Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hộp giảm tốc đồng trục - SVTH: Lưu Hải Nam

Đồ án thiết kế hộp giảm tốc đồng trục đầy đủ. Trình bày chi tiết các bước tính toán, thiết kế bộ truyền bánh răng, trục và ổ lăn. File tham khảo hữu ích.

• Tác giả: Lưu Hải Nam
• Người hướng dẫn: Nguyễn Hải Sơn
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Đồng Trục
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2017

Tóm tắt

I. Khái Niệm Và Tầm Quan Trọng Của Hộp Giảm Tốc Đồng Trục

Hộp giảm tốc đồng trục là một cơ cấu truyền động quan trọng trong ngành cơ khí hiện đại. Đây là một hệ thống được thiết kế để giảm tốc độ quay của trục động cơ điện, đồng thời tăng mômen xoắn để đáp ứng nhu cầu của các máy công tác. Hộp giảm tốc đồng trục có đặc điểm nổi bật là trục vào và trục ra nằm trên cùng một đường thẳng, giúp tiết kiệm không gian và dễ dàng lắp đặt. Trong môi trường công nghiệp ngày nay, việc thiết kế hộp giảm tốc sao cho vừa tiết kiệm vật liệu vừa đáp ứng độ bền là hết sức quan trọng. Với thời gian phục vụ lâu dài và điều kiện làm việc khắc nghiệt, hộp giảm tốc phải được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất cao nhất.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Của Hộp Giảm Tốc Đồng Trục

Cấu trúc hộp giảm tốc đồng trục bao gồm bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng tru răng nghiêng, các trục, ổ lăn và vỏ hộp được đúc. Trục vào và trục ra nằm trên cùng một đường thẳng, tạo nên sự compac và thuận tiện trong lắp đặt. Hệ thống này sử dụng bộ truyền đai thang để truyền động từ động cơ điện đến hộp giảm tốc, sau đó sử dụng bánh răng tru răng nghiêng để giảm tốc độ cuối cùng.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Công Nghiệp

Hộp giảm tốc đồng trục được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp như băng tải, máy nghiền, máy cuốn, và các thiết bị cơ khí khác. Với công suất từ vài kW đến hàng trăm kW, hộp giảm tốc có thể phục vụ các nhu cầu khác nhau. Đặc biệt, khả năng hoạt động liên tục 24/7 trong môi trường khắc nghiệt làm cho thiết kế kỹ lưỡng trở nên bắt buộc.

II. Quy Trình Tính Toán Động Học Của Hệ Thống

Tính toán động học là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quy trình thiết kế hộp giảm tốc. Quá trình này bao gồm xác định công suất yêu cầu, tốc độ quay, tỷ số truyền và phân phối công suất cho từng bộ truyền. Dựa trên các thông số đầu vào như lực kéo, vận tốc băng tải, và thời gian phục vụ, chúng ta có thể tính toán công suất trên trục động cơ điện. Hiệu suất chung của hệ thống được xác định bằng cách tính tích của hiệu suất các bộ truyền riêng lẻ, bao gồm hiệu suất bộ truyền đai, bánh răng, ổ lăn và khớp nối. Kết quả tính toán này sẽ là cơ sở cho các bước thiết kế chi tiết tiếp theo.

2.1. Xác Định Công Suất Và Tốc Độ Quay

Công suất yêu cầu được tính dựa trên công suất trên trục máy công tác chia cho hiệu suất chung. Đối với hộp giảm tốc với tỷ số truyền chung được xác định từ tốc độ quay của động cơ điện và tốc độ yêu cầu của máy công tác. Hiệu suất chung thường dao động từ 0,85 đến 0,92 tùy thuộc vào số lượng bộ truyền và chất lượng thiết kế.

