Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Tải Học Kỳ 211 Năm Học 2021-2022

• Trường học: Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Tải Tại Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN 1: XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ PHẦN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN
• 1.1. Chọn hiệu suất của hệ thống
• 1.2. PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN
• 1.3. Tinh momen xoắn trên các trục
• 1.4. Bảng đặc tính
• 2. PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT MÁY
• 2.1. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN XÍCH
• 2.2. TINH TOAN THIET KE BO TRUY EN BANH RANG TRỤ RĂNG NGHIÊNG
• 2.2.1. Thông số ban đầu
• 2.2.2. Chọn vật liệu
• 2.2.3. Xác định ứng suất cho phép
• 2.2.4. Xác định sơ bộ khoảng cách trục
• 2.2.5. Xác định các thông số ăn khớp
• 2.2.6. Xác định kích thước bộ truyền
• 2.2.7. Xác định kích thước bộ truyền (tiếp tục)
• 2.3. CHỌN THÂN MÁY, CÁC CHI TIẾT PHỤ VÀ DUNG SAI LẮP GHÉP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Hệ Dẫn Động Thùng Tải Bách Khoa TPHCM

Việc thiết kế hệ thống dẫn động thùng tải là một trong những đồ án chi tiết máy nền tảng và quan trọng nhất tại Khoa Cơ khí Bách Khoa TPHCM. Đồ án này không chỉ tổng hợp kiến thức từ nhiều môn học cốt lõi như Nguyên lý máy, Chi tiết máy, Vẽ kỹ thuật, mà còn là cơ hội để sinh viên áp dụng lý thuyết vào giải quyết một bài toán kỹ thuật thực tế. Một hệ thống vận chuyển vật liệu hiệu quả đòi hỏi sự chính xác từ khâu phân tích yêu cầu, tính toán công suất đến thiết kế chi tiết từng bộ phận. Cấu trúc điển hình của hệ thống này bao gồm một động cơ điện làm nguồn cấp, truyền chuyển động qua hộp giảm tốc để điều chỉnh tốc độ và tăng momen, sau đó thông qua một bộ truyền xích hoặc đai để dẫn động xích tải chính mang các thùng chứa vật liệu. Mỗi thành phần, từ trục và then, ổ lăn, cho đến các chi tiết nhỏ nhất, đều phải được tính toán và kiểm nghiệm bền một cách cẩn thận để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, an toàn và đạt được tuổi thọ phục vụ theo yêu cầu, thường kéo dài nhiều năm. Quá trình hoàn thiện đồ án kết thúc bằng việc tạo ra bộ bản vẽ kỹ thuật chi tiết bằng AutoCAD hoặc SolidWorks và một bản thuyết minh đồ án toàn diện, giải thích rõ ràng từng bước tính toán và lựa chọn thiết kế. Đây là minh chứng cho năng lực của kỹ sư tương lai trong việc làm chủ quy trình thiết kế cơ khí hoàn chỉnh.

1.1. Tầm quan trọng của đồ án chi tiết máy trong ngành cơ khí

Đồ án chi tiết máy, cụ thể là thiết kế hệ dẫn động cơ khí, đóng vai trò là cột mốc quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí. Nó là bài kiểm tra tổng hợp, yêu cầu sinh viên vận dụng kiến thức từ lý thuyết sức bền vật liệu, nguyên lý máy để tạo ra một sản phẩm cơ khí hoàn chỉnh trên lý thuyết. Thông qua việc thiết kế một hệ thống như thùng tải, sinh viên được rèn luyện tư duy logic, khả năng phân tích vấn đề, lựa chọn giải pháp kỹ thuật, và kỹ năng ra quyết định dựa trên các tiêu chuẩn và thông số cho trước. Quá trình này giúp củng cố kiến thức về các chi tiết máy tiêu chuẩn như bánh răng, trục, then, ổ lăn và các bộ truyền động, đồng thời phát triển kỹ năng trình bày tài liệu kỹ thuật thông qua bản vẽ và thuyết minh.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ dẫn động thùng tải

