Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế tự động hộp giảm tốc

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HỘP GIẢM TỐC A PROPOSAL FOR AUTOMATIC DESIGN OF GEARBOX Đặng Thiện Ngôn (1), Trần Thái Thuận Vương (1) (1) Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM TÓM TẮT Việc thiết kế hộp giảm tốc được tiến hành qua nhiều công đoạn như: tính toán, thiết kế, vẽ các bản vẽ chi tiết được thực hiện bằng tay nên tốn nhiều thời gian, công sức và chi phí. Để khắc phục các điều này, cần tiến hành các nghiên cứu tự động hóa công việc tính toán, thiết kế và vẽ tự động. Một phần mềm thiết kế tự động hộp giảm tốc có thể hỗ trợ viêc tính toán, thiết kế và vẽ tự động đã được phát triển. Từ các thông số thiết kế hộp giảm tốc cho trước, phần mềm tiến hành tính toán, thiết kế, xuất kết quả thành file dữ liệu để thực hiện vẽ tự động trên nền AutoCAD. Chương trình tính toán, thiết kế hộp giảm tốc được viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic, các khuôn mẫu bản vẽ dựa trên nền tảng Inventor, vẽ tự động được thực hiện bằng AutoLisp đã cho phép đạt được các bản vẽ cần thiết của hộp giảm tốc. Từ khóa: thiết kế, tự động, hộp giảm tốc, inventor, autolisp, visual basic. ABSTRACT The design of the gearbox is carried out through several stages such as calculation, design, drawing technical drawings were done by hand so much time, effort and cost. To overcome this, it is necessary to conduct the research automate the calculation, design and automatic drawing. A design automation software reducer can support the calculation, design and drawing automation has been developed. From the design parameters for the previous gearbox, conducted calculation software, design, export the results into a data file to execute automatically on the AutoCAD drawing. Calculation program, designed gearbox is written in Visual Basic programming language, drawing templates based Inventor drawing is done automatically by AutoLisp allowed achieve the necessary drawings of gearbox. Key words: design, automatic, gearbox, inventor, autolisp, visual basic. I. GIỚI THIỆU Tự động hóa trong lĩnh vực thiết kế hiện đang được 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. 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.
2. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn nói trên. Do đó việc nghiên cứu hệ thống tính toán, thiết kế, vẽ tự động hộp giảm tốc là hết sức cần thiết để hỗ trợ cho sự phát triển cho ngành kỹ thuật cơ khí. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Hộp giảm tốc a. Các loại hộp giảm tốc 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. Phổ biến trong thực tế có các loại hộp giảm tốc như: hộp giảm tốc bánh răng trụ, hộp giảm tốc bánh răng côn, hộp giảm tốc trục vít – bánh vít Hình 1: Các loại hộp giảm tốc thông dụng trong thực tế Trong bài báo này, đề cập đến việc thiết kế tự động hộp giảm tốc bánh răng trụ và thực hiện vẽ tự động trên nền tảng AutoCAD. b. Tính toán, thiết kế Các số liệu cần có để tính toán, thiết kế hộp giảm tốc bánh răng trụ gồm: - Công suất: P (kW) - Số vòng quay bánh dẫn: (vòng/phút) - Momen xoắn: T (Nmm) - Tỷ số truyền: u Căn cứ vào số liệu ban đầu, tiến hành tính toán bánh răng trụ [1]: - Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép theo công thức: [ ] - Xác định ứng suất uốn cho phép theo công thức:
