Chi tiết cơ cấu chính xác

NGUYEN TRONG HUNG

3 NHÀ XUÂT BAN KHũA H0C VÀ KÝ THUẬT

CHI TIẾT
CƠ CẤU CHÍNH XÁC


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và
hàng loạt các thiết bị hiện đại
công nghệ tiên tiến đã sản xuất ra
trong tất cả các lĩnh vực.

Những thiết bị tiên tiến này cũng xuất hiện ngày càng nhiều
ở Việt Nam trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Các dụng cụ và thiết bị đo lường, nghe nhin, điện tử tin học,
y tế và văn hoá... trong các dây chuyển sản xuất hiện đại, trong,
tự động hóa rơ bốt và tay máy... đều có mặt các chỉ tiết và cơ cấu

chính xác.

Với chức năng đa dạng và phong phú của các chỉ tiết và cơ
cấu chính xác: biến đổi, truyền và khuếch đại chuyển động và chỉ

thị tín hiệu ổn định và điều chế thông tin, ghép nổi các phần tử để

cấu thảnh thiết bị và máy, giáo trình đã để cập tới các nội dung về
lính vực cơ khí chính xác của các phạm vi kỹ thuật kể trên. Đồng

thời cũng để cập tới ngun lý làm việc, tính tốn hình học, động
học, động lực học và độ chính xác của một số chỉ tiết và cơ cấu
chính xác điển hình.

Tải liệu nây được dùng lâm giáo trình cho sinh viên ngành
Cơ khí chính xác và Quang học của trường Đại học Bách khoa Hà
nội, chuyên ngành Quang - Quang điện tử của Học viện kỹ thuật
quân sự. Cuốn sách này còn là tải liêu tham khảo bổ ích cho cán
bộ kỹ thuật trong cơng tác khai thác sử dụng, thiết kế chế tạo, sửa
chữa bảo dưỡng các dụng cụ và thiết bị cơ khí chính xác trong dây

chuyển san xuất cơng nghiệp.

Do biên soạn lần đầu, cuốn sách nảy chắc chắn còn những
vấn để chưa được hồn chỉnh. Chúng tơi rất mong nhận được
những, ý kiến đóng góp của độc giả.

Những ý kiến đóng góp xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo Hà nội hoặc Bộ môn Cơ khí chính xác
và Quang học, trường Đại học Bách khoa Hà nội.

Tác giả

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

§1. MỞ ĐẦU

1. Khái niệm dụng cụ và thiết bị chính xác

Máy là thiết bị thực hiện chuyển động có ích nhất định để biến đổi năng

lượng hoặc thực hiện công có ích. Ví dụ, động cơ điện biến điện năng thành cơ

nang.

Máy gia cơng kim loại thực hiện các q trình sản xuất khác nhau nhằm thay
đối hình dạng và vị trí của chỉ tiết.

Dụng cụ là thiết bị thực hiện chức năng đo lường, kiểm tra điều chỉnh, điều
khiển, tính tốn.

Dụng cụ đo lường: dùng để so sánh trực tiếp hay gián tiếp các đại lượng đo

với đơn vị đo. Ví dụ, nhiệt kế, áp kế, tốc kế.

Đụng cụ kiểm tra: dùng để xác định giá trị đại lượng được kiểm tra có nằm
trong giới hạn cho phép hay khơng. Ví dụ, dụng cụ kiểm tra kích thước, cân, điện
trở. -

Dụng cụ điểu chính: dùng để duy trì tự động giá trị của đại lượng điều chỉnh
đã được định trước. Ví dụ, bộ điều chỉnh tốc độ.

Dụng cụ điều khiến theo chương trình chơ trước thực hiện sự thay đổi của đại
lượng nào đó.

Máy tính và thiết bị tính thực hiện các ngun cơng tốn học. Ví dụ, máy
tính, bộ tích phân, thiết bị cộng.

Một cách tổng quát các dụng cụ và thiết bị chính xác có sơ đổ cấu trúc như
sau (hinh 1):

Phương tiện phan
ánh tin tức

xi i ẹ

Xo] Phần tử —__* 7 Ca cấu
(Pp) ~ nhay ——> truyền
(s)

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của dụng cu va thiét bi chinh xac.

