Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế hiện đại hóa và tự động hóa công nghiệp tại Việt Nam, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất giữ vai trò trọng tâm nhằm thay thế sức lao động thủ công, cải thiện năng suất và đảm bảo an toàn vận hành. Hệ thống cơ khí truyền động là thành phần cốt lõi trong các dây chuyền sản xuất tự động, xí nghiệp và phân xưởng công nghiệp. Trong đó, hệ thống dẫn động xích tải đóng vai trò vận chuyển vật liệu và sản phẩm theo quy trình công nghệ định sẵn.
Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải" (Đề số 16, Phương án số 7) do sinh viên Nguyễn Minh Trung thực hiện dưới sự hướng dẫn của PhD. Lưu Thanh Tùng tại Bộ môn Thiết kế Máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 12/2023). Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm dẫn động cơ khí từ động cơ điện đến bộ phận công tác.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được xác lập theo các nội dung chính:
- Tính toán chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền cho toàn bộ hệ thống dẫn động.
- Thiết kế chi tiết bộ truyền ngoài hộp giảm tốc (bộ truyền đai thang).
- Thiết kế các bộ truyền trong hộp giảm tốc (cặp bánh răng côn răng thẳng cấp nhanh và cặp bánh răng trụ răng nghiêng cấp chậm).
- Thiết kế kết cấu hệ thống trục (trục I, II, III), tính chọn và kiểm nghiệm độ bền then.
- Tính toán, lựa chọn và kiểm nghiệm khả năng tải của các ổ lăn và nối trục đàn hồi.
- Thiết kế kết cấu vỏ hộp giảm tốc, bu-lông và các chi tiết phụ trợ bôi trơn, thông hơi.
- Xác định dung sai lắp ghép kỹ thuật cho các mối ghép then chốt trên hệ thống.
Phạm vi nghiên cứu được xác định với chế độ làm việc: thời gian phục vụ $L = 7\text{ năm}$, 248 ngày/năm, làm việc 3 ca/ngày, 8 giờ/ca (tổng thời gian phục vụ $L_h = 41.664\text{ giờ}$); hệ thống quay một chiều, chịu tải va đập nhẹ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết nền tảng của ngành Cơ khí chế tạo máy, bao gồm: Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Chi tiết máy và Dung sai - Kỹ thuật đo. Quá trình tính toán dựa trên các mô hình truyền động cơ học chuẩn tắc:
- Mô hình truyền động ma sát (bộ truyền đai thang) theo giới hạn ứng suất kéo và điều kiện không xảy ra hiện tượng trượt trơn ($\alpha \ge 120^\circ$).
- Mô hình truyền động ăn khớp (bánh răng côn và bánh răng trụ) theo tiêu chuẩn độ bền tiếp xúc mặt răng $[\sigma_H]$ và độ bền uốn chân răng $[\sigma_F]$.
- Mô hình tính toán trục chịu tải trọng phức tạp (uốn - xoắn đồng thời) theo hệ số an toàn bền mỏi $[s]$ và điều kiện bền tĩnh khi quá tải.
- Tiêu chuẩn tính toán khả năng tải động $C_d$ và tải tĩnh $C_0$ của ổ lăn theo thời gian làm việc hàng triệu vòng quay.
Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp tra cứu bảng thông số tiêu chuẩn cơ khí (sử dụng tài liệu hướng dẫn thiết kế của Nguyễn Trọng Hiệp, Trịnh Chất, Lê Văn Uyển). Dữ liệu đầu vào bao gồm lực kéo xích tải, vận tốc xích $v = 1,08\text{ m/s}$, bước xích $p = 125\text{ mm}$, số răng đĩa xích $z = 9$, cùng các hệ số chế độ tải trọng thực tế.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống dẫn động xích tải được thiết kế với cấu trúc truyền động nối tiếp gồm:
- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc mã hiệu 160M, công suất danh định $P_{dc} = 11\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n_{dc} = 1460\text{ vg/ph}$.
