Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
PHẠM HỒNG NAM
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
TRÊN TRỤC QUAY
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
000
PHẠM HỒNG NAM
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
TRÊN TRỤC QUAY
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
Mã số: 60520103
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014
PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Phạm Hồng Nam
Sinh ngày : 01 tháng 3 năm 1981
Nơi sinh : Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên
Học viên lớp cao học khóa K14-chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy-
Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
Hiên đang công tác tại Sở Công Thƣơng Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan những kết quả có đƣợc trong luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa. Ngoài
phần tài liệu tham khảo đã đƣợc liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là
do tôi thực hiện và chƣa đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trí dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014
Ngƣời thực hiện
Phạm Hồng Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
MỤC LỤC
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5
PHẦN MỞ ĐẦU 7
1. Tính cấp thiết của đề tài 7
2. Mục đích nghiên cứu đề tài 7
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 7
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài 7
5. Phƣơng pháp nghiên cứu 8
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN 9
TRÊN TRỤC QUAY 9
1. Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay 9
2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay 12
3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế 14
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY 17
I. Phân tích yêu cầu bài toán: 17
1. Mục đích của đề tài 17
2 Lựa chọn kiểu trục quay 17
3. Phân tích bài toán 18
II. CảM BIếN BIếN DạNG (STRAIN GAUGE) 19
1. Cấu tạo strain gauge 19
2) Phân loại strain gauge 20
3) Thông số cơ bản và các đặc trƣng của strain gauge 21
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN 23
I. Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay) 23
1. Chức năng: 23
2. Tính toán thiết kế trục 23
3) Bản vẽ thiết kế trục quay 26
II. Nghiên cứu lựa chọn strain gauge 26
III. Ứng dụng mạch cầu Wheatstone trong việc biến đổi R của strain gauge thành
điện áp 28
IV. Lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ xử lý, nguồn và màn hình hiển thị 33
1. Lựa chọn bộ khuyếch đại 33
2. Lựa chọn hệ thống xử lý dữ liệu 35
3. Màn hình hiển thị 36
4. Nguồn cấp điện áp 38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
V. Tiến hành dán strain gauge 40
1. Chuẩn bị vật tƣ, dụng cụ 40
2. Các bƣớc tiến hành dán strain gauge 41
CHƢƠNG 4. XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BẰNG THỰC
NGHIỆM 46
I. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm 46
1. Mục đích: 46
2. Mô hình thí nghiệm 46
3. Thiết bị thí nghiệm 46
II. Kết quả thí nghiệm 47
1. Thí nghiệm khảo sát giá trị điện áp hiển thị khi đặt tải trọng đã biết. 47
2. Thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục quay. 48
3. Đánh giá kết quả và nhận xét 49
4. Kết luận và
hƣớng
nghiên cứu tiếp theo 49
5. Một số hình ảnh của thiết bị 50
6. Chƣơng trình cài đặt cho bộ xử lý ardunio 53
TÀI LIỆU THAM K
HẢO
57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cờ lê lực Tohnichi FHDS
Hình 1.2: Tua vít lực STC (TOHNICHI)
Hình 1.3: Dụng cụ đo mô men để đo lực đóng, mở chai.
Hình 1.4 là thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool
co.,INC
Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.
Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler
Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn trong việc kiểm tra động cơ
Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler
Hình 1.6d: Sơ đồ của nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn.
Hình 1.7: Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng vành góp
Hình 1.8: Hình ảnh tháo rời cảm biến mô men xoắn dùng vành góp slip ring
Hình 1.9:Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng biến áp quay
Hình 1.10: Nguyên lý cơ bản của cuộn dây bên trong
Hình 1.11: Hình vẽ cấu tạo bên trong của cảm biến mô men xoắn dùng biến áp quay
Hình 1.12. Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ
thống chuyển đổi , bộ lƣu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.
Hình 1.13.Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ
thống chuyển đổi , bộ lƣu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.
Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thƣờng gặp
Hình2.2: Mô hình bài toán
Hình 2.3: Mô tả lực tác dụng và biến dạng của dây dẫn
Hình 2.4: Cấu tạo một strain gaugse điển hình
Hình 3.1: Bản vẽ hình dạng và các ký hiệu kích thƣớc trên trục quay
Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay
Hình 3.3. Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay.
Hình 3.4: Phƣơng án dán strain gauge lên trục quay.
