Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ điện tử cho việc xác định tính năng ma sát cặp vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN
TỬ CHO VIỆC XÁC ĐỊNH TÍNH NĂNG MA SÁT
CẶP VẬT LIỆU

NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
MÃ SỐ
ĐẶNG THÁI VIỆT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS PHAN XUÂN MINH
HÀ NỘI 2007


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

1

MỤC LỤC

2

MỞ ĐẦU

3

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ MA SÁT

5

I.1.

TỔNG QUAN

5

I.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

6

I.3.

HỆ SỐ MA SÁT

7

I.3.1. Quan hệ giữa hệ số ma sát và áp suất pháp tuyến.

7

I.3.2. Quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ trượt.

8

MA SÁT KHƠNG CĨ CHẤT BƠI TRƠN

10

1.4.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN CƠ KHÍ

12

II.1. NHỮNG YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐO HỆ SỐ MA

12

SÁT
II.2. CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT

13

II.2.1.

Phương án I.

14

II.2.2.

Phương án II.

14

II.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT
II.3.1.

Tính chọn động cơ:

15
15

II.3.2. Tính chọn bộ truyền đai

16

II.3.3. Tính tốn trục

17


CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

21

III.1. CẢM BIẾN ĐO LỰC.

21

III.1.1. Cấu tạo và nguyên lý

21

III.1.2. Đặc tính kỹ thuật của Sensor

22

III.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI VÀ HIỆN THỊ SỐ

23

III.3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ.

24

III.3.1. Động cơ bước

25

III.3.2. Đặc tính động cơ bước

26

III.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

28

III.4.1 Nguyên tắc chung 29

29

III.4.2. Phương pháp điều khiển động cơ bước29

29

III.4.3. Vấn đề về sự trượt bước 32

32

III.4.4. Ưu điểm động cơ bước: 33

33

III.5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC.

34

III.5.1. Cấu trúc mạch nguyên lý: 34

34

III.5.2. Điều khiển động cơ bước dùng IRF 540.

36

III.5.3. Khối xử lí trung tâm 37

37

III.5.4. Khối giao tiếp nối tiếp RS232: 38

38

III.5..5. Khối nguồn: 39

39


III.6. VI ĐIỀU KHIỂN 41
III.6.1.

Nguyên tắc điều khiển động cơ bước của vi xử lý: 41

41
41

III.6.2. Nguyên tắc đọc và xử lý dữ liệu từ cảm biến 42

42

III.6.3. Thuật toán cho vi điều khiển 45

45

III.6..4. Tính chọn chip vi xử lý AT89S52 46

46

CHƯƠNG 4.

55

THIẾT KẾ GIAO DIỆN TRÊN MÁY TÍNH PC.

IV.1. NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN TRÊN MÁY VI

57

TÍNH 57
IV.2. TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO TRÊN CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN

57

IV.3. XUẤT BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

57

IV. 4. THUẬT TỐN CHO CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH

61

IV.5. GIAO DIỆN VÀ CÁCH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH

62

IV.5.1

Form mở đầu 63

63

IV.5.3.

Form đo theo tải trọng 64

64

IV.5.4.

Form tổng hợp theo vận tốc 65

65

IV.5.5 Form tổng hợp theo tải trọng 66

66

CHƯƠNG 5. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐO THỰC NGHIỆM

67

V.1. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG THẲNG BIỂU DIỄN SỰ

67

TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN
V.1.1. Chuẩn thiết bị đo

68

V.2. KẾT QUẢ TÍNH HỆ SỐ MA SÁT TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT

69

V.2.2. Trong trường hợp các chi tiết cơ khí thơng thường

70

V.3. KẾT QUẢ ĐO

71

V.3.1.

Kết quả hệ số ma sát theo vận tốc

73

V.3.2.

Kết quả hệ số ma sát theo tải trọng

74

V.3.3. Kiểm nghiệm tính hệ số ma sát giữa 2 mẫu vật liệu là thép 45

75

KẾT LUẬN

77

PHỤ LỤC

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO

105


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện
dựa trên sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo
trích dẫn

Học viên

Đặng Thái Việt

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

1

MỤC LỤC

2

MỞ ĐẦU

3

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ MA SÁT

5

I.1.

TỔNG QUAN

5

I.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

6

I.3.

HỆ SỐ MA SÁT

7

I.3.1. Quan hệ giữa hệ số ma sát và áp suất pháp tuyến.

7

I.3.2. Quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ trượt.

8

MA SÁT KHƠNG CĨ CHẤT BƠI TRƠN

10

1.4.

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN CƠ KHÍ

12

II.1. NHỮNG YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐO HỆ SỐ MA

12

SÁT
II.2. CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT

13

II.2.1. Phương án I.

14

II.2.2. Phương án II.

14

II.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT

15

II.3.1. Tính chọn động cơ:

15

II.3.2. Tính chọn bộ truyền đai

16

II.3.3. Tính tốn trục

17

CHƯƠNG III:

21

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

III.1. CẢM BIẾN ĐO LỰC.

