Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ứng dụng kiểu biên dạng răng xyclôít mới trong tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng không tròn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:223

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu ứng dụng kiểu biên dạng răng xyclôít mới trong tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng không tròn" nhằm góp phần hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực tiễn quá trình tính toán, thiết kế hình học, động học của các bộ truyền bánh răng không tròn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu ứng dụng kiểu biên dạng răng xyclôít mới trong tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng không tròn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KIỂU BIÊN DẠNG RĂNG XYCLÔÍT MỚI TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN HỒNG THÁI 2. TS. PHAN ĐĂNG PHONG Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan, chưa từng được tác giả khác công bố. Tập thể giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh TS. Nguyễn Hồng Thái TS. Phan Đăng Phong Nguyễn Thành Trung i
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học: TS. Nguyễn Hồng Thái, TS. Phan Đăng Phong cùng với những chỉ dẫn định hướng về mặt học thuật, sự động viên của các nhà khoa học trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Rôbốt, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin được bày tỏ sự trân trọng, lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể thầy giáo hướng dẫn. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học trong bộ môn đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Rôbốt, Viện Nghiên cứu Cơ khí, bộ phận sau đại học, phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả về mặt thủ tục hành chính trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Một lần nữa, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp và lãnh đạo Trung tâm Công nghệ và Thiết bị môi trường cũng như Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương đã tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thành được luận án một cách tốt nhất. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Thùy Dương chủ nhiệm đề tài Bộ giáo dục có mã số B2019 – BKA – 09 và PGS.TS. Nguyễn Quang Địch viện trưởng Viện Kỹ thuật Tự động hóa đã hỗ trợ luận án các thiết bị đo, hệ thống thu thập dữ liệu và xử lý kết quả đo. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, cảm thông, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án Nguyễn Thành Trung ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................................i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN PHẲNG .......................7 1.1. Lịch sử phát triển của bánh răng không tròn ........................................................7 1.2. Phân loại bánh răng không tròn ............................................................................9 1.2.1. Theo đường lăn của cặp bánh răng ..............................................................10 1.2.2 Theo hình dạng của các răng.........................................................................11 1.2.3 Theo vị trí tương đối của các vành răng .......................................................11 1.2.4 Theo đường cong sử dụng làm BDR ............................................................11 1.2.5 Hệ BRKT ......................................................................................................12 1.3. Các ứng dụng của bánh răng không tròn ............................................................14 1.3.1 BRKT giúp giảm biến thiên của mô men xoắn.............................................14 1.3.2 Ứng dụng BRKT tạo ra họ cơ cấu truyền động hai bậc tự do ......................15 1.3.3 Ứng dụng BRKT tổng hợp cơ cấu đánh lái mới của ôtô ..............................15 1.3.4 Ứng dụng BRKT trong hộp số vô cấp của xe ôtô số tự động .......................16 1.3.5 Ứng dụng BRKT trong tay máy rôbốt ..........................................................17 1.3.6 Ứng dụng BRKT trong máy đột dập, máy nén áp lực cao............................18 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về BRKT...................................................19 1.4.1 Những nghiên cứu về đường lăn...................................................................20 1.4.2 Các nghiên cứu về BDR của BRKT .............................................................26 1.4.3 Các hướng nghiên cứu khác..........................................................................27 1.5 Thảo luận và đánh giá những vấn đề còn tồn tại .................................................31 Kết luận chương 1......................................................................................................32 Chương 2 THIẾT KẾ ĐƯỜNG LĂN CỦA HỆ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN PHẲNG .........................................................................................................................34 2.1. Thiết kế đường lăn của cặp bánh răng không tròn .............................................34 2.1.1 Thiết kế đường lăn của cặp bánh răng không tròn ăn khớp ngoài................34 2.1.2 Thiết kế đường lăn của cặp bánh răng không tròn ăn khớp trong ................36 2.2 Thiết kế đường lăn của hệ bánh răng không tròn ................................................38 i
