Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Trộn - Đồ Án ME3139

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Trộn Tại Trường Đại Học Bách Khoa

• 1. PHẦN 1: PHÂN TÍCH PHƢƠNG PHÁN – CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN – PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN
• 2. PHẦN 2: TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI THANG
• 3. PHẦN 3: THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN TRONG HỘP GIẢM TỐC
• 4. PHẦN 4: KIỂM TRA BÔI TRƠN NGÂM DẦU
• 5. PHẦN 5: THIẾT KẾ TRỤC
• 6. PHẦN 6
• 7. PHẦN 7: CHỌN Ổ LĂN VÀ NỐI TRỤC
• 8. PHẦN 8: THIẾT KẾ VỎ HỘP VÀ CÁC CHI TIẾT PHỤ
• 9. PHẦN 9: CHỌN DẦU BÔI TRƠN VÀ DUNG SAI LẮP GHÉP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khám Phá Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Thùng Trộn

Việc thiết kế hệ thống dẫn động thùng trộn là một trong những đề tài cốt lõi trong chương trình đào tạo của khoa cơ khí chế tạo máy tại các trường đại học kỹ thuật, đặc biệt là Đại học Bách Khoa. Đây không chỉ là một bài tập lớn mà còn là một đồ án chi tiết máy toàn diện, đòi hỏi sinh viên phải vận dụng kiến thức từ nhiều môn học để giải quyết một bài toán kỹ thuật thực tế. Mục tiêu của đồ án là thiết kế một cơ cấu dẫn động hoàn chỉnh, từ việc lựa chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền, đến tính toán và thiết kế chi tiết từng bộ phận như bộ truyền đai, hộp giảm tốc, trục, và ổ lăn. Quá trình này giúp sinh viên Bách Khoa củng cố nền tảng về nguyên lý máy, chi tiết máy, và sức bền vật liệu. Một thuyết minh đồ án máy trộn thành công không chỉ dừng lại ở các bản tính toán chính xác mà còn phải đi kèm với bộ bản vẽ 2D máy trộn chi tiết và mô hình 3D Solidworks trực quan, thể hiện rõ ràng cấu trúc và nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào từng giai đoạn, phân tích các phương pháp tính toán và lựa chọn thiết kế dựa trên tài liệu tham khảo chuẩn mực, cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về quy trình hoàn thành một đề tài quan trọng, thường xuất hiện trong các luận văn tốt nghiệp cơ khí.

1.1. Mục tiêu và yêu cầu kỹ thuật của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống truyền động cơ khí hoàn chỉnh cho thùng trộn, đáp ứng các thông số kỹ thuật đầu vào được cung cấp. Cụ thể, theo phương án 18, hệ thống phải đảm bảo công suất trên trục thùng trộn là 6,5 kW với số vòng quay 50 vòng/phút. Các yêu cầu khác bao gồm thời gian phục vụ 7 năm, làm việc 1 ca/ngày và 240 ngày/năm. Đồ án đòi hỏi phải thực hiện một chuỗi các tính toán kỹ thuật chính xác, từ việc xác định công suất động cơ cần thiết, phân phối tỷ số truyền hợp lý, cho đến thiết kế bền cho các chi tiết máy quan trọng. Quá trình này không chỉ là tính toán lý thuyết mà còn phải cân nhắc đến tính công nghệ, khả năng chế tạo và lắp ráp trong thực tế, một yêu cầu quan trọng đối với sinh viên Bách Khoa.

1.2. Phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống

Hệ thống dẫn động được thiết kế bao gồm các thành phần chính: động cơ điện, bộ truyền đai thang (bộ truyền ngoài), và hộp giảm tốc bánh răng hai cấp (cấp nhanh là bánh răng côn, cấp chậm là bánh răng trụ răng nghiêng). Nguyên lý hoạt động bắt đầu từ động cơ điện, truyền chuyển động quay qua bộ truyền đai đến trục I của hộp giảm tốc. Bộ truyền đai có vai trò giảm sơ bộ tốc độ và bảo vệ hệ thống khỏi quá tải. Bên trong hộp giảm tốc, cặp bánh răng côn và bánh răng trụ răng nghiêng tiếp tục giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn. Cuối cùng, công suất được truyền từ trục III của hộp giảm tốc ra trục công tác của thùng trộn thông qua khớp nối. Sơ đồ này đảm bảo hệ thống vận hành êm, hiệu suất cao và kết cấu nhỏ gọn, phù hợp với các yêu cầu của một đồ án chi tiết máy chuẩn.