Các phần tử nhạy cảm

Là thiết bị biến tín hiệu đầu vào x¿ thành tín hiệu đầu ra x;. Tín Ếiệu đầu vào
và ra có thể là đại lượng điện và khơng điện. Trong nhiều phần tử nhạy cảm, tín
hiệu vào là các đại lượng vật lý (dòng điện, tần số, điện áp, lực, nhiệt độ, vận tốc,
áp suất...). Tín hiệu ra: địch chuyển thẳng hay góc.

Để làm các phần tử nhạy người ta thường dùng: màng đàn hỏi, ống xin-fơn,
lị xo, ống burđơn, tấm lưỡng kim, tấm thạch anh...

Phương tiện phản ánh tín tức

Là thiết bị thông tin cho con người (người thao tác) các số liệu về giá trị của
các thông số được đo và được kiểm tra đặc trưng cho trạng thái của đối tượng.

Để làm phương tiện phản ánh tin tức dùng bảng chia, các chỉ số, thiết bị tự
ghi, bảng số, màn ảnh vô tuyến... các khâu động của phần tử nhạy cảm và thang
thiết bị chấp hành của dụng cụ hay hệ thống tự
Cơ cấu truyền

Thực hiện liên kết động giữa
chía các chỉ số, thiết bị tự ghỉ hay
động.

Vi du: cu khí áp kế đo độ
khí áp kế kiểu hộp,
Sơ đồ động của dụng p thành dịch chuyển
cao (hình 2).

Phần tử nhạy cảm -
biến đổi áp suất khí quyển
S của điểm A.

Cơ cấu truyền - biến đối dịch chuyển Hình 2. Sð đề động của dụng
thang nhỏ § của điểm A thành dịch chuyển góc cụ khí áp kế đo độ cao.
lớn @ của kim thiết bị đọc số.

Phương tiện phản ánh tín tức - bảng chỉa,

2. Nhiệm vụ và nội dung của môn học

Nhiệm vụ của môn học là nghiên cứu phương pháp tính tốt và thiết kế các

chỉ tiết và cơ cấu của dụng cụ và thiết bị chính xác. Các bài tốn được nghiên cứu
ở đây là xác định các thơng số hình học, tính tốn độ chính xác, tính tốn động
học và động lực học cơ cấu của dụng cụ và thiết bị chính xác. Trong trường hợp

cần thiết là tính tốn độ bền của các chỉ tiết chịu lực.

Nội dung của môn học:

Các chỉ tiết và cơ cấu của dụng cụ và thiết bị chính xác rãi phong phú và đa

dạng. Ở đây chỉ nghiên cứu các chỉ tiết và cơ cấu điển hình đùng trong cơ khí
chính xác và quang học; chế tạo dụng cụ và cơ khí chế tạo máy.

Một số chỉ tiết và cơ cấu điển hình là: |

- — Các yếu tố đàn hồi.
-ˆ_ Gối tựa và sống trượt.

- Truyền động bánh răng chính xác.

- Truyền động ren vít chính xác.

- — Cơ cấu địn - Bản lễ.

- _ Cơ cấu truyền động ngắt quãng.

- _ Cơ cấu điều chỉnh tốc độ.

- - Cơ cầu làm giảm dao động.

- — Cơ cấu và thiết bị đọc số.

§2. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC CHI TIẾT VÀ CƠ CẤU CHÍNH XÁC

Các yên cầu đối với chỉ tiết và cơ cấu chính xác rất khác nhau và phụ thuộc
vào chức năng, công suất, vận tốc và độ chính xác yêu cầu, điểu kiện sử dụng,

công nghệ chế tạo và hàng loạt các yếu tố khác. '

Các yêu cầu chủ yếu đối với các chỉ tiết và cơ cấu chính xác:

Độ chính xác thực hiện chức năng yêu cầu, độ tin cậy và làm việc khơng
hỏng hóc, thuận tiện, đơn giản và sử dụng an toàn,

So đồ tối giản: số khâu, khớp là ít nhất, làm việc êm không ổn, chống rung

động, độ bền, tuổi thọ, tính chống mài mịn và hiệu suất cao v.v...

Tính kinh tế trong sử dụng và chế tạo, lắp ráp, sửa chữa đơn giản.

Chỉ phí vật liệu ít nhấu, khối lượng và kích thước nhỏ.

