Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo máy, đồ án môn học Chi tiết máy giữ vai trò là bước tổng hợp kiến thức về cơ học ứng dụng, sức bền vật liệu, nguyên lý máy và công nghệ chế tạo. Tài liệu "Đồ án chi tiết máy - Thiết kế hộp giảm tốc" do sinh viên Nguyễn Nhâm Tuất (Lớp 43M) thực hiện, tập trung vào việc tính toán, thiết kế hoàn chỉnh một trạm dẫn động cơ khí phục vụ cơ cấu máy công tác (tang quay/băng tải).

Bối cảnh kỹ thuật của đề tài đặt ra yêu cầu thiết kế một hệ thống truyền động trung gian nhằm giảm tốc độ từ động cơ điện tiêu chuẩn đến trục công tác, đồng thời biến đổi mômen xoắn để đáp ứng đặc tính làm việc tải trọng thay đổi có chu kỳ. Nhiệm vụ thiết kế được cấu trúc thành các giai đoạn tuần tự:

  1. Xác định động học và động lực học: Lựa chọn động cơ điện phù hợp và phân phối tỉ số truyền cho toàn bộ hệ thống cũng như từng cụm bộ truyền.
  2. Thiết kế các bộ truyền cơ khí: Tính toán thiết kế chi tiết bộ truyền đai ngoài, bộ truyền bánh răng côn răng thẳng cấp nhanh và bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng cấp chậm theo các chỉ tiêu độ bền tiếp xúc, độ bền uốn và khả năng chịu quá tải.
  3. Thiết kế hệ thống trục và mối ghép: Xác định kết cấu hình học của ba trục truyền động, tính chọn then bằng, kiểm nghiệm trục theo chỉ tiêu độ bền mỏi và độ bền tĩnh.
  4. Tính chọn ổ lăn và nối trục: Lựa chọn và kiểm nghiệm khả năng tải động, tải tĩnh của các gối đỡ ổ đũa côn trên các trục; tính chọn khớp nối trục đàn hồi.
  5. Thiết kế kết cấu vỏ hộp và hệ thống phụ: Xác định kích thước hình học vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám, thiết kế hệ thống bôi trơn, làm kín và lựa chọn các dung sai lắp ghép tiêu chuẩn.

Hệ thống được thiết kế vận hành với thời gian phục vụ là 7 năm, mỗi năm làm việc 300 ngày, mỗi ngày 8 giờ (tương đương tổng thời gian làm việc $16.800\text{ giờ}$); chế độ tải thay đổi theo chu kỳ với tỷ lệ thời gian mang tải danh định chiếm $t_s = 66,66% > 60%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam (TCVN) và các mô hình tính toán độ bền chi tiết máy truyền thống theo trường phái Liên Xô/Việt Nam. Các tài liệu nền tảng được trích dẫn gồm:

  • Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (Tập 1 và Tập 2) – PGS.TS. Trịnh Chất, TS. Lê Văn Uyển (NXB Giáo dục, 1999).
  • Chi tiết máy (Tập 1 và Tập 2) – GS. Nguyễn Trọng Hiệp (NXB Giáo dục).
  • Hướng dẫn làm bài tập dung sai – Ninh Đức Tốn, Đỗ Trọng Hùng (Trường ĐHBK Hà Nội, 2000).
  • Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy – Trịnh Chất (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1994).