21

III.1.1. Cấu tạo và nguyên lý

21

III.1.2. Đặc tính kỹ thuật của Sensor

22

III.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI VÀ HIỆN THỊ SỐ

23

III.3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ.

24

III.3.1. Động cơ bước

25

III.3.2. Đặc tính động cơ bước

26

III.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

28

III.4.1 Nguyên tắc chung

29

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

2


III.4.2. Phương pháp điều khiển động cơ bước

29

III.4.3. Vấn đề về sự trượt bước

32

III.4.4. Ưu điểm động cơ bước.

33

III.5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC.

34

III.5.1. Cấu trúc mạch nguyên lý.

34

III.5.2. Điều khiển động cơ bước dùng IRF 540.

36

III.5.3. Khối xử lí trung tâm.

37

III.5.4. Khối giao tiếp nối tiếp RS232.

38

III.5..5. Khối nguồn.

39

III.6. VI ĐIỀU KHIỂN

41

III.6.1. Nguyên tắc điều khiển động cơ bước của vi xử lý.

41

III.6.2. Nguyên tắc đọc và xử lý dữ liệu từ cảm biến.

42

III.6.3. Thuật toán cho vi điều khiển.

45

III.6..4. Tính chọn chip vi xử lý AT89S52.

46

CHƯƠNG IV.

55

THIẾT KẾ GIAO DIỆN TRÊN MÁY TÍNH PC.

IV.1. NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN TRÊN MÁY VI

57

TÍNH.
IV.2. TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO TRÊN CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN

57

IV.3. XUẤT BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

57

IV. 4. THUẬT TỐN CHO CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH

61

IV.5. GIAO DIỆN VÀ CÁCH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH

62

IV.5.1 Form mở đầu.

63

IV.5.3.Form đo theo tải trọng.

64

IV.5.4. Form tổng hợp theo vận tốc.

65

IV.5.5 Form tổng hợp theo tải trọng.

66

CHƯƠNG V. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐO THỰC NGHIỆM

67

V.1. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG THẲNG BIỂU DIỄN SỰ

67

TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN
V.1.1. Chuẩn thiết bị đo

68

V.2. KẾT QUẢ TÍNH HỆ SỐ MA SÁT TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT

69

V.2.2. Trong trường hợp các chi tiết cơ khí thơng thường

70

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

3


V.3. KẾT QUẢ ĐO

71

V.3.1. Kết quả hệ số ma sát theo vận tốc

73

V.3.2. Kết quả hệ số ma sát theo tải trọng

74

V.3.3. Kiểm nghiệm tính hệ số ma sát giữa 2 mẫu vật liệu là thép 45

75

KẾT LUẬN

77

PHỤ LỤC

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO

105

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sơ đồ ngun tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào áp suất

Hình 1.2.

Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc trượt
µ = f (V )

Hình 1.3.

Phân loại các dạng ma sát

Hình 2.1.

Kết cấu máy đo có mẫu với đường kính khác nhau

Hình 2.2.

Kết cấu máy đo với mẫu có cùng đường kính

Hình 2.3.

Biểu đồ mơmen

Hình 2.4.

Mơ hình máy đo ma sát MS 2007

Hình 3.1.

Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế

Hình 3.2.

Sơ đồ cảm biến vi cơ đo lực và hoạt động

Hình 3.3.

Sơ đồ chân cảm biến

Hình 3.4.

Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập dữ liệu đo

Hình 3.5.

Sơ đồ chân ICL7107

Hình 3.6.

Động cơ bước

Hình 3.7.

Động cơ 2 pha

Hình 3.8.

Momen của động cơ bước

Hình 3.9.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước.

Hình 3.10.

Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước

Hình 3.11.

Giản đồ xung cấp điều khiển1 pha

Hình 3.12.

Giản đồ xung cấp cấp điều khiển 2 pha

Hình 3.13. Giản đồ xung cấp điều khiển nửa bước
Hình 3.14.

Chống dao động bước

Hình 3.15.

Sơ đồ điều khiển động cơ VR

Hình 3.16.

Mạch nguyên lý điều khiển một cực của động cơ

Hình 3.17.

Sơ đồ chân ULN2003

Hình 3.18.

Sơ đồ chân IRF

Hình 3.19.

Sơ đồ mạch cách ly

Hình 3.20.

Sơ đồ mạch khối vi điều khiển

Hình 3.21.

Sơ đồ mạch khối giao tiếp PC

Hình 3.22.

Sơ đồ mạch khối nguồn

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

5


Hình 3.23.

Sơ đồ Capture.

Hình 3.24.

Điều khiển cả bước – cấp xung từng pha

Hình 3.25.

Điều khiển cả bước – cấp xung 2 pha

Hình 3.26.

Thiết Bị Chỉ Thị Số

Hình 3.27. Quá trình đọc 22 bit từ cảm biến,tổ hợp thành 3 số và truyền lên máy
tính
Hình 3.28.

Lưu đồ thuật tốn vi điều khiển

Hình 3.29.

Sơ đồ chân AT89S52

Hình 3.30.