2.2. Phân Phối Tỷ Số Truyền Cho Các Bộ Truyền

Phân phối tỷ số truyền được thực hiện bằng cách chọn trước tỷ số truyền của bộ truyền ngoài (bộ truyền đai), sau đó suy ra tỷ số truyền của bộ truyền trong hộp (bánh răng). Việc phân phối hợp lý giúp đạt được hiệu quả cao nhất và giảm tải cho các bộ truyền.

III. Thiết Kế Chi Tiết Các Bộ Truyền Và Trục

Sau khi hoàn thành tính toán động học, bước tiếp theo là thiết kế chi tiết các bộ truyền. Bộ truyền đai thang cần được thiết kế để đảm bảo truyền động trơn tru và hiệu suất cao, trong khi bánh răng tru răng nghiêng phải được tính toán để chịu được mômen xoắn và lực tác dụng. Thiết kế trục là phần quan trọng, đòi hỏi xác định đường kính các đoạn trục dựa trên mô men tương đương và điều kiện bền mỏi. Ổ lăn được chọn dựa trên tải và tốc độ quay để đảm bảo tuổi thọ yêu cầu. Ngoài ra, công cụ Inventor được sử dụng để mô phỏng, kiểm nghiệm và tối ưu hóa thiết kế, giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm tàng.

3.1. Thiết Kế Bộ Truyền Đai Và Bánh Răng

Bộ truyền đai thang được chọn loại và tiết diện phù hợp dựa trên công suất truyền và tốc độ quay. Bánh răng tru răng nghiêng được thiết kế với tính toán sơ bộ khoảng cách trục, sau đó tinh chỉnh bằng Inventor để đảm bảo không xảy ra cộng hưởng và dãn nở đều.

3.2. Tính Toán Và Kiểm Nghiệm Trục

Thiết kế trục bao gồm tính phản lực, lập biểu đồ mô men, tính mô men tương đương và xác định đường kính các đoạn. Kiểm nghiệm độ bền mỏi được thực hiện để đảm bảo trục không bị gãy trong quá trình hoạt động lâu dài dưới tác dụng của các lực biến đổi.

IV. Thiết Kế Kết Cấu Và Bôi Trơn Hộp Giảm Tốc

Thiết kế kết cấu của hộp giảm tốc bao gồm lựa chọn vật liệu, thiết kế vỏ hộp, cách bố trí các chi tiết bên trong, và hệ thống bôi trơn. Vỏ hộp thường được đúc từ gang hoặc thép, cung cấp độ cứng và khả năng chịu lực tốt. Các phần tử cấu tạo nên hộp bao gồm nắp, đáy, thành bên và các lỗ để lắp ráp. Hệ thống bôi trơn là yếu tố quan trọng để giảm ma sát, tỏa nhiệt và bảo vệ các chi tiết. Việc lựa chọn loại dầu bôi trơn phù hợp với điều kiện hoạt động và thời gian thay dầu là cần thiết. Định kiểu lắp ráp và lập bảng dung sai giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và dễ dàng sửa chữa bảo trì.

4.1. Lựa Chọn Vật Liệu Và Thiết Kế Vỏ Hộp

Vỏ hộp giảm tốc được thiết kế với độ dày phù hợp để chịu áp lực bên trong và tải trọng. Việc chọn vật liệu như gang hoặc thép đúc phải cân nhắc giữa chi phí và hiệu suất. Lỗ thoát dầu, lỗ lấy dầu và lỗ thông gió phải được bố trí hợp lý để đảm bảo lưu thông dầu tốt.