Hình 3.5: Bảng thông số và hình dáng strain gauge kiểu Z23-FA-2-350-11
Hình 3.6: Mạch cầu Wheatstone
Hình 3.7: Quarter-Bridge
Hình 3.8 : Sử dụng dummy gauge để tránh ảnh hƣởng của nhiệt độ
Hình 3.9: Ảnh hƣởng của điện trở dây dẫn ở mạch đo dạng Quarter-Brige
Hình 3.10: Half-Bridge
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của cầu 6 dây
Hình 3.13: Sơ đồ khối chức năng của IC 3B18
Hình 3.14 : Ô kết nối đầu vào 3B18
Hình 3.15. Bảng mô tả chân chức năng
Hình 3.17: Tùy chỉnh hệ số khuyếch đại
Hình 3.18. Hình ảnh cấu tạo bộ vi xử lý andunio
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Hình 3.19. Sơ đồ mạch led 7 đoạn\
Hình 3.20: Sơ đồ khối màn hình hiển thị
Hình 3.21: Sơ đồ mạch nguồn
Hình 3.22 : Keo dán Extra 4000-Showa và băng dính Scotch
Hình 3.23. Ảnh trục mẫu sau khi gắn strain gauge.
Hình 3.24. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng
màn hình hiển trị Daytronic 3570.
Hình 3.25. Hình ảnh thiết bị đo mô men xoắn do học viên thiết kế, chế tạo
Hình 3.26. Hình ảnh kết nối thành công strain gauge với bộ nguồn, bộ khuyếch đại, vi
xử lý và màn hình hiển thị
Hình 3.27. Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo mô men xoắn trên truc quay lên bộ truyền
động tạo mô men xoắn
Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn kết quả đo mô men hiển thị qua giá trị điện áp V0
Hình 4.3. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng
màn hình hiển trị Daytronic 3570.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Dụng cụ đo lƣờng đã
có những bƣớc tiến lớn về chất lƣợng, kết cấu và sự thuận tiện khi sử dụng. Cụ
thể nhƣ về độ chính xác phép đo, phƣơng pháp đo, cơ chế hiển thị kết quả đo,
khả năng tích hợp với máy in, máy vi tính, khả năng thu phát không dây.
Thiết bị đo lƣờng thƣờng đƣợc phân thành các nhóm nhƣ: đo lƣờng nhiệt,
đo lƣờng áp suất, đo lƣờng lực và mô men, đo lƣờng độ cứng, đo lƣờng độ dài,
đo lƣờng các chỉ tiêu hóa lý, đo dung tích, đo khối lƣợng, đo bức xạ hạt nhân…
Thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dựa trên nguyên lý mạch cầu
wheatston, tín hiệu đầu ra từ các cảm biến biến dạng đƣợc kết nối với bộ
khuyếch đại 3B18 của hãng Analog divices, vi xử lý Ardunio đã giảm đáng kể
công việc tính toán thiết kế cơ khí, tăng độ chính xác của thiết bị.
Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để thiết kế chế tạo các thiết bị đo mô men
xoắn, ứng dụng các strain gauge vào công tác đo biến dạng trên trục quay, lựa
chọn bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu đo cho mạch cầu hai tay và mạch cầu 4
tay (Half- Bridge và full-Bridge).
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dải đo 0 Nm-
500Nm.
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
* Đối tượng nghiên cứu:
- Các loại strain gauge.
-Thiết kế trục chịu xoắn thuần túy
- Nguyên lý mạch cầu wheatston.
- Kỹ thuật gắn strain gauge trên trục quay, kết nối ngõ ra của strain
gauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
* Ý nghĩa khoa học của đề tài:
-Xây dựng và thử nghiệm đƣợc công nghệ dán strain gauge trên bề mặt
trục chịu xoắn bằng nhôm. Lựa chọn và thử nghiệm thành công sử dụng strain
gauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Xác định đƣợc môđul 3B18 khuyếch đại tín hiệu điện áp vô cùng bé từ
strain gauge để có thể hiển thị đƣợc kết quả đo mô men xoắn.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả của đề tài dùng làm cơ sở để thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men
xoắn trên trục quay.
- Sản phẩm đề tại làm dụng cụ đo mô men xoắn sử dụng trong thực hành,
thí nghiệm tại trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
TRÊN TRỤC QUAY
1. Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay
Thiết bị đo mô men xoắn đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp
và chế biến chế tạo, sửa chữa nhƣ: thiết bị cầm tay, thử động cơ máy công cụ,….
