LÊ QUANG VINH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY 2011 - 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG GIỮA HAI TRỤC CHÉO NHAU SỬ DỤNG CƠ CẤU RĂNG CẦU LÊ QUANG VINH Thái Nguyên 2013 THÁI NGUYÊN 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG GIỮA HAI TRỤC CHÉO NHAU SỬ DỤNG CƠ CẤU RĂNG CẦU Học viên: Lê Quang Vinh Hƣớng dẫn Khoa học: PGS.TS. Hoàng Vị THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc 000 THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG GIỮA HAI TRỤC CHÉO NHAU SỬ DỤNG CƠ CẤU RĂNG CẦU Học viên : Lê Quang Vinh Lớp : CH-K14 Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy Ngƣời HD Khoa học: PGS. TS. Hoàng Vị Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành : BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC HD KHOA HỌC HỌC VIÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ GIỚI THIỆU 0.1. Các kết quả nghiên cứu gần đây và vấn đề nghiên cứu Khớp trục để truyền động giữa hai trục không song song, đƣờng tâm cắt nhau và góc cắt thay đổi đƣợc khi truyền động, là một trong những cơ cấu cơ bản của máy móc, gọi là khớp trục vạn năng (universal coupling). Thuộc loại này có khớp Cardan, ra đời cách đây 400 năm, ngày nay vẫn đƣợc dùng mặc dù có tỷ số truyền 1:1 nhƣng vận tốc của trục bị dẫn dao động, gây rung. Nhiều sáng chế sau đó ít nhiều đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này với các loại khớp đồng tốc. Khoảng những năm 1920 có: Khớp Tracta, Bendix-Weiss, Rzeppa, khớp 3 chạc (Tripod). Những sáng chế này rất hay, rất đáng để tìm hiểu và hiện đƣợc dùng phổ biến trong ô tô, ví dụ truyền động cho bánh trƣớc, vừa quay vừa chuyển hƣớng. Tuy nhiên tất cả lại bị một nhƣợc điểm là gây ra ma sát trƣợt (dù có loại dùng các viên bi) nên khả năng tải thấp, chóng mòn, phát nhiệt, tổn thất công suất. Bởi vậy với tải lớn vẫn phải dùng khớp Cardan vì lắp đƣợc ổ bi (bi kim) vào các khớp quay của nó, chỉ có ma sát lăn, không có ma sát trƣợt. Dao động vận tốc của trục bị dẫn đƣợc khắc phục bằng cách dùng 2 khớp cardan nối tiếp (cardan kép) có thêm trục trung gian. Để đồng tốc phải thỏa mãn một số điều kiện lắp. Ví dụ góc giữa trục dẫn với trục trung gian phải bằng góc giữa trục bị dẫn với trục trung gian. Trong một số trƣờng hợp, điều kiện này khó mà bảo đảm chính xác, ví dụ truyền động từ đầu máy kéo đến máy nông nghiệp sau nó. Ngoài ra vẫn còn dao động vận tốc của trục trung gian. Những năm gần đây (năm 2003) một số sáng chế đã giải quyết vấn đề trên, trong đó đáng chú ý là khớp đồng tốc Thompson. khớp Thompson có cấu điều khiển là cơ cấu 6 khâu 2 hình thoi, cơ sở lý thuyết của cơ cấu điều khiển này là hình học hình cầu đây là ý tƣởng sáng tạo giá trị nhất của khớp để bảo đảm điều kiện đẳng tốc. Việc nghiên cứu, sáng chế không ngừng đƣa ra các cơ cấu truyền động mới phục vụ cho cuộc sống là rất cần thiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Vào năm 1990, Pan Cunyun và Shang Jianzhong đã phát minh ra Cơ cấu răng cầu là cơ cấu răng mới có nhiều bậc tự do, khả năng linh hoạt rất cao do đó nó có thể truyền chuyển động và truyền lực trong không gian.Về nguyên lí, cơ cấu có thể hoạt động nhƣ một khớp cầu không gian với khả năng truyền động ăn khớp răng. Trên thế giới cơ cấu răng cầu đƣợc ứng dụng trong các cơ cấu đòi hỏi tính linh hoạt và độ chính xác cao trong truyền động nhƣ khớp cổ tay, cánh tay rôbốt, máy dẫn đƣờng cho tên lửa, hệ thống điều khiển ăngten vệ tinh, cơ cấu phun sơn… Theo các tài liệu công bố gần đây [1]… [7], cơ cấu răng cầu mới chỉ đƣợc nghiên cứu và hoàn thiện về mô hình truyền động, mô hình toán học, cấu trúc động lực học. Việc thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cơ cấu răng cầu vẫn chƣa đƣợc công bố. Trong các tài liệu nghiên cứu đã đƣợc công bố về cơ cấu răng cầu: tác giả S C Yang đƣa ra mô hình toán học của răng cầu loại vành răng liên tục 2 bậc tự do [1]; tác giả Li Ting và Pan Cunyun nghiên cứu về máy mài và ứng suất tiếp xúc của cơ cấu răng cầu [2]; đặc tính tiếp xúc của cặp bánh răng cầu là kết quả nghiên cứu của hai tác giả Li-Chi Chao và Chung-Biau Tsay[3]. Chế tạo răng cầu đạt độ chính xác cao là vấn đề rất lớn mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu. Phát triển ứng dụng cơ cấu răng cầu rất có ý nghĩa; Truyền động giữa các trục trong không gian, khớp giữa các bộ phận không phẳng cần có các cơ cấu mới. Đây là điều kiện quan trọng để phát triển sản phẩm mới ứng dụng trong kỹ thuật. Từ lý do nêu trên, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu”. 0.2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về bộ khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu. - Thiết kế bộ khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu. - Chế tạo thử nghiệm bộ khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu. - Kiểm nghiệm đƣợc giải pháp thiết kế, chế tạo trong điều kiện thiết bị của Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 0.3. Các kết quả đạt đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Phân tích và ứng dụng động học của cơ cấu răng cầu để làm khớp nối linh hoạt. - Thiết kế, chế tạo thành công bộ khớp nối truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng sử dụng cơ cấu răng cầu. - Các giải pháp kiểm nghiệm, đánh giá việc thiết kế và chế tạo. 0.4. Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khớ , nghiên cứu, ứng dụng trong thực tế 1.2. Phát triển khớp đẳng tốc, đƣa ra cơ cấu mới 1.2.1. Phát triển khớp đẳng tốc từ Cơ cấu răng cầu 1.2.2. Nghiên cứu đƣa ra cơ cấu mới từ Cơ cấu răng cầu 1.3. Kết luận. CHƢƠNG 2. 2.1. Hƣớng dẫn vẽ biên dạng thân khai theo tham số trên phần mềm Catia V5R20 2.2. 2.2.1. Thiết kế chi tiết răng cầu theo biên dạng thân khai đã vẽ 2.2.2. chi tiết vỏ 2.3. Chƣơng trình AutoLISP tạo đƣờng thân khai tích hợp vào AutoCAD trợ giúp thiết kế chi tiết răng cầu 2.4. Kết luận CƠ CẤU RĂNG CẦU 3.1. Tính toán, thiết kế cơ cấu 3.2. Các giải pháp chế tạo răng cầu 3.3. 3.4. Chế tạo thực nghiệm 3.5. Nhận định kết quả 3.6 Kết luận CHƢƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1. Kết quả nghiên cứu 4.2. Hƣớng phát triển của đề tài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHỚP ĐẲNG TỐC , nghiên cứu, ứng dụng trong thực tế 1.1.1. K Ngoài cơ cấu các đăng kép đảm bảo tỉ số truyền giữa hai trục bằng 1, còn nhiều khớp luôn có tỉ số truyền bằng 1 dùng để truyền chuyển động quay giữa hai trục tạo với nhau một góc có thể thay đổi trong quá trình truyền động gọi là khớp đẳng tốc. Nguyên lý cấu tạo: Khi đƣờng trục của hai trục cắt nhau, việc tạo thành khớp đẳng tốc dựa trên tính chất của phép đối xứng gƣơng: Hai trục A và A’ cắt nhau ở O, gọi P là mặt phẳng phân giác của hai trục này . Nếu một đƣờng cong C gắn liền với trục A Và cắt mặt phẳng P ở điểm M thì một đƣờng cong C’ gắn liền với trục A’ và luôn đối xứng với đƣờng cong C qua mặt phẳng P cũng sẽ cắt mặt phẳng này tại điểm M (hình 1.1) Hình1.1 Nguyên lý đối xứng gương của khớp đẳng tốc Khi trục A và đƣờng cong C quay thì Trục A’ và đƣờng cong C’ cũng quay theo và A,C luôn là đối xứng gƣơng của A’,C’ với mặt phẳng đối xứng là mặt phẳng P. Giao điểm của C và C’ khi đó luôn nằm trong mặt phẳng phân giác P. Ngƣợc lại, nếu giữ cho giao điểm C và C’ luôn nằm trong mặt phẳng phân giác P của các trục A, A’ thì khi trục A quay chuyển động Của các trục A, A’ sẽ đối xứng với Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ nhau với mặt phẳng đối xứng là P và góc quay của chúng sẽ luôn bằng nhau. Nhƣ vậy tỉ số truyền giữa hai trục luôn bằng 1. 