I. Lựa chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền
Việc lựa chọn động cơ điện phù hợp là bước quan trọng đầu tiên trong thiết kế hộp giảm tốc. Để chọn động cơ, cần tính toán công suất cần thiết dựa trên các yêu cầu của hệ thống truyền động. Hiệu suất của hệ thống bao gồm hiệu suất của bộ truyền đai (η₁ = 0,95), bộ truyền bánh răng côn (η₂ = 0,96), bộ truyền bánh răng trụ (η₃ = 0,96), và các cặp ổ lăn (ηol = 0,994). Công suất cần thiết được tính bằng công thức Pct = Plv / ηchung, trong đó ηchung là tích của tất cả các hiệu suất thành phần. Số vòng quay sơ bộ của động cơ được xác định theo công thức nsb = nlv × ung × uh, với nlv là số vòng quay của máy công tác. Dựa vào các số liệu tính toán, chọn động cơ asynchronous 3 pha có công suất P®c = 8,7 kW và số vòng quay đồng bộ ndc = 1340 v/ph, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hộp giảm tốc.
1.1. Xác định công suất động cơ
Công suất cần thiết được tính từ công suất trên bằng tải và hiệu suất chung của hệ thống. Công thức tính công suất: Pct = Plv / ηchung, với Plv là công suất trên bằng tải. Hiệu suất chung của hộp giảm tốc là tích của các hiệu suất thành phần: η = η₁ × η₂ × η₃ × ηol = 0,95 × 0,96 × 0,96 × 0,994 = 0,8635. Từ đó xác định công suất động cơ cần chọn phải lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống truyền động.
1.2. Phân phối tỉ số truyền
Tỉ số truyền của hệ dẫn động được phân phối giữa bộ truyền ngoài (đai) và hộp giảm tốc. Tỉ số truyền bộ truyền ngoài ung thường lấy trong khoảng 2÷4, chọn ung = 2,8. Tỉ số truyền của hộp giảm tốc uh = unãn × utrô, trong đó unãn = 0,25 × uh là tỉ số truyền bánh răng côn, utrô là tỉ số truyền bánh răng trụ. Phân phối hợp lý giữa các bộ truyền giúp tối ưu hóa kích thước, khối lượng và hiệu suất của toàn bộ hộp giảm tốc.
II. Tính toán tốc độ quay moment và công suất trên các trục
Sau khi xác định các tỉ số truyền, cần tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật trên từng trục của hộp giảm tốc. Tốc độ quay trên mỗi trục được tính bằng cách chia tốc độ quay trục dẫn cho tỉ số truyền tương ứng. Trục 1 có tốc độ n₁ = ndc / u® = 1340 / 2,8 = 478,5 v/ph. Trục 2 có tốc độ n₂ = n₁ / unãn = 478,5 / 3,32 = 144,1 v/ph. Trục 3 (trục ra) có tốc độ n₃ = n₂ / utrô = 144,1 / 4 = 36 v/ph. Công suất trên mỗi trục giảm dần do tác động của hiệu suất truyền động. Moment xoắn tăng lên theo tỷ lệ nghịch với tốc độ quay, đảm bảo cung cấp đủ moment cho máy công tác. Các giá trị này là cơ sở để thiết kế các bộ truyền và trục của hộp giảm tốc.
2.1. Tính công suất trên mỗi trục
Công suất trên trục động cơ P₁ = Pdc × η₁ = 8,7 × 0,995 = 8,22 kW. Công suất trên trục 2 (sau bộ truyền bánh răng côn) P₂ = P₁ × η₂ = 8,22 × 0,96 = 7,85 kW. Công suất trên trục 3 (trục ra) P₃ = P₂ × η₃ = 7,85 × 0,96 = 7,5 kW. Sự giảm công suất trên các trục phản ánh mất mát năng lượng do ma sát và biến dạng trong quá trình truyền động. Điều này là bình thường và được tính đến khi thiết kế hộp giảm tốc.
2.2. Tính moment xoắn trên mỗi trục
Moment xoắn được tính bằng công thức T = P × 1000 / (π × n / 30), trong đó P là công suất (kW), n là tốc độ quay (v/ph). Trục 1: T₁ = 164056 N/mm. Trục 2: T₂ = 520246 N/mm. Trục 3: T₃ = 1989583 N/mm. Moment xoắn tăng đáng kể từ trục 1 đến trục 3 do tốc độ quay giảm. Các giá trị này được sử dụng để tính toán kích thước các bánh răng và đường kính trục.