4.2. Hệ Thống Bôi Trơn Và Dung Sai Lắp Ráp

Bôi trơn được thực hiện bằng dầu nhớt phù hợp với tốc độ và tải trọng của hệ thống. Bảng dung sai lắp ráp được lập để đảm bảo độ chính xác của các bộ phận. Kiểm định kiểu lắp giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và bảo trì hộp giảm tốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC 1.1 Chọn động cơ điện ➢ Thông số đầu vào: Lực kéo băng tải: F =4490 (N) Vận tốc băng tải: v = 0.75 (m/s) Đường kính tang: D = 150 (mm) Thời hạn phục vụ: Lh = 19000 (giờ) Số ca làm việc: soca = 3 (ca) Góc nghiêng đường nối tâm bộ truyền ngoài @ = 75 (độ) Đặc tính làm việc: êm 1.1 Xác định công suất yêu cầu trên trục động cơ điện Plv Công suất yêu cầu trên trục động cơ điện: Pyc = (kW) η𝑐 Trong đó: Pyc là công suất yêu cầu trên trục động cơ điện; Plv là công suất trên trục bộ phận máy công tác (trục của bộ phận làm việc); ηc là hiệu suất chung của toàn hệ thống.1 Tính công suất trên trục máy công tác F.2 Xác định hiệu suất chung của toàn hệ thống o η = ηk. ηbr • Trong đó,tra bảng 2.3[1] ta được: • Hiệu suất 1 cặp bánh răng :ηbr = 0,97 • Hiệu suất bộ truyền đai :ηđ = 0,95 • Hiệu suất 1 cặp ổ lăn: ηol = 0,99 • Hiệu suất khớp nối:η𝑘 = 0,99 • → η = ηk .3 Xác định công suất yêu cầu trên trục động cơ Plv 3,3675 Pyc = = = 3,77(kW) η𝑐 0,894 5 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn 1.2 Xác định tốc độ quay đồng bộ của đông cơ điện Tốc độ quay sơ bộ của động cơ cần có: nsb = nlv. usb Trong đó: nsb là tốc độ quay sơ bộ mà động cơ cần có; nlv là tốc độ quay của trục máy công tác (trục bộ phận làm việc); usb là tỉ số truyền sơ bộ của hệ thống.1 Xác định tốc độ quay của trục bộ phận công tác v. 150 với v là vận tốc băng tải (m/s); D là đường kính tang.2 Xác định sơ bộ tỷ số truyền của hệ thống usb = usb(đ).

usb(br) Theo bảng 2.3 Xác định tốc độ quay sơ bộ của động cơ cần nsb = nlv .3 Chọn động cơ Động cơ được chọn phải thỏa mãn: nđc ≈ nsb = 1405,61(vg/ph) { Pđc ≥ Pyc = 3,77(kW) Chọn số vòng quay đồng bộ nđb = 1500 (vg/ph) Tra bảng 2 chọn được động cơ điện Điện Hà Nội có các thông số: 1.2 Phân phối tỉ số truyền cho các bộ truyền trong hệ thống: 1.1 Tỉ số truyền chung của của hệ thống: nđc 1425 uc = = = 14,92 nlv 95,49 1.2 Chọn trước tỷ số truyền của bộ truyền ngoài (đai): uđ = 3,2 6 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn 1.3 Suy ra tỉ số truyền của bộ truyền trong hộp (bánh răng): uc 14,92 ubr = = = 4,66 uđ 3,2 1.3 Tính các thông số trên các trục 1.1 Tỷ số truyền Tỷ số truyền từ trục động cơ sang trục I: uđc → I = uđ = 3,2 Tỷ số truyền từ trục I sang trục II của hộp giảm tốc: uI → II = ubr = 4,66 Tỷ số truyền từ trục II sang bộ phận công tác: uII → lv = uk = 1 1.2 Số vòng quay trên các trục • Tốc độ quay trên trục động cơ: nđc = 1425(vg/ph) • Tốc độ quay trên trục I: nđc 1425 nI = = = 445,31(vg/ph) uđc → I 3,2 • Tốc độ quay trên trục II: nI 445,31 nII = = = 95,56(vg/ph) uI → II 4,66 • Tốc độ quay trên trục công tác: nII 95,56 nlv,t = = = 95,56(vg/ph) uII → lv 1 1.3 Tính công suất trên các trục • Công suất trên trục bộ phận công tác Plv= 3,3675 (kW) • Công suất trên trục II Plv Plv 3,3675 PII = = = = 3,40(kW) ηII → lv ηk 0,99 • Công suất trên trục I PII PII 3,40 PI = = = = 3,54(kW) ηI → II ηol .0,97 • Công suất trên trục của động cơ: PI PI 3,54 Pđc,t = = = = 3,76(kW) ηđc → I ηol .4 Tính mômen xoắn trên các trục 9,55.Pi Tính mô men xoắn trên các trục theo công thức: Ti = ni 7 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Trong đó: Pi , ni , Ti tương ứng là công suất, tốc độ quay và mô men xoắn trên trục i. ➢ Mô men xoắn trên trục động cơ: 9,55. 3,76 Tđc,t = = = 25199(Nmm) nđc 1425 ➢ Mô men xoắn trên trục I: 9,55. 3,54 TI = = = 75918(Nmm) nI 445,31 ➢ Mô men xoắn trên trục II: 9,55.

