I. Tổng quan đồ án máy Bánh đai và hộp giảm tốc 1 cấp
Đồ án thiết kế máy là một học phần cốt lõi trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí, tập trung vào việc áp dụng kiến thức lý thuyết để giải quyết một bài toán kỹ thuật cụ thể. Chủ đề thiết kế hệ dẫn động cơ khí sử dụng bộ truyền đai và hộp giảm tốc 1 cấp là một trong những đề tài phổ biến và mang tính ứng dụng cao nhất. Mục tiêu của đồ án không chỉ là tạo ra một sản phẩm thiết kế hoàn chỉnh mà còn rèn luyện kỹ năng phân tích, tính toán, và lựa chọn các chi tiết máy tiêu chuẩn. Hệ thống này thường bao gồm một động cơ điện, một bộ truyền ngoài (bộ truyền đai) để giảm tốc sơ bộ và truyền chuyển động vào hộp giảm tốc, và một bộ truyền trong (bộ truyền bánh răng) để đạt được tỷ số truyền mong muốn. Sản phẩm cuối cùng của đồ án là một bộ hồ sơ kỹ thuật hoàn chỉnh, bao gồm thuyết minh đồ án cơ khí chi tiết và các bản vẽ kỹ thuật như bản vẽ lắp A0 và các bản vẽ chi tiết trục, thường được thực hiện bằng phần mềm AutoCAD hoặc Solidworks. Đồ án này yêu cầu sinh viên phải thực hiện một chuỗi các bước tính toán phức tạp, từ việc chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền, tính toán bộ truyền đai, thiết kế bộ truyền bánh răng trụ, cho đến thiết kế trục, chọn ổ lăn, và lập bảng dung sai lắp ghép. Việc hoàn thành tốt đồ án này chứng tỏ sinh viên đã nắm vững các nguyên tắc cơ bản của ngành và sẵn sàng cho các công việc thực tế.
1.1. Vai trò của hệ dẫn động bánh đai hộp giảm tốc
Hệ dẫn động cơ khí sử dụng kết hợp bánh đai và hộp giảm tốc đóng vai trò trung gian, kết nối nguồn phát động (động cơ) với cơ cấu công tác (máy). Chức năng chính của hệ là biến đổi và truyền tải momen xoắn và tốc độ quay. Cụ thể, hệ thống này giảm tốc độ quay từ trục động cơ (thường có tốc độ cao) xuống tốc độ yêu cầu của máy công tác, đồng thời tăng momen xoắn tương ứng. Bộ truyền đai, hay bộ truyền ngoài, thường làm nhiệm vụ giảm tốc sơ bộ, có ưu điểm vận hành êm, bảo vệ động cơ khỏi quá tải nhờ khả năng trượt trơn. Trong khi đó, hộp giảm tốc 1 cấp chứa bộ truyền bánh răng trụ thực hiện nhiệm vụ giảm tốc chính với tỷ số truyền chính xác và khả năng chịu tải lớn. Sự kết hợp này tạo ra một hệ dẫn động cơ khí linh hoạt, hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc công nghiệp như băng tải, vít tải, máy khuấy.
1.2. Các yêu cầu và thông số đầu vào của một đồ án mẫu
Để bắt đầu một đồ án, cần có các thông số đầu vào rõ ràng từ yêu cầu của máy công tác. Ví dụ, trong một đồ án thiết kế hệ dẫn động cho vít tải, các thông số ban đầu được cho trước bao gồm: loại vật liệu vận chuyển (tro xỉ), năng suất yêu cầu (Q = 35 Tấn/h), đường kính vít tải (D = 0,32m), và các điều kiện làm việc như tải trọng không đổi, quay một chiều, thời gian phục vụ 5 năm. Từ các dữ liệu này, bước đầu tiên là tính toán công suất cần thiết trên trục công tác (P = 4,38 kW) và số vòng quay yêu cầu (n = 126 vòng/phút). Những con số này là cơ sở quan trọng để thực hiện các bước tiếp theo như chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền hộp giảm tốc.