Hệ thống dẫn động thùng tải có nguyên lý hoạt động tuần tự và rõ ràng. Nguồn động lực chính là động cơ điện, cung cấp chuyển động quay với tốc độ cao và momen thấp. Chuyển động này được truyền đến hộp giảm tốc thông qua nối trục. Bên trong hộp giảm tốc, các cặp bánh răng (ví dụ: bánh răng trụ răng nghiêng) thực hiện nhiệm vụ giảm tốc độ quay và đồng thời tăng momen xoắn. Trục ra của hộp giảm tốc sau đó truyền động đến đĩa xích dẫn của bộ truyền xích ngoài. Bộ truyền này tiếp tục điều chỉnh tỉ số truyền lần cuối và truyền chuyển động đến xích tải chính. Các thùng tải được gắn trực tiếp lên xích tải, di chuyển theo một quỹ đạo xác định để vận chuyển vật liệu từ vị trí thấp lên cao hoặc giữa các công đoạn sản xuất. Sơ đồ động hệ thống là công cụ trực quan để mô tả toàn bộ chuỗi truyền động này.

II. Cách Xác Định Công Suất Tỉ Số Truyền Hệ Dẫn Động Cơ Khí

Bước đầu tiên và mang tính quyết định trong quá trình thiết kế hệ thống dẫn động thùng tải là tính toán công suất động cơ và phân phối tỉ số truyền một cách hợp lý. Quá trình này bắt đầu từ việc phân tích các thông số kỹ thuật đầu vào do đề bài cung cấp, bao gồm lực vòng xích tải (F), vận tốc xích tải (v), và thời gian phục vụ yêu cầu. Từ đó, công suất cần thiết trên trục công tác được xác định. Tuy nhiên, để chọn được động cơ điện phù hợp, cần phải tính đến tổn thất công suất qua từng khâu truyền động. Hiệu suất của toàn hệ thống được tính bằng tích hiệu suất của các bộ phận riêng lẻ như nối trục, ổ lăn, bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc, và bộ truyền xích bên ngoài. Công suất cần thiết của động cơ sẽ lớn hơn công suất trên trục công tác do phải bù trừ cho các tổn thất này. Sau khi xác định công suất, số vòng quay sơ bộ của động cơ được tính toán dựa trên vận tốc yêu cầu và tỉ số truyền dự kiến. Dựa trên hai thông số quan trọng là công suất và số vòng quay, một động cơ điện tiêu chuẩn sẽ được lựa chọn từ catalogue. Cuối cùng, tỉ số truyền chung của hệ thống được phân phối lại một cách chính xác cho hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài để đảm bảo vận tốc đầu ra đúng theo thiết kế.

2.1. Phương pháp tính toán công suất động cơ chính xác

Công suất cần thiết trên trục công tác (trục gắn xích tải) được tính bằng công thức: P_ct = (F * v) / 1000 (kW). Dựa trên tài liệu gốc với F=4200N và v=1.1m/s, ta có P_ct = 4.62 kW. Hiệu suất chung của hệ thống (η_chung) được xác định bằng tích hiệu suất các thành phần: η_chung = η_nối_trục * η_bánh_răng * η_xích * η_ổ_lăn^n. Với các giá trị hiệu suất tiêu chuẩn được chọn (ví dụ: η_bánh_răng = 0.97, η_xích = 0.91), hiệu suất chung được xác định. Công suất cần thiết trên trục động cơ là P_đc = P_ct / η_chung. Từ ví dụ trong tài liệu, P_đc = 4.62 / 0.848 = 5.448 kW. Dựa trên giá trị này và số vòng quay sơ bộ, ta chọn động cơ có công suất và số vòng quay gần nhất và lớn hơn giá trị tính toán, ví dụ động cơ 4A132S6Y3 có công suất 5.5 kW và 960 vòng/phút.