II. Phương pháp Chọn Động Cơ Phân Phối Tỷ Số Truyền Tối Ưu

Giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình thiết kế hệ thống dẫn động thùng trộn là việc xác định chính xác các thông số cơ bản, bao gồm công suất động cơ và tỷ số truyền. Việc lựa chọn sai động cơ hoặc phân phối tỷ số truyền không hợp lý sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ bền và chi phí của toàn bộ hệ thống. Quá trình này bắt đầu bằng việc tính toán hiệu suất chung của hệ thống, dựa trên hiệu suất của từng bộ phận cấu thành như bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng và khớp nối. Từ đó, công suất cần thiết trên trục động cơ được xác định. Sau khi có công suất, bước tiếp theo là xác định số vòng quay sơ bộ để chọn động cơ cho máy trộn phù hợp nhất từ các catalogue tiêu chuẩn, như động cơ 4A trong tài liệu tham khảo. Việc phân phối tỷ số truyền chung cho bộ truyền ngoài và hộp giảm tốc cũng là một bài toán tối ưu hóa, cần đảm bảo kết cấu nhỏ gọn và điều kiện bôi trơn tốt nhất cho hộp giảm tốc. Các tính toán này là nền tảng cho tất cả các bước thiết kế chi tiết về sau, quyết định sự thành công của một luận văn tốt nghiệp cơ khí.

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

Để xác định công suất động cơ, trước hết cần tính hiệu suất truyền động toàn bộ hệ thống (η_chung). Hiệu suất này là tích của hiệu suất các bộ truyền thành phần: η_chung = η_đai × η_brn × η_brc × η_kn. Dựa trên Bảng 2.3/19 Tài liệu [I], các giá trị hiệu suất được chọn tiêu chuẩn, ví dụ: hiệu suất bộ truyền đai thang là 0.96, bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng là 0.97. Từ đó, công suất cần thiết của động cơ được tính theo công thức: P_ct = P_lt / η_chung, trong đó P_lt là công suất trên trục công tác. Với sơ đồ tải trọng thay đổi, công suất động cơ tương đương được tính toán để đảm bảo động cơ không bị quá tải trong suốt chu kỳ làm việc. Đây là bước tính toán nền tảng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền bỉ.

2.2. Lựa chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền chung

Sau khi xác định được công suất cần thiết và số vòng quay sơ bộ (n_sb), tiến hành chọn động cơ tiêu chuẩn. Động cơ được chọn phải thỏa mãn điều kiện công suất định mức lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán (P_dm ≥ P_ct). Trong đồ án này, động cơ 4A132S4Y3 với P_dm = 7,5 kW và n_đc = 1455 vg/ph được lựa chọn. Tiếp theo, tỷ số truyền chung của hệ thống (u_chung = n_đc / n_ct) được phân phối cho bộ truyền ngoài (u_đai) và hộp giảm tốc (u_h). Dựa vào Bảng 2.4/21 Tài liệu [I], tỷ số truyền của bộ truyền đai thang được chọn sơ bộ là u_đai = 3.56. Tỷ số truyền còn lại sẽ được phân phối cho hai cặp bánh răng bên trong hộp giảm tốc. Quá trình này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng để tối ưu hóa kích thước và đảm bảo hiệu suất cho từng cấp truyền động.

III. Quy Trình Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Cho Hệ Thống Dẫn Động

Tâm điểm của hệ thống truyền động cơ khí chính là hộp giảm tốc. Việc tính toán hộp giảm tốc đòi hỏi độ chính xác cao và kiến thức sâu về cơ học vật liệu và chi tiết máy. Trong đồ án này, hộp giảm tốc được thiết kế gồm hai cấp: cấp nhanh là bộ truyền bánh răng côn răng thẳng và cấp chậm là bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng. Quy trình thiết kế bắt đầu với việc lựa chọn vật liệu, thường là thép 45 tôi cải thiện, và xác định ứng suất cho phép dựa trên độ rắn bề mặt và tuổi thọ yêu cầu. Sau đó, các thông số hình học cơ bản như khoảng cách trục, module, số răng được xác định sơ bộ. Bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm độ bền của răng bánh răng theo hai chỉ tiêu chính: độ bền tiếp xúc (tránh tróc rỗ bề mặt) và độ bền uốn (tránh gãy răng). Các công thức kiểm nghiệm phức tạp, có xét đến nhiều hệ số ảnh hưởng như tải trọng động, sự phân bố tải trọng, và vật liệu, là nội dung cốt lõi của một đồ án chi tiết máy chất lượng cao, phản ánh năng lực của sinh viên Bách Khoa.

