn sơ bộ q (0,25…0,3).Z2 Fr2 Fr1 Ft1 Fa1 Ft2 Fa2
Hình 2.9 Bề mặt lắp ghép giữa lắp ổ và buồng dầu
aw = 3 2 1 1 2 2 . ) ] .[ 170 ( ) ( q K T z q z H = 35(mm)
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 96 Lấy aw = 60 mm . - Môdul dọc của trục vít đƣợc xác định từ aw . m = 2 20 40 60 . 2 . 2 2 q z aw - Hệ số dịch chỉnh
Muốn đảm bảo đƣợc khoảng cách trục aw định trƣớc cần tiến hành dịch chỉnh khi cắt bánh vít. Hệ số dịch chỉnh x đƣợc xác định theo công thức x = 0,5.(20 40) 0 2 60 ) ( 5 , 0 q z2 m aw
b. Kiểm nghiệm răng bánh vít về độ bền tiếp xúc
Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên bề mặt răng bánh vít của bộ truyền đã đƣợc thiết kế phải thỏa mãn điều kiện sau:
q K T a q z z H H w H 170. ( 2 )3. 2. [ ] 2 Mpa H H 33 [ ] 170( ) 20 2 , 1 . 1000 . ) 60 20 40 ( . 40 170 3
c. Kiểm nghiệm răng bánh vít về độ bền uốn
Để đảm bảo độ bền uốn của bánh vít, ứng suất uốn sinh ra tại chân bánh vít không đƣợc vƣợt quá một giá trị cho phép:
] [ . . . . . 4 , 1 2 2 2 H n F F F m d b K Y T Trong đó:
mn : Môdul pháp của răng bánh vít mn = cos . : Góc vít tính theo công thức : 0 1 26 ) 0 . 2 20 40 ( ) . 2 ( acrtg x q z acrtg => mn = 0,89.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 97
KF = KF . KFV = 1 b2 chiều rộng vành răng bánh vít: b2 0,75 da1 b2 0,75.(d1+2.m)=m(q+2) b2 0,75.2.22 = 33 (mm) lấy b2 = 30 (mm)
YF : Hệ số dạng răng tra trong bảng 7.8[I] theo số răng tƣơng đƣơng : zv = 55 26 cos 40 cos3 3 2 z => YF = 1,48
[ F] : Ứng suất uốn cho phép của răng bánh vít [ F] = 400Mpa
] [ . . . . . 4 , 1 2 2 2 F n F F F m d b K Y T
d. Kiểm nghiệm răng bánh vít về quá tải
Tƣơng tự nhƣ trong bộ truyền bánh răng , bộ truyền trục vít có thể bị tải khi mở máy , hãm phanh…do đó cần kiểm nghiệm bánh vít về quá tải .Để tránh sự biến dạng dƣ hoặc bề mặt răng, ứng suất tiếp xúc cực đại không đƣợc vƣợt quá một giá trị cho phép:
Kqt = m ax 2 ) ] [ ( H H Kqt = m ax 2 ) ] [ ( F H 2.6. Các chi tiết khác a. Buồng dầu
Buồng dầu là nơi chứa dầu cung cấp cho ổ để bôi trơn các ổ đỡ của trục. Yêu cầu đối với buồng dầu là:
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 98
- Phải có nắp để tránh dầu bị nhiễm bẩn. - Có chỗ xả dầu thuận tiện.
Các kích thƣớc cơ bản và yếu tố hình học quan trọng của buồng dầu đó là:
- Chiều dày thành than = 5mm
- Khoảng cách giữa 2 mặt bên phía trong tại vị trí có nắp ổ là l =124mm.
- Độ đồng tâm giữa hai lỗ để lắp ổ lăn 0,04
Một số kết cấu lắp giữa buồng dầu với các chi tiết khác.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 99
Hình 2.11 Thùng dầu
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 100
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÁY ĐO ÁP SUẤT Ổ ĐỠ THỦY ĐỘNG
3.1. Cơ sở lý thuyết
Trong các hệ thống đo lƣờng – điều khiển mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng bởi các biến trạng thái nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen…Các biến trạng thái này thƣơng là các đại lƣợng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thƣớc “là tai mắt” của hoạt động khoa học và công nghệ của con ngƣời.
Các bộ cảm biến thƣờng đƣợc định nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu kích thích .
Theo mô hình mạch 3.1 ta có thể coi bộ cảm biến nhƣ là một mạch hai cửa, trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thƣớc đầu vào x .
Phƣơng trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kich thích x cảu bộ cảm biến có dạng :
Y = f(x)
Quan hệ này rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quan hệ đáp ứng kích thích
Hình 3.1 : Mô hình mạch của bộ cảm biến
Bộ cảm biến Kích thích
X Y
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 101
Trong các hệ thống đo lƣờng – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lí tín hiệu thƣờng do máy tính đảm nhiệm .
Hình 3.2 Hệ thống điều khiển tự động quá trình
Trong sơ đồ hình 3.2 quá trình (đối tƣợng) đƣợc đặc trƣng bằng các biến trạng thái và đƣợc các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ vi xử lý đƣợc phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động quá trình (đối tƣợng) trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đƣa ra tín hiệu điều khiển quá trình.
