Nghiên Cứu Cơ Cấu Cam Globoidal Theo Tiêu Chí Sức Bền

Nghiên cứu cơ cấu cam globoidal trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí, tập trung vào tiêu chí sức bền và ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Quang Cường
• Người hướng dẫn: TS. Phan Tấn Tùng
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Cấu Cam Globoidal Theo Tiêu Chí Sức Bền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về cơ cấu cam Globoidal
• 1.2. Một số thông số hình học cơ bản của cơ cấu cam Globoidal
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH ỨNG SUẤT
• 2.1. Xác định và phân tích nguyên nhân hư hỏng
• 2.2. Cơ sở lý thuyết để xác định ứng suất tiếp xúc tại bề mặt ăn khớp
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH BỀ MẶT TIẾP XÚC
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA TRỤC CAM GLOBOIDAL TRÊN PHẦN MỀM SOLIDWORKS
• 6. NHẬN XÉT & KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Cơ Cấu Cam Globoidal Bền Vững

Bài viết này giới thiệu tổng quan về nghiên cứu cơ cấu cam globoidal theo tiêu chí sức bền. Cơ cấu cam globoidal được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm như tỷ số truyền lớn, làm việc êm ái, khả năng tự hãm và độ chính xác động học cao. Tuy nhiên, hiệu suất thấp do ma sát trượt lớn là một nhược điểm cần khắc phục. Biện pháp giảm ma sát bằng cách thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn, sử dụng các trụ xoay (cơ cấu bi), mở ra hướng nghiên cứu mới. Cơ cấu này còn được gọi là cam globoidal. Nghiên cứu tập trung vào các đặc tính, thông số để thiết kế và lựa chọn bộ truyền phù hợp. Các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào mô hình hóa và mô phỏng, ít nghiên cứu về phương pháp tính bền. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào tiêu chí sức bền và quy trình tính bền cho cơ cấu cam globoidal.

1.1. Ưu Điểm và Nhược Điểm của Cơ Cấu Truyền Động Cam Globoidal

Cơ cấu cam globoidal có nhiều ưu điểm như tỷ số truyền lớn, làm việc êm ái, khả năng tự hãm, và độ chính xác động học cao. Nhược điểm chính là hiệu suất thấp do ma sát trượt lớn. Để giảm ma sát trượt, một giải pháp là sử dụng các trụ xoay (cơ cấu bi) thay vì các răng trên bánh vít, biến ma sát trượt thành ma sát lăn. Điều này dẫn đến sự ra đời của cam globoidal, một cơ cấu truyền động hiệu suất cao. "Nếu có thể tìm ra biện pháp giảm ma sát (nhược điểm lớn nhất) cho bộ truyền này thì sẽ càng phát huy được các ưu điểm vốn có khiến cho nó càng tối ưu hơn và có thé ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực."

1.2. Ứng Dụng Phổ Biến của Cam Globoidal Trong Công Nghiệp

Cam globoidal được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong bàn quay tròn phân độ gián đoạn. Cơ cấu này gồm cam globoidal và đĩa xoay, với trục xoay vuông góc và không cùng nằm trên một mặt phẳng. Các con lăn (hình trụ đều, hyperboloid hoặc hình cầu) được phân bố đều trên đĩa xoay. Ưu điểm của cơ cấu này là khả năng điều chỉnh khoảng cách giữa các trục dễ dàng và khe hở ăn khớp nhỏ khi đường ren có dạng hình nón. “Khi đường ren có dạng hình nón kết hợp với các con lăn phân bố đều trên đĩa xoay, khe hở ăn khớp sẽ rất nhỏ, gần như băng 0. Đây là một đặc tính tuyệt vời trong trường hợp cơ câu phải hoạt động ở tôc độ cao nhưng vân phải đảm bảo được độ chính xác.”

II. Xác Định Vấn Đề Thách Thức về Sức Bền Cam Globoidal

Nghiên cứu về sức bền cam globoidal trở nên quan trọng khi cơ cấu này được ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao như ô tô, CNC, và điện tử. Ví dụ, trong dây chuyền sản xuất ô tô của BMW và VW, cam globoidal được sử dụng trong các thiết bị thay đổi công cụ tự động (ATC), đòi hỏi thời gian làm việc trung bình trên 50.000 giờ. Trong sản xuất thiết bị điện tử, cam globoidal được sử dụng trong các hệ thống thay đĩa tự động, hoạt động chính xác và ổn định ở tốc độ cao (khoảng 2000 lần/phút). Do đó, vấn đề sức bền trở thành một thách thức lớn. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào mô hình hóa, bỏ qua phương pháp tính bền. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết khoảng trống kiến thức này.

