Đồ án CDIO 2: Thiết kế hệ thống dẫn động băng tải

I. Hướng dẫn tổng quan đồ án CDIO 2 dẫn động băng tải

Đồ án CDIO 2 với chủ đề thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là một bài tập kỹ thuật tổng hợp, đòi hỏi sinh viên áp dụng kiến thức từ nhiều môn học cốt lõi như Nguyên lý máy, Chi tiết máy và Vẽ kỹ thuật. Mục tiêu chính không chỉ là tạo ra một sản phẩm thiết kế hoàn chỉnh mà còn là rèn luyện tư duy theo phương pháp luận CDIO (Conceive - Hình thành ý tưởng, Design - Thiết kế, Implement - Triển khai, Operate - Vận hành). Cách tiếp cận này giúp sinh viên phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề một cách hệ thống, từ việc phân tích yêu cầu ban đầu, lựa chọn phương án tối ưu, đến tính toán chi tiết và xây dựng tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh. Một đồ án môn học cơ khí thành công không chỉ nằm ở các con số tính toán chính xác mà còn ở khả năng trình bày logic, khoa học trong bản thuyết minh đồ án chi tiết máy. Đề tài này mô phỏng một bài toán thực tế trong sản xuất công nghiệp, nơi các hệ thống băng tải đóng vai trò xương sống trong dây chuyền tự động hóa. Việc hoàn thành tốt đồ án sẽ là nền tảng vững chắc cho các kỹ sư cơ khí tương lai, giúp họ tự tin đối mặt với các thách thức thiết kế phức tạp trong thực tế. Quá trình thực hiện đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết và thực hành, giữa tính toán trên giấy và mô hình hóa trên phần mềm.

1.1. Hiểu đúng về phương pháp luận CDIO trong đồ án cơ khí

Phương pháp luận CDIO là một khuôn khổ giáo dục kỹ thuật hiện đại, nhấn mạnh vào chu trình phát triển sản phẩm thực tế. Trong bối cảnh đồ án CDIO 2, giai đoạn 'Conceive' (Hình thành ý tưởng) yêu cầu sinh viên xác định rõ nhu cầu, phân tích các thông số cho trước như lực kéo băng tải (P = 2350 N), vận tốc băng tải (V = 0,79 m/s) và đường kính tang (D = 255 mm). Giai đoạn 'Design' (Thiết kế) là trọng tâm, bao gồm toàn bộ quá trình tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, từ việc chọn động cơ đến thiết kế các bộ truyền. Giai đoạn 'Implement' (Triển khai) tập trung vào việc hiện thực hóa thiết kế thông qua các bản vẽ kỹ thuật băng tải chi tiết trên AutoCAD hoặc mô hình 3D trên Solidworks. Cuối cùng, giai đoạn 'Operate' (Vận hành) xem xét các khía cạnh lắp đặt, bảo trì và quy trình bảo vệ đồ án.

1.2. Phân tích yêu cầu bài toán thiết kế hệ dẫn động băng tải

Yêu cầu cốt lõi của đề tài là thiết kế một hệ thống dẫn động hoàn chỉnh, bao gồm động cơ, khớp nối, hộp giảm tốc bánh răng trụ-nón và bộ truyền xích để dẫn động tang dẫn của băng tải. Các thông số đầu vào như lực kéo, vận tốc, và thời gian phục vụ (6 năm, 320 ngày/năm, 14 giờ/ngày) là những ràng buộc quan trọng định hình toàn bộ quá trình tính toán. Đặc tính tải trọng (thay đổi, rung động nhẹ) ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn các hệ số an toàn và vật liệu. Việc phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu này ở giai đoạn đầu tiên sẽ giúp định hướng đúng đắn cho các bước tính toán về sau, tránh những sai sót có thể dẫn đến việc phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống.

