Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học Thiết kế máy (mã học phần ME2011 / ME3139) thuộc chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM, do sinh viên Nguyễn Quang Minh (MSSV: 2013775) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lưu Thanh Tùng vào Học kỳ II năm học 2023–2024. Đề tài tập trung vào nhiệm vụ tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống dẫn động cơ khí cho xích tải theo Đề số 10, Phương án số 6.

Trong hệ thống vận chuyển công nghiệp, xích tải là bộ phận công tác chịu tải trọng liên tục và va đập trong quá trình dịch chuyển vật liệu. Thiết kế một hệ thống dẫn động bảo đảm đồng thời độ bền tiếp xúc, độ bền uốn của các chi tiết máy, kích thước kết cấu nhỏ gọn, hiệu suất truyền động tối ưu và khả năng làm việc ổn định theo ca là yêu cầu kỹ thuật then chốt của ngành cơ khí chế tạo máy.

Cấu tạo tổng thể của hệ thống dẫn động xích tải gồm 5 thành phần chính:

  1. Động cơ điện 3 pha không đồng bộ;
  2. Khớp nối trục đàn hồi;
  3. Hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp phân đôi cấp nhanh;
  4. Bộ truyền xích ống con lăn ngoài hộp;
  5. Bộ phận công tác (xích tải).

Điều kiện làm việc và thông số kỹ thuật đầu vào của Phương án 6:

  • Chiều quay: Quay 1 chiều;
  • Đặc tính tải trọng: Tải va đập nhẹ, biến thiên theo 3 bậc thời gian: $t_1 = 13\text{ s}$ ứng với mômen tải $T_1 = T$; $t_2 = 46\text{ s}$ ứng với mômen tải $T_2 = 0{,}2T$; $t_3 = 15\text{ s}$ ứng với $T_3 = 0$;
  • Chế độ vận hành: 3 ca/ngày, mỗi ca làm việc 8 giờ;
  • Lực vòng trên xích tải: $F = 3700\text{ N}$;
  • Vận tốc xích tải: $v = 2{,}86\text{ m/s}$;
  • Số răng đĩa xích dẫn xích tải: $Z = 11\text{ răng}$;
  • Bước xích tải: $p = 125\text{ mm}$;
  • Thời gian phục vụ thiết kế: $L = 5\text{ năm}$;
  • Số ngày làm việc trong một năm: $K_{ng} = 260\text{ ngày}$.

Mục tiêu và các nhiệm vụ thiết kế cụ thể:

  1. Xác định công suất cần thiết của động cơ và phân phối tỉ số truyền cho toàn bộ hệ thống;
  2. Tính toán thiết kế bộ truyền ngoài (bộ truyền xích ống con lăn);
  3. Tính toán thiết kế các bộ truyền trong hộp giảm tốc (cặp bánh răng trụ răng nghiêng cấp nhanh và cặp bánh răng trụ răng thẳng cấp chậm);
  4. Kiểm tra điều kiện bôi trơn ngâm dầu cho hộp giảm tốc;
  5. Phân tích sơ đồ lực tác dụng từ các bộ truyền lên các trục;
  6. Tính toán thiết kế hình học và kiểm nghiệm độ bền tĩnh, bền mỏi của trục I;
  7. Tính chọn then, ổ lăn và khớp nối trục đàn hồi;
  8. Hoàn thành bộ hồ sơ thiết kế gồm 01 thuyết minh tính toán chi tiết, 01 bản vẽ lắp tổng thể khổ A0 và 01 bản vẽ chi tiết chế tạo theo đúng Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống truyền động cơ khí nhiều cấp kết hợp hộp giảm tốc bánh răng và bộ truyền xích. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong chế độ làm việc danh định của phương án tải trọng được giao, thời gian phục vụ 5 năm với số liệu thực nghiệm và tiêu chuẩn tính toán chi tiết máy tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết chuẩn tắc về Thiết kế chi tiết máy và Hệ dẫn động cơ khí, dựa trên các giáo trình và tài liệu tra cứu chuyên ngành cơ khí chế tạo máy:

  • Lý thuyết tính toán động học và động lực học hệ dẫn động: Xác định công suất làm việc trên trục công tác, quy đổi công suất tương đương cho chế độ tải trọng thay đổi bậc theo thời gian, tính toán hiệu suất tổng thông qua hiệu suất của từng cặp bộ truyền (bộ truyền xích, bánh răng, ổ lăn, khớp nối) nhằm chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha phù hợp và phân bổ tỉ số truyền hợp lý giữa các cấp giảm tốc.
  • Tiêu chuẩn tính toán độ bền bộ truyền xích: Phương pháp thiết kế xích ống con lăn theo công suất tính toán $P_t$, bước xích tiêu chuẩn $p_c$, xác định khoảng cách trục, số mắt xích, đường kính đĩa xích; kiểm nghiệm mòn theo áp suất tiếp xúc $[p_0]$, kiểm nghiệm số lần va đập của xích trong một giây $u \le [u]$ và kiểm nghiệm hệ số an toàn phá hủy $S \ge [s]$.
  • Tiêu chuẩn tính toán độ bền bánh răng: Tính toán ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H]$ và ứng suất uốn cho phép $[\sigma_F]$ dựa trên giới hạn mỏi tiếp xúc $\sigma_{H\lim}^0$, giới hạn mỏi uốn $\sigma_{F\lim}^0$, số chu kỳ làm việc cơ sở $N_{HO}, N_{FO}$, số chu kỳ làm việc tương đương $N_{HE}, N_{FE}$, hệ số an toàn $S_H, S_F$, hệ số tuổi thọ $K_{HL}, K_{FL}$; tính toán khoảng cách trục $a_w$, môđun pháp $m_n$, kích thước hình học, và kiểm tra điều kiện bền tiếp xúc $\sigma_H \le [\sigma_H]$, bền uốn $\sigma_F \le [\sigma_F]$.
  • Lý thuyết cơ học kết cấu và thiết kế trục: Xác định lực khớp nối, lực ăn khớp trên bánh răng (lực vòng $F_t$, lực hướng tâm $F_r$, lực dọc trục $F_a$) và lực căng xích $F_{rx}$; lập phương trình cân bằng tĩnh học trong hai mặt phẳng vuông góc (mặt phẳng đứng $yOz$ và mặt phẳng ngang $xOz$); xác định phản lực tại các gối đỡ ổ lăn, vẽ biểu đồ mômen uốn $M_x, M_y$, mômen xoắn $T$ và mômen tương đương $M_{tđ}$ để xác định đường kính tiết diện trục.
  • Nguyên lý bôi trơn hộp giảm tốc: Xác định mức dầu ngập thấp nhất và cao nhất trong bể chứa để bảo đảm bôi trơn nhúng dầu cho các cặp bánh răng mà không gây tổn hao công suất do khuấy dầu.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp tra cứu bảng tiêu chuẩn cơ khí (vật liệu chế tạo máy, động cơ điện, cấp chính xác chế tạo, dung sai lắp ghép, ổ lăn tiêu chuẩn). Nguồn dữ liệu sử dụng lấy trực tiếp từ các tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí và sổ tay chi tiết máy [1], [2], [3].

Thiết kế và triển khai

Hệ thống dẫn động được tổ chức theo cấu trúc truyền động cơ khí liên hoàn từ nguồn động lực đến cơ cấu chấp hành:

Động cơ điện 3 pha -> Khớp nối đàn hồi -> Hộp giảm tốc bánh răng 2 cấp -> Bộ truyền xích ngoài -> Trục công tác xích tải

Quy trình tính toán và triển khai thiết kế hệ thống trải qua 5 bước tuần tự:

  1. Phân tích động học: Xác định tốc độ quay trục công tác $n_{ct}$, chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ với tốc độ đồng bộ $3000\text{ vg/ph}$ ($n_{đc} = 2895\text{ vg/ph}$), xác định tỉ số truyền chung $u_t = 23{,}...$, phân bổ tỉ số truyền cho cấp nhanh bánh răng nghiêng ($u_1 = 3{,}01$), cấp chậm bánh răng thẳng và bộ truyền xích ngoài ($u_x = 2$).
  2. Thiết kế bộ truyền xích: Lựa chọn xích ống con lăn 1 dãy tiêu chuẩn với bước xích $p_c = 44{,}45\text{ mm}$, số răng đĩa dẫn $z_1 = 25$, đĩa bị dẫn $z_2 = 50$, khoảng cách trục $a = 1886{,}29\text{ mm}$, số mắt xích $X = 123$. Lực tác dụng lên trục $F_r = 2811{,}93\text{ N}$.
  3. Thiết kế các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc:
    • Cấp nhanh: Cặp bánh răng trụ răng nghiêng phân đôi với góc nghiêng $\beta = 16{,}6^\circ$, môđun $m_n = 2\text{ mm}$, khoảng cách trục $a_w = 120\text{ mm}$, số răng $z_1 = 25, z_2 = 90$. Vật liệu bánh dẫn bằng thép C45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB 241–285, bánh bị dẫn bằng thép C45 thường hóa đạt HB 170–217.
    • Cấp chậm: Cặp bánh răng trụ răng thẳng với môđun $m = 3\text{ mm}$, khoảng cách trục $a_w = 126\text{ mm}$, số răng $z_1 = 20, z_2 = 64$. Vật liệu bánh dẫn bằng thép 40Cr tôi bề mặt đạt HRC 45–50, bánh bị dẫn bằng thép 40Cr tôi thể tích đạt HRC 40–45.
  4. Kiểm tra bôi trơn hộp giảm tốc: Thiết lập giới hạn ngập dầu bể chứa, bảo đảm bánh răng cấp chậm ngập tối thiểu $0{,}75 \div 2$ lần chiều cao răng và không vượt quá $1/3$ bán kính bánh răng lớn nhất.
  5. Tính toán kết cấu và độ bền trục I: Vật liệu chế tạo trục chọn thép C45 có $[\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$, xác định sơ bộ đường kính ngõng trục, phân tích lực không gian $F_k, F_{t1}, F_{r1}, F_{a1}$, xác định phản lực gối đỡ và xây dựng biểu đồ nội lực mômen uốn - xoắn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền

Chương 1 thực hiện các tính toán động lực học ban đầu nhằm chọn động cơ điện có công suất và tốc độ quay tối ưu, tránh lãng phí năng lượng nhưng vẫn đáp ứng đủ mômen khởi động và tải trọng làm việc.

Dựa trên sơ đồ thay đổi tải trọng bậc, công suất tương đương trên trục công tác được tính toán từ lực kéo $F = 3700\text{ N}$ và vận tốc $v = 2{,}86\text{ m/s}$. Hiệu suất chung của hệ thống được tổng hợp từ hiệu suất khớp nối, các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc, bộ truyền xích và các cặp ổ lăn.

Thông số Động cơ Trục I Trục II Trục III Trục công tác
Công suất $P$ (kW) — 12,69 — — —
Tỉ số truyền $u$ — 1 3,01 — —
Số vòng quay $n$ (vg/ph) 2895 2895 804,02 — —
Mômen xoắn $T$ (Nm) 41,59 — — — —

Kết quả chương 1 xác định được động cơ điện có tốc độ định mức $n_{đc} = 2895\text{ vg/ph}$, mômen xoắn trên trục động cơ $T_{đc} = 41{,}59\text{ Nm}$, công suất truyền đến trục I của hộp giảm tốc đạt $P_1 = 12{,}69\text{ kW}$.

Chương 2: Thiết kế bộ truyền xích

Chương 2 tính toán bộ truyền xích ống con lăn đặt ngoài hộp giảm tốc nối từ trục ra của hộp giảm tốc đến trục tang xích tải, làm việc 3 ca/ngày trong môi trường va đập nhẹ.

Các bước tính toán xác định số răng đĩa xích $z_1 = 25$, $z_2 = 50$, tỉ số truyền thực tế $u = 2$. Hệ số sử dụng xích $K$ được tính toán tổng hợp từ hệ số tải trọng động ($K_đ$), hệ số khoảng cách trục ($K_a$), hệ số bố trí ($K_0$), hệ số điều chỉnh lực căng ($K_{đc}$), hệ số bôi trơn ($K_b$) và hệ số chế độ làm việc 3 ca ($K_c$).

