TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

287
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD-CAM-CAE ĐỂ THIẾT KẾ,
CHẾ TẠO BÁNH RĂNG CON LĂN
APPLICATION OF CAD/CAM/CAE TECHNOLOGY TO THE DESIGN AND
MACHINING OF ROLLER GEARS

Trần Xuân Tùy
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Bùi Mạnh Tuấn
Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa TÓM TẮT
Bài báo này trình bày phương pháp thiết lập phương trình biên dạng bánh Cycloid,
trong trường hợp ăn khớp EpiCycloid theo đường tròn lăn ngoài và công nghệ chế tạo bánh
răng Cycloid. Sử dụng phần mềm CAD-CAM-CAE để dựng hình biên dạng răng Cycloid, theo
phương trình biên dạng với công cụ là bảng tính EXCEL và phần mềm Pro/Engineer. Cho phép
người thiết kế nhanh chóng dựng bánh răng Cycloid với thông số khác nhau, xây dựng mô hình
tính toán ứng suất tiếp xúc răng đĩa Cycloid, tích hợp phần mềm ANSYS và ph
ần mềm
PRO/ENGINEER để tính toán ứng suất và chuyển vị. Từ dữ liệu thiết kế, mô phỏng quá trình
gia công và lập chương trình gia công trên máy phay CNC.
ABSTRACT
This paper presents methods that establish the equation of Cycloid-profile gear in case
of fitting the circle rolling outside an EpiCycloid and the technology in manufacturing the Cycloid
gear. With the use of the CAD/CAM/CAE software for rendering the exact form of the equations
and the Cycloid gear deformation tool as the Excel spreadsheet software and Pro/Engineer,
designers can quickly gear up again with different parameters Cycloid and build models to
calculate stresses that contact Cycloid drives and integrate the ANSYS and Pro/ENGINEER

2
nhưng nằm ở bên ngoài
thì điểm D sẽ vẽ lên đường EpiCycoid kéo dài
D
0
D
1
có phương trình dạng tham số:

ττ
2
2D
cos.cosx
r
A
RA +−=
(1)
ττ
2
2D
sin.siny
r
A
RA +−=

2.1. Phương trình đường EpiCycloid kéo dài
Các vòng tròn bán kính r
1
và r
2

trong là N
0
N
1
N
2
.

Phương trình biên dạng đĩa Cycloid
cần dựng:

2
/
2
/
/
.
DD
D
c
D
yx
yr
xx
+
−=

2
/
2

289

A
z
T
F
t
.
1
=
(4)
với z là số đĩa Cycloid trong một bộ
truyền bánh răng con lăn, thường z = 1, 2 hoặc 3.
Về mặt lý thuyết đĩa Cycloid tiếp xúc
đồng thời với tất cả các con lăn nhưng chỉ có tối
đa một nửa số con lăn chịu lực tác dụng.
Gọi Fr
k
(với k = 1 n) là các phản lực từ
con lăn tác dụng lên đĩa Cycloid có:

∑
=
=
n
i
i
k
k
Fr

i
N
n
i
i
tb
i
∑∑
==
==
11
(7)
α
i

là các góc giữa phương của lực Fr
i
và đường nối tâm O đến điểm N
i
là điểm
đặt của lực Fr
i
.
Gọi Fp
k
(với k = 1 m) là các phản
lực từ chốt đầu ra tác dụng lên đĩa Cycloid
có:

∑


là bán kính vòng tròn qua tâm các
chốt trên trục ra.γ
i
là các góc giữa phương của lực Fp
i
và đường nối tâm O đến điểm M
i
là điểm
đặt của lực Fp
i
.
4. Ví dụ thiết kế, chế tạo bánh răng con lăn có các thông số
- Độ lệch tâm của đĩa Cycloid: A = 6 mm
- Bán kính vòng tròn qua tâm các con lăn răng chốt: R
2
=100 mm
- Bán kính con lăn răng chốt: r
c
= 10 mm
Hình 3.1. Lực tác dụng trong bộ truyền
bánh răng con lăn

Hình 3. Lực tác dụng trong bộ truyền bánh
răng con lăn
Hình 4. Phương, chiều lực tác dụng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