1.1.2. Nghiên cứu về khớp đẳng tốc và ứng dụng trong thực tế Trên thế giới hiện nay có nhiều kiểu khớp đẳng tốc đƣợc thực hiện dựa trên nguyên lý đối xứng gƣơng vừa nêu ở trên dùng để truyền chuyển động quay giữa hai trục tạo ví nhau một góc có thể thay đổi trong quá trình truyền động nhƣ khớp Rzeppa, khớp Bendix - Weiss, khớp Tracta, khớp Thompson, khớp Tripod, khớp double Cardan, … nhìn chung về nguyên lý hoạt động và công dụng của chúng giống nhau. a. Khớp đẳng tốc RZEPPA. Trong truyền động bánh trƣớc của ô tô nếu sử dụng các cơ cấu truyền động nhƣ khớp Các đăng hay khớp chữ U thì khi góc hợp bởi giữa trục vào và trục ra của khớp lớn hơn 15 (những lúc xe vào khúc cua lớn) thì xe sẽ bị rung, dao động theo chu kỳ và đặc biệt nó còn là nguyên nhân cho sự biến thiên vận tốc giữa trục ra và trục vào. Để khắc phục những nguyên nhân trên đòi hỏi phải có một kiểu trục mới ra đời. Vào năm 1928, Alfred Hans Rzeppa một kỹ sƣ làm việc tại công ty Ford Motor đã sáng chế ra một loại khớp thay thế mà ông gọi nó là “Ball-type universal joint ”. Nó không chỉ truyền đƣợc mô men xoắn trên các trục khuỷu mà với những phiên bản hiện đại nó có thể thay đổi đƣợc góc hợp bởi phƣơng của hai trục ra và trục vào lên đến 20 mà không mắc phải những khuyết điểm nhƣ cơ cấu Các đăng. Từ đó ngƣời ta gọi cơ cấu “Ball-type universal joint ” là: Khớp đẳng tốc Rzeppa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.2 Cross sections of Rreppa CVJ having six balls Ưu điểm của khớp đẳng tốc RZEPPA Khớp RZEPPA là khớp đẳng tốc kiểu bi đƣợc dùng thông dụng nhất với các ƣu điểm sau : -Cơ cấu RZEPPA cho phép truyền đƣợc công suất lớn (vì vậy hay đƣợc dùng trong xe tải hoặc máy xúc công suất lớn). -Không bị rung trong các quá trình chuyển hƣớng. -Tránh đƣợc dao động xoắn. -Không có tiếng ồn. -Ít gặp hỏng hóc trong sử dụng. -Dễ dàng nhận ra sự cố khi gặp hỏng hóc. Nhược điểm -Hình dáng phức tạp. -Đòi hỏi khắt khe trong yêu cầu kỹ thuật về vị trí, hình dáng và lắp ghép trong quá trình chế tạo. Dó đó đòi hỏi về công nghệ cũng nhƣ chi phí để sản xuất ra khớp đẳng tốc Rzeppa rất cao. Ứng dụng Khớp đẳng tốc đƣợc dùng hầu hết trong các xe ôtô, máy xúc… Khớp đẳng tốc đƣợc dùng để truyền chuyển động mômen giữa bánh trƣớc với hộp giảm tốc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.3 Sơ đồ vị trí của khớp đẳng tốc b. Khớp đẳng tốc Thompson Thompson Thompson. Năm 2007 sáng chế đã nhận đƣợc giải thƣởng Australia's highest Engineering Award.Đƣợc cấp bằng sáng chế ở Úc, Mỹ, Trung quốc, Nga, Nam Phi, [...]... điểm về kết cấu và lắp ráp của cơ cấu răng cầu Quan sát cơ cấu răng cầu từ một đầu trục, nhận thấy rằng các răng trên bề mặt cầu phân bố thành một nhóm vành răng đồng tâm Trục của một cơ cấu răng cầu chính là đƣờng thẳng đi qua tâm giữa hai răng của cơ cấu răng cầu đó, khi đó trên khối cầu, hình dạng một vành lõm mà đƣờng tâm là trục Biên dạng của nó là đƣờng thân khai Trục của cơ cấu răng cầu khác đi... đẳng tốc dùng để truyền động giữa hai trục chéo nhau Mô hình khớp đƣợc biểu diễn trên hình vẽ dƣới đây: Hình 1.14 Khớp đẳng tốc dùng cơ cấu răng cầu Các thành phần của khớp bao gồm hai chi tiết răng cầu có số răng bằng nhau ăn khớp với nhau để cố định tâm dùng hai vỏ cầu Hai vỏ cầu liên kết với nhau tạo thành cần C trong truyền động hành tinh Để trục 1 và hai có thể truyền chuyển động quay và mômen... tích các đặc điểm về kết cấu, đặc điểm truyền động, điều kiện ăn khớp đúng, điều kiện trùng khớp và phân tích động học cơ cấu răng cầu làm cơ sở cho việc phát triển cơ cấu mới - Đƣa ra nguyên lý loại khớp đẳng tốc mới trên cơ sở truyền động răng cầu không gian - Khớp đẳng tốc ứng dụng cơ cấu răng cầu có thể vừa kết hợp ƣu điểm của khớp Rzeppa vừa ăn khớp răng đảm bảo truyền động êm và bôi trơn tốt -... đỉnh răng của nó Nói tóm lại, răng của cơ cấu răng cầu đƣợc hình thành nhờ quay tròn của một đƣờng thân khai quanh trục của nó Từ những giải thích trên, chúng ta biết rằng cơ cấu răng cầu phải đƣợc sử dụng từng cặp Hai chi tiết răng cầu có cùng phân bố răng nhƣ nhau có thể không lắp trong cùng một vị trí và vì thế nó không thể ăn khớp và truyền động Trong ăn khớp và truyền động, một cặp cơ cấu răng cầu. .. của cơ cấu răng cầu Hình 1.9 Sự hình thành cơ cấu răng cầu vành răng thân khai Khi quay hai biên dạng răng thân khai xung quanh trục quay nhƣ trên hình 1.9 tất cả các điểm đỉnh răng hoặc chân răng trở thành các vòng tròn đỉnh răng hoặc chân răng của chi tiết răng cầu còn các vòng tròn đỉnh răng, chân răng và vòng chia trở thành các mặt cầu đỉnh răng, chân răng và mặt cầu chia của chi tiết răng cầu. .. thành khớp truyền động không gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ KHỚP NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG GIỮA HAI TRỤC CHÉO NHAU SỬ DỤNG CƠ CẤU RĂNG CẦU 2.1 Hƣớng dẫn vẽ biên dạng thân khai bánh răng theo tham số trên phần mềm Catia V5R20 Chỉ cần biết tham số hình học của bánh răng thẳng tƣơng ứng, có thể thiết kế biên dạng thân khai răng cầu theo... ống trụ C hai đầu lỗ là mặt cầu để cố định tâm O1 và O2 của hai chi tiết răng cầu Hình 1.13 Kiểu truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu Trên đây đã đƣa ra kiểu truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu bánh 1 cố định, bánh 2 chuyển động hành tinh quanh tâm của bánh 1 nhờ ống lót C cố định tâm hai chi tiết răng cầu (gọi là cần C) với tỉ số truyền i Chọn hai chi tiết răng cầu có số rằng bằng nhau Khi... αn1, αn2 là góc áp lực của hai bánh răng tƣơng ứng, α là góc ăn khớp 1.2.1.6 Phân tích động học của cơ cấu răng cầu a Mô hình toán học chuyển động của cơ cấu răng cầu Cơ cấu răng cầu có hai bậc tự do nghĩa là các chuyển động của cơ cấu răng cầu quay quanh một điểm cố định Trong toán học, các chuyển động có thể đƣợc xác định bởi mối quan hệ của sự thay đổi sự quay của hai hệ trục toạ độ có một gốc duy... dạng răng thân khai bởi vì nó là một mặt xoay tròn của một đƣờng sinh thân khai Do đó, sự chuyển động của cơ cấu răng cầu có thể đƣợc tách biệt, có nghĩa là nếu khoảng cách của hai tâm răng có một sai lệch nhỏ, nó vẫn có thể đáp ứng tất cả các nguyên tắc truyền động cơ bản 1.2.1.3 Đặc điểm truyền động của cơ cấu răng cầu Khi một cặp bánh răng cầu ăn khớp, điểm tiếp xúc của 2 hình cầu tạo nên một dao động. .. Nghiên cứu đƣa ra cơ cấu mới từ Cơ cấu răng cầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên và http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.2.2.1 Truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu và tính toán động học của nó Hình 1.13 biểu diễn một kiểu truyền động hành tinh không gian của cơ cấu răng cầu, kiểu truyền động bao gồm: Chi tiết răng cầu số 1 có tâm O1 là bánh cố định, chi tiết răng cầu số 2 có tâm O2 . khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu. - Thiết kế bộ khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu. - Chế tạo thử nghiệm bộ khớp. tích và ứng dụng động học của cơ cấu răng cầu để làm khớp nối linh hoạt. - Thiết kế, chế tạo thành công bộ khớp nối truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng sử dụng cơ cấu răng cầu. - Các. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG GIỮA HAI TRỤC CHÉO NHAU SỬ DỤNG CƠ CẤU RĂNG CẦU Học viên: Lê Quang Vinh