Chương 1 TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1. Những vấn đề cơ bản của hệ truyền động có khe hở Một hệ truyền động có khe hở là giữa các cơ cấu chấp hành nối với nhau tồn tại khe hở, trong công nghiệp thường gặp hệ truyền động có khe hở điển hình là hệ truyền động bánh răng. Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu hệ truyền động có khe hở mà các cơ cấu chấp hành được nối với nhau bởi các bánh răng và được gọi là hệ truyền động bánh răng. Theo chức năng sử dụng truyền động hệ bánh răng có các yêu cầu khác nhau, cụ thể như sau: 1.
Hệ truyền động chính xác Trong xích động học của máy cắt kim loại và dụng cụ đo truyền động bánh răng cần có độ chính xác động học cao. Ví dụ như truyền động bánh răng của xích phân độ trong máy gia công răng hoặc đầu phân độ vạn năng…Trong các truyền động này bánh răng thường có truyền động nhỏ. Chiều dài răng không lớn, làm việc với tải trọng và vận tốc nhỏ. Yêu cầu chủ yếu của các truyền động này là “Mức chính xác động học cao ” có nghĩa là đòi hỏi sự phối hợp chính xác của truyền động.
Hệ truyền động tốc độ cao Trong các hộp tốc độ của động cơ máy bay, ô tô, tuốc bin… Bánh răng của truyền động thường có module trung bình, chiều dài răng lớn, vận tốc vòng của bánh răng có thể đạt tới hơn 120- 150 m/s. Công suất truyền động tới 40.000 KW và hơn nữa. Bánh răng làm việc trong điều kiện như vậy sẽ phát sinh rung động và ồn. Yêu cầu của nhóm truyền động này là “Mức chính xác truyền động êm” có nghĩa là bánh răng truyền động ổn định, không có sự thay đổi tức thời về tốc độ, gây va đập và ồn.
Hệ truyền động công suất lớn Truyền động với vận tốc nhỏ nhưng truyền động mômen xoắn lớn. Bánh răng của truyền động thường có module và chiều dài răng lớn. Ví dụ: truyền động bánh răng trong máy cán thép, nghiền lanh ke (xi măng), trong cơ cấu nâng hạ như cầu trục, ba lăng…Yêu cầu chủ yếu của các truyền động này là “Mức tiếp xúc mặt răng” lớn, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 đặc biệt là tiếp xúc theo nhiều dài răng. Mức tiếp xúc mặt răng phải đảm bảo độ bền khi truyền mômen xoắn lớn.
Độ hở mặt bên Đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng cần phải có độ hở mặt bên giữa các mặt răng phía không làm việc của cặp bánh răng ăn khớp. Đọ hở đó cần thiết kế để tạo điều kiện bôi trơn mặt răng, để bù sai số co dãn nở nhiệt, do gia công và lắp ráp, tránh hiện tượng kẹt răng. Như vậy đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng phải có 4 yêu cầu: mức chính xác động học, mức chính xác làm việ êm, mức chính xác tiếp xúc và độ hở mặt bên. Nhưng tùy theo chức năng sử dụng mà đề ra các yêu cầu chủ yếu đối với truyền động bánh răng, tất nhiên yêu cầu chủ yếu ấy phải ở mức độ chính xác cao hơn so với các yêu cầu khác.
Một số ảnh hưởng đến hệ truyền động qua bánh răng Hệ truyền động qua bánh răng luôn chịu ảnh hưởng tác động của lực đàn hồi, ma sát, khe hở…Những tác động này đã làm xấu đi đặc tính động, dẫn đến giảm chất lượng hệ. Theo [1] đã phân tích các ảnh hưởng này tác động lên hệ thống. Để làm cơ sở phân tích, ta xét mô hình hai khối lượng có sơ đồ như sau: Hình 1.1: Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Ta có hệ phương trình: Từ hệ phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc hình 1.3a LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Biến đổi sơ đồ cấu trúc được hình 1.3b với Wω1ω2 là hàm truyền của tốc độ 2 theo 1: a).2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Để nghiên cứu tính chất động học, ta xem xét phần cơ như đối tượng điều chỉnh với giả thiết: Mms1= 0; Mms2= 0; Ta xác định hàm truyền đạt phần cơ 2 khối lượng khi tác động điều khiển là Momen Mđc của động cơ và lượng ra là 1: ω1 W1H Wω1 (s) = = (1.Wph Trong đó: ωω 1 W1H = ;Wph = J 2 .s 2 + 1 C Vậy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2) ở đây: J = J1 + J 2 Phương trình đặc tính của hệ JJ J .3) Nghiệm của phương trình đặc tính (1.J 2 Kí hiệu: γ= J1 + J 2 = J là tỉ số momen quán tính. J1 J1 C(J1 + J 2 ) 12 là tần số cộng hưởng của phần cơ hệ đàn hồi 2 khối lượng.