Đa số các thiết bị đo mô men xoắn chủ yếu đƣợc nhập khẩu từ các nƣớc:
Mỹ (hãng Futex), Anh, Ấn Độ, Trung Quốc Các thiết bị này sử dụng phƣơng
pháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn. Biến dạng trên trục
quay đƣợc xác định nhờ các strain gauge dán trên trục và hoạt động dựa theo
nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Gia công và chế tạo những thiết bị
này tƣơng đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao.
Thiết bị đo mô men xoắn hiệu có trên thị trƣờng có thể chia làm 2 loại:
Thiết bị đo mô men xoắn tĩnh và thiết bị đo mô men xoắn động.
Mô men là một lực quay, mô men xoắn coi là tĩnh nếu nó không có gia
tốc góc. Ví dụ nhƣ các mô-men xoắn sinh ra bởi một lò xo đồng hồ sẽ là một
mô-men xoắn tĩnh. Tuy nhiên việc xác định mô men tĩnh và mô men động còn
phụ thuộc vào vị trí đo. Ví dụ mô-men xoắn đƣợc sinh ra bởi động cơ xe ô tô sẽ
có cả hai loại tĩnh và động. Nếu mô-men xoắn đƣợc đo ở trục khuỷu sẽ là mô
men động, vì nó có dao động lớn do mỗi khi nhiêu liệu cháy trong xi lanh sẽ
sinh ra lực tác dụng lực lên đầu piston làm trục khuỷu quay. Nếu mô-men xoắn
đƣợc đo các ổ trục nó sẽ gần nhƣ tĩnh vì quán tính quay của bánh đà và bộ
truyền dẫn sẽ làm giảm mức độ dao động.
Các thiết bị đo mô men xoắn ngày nay thƣờng có cấu tạo gồm các thành
phần chính nhƣ sau:
- Trục xoắn có dán strain gauge và các mặt bích để lắp lên thiết bị cần đo;
- Bộ khuyếch đại tín hiệu từ cảm biến
- Bộ xử lý tín hiệu đo, hiển thị kết quả
- Nguồn cấp điện;
- Lớp vỏ bảo vệ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
a) Một số thiết bị đo mô men xoắn tĩnh:
Hình 1 .1: Cờ lê lực Tohnichi FHDS
Hình 1.2: Tua vít lực STC (TOHNICHI)
Hình 1.3: Dụng cụ đo mô men để đo lực đóng, mở chai.
, đồ uống.
Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn
loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.
Trên hình 4 là thiết bị đo mô men xoắn loại
ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool
co.,INC. Hoạt động theo nguyên lý biến áp
quay. Sử dụng cảm biến, truyền dữ liệu bằng
bluetooth, thích hợp với kiểm tra mô men xoắn
đầu ra, độ chính xác ±1%, sử dụng pin để cấp
điện cho cơ cấu (10 h chạy/2h xạc). Giá tham
khảo: Với loại ST10N2 là 2904 USD.
Hình 1.4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
b) Thiết bị đo mô men xoắn động
Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503
A của hãng Kitsler
Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn
trong việc kiểm tra động cơ
Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler
Hình 1. 6d: Sơ đồ của nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựa
trên nguyên lý biến áp quay. Thƣờng đƣợc dùng trong việc giám sát kiểm tra
động cơ điện.
2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay
a) Dùng strain gauge tích hợp với vành góp (slip ring):
Phƣơng án này thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo thiết bị đo mô men xoắn.
Để kết nối các strain gauge trên trục quay với phần tĩnh ngƣời ta sử dụng chổi
quét bằng Bạc-Graphit tiếp xúc với cổ góp. Chổi quét và cổ góp có nhiệm vụ
đƣa điện áp kích thích vào và nhận tín hiệu điện áp ra từ mạch cầu. Các strain
gauge đƣợc kết nối thành mạch cầu wheatstone và dán trên trục xoắn nhƣ sơ đồ
nguyên lý.
+ Ƣu điểm: Có lợi thế khi sử dụng đƣợc cả dòng xoay chiều và một chiều
để kích thích mạch cầu, hoạt động với mọi tốc độ;
+ Nhƣợc điểm: Tốc độ trục quay khá cao, trong quá trình họa động có ma
sát giữa chổi quét và cổ góp nên gây mòn chổi quét, nhiễu động, độ chính xác
không cao.
