Đồ án thiết kế máy cơ khí: Tính toán bộ truyền

I. Tổng Quan Đồ Án Thiết Kế Máy Cơ Khí Bộ Truyền Động

Đồ án thiết kế máy tập trung vào hệ dẫn động cơ khí, cụ thể là thiết kế hệ dẫn động băng tải với hộp giảm tốc một cấp bánh răng côn. Yêu cầu về lực, vận tốc và các đặc trưng khác được xem xét kỹ lưỡng. Đồ án này là bước đầu làm quen với công việc tính toán và thiết kế các chi tiết máy trong lĩnh vực cơ khí, giúp nâng cao kỹ năng tính toán và hiểu sâu hơn về kiến thức đã học. Nội dung bao gồm tính toán bộ truyền trong và ngoài, thiết kế trục và chọn ổ lăn, tính toán vỏ hộp và các chi tiết khác, cùng với tính toán bôi trơn. Đây là tài liệu dùng để thiết kế chế tạo các hệ dẫn động cơ khí, mặc dù có thể không phải là phương án tối ưu nhất do những hạn chế về hiểu biết và kinh nghiệm thực tế. Trong quá trình thực hiện đồ án, sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, đặc biệt là thầy Vũ Ngọc Thương, đã đóng vai trò quan trọng để hoàn thành. Đồ án này không chỉ là một bài tập học thuật mà còn là nền tảng để tiếp cận các dự án thực tế trong tương lai. Mục tiêu là tạo ra các hệ thống truyền động cơ khí hiệu quả, bền bỉ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Các tiêu chuẩn thiết kế và sức bền vật liệu được áp dụng một cách nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm. Bên cạnh đó, đồ án cũng đề cập đến các phương pháp CAD CAM CNC trong công nghệ chế tạo máy.

1.1. Giới thiệu mục tiêu phạm vi của đồ án thiết kế máy

Đồ án hướng tới việc thiết kế một hệ dẫn động băng tải hiệu quả, bao gồm việc lựa chọn và tính toán các bộ phận chính như bộ truyền động đai, bộ truyền động bánh răng côn, trục, ổ lăn và vỏ hộp. Phạm vi của đồ án bao gồm các bước tính toán kỹ thuật, thiết kế chi tiết và kiểm tra độ bền, đồng thời tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một thiết kế khả thi và đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí. Sự hiểu biết về sức bền vật liệu, dung sai lắp ghép và nguyên lý máy là yếu tố then chốt trong quá trình này.

1.2. Tầm quan trọng của tính toán bộ truyền trong thiết kế máy cơ khí

Tính toán bộ truyền động là một phần không thể thiếu trong thiết kế máy cơ khí. Việc lựa chọn và tính toán đúng các thông số của bộ truyền, như tỉ số truyền, công suất, mô men xoắn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống. Sai sót trong tính toán có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như quá tải, rung động, mài mòn và thậm chí là hỏng hóc. Do đó, đồ án này đặc biệt chú trọng đến việc áp dụng các phương pháp tính toán chính xác và hiệu quả, sử dụng các công cụ và phần mềm thiết kế cơ khí hỗ trợ để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

II. Hướng Dẫn Cách Chọn Động Cơ Cho Đồ Án Thiết Kế Máy

Việc chọn động cơ phù hợp là bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế máy. Đầu tiên, cần xác định công suất cần thiết dựa trên lực trên băng tải, vận tốc và đường kính tang quay. Hiệu suất truyền động được tính đến để xác định công suất thực tế cần thiết trên trục động cơ. Tỉ số truyền sơ bộ được chọn dựa trên loại bộ truyền (đai dẹt và bánh răng côn). Sau đó, số vòng quay trên trục máy công tác được tính để chọn động cơ có thông số phù hợp. Bảng thông số kỹ thuật động cơ được lập để tổng hợp các thông tin quan trọng. Theo tài liệu, công suất cần thiết trên trục động cơ là 6.69 kW, và số vòng quay sơ bộ là 1510.56 vòng/phút. (CT2.10/20[1], CT2.2, 16/21[1], 18/21[1]). Việc lựa chọn động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống truyền động cơ khí. Cần xem xét các yếu tố như tải trọng, vận tốc, điều kiện môi trường và thời gian phục vụ để đảm bảo động cơ đáp ứng yêu cầu.

