Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đào tạo kỹ thuật cơ khí, việc trang bị hệ thống thiết bị dạy học trực quan đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao chất lượng tiếp thu lý thuyết và phát triển kỹ năng thực hành cho sinh viên. Đối với học phần Bảo trì công nghiệp, sinh viên cần nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc và kỹ thuật cân chỉnh các cụm truyền động cơ khí cơ bản. Tuy nhiên, việc thực hành trực tiếp trên các dây chuyền công nghiệp thực tế thường gặp khó khăn do yêu cầu an toàn, chi phí vận hành cao và tính chất cố định của máy móc. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống truyền động cơ khí dùng trong giảng dạy môn bảo trì công nghiệp" (Mã số đề tài: CKM-121) được thực hiện tại Bộ môn Bảo trì Công nghiệp, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống truyền động cơ khí thông dụng và các phương pháp tháo lắp, cân chỉnh bộ truyền trong bảo trì công nghiệp.
  2. Tính toán, thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí và các cơ cấu tạo sai lệch, điều chỉnh sai lệch phục vụ mục đích giảng dạy.
  3. Gia công chế tạo, lắp ráp hoàn thiện mô hình phần cứng đảm bảo tính trực quan, dễ thao tác và an toàn.
  4. Xây dựng quy trình hướng dẫn thực hành tháo lắp, tạo lỗi và cân chỉnh cho từng cụm truyền động.
  5. Chạy thử nghiệm thực tế, đánh giá khả năng tạo sai lệch và độ chính xác của các cơ cấu cân chỉnh trên mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động cơ khí bao gồm các bộ truyền cơ bản (đai, bánh răng, xích, khớp nối, trục và ổ bi) cùng các cơ cấu tạo và khử sai lệch vị trí.
  • Phạm vi không gian và kích thước: Mô hình được thiết kế gói gọn trong kích thước giới hạn $l \times w \times h = 1000\text{ mm} \times 800\text{ mm} \times 500\text{ mm}$.
  • Thông số kỹ thuật ban đầu: Công suất dẫn động $P = 1{,}1\text{ kW}$, tốc độ quay đầu ra đạt $90\text{ vòng/phút}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp chế tạo thực nghiệm và kiểm tra đo đạc thực tế:

  • Khung lý thuyết tính toán thiết kế máy: Toàn bộ quá trình tính toán động học và động lực học của hệ thống dẫn động được thực hiện dựa trên hệ thống công thức và chỉ dẫn kỹ thuật trong tài liệu "Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí" (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển):
    • Xác định công suất cần thiết trên trục động cơ điện: $$P_{ct} = \frac{P_t}{\eta}$$ với $\eta$ là hiệu suất chung của toàn hệ thống, xác định qua tích hiệu suất các bộ truyền và cặp ổ lăn ($\eta = \eta_{đai} \cdot \eta_{bánh_răng} \cdot \eta_{xích} \cdot \eta_{ổ}^k$).
    • Phân phối tỷ số truyền toàn bộ $u_t$ cho các bộ truyền thành phần: $u_t = u_n \cdot u_h$ (trong đó $u_n$ là tỷ số truyền ngoài hộp gồm đai hoặc xích, $u_h$ là tỷ số truyền của hộp giảm tốc bánh răng).
    • Tính toán độ bền tiếp xúc $[\sigma_H]$, độ bền uốn $[\sigma_F]$ và kiểm nghiệm quá tải cho bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng; tính toán số đai $z$, lực căng ban đầu $F_0$, lực tác dụng lên trục $F_r$ của bộ truyền đai thang; xác định bước xích $p$, số răng đĩa xích $z_1, z_2$ và kiểm nghiệm độ bền mỏi của bộ truyền xích con lăn.
    • Tính toán thiết kế trục, then và kiểm nghiệm khả năng tải động, tải tĩnh của ổ lăn.
  • Nguyên lý cơ cấu điều chỉnh: Ứng dụng nguyên lý dịch chuyển tịnh tiến bằng lỗ rãnh (slots) và nguyên lý truyền động vít me – đai ốc (dùng bu lông, vít tỳ, gối đẩy) để tạo chuyển vị thẳng và xoay góc có kiểm soát.
  • Công cụ phần mềm: Ứng dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ kỹ thuật 2D và Autodesk Inventor để xây dựng mô hình 3D, mô phỏng động thái làm việc và kiểm tra va chạm không gian trước khi chế tạo.
  • Phương pháp gia công chế tạo: Sử dụng các máy công cụ cơ khí (tiện, phay, khoan, cắt kim loại) để gia công các chi tiết khung bệ, gối đỡ, trục và đồ gá; tiến hành tổ hợp lắp ráp và hiệu chỉnh cơ khí.
  • Dụng cụ đo kiểm và bảo trì: Sử dụng đồng hồ so gắn chân đế từ, thước cặp cơ khí, cảo ba chấu chuyên dụng tháo vòng bi, bộ cờ lê và tua vít.