2.2. Phân phối tỉ số truyền cho hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài

Sau khi chọn được động cơ có số vòng quay thực tế (n_đc), tỉ số truyền chung của hệ thống được tính lại chính xác: u_chung = n_đc / n_ct, trong đó n_ct là số vòng quay của trục công tác. Tỉ số truyền này sau đó được phân phối cho các bộ phận. Thông thường, hộp giảm tốc sẽ đảm nhận phần lớn tỉ số truyền (u_hgt), trong khi bộ truyền xích hoặc đai bên ngoài có tỉ số truyền nhỏ hơn (u_ngoài). Việc phân phối tỉ số truyền phải tuân thủ các giới hạn cho phép của từng loại bộ truyền. Ví dụ, với u_chung = 13.709, ta có thể chọn u_hgt = 4 (nằm trong khoảng khuyến nghị cho hộp giảm tốc bánh răng trụ 1 cấp), từ đó suy ra u_xích = u_chung / u_hgt ≈ 3.427. Việc phân phối hợp lý giúp tối ưu hóa kích thước, giảm tải trọng động và đảm bảo độ bền cho toàn hệ thống.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Bộ Truyền Xích Tối Ưu

Sau khi có các thông số động học, giai đoạn tiếp theo là thiết kế chi tiết các bộ phận truyền động. Đây là phần cốt lõi của một luận văn tốt nghiệp cơ khí hoặc đồ án chi tiết máy. Đối với hộp giảm tốc, quá trình bắt đầu bằng việc chọn vật liệu cho cặp bánh răng, thường là thép C45, và xác định ứng suất cho phép dựa trên độ bền tiếp xúc và độ bền uốn. Từ đó, khoảng cách trục sơ bộ được tính toán, làm cơ sở để xác định các thông số ăn khớp như mô-đun, số răng, và góc nghiêng. Các thông số này sau đó phải được kiểm nghiệm lại về độ bền để đảm bảo an toàn. Song song, bộ truyền xích cũng được thiết kế. Dựa trên công suất truyền và số vòng quay, loại xích (ví dụ: xích ống con lăn) và bước xích được lựa chọn. Số răng đĩa xích được xác định dựa trên tỉ số truyền đã phân phối, và các thông số hình học của đĩa xích được tính toán. Quá trình này đòi hỏi tra cứu nhiều bảng tiêu chuẩn và áp dụng các công thức phức tạp, thể hiện rõ trình độ chuyên môn của người thiết kế. Kết quả của giai đoạn này là các thông số kỹ thuật đầy đủ cho hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài, sẵn sàng cho việc thiết kế các chi tiết liên quan như trục và ổ lăn.

3.1. Quy trình tính toán và thiết kế bộ truyền xích con lăn

Thiết kế bộ truyền xích bắt đầu bằng việc chọn loại xích và xác định công suất tính toán, có kể đến các hệ số điều kiện làm việc. Dựa trên công suất tính toán và số vòng quay của đĩa xích nhỏ, bước xích (p) phù hợp được chọn từ biểu đồ hoặc bảng tiêu chuẩn để đảm bảo độ bền mòn. Số răng đĩa xích nhỏ (Z1) được chọn trong khoảng khuyến nghị, sau đó số răng đĩa lớn (Z2) được tính theo tỉ số truyền thực tế. Khoảng cách trục và số mắt xích được xác định để đảm bảo xích hoạt động ổn định. Cuối cùng, cần kiểm nghiệm bền cho xích theo hệ số an toàn và tính toán các kích thước hình học của đĩa xích (đường kính vòng chia, vòng đỉnh, vòng đáy). Lực tác dụng lên trục từ bộ truyền xích cũng được tính toán để phục vụ cho giai đoạn thiết kế trục.