J 2 C 01 là tần số cộng hưởng của khối lượng thứ 1 khi J2 . J1 C 12 02 là tần số cộng hưởng của khối lượng thứ 2 khi J1 .4) γ 2 2 s +1 Ω12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.s γ 2 1 s +1 Ω12 Từ các biểu thức (1.5) cho phép chúng ta biểu diễn phần cơ đối tượng điều khiển, gồm 3 khâu như hình 2.4: Từ sơ đồ này ta xác định hàm truyền đạt của Wω theo tác động điều khiển Mdc 2 Σ ω 2 (s) 1 1 Wω 2 (s)= =Wω1 (s).6) Đặc tính tần số biên độ Logarit như hình 1.5 Sử dụng phương pháp tần số để phân tích tính chất động học đặc tính cơ của hệ thống truyền động, bằng cách thay s= j, được đặc tính biên độ pha: γ Ω).7) jJ Σ Ω 1- Ω12 Trong đó A ω () là đặc tính tần số biên độ; φ ω (Ω) là đặc tính tần số pha. 1 1 Đặc tính logarit của hệ thống với lượng ra là 1, 2 có dạng như hình 1.5 Xây dựng đặc tính tần số tiệm cận: Có thể xây dựng trực tiếp theo hàm truyền. Đối với W1 hệ thống gồm 3 khâu nối tiếp: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Đặc tính logarit của hệ thống 1 - Khâu tích phân : ; J .s γ 2 12 - Khâu nâng bậc 2: 2 s 1 có tần số cộng hưởng : c ; Ω12 1 γ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 γ - Khâu quán tính bậc 2: có tần số cộng hưởng : c1 12.
1 2 2 s +1 Ω12 Khi = c1 hàm truyền tần số có điểm 0 và đặc tính tần số logarit (ĐTTSLG) có diểm gián đoạn và tiến đến . Khi = c2 hàm truyền có tần số có điểm cực và ĐTTSLG tiến đến tạo ra điểm gián đoạn thứ 2. Đoạn tiệm cận thấp tần của ĐTTSLG xác định bởi khâu tích phân với hệ số là 1 và có độ dốc là -20db/dec. J Đoạn cao tần: ( >> 12): γ 2 1 A ω1 1.
12 2 J 1 12 1 Khi ; A ω (Khâu tích phân) 1 J Như vậy đoạn cao tần tương đương khâu tích phân với hệ số γ lần lớn hơn đoạn đầu ĐTTSLGR tiệm cận của hệ thống khi lượng ra là 1 cho tiệm cận trên hình 1.5b là đặc tính tần số Logarit của hệ thống với lượng ra là 2 (hàm truyền (1. Hàm truyền có tử số là một, ĐTTSLG đoạn tần số thấp giống với L1 và có một điểm gián đoạn tại tần số cộng hưởng 12. Ảnh hưởng của đàn hồi đến phần cơ của hệ thống truyền động Trên cơ sở các đặc tính tần số trên, ta tiến hành xét các ảnh hưởng của khâu đàn hồi đến chuyển động của động cơ và máy công tác cho thấy: ảnh hưởng của khâu đàn hồi đến khối lượng 1 và 2 là khác nhau. Đối với khối lượng 1, với tần số không lớn hơn của tác động điều khiển Mdc, chuyển động của nó được quyết định chủ yếu bởi momen quán tính tổng J của hệ truyền động.
Tính chất động học phần cơ của truyền động giống như một khâu tích phân. Khi Mdc= const tốc độ 1 thay đổi tuyến tính, đồng thời cộng thêm dao động do LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 phần đàn hồi gây ra. Khi tần số dao động của momen gần đến giá trị cộng hưởng 12 thì biên độ dao động của tốc độ 1 tăng và tại = 12 tăng đến vô cùng. Sự xuất hiện cộng hưởng phụ thuộc vào thông số phần cơ.
Ta có thể tìm ra các điều kiện khi đó ảnh hưởng của đàn hồi đến chuyển động của khối lượng thứ nhất không đáng kể.5) : Nếu máy công tác có quán tính nhỏ J2<< J1, γ 1 thì chyển động của 1 khối lượng thứ nhất được xác định bằng chuyển động của khâu tích phân Wω . 1 J s Và khi 12 thì trong miền tần số nhỏ và trung bình, chuyển động của khối 1 lượng 1 tương đương khâu tích phân: (Khi 12 thì Wω ) 1 J s Từ hai điều kiện nêu trên,có thể rút ra kết luận sau: Khi tổng hợp hệ điều khiển truyền động chỉ sử dụng phản hồi theo 1 (tốc độ động cơ) nếu J2<< J1hoặc 12>> c (với c là tần số cắt của ĐTTSLG mong muốn của hệ khi coi phần cơ cứng tuyệt đối) thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của đàn hồi.6) cho thấy khối lượng thứ 2 có tính dao động cao hơn khối lượng 1: Trong miền tần số thấp ĐTTSLG tiệm cận L1 và L2 trùng nhau Trong miền tần số trung, chuyển động của khối lượng 2 tương tự khâu tích phân 1 Wω2 J s Khi > 12 độ nghiêng ở đoạn cao tần của ĐTTSLG L2 là -60db/dec. Vì thế nó không tác dụng làm yếu đi sự gia tăng của dao động cộng hưởng với bất kì giá trị nào của . Ảnh hưởng của ma sát trong hệ thống truyền động Hình 1.4: Mối quan hệ ma sát khô và vận tốc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Trong thực tế, một lượng nhỏ ma sát hầu như luôn tồn tại trong phần cơ hệ thống, ma sát tĩnh có hai tác động cơ bản đến hệ cơ điện, đó là: Một phần momen hoặc lực của cơ cấu chấp hành bị mất đi do phải thắng lực ma sát dẫn đến không hiệu quả về năng lượng; khi cơ cấu chấp hành dịch chuyển hệ thống đến vị trí cuối cùng, vận tốc gần bằng không và momen lực của cơ cấu chấp hành sẽ tiệm cận giá trị cân bằng một cách chính xác với các tải trọng lực và ma sát.