Đồ Án I - Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải Tại Trường Đại Học Kinh Tế - Kỹ Thuật Công Nghiệp

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải
• Loại tài liệu: Đồ Án Chi Tiết Máy
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG 1: CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN TOÀN BỘ
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN NGOÀI
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRỤC

I. Tổng quan Đồ án Chi Tiết Máy Đề số 5 Hệ Dẫn Động

Bài viết này trình bày chi tiết quy trình Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải theo Đồ Án Chi Tiết Máy Đề Số 5. Đây là một đề tài kinh điển trong ngành cơ khí, đòi hỏi sinh viên phải vận dụng tổng hợp kiến thức về lựa chọn động cơ, phân phối tỉ số truyền, thiết kế các bộ truyền và trục. Mục tiêu của đồ án là thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh, từ khâu chọn động cơ điện 3 pha đến tính toán hộp giảm tốc và các bộ truyền ngoài, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về lực kéo, vận tốc và tuổi thọ. Hệ thống được thiết kế bao gồm một hộp giảm tốc phân đôi cấp nhanh, nối với động cơ qua khớp nối đàn hồi và nối với băng tải qua một bộ truyền đai. Toàn bộ quá trình tính toán, từ công suất, mô-men xoắn trên các trục đến việc kiểm nghiệm bền cho các chi tiết máy, đều được thực hiện một cách hệ thống. Tài liệu tham khảo chính cho toàn bộ quá trình tính toán là sách “Tính Toán Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí (Tập 1)”. Kết quả cuối cùng của đồ án không chỉ là bản thuyết minh đồ án chi tiết máy chi tiết mà còn bao gồm các bản vẽ kỹ thuật như bản vẽ lắp A0 và bản vẽ chi tiết A3, thể hiện đầy đủ thông số và kết cấu của hệ thống. Việc hoàn thành tốt đồ án CTM này là minh chứng cho năng lực thiết kế và giải quyết vấn đề kỹ thuật của người học, là nền tảng quan trọng cho các công việc kỹ sư trong tương lai.

1.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và sơ đồ động học

Yêu cầu thiết kế ban đầu là nền tảng cho mọi tính toán. Các thông số cho trước bao gồm lực kéo băng tải F = 14000 N, vận tốc băng tải v = 0.46 m/s, đường kính tang dẫn D = 304 mm, và thời hạn phục vụ Lh = 11000 giờ trong điều kiện làm việc 2 ca với va đập mạnh. Từ các thông số này, một sơ đồ động học được xây dựng để mô tả trực quan chuỗi truyền động. Sơ đồ bao gồm: Động cơ điện → Nối trục đàn hồi → Hộp giảm tốc (cấp nhanh răng nghiêng, cấp chậm răng thẳng) → Bộ truyền đai → Băng tải. Sơ đồ này giúp xác định các bộ phận cấu thành và trình tự truyền năng lượng, từ đó định hướng cho việc phân phối tỉ số truyền và tính toán công suất trên từng trục của hệ thống.

1.2. Ý nghĩa của việc lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp

Việc lựa chọn vật liệu chế tạo có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, kích thước và giá thành của sản phẩm. Trong đồ án này, các vật liệu tiêu chuẩn như thép C45 được ưu tiên sử dụng cho việc chế tạo trục và bánh răng. Thép C45 sau khi tôi cải thiện có thể đạt được độ cứng và giới hạn bền phù hợp cho các chi tiết chịu tải trọng trung bình và cao. Ví dụ, bánh răng được làm từ thép C45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB từ 180-350, đảm bảo khả năng chống mài mòn và chịu uốn tốt. Việc lựa chọn vật liệu hợp lý không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà còn tối ưu hóa chi phí sản xuất, một yếu tố quan trọng trong thiết kế cơ khí thực tế.