Hình 1.7: Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng vành góp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Hình 1.8: Hình ảnh tháo rời cảm biến mô men xoắn dùng vành góp slip ring
b) Dùng strain gauge tích hợp với biến áp quay:
Phƣơng pháp này hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng để truyền tín hiệu
điện. Thiết bị sử dụng 2 máy biến áp. Một máy biến áp dùng để truyền dòng
điện xoay chiều (AC) kích thích cho mạch cầu. Máy biến áp còn lại để truyền tín
hiệu đầu ra của mạch cầu. Khi có điện áp kích thích cho cuộn dây sơ cấp thì từ
trƣờng biến thiên tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Ở đây
hai máy biến áp thay thế cho 4 vòng trƣợt và chổi than, trong quá trình hoạt
động cũng không có sự tiếp xúc trực tiếp. Tín hiệu đƣợc truyền qua khoảng cách
không khí giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp nhƣ hình vẽ.
Ƣu điểm: Tín hiệu ổn định, cho độ chính xác cao, bảo trì ít hơn so với
phƣơng pháp vành góp (slip rings). Nhƣợc điểm: độ chính xác của thiết bị phụ
thuộc vào khoảng cách của 2 cuộn dây trong biến áp. Khó chế tạo, giá thành
thiết bị cao.
Ứng dụng: Thƣờng đƣợc sử dụng cho các cơ cấu quay với tốc độ cao, các
cơ cấu đo cần độ chính xác cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Hình 1.9:Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng biến áp quay
Hình 1.10: Nguyên lý cơ bản
của cuộn dây bên trong
Hình 1.11: Hình vẽ cấu tạo bên trong của cảm
biến mô men xoắn dùng biến áp quay
3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế
a) Lựa chọn phương án thiết kế
Trên cơ sở 2 phƣơng án thiết kế đo mô men xoắn ở trên em nhận thấy
phƣơng pháp dùng vành góp (slip rings) có nhiều nhƣợc điểm nhƣ đã nêu ở trên.
Phƣơng pháp dùng biến áp quay có nhiều ƣu điểm nhƣng khó chế tạo và đòi hỏi
độ chính xác cao nên không lựa chọn thiết kế.
Để giải quyết bài toán đo mô men xoắn phù hợp với thực tế của đề tài tác
giả đề xuất phƣơng án mới nhƣ sau:
Dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi, lưu trữ dữ liệu và
hiển thị gắn trên trục quay:
Phƣơng pháp này giống hai phƣơng án trên ở chỗ các strain gauge đƣợc
gắn trên trục quay nhƣng khác là nguồn nuôi điện áp cho mạch cầu và nhận tín
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
hiệu điện áp từ mạnh cầu thông quay bộ khuyếch đại. Sau đó tín hiệu điện áp
sau khuyếch đãi đƣợc truyền đến bộ xử lý và truyền đến màn hình hiển thị và
lƣu trữ dữ liệu. Toàn bộ các thiết bị trên đƣợc gắn trên trục quay.
Ƣu điểm: dễ dàng hiệu chỉnh, trong cơ cấu không có bộ phận chuyển
động, ít nhiễu động do đó đảm bảo đƣợc độ chính xác của thiết bị.
Nhƣợc điểm: Cần có lớp bảo vệ các thiết bị điện tử, thƣờng xuyên phải
nạp pin do phải cấp nguồn điện áp nuôi bộ hiển thị và lƣu trữ dữ liệu.
Phƣơng án dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi và lƣu trữ
dữ liệu gắn trên trục quay phù hợp với thực tiễn. Công tác thiết kế, chế tạo trục
xoắn có thể thực hiện ngay tại xƣởng cơ khí không yêu cầu các máy chuyên
dùng, các thiết bị khuyếch đại, bộ xử lý và bộ lƣu trữ dữ liệu có thể lựa chọn loại
thích hợp đƣợc bán rộng rãi trên thị trƣờng.
Hình 1.12: Sơ đồ khối hệ thống đo mô men xoắn dùng dùng strain gauge tích
hợp với hệ thống chuyển đổi bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay
STRAIN GAUGE
BRIDGE
BỘ KHUYẾCH
ĐẠI
BỘ XỬ LÝ
LƢU TRỮ DỮ LIỆU
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
b) Cấu tạo thiết bị
Hình 1.13. Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ thống
chuyển đổi , bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.