2.1. Phân Tích Nguyên Nhân Hư Hỏng Thường Gặp ở Cam Globoidal

Để nâng cao độ bền cam globoidal, cần phân tích các nguyên nhân hư hỏng thường gặp. Ứng suất tiếp xúc cao tại bề mặt ăn khớp giữa cam và con lăn là một nguyên nhân chính. Ma sát, mài mòn, và độ bền mỏi cũng đóng vai trò quan trọng. Các yếu tố khác bao gồm vật liệu chế tạo cam, dung sai chế tạo cam, và quy trình nhiệt luyện. Việc xác định các nguyên nhân hư hỏng giúp định hướng các biện pháp cải thiện thiết kế và quy trình chế tạo cam.

2.2. Vai Trò của Ứng Suất Tiếp Xúc Trong Đánh Giá Độ Bền Cam Globoidal

Ứng suất tiếp xúc đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá độ bền cam globoidal. Ứng suất tiếp xúc quá cao có thể dẫn đến biến dạng dẻo, mài mòn, và thậm chí là phá hủy bề mặt. Việc tính toán và kiểm soát ứng suất tiếp xúc là rất quan trọng. Nghiên cứu này sử dụng công thức Héc để tính ứng suất tiếp xúc và phần mềm FEM để kiểm nghiệm kết quả. “Nhiệm vụ chính của luận văn là khảo sát tình hình nghiên cứu trước đây về cơ cầu cam Globoidal, qua đó dé xuất được ý tưởng cũng như phương pháp xác định phương trình bề mặt tiếp xúc và bán kính cong của mặt ren tại vi trí ăn khớp nhằm tính bền cho bộ truyền này theo ứng suất tiếp xúc dựa theo công thức Héc đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng băng các phan mém FEM nhằm kiểm nghiệm lại kết quả đã tính toán.”

III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Tính Toán Ứng Suất

Nghiên cứu này tập trung vào xây dựng mô hình hình học và xác định phương trình bề mặt tiếp xúc của cơ cấu cam globoidal. Phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ được sử dụng để xác định phương trình bề mặt tiếp xúc. Tiếp theo, bán kính cong tương đương tại vị trí ăn khớp được xác định, cho phép tính toán ứng suất tiếp xúc bằng công thức Hertz. Mô hình hóa cơ cấu bằng phần mềm FEM giúp kiểm nghiệm giá trị ứng suất tiếp xúc. Mục tiêu là tạo ra một phương pháp tính toán chính xác và đáng tin cậy để đánh giá sức bền cam globoidal.

3.1. Thiết Lập Mô Hình Hình Học và Xác Định Phương Trình Bề Mặt Tiếp Xúc

Việc thiết lập mô hình hình học chính xác là bước quan trọng để phân tích sức bền cam globoidal. Mô hình hình học bao gồm các thông số như kích thước cam, kích thước con lăn, góc xoắn, và khoảng cách trục. Phương trình bề mặt tiếp xúc mô tả vị trí tiếp xúc giữa cam và con lăn. Phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ được sử dụng để xác định phương trình này. "Phần đề xuất phương pháp sẽ trình bày ý tưởng cũng như trình tự tính toán, các thông số hình học của cơ cấu và cách xác định phương trình bề mặt tiếp xúc dựa theo phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ."

3.2. Tính Toán Ứng Suất Tiếp Xúc Theo Lý Thuyết Hertz và FEM

Sau khi xác định bán kính cong tương đương, ứng suất tiếp xúc được tính toán bằng công thức Hertz. Công thức này dựa trên giả định về vật liệu đàn hồi tuyến tính và bề mặt tiếp xúc lý tưởng. Để kiểm nghiệm kết quả, mô hình cơ cấu được xây dựng trong phần mềm FEM (Finite Element Method). FEM cho phép mô phỏng quá trình biến dạng và phân bố ứng suất trong cam globoidal một cách chi tiết. Kết quả từ hai phương pháp này được so sánh để đánh giá độ chính xác. "Dựa vào phương trình bề mặt tiếp xúc có được tiếp tục xác định bán kính mặt ren tại vi trí ăn khớp, từ đó xác định bán kính cong tương đương tại vị trí ăn khớp và áp dụng công thức Héc để tính ứng suất tiếp xúc trong co cau."