II. Cách chọn Động Cơ và Phân Phối Tỉ Số Truyền tối ưu

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải là lựa chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền. Một động cơ phù hợp phải đáp ứng được công suất yêu cầu sau khi đã tính toán tổn thất qua toàn bộ hệ thống, đồng thời có số vòng quay hợp lý. Quá trình này bắt đầu bằng việc xác định công suất trên trục công tác (trục băng tải) từ lực kéo và vận tốc cho trước. Tiếp theo, hiệu suất hệ thống (η) được tính toán dựa trên hiệu suất của từng bộ phận riêng lẻ như ổ lăn, khớp nối, bộ truyền đai và các cấp bánh răng trong hộp giảm tốc. Công suất cần thiết của động cơ được xác định bằng cách lấy công suất trên trục công tác chia cho hiệu suất chung. Sau khi có công suất, số vòng quay sơ bộ của động cơ được tính toán dựa trên số vòng quay của trục công tác và tỉ số truyền sơ bộ của toàn hệ thống. Dựa trên hai thông số này (công suất và số vòng quay), một động cơ điện 3 pha tiêu chuẩn được chọn từ catalog, đảm bảo điều kiện P_đc ≥ P_ct và n_đb ≈ n_sb. Cuối cùng, chọn tỉ số truyền chung (ut) được phân phối hợp lý cho hộp giảm tốc (uh) và bộ truyền ngoài (uđ) để đảm bảo kết cấu gọn nhẹ và hiệu quả làm việc.

2.1. Tính toán công suất cần thiết và hiệu suất hệ thống

Công suất trên trục máy công tác được tính theo công thức: Plv = (F * v) / 1000 = (14000 * 0.46) / 1000 = 6.44 kW. Hiệu suất hệ thống (η) được xác định bằng tích hiệu suất của các bộ phận: η = η_k * η_ol^4 * η_brn * η_brt * η_đ. Theo sách “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1)”, các giá trị hiệu suất được chọn như sau: η_k (khớp nối) = 0.99, η_ol (ổ lăn) = 0.995, η_brn (bánh răng nghiêng) = 0.97, η_brt (bánh răng thẳng) = 0.97, η_đ (đai) = 0.95. Từ đó, hiệu suất chung của hệ thống là η ≈ 0.867. Công suất cần thiết trên trục động cơ là Pct = Plv / η = 6.44 / 0.867 ≈ 7.428 kW. Đây là thông số cơ bản để chọn động cơ.

2.2. Lựa chọn động cơ 4A132S4Y3 và phân phối tỉ số truyền

Số vòng quay của trục công tác là n_lv = (60000 * v) / (π * D) ≈ 28.91 vòng/phút. Tỉ số truyền sơ bộ được chọn là u_t = u_h * u_đ = 20 * 2.5 = 50. Số vòng quay sơ bộ của động cơ là n_sbđc = n_lv * u_t ≈ 1445.5 vòng/phút. Dựa trên Pct ≈ 7.428 kW và n_sbđc ≈ 1445.5 vòng/phút, động cơ 4A132S4Y3 được chọn với công suất định mức P_đc = 7.5 kW và số vòng quay đồng bộ n_đb = 1455 vòng/phút, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu. Tỉ số truyền thực tế của hệ thống là u_t = n_đc / n_lv = 1455 / 28.91 ≈ 50.328. Tỉ số truyền này được phân phối cho bộ truyền đai là u_đ = 2.5, và cho hộp giảm tốc là u_h = u_t / u_đ ≈ 20.13, sau đó phân tiếp cho cấp nhanh và cấp chậm.

III. Hướng dẫn thiết kế và tính toán bộ truyền đai ngoài

Sau khi đã xác định các thông số động học, bước tiếp theo trong Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải là tính toán chi tiết cho bộ truyền ngoài. Trong Đồ Án Chi Tiết Máy Đề Số 5, bộ truyền đai được lựa chọn do khả năng làm việc êm, bảo vệ động cơ khỏi quá tải và kết cấu đơn giản. Quy trình thiết kế bắt đầu bằng việc chọn loại đai phù hợp dựa trên công suất truyền và vận tốc. Với công suất P3 = 6.675 kW và vận tốc băng tải thấp, đai dẹt được ưu tiên. Các thông số hình học chính cần xác định bao gồm đường kính bánh đai nhỏ (D1) và lớn (D2), khoảng cách trục (A), và chiều dài đai (L). Việc tính toán này phải đảm bảo tỉ số truyền thực tế không sai lệch quá nhiều so với tỉ số truyền đã phân phối. Một yếu tố quan trọng là kiểm nghiệm góc ôm trên bánh đai nhỏ (α1), vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải của bộ truyền. Cuối cùng, tiết diện đai (chiều rộng b) được xác định dựa trên ứng suất cho phép và lực vòng yêu cầu, từ đó tính ra lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục để phục vụ cho các bước tính toán trục và chọn ổ lăn sau này. Toàn bộ các công thức và bảng tra đều được tham khảo từ tài liệu hướng dẫn.

