Luận văn Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 4 8 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ T Ự ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI THUẬN VƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 09 năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) i
5. CẢM TẠ Từ những môn học bổ sung kiến thức chuyên môn cho đến việc thực hiện chuyên đề 1, chuyên đề 2 là một chuỗi quá trình tích lũy kiến thức nhằm mục đích hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Luận văn tốt nghiệp là một học phần quan trọng trước khi kết thúc chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, việc thực hiện luận văn đòi hỏi học viên phải tìm hiểu nghiên cứu vấn đề mà đề tài tốt nghiệp đặt ra. Xin cảm ơn thầy PGS TS.Đặng Thiện Ngôn, đã chỉ dẫn giúp đỡ nhiệt tình để em thực hiện luận tốt nghiệp này, cảm ơn quý thầy cô đã có nhiều ý kiến đóng góp cho em về kiến thức chuyên ngành và thêm nhiều kiến thức khác, từ đó giúp em có thêm nhiều hành trang vững chắc khi bước ra khỏi trường và ứng dụng vào thực tiễn. ii
6. TÓM TẮT “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC” Hiện nay, việc thiết kế hộp giảm tốc được thực hiện bằng tay nên tốn nhiều thời gian và công sức. Do đó, cần tiến hành nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc. Phần mềm có khả năng tính toán, thiết kế bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic và vẽ tự động bằng ngôn ngữ lập trình AutoLisp. ABSTRACT “A PROPOSAL FOR AUTOMATIC DESIGN OF GEARBOX” Today, the design of the gearbox is done by hand so much time and effort. Therefore, it is necessary to research designed automatic gearbox. The software is able to calculating and designing Visual Basic programming language and automatic drawing AutoLisp programming language. iii
7. MỤC LỤC TRANG Lời cam đoan i Cảm tạ ii Tóm tắt iii Mục lục iv Danh sách các hình vii Danh sách các bảng x Chương 1. MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 1.4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu 2 1.5 Phương pháp nghiên cứu 2 1.6 Kết cấu của luận văn 2 Chương 2. TỔNG QUAN 4 2.1 Hộp giảm tốc 4 2.1.1 Định nghĩa 4 2.1.2 Phân loại 5 2.1.3 Ứng dụng 6 2.2 Các thành phần của hộp giảm tốc 6 2.2.1 Bánh răng 6 2.2.2 Trục 6 2.2.3 Then 7 2.2.4 Ổ lăn 7 2.2.5 Vỏ hộp 7 2.2.6 Các chi tiết phụ 7 2.3 Các yêu cầu thiết kế 7 2.4 Vấn đề thiết kế 8 2.4.1 Thiết kế tay 8 2.4.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm 8 2.4.3 Thiết kế tự động 8 iv
8. 2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 8 2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 8 2.4.2 Các nghiên cứu trong nước 9 2.4.3 Các hạn chế tồn tại 9 Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 3.1 Trình tự tính toán 10 3.1.1 Bộ truyền bánh răng trụ 10 3.1.2 Tính toán bộ truyền bánh côn 18 3.1.3 Tính toán bộ truyền trục vít – bánh vít 25 3.1.4 Tính toán trục 29 3.2 Lập trình AutoLisp 30 3.2.1 Căn bản về AutoLisp 30 3.2.2 File chương trình AutoLisp 33 Chương 4. THIẾT KẾ CHI TIẾT SỬ DỤNG PHẦN MỀM INVENTOR 36 4.1 Phần mềm Autodesk Inventor 36 4.1.1 Giới thiệu 36 4.1.2 Các bước thiết kế sử dụng Module Design Accelerator 36 4.1.3 Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ - spur gear 37 4.1.3 Thiết kế bộ truyền bánh răng côn - bevel gear 39 4.1.4 Thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít – worm gear 41 4.1.5 Thiết kế trục – shaft 43 4.1.6 Thiết kế ổ lăn – bearing 44 4.2 Trình tự lắp ráp hộp giảm tốc 45 4.2.1 Tạo các đơn vị lắp 45 4.2.2 Lắp ghép các cụm chi tiết 46 4.2.3 Mô phỏng lắp ráp hộp giảm tốc 46 Chương 5. XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG 54 5.1 Quy trình thiết kế tự động 54 5.2 Quy trình tính toán thiết kế 55 5.2.1 Giao diện chương trình 55 5.2.2 Quy trình tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng 55 5.2.3 Quy trình tính toán thiết kế trục 57 5.3 Quy trình vẽ tự động 59 5.3.1 Lưu đồ giải thuật 59 5.3.2 Giao diện chương trình 60 5.3.2 Vẽ tự động 60 Chương 6. KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 62 6.1 Tính toán thiết kế tay 62 6.1.1 Thông số thiết kế 62 6.1.2 Tính toán thiết kế tay 62 6.2 Tính toán thiết kế tự động 65 v