Chú giải:
1: Trục chịu xoắn gắn liền mặt bích;
2: Bộ chuyển đổi và lữu trữ dữ liệu;
3: Strain gauge bridge;
4: Nguồn và bộ xử lý ARDUINO.
c) Phương án lắp đặt đo mô men xoắn
Để đo mô men xoắn thì trục sẽ đƣợc nối với với cơ cấu truyền mô men
xoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu. Dƣới tác dụng của mômen xoắn
truyền từ trục động cơ đến hộp giảm tốc qua trục xoắn và đến cơ cấu hãm làm
trục đo biến dạng. Sự biến dạng này tỷ lệ với mô men. Nhƣ vây việc xác định
đƣợc biến dạng của trục đo cũng chính là xác định mômen của cơ cấu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY
I. Phân tích yêu cầu bài toán:
1. Mục đích của đề tài
- Thiết kế đƣợc thiết bị đo mômen xoắn trên trục quay; Chế tạo đƣợc thiết
bị thử nghiệm. Nghiên cứu, lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ lƣu trữ dữ liệu và hiển
thị; Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các khả năng làm việc thiết bị
động vận hành ổn định độ chính xác của thiết bị.
2 Lựa chọn kiểu trục quay
Hình dáng, kết cấu của một số trục quay thƣờng gặp trong thiết kế, chế
tạo thiết bị đo mô men xoắn theo phƣơng pháp biến dạng tiếp xúc:
a. Trụ tròn đặc
b. Trụ tròn rỗng
c. Trụ tròn rỗng có vách
lõm
Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thường gặp
Để có đủ diện tích dán các strain gauge lên trục ta cần đƣờng kính ngoài
của trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến. Trục trụ đặc
đƣờng kính nhỏ không đáp ứng yêu cầu đặt ra. Trụ tròn rỗng có vách lõm sẽ tạo
thuận lợi cho quá trình dán strain gauge lên trục nhƣng mức độ biến dạng trên
cùng bán kính không đều.
Do đó tác giả lựa chọn dạng trục rỗng có mặt cắt hình vành khăn, kiểu
thiết kế hình b với ƣu điểm là: dễ chế tạo gia công; chịu xoắn tốt, kích thƣớc trục
đủ lớn để thuận tiện cho việc dán các strain gauge lên trục.
Nhƣợc điểm: không thể đo đƣợc giá trị mô men xoắn thấp, độ nhạy xoắn
kém. Tuy nhiên dải đo của thiết bị nghiên cứu khá lớn từ 0 Nm đến 500Nm nên
có thể chấp nhận đƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
3. Phân tích bài toán
Sau khi lựa chọn đƣợc hình dáng trục chịu xoắn ta có bài toán nhƣ sau:
Giả sử ta có trục tròn có mặt cắt hình vành khăn chỉ chịu xoắn thuần túy
với mô men xoắn M, đƣờng kính ngoài D, đƣờng kính trong d, chiều dài trục l
nhƣ hình vẽ 14.
Khi dán strain gauge theo phƣơng 45
o
so với đƣờng sinh của trục chịu
xoắn theo nguyên lý mạch cầu Wheatston. Dƣới tác dụng của mô men xoắn trục
biến dạng bị kéo hoặc nén theo phƣơng xiên một góc 45
o
so với đƣờng sinh. Do
ứng lực và biến dạng có quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định đƣợc ứng lực
khi đo biến dạng do nó gây ra.
Hình2.2: Mô hình bài toán
Ở đây trạng thái ứng suất tại một điểm trên trục tròn chịu xoắn là trạng
thái trƣợt thuần tuý với
1
=-
3
=
Áp dụng định luật Húc về biến dạng dài
u
=
E
1
=
G2
ở đây ta có G=
)1(2
E
(1)
Dƣới tác dụng của M
z
, trục chịu biến dạng xoắn trên mặt cắt ngang chỉ có
thành phần ứng suất tiếp tác dụng. Khi đó vòng tròn Mo có tâm trùng gốc tọa
).(
1
)(
1
31
EE
u
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
độ. Các phƣơng chính xiên góc 45
o
so với ứng suất tiếp. Do đo các strain gauge
dán trên trục chỉ chị biến dạng dài.