3.1. Xác định thông số hình học của bộ truyền đai

Dựa trên công thức kinh nghiệm, đường kính bánh đai nhỏ được chọn sơ bộ D1 = 200 mm. Vận tốc đai được kiểm nghiệm v = (π * D1 * n3) / 60000 ≈ 7.6 m/s, thỏa mãn điều kiện cho phép. Đường kính bánh đai lớn được tính theo công thức D2 = u_đ * D1 * (1 - ξ), với hệ số trượt ξ ≈ 0.02, ta được D2 ≈ 492 mm. Chọn D2 = 500 mm theo tiêu chuẩn. Khoảng cách trục được chọn A = 1100 mm. Chiều dài đai được tính toán là L ≈ 3320 mm. Các thông số này định hình kết cấu không gian của bộ truyền.

3.2. Kiểm nghiệm góc ôm và xác định lực tác dụng lên trục

Góc ôm trên bánh đai nhỏ được kiểm tra theo công thức α1 = 180° - 57° * (D2 - D1) / A ≈ 164.5°. Kết quả này lớn hơn giá trị tối thiểu cho phép (150°), do đó bộ truyền đảm bảo khả năng làm việc. Sau khi xác định các hệ số làm việc và ứng suất cho phép, chiều rộng đai cần thiết được tính toán là b ≈ 61.3 mm. Chọn chiều rộng tiêu chuẩn là b = 63 mm. Từ đó, lực căng ban đầu được xác định là F0 ≈ 621 N. Lực tổng hợp tác dụng lên trục từ bộ truyền đai được tính là Rđ = 2 * F0 * sin(α1/2) ≈ 1230.58 N. Giá trị này là tải trọng ngoài tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc, một thông số đầu vào quan trọng cho việc kiểm nghiệm bền trục.

IV. Quy trình thiết kế Hộp Giảm Tốc phân đôi cấp nhanh

Thiết kế hộp giảm tốc là phần cốt lõi của Đồ Án Chi Tiết Máy Đề Số 5. Hộp giảm tốc được chọn là loại phân đôi cấp nhanh, với cấp nhanh sử dụng bánh răng nghiêng để làm việc êm và chịu tải tốt hơn ở tốc độ cao, cấp chậm sử dụng bánh răng thẳng để đơn giản hóa công nghệ chế tạo. Quá trình thiết kế bắt đầu với việc chọn vật liệu chế tạo cho cặp bánh răng, thường là thép C45 tôi cải thiện. Tiếp theo, ứng suất cho phép về tiếp xúc [σH] và uốn [σF] được xác định. Đây là cơ sở để tính toán sơ bộ khoảng cách trục (aw) cho cả hai cấp. Từ khoảng cách trục và tỉ số truyền của từng cấp, các thông số ăn khớp chính như mô-đun (m), số răng (z1, z2), và góc nghiêng (β) được xác định. Sau khi có bộ thông số sơ bộ, bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền cho răng bánh răng. Răng được kiểm nghiệm về độ bền tiếp xúc (chống tróc rỗ bề mặt) và độ bền uốn (chống gãy răng). Các tính toán này đảm bảo rằng bộ truyền sẽ hoạt động ổn định trong suốt thời hạn phục vụ yêu cầu mà không bị phá hủy. Quá trình này được lặp lại cho cả hai cấp truyền động.