9. 6.3 So sánh đánh giá kết quả 69 Chương 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 7.1 Kết luận 70 7.2 Kiến nghị 70 Tài liệu tham khảo .77 Phụ luc 1: Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm tính toán 73 Phụ luc 2: Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm vẽ tự động 77 Phụ luc 3: Code thêm Menubar trong AutoCad 80 Phụ luc 4: Code tạo cây thư mục cho Menubar trong AutoCad 80 Phụ luc 5: Code AutoLisp vẽ bánh răng trụ 84 Phụ luc 6: Code Visual Basic tính toán bộ truyền bánh răng 90 Phụ luc 7: Code Visual Basic kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 101 vi
10. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Các loại hộp giảm tốc thông dụng trong thực tế 4 Hình 2.2: Phân loại theo truyền động 5 Hình 2.3: Phân loại theo số cấp 5 Hình 2.4: Phân loại theo vị trí giữa các trục 6 Hình 2.5: Các bộ truyền bánh răng 6 Hình 2.6: Vỏ hộp giảm tốc 7 Hinh 3.1: Biểu thức trong AutoLisp 31 Hình 4.1: Thẻ thiết kế của bộ truyền bánh răng trụ 37 Hình 4.2: Thẻ tính toán của bộ truyền bánh răng trụ 38 Hình 4.3: Thẻ thiết kế của bộ truyền bánh răng côn 39 Hình 4.4: Thẻ tính toán của bánh răng côn 40 Hình 4.5: Thẻ thiết kế của bộ truyền trục vít – bánh vít 41 Hình 4.6: Thẻ tính toán của trục vít – bánh vít 42 Hình 4.7: Thẻ thiết kế của trục 43 Hình 4.8: Thẻ tính toán của trục 44 Hình 4.9: Thẻ biểu đồ của trục 44 Hình 4.10: Thẻ thiết kế của ổ lăn 45 Hình 4.11: Thẻ tính toán của ổ lăn 45 Hình 4.12: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc bánh răng trụ 49 Hình 4.13: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc bánh răng trụ 49 vii
11. Hình 4.14: Mô hình hộp giảm tốc bánh răng trụ 49 Hình 4.15: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc bánh răng côn 50 Hình 4.16: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc bánh răng côn 51 Hình 4.17: Mô hình hộp giảm tốc bánh răng côn 51 Hình 4.18: Thư viện mô hình chi tiết máy hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 52 Hình 4.19: Các cụm lắp ráp trên thân hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 53 Hình 4.20: Mô hình hộp giảm tốc trục vít – bánh vít 53 Hình 5.1: Sơ đồ quy trình thiết kế tự động hộp tốc độ 54 Hình 5.2: Giao diện chương trình tính toán thiết kế 55 Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật quy trình tính toán thiết kế 56 Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật quy trình tính toán thiết kế 58 Hình 5.5: Sơ đồ quy trình vẽ tự động 59 Hình 5.6: Giao diện chương trình vẽ tự động 60 Hình 5.7: Giao diện nhập giá trị 60 Hình 5.8: Giao diện thư viện 61 Hình 6.1: Khởi động chương trình tính toán thiết kế 65 Hình 6.2: Biểu tượng chương trình tính toán thiết kế 65 Hình 6.3: Giao diện chương trình tính toán thiết kế 66 Hình 6.4: Giao diện nhập dữ liệu tính toán thiết kế 66 Hình 6.5: Kết quả của chương trình tính toán thiết kế 66 Hình 6.6: Các thông số cơ bản của bộ truyền 67 Hình 6.7: Chọn chức năng tính toán kiểm nghiệm 67 Hình 6.8: Giao diện kiểm nghiệm của phần mềm thiết kế bộ truyền bánh răng 67 viii
12. Hình 6.9: Giao diện phần lưu kết quả của phần mềm 68 Hình 6.10: Giao diện phần lưu kết quả 68 Hình 6.11: Giao diện lưu kết quả thành công 69 ix
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Hệ số tập trung tải trọng 11 Bảng 3.2: Hệ số tải trọng động bánh răng trụ răng thẳng 14 Bảng 3.3: Hệ số tải trọng động bánh răng trụ răng nghiêng 15 Bảng 3.4: Bảng chọn giá trị z1p 20 Bảng 3.5: Bảng hệ số tải trọng tính bộ truyền bánh răng côn 22 Bảng 3.6: Bảng hệ số tải trọng động bộ truyền trục vít 27 Bảng 6.1: Kết quả thiết kế thủ công bộ truyền bánh răng 65 Bảng 6.2: Kết quả của chương trình thiết kế bộ truyền bánh răng 69 Bảng 6.3: Kết quả so sánh của giá trị tính toán tay và tính toán bằng phần mềm 69 x
14. Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Tự động hóa trong tất cả lĩnh vực hiện đang được xã hội quan tâm đặc biệt bởi nhờ nó năng suất lao động được nâng cao, chất lượng sản phẩm ổn định và tốt hơn, nhiều ý tưởng mới có cơ hội trở thành hiện thực. Tự động hóa trong thiết kế máy, chi tiết máy cũng không nằm ngoài quy luật chung đó, Khi mới xuất hiện, tin học không có nhiều ứng dụng trong cuộc sống mà chủ yếu phục vụ cho ngành khoa học cơ bản nhằm giải quyết các bài toán lớn, mất nhiều thời gian tính toán hay những bài toán đòi hỏi sự chính xác gần như tuyệt đối. Trước kia, để thiết kế chế tạo ra chi tiết máy mới, các kỹ sư phải tốn rất nhiều thời gian để thiết kế và tính toán các thông số kỹ thuật sao cho chính xác. Trong quá trình thiết kế các bản vẽ bằng tay họ phải lặp đi lặp lại một số chi tiết hay khi vẽ sai phải thực hiện bản vẽ đó lại từ đầu. Điều này khiến cho người thiết kế mất rất nhiều thời gian và làm giảm chất lượng bản vẽ. Từ thực tế đó, rất nhiều kỹ sư thiết kế mong muốn có được công cụ hỗ trợ mình trong công việc thiết kế nhằm nâng cao chất lượng bản vẽ. Nắm bắt nhu cầu này, các công ty phần mềm đã cho ra đời một loạt các phần mềm hỗ trợ như AutoCad, Inventor, Solidworks, ProE, Catia, Tuy nhiên, bản chất công việc thiết kế với AutoCad hoặc các phần mềm cùng tương đương vẫn là công việc thiết kế thủ công. Kỹ sư thiết kế phải vẽ hoặc chọn các chi tiết, cụm chi tiết và hoàn thiện bản thiết kế trên cơ sở dựa vào các yêu cầu kỹ thuật. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc nhằm giảm thời gian tính toán thiết kế, vẽ hộp giảm tốc bằng phương pháp thủ công. 1
15. 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề xuất phương pháp thiết kế tự động hộp giảm tốc. 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Giảm thời gian tính toán thiết kế, cho phép tự động hóa công việc tính toán thiết kế một số mẫu hộp giảm tốc. Không yêu cầu người sử dụng, có kiến thức và trình độ cao về thiết kế. 1.4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu Trong khuôn khổ của luận văn, việc nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc. Các nội dung kết nối với hộp giảm tốc không thuộc phạm vi nghiên cứu. Đề tài thực hiện với các nội dung chủ yếu sau: Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc. Nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế hộp giảm tốc. Đề xuất cách thức, phương pháp thiết kế tự động hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng một cấp, trên nền tảng sử dụng ngôn ngữ lập trình AutoLisp của phần mềm AutoCad. 1.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu phân tích lý thuyết như phân tích các nguồn tài liệu, sách, tạp chí có liên quan đến đề tài. Phương pháp thực nghiệm kiểm tra kết quả tính toán thiết kế của phần mềm với kết quả tính toán thiết kế tay. 1.6 Kết cấu của luận văn Nội dung thuyết minh của luận văn bao gồm: Chương 1: Mở đầu 2
16. Giới thiệu lý do chọn đề tài và ý nghĩa của đề tài. Chương 2: Tổng quan Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó đưa ra phương hướng giải quyết các tồn tại sẽ thực hiện trong đề tài. Chương: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình tính toán thiết kế. Chương 4: Thiết kế chi tiết sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Tạo các bản vẽ 3D chi tiết, lắp ráp thành hộp giảm tốc hoàn chỉnh. Chương 5: Xây dựng quy trình thiết kế tự động Xây dựng cơ sở dữ liệu liên quan để từng bước hình thành phần mềm tính toán thiết kế. Chương 6: Kiểm nghiệm và đánh giá Tính toán tay và đem so sánh kết quả với phần mềm. Chương 7: Kết luận và kiến nghị. Khả năng đạt đượcvà hướng mở rộng của đề tài. Tài liệu tham khảo Phụ lục 3
17. Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Hộp giảm tốc 2.1.1 Định nghĩa Hộp giảm tốc là một bộ phận quan trọng của máy, dùng để truyền công suất từ động cơ điện đến trục chính, là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỷ số truyền không đổi được dùng để giảm vận tốc góc và tăng momen xoắn. Hộp giảm tốc là hệ thống các bộ truyền bánh răng trong hộp kín dùng để giảm tốc độ và truyền công suất từ động cơ đến bộ phận công tác. Thông thường, hộp giảm tốc được chế tạo sẵn, do đó khi cần, ta có thể lựa chọn theo tỷ số truyền và công suất mà không cần chế tạo. Hình 2.1: Các loại hộp giảm tốc thông dụng trong thực tế 4