Nhƣ vậy ta có:
u
=
L
L
(2)
Cân bằng 1 và 2, thay │ │=
p
w
M
=
)1(
16
43
D
M
ta có
G=
L
L
.2
=
)1(
.8
43
DL
ML
Kiểm nghiệm điều kiện bền của trục:
Max │ │≤[ ] hay
p
w
M
≤[ ]; với W
p
=
16
3
D
(1-
4
);
43
1
16
D
M
≤[ ] vậy
D≥
3
4
1
16 M
[ ] - ứng suất tiếp cho phép, đƣợc xác định theo các cách
[ ]=
n
0
, ứng suất giới hạn của vật liệu, n- hệ số an toàn;
[ ]=
2
, nếu dựa vào thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất.
[ ]=
3
,nếu dựa vào thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng
II. Cảm biến biến dạng (strain gauge)
1. Cấu tạo strain gauge
Năm 1856, Lord Kelvin đã báo cáo rằng điện trở của dây đồng và thép
tăng lên khi chịu kéo. Nhận xét này đã tạo ra sự phát triển của cảm biến biến
dạng (strain gauge) vào năm 1939 tại học viện công nghệ Caliofornia và học
Viện Công nghệ Massachusetts. Ngày nay Strain gauge đƣợc chế tạo bằng bán
dẫn hay kim loại mà điện trở của nó thay đổi khi có tác động của ngoại lực.
Giả sử ta có dây dẫn với chiều dài L, chịu lực kéo (nén), lực kéo (nén)
làm biến dạng tƣơng ứng theo tỉ lệ, giả sử độ biến dạng là L. Kích thƣớc dây
dẫn biến dạng là L+ l hoặc L- l. Tỷ lệ
L
L
gọi là độ biến dạng.
Ví dụ: Khi một dây dẫn có chiều dài 100mm bị biến dạng, chiều dài biến dạng
là L =0,1mm vậy độ biến dạng là:
100
1,0
=0,001=1000.10
-6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
Hình 2.3: Mô tả lực tác dụng và biến dạng của dây dẫn
Các dây dẫn điện đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp khắc từ một lá kim loại
mỏng, tạo thành lƣới kim loại, mục đích nhằm tăng chiều dài dây dẫn chiều dày
lƣới kim loại từ 3-6 m. Lƣới kim loại đƣợc đặt trên một tấm nhựa mỏng từ 15-
16 m và đƣợc ép với 1 film mỏng.
Hình 2.4: Cấu tạo một strain gaugse điển hình
Khi có lực tác dụng trục quay bị biến dạng, các strain gauges dán trên trên
trục quay biến dạng theo nhờ đó tạo ra sự thay đổi điện trở của lƣới kim loại.
Quá trình thay đổi điện trở tỷ lệ với biến dạng của trục chịu xoắn. Lực tác dụng
đƣợc đo gián tiếp thông qua sự thay đổi thông số điện trở R của lƣới kim loại.
Sự thay đổi này tỷ lệ chính xác với lực tác dụng.
2) Phân loại strain gauge
Hiện nay, ngƣời ta sử dụng phổ biến 2 loại cảm biến biến dạng:
+ Cảm biến điện trở là loại cảm biến thụ động, đƣợc chế tạo từ vật liệu có
điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, có kích thƣớc nhỏ từ vài mm đến vài
cm và khi đo chúng đƣợc dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng. Chúng đƣợc sử
dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lƣờng cơ khí, hàng hải, hàng không, kiến trúc xây
dựng, y tế , sử dụng nhiều trong chế tạo loadcell, cảm biến đo moment, áp suất…
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
+ Cảm biến đầu đo dạng dây rung đƣợc dùng chủ yếu trong ngành xây
dựng. Đầu đo đƣợc làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa 2 điểm của cấu trúc
cần đo biến dạng. Tần số dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay
đổi khi khoảng cách giữa 2 điểm nối thay đổi.