3,40 TII = = = 339787(Nmm) nII 95,56 ➢ Mô men xoắn trên trục công tác: 9,55.4 Bảng các thông số động học 8 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn PHẦN 2: TÍNH THIẾT KẾ CÁC BỘ TRUYỀN CHƯƠNG II : THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI THANG 2.1 Tính thiết kế bộ truyền ngoài (bộ truyền đai) Bảng 2.1 Đặc tính kĩ thuật yêu cầu của bộ truyền đai Thông số Ký Đơn vị Giá trị hiệu Tỷ số truyền u 3,2 Tốc độ quay trục chủ động n1 (vg/ph) 1425 Tốc độ quay trục bị động n2 (vg/ph) 445,31 Công suất trên trục chủ động P1 (kW) 3,76 Công suất trên trục bị động P2 (kW) 3,54 Mô men xoắn trên trục chủ động T1 (Nmm) 25199 Mô men xoắn trên trục bị động T2 (Nmm) 75918 Thời gian phục vụ Lh (giờ) 19000 Góc nghiêng đường nối tâm bộ truyền ngoài β (độ) 105 2.2 Chọn loại đai và tiết diện đai Chọn đai thang thường. Công suất cần truyền P = 3,76 ≤ 4 (kW) nên ta dùng tiết diện B.3 Thiết kế bộ truyền đai thang bằng inventor 2.1 Tính thiết kế 9 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 2.1 Nhập tiết diện đai và thông số bánh đai 10 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 2.2 Tính toán thiết kế số đai 11 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn 2.2 Tính kiểm nghiệm Hình 2.3 Kiểm tra độ bền sau tính toán (đã điều chỉnh) 12 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn 2.4 Kết quả thiết kế Hình 2.4 Thông số bánh đai dẫn 13 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 2.5 Thông số bánh đai bị dẫn 14 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 2.a Mô hình 3D bộ truyền đai 15 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Bảng 2.2 Bảng tổng hợp kết quả tính toán bộ truyền đai thang Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Tiết diện đai (Z,A,.) - - B Số đai Zđ - 2 Chiều dài đai L mm 2403 Đường kính bánh đai dẫn 𝑑1 mm 140 Đường kính bánh đai bị dẫn 𝑑2 mm 450 Tỉ số truyền thực tế 𝑢𝑡 - 3,247 Sai lệch so với yêu cầu ∆u = 100.|ut-u|/u ∆u % 1,47 Khoảng cách trục chính xác a mm 721,398 Góc ôm trên bánh nhỏ 𝛼1 độ 204,81 Lực tác dụng lên trục 𝐹𝑟 N 687,204 16 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG NGHIÊNG 3.1 Đặc tính kỹ thuật yêu cầu của bộ truyền Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật yêu cầu của bộ truyền bánh răng trụ Thông số Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn thiết kế - DIN Loại bánh răng (thẳng/nghiêng/chữ V) - nghiêng Tỷ số truyền u - 4,66 Số vòng quay trục dẫn 𝑛1 v/ph 445,28 Công suất trục dẫn 𝑃1 KW 3,54 Thời hạn làm việc 𝐿ℎ Giờ 19000 Hệ số an toàn theo độ bền tiếp xúc 𝑆𝐻 - 1,1-1,15 Hệ số an toàn theo độ bền uốn 𝑆𝐹 - ≥ 1,75 Yêu cầu khác (nếu có) 3.