Đồ án Chi tiết máy: Thiết kế bộ truyền cặp bánh răng trụ răng thẳng
Tài liệu đồ án Chi tiết máy thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng, đầy đủ các bước tính toán, chọn vật liệu, thiết kế trục, ổ lăn và vỏ hộp.
Trường đại học
Trường Đại học Nam Cần ThơChuyên ngành
Công Nghệ Kỹ Thuật Ô TôNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Đồ ánPhí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Toàn cảnh Đồ án Chi tiết máy Bánh răng trụ răng thẳng
Một đồ án Chi tiết máy về bánh răng trụ răng thẳng là một bài tập kỹ thuật tổng hợp, yêu cầu sinh viên áp dụng kiến thức từ nhiều môn học như Sức bền vật liệu, Cơ học máy và Dung sai lắp ghép. Mục tiêu cốt lõi là thiết kế một hệ thống truyền động cơ khí, thường là hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng, để đáp ứng các yêu cầu về công suất và tốc độ đầu ra cho một máy công tác cụ thể, ví dụ như băng tải. Cấu trúc điển hình của một hệ thống như vậy bao gồm động cơ điện, bộ truyền ngoài (đai, xích), hộp giảm tốc chứa cặp bánh răng, các trục, ổ lăn và vỏ hộp. Sinh viên phải thực hiện một chuỗi các bước tính toán logic, từ việc chọn động cơ, phân phối tỉ số truyền, cho đến thiết kế từng chi tiết và cuối cùng là kiểm nghiệm độ bền của chúng. Sản phẩm cuối cùng không chỉ là các tính toán trong thuyết minh đồ án chi tiết máy mà còn bao gồm bộ bản vẽ chi tiết máy hoàn chỉnh, thể hiện rõ ràng kết cấu và thông số kỹ thuật. Việc hoàn thành tốt đồ án này chứng tỏ khả năng vận dụng lý thuyết vào giải quyết một bài toán kỹ thuật thực tế, đảm bảo các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế. Tài liệu tham khảo chính thường là sách 'Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí' hoặc các giáo trình tương đương, cung cấp cơ sở lý thuyết và các bảng tra cứu cần thiết.
1.1. Mục tiêu và phạm vi của đồ án chi tiết máy
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống dẫn động hoàn chỉnh, trong đó hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng là thành phần trung tâm. Phạm vi của đồ án bao gồm việc lựa chọn động cơ điện phù hợp với tải trọng yêu cầu, phân phối tỉ số truyền hợp lý giữa bộ truyền ngoài và các cấp trong hộp giảm tốc. Sinh viên cần thực hiện toàn bộ quá trình tính toán thiết kế bánh răng, trục, then và chọn ổ lăn. Ngoài ra, việc thiết kế vỏ hộp, các chi tiết phụ như nắp thăm dầu, que thăm dầu và lựa chọn phương pháp bôi trơn cũng nằm trong phạm vi yêu cầu. Kết quả phải đảm bảo hệ thống làm việc ổn định, bền bỉ và tối ưu về chi phí.
1.2. Các thông số đầu vào và yêu cầu kỹ thuật cơ bản
Mỗi đồ án bắt đầu với một bộ thông số đầu vào cụ thể do giảng viên cung cấp. Các thông số này thường bao gồm: công suất yêu cầu trên trục công tác (P), số vòng quay trên trục công tác (n), thời gian phục vụ (Lh), và đặc tính tải trọng (êm, va đập nhẹ, va đập trung bình). Từ những dữ liệu này, sinh viên phải xác định công suất cần thiết của động cơ, hiệu suất toàn hệ thống, và tỉ số truyền chung. Đây là những con số nền tảng, ảnh hưởng trực tiếp đến mọi quyết định thiết kế và tính toán ở các bước tiếp theo, đặc biệt là khi xác định mô đun bánh răng và các thông số hình học.