Sử dụng rộng rãi các cụm và các chỉ tiết tiêu chuẩn hố. Các chỉ tiết có tính
thay thế được. Khối lượng và giá thành chế tạo ít nhất. yêu cầu đặc biệt như: độ
ảnh hưởng của điều kiện
Ngoài ra đối với các cơ cấu của dụng cụ cịn có các
chính xác và độ nhạy cao. khơng có qn tính, khơng bị

môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm v.v...

Chuang I

CÁC YẾU TỐ ĐÀN HỒI

CỦA DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ CHÍNH XÁC

§1. KHAI NIEM CHUNG VA PHAN LOA!

1. Khái niệm chung

Trong dụng cụ và thiết bị chính xác để làm các yếu tố đàn hồi người ta dùng,
lồ xo va cdc yéu 16 nhạy đàn hồi có cấu trúc khác nhau:

Lò xo, bao gồm:

- Lồ xo xoắn trụ chịu kéo và chịu nén (hình 1.1 a và b).
- Lồ xơ thẳng chịu uốn (hình 1.1 c}.
- Lồ xo xoắn acsimet chịu xoắn (hình 1.1 d).

Ống sóng hay xinphơn (hình 1.1 e),

Mang dan hồi (hình 1.1 8).

Lị xo ống hay ống burđơn (hình 1.1 h). không
sơ bộ
a) Đặc điểm của các yếu tế đân hồi
Lực và mô men do các yếu tố đàn hồi tạo nên tỷ lệ với biến dạng và

phụ thuộc vào vị trí của chúng trong khơng gian.

Các yếu tố đàn hồi cho phép tích lũy cơ năng bằng cách biến dạng
chúng.

Nói chung, các yếu tố đàn hồi có kích thước nhỏ. -

a) b)

NY. =| Pfr

ns

Hình 1.1. Các yếu tế đàn hồi của dụng cụ và thiết bị chính xác.

b) Đặc tính của các yến tố đàn hồi

Là sự phụ thuộc giữa độ võng f của yếu tố đàn hồi và tải trọng P hay giữa
góc xốn @ và mơ men ngẫu lực M, gây ra sự biến dạng của yếu tố đàn hỏi.

f=f(P) (1)

hay:

10

ọ = 0@(M) , (1.2)

Dac tính của yếu tố đàn hồi có thể là tuyến tính (hình 1.2 đường a) hoặc phì
tuyến (hình 1.2 đường b, c).

f

P

Hinh 1.2. Đặc tính của các yếu tố đàn hồi.

Ẵ©) Độ cứng của các yếu tố đàn hồi

Là giới hạn của gia số tải trọng ÁP với gia số của độ võng AT, khi Af tiến tới
không:

K= jin SP |= » Ninn (1.3)
Atal Af df

hay:

K, = lim| —— iM > Nanitrad (1.4)
soak Ap dp

Độ cứng có thể được xác định bằng đồ thị hoặc bảng tang của góc nghiêng v
của tiếp tuyến tại điểm khảo sát với đặc tính của yếu tố đàn hồi (hình 1.2):

dP
K =tgv = —

a

Nếu đặc tính đàn hồi là tuyến tính thì:

K= P = const
f

đ) Độ nhạy của yến tố đàn hồi
Là đại lượng ngược với độ cứng:

sett min (1.5)
IP "1

hay:

S= đ “a ,rad/nun (1.6)

dM

Trong các dụng cụ cơ khí chính xác và quang học, để thay đổi độ cứng (hay
độ nhạy) và để nhận được đặc tính cần thiết của cụm các yếu tố đàn hồi, người ta
sử dụng chuỗi nối tiếp, chuỗi song song bay chuỗi hỗn hợp các yếu tố đàn hỏi.

Dưới đây ta lần lượt xét các chuỗi đó:
+ Chuỗi nối tiếp các yếu tố đàn hồi
Trong chudi này mỗi một yếu tố dan hồi cùng chịu tác dụng của lực tác dung
P (hình 1.3 a).

Đặc tính của khối

mm ff

Hình 1.3 a. Chuỗi nối tiếp các yếu tố đản hồi.

Độ nhạy:

Do đó:
12

's.-¥S, (1.7)

Vậy: Khi nối tiếp, các yếu đàn hồi độ nhạy của khối bằng tổng các độ nhạy
của các yếu tố đàn hồi riêng biệt.