Hạng mục thông số Ký hiệu Giá trị tính toán Giá trị cho phép / Tiêu chuẩn Đánh giá
Loại xích — Xích ống con lăn 1 dãy Tiêu chuẩn Đạt
Bước xích $p_c$ 44,45 mm — Đạt
Số răng đĩa xích dẫn / bị dẫn $z_1 / z_2$ 25 / 50 răng — Đạt
Khoảng cách trục $a$ 1886,29 mm — Đạt
Số mắt xích $X$ 123 mắt — Đạt
Chiều dài xích $L$ 5467,38 mm — Đạt
Đường kính vòng chia đĩa dẫn / bị dẫn $d_1 / d_2$ 353,72 / 707,44 mm — Đạt
Đường kính vòng đỉnh đĩa dẫn / bị dẫn $d_{a1} / d_{a2}$ 384,84 / 738,56 mm — Đạt
Số vòng quay đĩa dẫn $n_1$ 251,3 vg/ph $\le 400\text{ vg/ph}$ Thỏa mãn
Số lần va đập trong 1 giây $u$ 3,41 lần/s $\le 12\text{ lần/s}$ Thỏa mãn
Lực tác dụng lên trục $F_r$ 2811,93 N — —
Hệ số an toàn $S$ Thỏa mãn $\ge [s] = 10{,}5$ Thỏa mãn

Chương 3: Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp nhanh và cấp chậm

Chương 3 trình bày tính toán thiết kế chi tiết cho hai cặp bánh răng trong hộp giảm tốc 2 cấp, bao gồm tính chọn vật liệu, nhiệt luyện, tính toán kích thước hình học và kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc, độ bền uốn theo tiêu chuẩn.

A. Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng cấp nhanh

  • Bánh dẫn: Thép C45 tôi cải thiện, độ rắn HB 241–285; Bánh bị dẫn: Thép C45 thường hóa, độ rắn HB 170–217.
  • Cấp chính xác chế tạo: Cấp 8.
  • Kích thước hình học: Khoảng cách trục $a_w = 120\text{ mm}$, môđun pháp $m_n = 2\text{ mm}$, góc nghiêng răng $\beta = 16{,}6^\circ$, số răng $z_1 = 25$, $z_2 = 90$, chiều rộng vành răng bánh dẫn $b_1 = 29\text{ mm}$, bánh bị dẫn $b_2 = 24\text{ mm}$.
  • Đường kính vòng chia: $d_1 = 52{,}17\text{ mm}$, $d_2 = 187{,}83\text{ mm}$; Đường kính đỉnh răng: $d_{a1} = 56{,}17\text{ mm}$, $d_{a2} = 191{,}83\text{ mm}$.
  • Kết quả kiểm nghiệm bền: Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 446{,}58\text{ MPa} \le [\sigma_H]$; Ứng suất uốn $\sigma_{F1}, \sigma_{F2}$ đều nhỏ hơn ứng suất uốn cho phép ($[\sigma_{F2}] = 205\text{ MPa}$), bảo đảm khả năng làm việc không bị tróc rỗ hay gãy răng.

B. Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng cấp chậm

  • Bánh dẫn: Thép 40Cr tôi bề mặt, độ rắn HRC 45–50; Bánh bị dẫn: Thép 40Cr tôi thể tích, độ rắn HRC 40–45.
  • Cấp chính xác chế tạo: Cấp 9.
  • Kích thước hình học: Khoảng cách trục $a_w = 126\text{ mm}$, môđun $m = 3\text{ mm}$, số răng $z_1 = 20$, $z_2 = 64$, chiều rộng vành răng $b_1 = 42{,}8\text{ mm}$, $b_2 = 37{,}8\text{ mm}$.
  • Đường kính vòng chia: $d_1 = 60\text{ mm}$, $d_2 = 192\text{ mm}$; Đường kính đỉnh răng: $d_{a1} = 66\text{ mm}$, $d_{a2} = 198\text{ mm}$.
  • Kết quả kiểm nghiệm bền: Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 763{,}49\text{ MPa} \le [\sigma_H]$; Ứng suất uốn bánh dẫn $\sigma_{F1} = 285{,}87\text{ MPa} \le [\sigma_{F1}]$, bảo đảm điều kiện bền uốn và bền tiếp xúc.

C. Kiểm tra điều kiện bôi trơn hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc được bôi trơn ngâm dầu bằng bể chứa chung ở đáy vỏ hộp. Mức dầu cần thỏa mãn điều kiện ngập răng bánh răng bị dẫn cấp nhanh và không ngập quá $1/3$ bán kính bánh răng lớn cấp chậm ($R_4$). Bất đẳng thức bôi trơn được kiểm nghiệm: do bán kính bánh răng cấp chậm lớn hơn khoảng cách giới hạn nên kết cấu ngâm dầu hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật.