IV. Ứng Dụng Mô Phỏng Kiểm Nghiệm Bằng Phần Mềm Chuyên Dụng

Để kiểm nghiệm và đánh giá kết quả tính toán, nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB và SolidWorks. MATLAB được dùng để mô phỏng và phân tích các thông số động học của cơ cấu cam globoidal. SolidWorks được dùng để xây dựng mô hình 3D của trục cam và thực hiện phân tích FEM. Kết quả mô phỏng và phân tích FEM giúp xác định vùng ứng suất tập trung và đánh giá độ bền của cơ cấu. Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng giúp tăng tính trực quan và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

4.1. Mô Phỏng Động Học Cam Globoidal Trên Phần Mềm MATLAB

MATLAB được sử dụng để mô phỏng chuyển động và phân tích các thông số động học của cam globoidal. Các thông số như vận tốc, gia tốc, và lực tác dụng lên con lăn được tính toán và hiển thị dưới dạng đồ thị. Việc mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về quá trình làm việc của cơ cấu và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền. Chương 4 trong tài liệu gốc mô tả chi tiết về mô phỏng trên MATLAB.

4.2. Mô Hình Hóa 3D và Phân Tích FEM Bằng SolidWorks

SolidWorks được sử dụng để xây dựng mô hình 3D của trục cam globoidal. Mô hình 3D này được sử dụng để thực hiện phân tích FEM. Phân tích FEM cho phép mô phỏng quá trình biến dạng và phân bố ứng suất trong trục cam khi chịu tải. Kết quả phân tích giúp xác định vùng ứng suất tập trung và đánh giá độ bền mỏi của trục cam. Chương 5 trong tài liệu gốc mô tả chi tiết về mô hình hóa và phân tích FEM bằng SolidWorks.

V. Kết Luận Đánh Giá và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Sức Bền

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp tiếp cận để đánh giá sức bền cam globoidal dựa trên việc tính toán ứng suất tiếp xúc và mô phỏng bằng phần mềm. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu cam globoidal với tiêu chí sức bền được đảm bảo. Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu chế tạo cam, dung sai chế tạo cam, và điều kiện bôi trơn đến độ bền của cơ cấu. “Để bộ truyền này ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong quá trình truyền động thì chúng ta cần phải nghiên cứu tìm hiểu về các đặc tính, thông số của nó, từ đó có thể thiết kế và lựa chọn bộ truyền phù hợp với từng mục đích sử dụng.”

5.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng và Biện Pháp Nâng Cao Độ Bền Cam

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cam, bao gồm vật liệu chế tạo cam, dung sai chế tạo cam, chất lượng bề mặt, điều kiện bôi trơn, và chế độ làm việc. Để nâng cao độ bền cam, có thể sử dụng vật liệu có độ bền cao, cải thiện quy trình gia công và nhiệt luyện, áp dụng lớp phủ bảo vệ, và đảm bảo bôi trơn đầy đủ. Ngoài ra, việc tối ưu hóa cơ cấu cam globoidal để giảm ứng suất tiếp xúc cũng là một biện pháp hiệu quả.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng về Tối Ưu Hóa Cam Globoidal

Hướng nghiên cứu mở rộng về tối ưu hóa cam globoidal có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp thiết kế mới để giảm ứng suất tiếp xúc và tăng độ bền mỏi. Ngoài ra, nghiên cứu về cơ cấu biến đổi chuyển động dựa trên cam 3D cũng là một hướng tiềm năng. Việc kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại như FEM và thuật toán tối ưu hóa có thể giúp tìm ra các thiết kế cam globoidal tối ưu nhất cho các ứng dụng khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cơ cấu cam Globoidal là một bộ truyền động cơ khí có hiệu suất cao, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, điện tử, máy công cụ và dây chuyền lắp ráp tự động. Theo báo cáo của ngành, cơ cấu này có khả năng truyền động quay gián đoạn hoặc chuyển động tịnh tiến với độ chính xác động học cao và tiếng ồn thấp. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của bộ truyền này là ma sát trượt lớn, dẫn đến hiệu suất thấp và hiện tượng mòn nhanh trên bề mặt tiếp xúc.

Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát cơ cấu cam Globoidal theo tiêu chí sức bền, đặc biệt là ứng suất tiếp xúc tại vị trí ăn khớp giữa ren trên thân cam và con lăn trên đĩa xoay. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình hình học, xác định phương trình bề mặt tiếp xúc, tính bán kính cong tương đương và ứng suất tiếp xúc dựa trên công thức Héc, đồng thời mô phỏng bằng phần mềm FEM để kiểm nghiệm kết quả tính toán. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ cấu cam Globoidal sử dụng con lăn hình trụ đều, với các thông số hình học tiêu biểu như bán kính cam 80 mm, bán kính đĩa xoay 300 mm, bán kính con lăn 30 mm và số lượng con lăn 24 chiếc.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp, góp phần nâng cao độ bền, độ chính xác và tuổi thọ của bộ truyền, từ đó mở rộng ứng dụng của cơ cấu cam Globoidal trong công nghiệp chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết ứng suất tiếp xúc Hertzian: Áp dụng công thức Héc để tính toán ứng suất tiếp xúc giữa hai bề mặt cong tiếp xúc, trong đó bán kính cong tương đương được xác định từ bán kính cong của ren và con lăn tại vị trí ăn khớp.
• Hình học vi phân và biến đổi tọa độ: Sử dụng phép biến đổi ma trận tọa độ để xây dựng phương trình bề mặt tiếp xúc giữa ren xoắn trên thân cam và con lăn hình trụ trên đĩa xoay.
• Mô hình hóa CAD và mô phỏng FEM: Thiết kế mô hình 3D trục cam Globoidal bằng phần mềm SolidWorks và mô phỏng ứng suất tiếp xúc bằng phần mềm FEM nhằm kiểm nghiệm tính chính xác của kết quả tính toán.

Các khái niệm chính bao gồm: bán kính cong tức thời của bề mặt ren, góc áp lực, lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt tiếp xúc, và hệ số đàn hồi của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, kết hợp với số liệu thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm. Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Xây dựng mô hình toán học: Thiết lập phương trình bề mặt tiếp xúc dựa trên biến đổi tọa độ, xác định tọa độ điểm tiếp xúc trong hệ tọa độ di động gắn với cam và đĩa xoay.
• Phân tích ứng suất tiếp xúc: Tính toán bán kính cong tương đương và ứng suất tiếp xúc theo công thức Héc, sử dụng các thông số hình học và lực pháp tuyến ước tính khoảng 100 N/mm.
• Mô phỏng trên phần mềm Matlab: Chia nhỏ góc quay cam và chiều cao con lăn thành hàng nghìn điểm để mô phỏng biên dạng tiếp xúc, đồng thời xuất dữ liệu ra file Excel để phân tích.
• Kiểm nghiệm bằng phần mềm FEM và SolidWorks: Mô hình hóa trục cam Globoidal 3D và mô phỏng ứng suất tiếp xúc nhằm so sánh với kết quả tính toán lý thuyết.

Cỡ mẫu dữ liệu mô phỏng gồm 5000 lần chia góc quay và 96 điểm chia chiều cao con lăn, đảm bảo độ chính xác cao. Phương pháp chọn mẫu dựa trên phân tích hình học và điều kiện vận hành thực tế của cơ cấu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công phương trình bề mặt tiếp xúc giữa ren xoắn trên thân cam và con lăn hình trụ trên đĩa xoay bằng phương pháp biến đổi ma trận tọa độ. Mô phỏng trên Matlab cho thấy biên dạng tiếp xúc được tạo thành từ hàng trăm nghìn điểm, thể hiện rõ hình dạng phức tạp của bề mặt tiếp xúc.

2. Xác định bán kính cong tức thời của bề mặt ren tại vị trí tiếp xúc là khoảng 1386 mm, được kiểm chứng bằng hai phương pháp tính toán độc lập trên phần mềm EES và Matlab, cho kết quả trùng khớp với sai số rất nhỏ.

3. Tính toán ứng suất tiếp xúc theo công thức Héc cho giá trị khoảng 65,2 MPa với lực pháp tuyến 100 N/mm, hệ số đàn hồi trung bình 0,3 và bán kính cong tương đương 294 mm. Kết quả này phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế cơ cấu cam Globoidal trong công nghiệp.

4. Mô hình 3D trục cam Globoidal được thiết kế trên SolidWorks thể hiện chính xác hình học phức tạp của cơ cấu, hỗ trợ cho việc mô phỏng ứng suất tiếp xúc bằng phần mềm FEM trong các nghiên cứu tiếp theo.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp biến đổi tọa độ và mô hình toán học xây dựng phương trình bề mặt tiếp xúc là phù hợp và chính xác, giúp xác định được bán kính cong tức thời – một đại lượng quan trọng trong tính toán ứng suất tiếp xúc. Việc mô phỏng trên Matlab với số điểm chia nhỏ giúp tạo ra biên dạng tiếp xúc mịn, phản ánh thực tế cấu trúc bề mặt ren và con lăn.

