Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ thuật cơ khí, học phần đồ án thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Project-Based Learning 1 - PBL1 Thiết kế cơ khí) đóng vai trò tổng hợp kiến thức từ các môn học cơ sở như Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy, Chi tiết máy và Dung sai - Lắp ghép. Đề tài "Thiết kế hệ dẫn động cơ khí cho máy thủy lực" (Đề số 4) giải quyết bài toán truyền chuyển động và biến đổi cơ năng từ nguồn động lực (động cơ điện) đến cơ cấu chấp hành (trục máy thủy lực) với các yêu cầu nghiêm ngặt về công suất, tốc độ quay, mômen xoắn và độ tin cậy trong thời gian vận hành dài hạn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Theo văn bản giao đề tài của Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đồ án đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nhiệm vụ tính toán và hồ sơ văn bản:

    • Hoàn thành 01 bản thuyết minh tính toán thiết kế chi tiết trên khổ giấy A4, trình bày toàn bộ quá trình tính toán động học, lực học, độ bền chi tiết máy và lựa chọn kết cấu.
    • Vẽ 01 bản vẽ lắp tổng thể hộp giảm tốc trên khổ giấy A0, thể hiện đầy đủ các hình chiếu, mặt cắt, kích thước lắp ghép và bảng kê chi tiết.
    • Vẽ bản vẽ chế tạo 01 chi tiết máy điển hình (trục hoặc bánh răng) trên khổ giấy A3 hoặc A4 với đầy đủ dung sai, độ nhám bề mặt và yêu cầu kỹ thuật.

  2. Thông số kỹ thuật đầu vào (Số liệu cho trước):

    • Công suất danh nghĩa trên trục máy thủy lực: $P_{lv} = 5,0 \text{ kW}$.
    • Số vòng quay trên trục máy thủy lực: $n_{lv} = 52 \text{ vòng/phút}$.
    • Tổng thời gian phục vụ của hệ thống: $t_{\Sigma} = 9000 \text{ giờ}$.
    • Hệ số tải trọng quá tải: $k_{qt} = 2,0$.
    • Đặc tính tải trọng: Tải trọng va đập nhẹ.
    • Chế độ làm việc: Quay một chiều, mỗi ngày làm việc 1 ca (tương đương 8 giờ/ngày).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ dẫn động cơ khí bao gồm động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ, hộp giảm tốc hai cấp (bánh răng trụ), bộ truyền ngoài (bộ truyền xích con lăn), hệ thống trục, gối đỡ ổ lăn, khớp nối và cụm vỏ hộp cùng các chi tiết phụ trợ.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đồ án được thực hiện tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Yến; thời gian hoàn thành và nghiệm thu đồ án là ngày 03 tháng 4 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tài liệu chuẩn

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết chuẩn hóa về thiết kế cơ khí và tính toán sức bền chi tiết máy theo các giáo trình và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành tại Việt Nam:

  • Giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1 và Tập 2) – PGS.TS. Trịnh Chất, PGS.TS. Lê Văn Uyển (NXB Giáo dục).
  • Giáo trình Thiết kế chi tiết máy – Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (NXB Giáo dục).
  • Giáo trình Dung sai và lắp ghép – Ninh Đức Tốn (NXB Giáo dục).
  • Tiêu chuẩn vật liệu kỹ thuật cho chi tiết máy: Thép kết cấu cacbon chất lượng tốt C45 tôi cải thiện, Gang xám GX 15-32 dùng đúc vỏ hộp.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Đồ án sử dụng phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật kết hợp tra cứu bảng chuẩn định mức cơ khí:

  • Phương pháp cân bằng động học và năng lượng: Xác định hiệu suất truyền động tổng thể, phân phối tỷ số truyền qua từng cấp, tính toán công suất danh định và mômen xoắn tác dụng lên từng trục.
  • Phương pháp tính toán độ bền mỏi và độ bền tĩnh: Tính toán kích thước bộ truyền bánh răng theo tiêu chuẩn độ bền tiếp xúc mặt răng ($[\sigma_H]$) và độ bền uốn chân răng ($[\sigma_F]$); kiểm nghiệm ứng suất tương đương của trục theo lý thuyết độ bền mỏi ($s \ge [s]$).
  • Phương pháp tra bảng tiêu chuẩn hóa: Sử dụng các bảng số liệu định chuẩn để lựa chọn môđun bánh răng, đai xích tiêu chuẩn, kích thước then bằng, ổ lăn công nghiệp và dung sai lắp ghép theo TCVN.
  • Phương pháp thể hiện bản vẽ kỹ thuật: Lập bản vẽ kỹ thuật 2D tuân thủ các quy chuẩn biểu diễn hình học, dung sai hình học, độ nhám bề mặt và chuỗi kích thước lắp ráp.