Chương 4: Thiết kế trục và phân tích lực

Chương 4 thực hiện phân tích lực tác dụng lên các bộ truyền và thiết kế chi tiết trục I của hộp giảm tốc.

Lực tác dụng lên các bộ truyền được xác định:

  • Bộ truyền xích: Lực căng tác dụng lên trục $F_r = 2811{,}93\text{ N}$.
  • Khớp nối trục đàn hồi: Xác định mômen xoắn tính toán $T_t = k \cdot T$, tính lực vòng khớp nối $F_{kn}$ tác dụng lên đầu vào trục I.
  • Bánh răng nghiêng cấp nhanh: Lực vòng $F_{t1}$, lực hướng tâm $F_{r1}$, lực dọc trục $F_{a1}$.
  • Bánh răng thẳng cấp chậm: Lực vòng $F_{t2}$, lực hướng tâm $F_{r2}$ ($F_{a2} = 0$).

Quá trình tính toán trục I:

  • Vật liệu chế tạo: Thép C45 có ứng suất xoắn sơ bộ cho phép $[\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$.
  • Xác định đường kính sơ bộ ngõng trục và khoảng cách giữa các gối đỡ, vị trí lắp bánh răng và khớp nối theo bảng kết cấu tiêu chuẩn.
  • Thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học mômen và lực trong mặt phẳng ngang ($xOz$) và mặt phẳng đứng ($yOz$) để tìm phản lực tại 2 gối đỡ ổ lăn:
    • Phương trình cân bằng mômen: $\sum M_{y(A)} = 0 \Rightarrow$ xác định phản lực gối đỡ theo phương ngang;
    • Phương trình cân bằng lực: $\sum F_x = 0$;
    • Phân tích lực trong mặt phẳng đứng có tính đến mômen do lực dọc trục $F_{a1}$ gây ra trên vành bánh răng nghiêng.
  • Vẽ biểu đồ phân bố mômen uốn $M_x, M_y$ và mômen xoắn $T$ trên toàn bộ chiều dài trục I làm cơ sở kiểm tra hệ số an toàn tĩnh và mỏi.

Chương 5: Tính chọn ổ lăn, then và nối trục đàn hồi

Theo danh mục mục lục và cấu trúc thuyết minh của đề tài, chương 5 bao gồm các nội dung hoàn thiện hệ thống:

  • Kiểm nghiệm độ bền dập và độ bền cắt của mối ghép then trên trục I và trục II theo mômen xoắn truyền động;
  • Tính chọn kích thước và kiểm nghiệm tuổi thọ danh định của các cụm ổ lăn đỡ - chặn / ổ bi đỡ trên trục I và trục II dựa trên tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục tổng hợp;
  • Tính chọn kích thước tiêu chuẩn của nối trục vòng đàn hồi liên kết giữa trục động cơ và trục I của hộp giảm tốc.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật cho hệ thống dẫn động xích tải với các kết quả cụ thể:

Hạng mục bộ truyền Thông số hình học chính Vật liệu & Nhiệt luyện Giá trị ứng suất tính toán Kết luận kiểm nghiệm
Xích ống con lăn $p_c = 44{,}45\text{ mm}$, $z_1 = 25, z_2 = 50$, $a = 1886{,}29\text{ mm}$, $X = 123$ Tiêu chuẩn xích ống con lăn 1 dãy $n_1 = 251{,}3\text{ vg/ph}$, số va đập $u = 3{,}41\text{ lần/s}$ Thỏa mãn điều kiện mòn, va đập và an toàn ($S \ge [s]$)
Bánh răng cấp nhanh (Răng nghiêng) $a_w = 120\text{ mm}, m_n = 2\text{ mm}$, $\beta = 16{,}6^\circ, z_1 = 25, z_2 = 90$, $b_1 = 29\text{ mm}, b_2 = 24\text{ mm}$ Bánh dẫn: C45 tôi cải thiện (HB 241-285); Bánh bị dẫn: C45 thường hóa (HB 170-217) $\sigma_H = 446{,}58\text{ MPa}$ Thỏa mãn độ bền tiếp xúc $[\sigma_H]$ và độ bền uốn $[\sigma_F]$
Bánh răng cấp chậm (Răng thẳng) $a_w = 126\text{ mm}, m = 3\text{ mm}$, $z_1 = 20, z_2 = 64$, $b_1 = 42{,}8\text{ mm}, b_2 = 37{,}8\text{ mm}$ Bánh dẫn: 40Cr tôi bề mặt (HRC 45-50); Bánh bị dẫn: 40Cr tôi thể tích (HRC 40-45) $\sigma_H = 763{,}49\text{ MPa}$, $\sigma_{F1} = 285{,}87\text{ MPa}$ Thỏa mãn độ bền tiếp xúc $[\sigma_H]$ và độ bền uốn $[\sigma_F]$
Hệ thống bôi trơn Mức ngập dầu thỏa mãn điều kiện ngâm dầu bánh răng Dầu công nghiệp cho hộp giảm tốc Bất đẳng thức bôi trơn được thỏa mãn Bôi trơn ngâm dầu an toàn cho cả 2 cấp