II. Cách chọn động cơ phân phối tỷ số truyền cho băng tải

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình thiết kế là xác định công suất động cơ và phân bổ tỷ số truyền hợp lý. Công suất cần thiết không chỉ phụ thuộc vào lực kéo và vận tốc của băng tải mà còn phải tính đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Hiệu suất này là tích của hiệu suất từng bộ phận, bao gồm các cặp ổ lăn, bộ truyền xích, và các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc. Việc chọn động cơ điện phù hợp phải dựa trên hai điều kiện chính: công suất động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất cần thiết đã tính toán, và số vòng quay đồng bộ của động cơ phải gần với số vòng quay sơ bộ của hệ thống. Từ tài liệu gốc, công suất cần thiết được tính là 2,18 kW và số vòng quay sơ bộ là 1183,8 vòng/phút, dẫn đến việc lựa chọn động cơ AO2 31-4 có công suất 2,2 kW và tốc độ 1430 vòng/phút. Sau khi chọn được động cơ, bước tiếp theo là phân phối tỷ số truyền chung cho các bộ phận. Tỷ số truyền chung (ichung) sẽ được chia cho bộ truyền ngoài (ixích) và hộp giảm tốc (ihộp), với mục tiêu tối ưu hóa kích thước và đảm bảo điều kiện bôi trơn.

2.1. Tính toán công suất và chọn động cơ điện phù hợp

Công suất trên băng tải được xác định bằng công thức N = P*v/1000. Với các số liệu cho trước, N = 1,8565 kW. Công suất cần thiết của động cơ (Nct) được tính bằng cách chia công suất trên băng tải cho hiệu suất chung của hệ thống (η). Hiệu suất chung (η) được tính toán dựa trên hiệu suất của từng bộ phận truyền động. Sau khi có Nct và số vòng quay sơ bộ (nsb), việc lựa chọn động cơ được thực hiện bằng cách tra cứu bảng thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất. Tiêu chí lựa chọn bao gồm Ndc ≥ Nct và ndc ≈ nsb. Đây là một bước nền tảng, quyết định các thông số đầu vào cho việc thiết kế các bộ phận tiếp theo.

2.2. Phương pháp phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc

Tỷ số truyền chung (ichung) của hệ thống được tính bằng tỷ số giữa số vòng quay của động cơ và số vòng quay của tang làm việc. Ví dụ, ichung = 1430 / 59 = 24,15. Tỷ số truyền này sau đó được phân phối cho bộ truyền xích ngoài và hộp giảm tốc. Thông thường, tỷ số truyền của bộ truyền xích hoặc đai được chọn trước trong một khoảng hợp lý (ví dụ ixích = 2 ÷ 4). Phần còn lại sẽ là tỷ số truyền của hộp giảm tốc. Đối với hộp giảm tốc hai cấp, tỷ số truyền này lại tiếp tục được phân chia cho cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm. Việc phân phối hợp lý giúp đảm bảo kích thước nhỏ gọn cho hộp giảm tốc, cân bằng tải trọng và tối ưu hóa điều kiện bôi trơn cho các cặp bánh răng.

III. Bí quyết thiết kế bộ truyền xích và bánh răng hiệu quả

Thiết kế các bộ truyền cơ khí là phần cốt lõi của đồ án, đòi hỏi kiến thức sâu về sức bền vật liệu và nguyên lý máy. Đối với bộ truyền xích, quy trình bắt đầu bằng việc chọn loại xích (thường là xích ống con lăn), sau đó xác định số răng đĩa xích dựa trên tỷ số truyền đã phân phối. Các bước tiếp theo bao gồm tính toán bước xích, khoảng cách trục, số mắt xích và kiểm nghiệm độ bền của xích. Đối với các bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc, quy trình phức tạp hơn. Cần phải lựa chọn vật liệu và chế độ nhiệt luyện phù hợp, sau đó xác định ứng suất cho phép. Từ đó, tiến hành tính toán các thông số hình học cơ bản như mô-đun, số răng, góc ăn khớp. Bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền cho răng bánh răng theo hai chỉ tiêu chính: bền tiếp xúc và bền uốn. Mọi tính toán đều phải tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật và được ghi chép cẩn thận trong bản thuyết minh đồ án chi tiết máy. Việc thiết kế chính xác không chỉ đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định mà còn kéo dài tuổi thọ phục vụ.