Sơ đồ khối của AT89S52

Hình 3.31.

Sơ đồ mạch chương trình nạp cho vi điều khiển

Hình 3.32.

Chương trình Keil C

Hình 4.1.

Báo cáo kết quả thí nghiệm (dạng file Word)

Hình 4.2.

Báo cáo tổng hợp kết quả đo

Hình 4.3.

Lưu đồ thuật tốn tổng thể của vi điều khiển

Hình 4.4.

Form mở đầu chương trình

Hình 4.5.

Form chương trình đo hệ số ma sát theo vận tốc

Hình 4.6.

Form chương trình đo hệ số ma sát theo tải trọng

Hình 4.7.

Form chương trình tổng hợp kết quả đo hệ số ma sát theo vận tốc

Hình 4.8

Form chương trình tổng hợp kết quả đo hệ số ma sát theo tải trọng

Hình 5.1.

Đồ thị thực nghiệm xác định độ tuyến tính sensor đo lực

Hình 5.2

Đo ma sát theo vận tốc hợp kim đồng và phíp

Hình 5.3

Đo ma sát theo vận tốc hợp kim đồng và thép C45

Hình 5.4

Đo ma sát theo tải trọng hợp kim đồng và gang

Bảng III.1

Bảng tính giá trị nạp lại cho Timer 0

Bảng III.2

Chức năng một số chân của Port 1

Bảng III.3

Chức năng một số chân của Port 3

Bảng III.4. Các loại biến thường dùng trong C
Bảng III.5. Một số loại biến dùng riêng
Bảng III.6. Thứ tự ưu tiên của các nguồn ngắt

Bảng III.7.

Các lệnh cơ bản

Bảng V.1.

Bảng số liệu đo để xây dựng phương trình đường thẳng

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

6


MỞ ĐẦU
I.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ma sát là hiện tượng vật lý xảy ra phổ biến trong đời sống và trong khoa học

kỹ thuật. Do vật, việc tìm hiểu và xác định chính xác mối quan hệ giữa ma sát với các
thông số kỹ thuật như vận tốc và tải trọng… là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, các
thiết bị xác định hệ số ma sát trong các trường đại học và cao đẳng cũng như các
phịng thí nghiệm cịn thiếu, hoặc rất đắt. Chính vì vậy, tác giả luận văn đi đến chọn
đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo mơ hình máy đo ma sát MS 2007 cho việc xác định
tính năng ma sát các cặp vật liệu.
II.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong việc xác định hệ số ma sát với lý thuyết ma sát cơ phân tử của viện sỹ

Kragelsky xây dựng thì phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Tuy nhiên, hai yếu tố vận tốc
và tải trọng là hai thông số phổ biến và tham gia thường xuyên trong quá trình hình
thành ma sát. Do vậy, việc nghiên cứu và đưa ra mơ hình hồn chình máy đo ma sát
MS 2007 giúp cho các sinh viên của các trường cao đẳng, đại học và trung học
chun nghiệp có một thiết bị thí nghiệm đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ và đảm
bảo các yếu tố kỹ thuật là một đề tài mang tính thời sự và cấp thiết.
III.

MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích của đề tài là chế tạo hoàn chỉnh máy đo ma sát MS 2007, cho phép

theo dõi kết quả hệ số ma sát của cặp vật liệu đo được dưới dạng bảng biểu và đồ thị
trên máy tính hoặc xuất ra bản in.
Đối tượng nghiên cứu gồm 3 phần thiết kế: thiết kế hệ thống cơ khí, thiết kế hệ
thống truyền động điện và hệ thống hiển thị và kết nối với máy tính.
IV.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Góp phần nghiên cứu và củng cố lý thuyết sự tương quan giữa hệ số ma sát

với 2 thông số tải trọng và vận tốc. Đưa ra phương pháp thiết kế hoàn thiện máy đo
ma sát MS 2007, một mơ hình thí nghiệm phù hợp cho giảng dạy và nghiên cứu ở các
trường đại học và cao đẳng.

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

7


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Phan Xuân Minh đã tận tình hướng
dẫn, cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn. PGS đã dành nhiều
thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi đề tác giả hoàn thành luận
văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự góp ý, chỉ dẫn của các thầy cơ trong bộ môn
Điều khiển tự động - Trường ĐHBK Hà nội đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học
tập, nghiên cứu và làm luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong, bộ môn Máy và Ma sát
học, Khoa Cơ khí, Trường ĐHBK Hà nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả
hoàn thành khoá học.

Học viên

Đặng Thái Việt

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

8


CHƯƠNG I:
I.1.

