ĐẶT VẤN ĐỀ Hộp bánh răng hành tinh kiểu con lăn chủ yếu được chia làm hai loại chính đó là hộp giảm tốc kiểu Epixyclôít và hộp giảm tốc kiểu Hypôxyclôít. Việc nghiên cứu chế tạo các loại hộp giảm tốc này có nhiều công trình trong và ngoài nước nhưng chủ yếu là các công trình của nước ngoài. Bộ truyền hộp giảm tốc bánh răng hành tinh con lăn xyclôít thường được ứng dụng trong các truyền động cơ khí chính xác, so với các hộp giảm tốc thông thường hộp giảm tốc xyclôít có độ chính xác, độ bền và tỷ số truyền cao, kích thước nhỏ gọn, không ồn trong quá trình làm việc. Do đó, loại hộp giảm tốc này có xu hướng thay thế các hộp giảm tốc thông thường với những ưu điểm trên loại hộp giảm tốc này thích hợp cho các thiết bị chính xác như: robot, máy CNC, thiết bị định vị cũng như các thiết bị tự động hiện đại.
Nghiên cứu về họ hộp giảm tốc loại này đã có rất nhiều công trình công bố trong những năm qua nhằm tối ưu kích thước động học, tăng hiệu suất cũng như mômen, trong đó chủ yếu nghiên cứu về sự hình thành biên dạng xyclôít với nhiều phương pháp khác nhau như xây dựng phương trình tham số tổng quát cho họ bánh răng xyclôít, ngoài ra còn một số phương pháp khác như phương pháp véc tơ đối tiếp, tâm vận tốc tức thời hay phương pháp bao hình. Do đó, nghiên cứu vấn đề này là cần thiết và được tiếp tục phát triển nhằm tiến đến chế tạo các loại hộp giảm tốc có độ chính xác cao khử được khe hở cạnh răng nhằm ứng dụng cho các máy điều khiển số CNC và robot công nghiệp cũng như các thiết bị có độ chính xác cao. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Đề tài nhằm nghiên cứu hình dạng, thông số hình học, phương pháp tính toán thiết kế. Từ đó dựa trên cơ sở lý thuyết đã xây dựng tiến hành viết chương trình tính toán trên phần mềm matlab “BanhrangdiaEpixyclôít” được lập ra để tính toán các thông số của bộ truyền một cách nhanh chóng.
Sau khi tính toán thu được các thông số kích thước của bộ truyền bánh răng con lăn chương trình sẽ cho bản vẽ biên dạng 15 Luan van đĩa và báo cáo. Vì vậy giúp cho việc thiết kế và chế tạo hộp giảm tốc được nhanh chóng và chính xác hơn. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu đề tài là: “Tính toán, thiết kế chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn biên dạng Epixyclôít ứng dụng trong các modul quay của robot công nghiệp” Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu nguyên lý hình thành và thành lập phương trình biên dạng epixyclôít - Phân tích lực - Viết phần mềm thiết kế, tính toán bánh răng con lăn trên Matlab - Thiết kế và chế tạo thực nghiệm hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít ứng dụng trong robot công nghiệp. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu, các báo cáo trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
- Ứng dụng phương pháp biến đổi ma trận thuần nhất thiết lập phương trình biên dạng bánh răng. - Sử dụng phần mềm Matlab làm công cụ tính toán hổ trợ cho đề tài. - Chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần xây dựng phương pháp, trình tự tính toán thiết kế và chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít ứng dụng trong các máy điều khiển số CNC và robot công nghiệp cũng như các thiết bị có độ chính xác cao.
- Ý nghĩa thực tiễn: Với việc thay thế các hộp giảm tốc sử dụng bánh răng thông thường, khắc phục các nhược điểm của hộp giảm tốc sử dụng bánh răng thông thường. Về thực tiễn trong bối cảnh phát triển mạnh về robot công nghiệp, tự động hóa sản 16 Luan van xuất trong công nghiệp, robot công nghiệp là rất cần thiết khi sử dụng hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít. 17 Luan van PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử phát triển Bộ truyền bánh răng con lăn được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt với bánh răng có biên dạng xyclôít hay gọi tắt là bộ truyền xyclôít. Biên dạng xyclôít đã được một kỹ sư người Đức, ông Lorenz Braren phát mình vào năm 1931 và được nghiên cứu phát triển cho đến tận ngày nay.
Ở Nga đã tiến hành nghiên cứu bộ truyền này từ năm 1948. Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền cao, có thể từ 6 đến 65 nhưng lại có kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên do vẫn còn nhiều hạn chế như việc xây dựng biên dạng xyclôít và hiệu suất chưa cao do chưa khắc phục được ma sát trượt hình thành trong bộ truyền khi làm việc. Đến những năm 80 với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hướng thay dần ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ bổ xung các con lăn trên các chốt (hình 1.1) và sự trợ giúp của máy tính thì các nghiên cứu về biên dạng xyclôít mới thực sự hoàn thiện và một loạt các hộp giảm tốc được ra đời và được áp dụng ngày càng nhiều trong thực tiễn.
