2.3.1. Sơ đồ động:
Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống cấp phát bóng, cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ đồ động của toàn hệ thống cấp phát bóng như sau:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 2. 4. Sơ đồ động của thiết bị phát bóng
Nguyên lý hoạt động của máy bắn bóng:
Mọi hoạt động của hệ thống được điều khiển thông qua bảng điều khiển. Bảng điều khiển cấp tín hiệu cho các động cơ hoạt động.
Bóng được cấp từ cơ cấu dẫn bóng, được tự động cấp phát qua cơ cấu cấp bóng tự động. Bóng đi qua hai bánh đà với tốc độ cao (có thể hiệu chỉnh) và được đẩy đi bởi lực ma sát giữa bóng và hai bánh đà.
Cơ cấu hai bánh đà quay với tốc độ cao thực hiện bởi hai động cơ servo có thể điều chỉnh tốc độ theo yêu cầu người sử dụng.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Cơ cấu cấp phát bóng tự động được thực hiện bởi một động cơ và kết cấu cu lít, có thể điều khiển tần suất cấp phát nhanh hay chậm tùy yêu cầu người sử dụng.
Bóng được cấp từ cơ cấu máng dẫn bóng có khả năng chứa từ 5, 10, 15,…quả bóng tùy thuộc vào số máng lắp đặt.
Kết luận: Phân tích sơ đồ động của hệ thống ta sẽ tính toán, thiết kế các cụm:
1. Cơ cấu phát bóng 2. Cơ cấu bàn xoay
3. Cơ cấu cấp bóng tự động 4. Cụm máng chứa bóng 5. Các chi tiết phụ
2.3.2. Tính toán thiết kế cơ cấu phát bóng: 2.3.2.1 Cấu tạo cụm bánh đà
Nguyên lý hoạt động:
Như đã chọn ở trên ta chọn phương án dùng cụm bánh đà nằm ngang.
Cơ cấu bánh đà có tác dụng phát bóng và điều chỉnh hướng phát bóng của máy theo phương dọc.
Cấu tạo cơ bản của cơ cấu bánh đà gồm hai bánh đà quay với tốc độ cao (sử dụng động cơ điện) có thể điều chỉnh tốc độ, nhờ lực ma sát giữa quả lô và trái bóng đẩy trái bóng đi với tốc độ mong muốn.
Sử dụng một động cơ điện liên kết với một bánh răng (ta coi là bánh răng chủ động) ăn khớp với một bánh răng được gắn cố định với cơ cấu hai bánh đà (ta coi là bánh răng bị động).
Bánh răng chủ động quay sẽ ăn khớp với bánh răng bị động từ đó tạo ra chuyển động quay theo phương dọc của cơ cấu bánh đà.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học - Nâng hạ theo phương ngang với góc xoay: 0 đến 45 (có thể sử dụng động
cơ, xi lanh điện, cơ cấu truyền động bánh răng, đai…). - Thiết kế, chế tạo đơn giản.
- Độ chính xác cao: Khoảng cách bánh đà, không gian đặt bánh đà và động cơ.
- Không rung, giật khi hoạt động. - Đảm bảo độ bền, độ cứng vững.
Từ đó ta có sơ đồ kết cấu cụm bánh đà như sau:
Hình 2. 5. Kết cấu cụm bánh đà Cụm bánh đà bao gồm: + Khung dưới + Bánh đà + Động cơ bánh đà + Thanh đỡ + Động cơ nâng hạ
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học + Bánh răng bị động
+ Thanh bản lề + Ổ lăn
2.3.2.2 Thiết kế các chi tiết: a. Thiết kế khung dưới: Yêu cầu kĩ thuật:
- Kích thước phù hợp với với kích thước tổng yêu cầu là 680 750 470 mm3
và phù hợp với khoảng cách chứa hai bánh đà. - Khung đỡ phải đảm bảo độ bền khi máy hoạt động.
- Đảm bảo động cứng vững, không bị biến dạng khi máy hoạt động.
Lựa chọn kết cấu cho khung dưới:
Đối với kết cấu khung đỡ dưới cụm bánh đà dành cho máy bắn bóng, do chịu tải trọng lớn, cần độ cứng vững cao nên nhóm quyết định thiết kế khung máy bằng thép tấm với độ dày 8mm.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 2. 6. Khung dưới
Mác
thép b/MPa
ST/Mpa chia theo độ dày, mm 5 (%), theo độ dày, mm Thử uốn nguội 180o theo độ dày, mm < 20 2040 40100 > 100 < 20 (2040) > 40 20 > 20 CT38 363461 235 226 216 196 27 26 24 d = 0,5 d = a CT38n CT38 373481 245 235 226 206 26 25 23 d = 0,5 d = a CT51 490628 284 275 265 255 20 19 17 d = 3a d = a
Bảng 2. 1. A.4 - Cơ tính của một số thép Các bon kết cấu
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Các bước kiểm bền trên hyperworks:
Bước 1:
Import geometry chi tiết khung dưới vào môi trường hyperwork.