Độ cứng:

K,= a
Ss

vst (1.8)

Đặc tính tổng cộng của khối có thể tìm bằng cách cộng đồ thị biến dạng của
các yếu tố đần hồi riêng biệt f,, f;,..., f„ khi chịu tải trọng P:

f= dé (1.9)
it

+ Chuỗi song song các yếu tố đèn hồi:

Trong chuỗi này biến dạng của các yếu tố đàn hồi riêng biệt là như nhau và
bang biến dạng chung của khối (hình 1.3 b):

Đặc tính của khối

Suy ra:

f f. P= f =

P=. P, = =, n

t $2

Do đó: Lực tác dung lên mỗi yếu tố đàn hồi trong chuỗi song song tý lệ

nghịch với độ nhạy của chúng:

P= YP, = (1.10)

(1.11)

Vậy khi nối song song các yêu tố đàn hồi, độ nhạy tổng cộng bị giảm đi, còn
độ cứng tổng cộng của khối bằng tổng độ cứng của chúng:
EL a1 ẻ
` (1.12)

+ Chuối hẳn hợp các yếu tố dàn hồi:

Khi nối hỗn hợp các yếu tổ đàn hồi. độ cứng và độ nhạy của chúng được xác
định riêng đối với cụm song song, sau đó khảo sát khối đó như chuỗi nối tiếp.

2. Phân loại các yếu tố đàn hổi

Các yếu tố đàn hồi có thể được phân loại theo các đặc điểm khác nhau.

2.1. Phản loại theo công dụng
Các yếu tố dan hồi được chia thành ba nhóm.

Là xở lực: (Tích luỹ năng lượng)

Năng lượng được tích luỹy trong lúc biến dạng sơ bộ các lò xo này, chúng
được dùng để dẫn hệ thống động của cơ cấu quay về vị trí ban đầu.

L6 xo đo lường: (Các yếu tố nhạy đàn hồi)

Các lò xe này được dùng trong các dụng cụ đo để tạo thành lực và mô men
góc xốn @) đánh giá về trị
phan tac dụng. Theo trị số biến dạng (độ võng f hay
số của lực hay mê men tác đụng lên lò xo.

Các yếu tổ Hiên kết đàn hồi:

Chúng được dùng để cách ly rung động của cơ cấu và làm giảm và đập bằng
cách thay thể liên kết cứng giữa các chỉ tiết của dụng cụ bằng liên kết đàn hồi.

Vi du: dém dan hồi, bộ giảm chấn lồ xo và cao su, khớp bản lễ đàn hồi, các
phần tử của khớp nối lờ xo và đàn hồi

14

2.2. Phán loại theo biến dạng của vật liệu
Theo biến dạng của vật liệu được chia thành ba loại:
- Lồ xo chịu uốn
- Là xo chịu xoắn
- Lồ xo biển dạng phức tạp.

§2. LO XO LA PHANG

1. Khái niệm
Lò xo lá phẳng chịu uốn, chịu được tải nhỏ, có độ võng khơng Jớn, thường có
tiết điện hình chữ nhật và hình trịn. Lồ xo lá phẳng được dùng trong các thiết bị
tiếp xúc điện, để làm gối tựa đàn hồi, sống trượt đàn hồi, cơ cấu truyền khuếch
đại, để treo các dụng cụ chính xác.
Ví dụ:

Lò xo lá phẳng được dùng trong thiết bị tiếp xúc điện (hình 1.4 a).
Lị xo lá phẳng trong gối tựa đàn hồi (hình 1.4 b) và trong sống trượt
đàn hồi (hình 1.4 c).
Để chế tạo lò xo lá phẳng, dùng băng thép được gia cơng nhiệt, có chiểu dày
0,08 + 1,5 mm chiéu rong 1,6 + 8 nm. Vi du bang thép 65T, Y8A va YIOA, con
đối với lò xo quan trọng hơn dùng băng thép 60C2A va 70C2A.

a)
Hinh 1.4. Lo xo la phang.

bỳ €)

Hình 1.4 (tiếp theo).