2.2.1 Thiết kế đường lăn của hệ bánh răng thường................................................38 2.2.2 Thiết kế đường lăn của hệ BRKT vi sai kép.................................................44 2.3 Điều kiện bao của hệ bánh răng không tròn vi sai kép........................................47 2.3.1 Điều kiện của hệ số chu kỳ n3 của BRKT 3 so với BRKT 4 ........................47 2.3.2 Điều kiện của hệ số chu kỳ n3 của BRKT 3 so với BRKT 1........................50 2.4 Điều kiện đồng trục của hệ BRKT vi sai kép ......................................................51 2.5 Thuật toán tối ưu đường lăn của hệ bánh răng không tròn vi sai kép phẳng.......51 2.6 Phân tích động học hệ bánh răng không tròn ......................................................56 2.6.1 Phân tích động học hệ bánh răng không tròn thường ...................................56 2.6.2 Phân tích động học hệ bánh răng không tròn kiểu vi sai ..............................65 2.7 Phương pháp chung thiết kế đường lăn của hệ bánh răng không tròn phẳng......69 Kết luận chương 2......................................................................................................70 Chương 3 THIẾT KẾ TỐI ƯU BIÊN DẠNG RĂNG CỦA HỆ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN PHẲNG……………………………………………………………..71 3.1 Phương pháp tạo hình BDR của BRKT phẳng....................................................71 3.2 Đường cong mới trong thiết kế BDR của BRKT ................................................72 3.2.1 Nguyên lý hình thành đường cycloid cải tiến ...............................................72 3.2.2 Thiết lập phương trình của đường cycloid cải tiến .......................................72 3.3 Thiết kế BDR của TRS theo đường cycloid cải tiến ...........................................74 3.3.1 Xác định các thông số thiết kế của TRS theo đường cycloid cải tiến...........74 3.3.2 Sự phụ thuộc của các thông số hình thành BDR của TRS vào thông số hình học elíp sinh và vị trí điểm bắt đầu hình thành đường cong ........................75 3.3.3 Điều kiện để BDR của TRS là đường cong lồi.............................................77 3.4 Mô tả toán học BDR của BRKT được tạo hình bằng TRS mới ..........................79 3.4.1 Mô hình toán học BDR của BRKT được tạo hình bằng TRS.......................79 3.4.2 Phân phối số răng và lựa chọn các thông số thiết kế của TRS .....................81 3.4.3 Điều kiện cắt lẹm chân răng..........................................................................82 3.4.4 Thuật toán tạo hình BDR của BRKT bằng TRS...........................................82 3.5 Tạo hình BDR của BRKT bằng BRS ..................................................................84 3.5.1 Mô tả toán học BDR của BRKT được tạo hình bằng BRS...........................85 3.5.2 Điều kiện về số răng của BRKT được tạo hình bằng BRS...........................85 3.5.3 Điều kiện tránh cắt lẹm chân răng ................................................................86 3.5.4 Thuật toán lựa chọn thông số thiết kế BDR của BRS theo đường lăn của BRKT được tạo hình ....................................................................................86 3.6 Đường ăn khớp ....................................................................................................89 3.7 Thiết lập phương trình ăn khớp của cặp BRKT ..................................................92 3.8 Góc áp lực ............................................................................................................94 ii
3.9 Phân tích động học quá trình ăn khớp của cặp BRKT biên dạng cycloid cải tiến .............................................................................................................................95 3.9.1 Vận tốc tuyệt đối tại điểm ăn khớp K ...........................................................95 3.9.2 Vận tốc trượt tương đối tại điểm ăn khớp giữa hai biên dạng đối tiếp .........96 3.9.3 Đường cong trượt ..........................................................................................97 Kết luận chương 3......................................................................................................99 Chương 4 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG HÀM TRUYỀN QUA ĂN KHỚP THỰC CỦA BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN ............................................................100 4.1 So sánh ưu điểm của BDR mới đề xuất với BDR thân khai truyền thống ....... 