Bước 2:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Bước 3: chia lưới
Bước 4: đặt constain và force tác dụng lên chi tiết Tạo load collector
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Đặt lực vào chi tiết:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Ứng suất max: max 23Mpa
Chuyển vị max: ymax 0.383mm
→ Thỏa mãn độ bền cơ tính của thép.
b. Thiết kế bánh đà Yêu cầu kĩ thuật:
- Khối lượng nhẹ - Bán kính phù hợp
- Đảm bảo độ ma sát với trái bóng khi hoạt động ở tốc độ cao
- Đảm bảo độ bền, độ cứng cứng, không bị biến dạng khi hoạt động
Lựa chọn kết cấu cho bánh đà:
Với yêu cầu kĩ thuật kể trên, ta chọn vật liệu làm bánh đà bằng nhôm. Nhôm sau khi đúc sẽ được bọc lớp cao su bên ngoài để tăng độ ma sát với trái bóng.
Kích thước bánh đà:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 2. 7. Bánh đà
c. Thiết kế thanh đỡ: Yêu cầu kĩ thuật:
- Đảm bảo độ chính xác khoảng cách đặt hai bánh đà dựa trên sự tính toán - Đảm bảo đủ không gian để quả bóng bắn ra
- Đảm bảo độ cứng vững, không bị biến dạng khi máy hoạt động
Tính toán khoảng cách đặt hai bánh đà:
Trái bóng được bắn bởi hai bánh đà quay ngược chiều nhau, khảo sát bởi hai quá trình riêng biệt: quá trình bóng tiếp xúc giữa hai con lăn và quá trình trái bóng được bắn đi.
- Quá trình bóng tiếp xúc với con lăn:
Hai thành phần lực chính tác dụng lên trái bóng khi bị nén giữa hai con lăn: Lực pháp tuyến N vuông góc với bề mặt tiếp xúc và lực ma sát tiếp tuyến T. Điều
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học kiện để trái bóng có thể bị kéo và bị nén giữa hai con lăn chỉ khi thành phần lực ma sát ngang Th, thành phần lực pháp tuyến theo phương ngang Nh
Các thành phần lực tác dụng lên bóng trong quá trình bóng bị kéo vào con lăn os Nsin
Tc
Trong đó là góc tiếp xúc.
Nếu gọi là hệ số ma sát giữa bóng và con lăn thì T .N (1), khi đó:
tan( )
(2)
Với chú ý rằng : tan( ) (3)
Trong đó:
là góc ma sát đặc trưng cho trạng thái tiếp xúc giữa bóng và con lăn. Từ đó điều kiện để bóng được kéo vào không gian giữa hai con lăn là:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Bảng 2. 2. Khảo sát mối liên hệ giữa hệ số ma sát với góc tiếp xúc và và chiều dài tiếp xúc.
- Quá trình bắn bóng:
Điều kiện để bóng có thể được bắn đi xảy ra khi lực ma sát giữa bóng và con lăn lớn hơn hoặc bằng lực quán tính của quả bóng, và được đảm bảo rằng không có sự trượt giữa quả bóng và con lăn:
w 2
F T (5)
Lực quán tính phụ thuộc vào vận tốc thẳng V yêu cầu của quả bóng, hoặc chính xác hơn là phụ thuộc vào gia tốc nhận được từ con lăn để bóng đạt được vận tốc ban đầu cần thiết.
Chú ý rằng lực ma sát giữa bóng và con lăn phụ thuộc vào hệ số ma sát và áp lực giữa con lăn và bóng. Áp lực được được xác định từ modul đàn hồi E của vật liệu làm bóng, tính theo công thức sau:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học . . 2 E S l N r (6) Trong đó: l
và s lần lượt là chiều dài cung biến dạng và diện tích biến dạng của bề mặt
bóng.
Hình 2. 8. Các thành phần lực và sự biến dạng của bóng trong quá trình bóng được bắn đi
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Bảng 2. 3. Modul đàn hồi vật liệu Vật liệu làm vỏ quả bóng đá:
- Vỏ bóng có thể được làm từ nhiều chất liệu khác nhau: ví dụ như chất liệu tổng hợp, chất polyurethane, PVC…
- Với chất liệu polyurethane elastomers thì modul đàn hồi E 0,002 0,003
GPa.