ổ đỡ trục ra răng Epixyclôít Bánh Trục vào Vành răng chốt con lăn Vỏ hộp giảm tốc cycloit Trục ra Hình 1.1 Bản vẽ mặt cắt hộp giảm tốc xyclôít 18 Luan van Ngày nay, khi nền công nghiệp robot ngày càng phát triển yêu cầu đặt ra đối với hộp giảm tốc có tỉ số truyền lớn, mômen lớn nhưng kích thước nhỏ gọn thì hộp giảm tốc xyclôít ngày càng được đưa vào nghiên cứu và phát triển rộng rãi. Bộ truyền với ăn khớp xyclôít có ý nghĩa lớn lao trong việc giải các bài toán đặt ra cho các hệ dẫn động có kích thước nhỏ của các máy được chế tạo có sự tham gia trực tiếp của động cơ điện lắp với các bộ truyền (hình 1. Các động cơ hộp giảm tốc này có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa học, cao su, thực phẩm và công nghiệp robot. Vùng công suất truyền hợp lý nhất của các bộ động cơ - hộp giảm tốc nằm trong phạm vi 0.
Trong kiểu hộp giảm tốc này, trục ra và trục vào là đồng trục. Các hộp giảm tốc này cho phép sử dụng với tỉ số truyền lớn, mỗi cấp từ 8 đến 65. Để nhận được tỉ số truyền từ 65 đến 3600 cần sử dụng các bộ truyền 2 cấp.2 Động cơ - hộp giảm tốc bánh răng con lăn Trong cuộc khảo sát được tiến hành ở Viện thiết kế Quốc gia Leningrat chỉ ra rằng kích thước bao của hộp giảm tốc xyclôít nhỏ hơn từ 1.5 đến 2 lần kích thước bao của hộp giảm tốc bánh răng trụ có cùng công suất và tỉ số truyền. Trọng lượng giảm từ 3 đến 4 lần.
Để minh họa trên (hình 1.3) mô tả kích thước của hộp giảm tốc bánh răng con lăn có công suất 4kw, tỉ số truyền là 21 và kích thước bao của động cơ - hộp giảm tốc bánh răng trụ thường có cùng công suất và tỉ số truyền. 19 Luan van Hình 1.3 So sánh kích thước bao của động cơ - hộp giảm tốc xyclôít và hộp giảm tốc bánh răng trụ thông thường Ngoài việc giảm trọng lượng của hộp giảm tốc, bộ truyền bánh răng con lăn còn cho phép sử dụng động cơ điện có số vòng quay cao hơn, khi đó làm tăng hiệu suất của hệ dẫn động nhờ làm tăng hệ số công suất (tăng hệ số cos ) và giảm đáng kể giá thành của thiết bị. Khi lựa chọn động cơ điện quay nhanh không chỉ thu được giá thành giảm đáng kể, nâng cao hiệu suất và hệ số cos mà còn có khối lượng nhỏ, một động cơ điện 7kW quay 3000 vòng/phút có trọng lượng bằng ½ động cơ điện quay 750 vòng/phút. Cũng cần nhớ rằng điều kiện tăng tốc của động cơ không đồng bộ chạy nhanh tốt hơn so với chạy chậm.
Hiện nay, với dạng cải tiến mới, thay ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ các con lăn, đồng thời tạo ra màng dầu tại chỗ tiếp xúc, hiệu suất 1 bộ truyền theo lý thuyết có thể đạt tới 0. Đến nay đã có một số công ty ở các nước trên thế giới đã tiến hành sản xuất thương mại các loại động cơ - hộp giảm tốc loại này.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1 Tình hình ngoài nƣớc Hiện nay có một số cơ sở và công ty nước ngoài đang nghiên cứu và sản xuất bộ truyền này: Hãng Hap Dong của Hàn Quốc có hộp giảm tốc kiểu nằm và đứng với: - Tỉ số truyền từ 11 đến 7569 - Công suất từ 0,2 đến 30 kw Hình 1.4 Một số loại động cơ - Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng Hap Dong Hãng Sumitomo của Nhật ngoài sản xuất kiểu nằm, kiểu đứng còn có kiểu nghiêng với: - Hộp giảm tốc có thể chịu được sự quá tải lên đến 500 0 0. - Tỉ số truyền một cấp từ 6 đến 119, hai cấp từ 102 đến 7569. - Công suất từ 0,03 đến 173 kw.
- Moment xoắn tới hạn đạt tới 60700 Nm. 21 Luan van Hình 1.5 Một số loại động cơ – Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của hãng sumimoto 1.2 Tình hình trong nƣớc Ở Việt Nam cũng đã có một số đơn vị sản xuất loại bộ truyền này, cụ thể là đề tài KC-05-15 do Viện nghiên cứu cơ khí hợp tác với Trung tâm tự động hóa – Trường Đại Học Bách Khoa thực hiện. Trong đề tài đó đã chế tạo thành công đĩa xyclôít với phương pháp cắt bao hình bằng dao phay lăn. Tuy nhiên phương pháp đó không linh hoạt đối với các profin và sai số khá nhiều do gặp sự sai lệch ngay từ khi thiết kế dao.
Gần đây vào năm 2013 đề tài “Tính toán, thiết kế và chế tạo biên dạng bánh răng con lăn” của tác giả Nguyễn Ngọc Cường được thực hiện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tiến hành gia công thử nghiệm bánh răng con lăn trên máy phay CNC. Do đặc điểm ăn khớp của loại bộ truyền này không có khe hở cạnh răng nên làm việc êm, không gây va chạm khi đổi chiều quay. Với khối lượng và kích thước nhỏ gọn nên được ứng dụng ngày càng nhiều trong các máy hiện đại, đặc biệt thích hợp để ứng dụng trong robot và các thiết bị có độ chính xác cao.3 Phân loại hộp giảm tốc xyclôít Dựa trên nguyên lý hình thành họ đường xyclôít mà hộp giảm tốc xyclôít chia thành hai loại.