18. 2.1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại hộp giảm tốc, ở đây chúng ta xem xét một số cách phân loại sau: Theo loại truyền động: hộp giảm tốc bánh răng trụ, bánh răng côn, trục vít – bánh vít a) Bánh răng trụ b) Bánh răng côn c) Trục vít – bánh vít Hình 2.2: Phân loại theo truyền động Theo số cấp: một cấp, hai cấp a) Một cấp b) Hai cấp Hình 2.3: Phân loại theo số cấp Theo vị trí tương đối giữa các trục trong không gian: hộp giảm tốc đặt ngang, thẳng đứng 5
19. a) Nằm ngang b) Thẳng đứng Hình 2.4: Phân loại theo vị trí giữa các trục 2.1.3 Ứng dụng Hộp giảm tốc được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ công nghiệp đến nông nghiệp. Đặc biệt được sử dụng rất nhiều trong cơ khí, ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác như: kỹ thuật, công nghệ, chế biến, xây dựng 2.2 Các thành phần của hộp giảm tốc 2.2.1 Bánh răng Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực hiện truyền chuyển động và công suất nhờ vào sự ăn khớp của các răng trên bánh răng. a) Bánh răng trụ b) Bánh răng côn c) Trục vít – bánh vít Hình 2.5: Các bộ truyền bánh răng 2.2.2 Trục Trục là chi tiết máy để đỡ các chi tiết quay, truyền momen xoắn hoặc thực hiện cả hai nhiệm vụ trên. 6
20. 2.2.3 Then Then là chi tiết lắp trên rãnh của chi tiết quay và trục, nó cản sự dịch chuyển hoặc quay tương đối hai chi tiết này. Nhờ vào then mà chuyển động và công suất được truyền từ chi tiết quay sang chi tiết trục và ngược lại. 2.2.4 Ổ lăn Ổ lăn có công dụng là đỡ trục tâm và trục truyền, đảm bảo chuyển động quay và đỡ tải trọng tác dụng lên các chi tiết quay để thực hiện chuyển động quay chung quanh trục. 2.2.5 Vỏ hộp Vỏ hộp giảm tốc có nhiệm vụ đảm bảo vị trí tương đối giữa các chi tiết và các bộ phận của máy, tiếp nhận tải trọng do các chi tiết lắp trên vỏ truyền đế, chứa dầu bôi trơn và bảo vệ các chi tiết tránh bụi. a) Nắp hộp b) Thân hộp Hình 2.6: Vỏ hộp giảm tốc 2.2.6 Các chi tiết phụ Các chi tiết phụ: vòng chắn dầu, nắp quan sát, nút thông hơi, nút tháo dầu, que thăm dầu, bulong vòng. 2.3 Các yêu cầu thiết kế Bên cạnh vật liệu chế tạo các chi tiết và điều kiện chịu tải, việc phân phối tỷ số truyền cho các cấp bộ truyền trong hộp có ảnh hưởng rất lớn đến kích thước và 7
21. khối lượng của hộp giảm tốc. Có nhiều phương pháp phân phối tỷ số truyền, xuất phát từ các yêu cầu về công nghệ, về kích thước và khối lượng gọn nhẹ và vấn đề bôi trơn các bánh răng ăn khớp. song các phương pháp này đều dựa vào điều kiện sức bền đều: các cấp bánh răng trong hộp cần có khả năng tải tiếp xúc như nhau. Phân phối tỷ số truyền các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc cần phải thỏa mãn các điều kiện sau: kích thước bao hộp, điều kiện bôi trơn, độ bền đều giữa các cặp bánh răng, kết cấu thân hộp hợp lý, thuận tiện để bố trí các chi tiết máy trong hộp giảm tốc. 2.4 Vấn đề thiết kế 2.4.1 Thiết kế tay Công việc tính toán thiết kế hoàn toàn thực hiện bằng thủ công, từ việc tính toán công thức, tra bảng dữ liệu, vẽ các chi tiết 2.4.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm Bên cạnh việc phải tính toán, người thiết kế sử dụng các thư viện được cung cấp bởi các phần mềm hỗ trợ như: Autodesk Mechanical Desktop, Autodesk Inventor 2.4.3 Thiết kế tự động Công việc thiết tính toán thiết kế hoàn toàn tự động, người thiết kế chỉ nhập các thông số đầu vào, chương trình sẽ tự động tính toán và vẽ tự động. 2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước Trên trang web CAD Tips có 2 bài đăng của tác giả Tony Hotchkiss: Spur Gear 01/09/2004, Beveled Gear 01/09/2006 sử dụng AutoLisp để vẽ tự động bánh răng trụ và bánh răng côn nhưng chỉ dùng cho AutoCad Release 14. 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4