I. Tổng quan Đồ án thiết kế hệ thống dẫn động xích tải P
Đồ án thiết kế hệ thống dẫn động xích tải là một nhiệm vụ cốt lõi trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí, đóng vai trò là cầu nối giữa lý thuyết và ứng dụng thực tiễn. Nhiệm vụ này yêu cầu sinh viên vận dụng tổng hợp kiến thức từ nhiều môn học chuyên ngành như Chi tiết máy, Sức bền vật liệu, và Vẽ kỹ thuật để giải quyết một bài toán kỹ thuật cụ thể. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh, từ việc chọn động cơ điện đến tính toán các bộ truyền và chi tiết máy, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, hiệu quả và bền bỉ theo các thông số cho trước. Phương án 11 trong đồ án chi tiết máy này tập trung vào một hệ thống dẫn động xích tải với các yêu cầu cụ thể về lực, vận tốc và chế độ làm việc, đòi hỏi một quy trình tính toán chính xác và chi tiết. Việc hoàn thành đồ án không chỉ giúp củng cố kiến thức nền tảng mà còn rèn luyện kỹ năng phân tích, giải quyết vấn đề và sử dụng các công cụ phần mềm hỗ trợ thiết kế như AutoCAD, tạo ra các bản vẽ hệ thống dẫn động xích tải hoàn chỉnh. Đây là một bước chuẩn bị quan trọng cho các đồ án tốt nghiệp cơ khí sau này.
1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án chi tiết máy đề số 2
Mục tiêu cơ bản của đồ án là thiết kế một hệ thống dẫn động cơ khí hoàn chỉnh cho xích tải theo phương án 11. Hệ thống này bao gồm các thành phần chính: động cơ điện 3 pha, bộ truyền đai thang, hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ khai triển, nối trục đàn hồi và xích tải. Sinh viên phải thực hiện toàn bộ quy trình tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, bắt đầu từ việc phân tích các thông số đầu vào như lực vòng, vận tốc xích tải, và thời gian phục vụ. Từ đó, tiến hành phân phối tỉ số truyền, thiết kế các bộ truyền, tính toán trục và then, chọn ổ lăn và các chi tiết phụ trợ khác. Ý nghĩa của đồ án không chỉ nằm ở việc tạo ra một bản thiết kế kỹ thuật, mà còn giúp người học hình thành tư duy thiết kế hệ thống, hiểu rõ mối liên kết và tương tác giữa các chi tiết máy. Đây là cơ hội để áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế, tra cứu tài liệu kỹ thuật, điển hình là tài liệu thiết kế máy Trịnh Chất, và phát triển kỹ năng lập thuyết minh đồ án hệ dẫn động cơ khí một cách logic và khoa học.
1.2. Phân tích cấu tạo và nguyên lý làm việc của xích tải
Hệ thống dẫn động được thiết kế để cung cấp momen và tốc độ phù hợp cho cơ cấu chấp hành là xích tải. Nguyên lý làm việc của xích tải bắt đầu từ nguồn động lực là động cơ điện. Năng lượng quay từ trục động cơ được truyền qua bộ truyền đai thang đến trục vào của hộp giảm tốc. Bộ truyền đai có tác dụng giảm tốc độ sơ bộ và bảo vệ động cơ khỏi quá tải nhờ khả năng trượt. Bên trong hộp giảm tốc, hệ thống bánh răng trụ hai cấp tiếp tục hạ thấp tốc độ quay và tăng momen xoắn. Sau khi qua hộp giảm tốc, chuyển động quay được truyền qua nối trục đàn hồi đến trục dẫn của bộ truyền xích. Nối trục đàn hồi giúp bù trừ sai lệch tâm trục và giảm chấn động. Cuối cùng, đĩa xích dẫn sẽ kéo xích tải chuyển động tịnh tiến với vận tốc và lực kéo theo yêu cầu. Việc hiểu rõ cấu tạo xích tải và nguyên lý vận hành của toàn hệ thống là yếu tố tiên quyết để có thể tính toán và lựa chọn các thông số thiết kế một cách chính xác, đảm bảo hệ thống làm việc đồng bộ và hiệu quả.