2. Tính tốn lỏ xo lá phẳng
Lị xo lá phẳng có sơ đồ tính tốn có thể coi như đầm tiết điện khơng đổi,
được ngàm một đầu và đầu kia chịu tải bởi tải trọng tập trung P.
Khi tính tốn lị xo cần xác định ứng suất ở tiết điện nguy hiểm hoặc độ võng
của lò xo ở các điểm khảo sát
Bài toán Hgược:
Xác dịnh trị số tải trọng P, cần sao cho lò xo võng theo trị số cho trước.

2.1. Lơ xo phẳng cơng xơn có tiết điện hình chữ nhật
Xét lồ xo có chiều rộng b, chiều đày h và chiều dài l (hình 1.5).

Ứng suất cực đại:

max

tronp đó: Mu... - mơ men uốn cực dai;

16

W - mơ men chống uốn-của tiết điện lị xo.

Om PI

ages

Ou. ee Slo, 6 6PI (1.13)

ey ¿

= == f
⁄⁄ 4 h oT `. 3 ye La

Y

1
7

Uy

Hình 1.5. Lị xo lả phẳng cơng xơn tiết diện hình chữ nhật.

Tải trọng cho phép lớn nhất: (1.14)
(1.16)
Sh fol
se
=> [l|=PJ=— Ifoo]l,

Độ võng đầu lò xo:

\ a 3

3, ap Oh. Ỷ

12

Thay gid tri [P| vao cơng thức trên tạ có;

Pe
[f]= él
bhỶ.E
(}= 2 2." "oelh,
Eh
3

trong đó: E - mơ đun đàn hồi của vật liệu lồ xo.
Bùi toán ngược
Khi biết tiết điện và chiểu dài lị xơ tìm lực cần thiết phải đặt vào lò xo để

đảm bảo độ võng yêu cầu:

P=—fEb—h*
.41

2.2. Là xo phẳng công xơn có tiết điện hình trịn
Lồ xo phẳng có tiết điện hình trịn có thể uốn cong được ở các hướng khác

nhau và có độ cứng lớn hơn so với lò xo lá riết điện hình chữ nhật (hình 1.6).

⁄ZA a | P

{ = = 7
WY -¬x -
⁄4 Soy tt

Hình 1.6. Lị xo lá phẳng cơng xơn tiết điện trịn.

Ứng suất cực đại:

Thay giá trị P„„, vào ta có: (1.17)

tl-==k†

2.3. Ứng suất nốn cho phép

Ứng suất uốn cho phép được xác định theo công thức sau:

(1.18)

trong đó:
n - hệ số an toàn độ bên;
y - hệ số chức năng của lò xo.

Hệ số an toàn bền được lấy phụ thuộc vào đặc tính của tải trọng:
Khi tải trọng không thay đổi: n = 2.
Khi tải trọng thay đổi chậm và điều hoà: n = 3.
Khi tải trọng thay đổi nhanh: n = 4.

Đối với các lò xo, được đùng để làm các yếu tố nhay của dụng cụ đo, cần lấy
hệ số an toàn bến pấp mười lần, để đảm bảo tác dụng đàn hồi của lò xo hơn

Hệ số chức năng của lò xo được lấy phụ thuộc vào mức độ quan trọng của lò
xo trong dụng cụ hay cơ cấu:

Khi mức độ quan trọng cao: y = 0,75.
Khi mức độ quan trọng tương đối cao: y = 0,9.
Khi mức độ quan trọng bình thường: y = |.

§3. LỒ XO XOẮN ACSIMET

1. Khái niệm

Lồ xo xoắn acsimet là băng kim loại được cuốn theo đường xoắn acsimet, tạo
thành mô men quay tắc dụng trong mặt phẳng vuông góc với trục lị xo.

Nó được dùng để tạo thành mơ men phản tác dụng trong các dụng cụ đo.
Các yêu câu đối với lò xo xoắn:
Lồ xo xoắn hay cịn gọi là lị xo mơ men là một trong những chỉ tiết quan
trọng nhất xác định chất lượng và độ chính xác của dụng cu, vì thế cấn phải thoả
mãn các yêu cầu sau:
- Mơ men M và góc xoắn @ cần phải tỷ lệ theo bậc nhất với nhau
- Tính chất đàn hỏi khơng thay đổi theo thời gian.
- Hệ số đãn nở nhiệt của vật liệu nhỏ,
- Biến dạng dư thô nhất.

19