100 4.1.1 Nghiên cứu thực nghiệm cặp BROV chính tâm .........................................100 4.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm cặp bánh răng elíp lệch tâm................................107 4.1.3 Thảo luận về ưu nhược điểm của BDR mới đề xuất...................................110 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm tỷ số truyền của hệ BRKT thường thông qua ăn khớp thực .............................................................................................. 112 4.2.1 Thiết kế và chế tạo thử nghiệm ...................................................................112 4.2.2 Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm........................................................115 4.2.3 Thảo luận và đánh giá kết quả thực nghiệm đối với hệ BRKT thường ......117 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của góc đặt các BRKT trên trục đến hàm tỷ số truyền của hệ BRKT thường..................................................... 118 4.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đặt BROV 3 trên trục 2 đến hàm tỷ số truyền của hệ BRKT thường......................................................119 4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc β cố định BROV 3 đến hàm tỷ số truyền của hệ BRKT thường ........................................................................................121 4.4 Thực nghiệm trên hộp biến đổi tốc độ.............................................................. 123 4.5 Thực nghiệm xác định hàm truyền của bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép .................................................................................................................... 126 4.5.1 Thiết kế và chế tạo thực nghiệm .................................................................126 4.5.2 Thực nghiệm xác định hàm truyền .............................................................130 4.6 Thực nghiệm ứng dụng BRKT thay thế cơ cấu một tay quay một cần lắc trong bộ gạt nước mưa ô tô........................................................................................ 132 4.6.1 Xác định đường đặc tính đầu ra của cơ cấu gạt nước mưa ô tô ..................132 4.6.2 Thiết kế cơ cấu BRKT theo đặc tính hàm truyền .......................................134 4.6.3 Chế tạo thực nghiệm cơ cấu gạt nước mưa ô tô..........................................137 4.6.4 Thực nghiệm xác định đặc tính của cơ cấu.................................................137 4.7 Thảo luận đánh giá kết quả nghiên cứu khảo sát và thực nghiệm.................... 138 Kết luận chương 4................................................................................................... 139 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................140 iii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .....................142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................144 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................. P1 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................ P14 PHỤ LỤC 3 ................................................................................................................ P26 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa BRKT Bánh răng không tròn. BR Bánh răng. BREL Bánh răng elíp. BROV Bánh răng ô van. BRTT Bánh răng trụ tròn. TRS Thanh răng sinh. BRS Bánh răng sinh. BRVT Bánh răng vệ tinh. HGT Hộp giảm tốc. BDR Biên dạng răng. Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa i Σ Đường lăn của BRKT i. a12 mm Khoảng cách trục giữa BR 1 và BR 2. a34 mm Khoảng cách trục giữa BR 3 và BR 4. i rad Góc cực của tâm tích Σ i thuộc BRKT i.  P ( i ) i mm Bán kính cực của tâm tích Σ i thuộc bánh răng i. i12 (1 ) Hàm tỷ số truyền của cặp BRKT 1 và 2. i34 (1 ) Hàm tỷ số truyền của cặp BROV 3 và 4. i14 (1 ) Hàm tỷ số truyền của hệ bánh răng.  f (O f x f y f ) Hệ quy chiếu gắn liền với giá. i (Oi xi y i ) Hệ quy chiếu gắn với bánh răng i. 1 R mm Bán kính đường lăn Σ của BRTT lệch tâm so với tâm quay O. e mm Độ lệch tâm của BRTT lệch tâm. ε mm Tâm sai của BREL lệch tâm. v
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa a mm Bán trục lớn của đường elíp sinh. b mm Bán trục nhỏ của đường elíp sinh. n1 Số vòng quay của BR1 để BR 2 quay được 1 vòng.  n3 Số vòng quay của BRTT lệch tâm 3 để BRKT 1 quay được 1 vòng. n3 Số vòng quay của BRTT lệch tâm 3 để BRKT 4 quay được 1 vòng. μi Hệ số tỷ lệ giữa độ lệch tâm e và bán kính R của đường lăn BRTT lệch tâm. i Hệ số tỷ lệ giữa bán trục lớn và bán trục nhỏ của đường elíp lăn.  (Oxy) Hệ quy chiếu động gắn trên bánh răng được tạo hình. c (Oc xc y c ) Hệ quy chiếu động gắn trên đường chia của dụng cụ tạo hình BRS và TRS.  rad Góc quay của hệ  (Oxy) so với hệ quy chiếu  f (O f x f y f ) . ΣE Đường elíp sinh. ΓR Đường cong mới cycloid cải tiến.  Đường chia của TRS. pc mm Bước răng. t mm Chiều dày răng. w mm Chiều rộng rãnh răng. E C mm Chu vi elíp sinh. ha mm Chiều cao đỉnh răng. hf mm Chiều cao chân răng. h mm Chiều cao răng. vi