II. Bí quyết chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền tối ưu
Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi đồ án Chi tiết máy là chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền. Việc lựa chọn sai động cơ có thể dẫn đến toàn bộ hệ thống không đáp ứng được yêu cầu hoặc gây lãng phí năng lượng. Quá trình này bắt đầu bằng việc tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ (Pct) dựa trên công suất trên trục công tác (Pdt) và hiệu suất chung của toàn hệ thống (ղ). Hiệu suất này là tích của hiệu suất các bộ phận riêng lẻ như bộ truyền ngoài (đai, xích), hiệu suất mỗi cặp ổ lăn, và hiệu suất của bộ truyền bánh răng. Sau khi có công suất cần thiết, số vòng quay sơ bộ của động cơ (nsb) được xác định. Dựa vào Pct và nsb, sinh viên tra cứu catalogue để chọn một động cơ điện tiêu chuẩn có công suất định mức và số vòng quay đồng bộ lớn hơn gần nhất so với giá trị tính toán. Sau khi chọn được động cơ, tỉ số truyền chung (ichung) được xác định chính xác. Nhiệm vụ tiếp theo là phân phối tỉ số truyền này cho bộ truyền ngoài (iđ) và hộp giảm tốc (ihgt) một cách hợp lý để đảm bảo kết cấu nhỏ gọn và hiệu quả.
2.1. Phương pháp tính công suất và chọn động cơ điện
Công suất cần thiết được tính theo công thức Pct = Pdt / ղ. Trong đó, hiệu suất chung ղ là tích của hiệu suất các bộ phận. Ví dụ, theo tài liệu gốc, ղ = nđ . nbr . nol^3 với nđ là hiệu suất bộ truyền đai, nbr là hiệu suất bộ truyền bánh răng, và nol là hiệu suất một cặp ổ lăn. Sau khi tính được Pct và số vòng quay sơ bộ nsb, việc chọn động cơ được thực hiện bằng cách tra bảng thông số kỹ thuật. Ví dụ, với yêu cầu Pct = 3,03 kW và nsb khoảng 679,2 vòng/phút, có thể chọn động cơ AO2-41-4 có công suất 4,0 kW và tốc độ 1450 vòng/phút, đảm bảo dự trữ công suất cần thiết.
2.2. Phân phối tỉ số truyền cho bộ truyền ngoài và hộp giảm tốc
Sau khi có số vòng quay của động cơ (ndc) và trục công tác (ntang), tỉ số truyền chung được tính: ichung = ndc / ntang. Tỉ số truyền này sau đó được phân chia thành tỉ số truyền của bộ truyền đai (iđ) và hộp giảm tốc (ihgt) sao cho ichung = iđ * ihgt. Việc lựa chọn giá trị cho iđ và ihgt phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thông thường, tỉ số truyền của bộ truyền đai thang được khuyến nghị trong khoảng 2 đến 4 để đảm bảo kích thước bánh đai hợp lý và khả năng làm việc ổn định. Phần tỉ số truyền còn lại sẽ do hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng đảm nhiệm.
III. Hướng dẫn tính toán thiết kế bánh răng trụ răng thẳng A Z
Đây là phần cốt lõi của đồ án Chi tiết máy, nơi các thông số của bộ truyền bánh răng được xác định. Quá trình tính toán thiết kế bánh răng bắt đầu bằng việc chọn vật liệu làm bánh răng. Thông thường, để đảm bảo sự mài mòn đều và tăng tuổi thọ, bánh răng nhỏ (chủ động) được chế tạo từ vật liệu có độ rắn cao hơn bánh răng lớn (bị động) khoảng 10-15 HB. Thép 45 tôi cải thiện (cho bánh nhỏ) và Thép 40 thường hóa (cho bánh lớn) là lựa chọn phổ biến. Tiếp theo là xác định ứng suất cho phép, bao gồm ứng suất tiếp xúc [σ]tx và ứng suất uốn [σ]u. Các giá trị này phụ thuộc vào vật liệu, loại nhiệt luyện và số chu kỳ làm việc. Từ đó, khoảng cách trục sơ bộ (A) được tính toán dựa trên moment xoắn, tỉ số truyền và ứng suất tiếp xúc cho phép. Sau khi có khoảng cách trục, các thông số hình học quan trọng như mô đun bánh răng (m) và số răng (Z1, Z2) được xác định và tiêu chuẩn hóa. Cuối cùng, bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền bánh răng, bao gồm kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn, để đảm bảo rằng bánh răng sẽ không bị phá hủy dưới điều kiện tải trọng làm việc.