4.1. Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng cấp nhanh

Với tỉ số truyền u1 ≈ 5.69, khoảng cách trục sơ bộ được tính toán là aw1 ≈ 165 mm. Cấp nhanh sử dụng răng nghiêng, chọn góc nghiêng sơ bộ β = 10°. Mô-đun pháp được tính toán và chọn theo tiêu chuẩn là m = 2.5. Từ đó, số răng được xác định: z1 = 19 răng và z2 = 108 răng, cho tỉ số truyền thực tế là u_thực = 5.684, sai lệch rất nhỏ so với yêu cầu. Sau khi có các thông số cơ bản, răng bánh răng được kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy ứng suất sinh ra σH và σF đều nhỏ hơn ứng suất cho phép, chứng tỏ bộ truyền cấp nhanh đủ bền.

4.2. Tính toán và kiểm nghiệm bền cho bộ truyền cấp chậm

Bộ truyền cấp chậm có tỉ số truyền u2 ≈ 3.51, sử dụng bánh răng trụ răng thẳng. Khoảng cách trục sơ bộ tính được là aw2 ≈ 225 mm. Mô-đun được chọn là m = 2.5, đồng bộ với cấp nhanh. Số răng được xác định là z1 = 40 và z2 = 140. Tương tự cấp nhanh, quá trình kiểm nghiệm bền được thực hiện. Ứng suất tiếp xúc tính toán σH ≈ 347.3 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép [σH] = 491 MPa. Ứng suất uốn trên bánh răng nhỏ và lớn cũng đều thỏa mãn điều kiện bền. Điều này khẳng định các thông số hình học và vật liệu chế tạo được chọn cho bộ truyền cấp chậm là hoàn toàn hợp lý, đảm bảo khả năng làm việc an toàn và tin cậy.

V. Phương pháp tính toán Trục và chọn Ổ Lăn chính xác

Hoàn thành thiết kế các bộ truyền, bước tiếp theo trong Thiết Kế Hệ Dẫn Động Băng Tải là tính toán trục và lựa chọn các chi tiết máy phụ trợ như ổ lăn và then. Đây là giai đoạn định hình kết cấu và đảm bảo sự ổn định của toàn bộ hộp giảm tốc. Quá trình tính toán trục bắt đầu bằng việc chọn vật liệu, thường là thép C45. Đường kính sơ bộ của các trục được xác định dựa trên mô-men xoắn truyền qua chúng. Sau đó, một sơ đồ kết cấu trục được phác thảo, xác định khoảng cách giữa các gối đỡ (ổ lăn) và điểm đặt lực (bánh răng, bánh đai). Lực tác dụng từ các bộ truyền lên trục được phân tích và tính toán. Dựa vào đó, biểu đồ mô-men uốn và mô-men xoắn được xây dựng cho từng trục. Tại các tiết diện nguy hiểm, mô-men tương đương được tính để xác định đường kính chính xác của trục. Cuối cùng, trục được kiểm nghiệm bền mỏi để đảm bảo an toàn trong suốt quá trình làm việc lâu dài. Song song với đó, ổ lăn được chọn dựa trên đường kính ngõng trục và tải trọng tác dụng, sau đó kiểm tra về khả năng tải động để đảm bảo tuổi thọ yêu cầu.

5.1. Xây dựng biểu đồ mô men và xác định đường kính trục

Đối với mỗi trục (trục 1, 2, 3), các lực từ bánh răng và khớp nối hoặc bánh đai được xác định về phương, chiều và độ lớn. Dựa trên sơ đồ đặt lực và các phương trình cân bằng tĩnh học, phản lực tại các gối đỡ (ổ lăn) được tính toán. Từ đó, biểu đồ mô-men uốn trong hai mặt phẳng (M_x, M_y) và biểu đồ mô-men xoắn (T) được vẽ. Mô-men uốn tổng hợp M = sqrt(M_x² + M_y²) được xác định tại các tiết diện nguy hiểm. Mô-men tương đương M_td = sqrt(M² + (α * T)²) được tính toán để xác định đường kính trục theo công thức bền d ≥ ³√(M_td / (0.1 * [σ])). Quá trình này đảm bảo kích thước trục đủ lớn để chịu được tải trọng tổng hợp.