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Đồ án sử dụng phương pháp giải tích kết hợp tra cứu thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học: Xác định hiệu suất tổng thể, phân bổ tỉ số truyền dựa trên chỉ tiêu tối ưu kích thước và bôi trơn ngâm dầu của hộp giảm tốc hai cấp đồng trục/phân đôi.
  • Phương pháp tính toán độ bền mỏi tiếp xúc và uốn: Ứng dụng phương pháp ứng suất cho phép xác định từ giới hạn mỏi cơ sở của vật liệu thép tôi cải thiện, có xét đến chu kỳ làm việc tương đương ($N_{HE}, N_{FE}$), hệ số tập trung ứng suất tải trọng ($K_H, K_F$), hệ số dạng răng ($Y_F$) và hệ số trùng khớp ($Y_\epsilon, Z_\epsilon$).
  • Phương pháp phân tích lực không gian: Chiếu các lực ăn khớp ($F_t, F_r, F_a$) và lực căng đai ($F_{rd}$) lên hai mặt phẳng vuông góc ($Oxy, Oxz$), giải phương trình cân bằng tĩnh học để tìm phản lực tại các gối tựa ổ lăn, từ đó vẽ biểu đồ mômen uốn ($M_x, M_y$) và mômen xoắn ($M_z$).
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền mỏi của trục: Xác định hệ số an toàn thực tế $S$ tại các tiết diện nguy hiểm dựa trên giới hạn mỏi đối xứng ($\sigma_{-1}, \tau_{-1}$), hệ số kích thước ($\epsilon_\sigma, \epsilon_\tau$), hệ số tập trung ứng suất thực tế ($K_\sigma, K_\tau$) và chất lượng gia công bề mặt ($K_x, K_y$).
  • Phương pháp tra cứu và chuẩn hóa: Toàn bộ kích thước bánh răng, ổ lăn, vòng phớt, then, bulông nắp/thân và vỏ hộp đều được quy chuẩn theo dãy số tiêu chuẩn công nghiệp.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Cấu trúc động lực học của trạm dẫn động gồm động cơ điện xoay chiều truyền động qua bộ truyền đai dẹt/vải cao su đến trục I của hộp giảm tốc côn - trụ 2 cấp; công suất tiếp tục truyền qua cặp bánh răng côn cấp nhanh sang trục II, qua cặp bánh răng trụ cấp chậm sang trục III, và cuối cùng qua nối trục đàn hồi để dẫn động tang quay máy công tác.

Động cơ điện (P = 4,74 kW, n = 1420 v/ph)
Trục I - Hộp giảm tốc
Trục II - Trung gian
Trục III - Trục ra
Tang máy công tác (n = 54 v/ph)

Bảng thông số động học và động lực học tổng thể

Thông số kỹ thuật Trục động cơ Trục I (Vào) Trục II (Trung gian) Trục III (Ra) Trục tang công tác
Công suất $P\text{ (kW)}$ 4,74 3,98 3,74 3,52 3,35
Tỉ số truyền $u$ — $u_d = 2,24$ $u_1 = 3,50$ $u_2 = 3,33$ $u_{khop} = 1,00$
Số vòng quay $n\text{ (v/ph)}$ 1420 633,9 181,1 54,4 54,0
Mômen xoắn $T\text{ (N}\cdot\text{mm)}$ — 54.830 182.558 587.148 587.148

Nội dung chi tiết theo từng phần tính toán

1. Chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền

  • Công suất tính toán trên trục máy công tác: Chế độ tải biến thiên gồm hai mức tải trọng ($P_1 = 5,4\text{ kW}$ trong $t_1 = 20\text{ s}$, $P_2 = 0,3P_1 = 1,62\text{ kW}$ trong $t_2 = 10\text{ s}$ trên chu kỳ $t_{ck} = 30\text{ s}$). Công suất tương đương được xác định: $$P_t = \sqrt{\frac{P_1^2 \cdot t_1 + P_2^2 \cdot t_2}{t_1 + t_2}} = 3,98\text{ kW}$$
  • Hiệu suất chung của hệ thống: Tính toán qua hiệu suất các cụm truyền động gồm khớp nối ($\eta_k = 0,99$), 4 cặp ổ lăn ($\eta_o^4 = 0,995^4$), bộ truyền bánh răng côn ($\eta_c = 0,95$), bộ truyền bánh răng trụ ($\eta_{br} = 0,97$) và bộ truyền đai ($\eta_d = 0,95$), tổng hiệu suất đạt $\eta = 0,84$.
  • Công suất cần thiết trên trục động cơ: $$P_{ct} = \frac{P_t}{\eta} = \frac{3,98}{0,84} = 4,74\text{ kW}$$
  • Phân phối tỉ số truyền: Với số vòng quay trục tang $n_{lv} = 54\text{ v/ph}$ và chọn động cơ điện có số vòng quay đồng bộ sơ bộ $n_{sb} = 1420\text{ v/ph}$, tỉ số truyền chung toàn hệ thống là $U_t = 26,3$. Phân phối cho bộ truyền đai ngoài $U_n = U_d = 2,24$ và hộp giảm tốc 2 cấp $U_h = 11,74$. Trong đó, cấp nhanh bánh răng côn $U_1 = 3,5$ và cấp chậm bánh răng trụ $U_2 = 3,35$.

2. Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp nhanh (Côn răng thẳng)

  • Vật liệu chế tạo: Chọn Thép 45 tôi cải thiện cho cả hai bánh. Bánh nhỏ có độ rắn $HB_1 = 245$, giới hạn bền $\sigma_{b1} = 850\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_{ch1} = 580\text{ MPa}$; bánh lớn có độ rắn $HB_2 = 230$, $\sigma_{b2} = 750\text{ MPa}$, $\sigma_{ch2} = 450\text{ MPa}$.
  • Ứng suất cho phép: Ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H]_1 = 560\text{ MPa}$, $[\sigma_H]_2 = 481,8\text{ MPa}$; ứng suất uốn cho phép $[\sigma_F]_1 = 414\text{ MPa}$, $[\sigma_F]_2 = 391\text{ MPa}$.
  • Kích thước hình học:
    • Chiều dài côn ngoài: $R_e = 136,5\text{ mm}$.
    • Mô đun vòng ngoài tiêu chuẩn: $m_{te} = 2,5\text{ mm}$; mô đun trung bình: $m_{tm} = 2,187\text{ mm}$.
    • Số răng: $Z_1 = 30$, $Z_2 = 105$; hệ số dịch chỉnh $x_1 = x_2 = 0$.
    • Góc côn chia: $\delta_1 = 15,945^\circ$, $\delta_2 = 74,055^\circ$.
    • Đường kính chia ngoài: $d_{e1} = 75\text{ mm}$, $d_{e2} = 262,5\text{ mm}$.
    • Đường kính đỉnh răng ngoài: $d_{ae1} = 79,807\text{ mm}$, $d_{ae2} = 263,873\text{ mm}$.
    • Chiều rộng vành răng: $b_w = 34\text{ mm}$.
  • Kiểm nghiệm bền: Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 457,7\text{ MPa} < [\sigma_H]$, sai lệch $2,95%$; ứng suất uốn $\sigma_{F1} = 85,27\text{ MPa} < [\sigma_F]1$; kiểm nghiệm quá tải tiếp xúc $\sigma{H\max} = 111,76\text{ MPa}$ thỏa mãn.

3. Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp chậm (Trụ răng nghiêng)

  • Thông số hình học cơ bản:
    • Khoảng cách trục: $a_w = 170\text{ mm}$.
    • Mô đun pháp tiêu chuẩn: $m = 2,5\text{ mm}$.
    • Số răng: $Z_3 = 30$, $Z_4 = 100$; tỉ số truyền thực $u_m = 3,33$.
    • Góc nghiêng của răng: $\beta = 17,08^\circ$ ($\cos \beta = 0,9558$).
    • Chiều rộng vành răng: $b_w = 56\text{ mm}$.
    • Đường kính vòng chia: $d_3 = 78,46\text{ mm}$, $d_4 = 261,53\text{ mm}$.
    • Đường kính đỉnh răng: $d_{a3} = 83,46\text{ mm}$, $d_{a4} = 266,53\text{ mm}$.
  • Kiểm nghiệm bền: Ứng suất tiếp xúc thực tế $\sigma_H = 470,7\text{ MPa} < [\sigma_H] = 485\text{ MPa}$; ứng suất uốn $\sigma_{F3} = 65,4\text{ MPa} < [\sigma_F]3 = 227,6\text{ MPa}$; kiểm nghiệm quá tải tiếp xúc $\sigma{H\max} = 536,7\text{ MPa} < [\sigma_H]_{\max}$ đảm bảo an toàn.

