CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ
4.1 Thiết kế cơ:
4.1.4 Xét điều kiện để vào cua không lật
Hình 4.22 Phân tích lực gây lật khi vào cua
Gọi:
o Trọng tâm xe cách sàn 1 khoảng h.
o Khoảng cách trọng tâm xe đến tâm bánh xe theo phương ngang với a là khoảng cách tâm 2 bánh xe là:
x
2
o Trọng lượng xe P .
P . x2≥ F¿.h ⟺(2m+M)g x 2≥ (2m+M)v2 R0 h⟺ x h≥ 2v 2 g R0=9,81.0,52.22 =1,63 4.1.5 Thiết kế thân xe và các bộ phận
Q trình tính tốn các kích thước của xe được kiểm tra và thay đổi liên tục để có kết quả tốt nhất.
- Chiều dài mỗi động cơ là 75m, đặt thành hàng ngang nên khoảng cách giữa 2 bánh xe ≥ 150mm. Chọn khoảng cách tâm 2 bánh xe tối thiểu:
x=150mm
- Trọng tâm xe: xét điều kiện vào cua để không bị lật ta suy ra được quan hệ giữa khoảng cách tâm 2 bánh xe với chiều cao trọng tâm xe cách mặt đất là:
h≤ x1,63=85m
Trong các thiết kế phần tổng quan
o CartisX04: trọng tâm xe cách sàn 7mm, với đường kính bánh xe 25mm.
o Chariot: bánh tự lựa có đường kính 9,5mm nên xe cách mặt sàn > 9,5mm, bánh xe dẫn động đường kính 30mm, dựa vào kết cấu xe, ta có thể ước lượng trọng tâm xe nằm trong khoảng 10 đến 15mm cách mặt sàn.
Bánh xe sử dụng: loại V2-65mm. Bánh mắt trâu dùng loại như xe Chariot. Bố trí linh kiện sao cho trọng tâm xe nằm ở càng thấp càng tốt.
k=15mm
Suy ra trọng tâm xe nằm trong khoảng từ 15 đến 32,5mm.
Giả sử sau khi phân bố các linh liện, trọng tâm xe cách mặt sàn trong khoảng (đã tính tốn lại sau khi hồn thành sản phẩm)
h=20mm
=>Thỏa.
- Tấm thân xe: vật liệu nhôm 6061.
Kiểm tra bền bằng Solidworks Simulation, suy ra độ dày tấm thân xe (nhỏ nhất thỏa bền) là:
i=1,5mm
- Kích thước xe: phụ thuộc vào bố trí linh kiện và thiết kế nhỏ gọn nhất o Chiều dài: chọn theo việc bố trí các bộ phận (nằm ở 1 tầng thân xe)
a=180mm
o Chiều rộng: bằng khoảng cách 2 tâm bánh xe trừ đi 2 khoảng nhô ra ở 2 trục
b=138mm
o Chiều cao xe bằng đường kính bánh xe (cao nhất)
c=65mm
Khoảng cách này càng nhỏ thì xe càng ổn định [26], tuy nhiên khoảng cách này phải lớn hơn khoảng cách xe di chuyển được sau một lần lấy mẫu là, chọn
d=30mm
- Thiết kế thân xe
Bảng 5 Các kích thước cơ bản của khung thân xe
Đối tượng Thông số
Chiều dài a=180mm
Chiều rộng b=138mm
Chiều cao c=65mm
Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục
bánh dẫn động d=30mm
Khoảng cách 2 bánh xe x=150mm
Chiều cao trọng tâm xe h=20mm
Độ dày thân xe i=1,5mm
Các kích thước bánh xe dẫn động, bánh tự lựa: được nêu tại phần 4.1.1 Các kích thước động cơ: phần 4.1.2
Kích thước bộ cảm biến
o Chiều cao cảm biến so với mặt đất: 11mm. o 7 cảm biến, khoảng cách mỗi cảm biến: 13mm. o Chiều dài x chiều rộng dãy cảm biến: 90x21mm.