2.1. Phương pháp xác định công suất động cơ cần thiết cho đồ án

Công suất động cơ cần thiết được tính toán dựa trên công suất trên trục tang quay và hiệu suất của hệ truyền động. Hiệu suất này bao gồm hiệu suất của các cặp ổ lăn, bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng côn và khớp nối trục. Công thức tính công suất cần thiết là Pct = Pt / η, trong đó Pt là công suất trên trục tang quay và η là hiệu suất truyền động. Việc xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để tránh chọn động cơ quá nhỏ hoặc quá lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí.

2.2. Cách lập bảng thông số kỹ thuật động cơ cho đồ án thiết kế máy

Bảng thông số kỹ thuật động cơ cần bao gồm các thông tin quan trọng như công suất, số vòng quay, tỉ số truyền, mô men xoắn. Các thông số này được tính toán dựa trên yêu cầu của hệ thống và được sử dụng để lựa chọn động cơ phù hợp. Bảng này cũng giúp so sánh các loại động cơ khác nhau và đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu của từng loại. Việc lập bảng thông số kỹ thuật một cách chi tiết và chính xác là rất quan trọng để đảm bảo quá trình lựa chọn động cơ diễn ra hiệu quả.

2.3. Ứng dụng phần mềm thiết kế cơ khí trong lựa chọn động cơ

Phần mềm thiết kế cơ khí như SolidWorks, AutoCAD, Inventor hỗ trợ quá trình lựa chọn động cơ bằng cách cung cấp các công cụ tính toán và mô phỏng. Phần mềm này cho phép người dùng nhập các thông số kỹ thuật của hệ thống và động cơ, sau đó mô phỏng hoạt động để đánh giá hiệu suất. Điều này giúp xác định động cơ nào phù hợp nhất với yêu cầu của đồ án một cách nhanh chóng và chính xác.

III. Phương Pháp Tính Toán Thiết Kế Bộ Truyền Động Đai Chi Tiết

Tính toán bộ truyền động đai bao gồm các bước: chọn loại đai và tiết diện (thường là hình thang), chọn đường kính hai đai dựa trên công suất và số vòng quay, tính số đai cần thiết để đảm bảo khả năng truyền lực, xác định các thông số cơ bản của bánh đai (chiều rộng, đường kính ngoài và đáy), xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục. Kiểm tra sai lệch tỉ số truyền và nghiệm số vòng chạy của đai. Các công thức và bảng tra được sử dụng để tính toán các thông số này (4.1, 4.4, 4.7/55[1], 4.14, 4.15/61[1], 4.17/61[1], 4.19/62[1], 4.21/64[1], 4.22/64[1], 13/59[1]). Việc tính toán bộ truyền động đai cần đảm bảo các yếu tố như độ bền, hiệu suất và tuổi thọ. Các tiêu chuẩn thiết kế cần được tuân thủ để đảm bảo an toàn và độ tin cậy.

3.1. Cách chọn loại đai và tiết diện đai phù hợp cho từng ứng dụng

Việc chọn loại đai và tiết diện đai phụ thuộc vào công suất, số vòng quay và điều kiện làm việc. Đai hình thang thường được sử dụng cho các ứng dụng có công suất trung bình đến cao, trong khi đai dẹt thích hợp cho các ứng dụng có tốc độ cao và công suất thấp. Tiết diện đai cần được chọn sao cho phù hợp với rãnh đai và đảm bảo khả năng truyền lực tối ưu.

3.2. Tính toán các thông số cơ bản của bánh đai đường kính chiều rộng

Đường kính bánh đai nhỏ (d1) thường được chọn trước, sau đó đường kính bánh đai lớn (d2) được tính dựa trên tỉ số truyền. Chiều rộng bánh đai được tính dựa trên công suất và số đai cần thiết. Các thông số này cần được chọn sao cho đảm bảo khả năng truyền lực và tuổi thọ của bộ truyền động.

3.3. Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục trong bộ truyền đai

Lực căng ban đầu (F0) cần được xác định để đảm bảo đai có đủ ma sát để truyền lực. Lực tác dụng lên trục (Fr) được tính dựa trên lực căng ban đầu và góc ôm của đai trên bánh đai. Việc xác định chính xác các lực này là rất quan trọng để thiết kế trục và ổ lăn phù hợp.

IV. Bí Quyết Tính Toán Bộ Truyền Bánh Răng Côn Thẳng Chính Xác

Tính toán bộ truyền bánh răng côn bao gồm các bước: chọn vật liệu bánh răng dựa trên tải trọng và yêu cầu về độ bền (thường là thép 45 tôi cải thiện), xác định ứng suất cho phép dựa trên vật liệu và số chu kỳ chịu tải, tính sơ bộ chiều dài côn ngoài, xác định thông số ăn khớp (mô đun, số răng, góc côn chia, hệ số dịch chỉnh), kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của răng. Các công thức và bảng tra được sử dụng để tính toán các thông số này (6.1a/93[1], 6.2/94[1], 6.6/93, 6.20[1], 6.22/114[1], 6.33/105[1], 6.43/108[1]). Cần đảm bảo độ chính xác và dung sai lắp ghép để bộ truyền hoạt động êm ái và bền bỉ.