4. Thiết kế bộ truyền đai ngoài

  • Chọn loại đai vải cao su thông dụng bản b.800 có 3 lớp lót.
  • Đường kính bánh đai nhỏ: $d_1 = 180\text{ mm}$; vận tốc đai $v = 13,4\text{ m/s}$.
  • Đường kính bánh đai lớn: $d_2 = 400\text{ mm}$.
  • Chiều dày đai $\delta = 4,5\text{ mm}$; chiều rộng đai $b = 40\text{ mm}$; chiều rộng bánh đai $B = 50\text{ mm}$.
  • Số chu kỳ chạy của đai: $i = 4,58\text{ s}^{-1} \le i_{\max} = 5\text{ s}^{-1}$. Lực tác dụng lên trục do bộ truyền đai gây ra: $F_{rd} = 805\text{ N}$.

5. Thiết kế trục, then và kiểm nghiệm độ bền

  • Vật liệu trục: Thép 45 thường hóa có $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 12\dots 20\text{ MPa}$.
  • Xác định phản lực và biểu đồ mômen: Phân tích lực ăn khớp trên các bộ truyền:
    • Bánh răng côn cấp nhanh: $F_{t1} = 1670\text{ N}, F_{r1} = 458\text{ N}, F_{a1} = 167,6\text{ N}$.
    • Bánh răng trụ cấp chậm: $F_{t3} = 4651\text{ N}, F_{r3} = 1852,6\text{ N}, F_{a3} = 1429\text{ N}$.
  • Xác định đường kính các đoạn trục:
    • Trục I: Đường kính ngõng trục lắp bánh đai $d_{12} = 20\text{ mm}$, đoạn lắp ổ lăn $d_{10} = d_{11} = 25\text{ mm}$, đoạn lắp bánh răng côn $d_{13} = 20\text{ mm}$.
    • Trục II: Đoạn lắp ổ lăn $d_{20} = d_{21} = 25\text{ mm}$, đoạn lắp bánh răng nón và bánh răng trụ $d_{22} = d_{23} = 30\text{ mm}$.
    • Trục III: Đoạn lắp khớp nối $d_{32} = 25\text{ mm}$, đoạn lắp ổ lăn $d_{30} = d_{31} = 30\text{ mm}$, đoạn lắp bánh răng trụ lớn $d_{33} = 36\text{ mm}$.
  • Tính toán mối ghép then bằng: Kiểm tra theo điều kiện bền dập $\sigma_d \le [\sigma_d]$ và bền cắt $\tau_c \le [\tau_c]$:
    • Then trục I: $b \times h = 6 \times 6\text{ mm}$, chiều dài $l = 34\text{ mm}$, $\tau_c = 26,9\text{ MPa} < [\tau_c] = 30\text{ MPa}$.
    • Then trục II: $b \times h = 8 \times 7\text{ mm}$, chiều dài $l = 43\text{ mm}$, $\tau_c = 35,4\text{ MPa} < [\tau_c] = 40\text{ MPa}$.
    • Then trục III: $b \times h = 10 \times 8\text{ mm}$, chiều dài $l = 80\text{ mm}$, đảm bảo điều kiện bền.
  • Kiểm nghiệm mỏi và tĩnh của trục:
    • Hệ số an toàn mỏi tại tiết diện nguy hiểm trục I đạt $S_1 = 4,045 > [S] = 1,5\dots 2,5$.
    • Tiết diện 2-2 trục II đạt hệ số an toàn mỏi $S_2 = 2,15 > [S]$.
    • Tiết diện nguy hiểm trục III đạt $S_3 = 2,52 > [S]$.
    • Kiểm nghiệm tĩnh tránh biến dạng dẻo khi quá tải trên cả ba trục đều thỏa mãn: $\sigma_{td1} = 163,9\text{ MPa} < [\sigma]$, $\sigma_{td2} = 245,7\text{ MPa} < [\sigma]$, $\sigma_{td3} = 175,5\text{ MPa} < [\sigma]$.