Model 3D xe
Hình 4.23 Model 3D xe
4.1.6 Kiểm bền tấm thân xe
Sử dụng Solidworks Simulation để kiểm tra độ bền của tấm thân xe
4.1.6.1 Phân tích tải trọng
+ Dày: 1,5mm
+ khối lượng riêng:2,7g/cm3
+ thể tích: 13300.1,5= 20000mm3 = 20cm3 => Khối lượng: 47g - Vật liệu gá: Nhơm 6061 + dày 5mm + thể tích: 600.5=3000mm3=3cm3 => Khối lượng:3.2,7=8,1g 2 tấm gá: 16g
- Khối lượng pin: 3*100=300g
- Khối lượng hộp chứa pin: 2,7(g/cm3).2,6(cm3) = 7g - Khối lượng 1 động cơ: 104g
2 động cơ: 208g - Tấm gá cảm biến: nhôm tấm 6061 + dày 0,2mm + kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 0,8cm3 => Khối lượng: 2,6g
+ kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 2 cm3
=> Khối lượng: 5,4g - Khối lượng mạch cảm biến: 50g
- Khối lượng mạch điều khiển cảm biến: 20g - Khối lượng mạch điều khiển chính: 150g
Vị trí đặt lực phân bố được thể hiện ở phần tiếp theo. Tổng trọng lượng của xe là: 800g.
4.1.6.2 Đặt lực và kết quả mô phỏng Đặt lực
Vật liệu
Hình 4.25 Thơng số vật liệu tấm thân xe Độ bền
Chuyển vị:
Hình 4.27 Phân tích chuyển vị trên tấm thân xe
Kết luận: Chuyển vị tương đối nhỏ (< 0,3mm), vị trí gắn với đồ gá: chuyển vị sấp sỉ:
0,03mm.
4.1.7 Thiết kế đồ gá động cơ – Tính tốn dung sai
Hình 4.28 Đồ gá động cơ
Kích thước bao: 28,5x25x5. Vật liệu: Nhơm 6061.
Kiểm tra: Dung sai độ đồng tâm
4.1.7.1Tính chọn các mối lắp theo các chi tiết tiêu chuẩn
- Dung sai chốt định vị
∅30,010 0,005
Hình 4.29 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37]
Tra bảng 1.31 trang 63 tài liệu [38] suy ra sấp sỉ mối lắp ∅3n6=∅30,0100,004
Do đó, dựa vào bảng 20.4 trang 122 tài liệu [39], chọn mối lắp có độ đồng tâm cao là H7/n6
Mối lắp trung gian H7/n6 phù hợp cho kết cấu (nếu dùng lắp lỏng thì chốt định trụ vị dễ bong ra trong quá trình vận hành, nếu dùng lắp chặt, khi siết ốc sẽ gây biến dạng thành chi
∅30,0100,000
Cấp chính xác gia cơng đồ gá là cấp 7. - Dung sai hình dáng của tấm gá:
Hình 4.30 Chọn mặt chuẩn và dung sai các mặt phụ vng góc
Mặt đáy là mặt chuẩn, tra bảng P4.4 trang 220 tài liệu [39].
+ Dung sai độ vng góc của mặt bích: với kích thước 28,5mm, ccx 7: 0,012mm
+ Dung sai độ vng góc của mặt trụ tấm gá với mặt bích: kích thước 5mm, ccx 7: 0,006mm
- Dung sai mặt trụ định vị của động cơ [40]:
Hình 4.31 Thơng số kích thước dung sai động cơ
Dung sai chiều dài ống lót định vị của động cơ là ±0,2mm. Phân tích hình học, sử dụng mặt bích của động cơ là mặt chuẩn.
Hình 4.32 Phân tích hình học 1
Ta có:
0.2 3,5=x1
Dựa vào bảng 2.12 trang 92 tài liệu [38], chọn độ chính xác hình học cao suy ra cấp chính kích thước xác chọn là 8.
Dựa vào bảng, với kích thước danh nghĩa của trục là 7, ccx 8, chọn lắp theo trục, gia cơng lỗ.
