Thiết kế, chế tạo khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu

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.