6. Tính toán gối đỡ ổ lăn và nối trục đàn hồi

  • Lựa chọn ổ lăn: Do các trục đều có lực hướng trục tương đối lớn xuất phát từ bộ truyền côn và trụ nghiêng, đồ án sử dụng ổ đũa côn một dãy cấp chính xác 0:
    • Trục I: Chọn ổ đũa côn cỡ nhẹ ký hiệu 7205 ($d = 25\text{ mm}, D = 52\text{ mm}, T = 16,25\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 23,9\text{ kN}$, tải tĩnh $C_0 = 17,9\text{ kN}$).
    • Trục II: Sử dụng ổ đũa côn cỡ trung hẹp ký hiệu 7204 / 7605 ($d = 25\text{ mm}$, góc tiếp xúc $\alpha = 11,33^\circ$).
    • Trục III: Chọn ổ đũa côn cỡ trung ký hiệu 7306 ($d = 30\text{ mm}, D = 72\text{ mm}, T = 20,75\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 40\text{ kN}$, tải tĩnh $C_0 = 29,9\text{ kN}$).
    • Tuổi thọ định mức tính toán cho toàn bộ ổ lăn đạt $L_h = 16.820\text{ giờ}$ ($L = 426,56\text{ triệu vòng}$), thỏa mãn thời gian làm việc danh định.
  • Nối trục đàn hồi: Chọn loại nối trục vòng đàn hồi lắp trên đầu trục III ($d_3 = 25\text{ mm}$) với mômen xoắn danh nghĩa $T_3 = 588\text{ N}\cdot\text{m}$. Các thông số hình học chính: đường kính ngoài $D = 90\text{ mm}$, đường kính vòng chia chốt $D_0 = 63\text{ mm}$, số chốt $Z = 4$, đường kính chốt $d_c = 10\text{ mm}$, chiều dài đoạn làm việc chốt $l_3 = 15\text{ mm}$. Kiểm nghiệm bền dập của vòng cao su và bền uốn của chốt đều thỏa mãn tiêu chuẩn.

7. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ

  • Vật liệu đúc vỏ hộp: Gang xám GX 15-32.
  • Kích thước kết cấu vỏ hộp:
    • Chiều dày thân hộp: $\delta = 8\text{ mm}$; chiều dày nắp hộp: $\delta_1 = 7\text{ mm}$.
    • Chiều dày gân tăng cứng: $e = 7\text{ mm}$, chiều cao gân $h = 30\text{ mm}$, độ dốc $2^\circ$.
    • Chiều dày mặt đế hộp không phần lồi: $s_1 = 22\text{ mm}$; chiều dày bích thân: $s_3 = 14\text{ mm}$, bích nắp: $s_4 = 13\text{ mm}$.
    • Khe hở giữa bánh răng với thành trong hộp: $\Delta = 9\text{ mm}$; khe hở giữa đỉnh bánh lớn với đáy hộp: $\Delta_1 = 30\text{ mm}$; khe hở giữa các bánh răng với nhau: $\Delta = 10\text{ mm}$.
  • Hệ thống bulông và vít tiêu chuẩn:
    • Bulông nền: Chọn 6 bulông M16, chiều dài đế hộp $L = 518\text{ mm}$, chiều rộng $B = 236\text{ mm}$.
    • Bulông cạnh ổ: Chọn 6 bulông M12.
    • Bulông ghép bích nắp và thân: Chọn 4 bulông M9 (hoặc M10 tiêu chuẩn).
    • Vít ghép nắp ổ: 12 vít M8; vít nắp cửa thăm: 2 vít M6.
  • Các chi tiết phụ trợ:
    • Cửa thăm kích thước $150 \times 100\text{ mm}$ bố trí trên đỉnh nắp để quan sát ăn khớp và rót dầu.
    • Nút thông hơi đặt trên nắp cửa thăm để cân bằng áp suất bên trong hộp.
    • Nút tháo dầu ren M14 đặt ở đáy hộp kèm đệm làm kín.
    • Que thăm dầu có vạch chỉ mức dầu cao nhất và thấp nhất.
    • Hai chốt định vị hình côn ($\text{tỉ lệ } 1:50, \phi 8$) đặt tại bích ghép nhằm định vị chính xác tâm lỗ trục sau khi gia công và lắp ghép.