3.1. Quy trình thiết kế bộ truyền xích và kiểm nghiệm bền

Thiết kế bộ truyền xích bắt đầu bằng việc chọn số răng đĩa nhỏ (z1) và tính số răng đĩa lớn (z2) qua tỷ số truyền thực tế. Công suất tính toán được xác định để chọn bước xích (t) phù hợp từ bảng tiêu chuẩn. Sau đó, khoảng cách trục (a) và số mắt xích (X) được tính toán để đảm bảo xích hoạt động tối ưu. Cuối cùng, cần thực hiện kiểm nghiệm xích về độ bền mỏi và kiểm tra độ bền tiếp xúc của răng đĩa xích để đảm bảo bộ truyền có thể chịu được tải trọng làm việc trong suốt thời gian phục vụ yêu cầu. Lực tác dụng lên trục từ bộ truyền xích cũng cần được xác định để phục vụ cho bước thiết kế trục sau này.

3.2. Tính toán thiết kế hộp giảm tốc bánh răng trụ và nón

Quá trình thiết kế một hộp giảm tốc bánh răng trụ-nón bao gồm việc tính toán riêng cho từng cặp bánh răng. Với mỗi cặp, cần chọn vật liệu (ví dụ Thép 45, Thép 50), xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép. Dựa trên mô-men xoắn trên trục, tiến hành tính toán sơ bộ khoảng cách trục (đối với bánh răng trụ) hoặc chiều dài nón (đối với bánh răng nón). Từ đó xác định mô-đun và số răng. Sau khi có các thông số hình học, cần thực hiện kiểm nghiệm bền uốn và bền tiếp xúc để đảm bảo răng không bị gãy hoặc tróc rỗ bề mặt. Cuối cùng, các lực tác dụng (lực vòng, lực hướng tâm, lực dọc trục) lên trục và then phải được tính toán chính xác.

IV. Phương pháp tính toán thiết kế trục và then cho hệ dẫn động

Thiết kế trục là một trong những công đoạn quan trọng nhất, quyết định độ tin cậy và ổn định của toàn bộ hệ thống. Quá trình này bắt đầu bằng việc chọn vật liệu cho trục, thường là thép C45 được tôi cải thiện để đạt độ bền và độ cứng cần thiết. Đường kính trục được xác định sơ bộ dựa trên mô-men xoắn tại mỗi vị trí. Sau đó, cần xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên trục, bao gồm các lực từ bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích và các phản lực tại gối đỡ. Dựa trên sơ đồ lực, tiến hành vẽ biểu đồ mô-men uốn và mô-men xoắn dọc theo chiều dài trục. Tại các tiết diện nguy hiểm (thường là nơi lắp bánh răng, ổ lăn hoặc có rãnh then), cần tính toán mô-men tương đương và kiểm tra hệ số an toàn bền mỏi của trục. Hệ số an toàn phải lớn hơn giá trị cho phép (thường từ 1,5 đến 2,5). Song song với việc thiết kế trục, các mối ghép then cũng phải được tính toán và kiểm nghiệm bền dập, bền cắt để đảm bảo khả năng truyền tải mô-men xoắn mà không bị phá hủy.

4.1. Xác định sơ bộ đường kính và kiểm nghiệm bền cho trục

Đường kính sơ bộ của trục và then được tính dựa trên mô-men xoắn và ứng suất xoắn cho phép của vật liệu. Sau khi định hình kết cấu trục, cần xác định chính xác các lực tác dụng và tính toán phản lực tại các gối đỡ (ổ lăn). Từ đó, các mô-men uốn và xoắn tại các tiết diện nguy hiểm được xác định. Việc kiểm nghiệm bền mỏi cho trục là bắt buộc, sử dụng công thức tính hệ số an toàn toàn phần, trong đó xét đến cả ứng suất pháp (do uốn) và ứng suất tiếp (do xoắn). Các yếu tố như hệ số tập trung ứng suất tại rãnh then hay vai trục đều phải được xem xét kỹ lưỡng.

4.2. Lựa chọn và tính toán ổ lăn cho các gối đỡ trục

Việc chọn ổ lăn phụ thuộc vào loại và độ lớn của tải trọng tác dụng lên gối đỡ. Đối với các trục chịu cả lực hướng tâm và lực dọc trục (như trục bánh răng nón), ổ bi đỡ chặn hoặc ổ đũa côn thường được ưu tiên. Đối với trục chỉ chịu lực hướng tâm, ổ bi đỡ là lựa chọn phổ biến. Quá trình tính toán lựa chọn ổ lăn bao gồm việc xác định tải trọng quy ước (tải trọng tương đương) tác dụng lên ổ. Sau đó, dựa vào số vòng quay và tuổi thọ yêu cầu, khả năng tải động cần thiết của ổ được tính toán. Cuối cùng, tra cứu catalogue của nhà sản xuất để chọn loại ổ có khả năng tải động lớn hơn hoặc bằng giá trị đã tính và có đường kính trong phù hợp với đường kính ngõng trục.