II. Cách chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền tối ưu
Việc chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền là bước nền tảng, quyết định hiệu quả và tính khả thi của toàn bộ hệ dẫn động cơ khí. Quá trình này bắt đầu từ công suất và tốc độ yêu cầu tại trục công tác đã tính toán. Công suất cần thiết của động cơ phải lớn hơn công suất trên trục công tác để bù lại tổn thất hiệu suất qua các bộ truyền. Hiệu suất chung của hệ thống được tính bằng tích hiệu suất của các bộ phận như bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng và các cặp ổ lăn. Dựa trên công suất tính toán và số vòng quay đồng bộ phổ biến (3000, 1500, 1000 vòng/phút), người thiết kế sẽ tra cứu catalogue để chọn ra một động cơ phù hợp nhất về công suất, tốc độ, và các thông số khác. Sau khi chọn được động cơ, tỷ số truyền chung của hệ thống được xác định. Bước tiếp theo là phân phối tỷ số truyền này cho bộ truyền ngoài (đai) và bộ truyền trong (bánh răng). Theo kinh nghiệm thiết kế, tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng thường lớn hơn tỷ số truyền của bộ truyền đai. Việc phân phối hợp lý giúp tối ưu hóa kích thước, giảm tải trọng tác động lên các chi tiết máy, và đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, bền bỉ. Toàn bộ quá trình này phải được ghi lại trong thuyết minh đồ án cơ khí.
2.1. Tính toán công suất và chọn động cơ điện phù hợp
Công suất cần thiết của động cơ được xác định theo công thức: P_ct = P_lv / η_chung, trong đó P_lv là công suất trên trục làm việc và η_chung là hiệu suất toàn hệ thống. Ví dụ, với công suất trục vít tải là 4,38 kW và hiệu suất sơ bộ của bộ truyền đai (η_đai = 0,95), bộ truyền bánh răng (η_br = 0,97) và các cặp ổ lăn, công suất tính toán là P_ct ≈ 4,89 kW. Tốc độ quay sơ bộ của động cơ được tính bằng cách nhân tốc độ trục công tác với tỷ số truyền sơ bộ (u_sb ≈ 12), cho ra n_sb ≈ 1512 vòng/phút. Từ đó, chọn động cơ có tốc độ đồng bộ gần nhất là n_đb = 1500 vòng/phút. Dựa vào P_ct = 4,89 kW và n_đb = 1500 vòng/phút, tra cứu catalogue, có thể chọn động cơ 132S4A có công suất P_đc = 5,5 kW và tốc độ thực n = 1425 vòng/phút, đảm bảo dự trữ công suất cần thiết.
2.2. Phương pháp phân phối tỷ số truyền cho các bộ truyền
Sau khi chọn động cơ điện, tỷ số truyền chung thực tế của hệ thống được tính: u_chung = n_đc / n_ct = 1425 / 126 ≈ 11,3. Tỷ số truyền này cần được phân phối cho bộ truyền đai (u_đai) và bộ truyền bánh răng (u_br) sao cho u_chung = u_đai * u_br. Theo khuyến nghị trong các tài liệu thiết kế, đối với hộp giảm tốc bánh răng trụ 1 cấp, nên chọn u_br > √u_chung. Cụ thể, có thể chọn u_br = 4. Từ đó, tỷ số truyền của bộ truyền đai được tính lại: u_đai = u_chung / u_br = 11,3 / 4 = 2,82. Việc phân phối này giúp bộ truyền bánh răng trụ chịu trách nhiệm giảm tốc chính, trong khi bộ truyền đai hoạt động với tỷ số truyền nhỏ hơn, giúp giảm kích thước puli và tăng tuổi thọ đai.
III. Hướng dẫn tính toán bộ truyền đai thang cho hộp giảm tốc
Việc tính toán bộ truyền đai là một phần quan trọng trong đồ án thiết kế máy, đảm nhận vai trò của bộ truyền ngoài. Mục đích là xác định các thông số hình học và động học của bộ truyền để đảm bảo khả năng tải và tuổi thọ yêu cầu. Quá trình tính toán bắt đầu từ các thông số đã biết: công suất truyền (P1), tốc độ quay trục dẫn (n1), và tỷ số truyền (u). Bước đầu tiên là chọn loại đai, thường là dây đai thang, dựa trên công suất và tốc độ. Sau đó, xác định đường kính bánh đai nhỏ (d1), từ đó tính toán đường kính bánh đai lớn (d2) và vận tốc đai. Khoảng cách trục (a) được chọn sơ bộ và sau đó tính toán chính xác lại dựa trên chiều dài đai tiêu chuẩn. Một yếu tố quan trọng là góc ôm trên bánh đai nhỏ (α1), vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền tải. Cuối cùng, số dây đai cần thiết (z) được xác định để đảm bảo bộ truyền không bị quá tải. Toàn bộ các bước này cần được trình bày rõ ràng, kèm theo các công thức và bảng tra cứu tiêu chuẩn trong thuyết minh đồ án cơ khí để thực hiện kiểm nghiệm bền cho đai.