Bôi trơn, dung sai và quy trình lắp ráp

Chế độ bôi trơn

  • Trong hộp giảm tốc: Với vận tốc vòng của bánh răng $v = 2,177\text{ m/s} < 12\text{ m/s}$, hệ thống áp dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu. Chọn loại dầu công nghiệp AK-15 (độ nhớt danh nghĩa $20\text{ cSt}$ ở $100^\circ\text{C}$). Định mức lượng dầu bôi trơn là $0,6\text{ lít/kW}$, chu kỳ thay dầu định kỳ 5 tháng/lần.
  • Bộ truyền ngoài: Bôi trơn định kỳ bằng mỡ chuyên dụng do điều kiện làm việc hở, dễ nhiễm bụi.
  • Ổ lăn: Sử dụng mỡ loại M điền đầy $1/2$ không gian trống của gối ổ, chu kỳ bổ sung mỡ 1 năm/lần. Để ngăn chặn rò rỉ mỡ và xâm nhập bụi bẩn, đầu các trục ra được làm kín bằng vòng phớt cao su tiêu chuẩn.

Bảng lựa chọn dung sai và kiểu lắp ghép tiêu chuẩn

STT Vị trí mối ghép Kiểu lắp tiêu chuẩn Sai lệch giới hạn lổ/trục Đặc tính kỹ thuật
1 Bánh răng nón và Trục I $\Phi 25\frac{H7}{k6}$ $+21,\mu\text{m} / (+15; +2),\mu\text{m}$ Lắp chặt vừa, định tâm tốt, không tháo lắp thường xuyên
2 Bánh răng côn / trụ và Trục II $\Phi 40\frac{H7}{k6}$ $+25,\mu\text{m} / (+18; +2),\mu\text{m}$ Lắp có độ dôi nhẹ để truyền mômen qua then
3 Bánh răng trụ và Trục III $\Phi 36\frac{H7}{k6}$ $+25,\mu\text{m} / (+18; +2),\mu\text{m}$ Đảm bảo đồng tâm cao giữa vành răng và trục
4 Vòng trong ổ lăn và Trục I, II, III $\Phi 25k6, \Phi 30k6, \Phi 35k6$ Trục: $(+15\dots +18; +2),\mu\text{m}$ Lắp chặt trên ngõng trục quay theo hệ thống lỗ
5 Vòng ngoài ổ lăn và Lỗ thân hộp $\Phi 68H7, \Phi 80H7, \Phi 120H7$ Lỗ: $+30\dots +35,\mu\text{m}$ Lắp trung gian trong ống lót/lỗ hộp tĩnh
6 Mối ghép Then trên Trục I, II, III $\frac{E9}{h8}$ Rãnh: $+50\dots +61,\mu\text{m}$; Then: $-18\dots -22,\mu\text{m}$ Mối ghép then bằng tiêu chuẩn, lắp có độ hở bên
7 Bạc chặn dầu và Trục I, II, III $\Phi 25\frac{H8}{k6}, \Phi 30\frac{H8}{k6}$ $+33,\mu\text{m} / (+15; +2),\mu\text{m}$ Định vị dọc trục các bánh răng và ổ lăn
8 Nắp ổ và Lỗ thân hộp $\Phi 25\frac{H7}{Js6}, \Phi 30\frac{H7}{Js6}$ $+21,\mu\text{m} / (\pm 6,5),\mu\text{m}$ Mối ghép lỏng định tâm nhẹ, dễ tháo lắp căn chỉnh