V. Hướng dẫn xây dựng bản vẽ kỹ thuật băng tải bằng AutoCAD

Giai đoạn 'Implement' trong phương pháp luận CDIO được thể hiện rõ nhất qua việc xây dựng bộ tài liệu bản vẽ kỹ thuật. Đây là ngôn ngữ giao tiếp của kỹ sư, biến những con số tính toán thành một sản phẩm hữu hình. Một bộ bản vẽ kỹ thuật băng tải hoàn chỉnh thường bao gồm: bản vẽ lắp chung toàn bộ hệ thống, bản vẽ lắp hộp giảm tốc, và các bản vẽ chi tiết của từng bộ phận cần gia công (trục, bánh răng, vỏ hộp). AutoCAD là công cụ truyền thống và mạnh mẽ để tạo các bản vẽ 2D này. Các bản vẽ phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về trình bày, kích thước, dung sai và yêu cầu kỹ thuật. Ngày nay, việc sử dụng các phần mềm 3D như Solidworks hoặc Inventor ngày càng phổ biến. Sinh viên thường được khuyến khích dựng mô hình 3D của toàn bộ hệ thống trước. Điều này không chỉ giúp trực quan hóa thiết kế mà còn cho phép thực hiện mô phỏng hệ thống dẫn động, kiểm tra va chạm, và xuất các bản vẽ 2D từ mô hình 3D một cách nhanh chóng và chính xác. Việc trình bày một bộ bản vẽ chuyên nghiệp, rõ ràng là một yếu tố quan trọng được đánh giá cao khi bảo vệ đồ án.

5.1. Triển khai bản vẽ lắp hệ thống dẫn động và vỏ hộp

Bản vẽ lắp chung thể hiện vị trí tương đối của tất cả các cụm chi tiết chính: động cơ, khớp nối, hộp giảm tốc, bộ truyền ngoài và cụm tang dẫn, tang bị động. Nó cung cấp cái nhìn tổng thể về kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Bản vẽ lắp hộp giảm tốc chi tiết hơn, thể hiện cách lắp ghép của các trục, bánh răng, ổ lăn và các chi tiết phụ khác bên trong vỏ hộp. Cả hai loại bản vẽ này đều phải có bảng kê chi tiết, ghi rõ tên gọi, số lượng, vật liệu của từng chi tiết.

5.2. Vai trò của mô phỏng hệ thống dẫn động bằng Solidworks

Việc sử dụng Solidworks để mô phỏng hệ thống dẫn động mang lại nhiều lợi ích. Trước hết, nó cho phép kiểm tra sự ăn khớp chính xác của các cặp bánh răng, phát hiện các va chạm có thể xảy ra giữa các chi tiết khi hoạt động. Thứ hai, các công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tích hợp sẵn có thể giúp kiểm nghiệm sơ bộ ứng suất và biến dạng trên các chi tiết quan trọng như trục hoặc vỏ hộp, cung cấp thêm một lớp xác thực cho các kết quả tính toán tay. Cuối cùng, các mô hình 3D tạo ra những hình ảnh trực quan, sinh động, rất hữu ích khi trình bày trong bản thuyết minh và khi bảo vệ đồ án.