Nội dung chính theo từng chương

Lời nói đầu

Nêu rõ tầm quan trọng của hệ thống dẫn động cơ khí trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và các thiết bị nâng chuyển, máy thủy lực. Nhấn mạnh mục tiêu củng cố tư duy kỹ thuật, năng lực tổng hợp kiến thức cơ sở ngành và kỹ năng tra cứu tài liệu tiêu chuẩn nhằm chuẩn bị cho đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ khí.

Phần I: Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền

Phần này xác định nguồn động lực và tính toán phân bổ tốc độ cho toàn bộ hệ thống dẫn động:

  1. Chọn động cơ điện: Dựa trên công suất làm việc $P_{lv} = 5,0 \text{ kW}$ và tổng hiệu suất của hệ dẫn động $\eta_{\Sigma} = \eta_{ol}^4 \cdot \eta_{br}^2 \cdot \eta_x \cdot \eta_{kn}$ (với $\eta_{ol} = 0,99$, $\eta_{br} = 0,97$, $\eta_x = 0,93$, $\eta_{kn} = 1,0$), tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ $P_{ct}$. Từ đó, lựa chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc có công suất định mức và số vòng quay đồng bộ phù hợp ($n_{db} = 1500 \text{ v/ph}$, tốc độ quay danh nghĩa $n_{đc} \approx 1440 \text{ v/ph}$).
  2. Phân phối tỷ số truyền: Tỷ số truyền chung $u_{\Sigma} = n_{đc} / n_{lv} = 1440 / 52 \approx 27,69$. Tỷ số truyền này được phân bổ cho bộ truyền xích ngoài ($u_x \approx 2,0 - 2,5$) và hộp giảm tốc bánh răng hai cấp ($u_h = u_{1} \cdot u_{2}$), chia đều cho cấp nhanh ($u_1$) và cấp chậm ($u_2$).
  3. Tính toán thông số động học và lực học trên các trục: Xác định số vòng quay ($n$), công suất truyền ($P$) và mômen xoắn ($T$) từ trục động cơ qua Trục I, Trục II, Trục III đến trục công tác.
Thông số Trục Động cơ Trục I (Hộp giảm tốc) Trục II (Trung gian) Trục III (Trục ra) Trục Công tác (Thủy lực)
Công suất $P$ (kW) 5,95 5,43 5,16 4,90 5,00
Tỷ số truyền $u$ — $u_{kn} = 1,0$ $u_1 \approx 3,53$ $u_2 \approx 3,36$ $u_x \approx 2,47$
Số vòng quay $n$ (v/ph) 1440 1440 407,9 121,4 52,0
Mômen xoắn $T$ (N.mm) 39.468 36.012 120.890 385.269 918.269

Phần II: Thiết kế các bộ truyền

Trình bày chi tiết quá trình tính toán thiết kế hình học và kiểm nghiệm độ bền của các bộ truyền cơ khí trong và ngoài hộp:

  1. Thiết kế bộ truyền xích:

    • Lựa chọn loại xích: Xích con lăn một dãy.
    • Xác định số răng đĩa xích: Đĩa nhỏ $z_1 = 25$ răng, đĩa lớn $z_2 = u_x \cdot z_1 \approx 50$ răng.
    • Bước xích tiêu chuẩn: $p = 19,05 \text{ mm}$ (hoặc $25,4 \text{ mm}$ tùy theo hệ số công suất tính toán).
    • Xác định khoảng cách trục $a \approx (30 - 50)p \approx 1200 \text{ mm}$, số mắt xích $X = 102$ mắt, tính toán kiểm tra số lần va đập của xích trong một giây và lực tác dụng lên trục $F_r$.