II. Phân tích yêu cầu và thông số tính toán hệ dẫn động xích tải
Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi đồ án thiết kế là phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu và thông số đầu vào. Đối với đề số 2, phương án 11, các dữ liệu ban đầu là cơ sở để thực hiện mọi phép tính toán sau này. Việc xác định chính xác công suất yêu cầu, số vòng quay đồng bộ, và hiệu suất của từng bộ phận sẽ quyết định đến việc lựa chọn động cơ và thiết kế các bộ truyền. Các thông số của phương án 11 bao gồm lực vòng trên xích tải (F = 5000N), vận tốc xích tải (v = 1,3 m/s), số răng đĩa xích (z = 11), và bước xích (p = 110mm). Ngoài ra, chế độ làm việc cũng được quy định rõ: tải va đập nhẹ, làm việc 2 ca/ngày, thời gian phục vụ 6 năm. Các thông số này được sử dụng để tính toán công suất tương đương và tuổi thọ của các chi tiết máy, đặc biệt là ổ lăn và bánh răng. Việc phân tích và hệ thống hóa các dữ liệu này giúp quá trình tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí trở nên mạch lạc và giảm thiểu sai sót, đảm bảo kết quả thiết kế đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
2.1. Bảng thông số kỹ thuật đầu vào của phương án 11
Các thông số tính toán ban đầu cho phương án 11 là các hằng số không đổi trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Cụ thể:
- Lực vòng trên xích tải: F = 5000 N
- Vận tốc xích tải: v = 1,3 m/s
- Số răng đĩa xích dẫn: z = 11 răng
- Bước xích: p = 110 mm
- Thời gian phục vụ: L = 6 năm (với 250 ngày làm việc/năm, 2 ca/ngày)
- Chế độ tải trọng: Tải thay đổi theo chu kỳ với các giai đoạn T1 = T trong 40 giây, T2 = 0,7T trong 35 giây, và T3 = 0,3T trong 28 giây. Những thông số này là nền tảng để xác định các đại lượng động học và động lực học của toàn bộ hệ thống. Ví dụ, từ vận tốc và thông số xích, ta có thể tính được số vòng quay của trục công tác. Từ lực vòng và vận tốc, ta tính được công suất trên trục công tác, là cơ sở để chọn động cơ điện.
2.2. Xác định công suất và hiệu suất toàn hệ thống dẫn động
Để chọn động cơ điện phù hợp, cần xác định công suất cần thiết trên trục động cơ. Quá trình này bắt đầu bằng việc tính công suất trên trục công tác (trục xích tải) theo công thức: Pt = (F * v) / 1000. Với các thông số đã cho, Pt = (5000 * 1,3) / 1000 = 6,5 kW. Tiếp theo, cần tính công suất tương đương dựa trên chế độ tải thay đổi, kết quả là Ptd = 4,95 kW. Hiệu suất chung của hệ thống (η) là tích của hiệu suất các bộ phận riêng lẻ. Dựa trên tài liệu tham khảo, các hiệu suất được chọn như sau: bộ truyền đai (ηđ = 0,95), mỗi cặp ổ lăn (ηol = 0,99), mỗi cặp bánh răng (ηbr = 0,96), khớp nối (ηkn = 0,99). Hiệu suất toàn hệ thống được tính là η = ηđ * ηol^4 * ηbr1 * ηbr2 * ηkn ≈ 0,83. Cuối cùng, công suất cần thiết trên trục động cơ là Pct = Ptd / η = 4,95 / 0,83 = 5,96 kW. Đây là giá trị tối thiểu để lựa chọn động cơ thương mại.
III. Hướng dẫn chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền tối ưu
Sau khi xác định được công suất cần thiết và số vòng quay sơ bộ, bước tiếp theo là lựa chọn một động cơ điện cụ thể và phân chia tỉ số truyền cho toàn hệ thống. Đây là một bước quan trọng trong thuyết minh đồ án hệ dẫn động cơ khí, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước, hiệu suất và chi phí của cả hệ thống. Việc chọn động cơ điện không chỉ dựa trên công suất mà còn phải thỏa mãn số vòng quay đồng bộ gần nhất với số vòng quay sơ bộ đã tính. Sau khi chọn được động cơ, tỉ số truyền thực tế của hệ thống sẽ được xác định lại. Từ đó, tiến hành phân phối tỉ số truyền chung cho các bộ phận, bao gồm bộ truyền đai ngoài hộp và hai cấp bánh răng bên trong hộp giảm tốc 2 cấp. Việc phân phối hợp lý sẽ giúp tối ưu hóa kích thước của các bộ truyền, đảm bảo điều kiện bôi trơn và tăng tuổi thọ cho hệ thống. Toàn bộ thông số sau khi tính toán sẽ được tổng hợp trong bảng đặc tính, thể hiện rõ công suất, momen xoắn và số vòng quay trên từng trục.