Thiết kế và triển khai mô hình hệ thống kỹ thuật

Để phục vụ đào tạo đa dạng nội dung thực hành, đề tài phân chia cấu trúc truyền động của mô hình thành hai phương án sơ đồ động học:

Đặc tính Sơ đồ truyền động 1 Sơ đồ truyền động 2
Cấu trúc liên kết Động cơ $\rightarrow$ Khớp nối $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng $\rightarrow$ Bộ truyền xích $\rightarrow$ Gối đỡ trục Động cơ $\rightarrow$ Bộ truyền đai thang $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng $\rightarrow$ Bộ truyền xích $\rightarrow$ Gối đỡ trục
Nội dung thực hành chính Cân chỉnh độ đồng tâm giữa trục motor và trục vào hộp giảm tốc; cân chỉnh bộ truyền xích. Cân chỉnh độ song song và góc lệch giữa hai puly đai thang; điều chỉnh độ căng đai; cân chỉnh bộ truyền xích.
Vai trò của hộp giảm tốc Làm mốc chuẩn cố định định vị sai lệch Làm mốc chuẩn cố định định vị sai lệch

Cơ cấu tạo và cân chỉnh sai lệch được nghiên cứu cải tiến để phù hợp môi trường sư phạm:

  • Hạn chế của thiết kế công nghiệp truyền thống: Trong máy công nghiệp, việc cân chỉnh độ cao hoặc góc nghiêng trục thường sử dụng các tấm chêm (shims) đặt dưới chân đế. Phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian nới lỏng bu lông, tháo lắp chêm, dễ gây thất lạc và khó quan sát trực quan trong các buổi thực hành có tần suất thao tác cao.
  • Giải pháp cải tiến trên mô hình: Thiết kế các cụm điều chỉnh độc lập theo hệ tọa độ 3 chiều ($X, Y, Z$):
    • Phương $Z$ (thẳng đứng): Bố trí vít me tỳ trực tiếp từ trên xuống hoặc từ dưới lên, giúp nâng hạ góc nghiêng và độ cao trục mà không cần dùng tấm chêm rời.
    • Phương $X$ và $Y$ (ngang và dọc): Kết hợp hệ thống lỗ rãnh dẫn hướng trên đế trượt và các gối đẩy vít me bên hông, cho phép tịnh tiến và xoay góc cụm motor hoặc gối đỡ trục một cách chính xác.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự chủ thiết kế, chế tạo thiết bị dạy học trong nước; nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc chuẩn hóa tài liệu đào tạo kỹ thuật bảo trì và ý nghĩa thực tiễn trong việc rèn luyện kỹ năng thực hành cho sinh viên. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế mô hình truyền động cơ khí tích hợp, xác lập phạm vi công suất $1{,}1\text{ kW}$, tốc độ $90\text{ v/p}$, kích thước $1000\text{ mm} \times 800\text{ mm} \times 500\text{ mm}$ và cấu trúc 7 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Tổng hợp và đánh giá các mô hình dạy học hiện có:

  • Nghiên cứu quốc tế: Khảo sát mô hình MEC-200 của hãng SMC và mô hình cân chỉnh trục – bánh răng của hãng AMATROL, phân tích ưu điểm về tính chuyên nghiệp nhưng giá thành cao và tính linh hoạt theo chương trình nội địa còn hạn chế.
  • Nghiên cứu trong nước: Đánh giá các mô hình truyền động cơ khí tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (do TS. Đặng Quang Khoa hướng dẫn) và Đại học Bách Khoa TP.HCM.
  • Đề xuất phương án: Chỉ ra các tồn tại về độ phức tạp khi gom tất cả bộ truyền vào một chuỗi truyền động duy nhất. Tác giả đề xuất chia thành 2 sơ đồ động tách biệt và thay thế cơ cấu chêm công nghiệp bằng hệ thống vít me – rãnh trượt điều chỉnh 3 trục ($X, Y, Z$).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày đầy đủ hệ thống lý thuyết và phương pháp tính toán:

  • Quy trình chọn công suất động cơ, xác định số vòng quay sơ bộ và phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài.
  • Lý thuyết tính toán truyền động đai thang: xác định tiết diện đai, đường kính bánh đai ($d_1, d_2$), khoảng cách trục $a$, chiều dài đai $l$, góc ôm $\alpha_1$, số đai $z$, lực căng $F_0$ và lực tác dụng lên trục $F_r$.
  • Lý thuyết tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng: chọn vật liệu thép (nhóm I độ rắn $\text{HB} \le 350$), ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép, khoảng cách trục $a_w$, môđun pháp $m$, số răng $z_1, z_2$, góc nghiêng $\beta$.
  • Lý thuyết tính toán thiết kế trục, then và chọn ổ bi đỡ chặn/ổ bi đỡ lòng cầu.
  • Lý thuyết tính toán truyền động xích con lăn: chọn bước xích $p$, số mắt xích $X$, kiểm nghiệm độ bền mỏi.
  • Nguyên lý dụng cụ đo kiểm bảo trì (đồng hồ so, thước cặp, cảo tháo vòng bi) và nguyên lý hoạt động của cơ cấu đai ốc – vít me, rãnh trượt.

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí

Áp dụng lý thuyết vào thiết kế chi tiết với số liệu đầu vào $P = 1{,}1\text{ kW}$, tốc độ đầu ra $n = 90\text{ v/p}$:

  • Tính chọn quy cách động cơ điện và xác định tỷ số truyền các cấp.
  • Thiết kế bộ truyền đai thang và kiểm nghiệm khả năng kéo, xác định tải trọng tác dụng lên trục động cơ.
  • Thiết kế hình học và kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, khả năng chịu quá tải của cặp bánh răng trong hộp giảm tốc.
  • Tính toán đường kính các đoạn trục, vẽ biểu đồ mômen uốn – mômen xoắn trên trục 1 và trục 2; kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi và độ cứng.
  • Chọn khớp nối trục phù hợp mômen xoắn và đường kính trục; tính chọn then bán nguyệt/then bằng; kiểm nghiệm tuổi thọ vòng bi.
  • Thiết kế chi tiết các cụm gá đỡ, rãnh trượt tịnh tiến, cơ cấu gối đẩy và vít tỳ điều chỉnh vị trí theo các phương không gian.

Chương 5: Cân chỉnh bộ truyền động

Xây dựng cẩm nang kỹ thuật thực hành chi tiết cho sinh viên:

  • Cân chỉnh đồng tâm trục: Phân tích nguyên nhân và tác hại của sai lệch trục (lệch song song, lệch góc); hướng dẫn phương pháp đánh lỗi lệch tâm (theo phương $X, Y$) và quy trình dùng đồng hồ so để khử sai lệch đưa về giới hạn cho phép.
  • Cân chỉnh bộ truyền đai: Hướng dẫn nhận diện lỗi lệch song song hai bánh đai, lỗi lệch góc puly; quy trình dùng thước thẳng và vít căn chỉnh để đưa hai puly về cùng mặt phẳng làm việc; kỹ thuật đo và chỉnh độ căng đai.
  • Cân chỉnh bộ truyền xích: Kỹ thuật căn chỉnh độ thẳng hàng của hai đĩa xích và điều chỉnh độ võng của nhánh xích bị động.
  • Kỹ thuật tháo lắp ổ bi và khớp nối: Hướng dẫn quy trình lắp ổ bi vào ngỗng trục và gối đỡ bằng lực ép đều hoặc nhiệt, cách cài phe định vị trục; kỹ thuật tháo vòng bi bằng cảo 3 chấu an toàn; quy trình bắt chặt bu lông động cơ theo đường chéo đối xứng.