  2. Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp nhanh:

    • Vật liệu chế tạo: Bánh nhỏ dùng Thép 45 tôi cải thiện đạt độ cứng $241 - 285 \text{ HB}$, bánh lớn dùng Thép 45 tôi cải thiện đạt độ cứng $192 - 240 \text{ HB}$.
    • Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H]$ và ứng suất uốn cho phép $[\sigma_F]$.
    • Tính khoảng cách trục sơ bộ $a_{w1}$, môđun pháp $m = 2,0 \text{ mm}$, góc nghiêng răng $\beta \approx 8^\circ - 15^\circ$, số răng $z_1, z_2$.
    • Kiểm nghiệm chính xác ứng suất tiếp xúc $\sigma_H \le [\sigma_H]$ và ứng suất uốn $\sigma_F \le [\sigma_F]$.

  3. Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp chậm:

    • Chọn vật liệu Thép 45 tôi cải thiện, tính toán khoảng cách trục $a_{w2} \approx 180 - 225 \text{ mm}$, môđun răng $m = 3,0 \text{ mm}$.
    • Xác định số răng bánh nhỏ $z_3$ và bánh lớn $z_4$, bề rộng vành răng $b_w$.
    • Tính toán lực ăn khớp: Lực vòng $F_t$, lực hướng tâm $F_r$, lực dọc trục $F_a$ tác dụng lên các trục truyền động.

  4. Kiểm tra điều kiện bôi trơn ngâm dầu:

    • Tính mức dầu tối thiểu và tối đa trong hộp giảm tốc để đảm bảo bôi trơn ăn khớp của bánh răng cấp chậm mà không gây tổn thất công suất do khuấy dầu quá mức.

Phần III: Thiết kế trục và bộ phận ổ

  1. Thiết kế trục:

    • Chọn vật liệu chế tạo trục: Thép C45 có giới hạn bền $\sigma_b = 600 \text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15 - 30 \text{ MPa}$.
    • Tính toán đường kính sơ bộ các trục: Trục I ($d_1 \approx 25 - 30 \text{ mm}$), Trục II ($d_2 \approx 35 - 40 \text{ mm}$), Trục III ($d_3 \approx 45 - 50 \text{ mm}$).
    • Lập sơ đồ đặt lực không gian, phân tích lực trên các mặt phẳng đứng ($yOz$) và mặt phẳng ngang ($xOz$).
    • Tính phản lực tại các gối đỡ, xây dựng biểu đồ mômen uốn $M_x, M_y$, mômen uốn tổng $M_u = \sqrt{M_x^2 + M_y^2}$ và mômen tương đương $M_{td}$.
    • Xác định chính xác đường kính từng đoạn trục theo điều kiện bền mỏi ($s \ge [s] = 1,5 - 2,5$).
    • Chọn và kiểm nghiệm then bằng tại các vị trí lắp bánh răng, khớp nối và đĩa xích theo độ bền dập $\sigma_d \le [\sigma_d]$ và độ bền cắt $\tau_c \le [\tau_c]$.

  2. Thiết kế bộ phận ổ lăn:

    • Lựa chọn chủng loại ổ: Ổ bi đỡ một dãy cho Trục I, Trục II và Trục III dựa trên tỷ số giữa lực dọc trục và lực hướng tâm.
    • Tính toán tải trọng quy ước động $Q$ và khả năng tải động $C$.
    • Kiểm nghiệm tuổi thọ của ổ lăn theo thời gian làm việc yêu cầu $L_h = 9000 \text{ giờ}$.

Phần IV: Thiết kế vỏ hộp và các bộ phận khác của hộp, bôi trơn và điều chỉnh ăn khớp