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng bằng Inventor 3.1 Tính sơ bộ khoảng cách trục 3.2 Tính toán thiết kế bằng Inventor 17 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 3.1 Nhập thông số thiết kế cửa sổ Design Hình 3.2 Chọn cấp chính xác 18 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 3.3 Cửa sổ Calculation sau khi đã điều chỉnh thiết kế đạt yêu cầu đặt ra 19 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn 3.3 Kết quả thiết kế Hình 3.4 Kích thước bánh răng dẫn 20 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Hình 3.5 Kích thước bánh răng bị dẫn Hình 3.xyz Mô hình 3D bộ truyền bánh răng trụ răng nghiên 21 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn Bảng 3.2 Bảng tổng hợp kết quả tính bộ truyền bánh răng trụ 22 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn PHẦN 3 – THIẾT KẾ TRỤC VÀ Ổ LĂN CHƯƠNG IV – LỰC TÁC DỤNG VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CHUNG 4.1 Chọn khớp nối (không yêu cầu kiểm nghiệm) Sử dụng khớp nối vòng đàn hồi để nối trục. Mô men xoắn tính toán: Tt = kT = 1,4.28 k – hệ số chế độ làm việc, phụ thuộc vào loại máy công tác.1[2]-58 ta được k=1,2÷1,5, chọn k=1,4. T – mô men xoắn danh nghĩa.10a[2]-68 dựa vào giá trị mô men xoắn tính toán Tt và đường kính trục lắp khớp nối d được kích thước cơ bản của nối trục đàn hồi, mm: Tra bảng 16.10b[2]-69 với T=500 (Nm) được kích thước cơ bản của vòng đàn hồi: 4.2 Tính sơ bộ trục 4.1 Chọn vật liệu chế tạo trục Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép 45 tôi cải thiện có σb = 750 MPa, ứng suất xoắn cho phép [τ]=15-30 Mpa 4.2 Tính sơ bộ đường kính trục 3 TI 3 75918 Trục I: dsbI = √ =√ = 29,36 (mm) 0,2[τ] 0,2.15 trong đó: TI – mô men xoắn trên trục I: TI = 75918 (Nmm) 23 Đồ án truyền động cơ khí Lưu Hải Nam 20171550 GVHD : Nguyễn Hải Sơn [τ] - ứng suất xoắn cho phép [τ]=15÷30 MPa, với trục vào của hộp giảm tốc chọn [τ]=15 MPa 3 TII 3 339787 Trục II: dsbII = √ =√ = 39,30 (mm) 0,2[τ] 0,2.28 trong đó: TII – mô men xoắn trên trục II: TII = 339787(Nmm) [τ] - ứng suất xoắn cho phép [τ]=15÷30 MPa, với trục ra của hộp giảm tốc chọn [τ]=28 MPa d = 30 (mm) Chọn { sbI dsbII = 40 (mm) Tra bảng 10.3 Xác định lực từ các chi tiết, bộ truyền tác dụng lên trục Lực từ bánh đai tác dụng lên trục: Fđ = 687,204 (N) Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng: • Lực vòng: Ft1 = Ft2 = 2543,54 (N) • Lực hướng tâm: Fr1 = Fr2 = 961,19 (N) • Lực dọc trục: Fa1 = Fa2 = 709,31 (N) Lực từ khớp nối tác dụng lên trục: Fk = 0,2.