3.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng côn cấp nhanh

Đối với bộ truyền bánh răng côn, việc tính toán bắt đầu bằng việc xác định chiều dài côn ngoài (R_e) dựa trên mô-men xoắn trên trục, ứng suất tiếp xúc cho phép và các hệ số liên quan. Từ R_e, các thông số hình học quan trọng như module vòng ngoài (m_te), đường kính chia và số răng được xác định. Vật liệu được chọn là thép 45 tôi cải thiện với độ rắn HB241 cho bánh nhỏ và HB192 cho bánh lớn. Sau khi có các thông số sơ bộ, tiến hành kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc và độ bền uốn. Công thức kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc (σ_H) và ứng suất uốn (σ_F) phải đảm bảo giá trị tính toán nhỏ hơn giá trị cho phép. Các bước này đảm bảo cặp bánh răng côn hoạt động ổn định, không bị phá hủy trong suốt thời gian phục vụ yêu cầu của đề tài.

3.2. Tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng cấp chậm

Tương tự cấp nhanh, thiết kế bộ truyền cấp chậm bắt đầu bằng việc xác định sơ bộ khoảng cách trục (a_w) dựa trên công thức kinh nghiệm. Từ đó, module pháp (m_n) được tính toán và chọn theo tiêu chuẩn. Số răng của bánh nhỏ và bánh lớn được xác định để đảm bảo tỷ số truyền yêu cầu. Bước kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn cho răng nghiêng phức tạp hơn do có sự tham gia của góc nghiêng β, giúp bộ truyền làm việc êm hơn và chịu tải tốt hơn. Các hệ số như hệ số trùng khớp dọc (ε_β) được đưa vào tính toán để đánh giá chính xác khả năng làm việc của bộ truyền. Việc hoàn thành các tính toán này là một phần quan trọng trong thuyết minh đồ án máy trộn, thể hiện sự nắm vững kiến thức chuyên ngành.

3.3. Kiểm tra điều kiện bôi trơn và thiết kế vỏ hộp

Sau khi hoàn tất thiết kế các bộ truyền, việc kiểm tra điều kiện bôi trơn ngâm dầu là bắt buộc. Phải đảm bảo các bánh răng được ngâm đủ sâu trong dầu để bôi trơn và tản nhiệt nhưng không quá sâu để tránh tổn thất công suất. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc, thường làm bằng gang GX15-32, cũng là một phần quan trọng. Vỏ hộp phải đủ cứng vững, đảm bảo vị trí tương đối của các trục và ổ lăn, đồng thời phải có các chi tiết phụ như cửa thăm, nút thông hơi, nút tháo dầu và que thăm dầu. Các kích thước của vỏ hộp được tiêu chuẩn hóa để thuận tiện cho việc chế tạo và lắp ráp, hoàn thiện cơ cấu dẫn động một cách chuyên nghiệp.

IV. Bí Quyết Thiết Kế Trục Then Chọn Ổ Lăn Chuẩn Bách Khoa

Sau khi các bộ truyền được tính toán, giai đoạn tiếp theo là thiết kế các chi tiết đỡ và truyền tải mô-men xoắn, bao gồm trục, then và ổ lăn. Đây là những bộ phận chịu tải trọng phức tạp và có vai trò quyết định đến độ tin cậy và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống truyền động cơ khí. Việc tính toán trục không chỉ dừng lại ở việc xác định đường kính sơ bộ dựa trên mô-men xoắn mà còn phải xây dựng biểu đồ mô-men uốn và mô-men xoắn tại các tiết diện nguy hiểm. Từ đó, đường kính trục tại mỗi vị trí được tính toán và kiểm nghiệm bền mỏi. Tương ứng với trục, việc chọn ổ lăn (bạc đạn) phù hợp là cực kỳ quan trọng. Ổ lăn phải có khả năng chịu tải động và tải tĩnh theo yêu cầu, đảm bảo tuổi thọ làm việc dự tính. Then, chi tiết nhỏ nhưng không thể thiếu, cũng cần được kiểm nghiệm bền dập và bền cắt để đảm bảo truyền tải mô-men một cách an toàn. Quy trình này thể hiện sự tỉ mỉ và chính xác, là một phần không thể thiếu trong các luận văn tốt nghiệp cơ khí tại Đại học Bách Khoa.

4.1. Quy trình tính toán và thiết kế trục chịu uốn xoắn

Thiết kế trục bao gồm các bước: chọn vật liệu (thường là thép C45), xác định sơ bộ đường kính trục theo công thức kinh nghiệm chỉ dựa vào mô-men xoắn. Sau đó, phác thảo kết cấu trục, xác định các lực tác dụng từ bánh răng, bánh đai lên trục. Tiếp theo, xây dựng biểu đồ mô-men uốn trong hai mặt phẳng (Oxy, Oxz) và tính mô-men uốn tổng hợp tại các tiết diện. Mô-men tương đương được tính theo thuyết bền phù hợp (ví dụ thuyết bền IV) để xác định đường kính chính xác tại các tiết diện nguy hiểm. Cuối cùng, trục phải được kiểm nghiệm về độ bền mỏi, so sánh hệ số an toàn tính toán với hệ số an toàn cho phép. Đây là một quy trình tính toán trục chuẩn mực, đảm bảo trục làm việc an toàn và bền bỉ.