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa KR Vị trí điểm cố định trên elíp sinh Σ E.  rad Góc xác định vị trí điểm K R cố định trên elíp sinh Σ E.  rad Góc tiếp tuyến tại tâm ăn khớp P trên đường lăn của BRKT được tạo hình. Γ BDR được tạo hình. n Véc tơ pháp tuyến. c rad/s Vận tốc góc của BRKT được tạo hình. i rad/s Vận tốc góc của BRKT i. K Đường ăn khớp. I Tâm ăn khớp. i rad Góc cực của tâm tích I i . K Điểm ăn khớp. zi Số răng của BRKT i. δi12 Biên độ hàm tỷ số truyền i12. δωi rad/s Biên độ vận tốc góc ωi. o α Góc áp lực trong quá trình ăn khớp. VK i ( i ) mm/s Vận tốc tuyệt đối tại điểm ăn khớp K. tr VK ij ( i ) mm/s Vận tốc trượt tương đối tại điểm ăn khớp K.  i ( 1 ) Hệ số trượt biên dạng (i = 1,2). Ma trận biến đổi tọa độ từ hệ quy chiếu i về hệ j Mi quy chiếu  j . vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số thiết kế đường lăn của hệ BRKT kiểu vi sai.......………....... 46 Bảng 2.2 Khoảng cách trục của các phương án tổng hợp..................................... 47 Bảng 2.3 Thông số thiết kế đường lăn BRKT kiểu vi sai kép............................... 54 Bảng 2.4 Thông số thiết kế của hệ BRKT thường theo hệ số 1.......................... 57 Bảng 2.5 Thông số thiết kế của hệ BRKT thường theo hệ số 1.......................... 59 Bảng 2.6 Thông số thiết kế của hệ BRKT theo hệ số 2...................................... 62 Bảng 2.7 Thông số thiết kế của hệ BRKT theo hệ số 3...................................... 63 Bảng 2.8 Thông số thiết kế của hệ BRKT kiểu vi sai theo hệ số 2.................... 67 Bảng 3.1 Chiều cao răng của TRS theo vị trí của KR trên  E.............................. 76 Bảng 3.2 Chiều cao răng của TRS theo hệ số γ của  E....................................... 77 Bảng 3.3 Bảng thông số thiết kế của TRS............................................................ 79 Bảng 3.4 Các thông số thiết kế của BRS.............................................................. 84 Bảng 3.5 Bộ thông số động học của cặp BRKT................................................... 90 Bảng 3.6 Thông số chế tạo của cặp BRKT........................................................... 91 Bảng 4.1 Bảng thông số thiết kế đường lăn của cặp BROV chính tâm................ 100 Bảng 4.2 Thông số thiết kế của TRS tạo hình BDR cycloid cải tiến.................... 101 Bảng 4.3 Thông số thiết kế của cặp BROV chính tâm BDR cycloid cải tiến....... 101 Bảng 4.4 Thông số thiết kế của TRS tạo hình BDR thân khai.............................. 102 Bảng 4.5 Thông số thiết kế của cặp BROV chính tâm BDR thân khai................. 103 Bảng 4.6 Thông số thiết kế của TRS tạo hình BDR thân khai sau khi hiệu chỉnh 103 Bảng 4.7 Thông số thiết kế của cặp BROV chính tâm BDR thân khai................. 103 Bảng 4.8 Bảng thông số thiết kế đường lăn của cặp BREL lệch tâm................... 107 Bảng 4.9 Bảng thông số thiết kế của TRS mới cho BREL lệch tâm..................... 108 Bảng 4.10 Thông số thiết kế của cặp BREL lệch tâm biên dạng mới.................... 108 Bảng 4.11 Bảng thông số thiết kế TRS tạo hình BDR thân khai cho BREL lệch tâm.......................................................................................................... 109 viii
Bảng 4.12 Thông số thiết kế của cặp BREL lệch tâm biên dạng thân khai............ 109 Bảng 4.13 Giá trị các thông số thiết kế đường lăn của hệ....................................... 113 Bảng 4.14 Các thông số thiết kế của TRS tạo hình các cặp BRKT trong hệ.......... 114 Bảng 4.15 Giá trị các thông số thiết kế của các BRKT trong hệ BRKT thường..... 114 Bảng 4.16 Bảng thông số góc cố định BROV 3 trên trục 2 so với chuẩn “0”......... 122 Bảng 4.17 Thông số thiết kế đường lăn của bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép................................................................................................... 127 Bảng 4.18 Các thông số thiết kế của TRS tạo hình các BRKT trong hệ BRKT kiểu hành tinh kép.................................................................................. 128 Bảng 4.19 Thông số thiết kế của các BRKT trong hệ BRKT kiểu hành tinh kép... 128 Bảng 4.20 Thông số kích thước cơ cấu bốn khâu bản lề xe ô tô Huyndai i10........ 133 Bảng 4.21 Thông số TRS biên dạng mới tạo hình cho các cặp BRKT cơ cấu gạt nước mưa................................................................................................ 135 Bảng 4.22 Thông số thiết kế của các BRKT trong cơ cấu gạt nước mưa............... 135 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phác thảo BRKT của Leonardo Da Vinci ........................................... 7 Hình 1.2 Ứng dụng của bánh răng elíp trong thiết bị đo lưu lượng................... 8 Hình 1.3 Cặp BRKT có đường lăn hở thay thế cơ cấu 4 khâu (1 cần lắc, 1 tay quay) trong bộ phận gạt nước mưa ô tô của hãng BMW ................... 8 Hình 1.4 BRKT có đường lăn kín ...................................................................... 