  1. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc:
    • Vật liệu: Gang xám GX 15-32 đúc nguyên khối chia làm hai nửa (thân hộp và nắp hộp), ghép nối bằng mặt bích và bu lông.
    • Chiều dày thân hộp $\delta = 0,025a + 1 \approx 8 - 10 \text{ mm}$; chiều dày nắp hộp $\delta_1 \approx 8 - 9 \text{ mm}$.
    • Hệ thống bu lông: Bu lông nền ($M16 - M20$), bu lông cạnh ổ ($M12 - M14$), bu lông ghép bích nắp và thân ($M10 - M12$).
  2. Các chi tiết phụ và bôi trơn:
    • Bố trí que thăm dầu để kiểm soát mức chất lỏng, nút thông hơi trên nắp quan sát, nút tháo dầu có đệm làm kín dưới đáy hộp.
    • Vòng chắn dầu và phớt chắn mỡ tại các đầu trục thò ra ngoài.
    • Lựa chọn dầu bôi trơn công nghiệp cho bộ truyền bánh răng và mỡ chuyên dụng bôi trơn gối ổ lăn.
  3. Dung sai và lắp ghép:
    • Thiết lập các kiểu lắp tiêu chuẩn: Lắp vòng trong ổ lăn lên trục theo hệ thống lỗ cơ bản ($k6, m6$), lắp vòng ngoài ổ lăn vào vỏ hộp theo hệ thống trục ($H7, Js7$), mối ghép then bằng theo hệ thống $Js9/h9$ hoặc $P9/h9$.

Thiết kế và triển khai

Hệ dẫn động cơ khí được thiết kế dưới dạng cụm truyền động hoàn chỉnh bao gồm các phân hệ chức năng:

Thông số kết cấu và vật liệu chế tạo

Hệ thống được xác lập bằng các thông số vật liệu và quy cách kích thước tiêu chuẩn:

Cụm chi tiết Vật liệu sử dụng Xử lý nhiệt / Cơ tính Kiểu lắp ghép / Tiêu chuẩn
Bánh răng cấp nhanh Thép 45 Tôi cải thiện, $241 - 285 \text{ HB}$ Răng nghiêng, môđun $m = 2,0 \text{ mm}$
Bánh răng cấp chậm Thép 45 Tôi cải thiện, $192 - 240 \text{ HB}$ Răng thẳng/nghiêng, môđun $m = 3,0 \text{ mm}$
Hệ thống trục (I, II, III) Thép C45 Tôi cải thiện, $\sigma_b = 600 \text{ MPa}$ Bậc chuyển tiếp, rãnh then bằng
Vỏ hộp giảm tốc Gang xám GX 15-32 Đúc khuôn cát, ủ khử ứng suất dư Ghép bích phẳng, chốt định vị
Ổ lăn các trục Thép ổ lăn Độ cứng cao $60 - 64 \text{ HRC}$ Ổ bi đỡ một dãy tiêu chuẩn ISO/TCVN

Kiểm nghiệm an toàn và độ tin cậy

  1. Độ bền tiếp xúc và uốn bánh răng:
    • Ứng suất tiếp xúc tính toán của bánh răng cấp nhanh $\sigma_{H1} \le [\sigma_H] \approx 450 - 520 \text{ MPa}$.
    • Ứng suất uốn tính toán chân răng $\sigma_{F1} \le [\sigma_F] \approx 200 - 240 \text{ MPa}$.
  2. Hệ số an toàn mỏi của trục:
    • Tại các tiết diện nguy hiểm (vị trí rãnh then, lắp ổ lăn), hệ số an toàn tính toán $s_j = \frac{s_{\sigma j} \cdot s_{\tau j}}{\sqrt{s_{\sigma j}^2 + s_{\tau j}^2}} \ge [s] = 1,5$.
  3. Độ bền tĩnh và tuổi thọ ổ lăn:
    • Tuổi thọ tính toán của các ổ trục đạt $L_{h} \ge 9000 \text{ giờ}$, thỏa mãn hoàn toàn chế độ làm việc 1 ca liên tục.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xác lập bộ thông số động học và động lực học đồng bộ cho toàn bộ hệ thống dẫn động máy thủy lực công suất $5,0 \text{ kW}$, vận tốc $52 \text{ v/ph}$.
  • Hoàn thiện bản tính chi tiết kích thước hình học của bộ truyền xích, hai cặp bánh răng ăn khớp, kết cấu ba trục truyền động và hệ thống gối đỡ ổ lăn.
  • Đưa ra phương án kết cấu vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám GX 15-32 có đầy đủ gân tăng cứng, bố trí bu lông hợp lý, đảm bảo độ cứng vững, thuận tiện bôi trơn và bảo dưỡng.
  • Hoàn thành đầy đủ hồ sơ thiết kế gồm thuyết minh kỹ thuật A4, bản vẽ lắp hộp giảm tốc A0 và bản vẽ chi tiết gia công cơ khí A3/A4.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Cung cấp một phương án thiết kế hệ dẫn động cơ khí hoàn chỉnh, có tính khả thi chế tạo cao dựa trên nền tảng công nghệ gia công cắt gọt và đúc phổ biến tại các xưởng cơ khí chế tạo.
  • Chuẩn hóa quy trình lựa chọn chi tiết máy theo các tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam hiện hành, giúp tối ưu hóa chi phí vật liệu và thời gian bảo trì.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Quá trình tính toán độ bền trục và bánh răng chủ yếu áp dụng phương pháp giải tích truyền thống theo các công thức thực nghiệm, chưa đánh giá phân bố ứng suất cục bộ tại các góc lượn phức tạp.
  • Chưa tiến hành mô phỏng số kiểm chứng động học và dao động cưỡng bức của toàn hệ thống khi làm việc dưới tải trọng va đập nhẹ.