∅7h8
∅7−0,0140
+ Theo tính chất hình học, với độ vng góc mặt bích là 0,012, suy ra a = 0,006, suy ra c = 7,006.
Hình 4.33 Phân tích hình học 2
¿c .sin(arctan(2,5a ))=7,006.sin(arctan(0,0062,5 ))≈7,006mm
Lỗ gia cơng có ccx 7. Chọn miền dung sai có kích thước giới hạn dưới lớn hơn gần nhất với 7+0,006. Tra bảng dung sai trang 32 tài liệu [38], chọn dung sai F7
Suy ra lỗ là ∅7F7 Hay ∅7+0,022 +0,010 Mối lắp là F7h8 (lắp lỏng)
4.1.5.2 Giải bài toán dung sai, phân bố dung sai lên các chi tiết chế tạo
Giả sử xem 2 trục động cơ là 1, chiều dài tổng 2 trục là: 137mm, dựa vào bảng P4.5 tài liệu [39], cấp chính xác là 9, suy ra dung sai độ đồng trục là T = 0,12.
Suy ra dung sai theo 2 phương trên mặt cắt trục là dx = dy = 0,12√2 =0,085
Hình 4.34 Phân tích dung sai độ đồng tâm sang 2 phương
a) Theo phương x
- Chọn mặt chuẩn A là mặt bên của tấm đế.
Hình 4.35 Đặt mặt chuẩn theo phương x
- Chuỗi kích thước là
Hình 4.36 Chuỗi kích thước theo phương x
A1: bán kính mặt trụ định vị của động cơ 1: ∅7 0
−0,014=¿R3,5−0,0070
A2: bán kính lỗ tấm gá 1 lắp trục độc cơ 1: ∅7++0,0220,010=¿R3,5++0,0110,005
A3: vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với động cơ 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1: Dn = 12,5
A5: bán kính lỗ tấm gá 1 gắn chốt định vị ∅3 0,010 0,000=¿R1,5++0,0050,000 A6: bán kính chốt định vị ∅3 0,010 0,005=¿R1,5++0,0050,0025 A7: bán kính chốt định vị R1,5 +0,005 +0,0025
A8: bán kính lỗ 1 của tấm đế gắn chốt định vị (giống A5)
R1,5++0,0050,000
A9: vị trí lỗ 1 của tấm đế gắn chốt định vị đến mặt chuẩn của tấm đế Dn = 5
A10: vị trí lỗ 2 của tấm đế gắn chốt định vị đến mặt chuẩn của tấm đế Dn = 5 A11: bán kính lỗ 2 của tấm đế gắn chốt định vị R1,5++0,0050,000 A12: bán kính chốt định vị ∅3 0,010 0,005=¿R1,5++0,0050,0025
A13: bán kính chốt định vị ∅3 0,010 0,005=¿R1,5++0,0050,0025 A14: bán kính lỗ tấm gá 2 lắp chốt định vị ∅30,010 0,000⇒R1,5+0,005+0,000
A15: vị trí lỗ tấm gá 2 lắp chốt định vị đến mặt chuẩn của tấm gá 2 Dn = 5
A16: vị trí lỗ tấm gá 2 lắp với trục động cơ 2 đến mặt chuẩn của tấm gá 2 Dn = 12,5
A17: bán kính lỗ tấm gá 2 lắp trục động cơ 2
∅7++0,0220,010=¿R3,5++0,0110,005
A18: bán kính mặt trụ định vị của động cơ 2
∅7−0,0140 =¿R3,5−0,0070
At: Khâu tổng (độ đồng trục theo phương x). Tt = 0,085
- Chọn khâu bù là khâu A4 vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với chốt định vị tấm gá 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1.