Ứng suất tiếp xúc tính theo công thức Héc đạt giá trị 65,2 MPa, nằm trong giới hạn chịu tải của vật liệu chế tạo trục cam, đồng thời phù hợp với các nghiên cứu trước đây về cơ cấu cam Globoidal. Kết quả này cũng cho thấy sự cần thiết của việc lựa chọn vật liệu có mô đun đàn hồi cao và hệ số Poisson phù hợp để giảm thiểu ứng suất tiếp xúc và tăng tuổi thọ bộ truyền.

Mô hình 3D trên SolidWorks cung cấp cơ sở để thực hiện mô phỏng FEM, giúp kiểm nghiệm và phân tích chi tiết hơn về phân bố ứng suất, từ đó đề xuất các cải tiến về thiết kế và vật liệu. Biểu đồ ứng suất tiếp xúc có thể được trình bày dưới dạng đồ thị phân bố ứng suất theo vị trí tiếp xúc hoặc bảng so sánh giá trị ứng suất tính toán và mô phỏng FEM.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, luận văn đã bổ sung phương pháp tính toán bán kính cong tức thời và ứng suất tiếp xúc một cách hệ thống, đồng thời kết hợp mô phỏng phần mềm để kiểm chứng, góp phần nâng cao độ tin cậy của kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phần mềm FEM chuyên dụng như ANSYS để phân tích ứng suất tiếp xúc chi tiết, nhằm kiểm nghiệm và hiệu chỉnh kết quả tính toán lý thuyết, đảm bảo độ chính xác cao hơn trong thiết kế cơ cấu cam Globoidal. Thời gian thực hiện dự kiến 3-6 tháng, do phòng thí nghiệm cơ khí đảm nhiệm.

2. Phát triển quy trình thiết kế cơ cấu cam Globoidal với các tiêu chí sức bền đa dạng như uốn, xoắn, tiếp xúc, dựa trên các thông số hình học và vật liệu đã xác định. Mục tiêu nâng cao độ bền và tuổi thọ bộ truyền, thời gian thực hiện 6-9 tháng, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

3. Nghiên cứu và xây dựng quy luật cam tổng quát cho các loại con lăn khác nhau (hình trụ, hyperboloid) và các chế độ làm việc (liên tục, ngắt quãng), nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng và tối ưu hóa hiệu suất truyền động. Thời gian thực hiện 1 năm, do nhóm nghiên cứu chuyên sâu đảm nhận.

4. Tăng cường công tác bảo dưỡng và bôi trơn hợp lý trong vận hành thực tế, nhằm giảm thiểu hiện tượng mòn, tróc bề mặt và dính giữa trục cam và đĩa xoay, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị. Khuyến nghị áp dụng ngay trong các nhà máy sử dụng cơ cấu cam Globoidal.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán ứng suất tiếp xúc và mô hình hóa cơ cấu cam Globoidal, hỗ trợ thiết kế bộ truyền động hiệu quả, bền bỉ.

2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành dây chuyền sản xuất tự động: Hiểu rõ đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của cơ cấu cam Globoidal giúp tối ưu hóa quy trình bảo dưỡng và vận hành.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết ứng suất tiếp xúc, mô hình toán học và ứng dụng phần mềm trong nghiên cứu cơ cấu cam phức tạp.

4. Doanh nghiệp sản xuất máy công cụ và thiết bị tự động hóa: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu cam Globoidal là gì và ưu điểm nổi bật?
   Cơ cấu cam Globoidal là bộ truyền động cơ khí sử dụng cam có bề mặt ren xoắn và con lăn tiếp xúc, cho phép truyền động quay gián đoạn hoặc tịnh tiến với độ chính xác cao, tiếng ồn thấp và khả năng tự hãm. Ưu điểm là cấu trúc nhỏ gọn, công suất tải cao và vận hành êm dịu.

2. Tại sao cần tính ứng suất tiếp xúc trong cơ cấu cam Globoidal?
   Ứng suất tiếp xúc ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của bộ truyền. Tính toán chính xác giúp lựa chọn vật liệu và thiết kế hình học phù hợp, tránh hiện tượng mòn, tróc bề mặt và gãy ren.

3. Phương pháp xác định bán kính cong tức thời của bề mặt ren như thế nào?
   Sử dụng phép biến đổi ma trận tọa độ để xây dựng phương trình bề mặt tiếp xúc, từ đó xác định tọa độ điểm tiếp xúc và tính bán kính cong tức thời dựa trên tọa độ ba điểm trên mặt phẳng cắt.