5.2. Lựa chọn và kiểm nghiệm tuổi thọ cho các ổ lăn

Việc chọn ổ lăn phụ thuộc vào tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục tác dụng lên ổ, cũng như đường kính ngõng trục đã được tính toán. Trong đồ án này, ổ bi đỡ chặn một dãy thường được sử dụng để chịu tải trọng tổng hợp. Sau khi chọn được mã hiệu ổ lăn từ catalog, ví dụ ổ 307 cho trục 2, tải trọng động quy ước (Q) được tính toán. Tuổi thọ của ổ (tính bằng triệu vòng quay) được xác định theo công thức L = (C/Q)³, trong đó C là khả năng tải động của ổ tra từ catalog. Tuổi thọ tính bằng giờ sau đó được so sánh với tuổi thọ yêu cầu của hệ thống (Lh = 11000 giờ) để đảm bảo ổ lăn hoạt động bền bỉ trong suốt vòng đời thiết kế của máy.

VI. Hoàn thiện thuyết minh và Bản vẽ Chi Tiết Máy A0 A3

Giai đoạn cuối cùng của Đồ Án Chi Tiết Máy Đề Số 5 là tổng hợp toàn bộ quá trình tính toán vào một bản thuyết minh đồ án chi tiết máy hoàn chỉnh và thể hiện kết quả thiết kế qua các bản vẽ kỹ thuật. Bản thuyết minh đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật, trình bày một cách logic và có hệ thống tất cả các bước, từ phân tích yêu cầu, chọn tỉ số truyền, tính toán các bộ truyền đến kiểm nghiệm bền cho trục và các chi tiết khác. Nó phải bao gồm các công thức, bảng tra, và các kết luận rõ ràng cho mỗi phần. Song song đó, các bản vẽ chi tiết máy là sản phẩm trực quan hóa của quá trình thiết kế. Bản vẽ lắp A0 của hộp giảm tốc thể hiện kết cấu tổng thể, vị trí tương đối của các chi tiết như bánh răng, trục, ổ lăn, vỏ hộp, và các chi tiết phụ. Các bản vẽ chi tiết A3 thể hiện đầy đủ hình dáng, kích thước, dung sai, và yêu cầu kỹ thuật của các chi tiết quan trọng cần gia công như trục và bánh răng. Việc hoàn thiện cả thuyết minh và bản vẽ là bước quan trọng để đảm bảo thiết kế có thể được chế tạo, lắp ráp và vận hành trong thực tế.

6.1. Cấu trúc và nội dung của bản thuyết minh đồ án CTM

Một bản thuyết minh đồ án chi tiết máy chuẩn cần có cấu trúc rõ ràng, thường bao gồm các chương tương ứng với các bước thiết kế. Bắt đầu với việc xác định nhiệm vụ thiết kế, tiếp theo là chương chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền. Các chương sau đó đi sâu vào tính toán từng bộ phận: bộ truyền ngoài, bộ truyền xích hoặc đai, các cấp bánh răng trong hộp giảm tốc, tính toán và thiết kế trục, chọn các chi tiết máy tiêu chuẩn như then, ổ lăn, khớp nối. Mỗi chương phải trình bày đầy đủ cơ sở lý thuyết, các công thức áp dụng, quá trình tính toán và kết quả cuối cùng. Cuối thuyết minh là phần tổng kết và danh mục tài liệu tham khảo. Phong cách trình bày cần rõ ràng, khoa học và nhất quán.

6.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với bản vẽ lắp A0 và bản vẽ chi tiết

Các bản vẽ kỹ thuật phải tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về trình bày. Bản vẽ lắp A0 phải thể hiện được ít nhất hai hình chiếu chính, thể hiện rõ ràng kết cấu lắp ghép của toàn bộ hộp giảm tốc. Nó phải bao gồm bảng kê chi tiết, ghi rõ tên gọi, số lượng, và vật liệu chế tạo của từng chi tiết. Các bản vẽ chi tiết A3 cho các bộ phận như trục và bánh răng phải có đủ hình chiếu cần thiết, kích thước, dung sai lắp ghép, độ nhám bề mặt, và các yêu cầu kỹ thuật khác như nhiệt luyện. Sự chính xác và đầy đủ của các bản vẽ này quyết định trực tiếp đến chất lượng của sản phẩm khi được chế tạo.