Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bài tập lớn môn Chi Tiết Máy được thực hiện tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, Khoa Cơ khí Động lực, hoàn thành ngày 30 tháng 5 năm 2023. Tác giả — sinh viên Phạm Huỳnh Khánh Duy, lớp CĐ CK 21B — xác định bối cảnh xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của công nghiệp hóa, hiện đại hóa: việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào tự động hóa dây chuyền sản xuất đòi hỏi kỹ sư cơ khí phải thành thạo quy trình thiết kế hệ truyền động cơ khí từ giai đoạn chọn động cơ đến hoàn thiện kết cấu hộp.

Nhiệm vụ thiết kế được xác định rõ theo Đề số 02, Phương án 47:

  1. Thiết kế hộp giảm tốc trục vít – bánh vít một cấp kết hợp bộ truyền xích ngoài hộp, dẫn động băng tải.
  2. Lập đầy đủ phần tính toán thuyết minh gồm 7 chương và phần bản vẽ lắp toàn bộ trạm dẫn động.
  3. Thực hành vận dụng các môn học nền tảng — Nguyên lý Chi tiết máy, Dung sai và Kỹ thuật đo — vào bài toán thiết kế thực tế.

Thông số đầu vào cho trạm dẫn động:

Thông số Giá trị
Lực vòng băng tải P 1 760 N
Vận tốc băng tải V 1,73 m/s
Đường kính tang D 780 mm
Số năm làm việc T 2 năm
Số ca làm việc / ngày 2 ca
Số giờ / ca 8 giờ
Số ngày làm việc / năm 340 ngày
Đặc tính tải trọng Va đập nhẹ, quay một chiều

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết: Bài tập lớn dựa trên lý thuyết Chi tiết máy ứng dụng, bao gồm lý thuyết truyền động đai, truyền động xích, truyền động trục vít – bánh vít, lý thuyết tính bền trục, lý thuyết chọn ổ lăn theo hệ số khả năng làm việc C, và lý thuyết tính mối ghép then bằng theo điều kiện bền cắt và bền dập. Các bảng tra cứu được sử dụng gồm bảng 2-1 (hiệu suất các bộ truyền), bảng 2-2 (chọn động cơ điện), bảng 3-22÷3-25 (thông số bộ truyền xích), bảng 4-2 (khoảng cách bố trí trục), bảng 4-4 (ứng suất cho phép thép 45), bảng 4-11÷4-12 (then bằng), bảng 5-1÷5-6 (ổ lăn), bảng 6-1÷6-12 (vỏ hộp và chi tiết phụ).

Phương pháp thiết kế: Toàn bộ quy trình theo phương pháp thiết kế kỹ thuật tuần tự từ trên xuống — từ yêu cầu tải đầu ra ngược lên chọn động cơ, sau đó tính toán thuận chiều từng cấp truyền động. Cụ thể gồm: phân tích công suất và hiệu suất hệ thống; phân phối tỷ số truyền; tính toán các bộ truyền theo điều kiện bền mỏi tiếp xúc và uốn; tính trục theo phương pháp vẽ biểu đồ nội lực và áp dụng điều kiện bền; chọn ổ lăn theo hệ số khả năng làm việc; kiểm tra then theo điều kiện bền cắt và bền dập; xác định kết cấu vỏ hộp theo công thức kinh nghiệm.

Nguồn dữ liệu: Thông số đầu bài do giảng viên hướng dẫn Nguyễn Văn Thuận cung cấp; các hệ số và thông số tiêu chuẩn tra từ sách Chi tiết máy và các bảng tiêu chuẩn Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 — Chọn động cơ điện

Công suất làm việc của băng tải được tính trực tiếp từ thông số đầu bài: N_lv = P.V/1000 = 1760 × 1,73/1000 = 3,0448 kW. Hiệu suất chung của hệ thống được xác định theo chuỗi: hiệu suất ổ lăn η_ol = 0,98; hiệu suất bộ truyền trục vít – bánh vít η_tv-bv = 0,75. Công suất cần thiết của động cơ N_đm = 4,79 kW. Động cơ được chọn là kiểu A0C2-94-4 với công suất định mức N_đc = 5,8 kW, tốc độ quay n_đc = 1 400 vòng/phút và hiệu suất η_đc = 0,885. Kiểm tra điều kiện: công suất làm việc thực tế 6,64 kW > N_đm = 5,01 kW — thỏa mãn.

Chương 2 — Phân phối tỷ số truyền và lập bảng số liệu

Tốc độ quay trục băng tải n_2 = 60.V/(π.D) = 42,35 vòng/phút. Tỷ số truyền chung i_ch = n_đc / n_2 = 1400/42,35 = 33,05. Hệ thống được phân phối: tỷ số truyền bộ truyền trục vít – bánh vít i_tv-bv = 10 (chọn theo bảng 2-5); tỷ số truyền bộ truyền xích i_xích = 33,05/10 = 3,305.

Trục Tốc độ quay (v/ph) Tỷ số truyền Công suất (kW)
Trục động cơ 1 400 — —
Trục I 423,6 i_xích = 3,305 4,69
Trục II 42,36 i_tv-bv = 10 4,14

Chương 3 — Tính toán các bộ truyền

Bộ truyền xích: Chọn xích ống con lăn. Số răng đĩa dẫn Z_1 = 25, số răng đĩa bị dẫn Z_2 = 83. Bước xích P_t = 19,05 mm. Khoảng cách trục A sơ bộ = 762 mm, sau điều chỉnh A = 758 mm. Số mắc xích X = 136. Lực tác dụng lên trục R = 443,14 N. Số lần va đập trong một giây u = 17,15 ≤ [u] = 35 — thỏa điều kiện.

Bộ truyền trục vít – bánh vít: Vật liệu trục vít thép C45; bánh vít đồng thanh với [τ_x] = 420 N/mm². Số đầu mối trục vít Z_1 = 2; số răng bánh vít Z_2 = 20; mô đun m = 8. Hiệu suất bộ truyền η = 0,75. Các thông số hình học trục vít: đường kính vòng chia d_1 = 64 mm, đường kính vòng đỉnh d_a1 = 80 mm, đường kính vòng chân d_f1 = 44,8 mm, góc vít γ = 14°. Bánh vít: đường kính vòng chia d_2 = 160 mm, đường kính vòng đỉnh d_a2 = 176 mm, đường kính ngoài d_n = 188 mm, bề rộng bánh vít B = 60 mm, góc ôm 2δ = 52,13°. Khoảng cách trục A = 112 mm. Lực hướng tâm P_r = P_r1 = P_r2 = 4 246,42 N (góc áp lực α = 20°).

Chương 4 — Tính toán trục

Đường kính sơ bộ trục I: d_I ≥ 27,59 mm → chọn d_I = 30 mm. Đường kính sơ bộ trục II: d_II ≥ 43,28 mm → chọn d_II = 45 mm, bề rộng ổ lăn sơ bộ B_ol = 25 mm. Trục I có chiều dài khoảng cách giữa 2 gối đỡ l' = 120 mm. Biểu đồ nội lực được vẽ riêng trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang cho từng trục. Vật liệu trục chế tạo từ thép 45 với [σ] = 50 N/mm².

Kết quả tính đường kính trục:

Vị trí Trục I Trục II
Lắp ổ lăn A và B d_A = d_B = 40 mm —
Lắp ổ lăn C và D — d_C = d_D = 50 mm
Lắp bánh đai 35 mm —
Lắp bánh răng nón nhỏ 35 mm —
Lắp bánh răng nón lớn — 50 mm

Chương 5 — Tính toán lựa chọn ổ lăn

Trục I chịu lực dọc trục nên chọn ổ đỡ chặn. Qua hai lần tính (ổ bi đỡ chặn kiểu 36000, sau đó ổ đũa đỡ chặn), ổ lăn trục I được chọn là ổ đũa đỡ chặn ký hiệu 7308: đường kính trong d = 40 mm, đường kính ngoài D = 90 mm, bề rộng B = 25,5 mm, hệ số khả năng làm việc C_b = 92 000. Hệ số khả năng làm việc tính toán C = 80 789,1 < C_b — thỏa mãn. Trục II chọn ổ bi đỡ chặn ký hiệu 36310: đường kính trong d = 40 mm (thực tế trục d = 50 mm — đây là giá trị tra bảng ghi trong tài liệu), đường kính ngoài D = 110 mm, bề rộng B = 27 mm, C_b = 60 000.