TỔNG QUAN VỀ MA SÁT

TỔNG QUAN
Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu đời. Sáng chế

đầu tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn và xe đẩy dùng
chuyên trở các vật liệu nặng. Trải qua nhiều thiên niên kỷ người ta đã cải tiến bổ sung

để các dụng cụ đó, tuy thơ sơ nhưng tiện dụng và giảm nhẹ sức lao động cho con
người. Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci (1452-1519)
trên các hiệu ứng ma sát và đưa ra khái niệm về hệ số ma sát. Những sơ đồ nguyên lý
nhằm giảm hệ số ma sát của ơng vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay.
Cho đến nay, về rất nhiều phương diện, ma sát vẫn còn là một điều bí ẩn.
Trong q trình ma sát và chỉ trong q trình đó đã đồng thời xẩy ra các q trình cơ
học, điện, nhiệt, hố và rung động. Ma sát có thể làm tăng hoặc làm giảm độ bền,
lượng cácbon trong kim loại, làm thấm hoặc làm mất hyđrô, biến đổi vàng, bạnh kim
thành ơxit, đánh bóng các chi tiết hoặc hàn chúng. Ma sát là một quá trình tự tổ chức,
trong đó các hiện tượng xẩy ra theo theo một trình tự xác định và hợp lý. Các hiện
tượng này dẫn đến sự phá huỷ bề mặt hoặc ngược lại tạo ra một hệ làm giảm độ mòn
và ma sát.
Hiện nay, ma sát là một trong những vấn đề cấp thiết nhất của thời đại. Chi phí
cho việc sửa chữa máy móc do mịn rất lớn và tăng lên hàng năm. Kéo dài tuổi thọ
của máy dù chỉ ở mức độ không lớn cũng ngang với việc đưa vào sử dụng một lực
lượng sản xuất đáng kể. Do vậy, vấn đề này đã được sự chú ý của người sử dụng và
các nhà bác học nhiều nghành khác nhau, nhằm đưa ra các biện pháp về thiết kế, công
nghệ và sử dụng để nâng cao tuổi thọ của máy và phát triển học thuyết về ma sát, mài
mịn và bơi trơn. Khoa học này đã được nghiên cứu rộng rãi trong các nhà máy các
trường đại học, các viện nghiên cứu và đã đạt được những thành tựu rất quan trọng.
Sử dụng những thành tựu ấy cho phép ta nâng cao rõ rệt tuổi thọ và độ tin cậy của
máy.

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

9


I.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Cũng như các môn khoa học khác, kỹ thuật ma sát không ngừng được phát

triển. Các giai đoạn phát triển ấy gắn liền với việc ra đời kỹ thuật đóng tàu, cơng
nghiệp gia cơng kim loại, giao thông đường sắt, công nghiệp ôtô, máy bay và vũ trụ.
Ở nước Nga, cơ sở của khoa học về ma sát, bơi trơn và mài mịn đã hình thành
từ khi thành lập viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.V. Lômônôxôv
đã thiết kế một thiết bị nghiên cứu sự dính kết giữa các phân tử của các vật. Thiết bị
này là tiền thân của các thiết bị hiện đại để nghiên cứu độ bền mòn của vật liệu. L.Ơle
đã có đóng góp lớn cho khoa học về ma sát. Những sự phụ thuộc khi ma sát của dây
đai qua bánh đai do ông đưa ra, cho đến nay vẫn được sử dụng trên khắp thế giới.
Những cơng trình nghiên cứu của N.P.Pêtrov về bơi trơn ổ trục cũng rất nổi tiếng.
Trong thời kỳ phát triển công nghiệp ở liên xô khoảng 20 năm gần đây đã hình
thành ba trường phái khoa học nghiên cứu quá trình ma sát và mài mòn của giáo sư
I.V.Cragenxky, giáo sư B.I.Cơxtexki và muộn hơn là của giáo sư V.A.Bêlưi.
Cơng trình cơ bản nghiên cứu về ma sát và mài mòn do giáo sư I.V.Cragenxki
và học trị của ơng phát triển cơng trình này, q trình mài mịn bao gồm ba hiện
tượng: Sự tương tác giữa các bề mặt ma sát, sự thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt và sự
phá huỷ chúng. Những hiện tượng không nối tiếp nhau mà xen kẽ ảnh hưởng lẫn
nhau.
B.I.Cơxtexki và các học trị đã xuất bản cuốn sách chuyên đề tổng hợp các kết
quả về vấn đề tạo ra cấu trúc thứ cấp khi ma sát trong điều kiện bôi trơn tới hạn, đồng
thời mở ra triển vọng sử dụng cấu trúc thứ cấp ấy như một màng bảo vệ các vất liệu
trong cặp ma sát khỏi bị phá huỷ.
V.A.Bêlưi đã nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme cho các kết cấu ma sát.
Nhiều kết quả rất bất ngờ. So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, mịn ít
hơn, ít bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ và tính cơng nghệ cao
hơn trong việc chế tạo các chi tiết. Khả năng làm việc của polyme trong điều kiện bôi
trơn bằng nước là một ưu điểm rất lớn so với kim loại. Tuy nhiên, sự thay thế kim
loại bằng polyme không phải lúc nào cũng có lợi. Đối với kết cấu ma sát, có triển

vọng nhất là sự kết hợp của polyme với các vật liệu khác.

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

10


I.3.