4.1. Lựa chọn vật liệu bánh răng côn và xác định ứng suất cho phép

Vật liệu bánh răng côn cần được chọn sao cho có đủ độ bền và độ cứng để chịu được tải trọng và mài mòn. Ứng suất cho phép được xác định dựa trên vật liệu, số chu kỳ chịu tải và hệ số an toàn. Việc lựa chọn vật liệu và xác định ứng suất cho phép một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của bộ truyền.

4.2. Phương pháp tính toán thông số ăn khớp mô đun số răng góc côn

Thông số ăn khớp cần được tính toán sao cho bộ truyền hoạt động êm ái và có hiệu suất cao. Mô đun được chọn dựa trên chiều dài côn ngoài và ứng suất cho phép. Số răng và góc côn chia được tính dựa trên tỉ số truyền và mô đun. Việc tính toán chính xác các thông số này là rất quan trọng để tránh hiện tượng giao thoa và đảm bảo ăn khớp đúng.

4.3. Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của răng bánh răng côn

Độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của răng cần được kiểm nghiệm để đảm bảo răng không bị phá hủy do mỏi hoặc quá tải. Các công thức và hệ số liên quan đến vật liệu, hình dạng răng và tải trọng được sử dụng để kiểm nghiệm. Nếu răng không đạt yêu cầu về độ bền, cần điều chỉnh các thông số thiết kế hoặc chọn vật liệu khác.

V. Hướng Dẫn Thiết Kế Trục Máy Cơ Khí Chọn Ổ Lăn Phù Hợp

Thiết kế trục bao gồm các bước: chọn vật liệu trục (thường là thép 45), xác định lực và phân bố lực tác dụng lên trục, sơ bộ đường kính trục dựa trên mô men xoắn và ứng suất cho phép, xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và các điểm đặt lực, xác định đường kính và chiều dài các đoạn trục, kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi và độ bền tĩnh. Việc chọn ổ lăn phù hợp cần dựa trên lực tác dụng lên trục và yêu cầu về độ cứng và độ chính xác. Các công thức và bảng tra được sử dụng để tính toán và lựa chọn (10.3, 10.8[1] tr197, 10.9[1] tr197, 10.10[1] tr198, 10.12[1] tr199, 11.1/213[1], 11.4Tr216[1]). Cần đảm bảo dung sai lắp ghép phù hợp để trục và ổ lăn hoạt động ổn định.

5.1. Phương pháp chọn vật liệu trục và xác định ứng suất cho phép

Vật liệu trục cần có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt. Thép 45 thường được sử dụng vì có độ bền và độ dẻo dai phù hợp. Ứng suất cho phép được xác định dựa trên vật liệu, hệ số an toàn và điều kiện làm việc.

5.2. Xác định lực và phân bố lực tác dụng lên trục trong thiết kế

Lực tác dụng lên trục bao gồm lực vòng, lực hướng tâm và lực dọc trục. Phân bố lực cần được xác định để tính toán mô men xoắn và mô men uốn tại các mặt cắt khác nhau của trục. Việc xác định chính xác lực và phân bố lực là rất quan trọng để đảm bảo trục không bị quá tải.

5.3. Bí quyết chọn ổ lăn phù hợp và kiểm nghiệm khả năng tải của ổ

Ổ lăn cần được chọn sao cho có khả năng chịu được lực tác dụng lên trục và có tuổi thọ đủ lớn. Khả năng tải động và khả năng tải tĩnh của ổ cần được kiểm nghiệm để đảm bảo ổ không bị hỏng do quá tải. Cần xem xét loại ổ lăn (bi, đũa, côn), kích thước và thông số kỹ thuật để chọn ổ phù hợp.