F N
Ứng suất tiếp xúc cho phép:

[]
xHvR
H
HLH
H
KZZ
S
K.
0
lim
σ
σ
=
=
560.1
509 ( )
1,1
M
Pa= (10)
- Trường hợp khi đường nối tâm trục với tâm bánh răng so với phương nằm
ngang một góc ϕ =0
0
:
4.1. Ứng dụng CAD trong vẽ thiết kế, xây dựng biên dạng đĩa răng cycloid
Bước 1: Thiết lập các thông số
Dùng phần mềm bảng tính Excel để xác định tọa độ những điểm thỏa mãn
phương trình đường biên dạng đĩa cycloid (3). Trong trường hợp này, ta chọn số lượng

ng ở trên, ta hoàn toàn có thể tạo ra một bánh
răng con lăn mới bằng cách thay đổi các thông số trong bảng tính EXCEL, như vậy ta
có thể tạo một bánh răng con lăn mới một cách nhanh chóng và dễ dàng.
4.2. Ứng dụng CAE trong phân tích thiết kế đĩa răng cycloid
Bước 1. Xây dựng mô hình:
Từ mô hình thiết kế trên Pro/ENGINEER chuyển sang phần mềm ANSYS được
liên kết ngay trong Pro/ENGINEER để tính toán, phân tích thiết kế.
Bước 2: Khai báo vật liệu: Structural steel
Cần khai báo các tính chất vật liệu chế tạo vật thể, như modun đàn hồi, hệ số
poátxông, trọng lượng riêng…Vật liệu thép có modun đàn hồi E = 2.10
5
MPa, hệ số
Poisson ν =0,3

Bước 3: Chọn kiểu phần tử:
Ta chọn kiểu phần tử có 4 nút, chương trình sẽ tự động chia vật thể thành một số
hữu hạn các phần tử.
Tổng số phần tử là: 282 phần tử. Tổng số nút là: 1981 nút.
Bước 4: Đặt các điều kiện biên:
- Các ràng buộc là mặt trong của lỗ giữa.
- Đặt tải: là lực phân bố trên suốt một diện tích nhỏ
dọc bề rộng của đĩa răng
cycloid (hình 7).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

292
Hình 6. Chia lưới
Hình 7. Mô hình tính toán trên ANSYS

Bước 5: Giải bài toán:

T
3M6
S
2000M3M8
G
0X-91.198Y-26.872
G
43Z100.H3 Z5.
G
1Z 3F400.
G
3X-93.356Y-15.766I-6.632J4.474
G
1X-93.774Y-15.484
G
2X-95.389Y-14.113I8.764J11.962
G
1X-96.152Y-13.315
G
2X-97.553Y-11.518I13.025J11.607
G
1X-98.181Y-10.531
G
2X-99.72Y-7.278I16.847J9.962
X
-100.677Y-3.714I19.539J7.153
X
-101.Y0.I21.107J3.709
X
-100.671Y3.743I21.428J.005

Nghiên cứu xây dựng trình tự gia công, mô phỏng và lập chương trình gia công
sử dụng phần mềm PRO/ENGINEER, đồng thời đã tiến hành gia công thử nghiệm bánh
răng con lăn trên máy phay CNC 4 trục tại Viện Cơ khí và tự động hóa, trường Đại học
Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Chất, Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 1998.
[2]
Nguyễn Văn Yến, Nguyễn Khánh Linh (2007), “Sử dụng phần mềm ANSYS để tính ứng
suất uốn chân răng bánh răng’, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng.
[3]
Vũ Lê Huy (2006). Thiết kế, tính toán bộ truyền Bánh răng con lăn, luận văn thạc
sỹ kỹ thuật. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]
Mirko Blagojević, PhD (Eng) (2009) “Analysis of Cycloid Drive Dynamic
Behavior
”. Scientific Technical Review,Vol.LIX,No.1, 2009
[5]
Ta-Shi Lai (2006). “Design and machining of the epicycloid planet gear of cycloid
drives” Department of Vehicle Engineering, National Huwei University of Science
& Technology, Huwei, Yuenlin 63208, Taiwan.
Hình 10. Mô phỏng gia công