3.1. Quy trình chọn loại đai và xác định thông số hình học
Dựa vào công suất P1 = 4,89 kW và tốc độ n1 = 1425 vòng/phút, tra biểu đồ, ta chọn dây đai thang loại B. Đường kính puli nhỏ được chọn sơ bộ d1 = 180 mm. Đường kính puli lớn được tính theo tỷ số truyền u = 2,82 và hệ số trượt ξ=0.02: d2 = d1 * u * (1-ξ) ≈ 497,44 mm. Ta chọn d2 = 500 mm theo tiêu chuẩn. Khoảng cách trục được chọn sơ bộ a = d2 = 500 mm, thỏa mãn điều kiện bền. Chiều dài đai được tính toán và chọn theo dãy tiêu chuẩn, L = 2000 mm. Sau đó, khoảng cách trục a được tính chính xác lại là 437 mm. Góc ôm trên bánh đai nhỏ được tính ra α1 = 138 độ, đảm bảo khả năng truyền lực tốt.
3.2. Tính số lượng dây đai và lực tác dụng lên trục
Số dây đai (z) được xác định bằng công thức tính toán có xét đến các hệ số hiệu chỉnh: hệ số góc ôm (Cα), hệ số tỷ số truyền (Cu), hệ số chiều dài đai (CL), và hệ số tải trọng động (Cđ). Với các thông số đã có, công suất cho phép trên một đai [P0] được tra bảng. Từ đó, tính ra số đai yêu cầu z ≈ 2,09. Ta chọn z = 2 đai. Sau khi xác định số đai, cần tính lực căng ban đầu (F0) và lực tổng tác dụng lên trục (F). Lực này, F ≈ 932 N, là thông số đầu vào quan trọng để thực hiện bước thiết kế trục và chọn ổ lăn ở các phần sau. Đây là bước quan trọng trong quy trình tính toán bộ truyền đai.
IV. Phương pháp thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ là trọng tâm của hộp giảm tốc 1 cấp. Đây là bộ truyền trong, chịu trách nhiệm giảm tốc chính và truyền momen lớn. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng cho cặp bánh răng chủ động và bị động, thường là thép C45 tôi cải thiện để đạt độ cứng và độ bền phù hợp. Sau khi chọn vật liệu, cần xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép, đây là hai chỉ tiêu độ bền quan trọng nhất của bánh răng. Dựa trên momen xoắn trên trục dẫn, tỷ số truyền, và ứng suất cho phép, ta tiến hành tính toán sơ bộ khoảng cách trục (a). Từ khoảng cách trục, mô-đun (m) và số răng (Z1, Z2) được xác định. Các thông số này sau đó được hiệu chỉnh để phù hợp với các tiêu chuẩn. Bước cuối cùng và quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền cho bộ truyền, bao gồm kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn, để đảm bảo bánh răng không bị phá hủy trong quá trình làm việc. Các thông số sau khi tính toán sẽ là cơ sở để vẽ bản vẽ hộp giảm tốc.
4.1. Lựa chọn vật liệu làm bánh răng và xác định ứng suất
Việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng quyết định khả năng chịu tải của bộ truyền. Thông thường, bánh răng nhỏ (chủ động) được nhiệt luyện để có độ cứng cao hơn bánh răng lớn (bị động) khoảng 10-15 HB để đảm bảo mòn đều. Trong đồ án mẫu, thép C45 được chọn cho cả hai bánh, với bánh nhỏ có độ cứng HB1 = 202 và bánh lớn HB2 = 192. Từ độ cứng HB, ứng suất tiếp xúc cho phép [σH] và ứng suất uốn cho phép [σF] được xác định. Các giá trị này được tính toán dựa trên giới hạn mỏi và các hệ số an toàn, hệ số tuổi thọ. Ví dụ, [σH2] ≈ 412,73 MPa và [σF2] ≈ 197,49 MPa. Đây là những giá trị giới hạn để tiến hành kiểm nghiệm bền.