VI. Cách Thiết Kế Vỏ Hộp Giảm Tốc Chọn Các Chi Tiết Lắp Ghép

Thiết kế vỏ hộp giảm tốc bao gồm các bước: chọn vật liệu (thường là gang xám GX15-32), xác định kích thước cơ bản dựa trên đường kính ngoài bộ truyền bánh răng côn, thiết kế các chi tiết lắp ghép (bulông, vòng móc, chốt định vị, cửa thăm, nút thông hơi, nút tháo dầu), kiểm tra mức dầu và bôi trơn. Các bảng tra và công thức được sử dụng để tính toán các kích thước và lựa chọn các chi tiết lắp ghép (18.1Tr85[2], 18.3a,2-89, 18.3b,2-89, 18.4b,2-91, 18.5,2-92, 18.6Tr93[2], 18.7Tr93[2], 15.17Tr50[2]). Cần đảm bảo vỏ hộp có đủ độ cứng và độ bền để bảo vệ các chi tiết bên trong.

6.1. Lựa chọn vật liệu vỏ hộp giảm tốc và xác định kích thước cơ bản

Vật liệu vỏ hộp cần có độ cứng và khả năng chịu rung động tốt. Gang xám GX15-32 thường được sử dụng vì có giá thành hợp lý và dễ gia công. Kích thước cơ bản của vỏ hộp được xác định dựa trên kích thước của các chi tiết bên trong và yêu cầu về độ cứng.

6.2. Thiết kế các chi tiết lắp ghép bulông vòng móc chốt định vị

Các chi tiết lắp ghép cần được thiết kế sao cho đảm bảo khả năng lắp ráp và tháo rời dễ dàng. Bulông được sử dụng để ghép các bộ phận của vỏ hộp. Vòng móc được sử dụng để nâng và vận chuyển vỏ hộp. Chốt định vị được sử dụng để cố định vị trí của các chi tiết.

6.3. Bôi trơn điều chỉnh ăn khớp và lập bảng dung sai lắp ghép

Việc bôi trơn và điều chỉnh ăn khớp là rất quan trọng để đảm bảo bộ truyền động hoạt động êm ái và có tuổi thọ cao. Dầu hoặc mỡ được sử dụng để bôi trơn các chi tiết bên trong. Bảng dung sai lắp ghép cần được lập để đảm bảo các chi tiết lắp ráp với nhau một cách chính xác.

Đồ án cơ sở thiết kế máy kỹ thuật cơ khí - Đại học Thủy Lợi

LỜI MỞ ĐẦU

1. PHẦN 1: CHỌN ĐỘNG CƠ, LẬP BẢNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT

1.1. Xác định công suất động cơ

1.2. Xác định số vòng quay động bộ

1.3. Lập bảng thông số kỹ thuật

1.4. Xác định tỉ số truyền của hệ dẫn động

1.5. Xác định công suất, mô men và số vòng quay trên các trục

2. PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ TRUYỀN

2.1. Bộ truyền ngoài

2.1.1. Chọn loại đai và tiết diện đai

2.1.2. Chọn đường kính hai đai:

2.1.3. Tính số đai Z

2.1.4. Các thông số cơ bản của bánh đai

2.1.5. Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục

2.1.6. Tổng kết các thông số của bộ truyền đai

2.2. Bộ truyền trong hộp giảm tốc

2.2.1. Chọn vật liệu bánh răng

2.2.2. Xác định ứng suất cho phép

2.2.3. Tính bộ truyền bánh răng côn thẳng

2.2.4. Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng

2.2.5. Các thông số và kích thước bộ truyền bánh răng côn

3. PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC

3.1. Tính toán thiết kế trục I

3.1.1. Chọn vật liệu

3.1.2. Tính thiết kế trục

3.2. Tính toán thiết kế trục II

3.2.1. Chọn vật liệu

3.2.2. Tính thiết kế trục

3.3. Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi

4. PHẦN 4: TÍNH CHỌN KHỚP NỐI, THEN, Ổ LĂN

4.1. Tính chọn khớp nối:

4.1.1. Xác định đường kính khớp nối

4.1.2. Các thông số cơ bản của nối trục vòng đàn hồi

4.2. Tính chọn ổ lăn, then trên trục 1

4.2.1. Tính chọn ổ lăn trên trục 1

4.2.2. Tính chọn then trên trục 1

4.3. Tính chọn ổ lăn, then trên trục 2

4.3.1. Tính chọn ổ lăn trên trục 2

4.3.2. Tính chọn then trên trục 2

5. PHẦN 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VỎ HỘP VÀ CÁC CHI TIẾT LẮP GHÉP

5.1. Tính toán thiết kế vỏ hộp

5.2. Tính toán thiết kế các chi tiết lắp ghép

5.3. Kiểm tra mức dầu

5.4. Chốt định vị

5.5. Ống lót và nắp ổ

5.6. Bôi trơn và điều chỉnh ăn khớp

5.6.1. Điều chỉnh ăn khớp

5.7. Bảng dung sai lắp ghép