Đồ án hộp giảm tốc Bách Khoa HCM | Thiết kế chi tiết

I. Đồ án Hộp Giảm Tốc Bách Khoa HCM Tổng Quan Giới Thiệu

Hệ thống truyền động thùng tải là một ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ vận chuyển hàng hóa trong các khu mỏ đến các dây chuyền sản xuất thực phẩm. Ví dụ điển hình là hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng đứng, một giải pháp thông minh giúp tối ưu hóa không gian đỗ xe trong các khu đô thị đông đúc. Nguyên lý hoạt động chung của các hệ thống này là chuyển động quay từ động cơ được truyền đến xích tải thông qua hộp giảm tốc và các bộ truyền khác. Các bộ truyền trong hộp giảm tốc có thể là trục vít – bánh vít, bánh răng côn răng thẳng, hoặc bánh răng trụ. Trong phạm vi đồ án hộp giảm tốc, chúng ta tập trung vào bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng một cấp, với trục đầu vào kết nối với động cơ thông qua nối trục đàn hồi, và trục đầu ra gắn với bộ truyền xích. Đồ án giúp sinh viên củng cố kiến thức về Nguyên lý máy, Chi tiết máy, và Vẽ kỹ thuật Cơ khí, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quan về quá trình thiết kế cơ khí. Quá trình thực hiện đồ án cũng giúp sinh viên nâng cao kỹ năng vẽ cơ khí, một kỹ năng thiết yếu cho công việc sau này. Theo tài liệu gốc, mục tiêu của đồ án là "tìm hiểu và thiết kế hộp giảm tốc, qua đó ta có thể củng cố lại kiến thức đã học trong các môn học như Nguyên lý máy, Chi tiết máy, Vẽ kỹ thuật Cơ khí,… và giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan về việc thiết kế cơ khí". Thầy Thân Trọng Khánh Đạt và các thầy cô, bạn bè trong khoa Cơ Khí đã hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thực hiện. Các tài liệu tham khảo cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thành đồ án.

1.1. Ứng Dụng Thực Tế của Hệ Thống Truyền Động Thùng Tải

Hệ thống truyền động thùng tải được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành khai thác mỏ, chúng được sử dụng để vận chuyển than, khoáng sản, và các vật liệu khác từ hầm lò lên mặt đất. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, chúng được sử dụng để vận chuyển bánh kẹo, nước ngọt, và các sản phẩm khác trong quá trình sản xuất và đóng gói. Hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng đứng là một ví dụ điển hình về ứng dụng sáng tạo của hệ thống truyền động thùng tải trong việc giải quyết vấn đề không gian đỗ xe trong các đô thị đông đúc. Nhờ khả năng chứa nhiều xe hơn trong một diện tích nhỏ, hệ thống này đang trở nên ngày càng phổ biến tại các nhà hàng, khách sạn, và các điểm kinh doanh quy mô vừa và nhỏ.

1.2. Mục Tiêu của Đồ Án Thiết Kế Hộp Giảm Tốc

Mục tiêu chính của đồ án là giúp sinh viên nắm vững các kiến thức và kỹ năng cần thiết để thiết kế một hộp giảm tốc. Quá trình này bao gồm việc xác định công suất động cơ, phân phối tỷ số truyền, tính toán và thiết kế các chi tiết máy (bánh răng, trục, then, ổ lăn), chọn vật liệu, và kiểm tra độ bền của các chi tiết. Đồ án cũng giúp sinh viên làm quen với các tiêu chuẩn thiết kế và quy trình lắp ghép. Bằng cách thực hiện đồ án, sinh viên có thể củng cố kiến thức đã học trong các môn học như Nguyên lý máy, Chi tiết máy, và Vẽ kỹ thuật Cơ khí, đồng thời phát triển tư duy thiết kế và kỹ năng giải quyết vấn đề.

II. Thách Thức Yêu Cầu Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Bách Khoa HCM

Thiết kế hộp giảm tốc hiệu quả đòi hỏi giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo độ bền và tuổi thọ của các chi tiết máy là một yếu tố then chốt. Đồng thời, cần tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu kích thước và trọng lượng của hộp giảm tốc, đồng thời đảm bảo hiệu suất truyền động cao. Các yêu cầu về độ chính xác, độ tin cậy, và khả năng chịu tải cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Theo đề bài, hệ thống dẫn động thùng tải cần đáp ứng các thông số sau: lực vòng xích tải (F = 4200N), vận tốc xích tải (v = 1,10m/s), đường kính xích tải (D = 300mm), góc nghiêng bộ truyền xích với phương ngang (θo = 45o), và thời gian phục vụ (L = 6 năm). Hệ thống phải hoạt động một chiều, làm việc hai ca (1 năm làm việc 300 ngày, 1 ca làm việc 8 giờ). Các yêu cầu này đặt ra những bài toán cụ thể về tính toán thiết kế, lựa chọn vật liệu, và kiểm tra độ bền của các chi tiết máy.