3.2. Các bước thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng

Đối với hộp giảm tốc, việc thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng là trọng tâm. Sau khi chọn vật liệu và xác định ứng suất cho phép, khoảng cách trục (a_w) được tính sơ bộ. Từ đó, các thông số ăn khớp được xác định: chọn mô-đun pháp (m_n) theo tiêu chuẩn, tính số răng (Z1, Z2) và góc nghiêng (β). Các thông số này phải đảm bảo tỉ số truyền thực tế sai lệch không quá giới hạn cho phép. Sau khi có bộ thông số hoàn chỉnh, các kích thước hình học của bánh răng được tính toán (đường kính các vòng, chiều rộng vành răng). Bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc (chống tróc rỗ bề mặt) và độ bền uốn (chống gãy răng). Các ứng suất phát sinh thực tế phải nhỏ hơn ứng suất cho phép. Nếu không thỏa mãn, cần quay lại điều chỉnh các thông số như mô-đun, khoảng cách trục hoặc vật liệu.

IV. Phương Pháp Tính Toán Trục Then Chọn Ổ Lăn Chính Xác

Việc tính toán hệ dẫn động băng tải không thể hoàn thiện nếu thiếu đi khâu thiết kế trục và then cũng như lựa chọn ổ lăn phù hợp. Trục là chi tiết máy quan trọng, có nhiệm vụ đỡ các chi tiết quay (bánh răng, đĩa xích) và truyền momen xoắn. Quá trình thiết kế trục bắt đầu bằng việc chọn vật liệu (thường là thép 45) và xác định sơ bộ đường kính trục tại các tiết diện lắp ổ và lắp chi tiết máy, dựa trên momen xoắn truyền qua. Tiếp theo, sơ đồ lực tác dụng lên trục trong hai mặt phẳng (đứng và ngang) được xây dựng. Từ đó, biểu đồ momen uốn và momen xoắn được vẽ để xác định các tiết diện nguy hiểm. Đường kính tại các tiết diện này được tính toán chính xác và sau đó kiểm nghiệm bền mỏi. Các mối ghép then được thiết kế để truyền momen xoắn từ trục đến bánh răng hoặc ngược lại, và chúng phải được kiểm nghiệm bền dập và bền cắt. Dựa trên đường kính ngõng trục và lực tác dụng, ổ lăn (ổ bi, ổ đũa) được chọn từ catalogue để đảm bảo đủ khả năng tải động và tuổi thọ yêu cầu. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp giữa tính toán lý thuyết và kinh nghiệm thiết kế kết cấu.

4.1. Thiết kế và kiểm nghiệm bền trục theo độ bền mỏi

Sau khi xác định đường kính sơ bộ, trục được thiết kế kết cấu với các bậc trục để lắp các chi tiết. Lực từ bộ truyền bánh răng và xích được phân tích thành các thành phần trong mặt phẳng XY và XZ. Phản lực tại các gối đỡ (ổ lăn) được tính toán. Từ đó, biểu đồ momen uốn trong hai mặt phẳng và biểu đồ momen xoắn dọc trục được dựng lên. Tại các tiết diện nguy hiểm (thường là nơi có rãnh then hoặc bậc trục), momen uốn tổng hợp được xác định. Sau đó, trục được kiểm nghiệm bền mỏi theo hệ số an toàn. Hệ số an toàn thực tế được tính toán dựa trên ứng suất uốn và xoắn biên độ, có xét đến các yếu tố tập trung ứng suất do kết cấu, và phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép (thường từ 1.5 đến 2.5).

4.2. Lựa chọn ổ lăn và kiểm tra khả năng tải động

Việc chọn ổ lăn dựa trên hai yếu tố chính: đường kính ngõng trục và các lực tác dụng (lực hướng tâm và lực dọc trục). Dựa vào đường kính trục đã thiết kế, ta chọn một loại ổ phù hợp từ catalogue (ví dụ: ổ bi đỡ chặn). Sau đó, tải trọng động quy ước (Q) tác dụng lên ổ được tính toán, có xét đến cả lực hướng tâm và lực dọc trục. Tuổi thọ yêu cầu của ổ (tính bằng triệu vòng quay) được xác định từ thời gian phục vụ của hệ thống. Khả năng tải động cần thiết (C_ct) của ổ được tính toán dựa trên tải trọng động quy ước và tuổi thọ yêu cầu. Cuối cùng, so sánh C_ct với khả năng tải động (C) của ổ đã chọn trong catalogue. Nếu C > C_ct, ổ lăn đã chọn là phù hợp.