3.1. Chọn vật liệu và xác định ứng suất cho phép
Việc chọn vật liệu làm bánh răng là một quyết định quan trọng. Tài liệu tham khảo đề xuất sử dụng Thép 45 tôi cải thiện cho bánh răng nhỏ (độ rắn 220 HB) và Thép 40 thường hóa cho bánh răng lớn (độ rắn 180 HB). Ứng suất tiếp xúc cho phép [σ]tx và ứng suất uốn cho phép [σ]u được xác định từ các công thức thực nghiệm. Ví dụ, [σ]tx = 2,6 * HB cho thép cacbon. Các hệ số an toàn và hệ số chu kỳ ứng suất cũng được đưa vào tính toán để phản ánh đúng điều kiện làm việc thay đổi của bộ truyền.
3.2. Xác định khoảng cách trục mô đun và số răng
Khoảng cách trục (A) được tính theo công thức độ bền tiếp xúc, có dạng: A ≥ (i+1) * ³√(...). Sau khi tính toán và chọn được khoảng cách trục sơ bộ, mô đun bánh răng (m) được xác định theo công thức kinh nghiệm m = (0.01 ÷ 0.02) * A. Giá trị mô đun phải được chọn theo dãy tiêu chuẩn. Khi đã có A và m, tổng số răng (Z1 + Z2) được tính, và từ đó, số răng của từng bánh răng được xác định dựa trên tỉ số truyền. Lưu ý rằng số răng không nên quá nhỏ (thường Z1 ≥ 17) để tránh hiện tượng cắt chân răng.
3.3. Quy trình kiểm nghiệm bền cho bánh răng
Sau khi có đầy đủ các thông số hình học, kiểm nghiệm bền bánh răng là bước bắt buộc. Ứng suất uốn thực tế σu sinh ra ở chân răng được tính và so sánh với ứng suất uốn cho phép [σ]u. Tương tự, ứng suất tiếp xúc thực tế σtx trên bề mặt răng được so sánh với ứng suất tiếp xúc cho phép [σ]tx. Nếu các điều kiện bền σu ≤ [σ]u và σtx ≤ [σ]tx được thỏa mãn, thiết kế được coi là đạt yêu cầu. Nếu không, cần phải quay lại các bước trước để điều chỉnh vật liệu, mô đun bánh răng hoặc khoảng cách trục.
IV. Phương pháp thiết kế trục then và chọn ổ lăn chính xác
Sau khi bộ truyền bánh răng được thiết kế, các chi tiết máy liên quan như trục, then và ổ lăn cần được tính toán để đảm bảo sự làm việc đồng bộ và tin cậy của hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng. Việc tính toán trục bắt đầu bằng việc xác định đường kính sơ bộ của trục tại các tiết diện lắp ổ lăn và bánh răng, dựa trên moment xoắn và ứng suất xoắn cho phép. Sau đó, một sơ đồ kết cấu trục được phác thảo, xác định vị trí các gối đỡ (ổ lăn) và điểm đặt lực. Lực tác dụng từ bộ truyền bánh răng và bộ truyền ngoài được phân tích để vẽ biểu đồ moment uốn và moment xoắn dọc theo trục. Từ đó, đường kính tại các tiết diện nguy hiểm được tính toán và kiểm nghiệm bền theo giả thuyết bền phù hợp. Tiếp theo, then được thiết kế để truyền moment xoắn từ trục đến bánh răng (hoặc ngược lại). Kích thước then được chọn theo tiêu chuẩn dựa trên đường kính trục và được kiểm nghiệm bền dập, bền cắt. Cuối cùng, việc chọn ổ lăn được thực hiện dựa trên đường kính ngõng trục và tải trọng hướng tâm, dọc trục tác dụng lên ổ. Khả năng tải động của ổ được tính toán để đảm bảo ổ lăn đạt được tuổi thọ yêu cầu.
4.1. Tính toán và kiểm nghiệm bền cho các trục truyền
Đường kính sơ bộ của trục được xác định bằng công thức d ≥ ³√(Mx / (0.2 * [τ])). Sau khi phát thảo sơ đồ lực, các phản lực tại gối đỡ được tính. Biểu đồ moment uốn và xoắn được dựng lên. Tại tiết diện nguy hiểm nhất (thường là nơi có moment uốn lớn nhất), đường kính trục được kiểm nghiệm bền theo moment tương đương. Vật liệu làm trục phổ biến là Thép 45 thường hóa. Việc định hình bậc trục hợp lý là rất quan trọng để thuận tiện cho việc lắp ghép và định vị các chi tiết.