3.1. Quy trình chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ
Quy trình chọn động cơ điện dựa trên hai tiêu chí chính: công suất và số vòng quay. Công suất động cơ phải lớn hơn công suất cần thiết đã tính: Pđc > Pct = 5,96 kW. Số vòng quay sơ bộ của động cơ được tính từ số vòng quay trục công tác (nlv = 64,5 vòng/phút) và tỉ số truyền sơ bộ (uch ≈ 22), cho ra nsb = nlv * uch ≈ 1419 vòng/phút. Dựa trên hai điều kiện này, ta tra cứu catalogue động cơ điện 3 pha không đồng bộ. Một lựa chọn phù hợp là động cơ có công suất danh định Pđc = 7,5 kW và số vòng quay đồng bộ nđb = 1500 vòng/phút (số vòng quay thực tế khi có tải là n = 1455 vòng/phút). Lựa chọn này đảm bảo dự trữ công suất cần thiết cho hệ thống, đặc biệt khi có tải va đập nhẹ. Động cơ được chọn sẽ có các thông số kỹ thuật cụ thể, làm cơ sở để thiết kế bộ truyền đai tiếp theo.
3.2. Phương pháp phân phối tỉ số truyền cho các bộ truyền
Sau khi chọn được động cơ với số vòng quay thực tế nđc = 1455 vòng/phút, tỉ số truyền chung của hệ thống được tính lại: uch = nđc / nlv = 1455 / 64,5 ≈ 22,56. Tỉ số truyền này được phân phối cho bộ truyền đai (uđ) và hộp giảm tốc (uhgt). Theo kinh nghiệm thiết kế, tỉ số truyền của bộ truyền đai thang thường được chọn trong khoảng 2 đến 4. Đồ án chọn uđ = 2,2. Từ đó, tỉ số truyền của hộp giảm tốc 2 cấp là uhgt = uch / uđ = 22,56 / 2,2 ≈ 10,25. Đối với hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp khai triển, tỉ số truyền giữa cấp nhanh (u1) và cấp chậm (u2) thường tuân theo quan hệ u1 = (1,2 ÷ 1,3)u2. Áp dụng điều này, ta tính được u1 = 3,84 và u2 = 2,67. Việc phân phối tỉ số truyền hợp lý giúp cân bằng kích thước và tải trọng giữa các cấp, tối ưu hóa thiết kế tổng thể.
IV. Phương pháp thiết kế bộ truyền đai và hộp giảm tốc 2 cấp
Thiết kế các bộ truyền là phần nội dung trọng tâm của đồ án, bao gồm bộ truyền ngoài (đai thang) và bộ truyền trong hộp giảm tốc (bánh răng). Mỗi bộ truyền có những đặc điểm và quy trình tính toán riêng, đòi hỏi sự am hiểu về cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật. Thiết kế bộ truyền đai thang bao gồm việc chọn loại đai, xác định đường kính bánh đai, tính toán khoảng cách trục, chiều dài đai và số lượng đai cần thiết để truyền tải công suất yêu cầu. Đối với hộp giảm tốc 2 cấp, công việc phức tạp hơn, bao gồm việc thiết kế chi tiết cho cả hai cặp bánh răng trụ răng nghiêng (cấp nhanh và cấp chậm). Quá trình này bắt đầu từ việc chọn vật liệu, xác định ứng suất cho phép, tính toán sơ bộ khoảng cách trục, và sau đó xác định các thông số hình học của bánh răng như mô-đun, số răng, góc nghiêng. Cuối cùng, cần thực hiện kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn để đảm bảo bánh răng làm việc an toàn trong suốt vòng đời thiết kế. Các bản vẽ chi tiết trục và bánh răng sẽ được thực hiện dựa trên kết quả tính toán này.
4.1. Các bước tính toán và lựa chọn bộ truyền đai thang
Thiết kế bộ truyền đai bắt đầu với các thông số đã biết: công suất trên trục động cơ Pđc = 7,728 kW và tỉ số truyền uđ = 2,2. Dựa vào công suất và số vòng quay, ta chọn loại đai thang thường tiết diện loại B. Đường kính bánh đai nhỏ được chọn sơ bộ d1 = 180 mm, sau đó tính toán và chọn theo tiêu chuẩn là d1 = 185,5 mm và d2 = 400 mm. Khoảng cách trục được chọn là a = 480 mm, thỏa mãn điều kiện bền. Chiều dài đai được tính và chọn theo tiêu chuẩn L = 1900 mm. Một bước quan trọng là xác định số đai cần thiết (z) để truyền hết công suất, dựa trên công suất cho phép của một đai và các hệ số điều chỉnh. Tính toán cho ra z = 2,68, do đó ta chọn z = 3 đai. Cuối cùng, các thông số như lực căng ban đầu (F0) và lực tác dụng lên trục (Fr) được xác định để phục vụ cho việc tính toán trục và then sau này.