3.2. Nguyên lý đo và lấy áp suất
Để đo đƣợc áp suất của nƣớc có rất nhiều cách khác nhau. Trong đồ án này chúng em sử dụng đầu đo áp suất để đo, bởi cảm biến áp suất là một
Quá trình (Các biến trạng thái)
Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến
Chƣơng trình
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 102
trong những loại cảm biến thƣờng dùng nhất trong công nghiệp. Ƣu điểm lớn nhất của cảm biến áp suất là độ nhạy. Cụ thể, đối với dải điện áp thấp, độ nhậy của cảm biến áp suất thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 3 mV/mbar phụ thuộc hình dạn của màng và cƣờng độ dòng điện; trong dải áp suất đến vài trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,3 đến 12,5 mV/bar. Một ƣu điển nữa đó là kính thƣớc của cảm biến nhỏ, thuận tiện cho sử dụng trong mọi thiết bị.
Phần tử cảm biến trong khâu đầu đo là loại cảm biến áp điện trở có độ nhạy và độ ổn định cao. Tín hiệu ra của cảm biến rất nhỏ nên đƣợc khuếch đại ngay khi ra khỏi cảm biến. Ngoài ra, do khoảng cách giữa trạm đo và đầu đo khá xa nên tín hiệu áp đƣợc chuyển sang tín hiệu dòng để tránh nhiễu và suy giảm tín hiệu. Cảm biến và mạch khuếch đại đƣợc bố trí bên trong một buồng kín bằng thép không gỉ, mặt tiếp xúc với dầu của cảm biến đƣợc cách ly bằng một lớp lƣới bằng thép không gỉ để tránh va chạm vào bề mặt cảm biến.
Nhƣ vậy bên trong đầu đo vừa chứa áp trở, vừa chứa mạch khuếch đị và tín hiệu trƣớc khi ra ngoài đầu đo đã đƣợc xử lý sơ bộ.
3.3. Thiết kế mạch lấy tín hiệu cho máy
3.3.1. Tìm hiểu các thành phần cơ bản của mạch lấy tín hiệu 3.3.1.1. Vi điều khiển 3.3.1.1. Vi điều khiển
a. Vi điều khiển ATMEGA 16
- Một số đặc tính của Atmega16
Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 103
dụng tới vi điều khiển. Tính năng:
- Bộ nhớ 16K(flash). - 512 byte (EEPROM). - 1 K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A, B, C, D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.
- Giao tiếp SPI. - Giao diện I2C. - Có 8 kênh ADC 10 bit. - 1 bộ so sánh analog. - 4 kênh PWM.
- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit. - 1 bộ định thời Watchdog.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình đƣợc
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 104
Hình 3.4 Hình ảnh của Atmega 16
b. Vi điều khiển 8051
Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chƣơng trình và dữ liệu. Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớ chƣơng trình và dữ liệu. Tuy bộ nhớ ngoài đƣợc truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 105
Hình 3.5 Sơ đồ chân
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 106
3.2.1.2. Cảm biến sử dụng a. Đồng hồ đo áp suất
Hình 3.7 : Đồng hồ đo áp suất
Các máy đo áp suất thủy động trƣớc đây thƣờng dùng các đồng hồ đo áp suất cơ học. Do vậy, các giá trị áp suất đo đƣợc và vùng phân bố áp suất thƣờng không chính xác do đó có độ trễ.
Số liệu nhận đƣợc: Kết quả nhận đƣợc trong quá trình đo chỉ là một số ít các điểm trên chu vi bạc hoặc đồ thị thể hiện hình dạng phân bố áp suất.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 107
Bảng kết quả đo áp suất theo tải trọng và tốc độ (Psi):
Tải trọng Tốc độ 50 (N) 100(N) 150(N) 900(vòng/phút) 48 52 60 1350 80 98 110 2025 108 128 140
b. Cảm biến áp suất đầu ra là tín hiệu điện
a. Cảm biến sử dụng: ML100PS2PG
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 108
Các thông số chính của cảm biến sử dụng
Hình 3.9 Cảm biến ML100PS2PG
Bảng mã PIN và dây.
PINS Điện áp Dòng điện
A Kích thíc + Kích thíc +
B Output Kích thíc -
C Nối đất NC
ML100PS2PG là cảm biến áp suất thông dụng có vỏ làm bằng thép không gỉ, khuếch đại đầu ra, có các cổng đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn, đƣợc thiết kế cho các nhà sản xuất thiết bị gốc sử dụng và có dải đo từ 0 psi đến 100 psi.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 109
Tính năng của cảm biến:
- Giá trị đo cao và hiệu suất nổi bật.
- Không có con dấu đàn hồi nội bộ của hãng. - Lựa chọn thang đo có sẵn rộng.
- Các đầu ra khuếch đại.
- Có bảo vệ dòng phản hồi ngƣợc lại.
- Thời gian đáp ứng nhở hơn 500micro giây. - Thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn IP65.
- Đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn công nghiệp Châu Âu. - Có giá trị tuyệt vời đối với các nhà sản xuất thiết bị gốc. - Loại bỏ đƣợc các vấn đề không tƣơng thíc.
- Loại bỏ đƣợc các chi phí dùng cho bộ khuếch đại bên ngoài. - Không bị hƣ hỏng bởi các tín hiệu kích thích ngƣợc lại.