2.1. Các Tiêu Chí Đánh Giá Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Hiệu Quả

Một thiết kế hộp giảm tốc hiệu quả cần đáp ứng nhiều tiêu chí khác nhau. Độ bền và tuổi thọ của các chi tiết máy là yếu tố quan trọng hàng đầu. Hộp giảm tốc phải có khả năng chịu tải và hoạt động ổn định trong suốt thời gian phục vụ dự kiến. Hiệu suất truyền động cao giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Kích thước và trọng lượng nhỏ gọn giúp giảm kích thước tổng thể của máy móc và thiết bị. Độ tin cậy cao đảm bảo hoạt động liên tục và giảm thiểu thời gian ngừng máy để bảo trì. Khả năng chịu tải động và tải va đập cũng cần được xem xét, đặc biệt đối với các ứng dụng có tải trọng biến đổi.

2.2. Ảnh Hưởng của Vật Liệu Đến Độ Bền và Tuổi Thọ

Vật liệu đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ của hộp giảm tốc. Thép hợp kim, gang, và nhôm là những vật liệu phổ biến được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy. Thép hợp kim có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt, thường được sử dụng cho bánh răng, trục, và then. Gang có khả năng chịu mài mòn tốt và giảm rung động, thường được sử dụng cho vỏ hộp. Nhôm có trọng lượng nhẹ và khả năng tản nhiệt tốt, thường được sử dụng cho các chi tiết không chịu tải lớn. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cần dựa trên các yêu cầu về độ bền, độ cứng, khả năng chịu mài mòn, khả năng chịu nhiệt, và giá thành.

III. Phương Pháp Tính Toán Thiết Kế Bộ Truyền Động Xích

Thiết kế bộ truyền xích đòi hỏi xác định các thông số quan trọng như loại xích, số răng đĩa xích, bước xích, khoảng cách trục, và số mắt xích. Việc kiểm nghiệm xích về độ bền và xác định thông số đĩa xích cũng rất quan trọng. Theo tài liệu, với công suất trên đĩa xích dẫn là 5,128 kW và số vòng quay đĩa xích nhỏ là 240 vòng/phút, ta chọn loại xích ống con lăn. Số răng đĩa xích nhỏ được chọn là 25, và số răng đĩa xích lớn được tính toán là 87. Bước xích được xác định là 25,4mm, và khoảng cách trục là 1007,28 mm. Các thông số này cần được tính toán và kiểm nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo bộ truyền xích hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1. Lựa Chọn Loại Xích và Số Răng Đĩa Xích Tối Ưu

Việc lựa chọn loại xích và số răng đĩa xích phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của bộ truyền. Xích ống con lăn thường được sử dụng cho các ứng dụng có tải trọng nhỏ và tốc độ thấp. Số răng đĩa xích nhỏ ảnh hưởng đến độ ồn và tuổi thọ của xích. Số răng đĩa xích lớn ảnh hưởng đến kích thước và trọng lượng của bộ truyền. Việc lựa chọn số răng đĩa xích cần dựa trên các yêu cầu về tỷ số truyền, vận tốc, và tải trọng.

3.2. Tính Toán Khoảng Cách Trục và Số Mắt Xích Chính Xác

Khoảng cách trục và số mắt xích có ảnh hưởng trực tiếp đến độ căng của xích và hiệu suất truyền động. Khoảng cách trục quá ngắn có thể gây ra hiện tượng xích bị căng quá mức, dẫn đến mài mòn nhanh và giảm tuổi thọ. Khoảng cách trục quá dài có thể gây ra hiện tượng xích bị chùng, dẫn đến trượt và mất hiệu suất. Số mắt xích cần được tính toán chính xác để đảm bảo xích hoạt động êm ái và không bị rung động.

IV. Thiết Kế Bộ Truyền Bánh Răng Trụ Răng Nghiêng Chi Tiết

Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng bao gồm việc xác định các thông số ban đầu, chọn vật liệu, xác định ứng suất cho phép, chọn hệ số chiều rộng vành răng, xác định sơ bộ khoảng cách trục, xác định thông số ăn khớp, xác định kích thước bộ truyền, và kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc và độ bền uốn. Theo tài liệu, với công suất truyền là 5,34 kW, tỷ số truyền là 4, số vòng quay trục dẫn là 960 vòng/phút, và thời gian làm việc là 28800 giờ, ta chọn thép C45 thường hóa cho bánh răng. Khoảng cách trục được chọn là 160 mm, và module pháp được chọn là 2,5 mm. Các thông số này cần được tính toán và kiểm nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo bộ truyền bánh răng hoạt động ổn định và hiệu quả.