HỆ SỐ MA SÁT
Sự phát triển của khoa học ma sát cho phép tổng quát hoá về mối quan hệ phụ

thuộc giữa hệ số ma sát với điều kiện ma sát và những nhân tố khác.
I.3.1. Quan hệ giữa hệ số ma sát và áp suất pháp tuyến.
Quan hệ giữa hệ số ma sát và áp suất pháp tuyến thể hiện trên hình vẽ (2).
Quan hệ này có ba vùng đặc trưng
Vùng I : Đặc trưng cho một chuyển tiếp nào đó ứng với các trị số P nhỏ, trong đó
khơng có điều kiện bình thường hố hồn tồn q trình ma sát. Các giá trị áp suất ấy
khơng đủ để làm bền và tạo dải tới hạn là những điều kiện cần cho tính thích ứng của vật
liệu. Trong vùng chuyển tiếp, các lực có liên quan với sự dịch sát của các đoạn bề mặt đến
một khoảng cách bằng khoảng cách giữa các nguyên tử, sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc
tạo lực ma sát. Tỷ số

∆E
∆E
tiến đến giá trị cực tiểu min.
→ min
A
A

µ
µod
I

II

o

III
PTH

P

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào áp suất
pháp tuyến µ = f (P )
Vùng II: Là vùng chung nhất và quan trọng nhất, vùng ma sát bình thường.
Cường độ của các quá trình chuyển đổi và phá hoại bề mặt tiếp xúc là nhỏ nhất. Tỷ số
∆E
A

không đổi và nhỏ nhất
∆E
= Min
A

Năng lượng hấp thụ

để tạo dải và hoạt hoá các lớp bề mặt kim loại. Trạng

thái cân bằng của lớp đã được hoạt hoá đạt được do bão hồ của các chất hoạt tính có

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

11


trong vùng ma sát và do trao đổi nhiệt.Trong vùng ấy phần lớn công ma sát được biết
thành nhiệt.
A≈Q
Vùng III. Biến dạng và phá hoại các cấu trúc thứ cấp bảo vệ diễn ra mạnh
hơn, độ dầy của lớp tạo dải vuợt quá trị số giới hạn, quá trình phân rã các cấu trúc giả
bền của lớp kim loại v.v.. xuất hiện. Quan hệ giữa hệ số ma sát với áp suất pháp tuyến
có sai khác với quy luật tuyến tính. Trên vùng này, tỷ số

∆E
A

thay đổi và hướng tới

một giá trị cực đại nào đó, nghĩa là:
∆E
=max.
A

Chế độ bình thường được xác định bằng hệ số ma sát ổn định và hao mòn cho
phép (nhỏ nhất) diễn ra do sự hình thành các cấu trúc thứ cấp bên trong các bề mặt
kim loại chụi ma sát. Giới hạn của chế độ làm việc thường được xác định bởi trị số áp
suất pháp tuyến tới hạn Pth. Việc vuợt qua Pth sẽ dẫn đến hiện tượng tróc dập, cào
xước và những q trình khơng bình thường khác với cường độ khác nhau.
I.3.2. Quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ trượt.

Quan hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ trượt thể hiện trên hình vẽ (Hình 1.2)
Quan hệ này có ba vùng đặc trưng tương tự như quan hệ giữa hệ số ma sát với
áp suất pháp tuyến
Vùng I : Các q trình khơng bình thường, phát triển khi có hiện tượng tróc
( 0< V < Vth'' ).
Vùng II : Chế độ bình thường, ứng với hao mịn oxy hố ổn định
( V'th

≤V ≤V th ' )

Vùng III: Các q trình khơng bình thường, phát triển khi có hiện tượng tróc
nhiệt. (V> Vth'').
Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộcvào vận tốc trượt .

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

12


µ
µod
I
o

II

III
V" TH

V'TH

V

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc
trượt µ = f (V )
Vùng chế độ bình thường nằm giữa các tốc độ Vth' và Vth'' được đặc trưng bởi
giá trị ổn định của hệ số ma sát và hao mòn cho phép được quyết định bởi sự tối thiểu
hoá chiều dầy của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành các lớp cấu trúc thứ cấp.
I.3.3. Quan hệ giữa hệ số ma sát với các thông số ma sát khác
Khi máy làm việc bình thường, hệ số ma sát được quyết định bởi các thông số
ma sát như: Vật liệu và cơng nghệ chế tạo chúng, các kích thước của cặp lắp ghép,
kiểu và tính chất của vật liệu bơi trơn v, v.... Tác dụng tổng hợp của các thông số ấy
sẽ làm thay đổi các hàm số chủ yếu µ = f (P ) và µ = f (V ) ảnh hưởng này được xác
định bởi tập hợp các giá trị thông số véctơ . Trong trường hợp tổng qt, hệ số ma sát
được biểu diễn bằng tốn tử.

µ

= A{P ; v; }

Chỉ trong chế độ bình thường hệ số ma sát mới có thể được biểu diễn dưới
dạng hàm số của áp suất hay tốc độ trượt. Hàm này chỉ có ý nghĩa đối với một tổ hợp
nhất định các thông số.