4. Công thức Héc được áp dụng ra sao trong tính ứng suất tiếp xúc?
   Công thức Héc tính ứng suất tiếp xúc dựa trên bán kính cong tương đương của hai bề mặt tiếp xúc, lực pháp tuyến và đặc tính đàn hồi của vật liệu, cho phép đánh giá ứng suất tại vị trí ăn khớp.

5. Làm thế nào để kiểm nghiệm kết quả tính toán ứng suất tiếp xúc?
   Kết quả được kiểm nghiệm bằng mô phỏng phần mềm FEM chuyên dụng, so sánh giá trị ứng suất phân bố trên mô hình 3D với kết quả tính toán lý thuyết, đảm bảo độ chính xác và tin cậy.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công phương trình bề mặt tiếp xúc và mô phỏng biên dạng tiếp xúc giữa ren cam và con lăn bằng Matlab với độ chính xác cao.
• Xác định được bán kính cong tức thời của bề mặt ren tại vị trí tiếp xúc là khoảng 1386 mm, làm cơ sở tính toán ứng suất tiếp xúc.
• Tính toán ứng suất tiếp xúc theo công thức Héc cho giá trị khoảng 65,2 MPa, phù hợp với yêu cầu thiết kế và vật liệu chế tạo.
• Thiết kế mô hình 3D trục cam Globoidal trên SolidWorks hỗ trợ cho việc mô phỏng FEM và phân tích ứng suất chi tiết.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm phân tích FEM, xây dựng quy trình thiết kế và phát triển quy luật cam tổng quát nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của cơ cấu cam Globoidal.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng kết quả này để cải tiến thiết kế và vận hành bộ truyền cam Globoidal, góp phần phát triển ngành cơ khí chế tạo máy trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. Giới thiệu co cầu cam Globoidal Hiện nay, trong cuộc sống hàng ngày máy móc chúng ta sử dụng là sự hợp thành của nhiều bộ phận. Mỗi bộ phan lại chia thành những bộ phận nhỏ hon. Chi tiết máy được xem là phần hợp thành nhỏ nhất của máy và bộ phận máy.

Chi tiết máy thường được chia làm 2 loại: chi tiết máy có công dụng chung và chi tiết máy đặc biệt (có công dụng riêng). Chi tiết máy có công dụng chung bao gồm các loại sau: © Các chỉ tiết máy truyền động như: bánh rang, dai, xích, trục vít,. e Các chi tiết máy ghép như: then, đỉnh tán, mối hàn. e Các chi tiét máy đỡ và nôi như: trục, ô lăn, ô trượt, khớp nôi.

Ngoài ra còn có vỏ, giá máy, lò xo,. Trong các chi tiệt máy truyện động như trên, cơ cầu trục vít — bánh vít có nhiều ưu điềm noi trội như : e Ty sô truyện lớn. e Làm việc êm. e Có kha năng tự hãm.

e Độ chính xác động học cao. Bên cạnh đó cơ câu này vân còn tôn tại một sô nhược điêm : e Hiệu suất thấp do có vận tốc trượt lớn (ma sát lớn). e Vật liệu chê tạo bánh vít băng kim loại màu dé giảm ma sát nên dat tiên. Qua đó chúng ta thấy nếu có thể tìm ra biện pháp giảm ma sát (nhược điểm lớn nhất) cho bộ truyền này thì sẽ càng phát huy được các ưu điểm vốn có khiến cho nó càng tối ưu hơn và có thé ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Một trong những biện pháp đó chính là biến đôi ma sát trượt trong bộ truyền trục vít — bánh vít thành ma sát lăn bang cách thay thé các răng trên bánh vit băng các 6 trụ xoay (nhờ kết cau 6 bi) Trang 10 | mà trong các tài liệu tiếng Anh, bộ truyền có kết cấu như vậy được gọi chung là co cầu cam Globoidal. Cam Globoidal là một cơ cau truyền động có hiệu suất cao, thường được sử dụng để truyền động quay gián đoạn hoặc chuyển động tịnh tiến. Ở nước ngoài đã có hàng loạt các sản phẩm máy móc sử dụng cơ cau này, trong khi đó nước ta van còn chưa nghiên cứu, ứng dụng nhiều cơ cau này. Hiện nay cơ cau cam Globoidal đã được đưa vào sản xuất đại trà cụ thể là sử dụng trong sản phẩm bàn quay tròn phân độ gián đoạn.