3. [ ] - Xác định khoảng cách trục theo công thức: √ √ [ ] [ ] - Xác định số răng theo công thức: và - Kiểm nghiệm ứng suất tính toán theo công thức: √ [ ] - Kiểm nghiệm độ bền uốn theo công thức: [ ] Trên cơ sở kết quả tính toán, tiến hành vẽ tự động theo công thức [2]: - Đường kính vòng chia: - Đường kính vòng đỉnh: - Đường kính vòng chân: - Bước răng: - Khoảng trục: - Chiều dài răng: 2. Phƣơng thức hoạt động của phần mềm Hệ thống thiết kế tự động hộp tốc độ bao gồm hai chức năng chính: tính toán thiết kế và vẽ tự động. Đặc thù của hai nhóm chức năng này rất khác biệt nhau do cần được thực hiện trên những môi trường khác nhau. Nhóm thực hiện công việc tính toán thiết kế được lập trình bằng ngôn ngữ Visual Basic của Microsoft. Còn nhóm vẽ tự động được lập trình bằng ngôn ngữ Autolisp của Autocad. Hình 2: Sơ đồ quy trình thiết kế tự động hộp tốc độ 3. Cấu trúc của phần mềm a. Lƣu đồ giải thuật phần tính toán thiết kế
4. Hình 3: Lưu đồ giải thuật quy trình tính toán thiết kế b. Lƣu đồ giải thuật phần vẽ tự động Hình 4: Sơ đồ quy trình vẽ tự động
5. III. KẾT QUẢ 1. Thiết kế chi tiết sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Xây dựng thư viện mô hình các chi tiết máy và bộ phận máy. Mô hình 3D các chi tiết máy, các bộ phận máy trong hộp giảm tốc có thể nhận được từ kết quả tính toán thiết kế hoặc được xây dựng trực tiếp bằng chức năng tạo hình của phần mềm Autodesk Inventor. Việc lắp ráp mô hình các chi tiết máy, bộ phận máy thành các cụm lắp ráp và hộp giảm tốc được thực hiện trong môi trường Assembly. Mô hình các chi tiết máy, các bộ phận máy được đưa vào từ thư viện theo trình tự lắp. Các lắp ghép được thực hiện dựa trên các ràng buộc về vị trí, hình dạng và kích thước của các chi tiết máy, các bộ phận máy. Hình 5: Mô hình Hình 6: Mô hình Hình 7: Mô hình hộp giảm hộp giảm tốc bánh răng trụ hộp giảm tốc bánh răng côn tốc trục vít – bánh vít 2. Giao diện chƣơng trình a. Giao diện chƣơng trình tính toán thiết kế: Chương trình tính toán thiết kế được viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic có giao diện như sau: Hình 8: Giao diện chương trình tính toán thiết kế b. Giao diện chƣơng trình vẽ tự động: Chương trình vẽ tự động được viết bằng ngôn ngữ lập trình AutoLisp có giao diện như sau: Hình 9: Giao diện chương trình vẽ tự động
6. Bước 1: Khởi động chương trình AutoCAD 2007 Bước 2:Tại menu Mechanical tùy chọn các chi tiết Đối với những chi tiết có kích thước thay đổi theo tham số như: bánh răng, trục ta lập trình Autolisp theo hướng nhập giá trị theo trình tự tại dòng nhắc lệnh. Hình 10: Giao diện nhập giá trị Đối với những chi tiết có kích thước cố định theo tiêu chuẩn như: ổ lăn, que thăm dầu, nắp quan sát ta lập trình Autolisp theo hướng tạo một thư viện. Hình 11: Giao diện thư viện 3. Kiểm nghiệm và đánh giá kết quả a. Tính toán thiết kế thủ công Thông số thiết kế bộ truyền bánh răng với các số liệu ban đầu: Công suất: P = 2,73 kW Số vòng quay bánh dẫn: n = 945 vòng/phút Momen xoắn: T = 27589 Nmm Tỷ số truyền: u = 5 Tuổi thọ: Lh = 24000 giờ