4.2. Tính toán bộ truyền bánh răng trụ và kiểm nghiệm bền
Từ momen T1=86935 Nmm và tỷ số truyền u=4, khoảng cách trục sơ bộ được tính ra a_ω ≈ 167 mm. Chọn mô-đun tiêu chuẩn m = 2, ta tính được số răng Z1 = 33 và Z2 = 132. Khoảng cách trục được tính chính xác lại a_ω = 165 mm. Chiều rộng vành răng được chọn b = 68 mm. Bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền. Ứng suất tiếp xúc thực tế tính được là σH ≈ 398,9 MPa, so sánh với ứng suất cho phép [σH] ≈ 387,9 MPa. Sai số khoảng 2,83% là chấp nhận được. Tương tự, ứng suất uốn σF1 ≈ 52,03 MPa và σF2 ≈ 49,3 MPa, đều nhỏ hơn giới hạn cho phép. Kết quả này khẳng định bộ truyền bánh răng đã thiết kế đủ bền để làm việc an toàn. Các lực tác dụng lên trục (lực vòng Ft và lực hướng tâm Fr) cũng được tính toán từ đây để phục vụ cho việc thiết kế trục.
V. Bí quyết thiết kế trục và chọn các chi tiết máy phụ
Sau khi đã tính toán xong các bộ truyền, bước tiếp theo là thiết kế trục và lựa chọn các chi tiết máy liên quan như ổ lăn và then. Thiết kế trục là một trong những công việc phức tạp nhất trong đồ án thiết kế máy, đòi hỏi sự kết hợp giữa tính toán bền và kiến thức về cấu tạo. Quá trình này bắt đầu bằng việc chọn vật liệu trục, thường là thép C45. Tiếp theo, cần xác định sơ bộ đường kính trục tại các tiết diện lắp ghép dựa trên momen xoắn. Sau đó, tiến hành xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên trục trong hai mặt phẳng (đứng và ngang), bao gồm lực từ bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng, và các phản lực tại gối đỡ (ổ lăn). Từ đó, vẽ biểu đồ momen uốn và momen xoắn dọc theo trục. Tại các tiết diện nguy hiểm, đường kính trục được tính toán chính xác lại và sau đó được kiểm nghiệm bền mỏi. Việc tính toán then cũng được thực hiện để đảm bảo truyền được momen xoắn mà không bị phá hủy. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo toàn bộ hệ dẫn động cơ khí hoạt động ổn định.
5.1. Các bước thiết kế trục theo sơ đồ lực và momen uốn
Đầu tiên, chọn vật liệu cho trục là thép 45 tôi cải thiện có giới hạn bền σb = 850 MPa. Sau đó, xác định sơ bộ đường kính trục, ví dụ trục II có đường kính sơ bộ là d ≈ 40 mm. Dựa trên kết cấu bản vẽ hộp giảm tốc, xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực. Lực từ bánh răng (Ft, Fr) và lực từ khớp nối được đặt lên trục. Tiếp theo, tính toán các phản lực tại gối đỡ (ổ lăn A và B) trong hai mặt phẳng XOZ và YOZ. Từ đó, vẽ biểu đồ momen uốn M_x, M_y và tính momen uốn tổng hợp M. Momen tương đương tại các tiết diện nguy hiểm (thường là nơi lắp bánh răng hoặc ổ lăn) được xác định để tính lại chính xác đường kính trục, đảm bảo hệ số an toàn theo điều kiện bền mỏi.