Bảng 6 Dung sai các khâu theo phương x
Khâu tăng Khâu giảm
A1=R3,5−0,0070 A2=R3,5+0,011+0,005 A3:12,5 A4:5 A6=R1,5+0,0025+0,005 A5=R1,5+0,005+0,000 A7=R1,5+0,0025+0,005 A8=R1,5+0,005+0,000 A9:5 A10:5 A12=R1,5+0,0025+0,005 A11=R1,5+0,005+0,000 A13=R1,5+0,0025+0,005 A14=R1,5++0,0050,000 A15:5 A16:12,5 A18=R3,5−0,0070 A17=R3,5++0,0110,005
At: EI=0,ES=0,085
- Mối quan hệ dung sai các khâu là:
T2+T4+T5+T8+T10+T14+T16+T17= T1+T3+T6+T7+T9+T12+T13+T15+T18+Tt T4+T10+T16-T3-T9-T15+0,008 = 0,085
Suy ra chuỗi kích thước là:
T4+T10+T16-T3-T9-T15 = 0,077
- Để thuận tiện cho sản xuất hàng loạt, chọn tính tốn ngược chuỗi dung sai bằng phương pháp đổi lẫn chức năng hồn tồn.
+ Giả sử cấp chính xác của các khâu thành phần là như nhau: a4=a10=a16=a3=a9=a15=atb Dựa vào bảng giá trị của đơn vị dung sai TCVN-2244-99
atb= Tt ∑ 1 6 |βi|ii =1,08+0,73+0,73+0,077. 100,73+3 0,73+1,08=15,33
Chọn cấp chính xác các khâu A3, A9, A10, A15, A16 là cấp 7 dễ chế tạo, khâu bù A4 (chọn khâu gần mặt chuẩn nhất => dễ chế tạo nhất, do đó khi chọn cấp chính xác cho các khâu, khâu A4 sẽ có độ chính xác cao hơn, lớn hơn cấp 7).
+ Khâu tăng chọn dung sai theo tiêu chuẩn lỗ, khâu giảm chọn dung sai theo tiêu chuẩn trục.
TA3=12,5H7=12,5+0,018 0 TA9=5H7=5+0,0120 TA10=5h7=5 0 −0,012 TA15=5H7=5+0,0120 TA16=12,5h7=12,5 0 −0,018
+ Tính tốn dung sai khâu bù A4=Ab là khâu giảm:
esbu=β1 bu (EIt−∑ 1 m βiEIi−∑ m+1 n−1 βiesi)=0 eibu= 1 βbu(ESt−∑ 1 m βiESi−∑ m+1 n−1 βieii)
¿−1(0,077−(0,018+0,012+0,012)−(0,012+0,018))=−0,005 Do đó dung sai khâu bù là:
TA4=5−0,0050
b) Theo phương y
Chọn mặt chuẩn là mặt trên của tấm đế
Hình 4.37 Đặt mặt chuẩn theo phương y
Xét trường hợp 2 trục lệch nhau lớn nhất theo phương y. - Chuỗi kích thước
A1: bán kính mặt trụ định vị của động cơ 1 ∅7 0 −0,014=¿R3,5−0,0070 A2: bán kính lỗ tấm gá 1 lắp trục độc cơ 1 ∅7+0,022 +0,010=¿R3,5++0,0110,005
A3: vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với động cơ 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1 Dn = 16
A4: dung sai độ phẳng của tấm đế dẫn đến sự sai lệch độ cao giữa 2 bề mặt làm chuẩn (đáy) của 2 tấm gá. Với cấp chính xác hình học là cấp 8, kích thước danh nghĩa khoảng 130mm, theo tài liệu [38] bảng 2.7 trang 87, suy ra sai lệch là:
dp = 0,025mm (EI=0, ES=0,025)
A5: vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với động cơ 2 đến mặt chuẩn của tấm gá 2 Dn = 16
A6: bán kính lỗ tấm gá 2 lắp trục độc cơ 2:
∅7+0,022
+0,010=¿R3,5++0,0110,005
A7: bán kính mặt trụ định vị của động cơ 2 ∅7 0
−0,014=¿R3,5−0,0070
At: Khâu tổng (độ đồng trục theo phương x). Tt = 0,085
- Chọn khâu bù là khâu A3(dn=16) vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với động cơ 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1.