10 Hình 1.5 BRKT có đường lăn hở ....................................................................... 10 Hình 1.6 BRKT răng thẳng và răng nghiêng ...................................................... 11 Hình 1.7 Cặp BRKT ăn khớp ngoài và ăn khớp trong ....................................... 11 Hình 1.8 Hệ BRKT biên dạng Novikov được tổng hợp ..................................... 12 Hình 1.9 Hệ BRKT hành tinh ............................................................................. 13 Hình 1.10 Hệ BRKT không gian .......................................................................... 13 Hình 1.11 Hệ BRKT phẳng .................................................................................. 13 Hình 1.12 Cặp BRKT giảm biến thiên mô men ................................................... 14 Hình 1.13 Sáng chế cơ cấu truyền động 2 bậc tự do sử dụng cặp BRKT ............ 15 Hình 1.14 Cơ cấu đánh lái tám khâu một bậc tự do sử dụng BRKT .................... 16 Hình 1.15 Sơ đồ bố trí BRKT trong hộp số vô cấp CVT ..................................... 16 Hình 1.16 Biên dạng bánh răng mới trong hộp số vô cấp CVT ........................... 17 Hình 1.17 BRKT sử dụng trong tay máy rôbốt tác hợp ....................................... 17 Hình 1.18 Sáng chế máy đột dập sử dụng BRKT của Đức .................................. 18 Hình 1.19 BRKT sử dụng trong máy gia công chế tạo đinh ................................ 18 Hình 1.20 BRKT sử dụng trong máy nén áp lực cao ........................................... 19 Hình 1.21 Sáng chế sử dụng BRKT trong hệ thống gạt nước mưa kính ôtô ....... 19 Hình 1.22 Đường lăn là đường elíp bậc 4 ............................................................ 20 Hình 1.23 Mô tả phương pháp cổ điển xây dựng đường lăn của BRKT bằng phương pháp hình học ......................................................................... 20 Hình 1.24 Ứng dụng chuỗi Fourier thiết kế đường lăn của cặp BRKT ................ 21 x
Hình 1.25 Đường lăn và biên dạng của các cặp BRKT trong hệ bánh răng hành tinh của cơ cấu xé sợi đứng của máy dệt ............................................. 22 Hình 1.26 Kết quả đường lăn dựa trên đường cong hữu tỷ .................................. 22 Hình 1.27 Đường lăn của BRKT .......................................................................... 23 Hình 1.28 Phần mềm phân tích và mô phỏng cơ cấu điều sợi trong máy ươm tơ 24 Hình 1.29 Phần mềm thiết kế và mô phỏng bánh răng elíp của tác giả Chibing Hu và các cộng sự ................................................................................ 24 Hình 1.30 Họ đường elíp mở rộng với các bộ tham số khác nhau ....................... 25 Hình 1.31 Lược đồ cơ cấu năm khâu với BRKT .................................................. 25 Hình 1.32 Đồng hồ thiên văn Dondi ..................................................................... 25 Hình 1.33 Bánh răng elíp với BDR là các cung tròn ............................................ 26 Hình 1.34 Phương pháp chế tạo BRKT của công ty Fellows ............................... 28 Hình 1.35 Phương pháp chế tạo BRKT của Bopp và Reuther ............................. 28 Hình 1.36 Chế tạo BRKT dựa trên phương pháp bao hình .................................. 29 Hình 1.37 Gia công BRKT trên máy gia công tia lửa điện .................................. 29 Hình 1.38 Kết quả đo kiểm sự biến thiên gia tốc của thiết bị .............................. 30 Hình 2.1 Đường lăn cặp bánh răng ăn khớp ngoài ............................................. 34 Hình 2.2 Đường lăn cặp bánh răng ăn khớp trong ............................................. 36 Hình 2.3 Hệ BRKT thường được hình thành từ các cặp bánh răng ăn khớp ngoài .................................................................................................... 38 Hình 2.4 Đường lăn của bánh răng trụ tròn lệch tâm ......................................... 39 Hình 2.5 Xác định đường lăn  2 của bánh răng 2 theo  1 của bánh răng trụ tròn lệch tâm ........................................................................................ 39 Hình 2.6 Đường lăn của BROV tựa elíp............................................................. 40 Hình 2.7 Đường lăn của hệ bánh răng không tròn ăn khớp ngoài sau khi tổng hợp........................................................................................................ 41 Hình 2.8 Lược đồ hệ BRKT thường có ít nhất một cặp BRKT ăn khớp trong... 42 Hình 2.9 Đường lăn của hệ bánh răng không tròn ăn khớp trong sau khi tổng hợp........................................................................................................ 44 xi