4.1. Lựa Chọn Vật Liệu và Xác Định Ứng Suất Cho Phép

Việc lựa chọn vật liệu và xác định ứng suất cho phép là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của bánh răng. Thép C45 thường hóa là một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng có tải trọng vừa phải. Ứng suất cho phép cần được xác định dựa trên các yêu cầu về độ bền, độ cứng, và tuổi thọ. Các hệ số an toàn cần được áp dụng để đảm bảo bánh răng không bị hỏng hóc trong quá trình hoạt động.

4.2. Tính Toán Thông Số Ăn Khớp và Kích Thước Bộ Truyền

Các thông số ăn khớp và kích thước bộ truyền có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền động và độ ồn của bánh răng. Module pháp, số răng, góc nghiêng răng, và đường kính vòng chia cần được tính toán chính xác để đảm bảo bánh răng ăn khớp êm ái và không bị rung động. Chiều rộng vành răng cần được lựa chọn phù hợp để đảm bảo khả năng chịu tải và giảm thiểu biến dạng.

4.3. Kiểm Nghiệm Độ Bền Tiếp Xúc và Độ Bền Uốn của Răng

Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn là bước cuối cùng trong quá trình thiết kế bánh răng. Độ bền tiếp xúc đảm bảo bánh răng không bị mài mòn hoặc phá hủy bề mặt tiếp xúc. Độ bền uốn đảm bảo bánh răng không bị gãy dưới tác dụng của lực uốn. Các công thức kiểm nghiệm độ bền cần được áp dụng để đảm bảo bánh răng đáp ứng các yêu cầu về độ bền và tuổi thọ.

V. Thiết Kế Trục Chọn Then Ổ Lăn Cho Hộp Giảm Tốc HCMUT

Thiết kế trục, chọn then, và ổ lăn là các bước quan trọng để đảm bảo hộp giảm tốc hoạt động ổn định và hiệu quả. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp, xác định sơ bộ đường kính trục, xác định khoảng cách giữa các gối đỡ, phân tích lực tác dụng lên bộ truyền, xác định lực tác dụng lên trục, kiểm nghiệm then, và kiểm nghiệm trục là những yếu tố then chốt. Theo tài liệu, với momen xoắn trên trục I là 53121,88 Nmm và trên trục II là 204051,67 Nmm, ta chọn thép 45 cho trục. Đường kính trục được xác định dựa trên momen xoắn và ứng suất cho phép.

5.1. Chọn Vật Liệu và Xác Định Sơ Bộ Đường Kính Trục

Thép 45 là một lựa chọn phổ biến cho trục do có độ bền và độ cứng vừa phải. Đường kính trục cần được xác định dựa trên momen xoắn và ứng suất cho phép để đảm bảo trục không bị quá tải hoặc biến dạng quá mức.

5.2. Phân Tích Lực Tác Dụng Lên Trục và Tính Phản Lực

Việc phân tích lực tác dụng lên trục và tính phản lực tại các gối đỡ là rất quan trọng để xác định tải trọng tác dụng lên ổ lăn. Các lực cần được xem xét bao gồm lực vòng, lực dọc trục, lực hướng tâm, và lực do bộ truyền ngoài tác dụng lên trục.

5.3. Kiểm Nghiệm Độ Bền Mỏi và Độ Bền Tĩnh của Trục

Kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ bền tĩnh là bước cuối cùng trong quá trình thiết kế trục. Độ bền mỏi đảm bảo trục không bị phá hủy do tải trọng lặp đi lặp lại. Độ bền tĩnh đảm bảo trục không bị biến dạng quá mức hoặc gãy dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. Các công thức kiểm nghiệm độ bền cần được áp dụng để đảm bảo trục đáp ứng các yêu cầu về độ bền và tuổi thọ.

VI. Chọn Thân Máy Bulong Dung Sai Lắp Ghép Hộp Giảm Tốc

Việc chọn thân máy, bulong, và dung sai lắp ghép cũng quan trọng không kém. Vật liệu làm vỏ hộp thường là gang xám GX15-32. Các chi tiết phụ như nắp cửa thăm, que thăm dầu, và chốt định vị cũng cần được lựa chọn và thiết kế phù hợp. Việc chọn cấp chính xác và kiểu lắp cho các chi tiết máy như bánh răng, ổ lăn, và then cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hộp giảm tốc. Theo tài liệu, chiều dày của các bộ phận, kích thước các loại bulong và các loại vít được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn và kinh nghiệm thiết kế.

6.1. Lựa Chọn Vật Liệu và Kích Thước Thân Máy

Gang xám GX15-32 là một lựa chọn phổ biến cho vỏ hộp do có khả năng chịu mài mòn tốt và giảm rung động. Kích thước thân máy cần được xác định dựa trên kích thước của các chi tiết máy bên trong và các yêu cầu về độ cứng và độ bền.

6.2. Chọn Bulong và Vít Phù Hợp Với Từng Vị Trí

Bulong và vít cần được lựa chọn phù hợp với từng vị trí để đảm bảo khả năng chịu lực và độ tin cậy của mối ghép. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm đường kính, vật liệu, cấp bền, và kiểu dáng của bulong và vít.

6.3. Xác Định Dung Sai Lắp Ghép Cho Các Chi Tiết Máy

Dung sai lắp ghép cần được xác định chính xác để đảm bảo các chi tiết máy lắp ráp dễ dàng và hoạt động êm ái. Các kiểu lắp phổ biến bao gồm lắp chặt, lắp trung gian, và lắp lỏng. Việc lựa chọn kiểu lắp cần dựa trên các yêu cầu về độ chính xác, khả năng chịu tải, và khả năng tháo lắp.

Đồ án thiết kế hộp giảm tốc hệ thống truyền động - Đại học Bách Khoa TP.HCM

MỞ ĐẦU

1. PHẦN 1: XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN BỐ TỈ SỐ TRUYỀN

1.1. Xác định công suất động cơ

1.1.1. Chọn hiệu suất của hệ thống

1.1.2. Tính công suất cần thiết

1.1.3. Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ

1.1.4. Chọn động cơ điện

1.2. Phân phối tỷ số truyền

1.2.1. Tính công suất trên các trục

1.2.2. Tính số vòng quay trên các trục

1.2.3. Tính momen xoắn trên các trục

1.3. Bảng đặc tính

2. PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT MÁY

2.1. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN XÍCH

2.1.1. Thông số ban đầu và chọn loại xích

2.1.2. Chọn số răng đĩa xích

2.1.3. Xác định bước xích

2.1.4. Xác định khoảng cách trục và số mắt xích

2.1.5. Tính kiểm nghiệm xích về độ bền

2.1.6. Xác định thông số đĩa xích

2.1.7. Xác định lực tác dụng lên trục

2.1.8. Bảng thông số bộ truyền xích

2.2. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TRỤ MỘT CẤP

2.2.1. Thông số ban đầu và chọn loại xích

2.2.2. Chọn vật liệu

2.2.3. Xác định ứng suất cho phép

2.2.4. Chọn hệ số chiều rộng vành răng

2.2.5. Xác định sơ bộ khoảng cách trục

2.2.6. Xác định thông số ăn khớp

2.2.7. Xác định kích thước bộ truyền

2.2.8. Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

2.2.9. Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn

2.2.10. Bảng thông số bộ truyền răng

2.2.11. Bôi trơn hộp giảm tốc

2.3. THIẾT KẾ TRỤC - CHỌN THEN

2.3.1. Thông số ban đầu

2.3.2. Chọn vật liệu và xác định sơ bộ đường kính trục

2.3.3. Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực

2.3.4. Phân tích lực tác dụng lên bộ truyền

2.3.5. Xác định lực tác dụng lên trục, đường kính các đoạn trục

2.3.6. Kiểm nghiệm then

2.3.7. Kiểm nghiệm trục

2.4. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN Ổ LĂN, NỐI TRỤC

3. PHẦN 3: CHỌN THÂN MÁY, CÁC CHI TIẾT PHỤ VÀ DUNG SAI LẮP GHÉP

3.1. CHỌN THÂN MÁY, BULONG

3.2. CÁC CHI TIẾT LIÊN QUAN ĐẾN KẾT CẤU VỎ HỘP

3.2.1. Nắp cửa thăm

3.2.2. Que thăm dầu

3.2.3. Chốt định vị

3.3. DUNG SAI LẮP GHÉP

3.3.1. Chọn cấp chính xác

3.3.2. Chọn kiểu lắp

3.3.3. Bảng dung sai lắp ghép

4. PHẦN 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

4.1. Lựa chọn phương án thiết kế

4.2. Giá đỡ bộ phận xích tải

4.3. Bộ phận căng xích tải

4.4. Bệ đỡ động cơ và hộp giảm tốc

TÀI LIỆU THAM KHẢO