4.2. Lựa chọn và kiểm nghiệm khả năng tải của ổ lăn

Việc chọn ổ lăn bắt đầu bằng việc xác định loại ổ phù hợp với dạng tải trọng (ổ bi, ổ đũa, ổ côn). Dựa vào đường kính ngõng trục và lực hướng tâm, lực dọc trục tác dụng lên ổ, ta chọn sơ bộ ổ từ catalogue. Bước quan trọng là kiểm nghiệm khả năng tải của ổ. Tải trọng quy ước được tính toán, có kể đến các hệ số về đặc tính tải trọng, nhiệt độ. Tuổi thọ của ổ lăn (tính bằng triệu vòng quay hoặc giờ làm việc) được so sánh với tuổi thọ yêu cầu của hệ thống (L_h). Ngoài ra, ổ lăn cũng cần được kiểm nghiệm về khả năng tải tĩnh để tránh biến dạng dư khi hệ thống chịu tải trọng lớn lúc đứng yên hoặc khởi động.

V. Hoàn Thiện Vỏ Hộp Chi Tiết Phụ Bản Vẽ Kỹ Thuật

Giai đoạn cuối cùng của đồ án chi tiết máy là hoàn thiện các chi tiết còn lại và trình bày sản phẩm thiết kế dưới dạng tài liệu kỹ thuật. Việc thiết kế vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ như nắp ổ, bulông, cửa thăm, nút tháo dầu đòi hỏi sự tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo tính lắp lẫn và thuận tiện trong quá trình vận hành, bảo dưỡng. Một thuyết minh đồ án máy trộn hoàn chỉnh phải bao gồm cả phần dung sai và lắp ghép, thể hiện sự hiểu biết sâu sắc về độ chính xác trong chế tạo cơ khí. Yếu tố quan trọng nhất để đánh giá một đồ án chính là bộ bản vẽ kỹ thuật. Một bộ bản vẽ 2D máy trộn chi tiết, đúng tiêu chuẩn cùng với mô hình 3D Solidworks sinh động không chỉ giúp người khác hiểu rõ thiết kế mà còn là cơ sở để chế tạo sản phẩm trong thực tế. Đây là bước tổng kết toàn bộ quá trình thiết kế hệ thống dẫn động thùng trộn, thể hiện thành quả nghiên cứu và kỹ năng của người thực hiện.

5.1. Lựa chọn dung sai lắp ghép và vật liệu chi tiết

Dung sai và lắp ghép là yếu tố quyết định độ chính xác làm việc của hệ thống truyền động cơ khí. Cần lựa chọn cấp chính xác phù hợp cho từng loại chi tiết: bánh răng, trục, then, lỗ trên vỏ hộp. Các mối ghép quan trọng như giữa bánh răng và trục, giữa vòng trong ổ lăn và trục (thường là lắp trung gian H7/k6 hoặc k6), giữa vòng ngoài ổ lăn và vỏ hộp (lắp lỏng H7) phải được lựa chọn cẩn thận. Việc chọn đúng kiểu lắp đảm bảo các chi tiết vừa được định vị chính xác, vừa có thể hoạt động ổn định, truyền tải tốt và không bị mài mòn nhanh chóng. Bảng dung sai lắp ghép là một phần không thể thiếu trong thuyết minh, thể hiện sự chuyên nghiệp của thiết kế.

5.2. Xây dựng bản vẽ 2D và mô hình 3D bằng Solidworks

Trình bày kỹ thuật là bước cuối cùng để hoàn thiện đồ án. Sử dụng các phần mềm CAD như Solidworks hay Autodesk Inventor, sinh viên Bách Khoa sẽ xây dựng mô hình 3D Solidworks của toàn bộ cơ cấu dẫn động. Từ mô hình 3D, việc xuất ra các bản vẽ 2D máy trộn (bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết) trở nên nhanh chóng và chính xác. Các bản vẽ này phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và quốc tế (ISO) về trình bày, ghi kích thước, dung sai, và yêu cầu kỹ thuật. Một bộ bản vẽ rõ ràng, đầy đủ thông tin không chỉ phục vụ cho việc bảo vệ đồ án mà còn là tài liệu quan trọng để gia công, chế tạo sản phẩm thực tế.