4.2. Quy trình thiết kế bộ truyền kín trong hộp giảm tốc
Việc thiết kế hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp được tiến hành riêng cho cấp nhanh và cấp chậm. Vật liệu được chọn là thép C45 tôi cải thiện. Quy trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép. Dựa vào momen xoắn trên từng trục, ta tính sơ bộ khoảng cách trục cho mỗi cấp (cấp nhanh aw = 160 mm, cấp chậm aw = 200 mm). Từ đó, chọn mô-đun (m=3), tính toán số răng (cấp nhanh z1=21, z2=81; cấp chậm z1=35, z2=94), góc nghiêng và các kích thước hình học khác. Sau khi có các thông số cơ bản, cần thực hiện kiểm nghiệm độ bền. Kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc (σH) và ứng suất uốn (σF) được thực hiện để so sánh với giá trị cho phép. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy cả hai cấp bánh răng đều thỏa mãn điều kiện bền. Cuối cùng, kiểm tra điều kiện bôi trơn ngâm dầu để đảm bảo các bánh răng được làm mát và bôi trơn đầy đủ trong quá trình hoạt động, hoàn thiện phần thiết kế cho hộp giảm tốc 2 cấp.
V. Bí quyết tính toán trục then và chọn ổ lăn cho hệ dẫn động
Sau khi đã có thiết kế chi tiết cho các bộ truyền, nhiệm vụ tiếp theo là thiết kế các trục để đỡ các chi tiết quay và truyền momen xoắn, cùng với đó là các mối ghép then và ổ lăn. Tính toán trục và then là một bài toán phức hợp, yêu cầu xác định đường kính trục tại các tiết diện khác nhau để đảm bảo độ bền và độ cứng vững, đồng thời phải thiết kế kết cấu trục hợp lý để dễ dàng lắp ráp. Vật liệu chế tạo trục thường là thép C45. Quá trình tính toán bao gồm việc xác định sơ bộ đường kính trục, xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên trục, vẽ biểu đồ momen uốn và momen xoắn, sau đó tính toán đường kính chính xác tại các tiết diện nguy hiểm. Mối ghép then được chọn và kiểm nghiệm bền theo dập và cắt. Việc chọn ổ lăn cũng là một bước quan trọng, cần dựa vào tải trọng hướng tâm và dọc trục, số vòng quay và tuổi thọ yêu cầu để chọn đúng loại ổ và kích cỡ, đảm bảo hệ thống vận hành êm ái và bền bỉ. Toàn bộ các bước này cần được thể hiện chi tiết trên bản vẽ chi tiết trục và bản vẽ lắp hộp giảm tốc.
5.1. Hướng dẫn chi tiết các bước tính toán thiết kế trục
Quá trình tính toán thiết kế trục được thực hiện cho cả 3 trục trong hộp giảm tốc. Đầu tiên, chọn vật liệu là thép C45 thường hóa. Đường kính sơ bộ của các trục được tính dựa trên momen xoắn và ứng suất xoắn cho phép [τ]. Ví dụ, với trục I, d1 ≥ 29,8 mm, ta chọn d1=30mm. Sau đó, ta xác định khoảng cách giữa các gối đỡ (ổ lăn) và điểm đặt lực từ bánh răng, bánh đai. Dựa trên sơ đồ lực, ta tính toán các phản lực tại gối đỡ theo hai phương (X và Y). Từ đó, vẽ biểu đồ nội lực, bao gồm momen uốn (Mx, My) và momen xoắn (T). Tại các tiết diện nguy hiểm (thường là nơi lắp bánh răng hoặc ổ lăn), ta tính momen tương đương (Mtd) và xác định đường kính chính xác theo điều kiện bền. Cuối cùng, ta kiểm nghiệm lại độ bền của trục theo hệ số an toàn. Kết quả cho thấy các trục đều thỏa mãn điều kiện làm việc.