3) Thông số cơ bản và các đặc trƣng của strain gauge
Điện trở của cảm biến đƣợc xác định bởi biểu thức:
R=
S
l
Phƣơng trình vi phân
S
S
L
L
R
R
Biến dạng dọc DL của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan
hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc có dạng
L
L
d
d
b
b
a
a
; Tiết diện ngang của dây S=a.b hoặc S=
4
2
d
ta có
L
L
S
S
2
mặt khác, đối với đầu đo kim loại:
V
V
C
;
C là hằng số Bridman; V: Thể tích dây; vì V=S.L ta có
21(
V
V
)
L
L
Vậy ta có:
L
L
K
L
L
C
R
R
.)21(21
Hệ số K đƣợc gọi là hệ số đầu đo (Gauge factor). Giá trị xác định theo
biểu thực: K=1+2 +C(1-2 ); Với
3,0
; C
3
thì K
2
Ta có Mối liên hệ giữa R và :
L
L
GFR
R
.
* Các đặc trƣng chủ yếu
- Điện trở suất: Điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không
quá dài làm tăng kích thƣớc cảm biến và tiết diện dây không quá bé làm giảm
dòng đo dẫn đến làm giảm độ nhạy.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
- Hệ số đầu đo (Gauge factor): thƣờng đƣợc ký hiệu là GF hoặc K và
đƣợc xác định nhƣ sau: GF=
L
L
R
R
Thông thƣờng GF=2-3, ngoại trừ Iso-Elastic có GF=3.5 và Platin-
vonfram GF=4.1
- Ảnh hƣởng của lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu
đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới
hạn đàn hồi, khi l/l>0.5%-20% tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo GF =2.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Nói chung GF ít chịu ảnh hƣởng của nhiệt
độ, ngoại trừ isoelastic. Trong khoảng nhiệt độ từ -100
o
C 300
o
C sự thay đổi
của hệ số đầu đo GF theo nhiệt độ có thể biểu thị qua biểu thức:
GF
(T)=
GF
[1+
K
(T-
o
)]
GF
:
hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T
o
( thƣờng T
o
=25
o
C)
K
:hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì
K
=-0.04%/
o
C,
constantan
K
=+0.01%/
o
C.
- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở R
L
cảm biến còn có
các đoạn nhánh ngang có tổng độ dài l
t
, điện trở R
t
,
Các nhà sản xuất đã tiêu chuẩn hóa thông số điện trở của strain gauge với
3 mức điện trở là 120 Ω, 350 Ω và 1000 Ω,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
I. Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay)
1. Chức năng:
- Truyền mô men xoắn từ trục dẫn tới cơ cấu chấp hành
- Làm giá đỡ để lắp các thiết bị điện tử nhƣ: bộ khuyếch đại, bộ xử lý ,
nguồn và bộ hiển thị,
- Trục phải đảm bảo điều kiện bền khi chịu xoắn với mô men có giá trị
M
max
=500Nm.
2. Tính toán thiết kế trục
Để đảm bảo điều kiện bền và các chức năng của trục, em chọn vật liệu gia
công trục là nhôm, sau khi rèn đạt
b
=9000N/cm
2
Hình 3.1: Bản vẽ hình dạng và các ký hiệu kích thước trên trục quay
- Tính đƣờng kính trục D
0
và d
1
.
+ Ứng suất tiếp tại thanh tròn.
Max │ │≤[ ] hay
p
w
M
≤[ ]; với W
p
=
16
3
0
D
(1-
4
);
4
3
0
1
16
D
M
≤[ ] vậy
D
0
≥
3
4
1
16M
Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất [ ]=
2
, vậy [ ] = 4.500N/cm
2
.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
[ ] - ứng suất tiếp cho phép của vật liệu chọn là 4.500N/cm
2
.
D
0
≥
3
4
555,013,141599000
000.5016
=4,07cm; chọn D
0
=4,32cm, d
1
=2,4cm; Tính đƣợc
=
D
d
=0,555
- Tính mô men xoắn lớn nhất khi D
0
=4,32cm
Từ biểu thức M
max
=max│ │×Wp=[ ]×
16
3
0
D
(1-
4
)= 9000×
16
32,414159,3
3
×(1-
4
)= 644,49 Nm
- Tính đƣờng kính bu lông d1 và đƣờng kính D
2
:
Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay
Giả sử chiều mô men nhƣ hình vẽ:
Theo nguyên lý cộng tác dụng: F
1
=F
2
=F
3
=F
4
=F
Ta có M
max
=
4
2
2
max
F
D
; Vậy F
max
=
4
2
2
max
D
M
=
412,0
52,6442
=2.865,39 N
Tính điều kiện bền để thân bu lông không bị cắt;
F
max
=
4
1
d
×[ ]; với [ ]=4500 N/cm
2
.