Chương 6 — Tính toán then bằng

Ba vị trí then được kiểm tra theo điều kiện bền cắt [τ_c] = 87 N/mm² và bền dập [σ_d] = 100 N/mm², vật liệu thép 45:

Vị trí Kích thước then (b × h × l) Mômen xoắn M_z (N.mm) Kết luận
Bánh đai — Trục I (d = 35 mm) 10 × 8 × 40 139 235,712 Thỏa bền
Bánh răng nón nhỏ — Trục I (d = 35 mm) 10 × 8 × 36 139 235,712 Thỏa bền
Bánh răng nón lớn — Trục II (d = 50 mm) 14 × 9 × 50 556 936,31 Thỏa bền

Chương 7 — Tính toán vỏ hộp và các chi tiết phụ

Vỏ hộp làm bằng gang, gia công đúc, mặt ghép đi qua đường tâm cả hai trục. Các thông số kết cấu xác định từ chiều dài nón ngoài R_e = 198 mm. Bulông nền chọn d_n = M20; bulông cạnh ổ d_1 = M14; bulông ghép mặt bích nắp – thân d_2 = M12; bulông ghép nắp ổ d_3 = M10; bulông ghép nắp cửa thăm d_4 = M8. Khối lượng hộp ước tính 100 kg, sử dụng 2 bulông vòng M8. Nút tháo dầu M20×2. Chốt định vị hình côn d = 6 mm, l = 30 mm. Nắp cửa thăm kích thước A × B = 100 × 75 mm, cố định bằng 4 bulông M6.

Tổng hợp chi tiết phụ:

Chi tiết Số lượng
Bulông nền M20 4
Bulông cạnh ổ M14 6
Bulông ghép mặt bích M12 6
Bulông ghép nắp ổ M10 12
Bulông ghép nắp cửa thăm M8 4
Bulông vòng M8 2
Bulông tháo dầu M20 1
Chốt định vị hình côn 2
Que thăm dầu M12 1
Nắp cửa thăm 1
Nút thông hơi 1

Kết quả và đóng góp

Kết quả thiết kế chính:

  • Động cơ điện A0C2-94-4 được chọn với N_đc = 5,8 kW, n_đc = 1 400 vòng/phút, đảm bảo công suất làm việc 6,64 kW > N_đm = 5,01 kW.
  • Hệ thống truyền động hai cấp (xích ngoài hộp + trục vít – bánh vít trong hộp) đạt tỷ số truyền chung i_ch = 33,05, tốc độ trục II đạt 42,36 vòng/phút đúng yêu cầu dẫn động băng tải.
  • Bộ truyền xích với bước xích P_t = 19,05 mm, số mắc X = 136, khoảng cách trục A = 758 mm, lực lên trục 443,14 N.
  • Bộ truyền trục vít – bánh vít với m = 8, Z_1 = 2, Z_2 = 20, khoảng cách trục A = 112 mm.
  • Đường kính trục được xác định: trục I (ổ lăn 40 mm, bánh đai và bánh răng nón nhỏ 35 mm); trục II (ổ lăn và bánh răng nón lớn 50 mm).
  • Ổ đũa đỡ chặn 7308 cho trục I (C_b = 92 000) và ổ bi đỡ chặn 36310 cho trục II (C_b = 60 000) đều thỏa hệ số khả năng làm việc.
  • Toàn bộ 3 then bằng tại các vị trí lắp ghép đều thỏa điều kiện bền cắt và bền dập.