Hướng phát triển

  • Ứng dụng phần mềm CAD/CAE chuyên dụng (như Autodesk Inventor, SolidWorks, ANSYS) để xây dựng mô hình 3D tham số hóa và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) nhằm tối ưu hóa trọng lượng vỏ hộp và kết cấu trục.
  • Mở rộng tính toán nhiệt truyền dẫn của hộp giảm tốc trong điều kiện môi trường làm việc khắc nghiệt hoặc chế độ làm việc liên tục nhiều ca.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Chế tạo máy: Làm tài liệu mẫu cho học phần Đồ án Chi tiết máy / PBL1 Thiết kế cơ khí, tham khảo phương pháp trình bày thuyết minh, các bước tính toán động học và cách lập bản vẽ lắp A0.
  • Kỹ sư thiết kế máy: Tham khảo quy trình tính toán phân bổ tỷ số truyền và lựa chọn động cơ, ổ lăn tiêu chuẩn cho các hệ thống máy công tác có dải công suất vừa và nhỏ ($3 - 10 \text{ kW}$).

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng những thông số đầu vào nào để tính toán hệ dẫn động?
Công suất trên trục máy thủy lực $P_{lv} = 5,0 \text{ kW}$, số vòng quay $n_{lv} = 52 \text{ v/ph}$, tổng thời gian làm việc $t_{\Sigma} = 9000 \text{ giờ}$, hệ số quá tải $k_{qt} = 2,0$, tải trọng va đập nhẹ, làm việc một chiều, 1 ca/ngày.

2. Hộp giảm tốc trong đồ án thuộc loại nào và sử dụng vật liệu gì cho bánh răng?
Hộp giảm tốc hai cấp đồng trục hoặc khai triển sử dụng các bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng và răng thẳng. Vật liệu chế tạo bánh răng là Thép 45 tôi cải thiện đạt độ cứng $192 - 285 \text{ HB}$.

3. Phương pháp bôi trơn nào được áp dụng cho hộp giảm tốc và ổ lăn?
Hộp giảm tốc sử dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu cho các cặp bánh răng ăn khớp trong thân hộp, kết hợp sử dụng mỡ bôi trơn chuyên dụng định kỳ cho các gối đỡ ổ lăn có vòng chắn dầu bảo vệ.

4. Trục và vỏ hộp giảm tốc được chế tạo từ vật liệu nào?
Các trục truyền động (Trục I, II, III) được gia công từ thép kết cấu C45 tôi cải thiện ($\sigma_b = 600 \text{ MPa}$), vỏ hộp giảm tốc được đúc từ gang xám GX 15-32.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ dẫn động cơ khí cho máy thủy lực" (Đề số 4) đã giải quyết toàn diện bài toán tính toán động học, lực học và kết cấu cho hệ thống truyền động cơ khí công suất $5,0 \text{ kW}$. Toàn bộ các bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích, trục và ổ lăn đều được kiểm nghiệm đạt các chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn và tuổi thọ làm việc $9000 \text{ giờ}$. Kết quả đồ án cung cấp bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và có tính ứng dụng thực tiễn cao trong ngành cơ khí chế tạo máy.