Hình 2.10 Hệ BRKT kiểu vi sai kép...................................................................... 44 Hình 2.11 Đường lăn của hệ BRKT kiểu vi sai .................................................... 46 Hình 2.12 Cấu trúc đường lăn của các hệ BRKT kiểu vi sai kép được tổng hợp 47 Hình 2.13 Đường lăn của hệ BRKT kiểu vi sai kép.............................................. 48 Hình 2.14 Thuật toán tổng hợp đường lăn tối ưu của hệ BRKT vi sai kép phẳng..................................................................................................... 53 Hình 2.15 Sơ đồ thuật toán hiệu chỉnh tham số thiết kế tối ưu đường lăn hệ BRKT kiểu vi sai.................................................................................. 55 Hình 2.16 Đường lăn hệ BRKT kiểu vi sai kép sau khi tối ưu............................. 56 Hình 2.17 Vận tốc góc trên các trục dẫn của hệ BRKT thường chỉ có cặp bánh răng ăn khớp ngoài............................................................................... 57 Hình 2.18 Ảnh hưởng của 1 đến đặc tính hàm tỷ số truyền của hệ..................... 58 Hình 2.19 Các phương án thiết kế đường lăn của hệ BRKT thường ăn khớp ngoài theo hệ số 1 ............................................................................... 58 Hình 2.20 Khảo sát biên độ dao động................................................................... 59 Hình 2.21 Khảo sát theo hệ số 1.......................................................................... 60 Hình 2.22 Các phương án thiết kế đường lăn của hệ BRKT thường ăn khớp ngoài theo hệ số 1............................................................................... 60 Hình 2.23 Biểu đồ khảo sát biên độ dao động theo 1 ......................................... 60 Hình 2.24 Vận tốc góc của các trục trong hệ BRKT thường có ít nhất một cặp BRKT ăn khớp trong............................................................................ 61 Hình 2.25 Khảo sát theo hệ số λ2........................................................................... 62 Hình 2.26 Các phương án thiết kế đường lăn của hệ BRKT có ít nhất một cặp BR ăn khớp trong theo hệ số 2............................................................ 62 Hình 2.27 Biểu đồ khảo sát biên độ dao động theo 2............................................. 63 Hình 2.28 Khảo sát theo hệ số λ3........................................................................... 64 Hình 2.29 Các phương án thiết kế đường lăn của hệ BRKT có ít nhất một cặp BR ăn khớp trong theo hệ số 3............................................................ 64 Hình 2.30 Biểu đồ khảo sát dao động theo 3....................................................... 64 Hình 2.31 Các phương án thiết kế đường lăn của hệ BRKT kiểu vi sai theo hệ xii
số μ2...................................................................................................... 67 Hình 2.32 Khảo sát theo hệ số 2 khi cố định bánh răng trung tâm 1................... 67 Hình 2.33 Biểu đồ khảo sát biên độ dao động khi cố định bánh răng trung tâm 1............................................................................................................ 68 Hình 2.34 Khảo sát theo hệ số 2 khi cố định bánh răng trung tâm 4................... 68 Hình 2.35 Biểu đồ khảo sát biên độ dao động khi cố định bánh răng trung tâm 4............................................................................................................ 69 Hình 2.36 Sơ đồ tổng hợp đường lăn của hệ BRKT phẳng tổng quát................... 70 Hình 3.1 Các phương pháp tạo hình BDR của BRKT phẳng.............................. 71 Hình 3.2 Nguyên lý hình thành đường cycloid cải tiến từ elíp sinh.................... 72 Hình 3.3 Sơ đồ thiết lập phương trình đường cycloid cải tiến............................ 73 Hình 3.4 Nguyên lý hình thành TRS................................................................... 74 Hình 3.5 Ảnh hưởng của vị trí điểm cố định trên elíp sinh................................. 75 Hình 3.6 Biên dạng TRS ứng với các điểm ban đầu khác nhau.......................... 76 Hình 3.7 Hình dạng hình học của TRS ứng với các giá trị .............................. 77 Hình 3.8 Khoảng cách từ K đến các tiếp tuyến …………………………..... 78 Hình 3.9 Chuyển động tương đối giữa TRS và bánh răng trong quá trình tạo hình....................................................................................................... 80 Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán tạo hình BDR của BRKT bằng TRS......................... 83 Hình 3.11 Chuyển động tương đối của BRKT sinh trong quá trình tạo hình BDR...................................................................................................... 85 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xác định thông số của Σ ES......................................... 87 Hình 3.13 Sơ đồ thuật toán hiệu chỉnh và thiết kế BDR của BRKT..................... 88 Hình 3.14 Xác định đường ăn khớp cặp BRKT ăn khớp ngoài............................ 89 Hình 3.15 Hàm truyền và đường lăn cặp bánh răng không tròn........................... 90 Hình 3.16 Kiểm tra điều kiện cắt lẹm cặp bánh răng không tròn.......................... 91 Hình 3.17 Biên dạng cặp bánh răng ứng với giá trị =1,29.................................. 92 Hình 3.18 Góc áp lực của BRKT………………………………………………... 94 Hình 3.19 Đồ thị góc áp lực α theo chiều quay của ω1.......................................... 95 xiii