Dựa vào vật liệu của vỏ bóng và vật liệu vỏ bánh đà (cao su) kết hợp cùng nghiên cứu của Wojicicki ta chọn hế số ma sát là: 0.58
Từ công thức (2) ta có: tan( ) arctan( ) arctan(0.58) 0.5255 30 1 1 3.cos( ) O H O O Ta có: bán bính bánh đà là r1100mm, bán kính quả bóng: rb 110mm
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học 1 3 1 b 100 110 210 O O r r mm 1 210.cos(30) 184.66 O H mm 1 2 2. 1 370 O O O H mm
Suy ra khoảng cách giữa 2 bánh đà là 370mm.
Kích thước thanh đỡ bánh đà: kích thước 640 100 108 mm3
Kiểm bền thanh đỡ:
Biểu đồ ứng suất
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Biểu đồ chuyển vị
Ứng suất max: max 4.886MPa
Chuyển vị max: ymax 0.01649mm → Thỏa mãn độ bền cơ tính của thép.
d. Thiết kế thanh bản lề Yêu cầu kĩ thuật:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học - Độ song song và độ nhám bề mặt
- Độ cứng vững
- Không bị biến dạng khi máy hoạt động
Kích thước thanh bản lề sau khi thiết kế:
Hình 2. 10. Thanh bản lề
e. Lựa chọn ổ lăn:
Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Với kết cấu yêu cầu → ổ bi chịu tác dụng của lực hướng tâm và một ít lực dọc trục và để hạn chế trục di chuyển dọc trục nên nhóm quyết định dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ - chặn.
+ Khả năng tải tương đối.
+ Khả năng quay nhanh tương đối. + Giá thành cao.
Và để phù hợp vị trí đặt ổ lăn và phù hợp với kích thước của bánh răng (ổ bi được gắn với trục bánh răng) ta có lựa chọn sơ bộ như sau.
Tra theo bảng P2.7 – Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí – tập 1
Kí hiệu d, mm D, mm B, mm r, mm C, kN C0,kN
36103 17 35 10 0.5 5,71 3,58
Bảng 2. 4. Thông số của ổ bi đỡ - chặn
Hình 2. 11. Ổ bi đỡ-chặn
Kiểm nghiệm khả năng tải của ổ:
Do cơ cấu hoạt động không liên tục và không yêu cầu quá cao về tốc độ chuyển động nên ta chỉ kiểm tra khả năng tải tĩnh của ổ.
Ta kiểm nghiệm lại khả năng tải tĩnh của ổ theo công thức
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Trong đó :
Với QT : Tải trọng tĩnh được tính theo công thức :
QT X Fo. r Y Fo. a
Xo , Yo: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục Xo = 0,5 , Yo= 1
Fr : lực hướng tâm Fr = P/2 (2 ổ) ≈ 80 N Fa : lực dọc trục 0
QT 0,5.80 1.0 40 N 3,58kN
Vậy ổ lăn đủ bền.
2.3.2.3 Tính toán chọn động cơ và bộ truyền động cho cơ cấu phát bóng: a. Tính chọn động cơ quay bánh đà và bộ truyền:
Hình 2. 12. Cơ cấu phát bóng
Yều cầu:
+ Động cơ hoạt động ở cường độ cao và liên tục + Ổn định trong quá trình hoạt động
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Nguyên tắc hoạt động: Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 2. 13. Rotor
Điều khiển tốc độ:
+ Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử... Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai. Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều).
Ưu điểm:
+ Động cơ điện một chiều được dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau. Nhưng ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều đó là điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả năng làm việc
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
trong điều kiện quá tải. Động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao so với động cơ điện không đồng bộ.
Nhược điểm:
+ Động cơ điện một chiều có nhược điểm chủ yếu là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém độ chính xác và không đảm bảo an toàn an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
Ta có:
+ mbóng = mb = 450 (g) + dbóng = db = 220 (mm) + m ≈ m ≈ 1,5 (kg)
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Ta có: 1 2 2 b V V V 1 2 100( ) 0,1(m) r r r mm 0,11( ) b r m max max 16,6 166,60 166,6( / ) ( / ) 1585( / ) 0,1 2 v W rad s v ph v ph r
Lựa chọn hệ số an toàn: 1,2 → Wmax = 1585.1,2 = 1900 (v / ph)
Động năng bắn bóng: 2 2 max 0, 45.16,6 62( ) 2 2 b Eb m v K J Động năng lưu trữ ở bánh đà: 2 . 2 s I W E (Với 2 m .r 2 l l I ) 2 2 2 1,5 .0,1 200 150( ) 2 2 J
→ Tổng năng lượng cần thiết: EEEB Es 62 160 212( ) J
Giả sử tần suất bóng cần bắn là 10 quả trong 50 (s): 212.10 42, 4(W) 50 E P t Lựa chọn hệ số an toàn là 1,5 → PT 42, 4.1,5 64(W)
Kết luận: Qua tính toán sơ bộ ta lựa chọn động cơ với thông số:
100(W)
T
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 2. 14. Động cơ quay lô