5.2. Hướng dẫn chọn ổ lăn và quy trình tính toán then
Việc chọn ổ lăn phụ thuộc vào đường kính trong của ổ (bằng đường kính ngõng trục) và tải trọng tác dụng (phản lực tại gối đỡ). Dựa trên đường kính trục đã thiết kế, ví dụ d = 40 mm, và tải trọng tính toán, ta có thể tra catalogue của các hãng sản xuất (SKF, NSK) để chọn loại ổ bi đỡ một dãy hoặc ổ đũa trụ phù hợp. Ổ lăn sau đó cần được kiểm nghiệm theo khả năng tải động và tải tĩnh. Đối với then, việc tính toán then dựa trên đường kính trục và momen xoắn cần truyền. Ví dụ, với trục có đường kính d = 42 mm lắp bánh răng, tra bảng tiêu chuẩn ta chọn then bằng có kích thước bxh. Sau đó, kiểm tra bền dập và bền cắt cho then để đảm bảo then không bị phá hủy khi làm việc. Đây là các bước không thể thiếu để hoàn thiện việc thiết kế trục.
VI. Hoàn thiện thuyết minh và bản vẽ hộp giảm tốc chi tiết
Giai đoạn cuối cùng của một đồ án thiết kế máy là hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật, bao gồm thuyết minh đồ án cơ khí và bộ bản vẽ. Thuyết minh là tài liệu tổng hợp toàn bộ quá trình phân tích, tính toán, và lựa chọn thiết kế, từ việc xác định thông số đầu vào đến kiểm nghiệm bền cho từng chi tiết. Nó phải được trình bày một cách logic, rõ ràng, và đầy đủ các công thức, bảng tra, và kết quả. Bộ bản vẽ là sản phẩm trực quan hóa của thiết kế. Nó thường bao gồm một bản vẽ lắp A0 của toàn bộ hộp giảm tốc, thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết như vỏ hộp, trục, bánh răng, ổ lăn. Ngoài ra, còn có các bản vẽ chế tạo chi tiết quan trọng như bản vẽ chi tiết trục và bánh răng. Các bản vẽ này phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật về hình chiếu, kích thước, và đặc biệt là bảng dung sai lắp ghép để đảm bảo các chi tiết có thể lắp ráp và hoạt động chính xác. Việc sử dụng thành thạo các phần mềm như AutoCAD hoặc Solidworks là yêu cầu bắt buộc để hoàn thành tốt giai đoạn này.
6.1. Kỹ thuật lập bản vẽ lắp A0 và bản vẽ chi tiết trục
Lập bản vẽ lắp A0 yêu cầu người vẽ phải có tư duy không gian tốt để thể hiện đầy đủ các chi tiết của hộp giảm tốc 1 cấp trong mối quan hệ lắp ghép. Bản vẽ phải có hình chiếu đứng, hình chiếu bằng, và hình cắt cần thiết để làm rõ kết cấu bên trong. Bảng kê chi tiết (Bill of Materials - BOM) phải liệt kê tên gọi, vật liệu, và số lượng của từng chi tiết. Đối với bản vẽ chi tiết trục, cần thể hiện đầy đủ các kích thước đường kính, chiều dài, các rãnh then, độ nhám bề mặt và các yêu cầu kỹ thuật khác. Việc sử dụng AutoCAD cho bản vẽ 2D hoặc Solidworks để dựng mô hình 3D rồi xuất ra bản vẽ 2D là các phương pháp phổ biến và hiệu quả, giúp đảm bảo độ chính xác và tính chuyên nghiệp cho bộ bản vẽ.
6.2. Hoàn thiện thuyết minh và bảng dung sai lắp ghép
Bản thuyết minh đồ án cơ khí cần được rà soát lại toàn bộ để đảm bảo tính nhất quán và chính xác của các số liệu. Nội dung cần được sắp xếp theo đúng trình tự thiết kế: chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền, tính toán các bộ truyền, thiết kế trục, chọn chi tiết phụ, và kết luận. Một phần không thể thiếu trong cả thuyết minh và bản vẽ là bảng dung sai lắp ghép. Dựa trên chức năng của từng mối ghép (ví dụ, ghép giữa bánh răng và trục là lắp trung gian, giữa ổ lăn và trục là lắp chặt), cần chọn kiểu lắp và tra cứu dung sai theo tiêu chuẩn TCVN. Việc ghi đúng dung sai và độ nhám bề mặt đảm bảo các chi tiết được gia công chính xác, giúp hệ dẫn động cơ khí hoạt động đúng như thiết kế.