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

13


µ = A { P, v , c }

µ = A { P, c}
v í i v = c ons t

µ =A { v , c }
v í i P = c ons t

k im l oạ i

mô i t r - ên g

k Ých t h - í c củ a cặp ma sá t

t h ời g ia i l à m vi ệc

n h iệt độ t i ếp x ú c

bôi t r ơn k hí

b ôi t r ơ n r ắn

ch ất ph á ho ạ i t ín h h o á h ä c (h t h h )

Ch Êt ph ¸ h oạ i t ín h bề mặt ( ht b m)

d ầu g ố c bô i t r ¬ n

ph - ¬ n g ph ¸ p gi a c ôn g

t ín h ch ất c ơ h ä c

c Êu t r ó c

t h µ n h ph ần h o á h ọ c

c

c ¸ c t h «n g s è k h¸ c

Hình 1.3. Phân loại các dạng ma sát
1.4.

MA SÁT KHƠNG CĨ CHẤT BƠI TRƠN
Ma sát khơng có chất bơi trơn xẩy ra ở các bộ phanh, truyền động ma sát,

trong kết cấu máy dệt, máy thực phẩm, máy hoá khi mà không dùng được chất bôi
trơn (sợ hỏng sản phẩm vì điều kiện an tồn) hoặc trong các máy làm việc ở nhiệt độ
cao khi mà bất kỳ chất bôi trơn nào cũng khơng thích hợp.
Ở dạng này ma sát có bản chất cơ học phân tử. Trên diện tích tiết xúc thực có
các lực hút phân tử tác dụng với khoảng cách lớn hơn hàng chục lần khoảng cách các
nguyên tử có trong mạng tinh thể và tăng lên theo nhiệt độ. Dù có hay khơng lớp đệm
nhớt (hơn nước, chất bẩn, chất bôi trơn) lực phân tử cũng dẫn đến sự bám dính. Sự
bám dính này xẩy ra giữa kim loại và màng ơxít hoặc có thể cịn do tác động của lực
hút tĩnh điện. Lực bám cũng như lực phân tử tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc thực.
áp suất đặt vào ảnh hưởng đến lực này qua diện tích tiếp xúc thực
Lực phân tử và lực bám dính vng góc với bề mặt lẽ ra sẽ không sinh công
khi các bề mặt dịch chuyển, nhưng trên thực tế sự dịch chuyển này sẽ kèm theo biến
dạng trượt. Do sự đàn hồi không lý tưởng của vật liệu, cần chi phí năng lượng cho
Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

14


biến dạng không thuận nghịch này. Nếu mối liên kết giữa các vật bị phá huỷ ở chỗ
sâu hơn so với bề mặt thì cần đặt lực pháp tuyến lớn hơn. Biểu hiện rõ ràng hơn của
lực phân tử là sự xâm thực bề mặt.
Lực ma sát trong trường hợp này phụ thuộc vào chiều dài vùng xâm thực và
sức cản của sự phân cách nó.
Cơng thức (1) cho trường hợp này có dạng:
N = T = a.St + b.N

(1)

a - Cường độ trung bình của thành phần phân tử của lực ma sát
St - Diện tích tiếp xúc thực tế.
b - Hệ số đặc trưng cho thành phần phân tử cơ học của lực ma sát
N - áp lực pháp tuyến.
Hệ số ma sát =
µ

a.s t
+b
N

(2)

Những biểu thức (5) và (6) cũng sử dụng được cho trường hợp ma sát bôi trơn.
Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng thành phần của lực ma sát gây ra bởi biến dạng
dẻo bề mặt (tương tác cơ học) thường khá nhỏ (chỉ vài phần trăm của tổng lực ma
sát). Ví dụ như ma sát của các bề mặt kim loại trong chân không có hệ số ma sát lớn

(lớn hơn 1). Nếu đưa khơng khí vào buồng chân khơng, chỉ sau một thời gian ngắn,
hệ số ma sát đã giảm đi vài lần trong thời gian này ôxy chưa thể tạo thành màng ôxýt
để làm phẳng những chỗ nhấp nhô hoặc ngăn cản chúng tiến vào. Từ đó, có thể thấy
thành phần phân tử lực ma sát chính là nguyên nhân của sự tăng hệ số ma sát trong
chân không. Chú ý rằng trong ma sát lăn ảnh hưởng này ít hơn.
Ma sát khơng có chất bơi trơn thường kèm theo sự trượt kiểu bước nhảy của bề
mặt. Gắn liền với hiện tượng này là sự rung của ôtô khi vào khớp, tiếng rít của phanh,
sự giật khi phanh, sự dung động của dao tiện khi cắt. Có thể chỉ ra một số biện pháp
chống xung lực khi ma sát. Đó là tăng độ cứng vững của hệ, tăng tốc độ trượt, chọn
cặp ma sát có hệ số ma sát tăng ít khi thời gian tiếp xúc tĩnh dài và khơng có cực tiểu.
Màng ơxít, độ ẩm và bụi bẩn trên bề mặt kim loại ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số ma sát.
Một mặt, lực hút phân tử giữa chúng có thể nhỏ hơn hàng trăm lần, so với trường hợp
tương tác kim loại sạch. Mặt khác độ bền của oxýt thường nhỏ hơn độ bền của kim
loại. Vì vậy, sức cản của việc cào và cắt các phần tử khi dịch chuyển sẽ giảm đi rất