Hình 3.20 Quan hệ vận tốc tại điểm ăn khớp K của cặp BRKT………………… 96 Hình 3.21 Bán kính  K ( 1 ) ,  K ( 2 (1 )) theo góc quay  1 …………………… 1 2 98 Hình 3.22 Vận tốc VK ( 1 ) , VK ( 2 (1 )) theo góc quay φ1……………………… 1 2 98 Hình 3.23 Hệ số trượt biên dạng μ1(φ1), μ2(φ2(φ1)) theo góc quay φ1…………... 98 Hình 3.24 Hệ số trượt biên dạng μ1(φ1), μ2(φ2(φ1)) theo góc quay φ1 tại răng số 2 của BR 1…………………………………………………………… 98 Hình 3.25 Quá trình ăn khớp của BDR số 2…………………………………….. 99 Hình 4.1 Hàm tỷ số truyền của cặp BROV chính tâm......................................... 101 Hình 4.2 Bản thiết kế và chế tạo thực nghiệm cặp BROV biên dạng mới......... 102 Hình 4.3 TRS tạo hình BDR thân khai của cặp BROV....................................... 102 Hình 4.4 Cặp BROV chính tâm biên dạng thân khai.......................................... 103 Hình 4.5 Bản thiết kế và chế tạo thực nghiệm cặp BROV với biên dạng thân khai của đường tròn.............................................................................. 104 Hình 4.6 Sự biến đổi chiều dày đỉnh răng và chiều rộng chân răng theo vị trí răng của BROV biên dạng thân khai.................................................... 105 Hình 4.7 Ăn khớp của cặp răng đối tiếp ➀ - ⑰................................................. 106 Hình 4.8 Chiều dài cung làm việc của các cặp biên dạng đối tiếp...................... 106 Hình 4.9 Hàm tỷ số truyền của cặp BREL lệch tâm............................................ 107 Hình 4.10 Bản thiết kế và chế tạo thực nghiệm cặp BREL lệch tâm biên dạng mới....................................................................................................... 108 Hình 4.11 Bản thiết kế và chế tạo thực nghiệm cặp BREL lệch tâm biên dạng thân khai............................................................................................... 109 Hình 4.12 Chiều dài cung làm việc các cặp biên dạng đối tiếp của BREL lệch tâm........................................................................................................ 110 Hình 4.13 Lược đồ hệ BRKT thường................................................................... 112 Hình 4.14 Hệ BRKT thường được thiết kế........................................................... 113 Hình 4.15 Bản thiết kế hệ BRKT thường.............................................................. 114 Hình 4.16 Hệ BRKT mẫu sau khi đã chế tạo thực nghiệm................................... 115 Hình 4.17 Bản thiết kế thiết bị thí nghiệm xác định sai số hàm truyền của hệ xiv
BRKT thường....................................................................................... 115 Hình 4.18 Hệ thống thí nghiệm xác định sai số của hệ BRKT thường sau khi chế tạo................................................................................................... 116 Hình 4.19 Tỷ số truyền thực được đo bằng thực nghiệm từ quá trình ăn khớp của hệ BRKT........................................................................................ 117 Hình 4.20 Đồ thị so sánh lý thuyết và thực tế hàm tỷ số truyền của hệ................ 117 Hình 4.21 Vị trí sai số nhiều nhất của hàm tỷ số truyền thực............................... 118 Hình 4.22 Cố định BROV 3 trên trục 2 lệch pha một góc 45o theo chiều kim đồng hồ................................................................................................. 119 Hình 4.23 Cố định BROV 3 lệch pha một góc 45o theo chiều kim đồng hồ so với chuẩn “0”........................................................................................ 119 Hình 4.24 Hàm tỷ số truyền thực khi cố định BROV 3 lệch pha một góc 45o...... 120 Hình 4.25 Đồ thị hàm tỷ số truyền của hệ............................................................. 120 Hình 4.26 Góc cố định BROV 3 trên trục 2.......................................................... 121 Hình 4.27 Tỷ số truyền i14 của hệ BRKT thường theo góc cố định BROV 3 trên trục 2..................................................................................................... 122 Hình 4.28 Biên độ hàm tỷ số truyền i14 của hệ theo các phương án góc cố định β............................................................................................................ 122 Hình 4.29 Lược đồ bố trí các bánh răng trong hộp biến đổi tốc độ....................... 123 Hình 4.30 Tỷ số truyền của hệ theo đường lăn...................................................... 123 Hình 4.31 Bộ thí nghiệm hộp biến đổi tốc độ đánh giá sai số hàm tỷ số truyền của hệ BRKT thường............................................................................ 124 Hình 4.32 Hệ thống thí nghiệm xác định đặc tính tỷ số truyền của hộp biến đổi tốc độ.................................................................................................... 125 Hình 4.33 Tỷ số truyền thực của hộp biến đổi tốc độ........................................... 125 Hình 4.34 Đồ thị so sánh lý thuyết và thực tế hàm tỷ số truyền của hộp biến đổi tốc độ.................................................................................................... 126 Hình 4.35 Lược đồ hệ BRKT kiểu hành tinh kép................................................. 127 Hình 4.36 Bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép được thiết kế................ 127 Hình 4.37 Bản thiết kế bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép.................. 129 xv