Khâu giảm: A1, A7, At
Bảng 7 Dung sai các khâu theo phương y
Khâu tăng Khâu giảm
A2=R3,5+0,011
+0,005 A1=R3,5−0,0070
A4: EI=0, ES=0,025 A7=R3,5 0
−0,007
A5:16 At: EI=0, ES=0,085
A6=R3,5++0,0110,005
- Mối quan hệ dung sai các khâu là:
T2+T4+T5+T6= T1+T3+T7+Tt T5-T3+0,023 = 0,085 Suy ra chuỗi kích thước là:
T5-T3= 0,062
Để thuận tiện cho sản xuất hàng loạt, chọn tính tốn ngược chuỗi dung sai bằng phương pháp đổi lẫn chức năng hoàn toàn.
atb= Tt ∑ 1 2 |βi|ii = 0,062.103 1,08+1,08=28,70
+ Dựa vào bảng tra
Chọn cấp chính xác các khâu A5 là cấp 9, khâu bù A3. + Khâu tăng chọn dung sai A5 theo tiêu chuẩn lỗ
TA5=16H9=16+0,043
0
+ Tính tốn dung sai khâu bù A3=Ab là khâu giảm:
esbu= 1 βbu(EIt−∑ 1 m βiEIi−∑ m+1 n−1 βiesi)=0
eibu=β1 bu(ESt−∑ 1 m βiESi−∑ m+1 n−1 βieii) ¿−1(0,062−(0,043)−0)=−0,019
Do đó dung sai khâu bù là:
TA3=16−0,0190
c) Theo phương z
Dung sai các kích thước dọc trục động cơ là: vị trí các lỗ lắp chốt định vị trên tấm gá và trên tấm đế theo phương z. Các kích thước này khơng ảnh hưởng lớn đến độ đồng trục nên ta bỏ qua.
Cấp chính xác kích thước gia công là cấp 7. Dựa vào bảng 1.4 trang 11, tài liệu [38], chọn: Khoảng cách từ mặt bên tấm thân xe đến lỗ lắp chốt định vị là 2,5 0,010
Khoảng cách từ mặt bên tấm gá đến lỗ lắp chốt định vị là 2,50,010 . Độ trụ/độ tròn
Dựa vào bảng 2.11 trang 106 tài liệu [38], kích thước danh nghĩa là đường kính các lỗ, cấp chính xác gia cơng các lỗ là cấp 7:
1. Độ trụ/độ tròn lỗ tấm gá gắn với động cơ có đường kính 7mm: độ đồng trục là 0,006mm.
2. Độ trụ/độ tròn lỗ tấm gá gắn với chốt định vị có đường kính 3mm: độ đồng trục là 0,005mm.
4.1.8 Độ nhám bề mặt
Dựa vào bảng 2.30 trang 115 tài liệu [38],
1. Độ nhám tổng quan chi tiết phay CNC bằng dao mặt trụ , phay tinh IT11: chọn Ra = 6,3 (micromet).
2. Lỗ doa tinh IT8: Ra = 1,6.
4.2 Thiết kế điệnSơ đồ khối mạch điện: Sơ đồ khối mạch điện:
Hình 4.26 Sơ đồ khối hệ thống điện
Hình 4.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến quang TCRT5000
Với sơ đồ nguyên lý trên, ta kết hợp với các giá trị được cho trong datasheet của TCRT5000, ta chọn VF=1.25 V, IF=20 mA R1=VCC−VF IF =5−1,25 0,02 =187.5Ω Ta chọn RF = 330Ω IF=5−1.25 220 =17mA
Hình 4.39 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa dòng điện vào led phát với dòng điện transitor (bên trái) và với điện áp 2 dầu transistor (bên phải)
Dựa vào đồ thị thể hiện dòng và áp qua LED ta tìm được IC = 1mA và VCE = 0.6V
R2=VCC−VCE
IC =5−1.100,6−3=4400Ω
Ta chọn R2 = 4700 Ω