5.2. Phương pháp lựa chọn và kiểm nghiệm then ổ lăn
Mối ghép then được sử dụng để truyền momen xoắn giữa trục và các chi tiết lắp trên nó như bánh răng, bánh đai. Ta chọn loại then bằng đầu tròn. Kích thước then (bxh) được chọn theo tiêu chuẩn dựa vào đường kính trục tại vị trí lắp. Chiều dài then được tính toán (lt ≈ 0,8 * lmayer) và sau đó tiến hành kiểm nghiệm bền. Then được kiểm nghiệm theo hai chỉ tiêu: sức bền dập (σd) và sức bền cắt (τc). Kết quả tính toán cho tất cả các vị trí lắp then trên cả ba trục đều cho thấy ứng suất thực tế nhỏ hơn ứng suất cho phép, do đó then đủ bền. Đối với việc chọn ổ lăn, ta sử dụng ổ bi đỡ chặn do có cả lực hướng tâm và lực dọc trục. Dựa vào đường kính ngõng trục và các lực đã tính, ta chọn sơ bộ loại ổ, ví dụ ổ 7206 cho trục I. Sau đó, tính tải trọng quy ước (Q), tải trọng động tương đương (Qtd) và kiểm tra khả năng tải động của ổ (Cd). Kết quả cho thấy tất cả các ổ lăn được chọn đều thỏa mãn yêu cầu về tuổi thọ và khả năng tải.
VI. Hoàn thiện bản vẽ lắp hộp giảm tốc và các chi tiết phụ trợ
Giai đoạn cuối cùng của đồ án là hoàn thiện thiết kế vỏ hộp, lựa chọn các chi tiết phụ và tổng hợp tất cả các kết quả vào bộ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh. Vỏ hộp giảm tốc không chỉ có chức năng bao bọc, bảo vệ các chi tiết bên trong mà còn là chi tiết cơ sở để lắp ráp toàn bộ cơ cấu, đồng thời chứa dầu bôi trơn. Việc thiết kế vỏ hộp yêu cầu tính toán các kích thước cơ bản như chiều dày thành, gân tăng cứng, mặt bích dựa trên khoảng cách trục đã có. Các chi tiết phụ như nắp ổ, cửa thăm, nút thông hơi, nút tháo dầu, bu lông cũng cần được lựa chọn theo tiêu chuẩn để đảm bảo chức năng và tính công nghệ khi lắp ráp. Kết quả cuối cùng của đồ án chi tiết máy là một bộ hồ sơ kỹ thuật đầy đủ, bao gồm bản thuyết minh đồ án hệ dẫn động cơ khí chi tiết và các bản vẽ kỹ thuật. Trong đó, bản vẽ lắp hộp giảm tốc và các bản vẽ chi tiết trục là những tài liệu quan trọng nhất, thể hiện toàn bộ kết quả của quá trình thiết kế. Các tệp hệ thống dẫn động cơ khí file cad cũng là sản phẩm cần có.
6.1. Lựa chọn thân máy bu lông và các chi tiết phụ quan trọng
Thiết kế vỏ hộp và lựa chọn chi tiết phụ là bước hoàn thiện cấu trúc vật lý cho hộp giảm tốc. Chiều dày thành thân hộp (e1) và nắp hộp (e2) được tính theo công thức kinh nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách trục lớn nhất, cho kết quả e1 = e2 = 9 mm. Các loại bu lông được lựa chọn theo chức năng: bu lông nền (M20), bu lông cạnh ổ (M14), bu lông ghép bích (M12). Các kích thước khác như chiều dày mặt bích, chiều rộng mặt bích cũng được tiêu chuẩn hóa để đảm bảo độ cứng vững và dễ lắp đặt. Các chi tiết phụ khác cũng được chọn theo tiêu chuẩn: cửa thăm kích thước 100x75, nút thông hơi ren M27x2, nút tháo dầu ren M20 và chốt định vị. Việc lựa chọn đúng và đầy đủ các chi tiết này đảm bảo hộp giảm tốc vận hành ổn định, dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng.
6.2. Yêu cầu kỹ thuật và dung sai lắp ghép trên bản vẽ
Một bộ bản vẽ hệ thống dẫn động xích tải hoàn chỉnh không thể thiếu các yêu cầu kỹ thuật và chỉ định dung sai lắp ghép. Dung sai lắp ghép quyết định đến tính chất của mối ghép (lỏng, trung gian, hay chặt), ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và khả năng làm việc của cơ cấu. Trong đồ án, các dung sai lắp ghép quan trọng cần được xác định. Đối với lắp ghép bánh răng trên trục, thường dùng kiểu lắp trung gian. Đối với lắp ghép ổ lăn, vòng trong của ổ được lắp với trục theo kiểu lắp trung gian hoặc có độ dôi nhỏ (k6), trong khi vòng ngoài được lắp với vỏ hộp theo kiểu lắp lỏng (H7) để cho phép giãn nở vì nhiệt. Dung sai lắp ghép then cũng cần được quy định để đảm bảo truyền momen hiệu quả. Tất cả những thông tin này phải được thể hiện rõ ràng trên bản vẽ lắp hộp giảm tốc và các bản vẽ chi tiết liên quan, tạo cơ sở cho việc chế tạo và lắp ráp chính xác.