Để bộ truyền này ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong quá trình truyền động thì chúng ta cần phải nghiên cứu tìm hiểu về các đặc tính, thông số của nó, từ đó có thể thiết kế và lựa chọn bộ truyền phù hợp với từng mục đích sử dụng. Motor Bàn xoay Hình 1. Bàn quay tròn phân độ gián đoạn Cơ cau cam Globoidal gồm có 2 thành phan chính là cam globoidal và đĩa xoay, trong đó trục xoay của 2 thành phần này vuông góc nhau và không cùng nằm trên một mặt phăng. Phía ngoài đĩa xoay là các con lăn được phân bố đều với các hình dang khác nhau như trụ đều, hyperboloid hoặc hình cau.

Chuyên động của cơ cấu này luôn bị ràng buộc bởi 2 điểm tiếp xúc giữa các đường ren với các con lăn. Cơ cầu này cũng rat dé hình dung vi chúng tương tự như bộ truyền trục vít - bánh vít giảm tốc trong đó cam globoidal là trục vít và đĩa xoay là bánh vit. Tính năng quan trọng nhất của cơ cau Trang 11 | này là khả năng điều chỉnh khoảng cách giữa các trục một cách dễ dàng. Khi đường ren có dạng hình nón kết hợp với các con lăn phân bố đều trên đĩa xoay, khe hở ăn khớp sẽ rất nhỏ, gần như băng 0.

Đây là một đặc tính tuyệt vời trong trường hợp cơ câu phải hoạt động ở tôc độ cao nhưng vân phải đảm bảo được độ chính xác. Cơ cau cam Globoidal với con lăn hình trụ đều là một cơ cau truyền động liên tục, trong đó trên thân cam globoidal có nhiều đường ren xoăn và trên đĩa xoay có các con lăn hướng tâm phân bố đều trên vòng tròn phía ngoài được sắp xếp sao cho trục của chúng vuông góc với nhau từng đôi một. Các đường ren và con lăn có mối tương tác tuyến tính với nhau, quy luật chuyền động của các con lăn được qui định bởi hình dạng của các đường ren. Các con lăn hình trụ được bố trí đều trên vòng tròn phân độ.

Khi cam globoidal quay với vận tốc góc không đối, các con lăn sẽ lăn dọc theo bề mặt của các ren và làm quay đĩa xoay theo một góc nhất định. Nếu tôn tại khe hở giữa chi tiết dẫn động (cam globoidal) và chi tiết bị động (đĩa xoay) thì không thể tránh khỏi việc sinh ra lực va đập. Đối với cam răng con lăn, các con lăn được phân bố đều trên chu vi của đĩa xoay và bề mặt của các ren có dạng côn. Vì vậy, lực va đập có thể được triệt tiêu băng cách giảm khoảng cách giữa các trục dau vào và trục dau ra.

Quy luật vận hành của cam (Cam handling) sẽ quyết định hướng xoay của trục đầu ra, có 2 loại: cam phải và cam trái như hình bên dưới. Trang 12 | R:Right Handling Cam Hình 1. Quy luật vận hành của cam Cơ cau cam globoidal có kha năng truyền động khá êm dịu vì chúng được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu rung động. xr ` 90° T - Ø eee ¬ Smooth _ stopping XS fe S Smooth -Ð starting OQ fae] -—~- = Poa 4 ỉ 0° KC.

Go 4#8?°sx Cam shaft rotation angle 315° 360° (Time) Hình 1. Góc xoay tương ứng giữa một loại cam va ban xoay Cơ cầu cam Globoidal được sử dung rộng rãi trong ngành công nghiệp. So với các loại cam khác, co cau cam globoidal có nhiêu lợi thê, chăng hạn như: câu trúc nhỏ gọn, công suât tải cao, tiêng ôn, độ rung thâp và độ tin cậy cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các máy công cụ, dây chuyên lap ráp tự động, máy chê biên giây, may đóng gói và nhiều thiết bị sản xuất tự động.

Xét về khía cạnh hình học, cam globoidal là một trong những cơ cầu cam phức tạp nhất. Mục đích quan trọng nhất khi mô hình hóa các cơ cấu cam globoidal là thể Trang 13 | hiện được các bê mặt làm việc của chúng. Bê mặt làm việc của cam globoidal là bê mặt tiêp xúc của các ren trên thân cam với con lăn. Những bê mặt nay kha phức tạp do đó rất khó khăn để mô tả chúng một cách chính xác.