Quy trình lắp ráp và điều chỉnh kỹ thuật

  1. Lắp ráp chi tiết lên trục: Ổ lăn được ép trực tiếp hoặc nung nóng trong dầu trước khi lồng vào trục; lực ép phải tác dụng đồng đều lên vòng trong của ổ để tránh làm biến dạng rãnh lăn và con lăn. Bạc chặn được mài phẳng mặt đầu đảm bảo tì sát vào may-ơ bánh răng và vòng trong ổ lăn.
  2. Điều chỉnh ăn khớp bộ truyền: Bù trừ sai số chế tạo và co giãn nhiệt bằng cách tăng chiều rộng vành răng bánh nhỏ thêm $10%$ ($b_w = 37\text{ mm}$ so với $34\text{ mm}$ của bánh lớn).
  3. Điều chỉnh khe hở ổ đũa côn: Khe hở dọc trục cho phép đối với gối trục I và II là $\Delta_{\min} = 20,\mu\text{m}, \Delta_{\max} = 40,\mu\text{m}$. Việc căn chỉnh khe hở và tạo độ dôi ban đầu được thực hiện bằng bộ đệm kim loại mỏng đặt dưới nắp ổ hoặc thông qua vít tì nắp gối đỡ.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Tài liệu hoàn thiện trọn vẹn tập hồ sơ thuyết minh tính toán thiết kế cho cụm trạm dẫn động hộp giảm tốc côn - trụ 2 cấp với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập đầy đủ chuỗi kích thước động học, động lực học và các bảng thông số chế tạo của hệ dẫn động công suất $4,74\text{ kW}$.
  • Tối ưu hóa kích thước hộp giảm tốc với khoảng cách trục cấp chậm $a_w = 170\text{ mm}$ và chiều dài côn ngoài cấp nhanh $R_e = 136,5\text{ mm}$, đảm bảo điều kiện ngâm dầu bôi trơn đồng đều cho cả hai cấp bánh răng.
  • Kiểm chứng an toàn độ bền mỏi và độ bền tĩnh của hệ thống trục với hệ số an toàn nhỏ nhất tại các điểm tập trung ứng suất đạt $S_{\min} = 2,15 > [S]$, bảo đảm khả năng làm việc liên tục trong $16.800\text{ giờ}$.
  • Chuẩn hóa toàn bộ danh mục dung sai lắp ghép, kết cấu vỏ đúc và các phụ kiện cơ khí theo TCVN, tạo tiền đề cho việc lập bản vẽ lắp và bản vẽ chế tạo chi tiết.

Hạn chế và hướng hoàn thiện

  • Phạm vi tính toán thuần túy giải tích: Toàn bộ quá trình thiết kế dựa trên các công thức bán thực nghiệm và bảng tra tĩnh, chưa tích hợp mô phỏng số động lực học nhiều vật thể (MBD) hoặc phân tích ứng suất - biến dạng bằng phần mềm phần tử hữu hạn (FEA) đối với vỏ hộp và các trục.
  • Khối lượng kết cấu lớn: Vỏ hộp đúc bằng gang xám GX 15-32 theo kết cấu truyền thống có chiều dày thành và bích tương đối lớn, chưa được tối ưu hóa hình học topology để giảm trọng lượng cụm máy.
  • Đặc tính nhiệt: Tính toán truyền nhiệt và cân bằng nhiệt của dầu bôi trơn trong hộp giảm tốc chủ yếu dựa trên điều kiện vận tốc ngâm dầu mà chưa xây dựng phương trình cân bằng nhiệt lượng chi tiết khi làm việc ở nhiệt độ môi trường cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Ô tô và Chế tạo máy sử dụng làm tài liệu mẫu trong quá trình thực hiện Đồ án môn học Chi tiết máy hoặc Đồ án Thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí.
  • Giảng viên và kỹ sư thiết kế máy tham khảo các bước phân phối tỉ số truyền, phương pháp giải hệ phương trình cân bằng lực không gian và quy trình tra cứu bảng dung sai lắp ghép chi tiết máy theo tiêu chuẩn TCVN.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện và tỉ số truyền của toàn bộ hệ thống được xác định như thế nào?