Đóng góp chính của đề tài:

  • Xây dựng chuỗi tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh và logic cho hệ dẫn động xích tải phân đôi cấp nhanh theo chế độ tải trọng thay đổi 3 bậc thời gian;
  • Tối ưu hóa việc phối hợp vật liệu: sử dụng thép C45 cho cấp nhanh để giảm chi phí chế tạo và thép hợp kim 40Cr tôi bề mặt cho cấp chậm nhằm chịu tải trọng tiếp xúc và uốn lớn hơn;
  • Thiết lập đầy đủ sơ đồ phân tích lực không gian và biểu đồ nội lực mômen trục, bảo đảm tính khả thi cho việc chế tạo và vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án (dựa trên phạm vi và nội dung văn bản):

  • Hệ thống chỉ khảo sát chế độ làm việc với tải trọng một chiều biến thiên 3 bậc trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn, chưa tính toán chi tiết cho trường hợp đảo chiều quay hoặc chịu quá tải đột ngột lớn;
  • Phần tính toán nhiệt và kiểm tra điều kiện cân bằng nhiệt của hộp giảm tốc làm việc liên tục 3 ca chưa được trình bày chi tiết trong phần trích dẫn văn bản;
  • Phần tính toán chi tiết cho trục II, trục III và kiểm nghiệm ổ lăn mới chỉ dừng lại ở bước lập danh mục bảng tính trong mục lục.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi và dao động cho toàn bộ hệ thống trục (trục II, trục III);
  • Tính toán nhiệt truyền dẫn và làm mát cưỡng bức cho vỏ hộp giảm tốc nếu nhiệt độ dầu vượt quá giới hạn cho phép khi làm việc liên tục 3 ca;
  • Lập mô hình mô phỏng động lực học và ứng suất 3D (FEA) trên phần mềm CAD/CAE để tối ưu hóa kết cấu vỏ hộp và trọng lượng toàn bộ hệ thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành trực tiếp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Chế tạo máy: Làm tài liệu mẫu phục vụ học phần Đồ án Thiết kế máy, Đồ án Chi tiết máy và Đồ án Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí;
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí: Tham khảo quy trình tính toán phân phối tỉ số truyền, lựa chọn động cơ theo chế độ tải trọng thay đổi bậc, và phương pháp tính toán cặp bánh răng phân đôi kết hợp bộ truyền xích ngoài;
  • Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án: Quy trình tính toán kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và uốn của cặp bánh răng nghiêng/thẳng (Chương 3); phương pháp phân tích lực không gian và giải phương trình cân bằng để vẽ biểu đồ mômen trục I (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện và tỉ số truyền của hệ thống được lựa chọn dựa trên cơ sở nào?
Động cơ điện 3 pha không đồng bộ được chọn dựa trên công suất tương đương quy đổi từ sơ đồ tải trọng thay đổi 3 bậc thời gian ($t_1 = 13\text{ s}, T_1 = T$; $t_2 = 46\text{ s}, T_2 = 0{,}2T$; $t_3 = 15\text{ s}, T_3 = 0$) với lực vòng $F = 3700\text{ N}$ và vận tốc xích tải $v = 2{,}86\text{ m/s}$. Động cơ có tốc độ $n_{đc} = 2895\text{ vg/ph}$, công suất truyền đến trục I đạt $P_1 = 12{,}69\text{ kW}$, phân phối tỉ số truyền cho cấp nhanh $u_1 = 3{,}01$, cấp chậm và bộ truyền xích ngoài $u_x = 2$.