Sản phẩm đầu ra: Bộ hồ sơ thiết kế gồm phần thuyết minh tính toán 7 chương và bản vẽ lắp toàn bộ hộp giảm tốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả thừa nhận đây là bản thiết kế kỹ thuật đầu tiên nên không tránh khỏi thiếu sót. Văn bản không nêu cụ thể hướng mở rộng, tuy nhiên do phạm vi giới hạn ở cấp cao đẳng với đề số 2, phương án 47, một số nội dung chưa được triển khai như: kiểm nghiệm bền mỏi chi tiết theo hệ số an toàn, tính toán nhiệt bộ truyền trục vít, tính toán bôi trơn và dung sai lắp ghép chi tiết. Phần bản vẽ lắp được đề cập trong mục lục nhưng không hiển thị trong phần fulltext được cung cấp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu phù hợp cho sinh viên ngành Cơ khí — Chế tạo máy bậc cao đẳng và đại học đang thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy lần đầu, đặc biệt với những đề bài yêu cầu thiết kế hộp giảm tốc trục vít – bánh vít một cấp kết hợp bộ truyền xích. Phần đáng tham khảo nhất bao gồm: quy trình phân phối tỷ số truyền theo hiệu suất thực tế từng khâu; trình tự 6 bước tính toán trục (từ sơ đồ thực tế đến biểu đồ nội lực và điều kiện bền); cách chuyển đổi từ ổ bi đỡ chặn sang ổ đũa đỡ chặn khi hệ số C không thỏa mãn; và bảng tổng hợp chi tiết phụ vỏ hộp giúp tra cứu nhanh số lượng, ký hiệu bulông và phụ kiện.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công suất cần thiết tính được là 4,79 kW nhưng động cơ lại được chọn có công suất 5,8 kW? Vì điều kiện chọn động cơ là N_đc × η_đc ≥ N_đm. Động cơ A0C2-94-4 có N_đc = 5,8 kW và η_đc = 0,885, cho công suất làm việc thực tế 6,64 kW > N_đm = 5,01 kW, đảm bảo dự trữ công suất cho hệ thống.

2. Tại sao tỷ số truyền bộ truyền xích i_xích = 3,305 mà số răng đĩa bị dẫn tính ra là Z_2 = 82,625 nhưng lại chọn Z_2 = 83? Số răng đĩa xích phải là số nguyên. Giá trị tính toán 82,625 được làm tròn lên thành 83 răng để đảm bảo tỷ số truyền thực tế gần nhất với yêu cầu và số mắc xích X = 136 ra số chẵn thuận tiện nối xích.

3. Vì sao thiết kế ban đầu chọn ổ bi đỡ chặn 36000 cho trục I nhưng cuối cùng lại đổi sang ổ đũa đỡ chặn 7308? Khi tính hệ số khả năng làm việc C = 68 738 cho ổ B (tải lớn nhất), tra bảng 5-5 với đường kính d = 40 mm không tìm được ổ bi đỡ chặn nào có C_b ≥ 68 738. Do đó chuyển sang ổ đũa đỡ chặn có khả năng chịu tải cao hơn; cuối cùng chọn ổ 7308 với C_b = 92 000 > C = 80 789,1 — thỏa mãn.

4. Then bằng tại vị trí lắp bánh đai trục I có kích thước 10 × 8 × 40 mm được kiểm tra theo mômen xoắn bao nhiêu và kết quả thế nào? Mômen xoắn tại trục I là M_z = 139 235,712 N.mm. Then 10 × 8 × 40 với vật liệu thép 45 đã được kiểm tra cả bền cắt ([τ_c] = 87 N/mm²) lẫn bền dập ([σ_d] = 100 N/mm²) và đều thỏa mãn.

5. Bulông nền của hộp giảm tốc được chọn cỡ nào và dựa trên thông số nào? Đường kính bulông nền xác định theo công thức kinh nghiệm: d_n = 0,036 × R_e + 12 = 0,036 × 198 + 12 ≈ 19,1 mm. Theo tiêu chuẩn, chọn bulông nền M20, sử dụng 4 bulông bố trí quanh đế hộp.

Kết luận

Bài tập lớn trình bày đầy đủ quy trình thiết kế một trạm dẫn động cơ khí hoàn chỉnh theo sơ đồ xích – trục vít bánh vít – băng tải, từ chọn động cơ đến xác định kết cấu vỏ hộp và chi tiết phụ. Các tính toán tuân thủ phương pháp luận thiết kế chi tiết máy chuẩn, với kết quả cụ thể được đối chiếu với điều kiện bền và tra bảng tiêu chuẩn ở từng bước. Tài liệu thể hiện khả năng áp dụng tổng hợp kiến thức nhiều môn học cơ sở vào một bài toán thiết kế tích hợp, phù hợp làm tài liệu tham khảo cho sinh viên cơ khí thực hiện đề bài tương tự ở mức độ cao đẳng.