- Bộ truyền ngoài: Bộ truyền đai thang loại B gồm 4 sợi đai, giảm tốc từ trục động cơ xuống trục I của hộp giảm tốc với tỷ số truyền $u_d = 2,03$ (thực tế $u_d = 2,02$).
- Hộp giảm tốc 2 cấp côn - trụ:
- Cấp nhanh: Cặp bánh răng côn răng thẳng ($u_c = 3,15$, thực tế $u_{c} = 3,156$).
- Cấp chậm: Cặp bánh răng trụ răng nghiêng ($u_{tr} = 4,0$).
- Tổng tỷ số truyền của hộp giảm tốc $u_h = 12,5$.
- Khâu nối đầu ra: Nối trục đàn hồi truyền mô-men xoắn từ trục III của hộp giảm tốc sang trục công tác của đĩa xích tải.
| Thông số động học / Động lực | Trục động cơ | Trục I (Vào) | Trục II (Trung gian) | Trục III (Ra) | Trục công tác |
|---|---|---|---|---|---|
| Công suất $P\text{ (kW)}$ | 7,829 | 7,363 | 7,071 | 6,790 | 6,588 |
| Tỷ số truyền $u$ | — | 2,03 | 3,15 | 4,00 | 1,00 |
| Số vòng quay $n\text{ (vg/ph)}$ | 1460 | 719,21 | 228,32 | 57,08 | 57,08 |
| Mô-men xoắn $T\text{ (Nmm)}$ | 51.211,82 | 97.774,37 | 295.762,09 | 1.136.081,32 | 1.101.998,88 |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền
Chương này xác định hiệu suất tổng thể của hệ thống dựa trên hiệu suất thành phần: $\eta_d = 0,95$ (bộ truyền đai), $\eta_{br-tru} = 0,97$, $\eta_{br-con} = 0,97$, $\eta_{ol} = 0,99$ (mỗi cặp ổ lăn), $\eta_{nt} = 0,98$ (nối trục đàn hồi). Hiệu suất chung đạt $\eta = 0,841$.
Công suất cần thiết trên trục động cơ được tính toán $P_{ct} = 6,678\text{ kW}$. Tác giả chọn động cơ tiêu chuẩn 160M ($P_{dc} = 11\text{ kW}$, $n = 1460\text{ vg/ph}$). Tốc độ quay của trục đĩa xích tải tính toán $n_{lv} = 57,6\text{ vg/ph}$, dẫn đến tổng tỷ số truyền $u_t = 25,3$. Tỷ số truyền được phân phối: đai $u_d = 2,03$, bánh răng côn $u_c = 3,15$, bánh răng trụ $u_{tr} = 4,0$. Sai số vận tốc trên trục công tác đạt $0,58% \le 5%$, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Chương 2: Thiết kế bộ truyền đai
Với công suất vào $P_1 = 7,829\text{ kW}$ và số vòng quay $n_1 = 1460\text{ vg/ph}$, đai thang loại B tiết diện $138\text{ mm}^2$ được lựa chọn.
- Đường kính bánh đai: Bánh nhỏ $d_1 = 200\text{ mm}$, bánh lớn $d_2 = 400\text{ mm}$ (hệ số trượt $\xi = 0,01$).
- Vận tốc đai: $v = 15,289\text{ m/s} \le [v] = 25\text{ m/s}$.
- Kích thước lắp đặt: Khoảng cách trục $a = 640,96\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 2240\text{ mm}$, góc ôm bánh nhỏ $\alpha_1 = 162,21^\circ \ge 120^\circ$.
- Số lượng đai: Xác định $z = 4\text{ đai}$ (với công suất cho phép $[P_0] = 2,8\text{ kW}$).
- Lực và độ bền: Lực căng ban đầu $F_0 = 828\text{ N}$, lực vòng $F_t = 512,08\text{ N}$, lực tác dụng lên trục $F_r = 1636,093\text{ N}$. Ứng suất lớn nhất trong đai $\sigma_{max} = 6,244\text{ MPa} \le [\sigma] = 10\text{ MPa}$, tuổi thọ đai tính toán đạt $4.060,134\text{ giờ}$.