III. Thiết kế bộ truyền ngoài hộp giảm tốc
Bộ truyền đai từ động cơ tới hộp giảm tốc là thành phần quan trọng của hệ thống. Với công suất trục dẫn Pct = 7,54 kW, tốc độ quay nct = 1340 v/ph, tỉ số truyền u = 2,8, cần chọn loại đai dẻo phù hợp. Vật liệu đai được chọn là cao su có khả năng chịu tải tốt ở môi trường ẩm, với độ bền cao và tính đàn hồi tốt. Đường kính bánh đai nhỏ D₁ = 200 mm được chọn theo tiêu chuẩn và công thức thiết kế. Đường kính bánh đai lớn D₂ = 560 mm được xác định từ tỉ số truyền và điều kiện D₂/D₁ = u. Khoảng cách trục A = 784,75 mm và chiều dài đai L = 4400 mm được tính toán để đảm bảo độ an toàn và tuổi thọ của bộ truyền đai. Góc ôm trên bánh nhỏ α₁ = 166,25° vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo khả năng truyền động hiệu quả.
3.1. Chọn loại đai và xác định đường kính bánh đai
Loại đai được chọn là đai dẻo cao su với các đặc tính phù hợp cho hộp giảm tốc. Đường kính bánh đai nhỏ D₁ = 200 mm được qui tròn theo tiêu chuẩn. Đường kính bánh đai lớn D₂ được tính từ D₂ = D₁ × u = 200 × 2,8 = 560 mm. Tốc độ quay thực tế của bánh bị dẫn n₂' = n₁ × (D₁/D₂) = 478,5 × (200/560) = 171,6 v/ph. Sai số n»m trong phạm vi 3÷5% được chấp nhận.
3.2. Tính toán khoảng cách trục và chiều dài đai
Khoảng cách trục tối thiểu Amin = (D₁ + D₂) / 2 = (200 + 560) / 2 = 380 mm. Khoảng cách trục thực tế được chọn A = 784,75 mm để thoả mãn điều kiện khoảng cách tối thiểu. Chiều dài đai được tính theo công thức L = 2A + (π/2) × (D₁ + D₂) + (D₂ - D₁)² / (4A) = 4400 mm. Khi nối đai cần thêm 100÷400 mm chiều dài để tạo tiếp hợp tốt.
IV. Thiết kế các bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc
Bên trong hộp giảm tốc, có hai bộ truyền bánh răng: bộ truyền bánh răng côn (nãn) và bộ truyền bánh răng trụ (trô). Bộ truyền bánh răng côn có tỉ số truyền unãn = 0,25 × uh, được chọn để tối ưu hóa kích thước hộp giảm tốc. Bộ truyền bánh răng trụ có tỉ số truyền utrô = 4, được thiết kế để chịu moment xoắn cao T₃ = 1989583 N/mm từ trục ra. Các bánh răng được tính toán chi tiết về kích thước, số răng, mô-đun, để đảm bảo cường độ bề mặt răng (contact stress) và cường độ gốc răng (bending stress) không vượt quá giới hạn cho phép. Chất liệu bánh răng được chọn là thép có độ cứng và cường độ cao, đảm bảo hoạt động bền vững và hiệu suất cao. Tiêu chuẩn thiết kế tuân theo các quy định hiện hành về bánh răng để tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hộp giảm tốc.
4.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng côn
Bộ truyền bánh răng côn chuyển hướng trục và giảm tốc độ với tỉ số unãn. Số răng bánh nhỏ (pinion) thường được chọn từ 25÷35, ở đây chọn z₁ = 30. Số răng bánh lớn z₂ = z₁ × unãn được tính toán. Mô-đun bánh răng m được xác định dựa trên moment xoắn và yêu cầu cường độ. Góc nón của bánh răng côn được tính từ tỉ số truyền. Chất liệu được chọn là thép chứng chỉ có độ cứng bề mặt cao.
4.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ
Bộ truyền bánh răng trụ là bộ truyền cuối cùng, chịu moment xoắn cao nhất T₃ = 1989583 N/mm. Tỉ số truyền utrô = 4 được chọn phù hợp với yêu cầu công suất. Số răng bánh nhỏ z₃ thường là 20÷30, ở đây chọn z₃ = 25. Số răng bánh lớn z₄ = z₃ × utrô = 100. Mô-đun bánh răng m được tính từ công thức cường độ gốc răng và cường độ bề mặt để đảm bảo an toàn hoạt động.