Hình 4.38 Hệ lỗ định vị của các BRKT của hộp biến đổi tốc độ kiểu hành tinh kép........................................................................................................ 130 Hình 4.39 Bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép sau khi chế tạo............. 130 Hình 4.40 Hệ thống thí nghiệm xác định đặc hàm truyền của bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép................................................................... 131 Hình 4.41 Tỷ số truyền thực của bộ biến đổi tốc độ BRKT kiểu hành tinh kép... 131 Hình 4.42 So sánh lý thuyết và thực tế hàm tỷ số truyền của hệ BRKT kiểu hành tinh............................................................................................... 132 Hình 4.43 Cơ cấu gạt nước mưa............................................................................ 133 Hình 4.44 Đường đặc tính đầu ra của cơ cấu gạt nước mưa................................. 134 Hình 4.45 Thiết kế đường lăn của các cặp BRKT................................................. 134 Hình 4.46 Bản thiết kế các BRKT trong cơ cấu gạt nước mưa............................. 136 Hình 4.47 Bản thiết kế bộ gạt nước mưa............................................................... 136 Hình 4.48 Bộ gạt nước mưa ô tô sau khi chế tạo.................................................. 137 Hình 4.49 Hệ thống thí nghiệm xác định đặc của cơ cấu gạt nước mưa............... 137 Hình 4.50 Đồ thị đặc tính cơ cấu........................................................................... 138 Hình 4.51 Đồ thị so sánh đặc tính bộ gạt nước mưa giữa cơ cấu ứng dụng BRKT và cơ cấu bốn khâu bản lề……………………………………. 138 xvi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Bánh răng không tròn (BRKT) được đề xuất lần đầu tiên bởi Giovanni Dondi ở giữa thế kỷ thứ XIV [1], ban đầu được ứng dụng trong thiết kế đồng hồ thiên văn ở Châu Âu. Từ đó đến nay, với quá trình phát triển hơn 600 năm, BRKT đã được nhiều nhà khoa học, nhà kỹ thuật quan tâm nghiên cứu, phát triển và đưa vào các kịch bản ứng dụng khác nhau, đáp ứng nhu cầu thực tiễn nhằm tạo ra các bộ biến đổi vô cấp theo các hàm truyền mà yêu cầu thực tiễn đòi hỏi [4, 23-38]. Trong một thời gian dài, từ thế kỷ XV đến cuối thế kỷ XIX, BRKT không được phát triển do sự phức tạp trong thiết kế và những khó khăn về phương pháp gia công. Các nghiên cứu về lĩnh vực này chỉ được hồi sinh trở lại vào giữa thế kỷ thứ XX nhờ có sự phát triển của ngành toán học hiện đại, lý thuyết ăn khớp cũng như sự bùng nổ của ngành khoa học máy tính, BRKT đã được mô hình hóa bằng các hàm toán học để tiến hành tính toán, thiết kế, chế tạo v.v.. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ gia công cơ khí chính xác với các máy điều khiển số nhiều trục, các phương pháp gia công hiện đại phi truyền thống, cũng như sự phát triển của lĩnh vực khoa học khác như: vật liệu, các phần mềm máy tính, các siêu máy tính đã thúc đẩy các nghiên cứu về BRKT cho các kịch bản ứng dụng khác nhau như: thiết bị đo [22], bơm thủy lực [17, 82], các bộ biến đổi tốc độ [27-29]; đặc biệt là trong các hộp biến đổi tốc độ vô cấp CVT của ô tô [28] v.v.. Điều đó được thể hiện qua việc ngày càng có nhiều bằng sáng chế quốc tế được cấp cho các ứng dụng cụ thể [126, 138]. Ở trong nước, lĩnh vực này có thể nói đã bị lãng quên, chưa được quan tâm nghiên cứu, chỉ được giới thiệu trong các tài liệu chuyên sâu [13, 14] và mới được nghiên cứu trong một vài năm trở lại đây bởi nhóm tác giả Nguyễn Hồng Thái [90-98]. Theo tìm hiểu của tác giả luận án, cho đến nay thế giới mới chỉ tập trung nghiên cứu, cải tiến, áp dụng đường thân khai của đường tròn vào thiết kế, chế tạo BRKT với các hướng nghiên cứu chính là: i) Nghiên cứu về đường lăn. Đường lăn quyết định đến đường đặc tính của hàm truyền và kích thước của BRKT, chính vì vậy mà bất kì nghiên cứu nào về BRKT đều bắt đầu từ việc nghiên cứu đường lăn. Cho đến nay thế giới đã nghiên cứu tổng hợp đường lăn của BRKT với đường lăn kín hoặc hở [3, 5, 16, 17, 22, 25, 36-39, 40-52]. Theo hướng nghiên cứu này có: (a) Tổng hợp đường lăn theo hàm truyền cho trước [25, 38-44]; (b) Tổng hợp đường lăn theo khoảng cách trục cho trước [9, 17, 19, 27, 36, 48, 51, 65-70]; (c) Tổng hợp đường lăn của các hệ BRKT khác nhau [48, 66-69]. Tuy nhiên, trong hướng nghiên cứu này còn tồn tại một số vấn đề chưa 1