Chương 3: Thiết kế bộ truyền bánh răng
Vật liệu chế tạo cho cả hai bộ truyền là Thép C45 tôi cải thiện: bánh nhỏ độ rắn $HB = 250$ ($\sigma_b = 850\text{ MPa}, \sigma_{ch} = 580\text{ MPa}$), bánh lớn độ rắn $HB = 235$ ($\sigma_b = 750\text{ MPa}, \sigma_{ch} = 450\text{ MPa}$).
| Thông số hình học & Lực | Cặp cấp nhanh (Côn răng thẳng) | Cặp cấp chậm (Trụ răng nghiêng) |
|---|---|---|
| Tỷ số truyền $u$ | 3,156 | 4,00 |
| Mô-đun $m\text{ (mm)}$ | $m_{te} = 4,0$ | $m_n = 3,0$ |
| Số răng ($z_1 / z_2$) | 32 / 101 | 36 / 145 |
| Khoảng cách trục / Chiều dài côn | $R_e = 206,558\text{ mm}$ | $a_w = 280,0\text{ mm}$ |
| Góc nghiêng / Góc mặt côn | $\delta_1 = 17,613^\circ; \delta_2 = 72,387^\circ$ | $\beta = 14,154^\circ$ |
| Chiều rộng vành răng $b\text{ (mm)}$ | 59,0 | $b_1 = 117,0; b_2 = 112,0$ |
| Đường kính vòng chia $d\text{ (mm)}$ | $d_{e1} = 125,0; d_{e2} = 393,75$ | $d_1 = 111,38; d_2 = 448,62$ |
| Lực vòng $F_t\text{ (N)}$ | 1824,361 | 5310,807 |
| Lực hướng tâm $F_r\text{ (N)}$ | 632,887 | 1993,493 |
| Lực dọc trục $F_a\text{ (N)}$ | 200,917 | 1339,285 |
| Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H$ | $302,922\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 414,37\text{ MPa}$ | Thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc |
Hệ thống bôi trơn ngâm dầu được kiểm nghiệm: mức dầu ngập thấp nhất cho bánh răng côn $h \ge 9\text{ mm}$ và bánh răng trụ $h \ge 6,75\text{ mm}$ (đáp ứng tiêu chuẩn tối thiểu $10\text{ mm}$); khoảng cách mức dầu cao nhất và thấp nhất nằm trong phạm vi $10 \div 15\text{ mm}$.
Chương 4: Thiết kế trục - chọn then
Trục được chế tạo từ Thép C45 tôi cải thiện, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$.
- Kích thước trục:
- Trục I: Các đoạn trục có đường kính lần lượt là $d_{11} = 25\text{ mm}, d_{12} = 35\text{ mm}, d_{13} = 35\text{ mm}, d_{14} = 25\text{ mm}$.
- Trục II: Các đoạn trục có đường kính $d_{21} = 35\text{ mm}, d_{22} = 45\text{ mm}, d_{23} = 45\text{ mm}, d_{24} = 35\text{ mm}$.
- Trục III: Các đoạn trục có đường kính $d_{31} = 58\text{ mm}, d_{32} = 60\text{ mm}, d_{33} = 65\text{ mm}, d_{34} = 60\text{ mm}$.
- Kiểm nghiệm then bằng: Then được kiểm nghiệm theo độ bền dập $\sigma_d \le [\sigma_d]$ và độ bền cắt $\tau_c \le [\tau_c]$. Vị trí chịu lực lớn nhất trên Trục III ($d = 58\text{ mm}$, then $18 \times 11$, $l_t = 100\text{ mm}$) đạt $\sigma_d = 97,94\text{ MPa}$ và $\tau_c = 21,76\text{ MPa}$, đều nằm trong giới hạn bền cho phép.