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

15


nhiều, dẫn đến hệ số ma sát giảm đi, ngược lại, những màng ơxýt dầy có độ cứng nhỏ
hơn, làm tăng sự tiếp giáp thực tế. Sự tăng của diện tích tiếp xúc thực tế St sẽ nhanh
hơn sự giảm đi của thành phần cơ học lực ma sát. Do đó lực ma sát sẽ tăng dẫn đến
hệ số ma sát tăng theo. Ta hãy xem ma sát các bề mặt kim loại ở nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ phân huỷ của dầu khống, nhiệt độ nóng chảy hay phá huỷ của chất bôi trơn
rắn. Ngay cả ở điều kiện khơng khí rất lỗng, cũng vẫn xuất hiện màng ơxýt trên bề
mặt ma sát. Tính chất (sự đồng đều, tỷ trọng và độ bền liên kết với kim loại) cũng
như cường độ tạo thành chúng phụ thuộc vào thành phần hợp kim. Màng với thành
phần thích hợp làm giảm lực ma sát và cường độ mài mòn, đồng thời bảo vệ bề mặt
khỏi bị gỉ và tiếp xúc trực tiếp. Tại vùng khơng khí lỏng, tác dụng bảo vệ của màng

giảm đi.
Để ứng dụng vào thực tế, tơi sẽ trình bày phương án thiết kế máy đo hệ số ma
sát MS 2007, để thấy được những mối liên hệ ma sát giữa các cặp vật liệu, cũng như
sự phụ thuộc của các yếu tố như: tốc độ trượt, tải trọng vào tính năng ma sát.
Đây cũng là đề tài cấp trường năm 2007, được ứng dụng vào làm mơ hình thí
nghiệm đo hệ số ma sát nằm trong chương trình giảng dạy môn Ma sát học của bộ
môn Máy và ma sát học.
Do vậy tôi đã chọn đề tài luận văn khoa học là:
“Thiết kế và chế tạo hệ thống đo cơ điện tử cho việc xác định tính năng
ma sát vật liệu với máy đo ma sát MS 2007”.

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

16


CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN CƠ KHÍ
II.1. NHỮNG YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐO HỆ SỐ MA
SÁT
Xuất phát từ những lý thuyết về ma sát, bơi trơn và mài mịn, đã được khẳng
định một cách tương đối chính xác qua các cơng trình nghiên cứu thực nghiệm của
các nhà nghiên cứu về ma sát trên thế giới và trong nước cùng với thực tế đã chứng
minh, để tiến hành những thực nghiệm xác định hệ số ma sát và mài mòn của các loại
vật liệu khác nhau khi ma sát với nhau. Khi có tải trọng áp suất P, vận tốc trượt V
kèm theo các thông số khác .
Yêu cầu khi thiết kế và chế tạo thiết bị phục vụ thí nghiệm đo hệ số ma sát và
mài mòn phải gần giống với điều kiện làm việc thực tế của cặp ma sát như:
+ Có thể thay đổi tải trọng P ở mức độ yêu cầu khác nhau từ 0 ÷ 500 g.
+ Có thể thay đổi vận tốc trượt V (0 ÷ 500 vịng/ phút).
+ Xác định các hệ số ma sát và hao mịn trung bình trong q trình ma sát.

+ Kết cấu máy phải gọn nhẹ, dễ thao tác, dễ quan sát.
+ Thuận tiện cho q trình tính tốn các thơng số yêu cầu.
+ Độ tin cậy cao, làm việc ổn định.
II.2. CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT
Nguyên cứu về ma sát và mài mòn đã được thực hiện từ lâu ở nhiều nước trên
thế giới và việc thiết kế chế tạo các thiết bị thí nghiệm về ma sát và mài mòn cũng
được phát triển và ứng dụng vào thực tế.
Ở nước ta vài năm gần đây nguyên cứu về ma sát và bôi trơn bước đầu đã thu
được những kết quả. Do vậy đã có nhiều mơ hình thiết kế và chế tạo các thiết bị thí
nghiệm đã được sử dụng ở một số phịng thí nghiệm ở các trường hoặc cơ sở nghiên
cứu khoa học chuyên ngành về ma sát.
Sau đây là một số phương án:

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

17


Phương án I.

II.2.1.

5

6
2

4

2

3

7
1

Hình 2.1. Kết cấu máy đo có mẫu với đường kính khác nhau
1-2: Cặp bánh răng ăn khớp ngoài.
3 : Mẫu thử dưới
4 : Trục.
5 : Mẫu thử trên
6 : Lực tỳ lên mẫu.
Phương án này cùng một lúc trên trục mang mẫu ta lắp được các loại mẫu có
đường kính bạc khác nhau. Chế tạo đơn giản lắp ráp không yêu cầu cầu kỳ, kết cấu
máy gọn nhẹ.
II.2.2.