4.2. Lựa chọn và kiểm tra độ bền của then
Then được chọn là then bằng, loại 1. Kích thước (chiều rộng b, chiều cao h) được tra bảng tiêu chuẩn theo đường kính trục. Chiều dài then được chọn bằng khoảng 0.8 lần chiều dài mayơ của chi tiết lắp trên trục. Sau đó, then được kiểm nghiệm theo hai chỉ tiêu: bền dập σd và bền cắt τc. Các ứng suất này phải nhỏ hơn giá trị cho phép của vật liệu. Cụ thể, σd = 2*Mx / (d*k*l) ≤ [σd] và τc = 2*Mx / (d*b*l) ≤ [τc], trong đó k là chiều cao làm việc của then.
4.3. Quy trình tính toán và chọn ổ lăn phù hợp
Việc chọn ổ lăn dựa trên tải trọng quy ước (Q) và tuổi thọ yêu cầu. Tải trọng quy ước được tính từ tải trọng hướng tâm (R) và tải trọng dọc trục (A) tác dụng lên ổ. Khả năng tải động yêu cầu (C) được tính theo công thức C = Q * (L^0.3), trong đó L là tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay. Dựa vào đường kính ngõng trục và giá trị C tính được, ta tra catalogue của nhà sản xuất để chọn loại ổ bi hoặc ổ đũa phù hợp. Phổ biến nhất là ổ bi đỡ một dãy.
V. Cách hoàn thiện vỏ hộp và các bản vẽ chi tiết máy Full
Hoàn thiện đồ án Chi tiết máy không chỉ dừng lại ở các bước tính toán mà còn yêu cầu khả năng trình bày kỹ thuật thông qua các bản vẽ chi tiết máy. Vỏ hộp giảm tốc, thường được làm từ gang xám (GX 15-32) do có khả năng chịu nén tốt và dễ đúc, là chi tiết quan trọng cần được thiết kế cẩn thận. Các kích thước cơ bản của vỏ hộp như chiều dày thân, nắp, mặt bích, gân tăng cứng được xác định dựa trên các công thức kinh nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách trục A. Thiết kế vỏ hộp phải đảm bảo độ cứng vững, thuận tiện cho việc lắp ráp, tháo dỡ và bôi trơn. Các chi tiết phụ như nắp thăm dầu, nút thông hơi, que thăm dầu, bu lông vòng cũng cần được lựa chọn và bố trí hợp lý. Bước cuối cùng là xây dựng bộ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh. Bộ bản vẽ này thường bao gồm bản vẽ lắp của hộp giảm tốc và các bản vẽ chi tiết của các bộ phận quan trọng như bánh răng, trục. Các bản vẽ này phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật về hình chiếu, kích thước, dung sai và yêu cầu kỹ thuật. Việc tạo ra các file CAD bánh răng và các chi tiết khác một cách chính xác là minh chứng cho sự thành công của đồ án.
5.1. Thiết kế kết cấu vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ
Vỏ hộp giảm tốc có chức năng bao kín, định vị các chi tiết truyền động và chứa dầu bôi trơn. Chiều dày thân hộp δ thường được tính sơ bộ theo công thức δ = 0.025*A + 1 (mm). Các chi tiết phụ như nút tháo dầu được đặt ở vị trí thấp nhất, nút thông hơi được đặt trên nắp cửa thăm để cân bằng áp suất. Chốt định vị được sử dụng để đảm bảo vị trí tương đối chính xác giữa thân và nắp hộp sau nhiều lần tháo lắp.
5.2. Các yêu cầu đối với bộ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh
Bản vẽ chi tiết máy phải thể hiện đầy đủ và rõ ràng mọi thông tin cần thiết cho việc chế tạo và kiểm tra. Đối với bản vẽ bánh răng, cần có bảng thông số ghi rõ mô đun bánh răng, số răng, góc ăn khớp, cấp chính xác... Đối với bản vẽ trục, cần ghi đầy đủ kích thước, dung sai hình học, độ nhám bề mặt tại các vị trí lắp ghép. Bản vẽ lắp hộp giảm tốc phải thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết, danh mục các chi tiết (bảng kê), và các yêu cầu kỹ thuật chung cho việc lắp ráp.
01/10/2025