Có 2 loại cơ cầu cam Globoidal: s* Loại thứ nhất là cam Globoidal nhưng chỉ có duy nhất một rãnh trên bé mặt và con lăn sẽ di chuyển theo rãnh này khi cam chuyển động. Loại này lại được chia ra thành 2 dạng: dạng lỗi (Convex cam) và dạng lõm (Concave cam) (Hình 1. Những dạng này thường được sử dụng khi chỉ yêu cầu con lăn dịch chuyển một góc nhỏ. Follower (a) Convex cam (b) Concave cam Hình 1.

Cơ câu cam Globoidal có duy nhất một rãnh trên bề mặt * Loại thứ hai trên thân cam Globoidal có một hay nhiều đường ren. Loại này còn được gọi là cơ cầu cam răng con lăn (roller gear cam) hoặc là bộ truyền Ferguson. Với loại này hai bề mặt của đường ren luôn tiếp xúc với con lăn (dạng hình trụ đều, hình cầu hoặc hình nón) trên đĩa xoay. Đĩa xoay này có thé chuyến động liên tục xung quanh trục của nó hoặc xoay ngắt quãng.

Hình 6 bên dưới chỉ ra hai dạng của loại thứ hai nay: cam globoidal lốm với đĩa xoay dao động (Oscillating follower) và cam globoidal lốm với đĩa xoay rovonve phan độ (Indexing turret follower). Những đường ren trên loại này trông giống như ren hoặc cánh vì thế đôi khi chúng còn được gọi là cam globoidal loại ren hoặc loại cánh. Trang 14 | Cam Cam Roller Roller Follower Follower (a) Oscillating follower (b) Indexing turret follower. Cơ cau cam Globoidal có một hay nhiều đường ren Đên nay, đã có một sô công trình nghiên cứu tìm cách đê mồ tả chính xác các bê mặt tiếp xúc của bộ truyền này bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Một số thông số hình học cơ bản của cơ cầu cam Globoidal dụng %ỎØ * Goc ap lực \. Hướng chuyên __„«=“ động của con lăn — Điểm ăn khớp Phân cắt ngang của con lan trong Theo hướng chiều Cua mũi tên mat phát triên chi có duy nhât một con lăn Hình 1. Một số thông số cơ bản của cơ cầu cam Globoidal Trang 15 | Sẽ thuận lợi hơn trong việc tính toán góc áp lực của đường cong ăn khớp trước khi tính bán kính của nó: @ = arctan T2] r Bán kính cong của đường cong ăn khớp dugc tinh theo công thức sau: o " 1.1) Trong đó: e w = f(u) là hàm qui luật chuan của cam. ® a= góc chuyên vi dau vào (góc quay của cam).

e £ = góc chuyên vi dau ra tính từ mặt chuân. B = B,+Bw ah _ B Pa A _ ap B. e A =Góc quay của cam ứng voi | chu kỳ ăn khớp e B= Góc quay của đĩa xoay ứng với | chu kỳ ăn khớp e Bo = Góc tính từ mặt chuẩn tới khi con lăn bắt đầu chuyển động (được tính theo hướng chuyển động). Nếu mặt chuẩn năm phía sau vi trí bắt đầu chuyển động thi By âm.

e C= khoảng cách vuông góc tính từ trục cam đến trục đĩa xoay. e F= khoảng cách tính từ tâm đĩa xoay đến điểm ăn khớp (tâm của con lăn trong mặt phát triển). e Re = bán kính cong của đường cong ăn khớp. e r= khoảng cách vuông góc tính từ trục cam đến điểm ăn khớp, tính theo công thức : r= C—F.cosổ Bán kính của đường cong ăn khớp sẽ được tính bằng cách nghịch đảo công thức 8.20 và bán kính cong của biên dạng cam ăn khớp sẽ được tính bằng cách cộng thêm hay trừ bán kính con lăn đi.

Nếu kết quả là dương thì đường cong có dạng u còn nếu âm thì có dạng n, tương tự như mặt cong quy ước. Trang 16 | Điều kiện ăn khớp liên tục: B.i > 360°] với i là số con lăn 3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Với việc áp dụng cơ cầu cam øloboidal trong các lĩnh vực ô tô, NC, điện tử,.thì yêu cầu đối với các sản phẩm hiện nay như sức bên, độ tin cậy và nhiều tiêu chí khác đều cao hon so với trước đây. Ví du, cơ cau cam globoidal được sử dụng rộng rãi trong mảng lắp ráp di động của dây chuyên sản xuất ô tô của BMW va VW.