Chương 6: Kết quả thực nghiệm – Đánh giá

Trình bày kết quả kiểm nghiệm trên mô hình thực tế:

  • Lắp đặt hoàn chỉnh và vận hành thử nghiệm cả 2 sơ đồ truyền động:
    • Sơ đồ 1: Cụm Motor – Khớp nối – Hộp giảm tốc – Bộ truyền xích – Gối đỡ.
    • Sơ đồ 2: Cụm Motor – Bộ truyền đai – Hộp giảm tốc – Bộ truyền xích – Gối đỡ.
  • Đánh giá khả năng tạo sai lệch có chủ đích: tạo thành công các dạng lỗi lệch song song trục, lệch góc trục, lệch mặt phẳng puly đai và lệch đĩa xích.
  • Đánh giá khả năng cân chỉnh: Các cơ cấu vít me, gối đẩy và lỗ rãnh cho phép triệt tiêu sai lệch về trong phạm vi dung sai cho phép một cách nhẹ nhàng, chính xác, không đòi hỏi sức lực lớn và rút ngắn thời gian thao tác so với việc chêm thủ công.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các kết quả đạt được về mặt tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, gia công cơ khí và xây dựng bài giảng thực hành; đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho mô hình.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo sản phẩm phục vụ dạy học với các kết quả cụ thể:

Hạng mục Kết quả đạt được
Mô hình phần cứng 01 mô hình hoàn chỉnh kích thước $1000 \times 800 \times 500\text{ mm}$, tích hợp đầy đủ: Động cơ $1{,}1\text{ kW}$, bộ truyền đai thang, bộ truyền xích con lăn, hộp giảm tốc bánh răng, khớp nối trục, gối đỡ và các cơ cấu cân chỉnh $X-Y-Z$.
Khả năng chuyển đổi sơ đồ Thiết lập linh hoạt 02 sơ đồ động học độc lập phục vụ các bài học khác nhau trên cùng một khung máy.
Cơ cấu cân chỉnh cải tiến Thay thế toàn bộ giải pháp chêm tấm công nghiệp bằng hệ vít me - gối đẩy và rãnh trượt bố trí trực quan bên ngoài, cho phép thao tác cân chỉnh độ cao, độ nghiêng và vị trí tịnh tiến nhanh chóng.
Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật Biên soạn đầy đủ quy trình thực hành: tạo lỗi chủ định, đo đạc bằng đồng hồ so/thước cặp, cân chỉnh đồng tâm trục, chỉnh độ thẳng hàng puly/đĩa xích và tháo lắp ổ bi an toàn.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc chuyển hóa các kiến thức lý thuyết tính toán chi tiết máy và bảo trì thành một mô hình thực hành trực quan, đa năng, giải quyết được nhược điểm thao tác khó khăn của các thiết bị công nghiệp khi đưa vào môi trường sư phạm, đồng thời tiết kiệm chi phí so với việc nhập khẩu các bộ thực hành từ nước ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Kích thước và công suất mô hình ($1{,}1\text{ kW}$) được tối ưu cho phòng thí nghiệm sư phạm nên chưa thể hiện hết các yếu tố rung động và biến dạng nhiệt như trên hệ thống công nghiệp tải trọng lớn.
  • Hệ thống đo kiểm hiện tại chủ yếu sử dụng các dụng cụ cơ khí truyền thống (đồng hồ so, thước cặp, thước thẳng), chưa tích hợp thiết bị đo quang học hiện đại.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tích hợp thêm thiết bị cân chỉnh đồng tâm trục và cân chỉnh dây đai bằng công nghệ tia laser để sinh viên tiếp cận kỹ thuật hiện đại.
  • Lắp đặt thêm các cảm biến đo độ rung (vibration sensor), cảm biến nhiệt độ nhằm phục vụ giảng dạy các chuyên đề giám sát tình trạng máy (Condition Monitoring) và bảo trì dự đoán.
  • Bổ sung các cụm truyền động khác như bộ truyền trục vít – bánh vít, bộ truyền bánh răng nôn hoặc bộ truyền đai răng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho các nhóm đối tượng:

  • Giảng viên và cơ sở đào tạo kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo để thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị dạy học tự làm; cung cấp giáo trình thực hành chi tiết cho các môn học Bảo trì công nghiệp, Dung sai lắp ghép và Chi tiết máy.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Bảo trì công nghiệp: Là tài liệu mẫu về quy trình tính toán hệ dẫn động cơ khí hoàn chỉnh (từ chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền, tính đai, xích, bánh răng, trục, ổ lăn đến then); đồng thời cung cấp kiến thức thực tế về các dạng hư hỏng, sai lệch trục và kỹ thuật cân chỉnh máy móc công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình hệ thống truyền động cơ khí này được thiết kế với các thông số kỹ thuật ban đầu nào?
Hệ thống được thiết kế với công suất dẫn động $1{,}1\text{ kW}$, tốc độ đầu ra của trục công tác là $90\text{ vòng/phút}$, kích thước tổng thể $l \times w \times h$ là $1000\text{ mm} \times 800\text{ mm} \times 500\text{ mm}$.

2. Hệ thống truyền động được phân chia thành mấy sơ đồ động và thành phần cụ thể là gì?
Mô hình được chia thành hai sơ đồ động:

  • Sơ đồ 1: Động cơ $\rightarrow$ Khớp nối $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng $\rightarrow$ Bộ truyền xích $\rightarrow$ Gối đỡ trục.
  • Sơ đồ 2: Động cơ $\rightarrow$ Bộ truyền đai thang $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng $\rightarrow$ Bộ truyền xích $\rightarrow$ Gối đỡ trục.

3. Tại sao tác giả không sử dụng tấm chêm điều chỉnh theo thiết kế máy công nghiệp mà lại thiết kế cơ cấu điều chỉnh riêng?
Trong công nghiệp, việc dùng tấm chêm (shims) để chỉnh sai lệch theo phương đứng đòi hỏi nhiều thời gian tháo lắp bu lông và dễ bị thất lạc trong môi trường đào tạo. Tác giả đã cải tiến bằng cách đưa cơ cấu vít me, gối đẩy và rãnh trượt lên phía trên và bên ngoài theo 3 trục tọa độ ($X, Y, Z$) giúp sinh viên dễ quan sát, thao tác nhanh và an toàn hơn.

4. Bộ phận nào đóng vai trò là mốc chuẩn cố định trong quá trình tạo và cân chỉnh sai lệch trên mô hình?
Bộ truyền bánh răng (hộp giảm tốc) được gắn cố định trên khung máy trong suốt quá trình thực hành để làm mốc chuẩn. Việc cân chỉnh đồng tâm trục hoặc cân chỉnh độ thẳng hàng của bộ truyền đai và bộ truyền xích được thực hiện thông qua việc dịch chuyển cụm motor và các gối đỡ trục.

5. Những dạng sai lệch nào có thể được thiết lập và cân chỉnh trên mô hình?
Mô hình cho phép thiết lập và cân chỉnh: sai lệch đồng tâm trục (lệch song song và lệch góc theo các phương $X, Y$), sai lệch bộ truyền đai (lệch song song hai bánh đai, lệch góc theo trục $X, Y$, điều chỉnh độ căng đai), và sai lệch bộ truyền xích (lệch phẳng đĩa xích, lệch góc và độ võng xích).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống truyền động cơ khí dùng trong giảng dạy môn bảo trì công nghiệp" đã hoàn thành xuất sắc việc tính toán lý thuyết hệ dẫn động, chế tạo thành công mô hình thực nghiệm và biên soạn quy trình hướng dẫn cân chỉnh thiết bị chi tiết. Sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật với công suất $1{,}1\text{ kW}$, tích hợp linh hoạt 2 sơ đồ truyền động và sở hữu cơ cấu cân chỉnh sai lệch $X-Y-Z$ cải tiến phù hợp cho môi trường đào tạo thực hành. Công trình là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị ứng dụng cao cho công tác giảng dạy chuyên ngành cơ khí và bảo trì công nghiệp.