7. Kết quả tính toán: Thông số bánh răng Bánh chủ động Bánh bị động Khoảng cách trục (aw) 160 Đường kính vòng chia (d) 52 260 Đường kính vòng đỉnh (da) 56 264 Đường kính vòng đáy (df) 47 255 Chiều rộng vành răng (bw) 58 52 Bảng 1: Kết quả thiết kế thủ công bộ truyền bánh răng b. Tính toán thiết kế tự động Nhập các số liệu đầu vào: Hình 12: Giao diện nhập dữ liệu tính toán thiết kế Kết quả các thông số cơ bản của bộ truyền bánh răng Hình 13: Các thông số cơ bản của bộ truyền Kết quả kiểm nghiệm Hình 14: Giao diện kiểm nghiệm của phần mềm thiết kế bộ truyền bánh răng Kết quả của chương trình tính toán thiết kế tự động bộ truyền bánh răng:
8. Thông số bánh răng Bánh chủ động Bánh bị động Khoảng cách trục (aw) 160 Đường kính vòng chia (d) 52 260 Đường kính vòng đỉnh (da) 56 264 Đường kính vòng đáy (df) 47 255 Chiều rộng vành răng (bw) 56,4 50,4 Bảng 2: Kết quả của chương trình thiết kế bộ truyền bánh răng So sánh đánh giá kết quả: Thông số Giá trị tính tay Giá trị tính bằng phần mềm Bánh chủ Thông số bánh răng Bánh bị động Bánh chủ động Bánh bị động động Khoảng cách trục (aw) 160 160 Đƣờng kính vòng chia (d) 52 260 52 260 Đƣờng kính vòng đỉnh (da) 56 264 56 264 Đƣờng kính vòng đáy (df) 47 255 47 255 Chiều rộng vành răng (bw) 58 52 56,4 50,4 Bảng 3: Kết quả so sánh của giá trị tính toán tay và tính toán bằng phần mềm Nhận xét: Giữa kết quả tính toán tay và tính toán bằng phần mềm có sự chênh lệch là do làm tròn trong các công thức tính toán, sai lệch ≤ 5%. Do đó, tính toán bằng phần mềm cho kết quả đạt yêu cầu. IV. THẢO LUẬN Phần mềm thiết kế tự động hộp giảm tốc có thể tính toán, kiểm nghiệm bánh răng, trục. Vẽ tự động và xây dựng thư viện các chi tiết của hộp giảm tốc. V. KẾT LUẬN Tự động hóa trong tính toán, thiết kế máy và chi tiết máy là nhu cầu cần thiết. Điều này giúp cho kỹ sư thiết kế giảm thiểu thời gian và nâng cao chất lượng bản vẽ. Phần mềm thiết kế tự động hộp giảm tốc có thể hỗ trợ việc tính toán, thiết kế và vẽ tự động hộp giảm tốc. Trên nền tảng sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic để tính toán và kiểm nghiệm các chi tiết, sử dụng ngôn ngữ AutoLisp để vẽ tự động hộp giảm tốc và xây dựng thư viện các chi tiết. Cơ sở dữ liệu cho phần mềm thiết kế tự động hộp giảm tốc còn hạn chế, mới dừng lại ở việc xây dựng thư viện một vài chi tiết và vẽ tự động hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở Chi tiết máy, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2011. [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy Tập 1 – 2, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006. [3] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí Tập 1 – 2, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2009. [4] Nguyễn Hữu Lộc, Nguyễn Thanh Trung, Lập trình thiết kế với Autolisp và Visual lisp, Nhà xuất bản Thành phố Hồ Chí Minh, 2003.
9. [5] Nguyễn Đăng Quang, Lập trình Visual Basic, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2009. Tiếng Anh [1] Sergei Bogolyubov and Alexander Voinov, Engineering Drawing: A Course for Technical Schools of Mechanical Engineering, University Press of the Pacific, 2001. Thông tin liên hệ tác giả: Họ tên: Trần Thái Thuận Vƣơng Đơn vị: Công ty CP Bia Sài Gòn – Vĩnh Long Điện thoại: 0933 200 287 Email: vuongb33@gmail.com Chuyên ngành chính: Kỹ thuật cơ khí Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giảng viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ học tên) PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.