- Kiểm nghiệm độ bền trục: Hệ số an toàn mỏi $s$ tại tất cả các tiết diện nguy hiểm đều đạt và vượt mức $[s] = 1,5 \div 2,5$ (Trục I: $s \ge 6,97$; Trục II: $s \ge 4,13$; Trục III: $s \ge 7,76$). Ứng suất tương đương kiểm nghiệm độ bền tĩnh đều thỏa mãn $\sigma_{td} \le [\sigma] = 464\text{ MPa}$.
Chương 5: Tính toán thiết kế ổ lăn và nối trục
Do có sự xuất hiện của lực dọc trục và tải trọng hướng tâm lớn:
- Trục I: Chọn ổ đũa côn mã hiệu 7607 ($d = 35\text{ mm}, D = 80\text{ mm}, T = 32,75\text{ mm}, C = 61,5\text{ kN}, C_0 = 46,2\text{ kN}$). Tải động tính toán $C_t = 39,3\text{ kN} \le C$, tải tĩnh tính toán $Q_0 = 3132,07\text{ N} \le C_0 = 27\text{ kN}$.
- Trục II: Chọn ổ bi đỡ - chặn cỡ trung mã hiệu 46307 ($d = 35\text{ mm}, D = 80\text{ mm}, B = 21\text{ mm}, C = 33,4\text{ kN}, C_0 = 25,2\text{ kN}$). Tải động tính toán $C_t = 20,8\text{ kN} \le C$, tải tĩnh tính toán $Q_0 = 3525,34\text{ N} \le C_0 = 25,2\text{ kN}$.
- Trục III: Chọn ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ mã hiệu 46211 ($d = 55\text{ mm}, D = 100\text{ mm}, B = 21\text{ mm}, C = 39,4\text{ kN}, C_0 = 32,1\text{ kN}$).
- Nối trục: Sử dụng nối trục đàn hồi trên trục III, đường kính $D_0 = 220\text{ mm}$, tạo lực hướng tâm tác dụng lên trục $F_{nt} = 2065,602\text{ N}$.
Chương 6: Chọn thân máy, bu - lông, các chi tiết phụ khác
Xác định các thông số hình học của vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám: chiều dày thân hộp, nắp hộp, gân tăng cứng, khoảng cách bắt bu-lông chân đế, bu-lông nắp ổ và bu-lông ghép nắp - thân. Bố trí các chi tiết phụ trợ gồm cửa thăm dầu, que thăm dầu (mắt chỉ dầu), nút thông hơi, nút tháo dầu và chốt định vị vỏ hộp.
Chương 7: Dung sai lắp ghép
Xác lập hệ thống dung sai lắp ghép kỹ thuật:
- Lắp ghép bánh răng lên trục: Mối ghép có độ dôi tiêu chuẩn để truyền mô-men xoắn.
- Lắp ghép vòng trong và vòng ngoài ổ lăn: Đảm bảo độ dôi hợp lý cho vòng quay và độ hở cho vòng đứng yên.
- Lắp ghép then, nắp ổ, vòng chắn dầu và chốt định vị nắp - thân hộp nhằm đảm bảo độ chính xác vị trí và khả năng làm kín.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
Đồ án đã thiết lập bộ hồ sơ tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống dẫn động xích tải:
- Xác định chính xác cấu hình động cơ điện $11\text{ kW}$ cùng hệ thống phân phối tỷ số truyền $u_t = 25,3$ với sai số vận tốc vòng $0,58%$.
- Tính toán hoàn thiện 3 bộ truyền công suất: bộ truyền đai thang B ($z = 4$), bộ truyền bánh răng côn răng thẳng ($m_{te} = 4\text{ mm}$) và bánh răng trụ răng nghiêng ($m_n = 3\text{ mm}, a_w = 280\text{ mm}$).
- Thiết kế kết cấu 3 trục truyền động, kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi và bền tĩnh đạt chuẩn $s > [s]$.
- Lựa chọn thành công các loại ổ lăn chuyên dụng (ổ đũa côn 7607, ổ bi đỡ chặn 46307 và 46211) đáp ứng thời gian làm việc $41.664\text{ giờ}$.