V. Bí Quyết Thiết Kế Vỏ Hộp Hoàn Thiện Bản Vẽ Kỹ Thuật

Giai đoạn cuối cùng trong thiết kế hệ dẫn động cơ khí là hoàn thiện kết cấu vỏ hộp giảm tốc, các chi tiết phụ và bộ bản vẽ kỹ thuật. Vỏ hộp giảm tốc không chỉ có chức năng bao che, bảo vệ các chi tiết bên trong mà còn là bộ phận định vị chính xác vị trí tương đối giữa các trục thông qua các lỗ lắp ổ lăn. Vật liệu chế tạo vỏ hộp thường là gang xám (GX 15-32). Các kích thước của vỏ hộp như chiều dày thành, gân tăng cứng, mặt bích, và bệ lắp bu lông được xác định dựa trên các công thức kinh nghiệm và tiêu chuẩn. Các chi tiết phụ như nắp ổ, nắp thăm, que thăm dầu, nút thông hơi, và nút tháo dầu cũng được thiết kế và tiêu chuẩn hóa. Song song đó, việc chọn dung sai và lắp ghép cho các mối ghép quan trọng (ổ lăn với trục/vỏ, bánh răng với trục) là cực kỳ cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác. Toàn bộ quá trình thiết kế được thể hiện qua một bộ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh, bao gồm bản vẽ lắp hệ thống, bản vẽ lắp hộp giảm tốc, và các bản vẽ chi tiết quan trọng. Việc sử dụng thành thạo các phần mềm như AutoCAD và SolidWorks để thực hiện mô phỏng hệ thống dẫn động và xuất bản vẽ là kỹ năng không thể thiếu.

5.1. Nguyên tắc thiết kế kết cấu vỏ hộp giảm tốc và chi tiết phụ

Thiết kế vỏ hộp cần đảm bảo độ cứng vững cao để không bị biến dạng khi chịu tải, đồng thời tối ưu về khối lượng. Các kích thước cơ bản như chiều dày thành (δ), chiều dày đế (S1), đường kính bu lông nền được chọn dựa vào khoảng cách trục (a_w). Vỏ hộp được thiết kế với mặt phân cách (giữa thân và nắp) để dễ dàng cho việc lắp ráp và sửa chữa. Các chi tiết phụ như nắp ổ và vòng phớt được dùng để che chắn và làm kín, ngăn bụi bẩn và dầu bôi trơn rò rỉ. Nút thông hơi giúp cân bằng áp suất bên trong và ngoài hộp khi nhiệt độ thay đổi. Que thăm dầu và nút tháo dầu là cần thiết cho quá trình bảo dưỡng, kiểm tra mức dầu và thay dầu định kỳ.

5.2. Lựa chọn dung sai lắp ghép và hoàn thiện bản vẽ kỹ thuật

Dung sai và lắp ghép quyết định đến độ chính xác và tính chất làm việc của các mối ghép. Ví dụ, mối ghép giữa vòng trong ổ lăn và trục thường là lắp trung gian hoặc lắp có độ dôi nhỏ (k6) để tránh xoay tương đối. Mối ghép giữa vòng ngoài ổ lăn và lỗ trên vỏ hộp thường là lắp trung gian có khe hở (H7) để cho phép giãn nở vì nhiệt. Mối ghép then thường chọn kiểu lắp trung gian. Toàn bộ các thông số thiết kế, từ kích thước, vật liệu, đến dung sai lắp ghép, đều được trình bày trên bản vẽ kỹ thuật. Một bộ bản vẽ hoàn chỉnh bao gồm: bản vẽ lắp chung thể hiện sơ đồ động hệ thống, bản vẽ lắp hộp giảm tốc, và các bản vẽ chi tiết của bánh răng, trục. Việc trình bày bản vẽ đúng tiêu chuẩn kỹ thuật là yêu cầu bắt buộc đối với một luận văn tốt nghiệp cơ khí.