Đồ án CDIO 2: Thiết kế hệ thống dẫn động băng tải - Đại học Duy Tân

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

1. TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN

1.1. CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1.2. TÍNH HIỆU SUẤT HỆ THỐNG

1.3. SỐ VÒNG QUAY CỦA TANG LÀM VIỆC

1.4. SỐ VÒNG QUAY SƠ BỘ

1.5. PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN

1.6. TỈ SỐ TRUYỀN CHUNG

1.7. SỐ VÒNG QUAY CỦA CÁC TRỤC

1.8. TÍNH MOMEN XOẮN

2. THIẾT KẾ CÁC BỘ TRUYỀN

2.1. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN XÍCH

2.1.1. Chọn loại xích

2.1.2. ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TRỤC VÀ SỐ MẮC XÍCH

2.1.3. TÍNH KIỂM NGHIỆM XÍCH VỀ ĐỘ BỀN

2.1.4. ĐƯỜNG KÍNH ĐĨA XÍCH

2.1.5. XÁC ĐỊNH LỰC TÁC DỤNG LÊN TRỤC

2.1.6. BẢNG THÔNG SỐ CỦA BỘ TRUYỀN XÍCH

2.2. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG NÓN THẲNG

2.2.1. CHỌN VẬT LIỆU VÀ CHẾ ĐỘ NHIỆT LUYỆN

2.2.2. ĐỊNH ỨNG SUẤT TIẾP XÚC VÀ ỨNG SUẤT UỐN CHO PHÉP

2.2.3. SƠ BỘ LẤY HỆ SỐ TẢI TRỌNG

2.2.4. CHỌN HỆ SỐ CHIỀU RỘNG BÁNH RĂNG

2.2.5. TÍNH VẬN TỐC VÒNG VÀ CHỌN CẤP CHÍNH XÁC CHẾ TẠO BÁNH RĂNG

2.2.6. ĐỊNH CHÍNH XÁC HỆ SỐ TẢI TRỌNG K VÀ CHIỀU DÀI NÓN L

2.2.7. XÁC ĐỊNH MODUN VÀ SỐ RĂNG

2.2.8. KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN UỐN CỦA RĂNG

2.2.9. KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN CỦA RĂNG KHI CHỊU QUÁ TẢI TRONG THỜI GIAN NGẮN

2.2.10. THÔNG SỐ HÌNH HỌC CHỦ YẾU CỦA BỘ TRUYỀN

2.2.11. TÍNH LỰC TÁC DỤNG

2.3. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG THẲNG

2.3.1. CHỌN VẬT LIỆU VÀ CHẾ ĐỘ NHIỆT LUYỆN

2.3.2. ĐỊNH ỨNG SUẤT TIẾP XÚC VÀ ỨNG SUẤT UỐN CHO PHÉP

2.3.3. SƠ BỘ LẤY HỆ SỐ TẢI TRỌNG

2.3.4. CHỌN HỆ SỐ CHIỀU RỘNG BÁNH RĂNG

2.3.5. KHOẢNG CÁCH TRỤC

2.3.6. TÍNH VẬN TỐC VÒNG VÀ CHỌN CẤP CHÍNH XÁC CHẾ TẠO BÁNH RĂNG

2.3.7. ĐỊNH CHÍNH XÁC HỆ SỐ TẢI TRỌNG

2.3.8. XÁC ĐỊNH MÔĐUN VÀ SỐ RĂNG

2.3.9. KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN UỐN CỦA RĂNG

2.3.10. KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN CỦA RĂNG KHI CHỊU QUÁ TẢI TRONG THỜI GIAN NGẮN

2.3.11. THÔNG SỐ HÌNH HỌC CHỦ YẾU CỦA BỘ TRUYỀN

2.3.12. TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN TRỤC

3. KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN BÔI TRƠN CỦA BÁNH RĂNG

4. THIẾT KẾ TRỤC VÀ TÍNH THEN

4.1. Chọn vật liệu

4.2. Chọn sơ bộ đường kính trục

4.3. Tính gần đúng trục

4.4. KIỂM TRA HỆ SỐ AN TOÀN

5. THIẾT KẾ GỐI ĐỠ TRỤC

5.1. CHỌN KIỂU LẮP Ổ LĂN

5.2. CỐ ĐỊNH TRỤC THEO PHƯƠNG DỌC TRỤC

6. TÍNH CHỌN NỐI TRỤC

7. CẤU TẠO VỎ HỘP GIẢM TỐC VÀ CÁC CHI TIẾT MÁY KHÁC

8. BÔI TRƠN, CHE KÍN HỘP GIẢM TỐC

8.1. BÔI TRƠN HỘP GIẢM TỐC

8.2. CHE KÍN HỘP GIẢM TỐC

8.3. LỰA CHỌN KIỂU LẮP CHO CÁC MỐI GHÉP

TÀI LIỆU THAM KHẢO