Đóng góp thực tiễn
Tác giả đã tổng hợp và liên kết toàn diện kiến thức từ các học phần cơ sở (Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Dung sai) vào bài toán thiết kế máy thực tế. Tài liệu mang lại chuỗi quy trình giải tích chi tiết, có thể ứng dụng trực tiếp để thiết kế các trạm dẫn động công nghiệp dạng côn - trụ hai cấp tương tự.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu dừng lại ở mức độ tính toán giải tích và tra cứu tiêu chuẩn kinh nghiệm theo sổ tay thiết kế chi tiết máy truyền thống; chưa thực hiện mô phỏng số 3D động học, động lực học hoặc kiểm nghiệm biến dạng/ứng suất vỏ hộp bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA).
- Hướng phát triển: Ứng dụng phần mềm CAD/CAE chuyên ngành để xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh, tối ưu hóa khối lượng kết cấu vỏ hộp và phân tích dao động cưỡng bức của hệ thống trong điều kiện vận hành biến tải.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu học thuật thực hành hữu ích cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Chế tạo máy trong quá trình thực hiện Đồ án Chi tiết máy / Đồ án Thiết kế máy.
- Kỹ sư thiết kế cơ khí tham khảo quy trình phân phối tỷ số truyền, tính toán động lực học trục và lựa chọn ổ bi đỡ - chặn / ổ đũa côn cho hộp giảm tốc hai cấp côn - trụ.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng loại động cơ điện nào và công suất danh định là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng động cơ điện không đồng bộ 3 pha mã hiệu 160M, có công suất danh định $P_{dc} = 11\text{ kW}$ và tốc độ quay đồng bộ $n_{dc} = 1460\text{ vg/ph}$.
2. Tại sao hộp giảm tốc lại kết hợp bánh răng côn ở cấp nhanh và bánh răng trụ nghiêng ở cấp chậm?
Bánh răng côn cấp nhanh giúp đổi phương truyền động $90^\circ$ giữa trục vào và trục ra của hệ thống dẫn động, đồng thời làm việc ở dải mô-men nhỏ hơn. Bánh răng trụ nghiêng cấp chậm chịu mô-men xoắn lớn, làm việc êm và có khả năng chịu tải trọng uốn, tiếp xúc cao hơn.
3. Tỷ số truyền và số răng của các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc được thiết kế như thế nào?
Cặp bánh răng côn cấp nhanh có $u_c = 3,156$ với số răng $z_1 = 32, z_2 = 101$. Cặp bánh răng trụ cấp chậm có $u_{tr} = 4,00$ với số răng $z_1 = 36, z_2 = 145$ (khoảng cách trục $a_w = 280\text{ mm}$).
4. Ổ lăn trên các trục của hộp giảm tốc được chọn theo chủng loại nào?
Trục I sử dụng cặp ổ đũa côn mã hiệu 7607 để chịu tải trọng hướng tâm và lực dọc trục lớn từ bánh răng côn. Trục II sử dụng cặp ổ bi đỡ - chặn mã hiệu 46307. Trục III sử dụng cặp ổ bi đỡ - chặn mã hiệu 46211.
5. Kết quả kiểm nghiệm hệ số an toàn bền mỏi của các trục có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Tất cả các tiết diện nguy hiểm trên cả ba trục đều đạt hệ số an toàn mỏi $s \ge 4,13$, cao hơn đáng kể so với hệ số an toàn cho phép $[s] = 1,5 \div 2,5$, đảm bảo độ bền mỏi và khả năng làm việc lâu dài.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải" (Đề số 16, Phương án số 7) đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu tính toán động học, động lực học và kết cấu chi tiết máy. Bằng phương pháp giải tích kỹ thuật chuẩn mực, tác giả đã xác lập các thông số chính xác cho động cơ $11\text{ kW}$, bộ truyền đai thang B, hộp giảm tốc côn - trụ 2 cấp cùng hệ thống trục, then, ổ lăn và vỏ hộp. Toàn bộ các kiểm nghiệm về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, độ bền mỏi và khả năng tải động đều thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí hiện hành.