Hệ thống sử dụng động cơ điện xoay chiều có công suất cần thiết $P_{ct} = 4,74\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n_{dc} = 1420\text{ v/ph}$. Tỉ số truyền chung toàn hệ thống là $U_t = 26,3$, được phân chia cho bộ truyền đai ngoài $U_d = 2,24$, cấp nhanh bánh răng côn $U_1 = 3,5$ và cấp chậm bánh răng trụ $U_2 = 3,33$, đưa số vòng quay trục máy công tác về $n_{lv} = 54\text{ v/ph}$.

2. Vật liệu và phương pháp nhiệt luyện nào được chọn cho các cấp bánh răng?

Cả hai cấp bánh răng đều sử dụng Thép 45 tôi cải thiện. Bánh răng nhỏ được nhiệt luyện đạt độ rắn bề mặt $HB_1 = 245$ ($\sigma_{b1} = 850\text{ MPa}$), bánh răng lớn đạt độ rắn $HB_2 = 230$ ($\sigma_{b2} = 750\text{ MPa}$). Độ rắn bánh nhỏ được thiết kế cao hơn bánh lớn từ 10 đến 15 HB để cân bằng khả năng chạy mòn và nâng cao độ bền tiếp xúc.

3. Tại sao hệ thống gối đỡ trục I, II và III đều sử dụng ổ đũa côn?

Do sơ đồ truyền động kết hợp giữa bánh răng côn răng thẳng (cấp nhanh) và bánh răng trụ răng nghiêng (cấp chậm) làm phát sinh đồng thời lực hướng tâm ($F_r$) và lực hướng trục ($F_a$) có giá trị lớn ($F_{a3} = 1429\text{ N}$). Ổ đũa côn một dãy (các mã 7205, 7605, 7306) có khả năng chịu tải trọng hỗn hợp hướng tâm và hướng trục lớn, đồng thời cho phép điều chỉnh khe hở dọc trục thuận tiện trong quá trình lắp ráp.

4. Phương pháp bôi trơn và loại chất bôi trơn được quy định ra sao?

Các bộ truyền bánh răng trong hộp có vận tốc vòng $v = 2,177\text{ m/s} < 12\text{ m/s}$ nên áp dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu với dầu công nghiệp AK-15 (định mức $0,6\text{ lít/kW}$, thay dầu định kỳ 5 tháng/lần). Các gối đỡ ổ lăn được bôi trơn bằng mỡ loại M chiếm $1/2$ thể tích buồng ổ (bổ sung định kỳ 1 năm/lần). Bộ truyền đai ngoài bôi trơn định kỳ bằng mỡ chuyên dụng.

5. Kết cấu vỏ hộp giảm tốc được chế tạo từ vật liệu gì và các thông số kích thước chính là bao nhiêu?

Vỏ hộp được đúc bằng gang xám GX 15-32. Chiều dày thân hộp là $\delta = 8\text{ mm}$, chiều dày nắp hộp $\delta_1 = 7\text{ mm}$, chiều dày mặt đế hộp $s_1 = 22\text{ mm}$. Thân hộp được cố định xuống nền xưởng bằng 6 bulông móng M16 với kích thước mặt đế hộp $L \times B = 518 \times 236\text{ mm}$.

Kết luận

Thuyết minh "Đồ án chi tiết máy - Thiết kế hộp giảm tốc" của tác giả Nguyễn Nhâm Tuất là một công trình tính toán thiết kế cơ khí hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ quy trình kỹ thuật từ xác định động học, động lực học đến thiết kế chi tiết kết cấu trạm dẫn động. Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng côn - trụ hai cấp, hệ thống trục, then, ổ lăn và vỏ hộp đều được tính toán nhất quán, kiểm nghiệm an toàn theo các chỉ tiêu bền tiếp xúc, bền uốn, bền mỏi và độ bền tĩnh. Tài liệu cung cấp hệ thống dữ liệu kỹ thuật và bản tra cứu dung sai tiêu chuẩn có giá trị học thuật thực tiễn cao trong giảng dạy và học tập môn học Chi tiết máy.