Phương án II.
4
3
2

7

1

A

5
6

P

Hình 2.2. Kết cấu máy đo với mẫu có cùng đường kính
1. Trục mẫu, 2. Trục mang cần, 3. Đối trọng
4. Cần mang mẫu, 5. Mẫu trên, 6. Đồ gá mẫu
7. Sensor.
Phương án này ta bố trí năm bộ mẫu trên trục mang mẫu 1 có cùng một đường
kính. Do vậy trên cùng một trục ta lắp được các bộ mẫu từ đó ta có được các bộ mẫu
có cùng vận tốc. Ta chỉ cần thay mẫu trên cần mang mẫu, như vậy việc thay mẫu
nhanh đơn giản, kết cấu máy gọn nhẹ chỉ có bộ truyền đai giảm chi phí chế tạo máy.
Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

18


Qua hai phương án trên, ta thấy phương án 2 có nhiều ưu điểm và khả năng chế
tạo chúng. Ta dùng phương án này để thiết kế máy. Phương án này khi cần thay bộ mẫu
ta không cần phải tháo trục và ổ bi ra khỏi ổ đỡ. do vậy thời gian thay mẫu nhanh.
II.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT
Tính chọn động cơ:

II.3.1.

Tính công suất cần thiết của động cơ theo công thức:
N CT =

M X. n max
9,55.10 6.η

- Nct : công suất cần thiết của động cơ (kw)
- nmax: tốc độ lớn nhất trên trục bị dẫn (v/ph)
Với nmax = 250 (v/ph).
η : Hiệu suất bộ truyền, gồm hiệu suất bộ truyền đai, cặp ổ bi

η = η 1. η 24

Tra bảng (2.3 sách tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí T1)
η 1 = 0,92 ÷ 0.94 là hiệu suất bộ truyền đai
η 2 = 0,95 là hiệu suất của cặp ổ lăn
η = η 1. η 24 = 0,92. ( 0.95 ) = 0.74
4

-Mx: Là mô men xoắn trên trục bị dẫn do mô men ma sát trục mẫu và mẫu.
Tính theo cơng thức sau:
Mx =P.f.rmax
Với P là tải trọng khi tác dụng lớn nhất (theo yêu cầu thiết kế làm việc với tải
trọng Gmax = 500g = 5N)
P = 2G =2.5 =10N.
f : Là hệ số ma sát cặp trục mẫu và mẫu: Chọn f= 0,4
- rmax: bán kính trục mẫu.
rmax =25 mm

N ct =

p.f .r.n
10.0,4.25.300
=
= 4,2.10 −3 (Kw ) = 4,3( w )
6

6
9,55.10 .η 9,55.10 .0,74

Công suất cần thiết của động cơ tính trên ta có thể dùng để chọn động cơ có
cơng suất phù hợp kết cấu máy.
Chọn Nđc = 9.12(w).

(I=1,6 (A) , U=5,7 (V))

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

19


II.3.2. Tính chọn bộ truyền đai
a.

Chọn loại đai.
Theo tính tốn ta có vận tốc truyền của đai V< 5m/s ta có thể chọn loại đai

theo sách Tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
Ta chọn đai hình thang, các thơng số của đai hình thang
Kích thước tiết diện đai : Bt = 8,5mm, b =10mm, h = 6, y =2,1mm
0

Diện tích tiết diện : A = 47 mm2.
b.

Đường kính bánh đai nhỏ.
Đường kính bánh đai nhỏ: D1= 15mm

Kiểm nghiệm vận tốc của đai theo công thức:
=
v

Π.n DC .D1
= 0,15(m / s )
60.1000

Vậy vận tốc đai thoả mãn yêu cầu : Vc.

Đường kính bánh đai lớn.
Vì theo thiết kế ndc nct = 1 nên đường kính bánh đai lớn là D 2 = 15(mm ) .

d.

Xác định khoảng cách trục.
Khoảng cách giữa trục động cơ và trục công tác được xác định theo cơng
thức sau:
a ≥ (1,5 ÷ 2)(D1+D2)
a ≥ (1,5 ÷ 2)(15+15)=(45 ÷ 60) mm.
Ta chọn a=60 mm

e.

Xác định chiều dài đai
Chiều dài đai được xác định theo công thức sau:

Π.(D1 + D 2 ) (D1 + D 2 ) 2
Π.30 302

l =2.a +
+
=2.60 +
+
=
170.8(mm )
2
4.a
2
4.60
f.

Góc ơm trên bánh đai nhỏ
o
Do đường kính hai bánh đai bằng nhau nên α1 = 180

thoả mãn điều kiện α1 ≥ 1200
g.

Tính lực tác dụng lên trục
Gồm có lực căng đai F0 và lực tác dụng lên trục

Đặng Thái Việt-Luận văn Thạc sỹ khoa học -2007

Fr
20