ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỮU QUÂN THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG CẦM TAY Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2015 Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Ngô Như Khoa Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hùng Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên vào ngày 17 tháng 01 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ Trong lĩnh vực kĩ thuật, với những mối ghép kẹp chặt bằng ren thì việc xác định lực kẹp là rất quan trọng. Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bề mặt làm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lại không đảm bảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của những chi tiết được kẹp chặt. Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay có rất nhiều dạng dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt của ren. Nguyên lí hoạt động chung của các dụng cụ đo này đều dựa trên việc đo momen xoắn dạng tĩnh. Hình 1.1. Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay. Momen xoắn dạng tĩnh là momen có sự dịch chuyển nhỏ trong phép đo. Ứng dụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt của bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh được chia thành 2 dạng dựa vào phương pháp đo : 1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực. Hình 1.2. Thiết bị đo momen dạng phản lực 1 Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đo lực xoắn thông qua biến dạng của lò xo trong dụng cụ. Hình 1.3. Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực. Lực xoắn của lò xo được hiển thị bằng đồng hồ cơ học hoặc đồng hồ điện tử nhờ một bộ phận cảm biến lực trong dụng cụ : Hình 1.4. Thiết bị đo momen dạng phản lực. 1.2. Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp. Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng nối tiếp. 2 Đầu kẹp Lò xo chịu kéo Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng. Dưới tác dụng của momen xoắn ngoại lực, biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phương 45 0 và 135 0 là lớn nhất. Do đó, đường đặc tuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạng của trục xoắn trên 2 phương 45 0 và 135 0 . Biến dạng của trục đo được xác định bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn. Thông qua việc xây dựng đường đặc tuyến biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ cho phép xác định được mối tương quan giữa momen – biến dạng của trục đo được chế tạo. Tuy nhiên, hiện nay việc mua thiết bị đo momen có sẵn ở Việt Nam là rất khó. Với điều kiện hạn chế trong nước, vẫn chưa có cơ sở nào sản suất, chế tạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo momen dạng nối tiếp. 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp. Việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tương quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp thông qua việc đo momen xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn. Hình 2.1. Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn. Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ đó xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng. Tuy nhiên, đối với hầu hết các loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ. Việc đo được góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trục chịu xoắn. Hình 2.2. Biến dạng dài của trục xoắn. Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài theo 2 phương 45 0 và 135 0 là lớn nhất. Do đó, Biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn. Mối tương quan giữa momen – biến dạng được xác định bằng việc xây dựng đường đặc tuyến momen – sự thay đổi điện trở trên cầu biến dạng. 4 ε 45 0 Vị trí hàn dây dẫn 2.1. Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng. Strain gauge là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu. Biến dạng của vật liệu được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trên strain gauge. Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng được khắc thành dạng lưới lên trên một tấm nhựa mỏng. Lưới lá kim loại được nối cả hai đầu với hai miếng kim loại được phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tín hiệu đo. Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain gauge liên hệ theo các hệ thức sau. ( ) L R A ρ = Ω (2.1) Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở /R R ∆ của strain gauge được xác định theo công thức : / / (1 2 ) dR R d ρ ρ υ ε ε = + + (2.14) Tỉ số /d ρ ρ ε đặc trưng mức độ cản trở dòng điện của vật liệu dây dẫn, là hằng số đối với mỗi loại thiết bị strain gauge khác nhau. Đại lượng 1 2 υ + đặc trưng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây và giảm diện tích dây dẫn. 5 Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng ) được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF : / / = / dR R R R GF dL L ε ∆ = (2.15) Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở, thông thường thông thường GF = 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain gauge Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10 -6 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu đo được sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1%. Khi chưa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R nên từ (2.20) điện áp đầu ra trên mạch được viết như sau: (2.23) Do đó, biến dạng của strain gauge được xác định theo công thức: 1 2 3 4 ( )V = GF. .V 4 out in in GF V ε ε ε ε ε = − + − Dễ thấy, biến dạng do nhiệt bị triệt tiêu trên toàn mạch cầu, và chúng cũng bi triệt tiêu trên hai nhánh liền kề ( ví dụ: nhánh 1 và 2 hoặc nhánh nhánh 1 và 4). Tương tự, khi sử dụng 4 strain gauge trên mạch cầu thì ảnh hưởng do nhiệt tới biến dạng trên mỗi strain gauge cũng bị loại bỏ trên mạch đo. Từ mạch cầu với giá trị điện trở R không đổi. 6 a. Mạch cầu một nhánh. hình 2.8. Mạch cầu 1 nhánh. Khi Strain gauge biến dạng thì điện trở sẽ thay đổi giống điện trở biến thiên nên ta có mối quan hệ giữa và Đối với mạch cầu một nhánh, việc sử dụng 1 strain gauge trên một nhánh mạch cầu không loại bỏ được ảnh hưởng do nhiệt tới sai số biến dạng, trừ khi hệ số giãn nở nhiệt của điện trở strain gauge có hệ số giãn nở nhiệt bằng không. Điện áp trên mạch cầu một nhánh được xác định theo công thức: 3 3 ( )V + ( )V 4 4 T out in in GF GF V ε ε = Vì vậy, mạch cầu một nhánh sử dụng strain gauge đo biến dạng chỉ được sử dụng khi không có yêu cầu khắt khe độ chính xác tới 10με. b. Mạch cầu hai nhánh. Hình 2.9. Mạch cầu 2 nhánh. 7 Mối quan hệ giữa và Dựa vào sự loại bỏ ảnh hưởng do nhiệt trên 2 nhánh liền kề mà có thể thay thế 2 điện trở trên mạch cầu thành 2 điện trở thay đổi. Điện áp đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt bất kì và được xác định bằng công thức: 3 4 3 4 ( )V + ( )V 4 4 T T out in in GF GF V ε ε ε ε = − − (2.25) Tương tự, khi sử dụng 2 strain gauge nối liền kề thay cho hai điện trở thay đổi thì điện áp đo được trên mạch cũng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt., điện áp đầu ra trên mạch được xác định theo công thức: 3 4 ( )V = . .V 4 2 out in in GF GF V ε ε ε = − (2.26) c. Mạch cầu đầyđủ. Hình 2.10. Mạch cầu đầy đủ Mối quan hệ giữa và 8 [...]... biến dạng của thép 18Mn2Si cho phép xác định lại giá trị modun đàn hồi thực tế của thép 18Mn2Si Hình 4.4 Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng Phương trình Vout = 2.10-5 Mz (mV) dùng đê thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị momen tương ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo 4.3 Kết luận 18 4.3.1 Những kết quả đã đạt được - Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo mô men xoắn cầm tay. .. xoắn cầm tay với khoảng đo từ 0 ÷ 200 Nm Qua đó: + Làm chủ được công nghệ dán, sử dụng Strain gauge trên các trục kim loại + Làm chủ được thiết kế kích thước các trục chịu xoắn ở các giải đo momen xoắn khác nhau + Thiết bị đo momen xoắn có độ chính xác cao thể hiện bằng đồ thị (hình 4.3) với sai số 1- R2= 0,0056 + Thiết bị sau khi chế tạo được kiểm nghiệm với thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực (Wrench)... Những điểm hạn chế và hướng khắc phục - Kích thước thiết bị chưa thu gọn như các thiết bị có bán trên thị trường - Để tiến tới sản phẩm có tính thương mại cần có các điều kiện sau: + Đầu tư thiết bị thí nghiệm và hiệu chỉnh có độ chính xác cao + Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại hiển thị chuyên dùng + Có nhu cầu đặt hang thiết bị 2 Chương trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng 19 ... dựng đường đặc tuyến đồ momen – biến dạng, từ đó xác định modun đàn hồi của thép 18Mn2Si và xây dựng bảng dữ liệu mối tương quan giữa các giá trị momen – biến dạng dùng cho việc thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị momen trên trục đo khi tiến hành đo momen Trục đo được thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm xoắn có M Z = 1000 N.m Giá trị momen của thiết bị được đo bằng loadcell và được hiển thị bằng... xoắn, đo biến dạng của trục theo các phương ± 45o so với tâm trục, từ sự thay đổi điện trở strain gauge để tính toán giá trị momen xoắn Sơ đồ nguyên lý của phép đo M Z có thể mô tả như sau: Momen xoắn tác dụng lên trục đo dán strain gauge trên phương 450 và 1350 Trục đo : E, Jp, Wp, υ Trục đo biến dạng ε Sự thay đổi điện trở trên cầu biến dạng : Vout ∆R = = GF ε Vin R Bộ biến đổi momen – biến dạng với... trở trên cầu biến dạng : Vout ∆R = = GF ε Vin R Bộ biến đổi momen – biến dạng với hệ số khuếch đại Ka Bộ hiển thị giá trị momen Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn 10 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO Việc thiết kế, tính toán trục đo được tiến hành tính toán cho trục rỗng chịu xoắn và tính toán trong miền đàn hồi của vật liệu Các hệ thức tính toán tuân theo định luật Hooke, vòng tròn... 11 3.2 Tính toán, thiết kế trục đo 3.2.1 Tính toán kích thước trục đo Dự kiến thiết kế dụng cụ đo momen xoắn trong khoảng : M Z = 0 – 200 (N.m) Việc xác định loại vật liệu để chế tạo được tiến hành thí nghiệm trên máy phân tích quang phổ thành phần hóa học của vật liệu Từ bảng thành phần hóa học của vật liệu được thí nghiệm Tra sổ tay mác thép thê giới, xác định được vật liệu dùng để thiết kế trục là... (1 + 0,3) = 3,3.10−4 < [ ε ] = 0,02 3 200.10 3976,63 Vậy trục thiết kế đảm bảo điều kiện làm việc 3.2.2 Bản vẽ chế tạo trục mẫu 3.3 Chọn thiết bị cảm biến strain gauge Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ chính xác cao Hiện nay trên thế giới có các hãng nổi tiếng sản xuất strain gauge : HBM, OMEGA Vật liệu thường được sử dụng để chế tạo strain gauge : Trong thực tế, tùy thuộc vào các trạng thái... trên trục đo và điện áp đầu ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge như sau: Hình 4.2 Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo 4.2 Kết quả thí nghiệm Hệ số khuếch đại trên thiết bị 3B18 KB = 400 Do đó, điện áp tính toán quy đổi cho biến dạng của trục đo sẽ được tính toán theo công thức: Q VoutĐ ε Vout = (mV ) KB QĐ Vout ∆ R Từ (2.25) có : = = GF ε Vin R Theo bảng 3.6, tính toán biến dạng tương... Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ nhạy cao, do đó để tránh nhiễu ảnh hưởng tới kết quả đo, cần phủ 1 lớp silicon lên bề mặt strain gauge Hình 3.9 Silicon chống nhiễu cho strain gauge Bên cạnh đó, để đảm bảo độ bám dính của strain gauge lên bề mặt trục đo thì yêu cầu bề mặt trục đo phải được làm sạch, do đó quy trình dán thiết bị cảm biến strain gauge như sau : Bước 1: Vạch dấu trên trục đo để đảm bảo . 2 dạng dựa vào phương pháp đo : 1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực. Hình 1.2. Thiết bị đo momen dạng phản lực 1 Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đo. 1.4. Thiết bị đo momen dạng phản lực. 1.2. Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp. Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng nối tiếp. 2 Đầu kẹp Lò xo chịu kéo Công đo n quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo. suất, chế tạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo momen dạng nối tiếp. 3 CHƯƠNG