- ĐỨNG ĐẦU
- Nghiên cứu trường hợp CAE
- Theo đuổi sức mạnh và độ chính xác: Thiết kế bánh răng bằng nhựa gia cố sợi
"Theo đuổi sức mạnh và độ chính xác" - Thiết kế bánh răng sử dụng nhựa gia cường sợi
Nội dung
Bản tóm tắt
- Chúng tôi trình bày một trường hợp nghiên cứu trong thế giới thực, trong đó phân tích CAE nhựa được sử dụng để thiết kế bánh xe giun làm từ polyacetal gia cố bằng sợi thủy tinh.
- Phân tích sợi dọc dựa trên dòng chảy được sử dụng để mô tả độ tròn của thiết kế—một phép đo chính về độ chính xác của kích thước—và xác nhận rằng thiết kế đạt được các thông số kỹ thuật cần thiết.
- Bằng cách thay đổi hình dạng tối ưu, chúng tôi có thể giảm 23% trọng lượng trong khi vẫn duy trì sức mạnh.
Giới thiệu
So với nhựa không gia cố thông thường, vật liệu gia cố bằng sợi thủy tinh mang lại lợi thế về độ bền vượt trội, nhưng có nhược điểm là trọng lượng riêng cao hơn do sự có mặt của sợi thủy tinh. Một điều phức tạp nữa khi làm việc với các vật liệu được gia cố bằng sợi thủy tinh là cần phải tính đến hướng của các sợi thủy tinh trong quá trình thiết kế.
Ở đây chúng tôi trình bày một nghiên cứu điển hình trong thế giới thực, trong đó chúng tôi đã áp dụng các kỹ thuật CAE nhựa để thiết kế lại bánh xe giun bằng cách sử dụng polyacetal được gia cố bằng sợi thủy tinh. Quá trình thiết kế lại của chúng tôi đã xác định thành công hình dạng thành phần được sửa đổi giúp giảm trọng lượng tổng thể trong khi vẫn giữ được hiệu suất tương đương với hiệu suất của thành phần ban đầu. Ngoài ra, vì độ chính xác về kích thước đặc biệt quan trọng đối với bánh xe giun, nên chúng tôi đã sử dụng phân tích độ cong dựa trên dòng chảy để mô tả độ tròn—một phép đo chính về độ chính xác về kích thước—của thành phần được thiết kế lại, từ đó xác nhận rằng thiết kế sửa đổi đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật của sản phẩm.
Mục đích
Sửa đổi hình dạng thành phần để giảm trọng lượng tổng thể
Xác nhận độ tròn của hình dạng thành phần đã sửa đổi
đề xuất thiết kế lại
Như thể hiện trong Hình 1, thiết kế thành phần ban đầu dựa vào các xương sườn để đạt đủ độ bền. Thiết kế sửa đổi của chúng tôi có thể loại bỏ các đường gân này nhờ sử dụng polyacetal được gia cố bằng sợi thủy tinh, loại vật liệu có mô đun đàn hồi lớn hơn 2,8 lần so với mô đun đàn hồi của vật liệu thành phần ban đầu. Điều này cho thấy việc sử dụng vật liệu có độ cứng cao có thể đơn giản hóa hình dạng của các thành phần như thế nào.
Mặc dù mật độ của vật liệu thành phần tăng 9%, nhưng việc loại bỏ các đường gân giúp giảm 23% trọng lượng tổng thể của thành phần.
Hình 1: Thành phần gốc (trái) và thành phần được thiết kế lại (phải).
Phương pháp mô phỏng
Chúng tôi mô tả độ tròn bằng cách sử dụng các điều kiện phân tích dòng chất lỏng được liệt kê trong Hình 2.
Thành phần ban đầu được làm từ vật liệu do một công ty bên ngoài cung cấp. Thành phần được thiết kế lại được làm từ loại TENAC™-C được gia cố bằng sợi thủy tinh của Asahi Kasei.
Độ tròn của một bộ phận gần tròn đo lường độ lệch của bộ phận đó so với một vòng tròn hoàn hảo về mặt hình học (JIS B 0621-1984). Bởi vì các bánh răng dựa vào một cơ chế truyền mô-men xoắn cực kỳ tinh tế—bao gồm việc chia lưới cẩn thận giữa hình dạng ba chiều của nhiều răng bánh răng—sự khác biệt về hình dạng răng có thể làm giảm hiệu suất truyền mô-men xoắn. Do đó, đường kính đầu của mỗi răng bánh răng phải được đo cẩn thận để đảm bảo rằng các bánh răng giống các vòng tròn hoàn hảo nhất có thể.
Hình 2: Điều kiện phân tích
Kết quả
Như được hiển thị trong Hình 3, chúng tôi đã mô tả độ tròn của thành phần được thiết kế lại ở ba vị trí—trên cùng, giữa và dưới cùng—và xác định rằng độ lệch trung bình chỉ là 0,03 mm, nằm trong dung sai được chỉ định cho thành phần này. Do đó, thiết kế lại được đề xuất của chúng tôi đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật của sản phẩm (Hình 4).
Hình 3: Vị trí (trái) và kết quả (phải) của đánh giá độ tròn.
Hình 4: Kết quả đánh giá độ tròn.
Bánh xe sâu là gì?
Bánh răng có răng nghiêng được sử dụng trong bánh răng sâu (ổ trục vít) được gọi là bánh răng sâu. Bánh răng sâu là một bộ phận lắp ráp trong đó con sâu—một thanh hình trụ có in các răng nghiêng giống như ren vít—ăn khớp với nhau ở một góc 90 độ với bánh xe con sâu. Đặc điểm đặc trưng của bánh xe sâu là răng của chúng có mặt cắt ngang khác thường—được thiết kế như thể nhằm nuốt chửng sâu từ từ—và nghiêng để ăn khớp với các sợi nghiêng của sâu. Ưu điểm của bánh răng sâu bao gồm tỷ lệ giảm tốc độ lớn và mô-men xoắn đầu ra cao; nhược điểm của chúng bao gồm dễ bị mài mòn và sinh nhiệt do ma sát.
Loại nhựa được gia cố bằng sợi thủy tinh được sử dụng trong bản sửa đổi thiết kế này cho thấy khả năng mài mòn giảm so với các vật liệu được gia cố thông thường—một thuộc tính quan trọng đã thúc đẩy hướng chúng tôi thực hiện trong thiết kế lại được đề xuất của mình.
Hình 5: Bánh răng giun
Đối với các câu hỏi khác liên quan đến phân tích CAE—hoặc để thảo luận chi tiết về bản sửa đổi thiết kế của bạn—xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.