2. Các thông số hình học và điều kiện kiểm nghiệm của bộ truyền xích ống con lăn là gì?
Bộ truyền xích sử dụng xích 1 dãy có bước xích $p_c = 44{,}45\text{ mm}$, số răng đĩa dẫn $z_1 = 25$, đĩa bị dẫn $z_2 = 50$, khoảng cách trục $a = 1886{,}29\text{ mm}$, số mắt xích $X = 123$. Bộ truyền thỏa mãn các điều kiện kiểm nghiệm: tốc độ quay đĩa dẫn $n_1 = 251{,}3\text{ vg/ph} \le 400\text{ vg/ph}$, số lần va đập $u = 3{,}41\text{ lần/s} \le 12\text{ lần/s}$, lực tác dụng lên trục $F_r = 2811{,}93\text{ N}$ và hệ số an toàn $S \ge 10{,}5$.

3. Tại sao có sự khác nhau về vật liệu và nhiệt luyện giữa cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm?
Cặp cấp nhanh chịu mômen xoắn nhỏ hơn nhưng tốc độ quay cao hơn, sử dụng thép C45 tôi cải thiện (bánh dẫn HB 241–285) và C45 thường hóa (bánh bị dẫn HB 170–217) với cấp chính xác 8 nhằm bảo đảm tính kinh tế và êm dịu khi ăn khớp răng nghiêng ($\beta = 16{,}6^\circ$). Cặp cấp chậm chịu mômen xoắn lớn, sử dụng thép hợp kim 40Cr tôi bề mặt (bánh dẫn HRC 45–50) và 40Cr tôi thể tích (bánh bị dẫn HRC 40–45) để đáp ứng ứng suất tiếp xúc lớn ($\sigma_H = 763{,}49\text{ MPa}$) và ứng suất uốn ($\sigma_{F1} = 285{,}87\text{ MPa}$).

4. Điều kiện bôi trơn ngâm dầu của hộp giảm tốc được xác định và kiểm tra như thế nào?
Hộp giảm tốc sử dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu chung trong vỏ hộp. Điều kiện bôi trơn đòi hỏi mức dầu ngập thấp nhất phải đạt $0{,}75 \div 2$ lần chiều cao răng bánh răng bị dẫn cấp nhanh (tối thiểu 10 mm) và mức dầu cao nhất không ngập quá $1/3$ bán kính bánh răng lớn cấp chậm. Qua tính toán kiểm tra bất đẳng thức hình học giữa các bánh răng, hộp giảm tốc đáp ứng hoàn toàn điều kiện bôi trơn ngâm dầu tiêu chuẩn.

5. Các thành phần lực nào tác dụng lên trục I của hộp giảm tốc?
Trục I chịu tác dụng của 3 nhóm lực trong không gian: lực vòng từ khớp nối đàn hồi ($F_{kn}$), lực ăn khớp trên bánh răng trụ răng nghiêng cấp nhanh bao gồm lực vòng $F_{t1}$, lực hướng tâm $F_{r1}$ và lực dọc trục $F_{a1}$ (gây ra mômen uốn phụ trên trục). Các lực này được phân tích vào hai mặt phẳng thẳng đứng ($yOz$) và nằm ngang ($xOz$) để tính phản lực tại hai gối đỡ ổ lăn và vẽ biểu đồ mômen uốn - xoắn.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải" (Đề 10, Phương án 6) của sinh viên Nguyễn Quang Minh đã hoàn thành đầy đủ quy trình tính toán động học, động lực học và độ bền cơ học cho hệ thống truyền động công nghiệp theo tải trọng bậc. Mọi thông số từ chọn động cơ điện, thiết kế bộ truyền xích, hai cấp bánh răng trong hộp giảm tốc đến phân tích nội lực trục I đều được kiểm nghiệm thỏa mãn các tiêu chuẩn độ bền mỏi tiếp xúc, mỏi uốn và điều kiện bôi trơn theo TCVN. Đây là công trình đồ án mẫu mực, cung cấp đầy đủ luận cứ kỹ thuật, số liệu tính toán giải tích và cơ sở kết cấu chính xác phục vụ cho công tác chế tạo và giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí.