Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành Cơ khí nói chung và ngành Công nghệ Chế tạo Máy nói riêng giữ vai trò then chốt trong việc cung cấp máy móc, thiết bị phục vụ các ngành kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải. Thiết kế chi tiết máy là học phần nền tảng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán và thực tiễn kỹ thuật.

Đề tài "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải" (Đề số 8) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Quang Hưng (MSSV: 19512431) và Nguyễn Lê Hoàng Vũ (MSSV: 19528001), dưới sự hướng dẫn của thầy Đường Công Truyền tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2022). Nhiệm vụ của đề tài tập trung vào việc tính toán, thiết kế toàn diện một trạm dẫn động cơ khí hoàn chỉnh cho thiết bị công tác là xích tải, bảo đảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật như độ tin cậy, tuổi thọ làm việc, kết cấu nhỏ gọn và chi phí chế tạo tối ưu.

Các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể được xác định trong văn bản bao gồm:

  1. Xác định nguyên tắc hoạt động, phân tích sơ đồ động học và chế độ làm việc của hệ thống dẫn động xích tải.
  2. Tính chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền cho toàn bộ hệ thống từ nguồn động lực đến bộ phận công tác.
  3. Tính toán thiết kế bộ truyền ngoài hộp giảm tốc (bộ truyền đai thang).
  4. Tính toán thiết kế các bộ truyền trong hộp giảm tốc (hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp phân đôi).
  5. Tính toán thiết kế kết cấu trục, then và kiểm nghiệm độ bền cho các trục trong hệ thống.
  6. Lập hồ sơ tài liệu thiết kế gồm thuyết minh kỹ thuật và các bản vẽ theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm dẫn động cơ khí cho xích tải với chế độ làm việc quay một chiều, làm việc 2 ca/ngày, thời gian phục vụ 300 ngày/năm, 8 giờ/ca và tải trọng va đập nhẹ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Quá trình tính toán và thiết kế trong đồ án được xây dựng dựa trên cơ sở các môn học kỹ thuật cơ sở: Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy và Chi tiết máy. Các tiêu chuẩn kỹ thuật nhà nước được tác giả trích dẫn và tuân thủ bao gồm:

  • TCVN 3826-83: Tiêu chuẩn về yêu cầu cơ bản đối với bản vẽ kỹ thuật.
  • TCVN 2-74: Tiêu chuẩn về kích thước khổ giấy vẽ (khổ A4, A3...) và quy cách trình bày khung tên.
  • Các chỉ tiêu tính toán độ bền mỏi tiếp xúc $[\sigma_H]$ và độ bền mỏi uốn $[\sigma_F]$ theo đường cong mỏi tiêu chuẩn của vật liệu kim loại.

Phương pháp tính toán và thiết kế

Tác giả áp dụng các phương pháp kỹ thuật cơ khí truyền thống kết hợp quy chuẩn hóa:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học: Xác định công suất cần thiết, số vòng quay sơ bộ, mô men xoắn trên các trục từ động cơ đến cơ cấu chấp hành.
  • Phương pháp tính toán độ bền hai bước: Tiến hành tính toán thiết kế xác định kích thước cơ bản dựa trên ứng suất cho phép, sau đó thực hiện tính toán kiểm nghiệm theo các chỉ tiêu khả năng làm việc (độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, tải trọng động, hệ số an toàn).
  • Phương pháp tra cứu sổ tay thiết kế: Sử dụng hệ thống công thức giải tích kết hợp hệ số thực nghiệm, đồ thị tra bảng tiêu chuẩn để chọn vật liệu, cấp chính xác, hệ số tải trọng động, dạng kết cấu và dung sai lắp ghép.

Thiết kế và tính toán hệ thống dẫn động cơ khí

Hệ thống dẫn động xích tải trong đề tài bao gồm động cơ điện xoay chiều ba pha, bộ truyền đai thang ngoài hộp, hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp sơ đồ phân đôi và khớp nối truyền động đến trục tang xích tải.

Kiến trúc và nguyên lý vận hành

  • Nguồn động lực: Động cơ điện ba pha không đồng bộ roto ngắn mạch truyền công suất qua trục động cơ.
  • Bộ truyền ngoài: Bộ truyền đai thang B nhận chuyển động từ động cơ và giảm tốc độ vòng quay bước đầu, đồng thời đóng vai trò bảo vệ an toàn cho động cơ khi xảy ra hiện tượng quá tải đột ngột.
  • Hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp phân đôi nhận chuyển động từ trục 1, giảm tốc qua cặp bánh răng cấp nhanh (trục 1 sang trục 2) và cặp bánh răng cấp chậm (trục 2 sang trục 3) để tạo ra mô men xoắn lớn và số vòng quay thấp phù hợp với yêu cầu làm việc của xích tải.
  • Trục và ổ đỡ: Các trục 1, 2, 3 được định vị bởi các cặp ổ lăn trên vỏ hộp, liên kết với bánh răng và bánh đai thông qua mối ghép then bằng.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Tìm hiểu truyền dẫn cơ khí trong máy

Phần mở đầu trình bày tổng quan lý thuyết về thiết kế máy và phân loại hệ thống truyền dẫn cơ khí:

  • Phân tích chức năng hệ thống truyền động: truyền công suất, biến đổi tốc độ (tăng tốc/giảm tốc) và thay đổi dạng/quy luật chuyển động.
  • So sánh ưu nhược điểm của các loại truyền động:
    • Bộ truyền xích: Không có hiện tượng trượt, hiệu suất cao, lực tác dụng lên trục nhỏ hơn đai nhưng gây ồn và mòn bản lề khi làm việc lâu dài.
    • Bộ truyền đai: Làm việc êm, có tính đàn hồi chống rung giật, kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuy nhiên có hiện tượng trượt đàn hồi làm tỉ số truyền không tuyệt đối ổn định và lực căng đai tác dụng lên trục lớn.
    • Bộ truyền bánh răng: Kích thước nhỏ gọn, khả năng tải cao, tỉ số truyền chuẩn xác và hiệu suất cao nhưng yêu cầu gia công chính xác và bôi trơn tốt.
  • Phân tích đặc tính các dạng hộp giảm tốc: bánh răng trụ một cấp, bánh răng côn, bánh răng trụ hai cấp (sơ đồ khai triển, phân đôi, đồng trục), bánh răng côn - trụ hai cấp và trục vít - bánh vít.
  • Quy định về hồ sơ kỹ thuật: bản vẽ, bảng kê, bản thuyết minh và điều kiện kỹ thuật theo TCVN.

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

Chương 1 thực hiện tính toán động học toàn hệ thống:

  • Xác định công suất tính toán trên trục máy công tác từ lực kéo $F$ và vận tốc $v$ của xích tải.
  • Tính toán hiệu suất chung của hệ thống $\eta = \eta_đ \cdot \eta_{ol}^4 \cdot \eta_{br}^2 \cdot \eta_{kn} \cdot \eta_x$, xác định công suất cần thiết trên trục động cơ $P_{ct} = 5,54 \text{ kW}$ và tốc độ đồng bộ sơ bộ $n_{đb} = 150 \text{ v/p}$.
  • Chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiểu 4A132S4Y3 với các thông số:
    • Công suất danh định: $P_{đc} = 7,5 \text{ kW}$
    • Tốc độ quay đồng bộ/danh định: $n = 1455 \text{ v/p}$
    • Hệ số công suất: $\cos\varphi = 0,86$; Hiệu suất: $\eta = 87,5%$
    • Tỉ số mô men: $T_{max}/T_{dn} = 2,2$; $T_k/T_{dn} = 2,0$
  • Phân phối tỉ số truyền: Tổng tỉ số truyền chung $u_{chung} = u_đ \cdot u_h$. Trong đó, hộp giảm tốc phân đôi chọn $u_h = 10$ với tỉ số truyền cấp nhanh $u_1 = 3,58$ và cấp chậm $u_2 = 2,79$; bộ truyền đai ngoài $u_đ = 2,52$.
Thông số Trục Động cơ Trục 1 Trục 2 Trục 3
Công suất $P$ (kW) 6,39 6,01 5,77 5,38
Tỉ số truyền $u$ - $u_đ = 2,52$ $u_1 = 3,58$ $u_2 = 2,79$
Số vòng quay $n$ (v/p) 1455 577,38 161,28 59,81
Mô men xoắn $T$ (N.mm) 41.810 99.407 341.664 888.756

Chương 2: Bộ truyền ngoài hộp giảm tốc (Bộ truyền đai)

Chương 2 thực hiện thiết kế bộ truyền đai thang loại B cho hệ thống dẫn động:

  • Thông số đai chọn: Đai thang loại B ($b_p = 14 \text{ mm}$, $b_o = 17 \text{ mm}$, $h = 10,5 \text{ mm}$, $y_o = 4,0 \text{ mm}$, diện tích tiết diện $A_1 = 138 \text{ mm}^2$).
  • Quy trình tính toán:
    1. Xác định đường kính bánh đai dẫn tiêu chuẩn $d_1 = 160 \text{ mm}$ (thỏa mãn vận tốc đai).
    2. Xác định đường kính bánh đai bị dẫn $d_2 = 400 \text{ mm}$ (với hệ số trượt $\xi = 0,01$).
    3. Chọn sơ bộ khoảng cách trục $a = 480 \text{ mm}$, chọn chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 1800 \text{ mm}$, tính lại khoảng cách trục chính xác $a = 443 \text{ mm}$.
    4. Xác định góc ôm bánh đai nhỏ $\alpha_1 = 150,8^\circ \ge 120^\circ$.
    5. Tính số đai cần thiết: $Z = 3$ đai.
    6. Tính chiều rộng bánh đai $B = 85 \text{ mm}$, đường kính ngoài bánh dẫn $d_{a1} = 173,4 \text{ mm}$, đường kính ngoài bánh bị dẫn $d_{a2} = 411,4 \text{ mm}$.
    7. Lực tác dụng lên trục: $F_r = 924,41 \text{ N}$.
Đại lượng thông số Bánh đai nhỏ (dẫn) Bánh đai lớn (bị dẫn)
Đường kính danh nghĩa $d$ (mm) 160 400
Đường kính ngoài $d_a$ (mm) 173,4 411,4
Chiều rộng vành đai $B$ (mm) 85 85
Số dây đai $Z$ \multicolumn{2}{c }{3 đai (loại B)}
Chiều dài đai $L$ (mm) \multicolumn{2}{c }{1800}
Khoảng cách trục $a$ (mm) \multicolumn{2}{c }{443}
Góc ôm đai $\alpha_1$ \multicolumn{2}{c }{$150,8^\circ$}
Lực tác dụng lên trục $F_r$ (N) \multicolumn{2}{c }{924,41}

Chương 3: Bộ truyền bánh răng trụ hai cấp

Chương 3 thiết kế chi tiết hai cặp bánh răng trong hộp giảm tốc phân đôi:

  • Cặp bánh răng cấp chậm ($Z'_2 - Z_3$):
    • Loại: Bánh răng trụ răng nghiêng.
    • Vật liệu: Thép hợp kim 40XH tôi cải thiện. Bánh nhỏ có độ rắn $HB'2 = 330$, bánh lớn $HB_3 = 320$, giới hạn bền $\sigma_b = 800 \text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma{ch} = 580 \text{ MPa}$.
    • Ứng suất tiếp xúc và uốn: Hệ số an toàn $S_H = 1,1$; $m_H = 6$; $S_F = 1,75$. Hệ số tải trọng $K_H = K_{H\beta} = 1,03$; $K_{HV} = 1,02$; $K_{FV} = 1,04$. Hệ số cơ tính $Z_M = 270 \text{ MPa}$.
    • Thông số hình học: Modul pháp $m = 3 \text{ mm}$, số răng bánh nhỏ $z'_2 = 22$, số răng bánh lớn $z_3 = 62$, cấp chính xác chế tạo là 9.
  • Cặp bánh răng cấp nhanh ($Z_1 - Z_2$):
    • Loại: Bánh răng trụ răng thẳng.
    • Vật liệu: Thép 40XH tôi cải thiện. Bánh nhỏ có độ rắn $HB_1 = 510$, bánh lớn $HB_2 = 495$.
    • Ứng suất tiếp xúc và uốn: $S_H = 1,1$; $m_H = 6$; $S_F = 1,75$. Hệ số tải trọng $K_H = K_{H\beta} = 1,06$; $K_{HV} = 1,03$; $K_{FV} = 1,03$. Hệ số cơ tính $Z_M = 190 \text{ MPa}$.
    • Thông số hình học: Modul $m = 2 \text{ mm}$, số răng bánh nhỏ $z_1 = 26$, số răng bánh lớn $z_2 = 93$, cấp chính xác chế tạo là 9.

Chương 4: Tính toán, thiết kế trục và then

Chương 4 tính toán kết cấu hình học và phân tích lực cho hệ thống trục:

  • Chọn vật liệu làm trục:
    • Trục 1 và Trục 2: Thép CT6 hoặc Thép 45.
    • Trục 3: Thép 45 tôi.
  • Xác định kích thước kết cấu:
    • Tính sơ bộ đường kính đầu ngõng trục theo mô men xoắn thuần túy.
    • Xác định chiều dài may-ơ bánh đai, bánh răng trên trục 1, 2, 3 và nửa khớp nối.
    • Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ, vị trí đặt lực từ các khe hở kết cấu (khoảng cách từ mút chi tiết quay đến thành trong hộp, khoảng cách từ ổ lăn đến thành hộp, chiều cao nắp ổ và đầu bu-lông).
  • Phân tích lực và phản lực liên kết:
    • Lập sơ đồ đặt lực gồm lực vòng $F_t$, lực hướng tâm $F_r$, lực dọc trục $F_a$ từ các bộ truyền và lực căng đai $F_r$.
    • Lập phương trình cân bằng mô men và cân bằng lực trong hai mặt phẳng vuông góc $yOz$ và $xOz$ tại các gối đỡ trục 1.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Đồ án đã hoàn thiện chuỗi thông số kỹ thuật đồng bộ cho hệ thống dẫn động xích tải:

  • Đã lựa chọn chính xác động cơ điện xoay chiều 3 pha 4A132S4Y3 (7,5 kW - 1455 v/p) đáp ứng công suất yêu cầu $P_{ct} = 5,54 \text{ kW}$.
  • Đã xác định đầy đủ bảng động học và động lực học trên 3 trục công tác với mô men xoắn đầu ra trục 3 đạt $888.756 \text{ N.mm}$.
  • Đã tính toán hoàn chỉnh bộ truyền đai thang loại B (3 sợi, $L = 1800 \text{ mm}$, $a = 443 \text{ mm}$) và 2 cặp bánh răng truyền động (modul $m = 2 \text{ mm}$ và $m = 3 \text{ mm}$, vật liệu thép 40XH tôi cải thiện).
  • Đã xác định sơ bộ kích thước ngõng trục, may-ơ và phản lực liên kết các gối đỡ trên trục 1.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Sử dụng sơ đồ hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ phân đôi nhằm phân bố đều tải trọng cho các ổ lăn, giảm tải trọng không đều trên chiều rộng vành răng và giảm mô men xoắn nguy hiểm tại trục trung gian xuống một nửa công suất.
  • Kết hợp bộ truyền đai thang ở cấp nhanh ngoài hộp nhằm tăng tính đàn hồi, giảm chấn động va đập từ tải xích tải và bảo vệ chống quá tải cho động cơ.
  • Ứng dụng thép hợp kim 40XH tôi cải thiện cho hệ thống bánh răng giúp tăng khả năng chịu tải tiếp xúc và uốn, giảm kích thước khuôn khổ của hộp giảm tốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong văn bản: Văn bản đồ án dừng lại ở giai đoạn lập phương trình cân bằng lực trên trục 1; các phần tính toán hệ số an toàn mỏi chi tiết cho trục 2, trục 3, tính chọn ổ lăn, then và thiết kế vỏ hộp giảm tốc chưa được thể hiện trọn vẹn trong phần văn bản trích lục.
  • Hướng mở rộng:
    • Hoàn thiện tính toán kiểm nghiệm then theo độ bền dập và độ bền cắt.
    • Tính toán lựa chọn ổ lăn (ổ bi đỡ chặn hoặc ổ đũa côn) theo khả năng tải động và tải tĩnh.
    • Thiết kế kết cấu vỏ hộp đúc, các chi tiết phụ (que thăm dầu, nút thông hơi, nút tháo dầu) và xây dựng bản vẽ lắp cụm hộp giảm tốc khổ A0.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí hoặc Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư:

  • Cung cấp quy trình từng bước chuẩn mực về tính chọn động cơ, phân phối tỉ số truyền và lập bảng thông số động học.
  • Minh họa phương pháp tính toán giải tích chi tiết cho bộ truyền đai thang B và bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng/răng thẳng theo tiêu chuẩn ứng suất tiếp xúc - ứng suất uốn.
  • Cung cấp các công thức xác định kích thước khoảng cách gối đỡ và may-ơ phục vụ thiết kế kết cấu trục.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện được chọn cho hệ thống dẫn động xích tải đề 8 là loại nào?
Động cơ được chọn là loại động cơ 3 pha không đồng bộ roto ngắn mạch ký hiệu 4A132S4Y3, có công suất định mức $7,5 \text{ kW}$, vận tốc quay $1455 \text{ v/p}$, hệ số $\cos\varphi = 0,86$ và hiệu suất $87,5%$.

2. Hộp giảm tốc sử dụng trong đề tài có kết cấu gì và tỉ số truyền các cấp là bao nhiêu?
Hộp giảm tốc là loại bánh răng trụ hai cấp sơ đồ phân đôi có tổng tỉ số truyền $u_h = 10$, trong đó tỉ số truyền cấp nhanh $u_1 = 3,58$ và tỉ số truyền cấp chậm $u_2 = 2,79$.

3. Bộ truyền ngoài hộp giảm tốc sử dụng loại đai nào và các thông số kích thước cơ bản ra sao?
Bộ truyền ngoài sử dụng đai thang loại B gồm $Z = 3$ đai, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 1800 \text{ mm}$, khoảng cách trục chính xác $a = 443 \text{ mm}$, đường kính bánh đai nhỏ $d_1 = 160 \text{ mm}$, đường kính bánh đai lớn $d_2 = 400 \text{ mm}$ và góc ôm đai $\alpha_1 = 150,8^\circ$.

4. Cặp bánh răng cấp chậm và cấp nhanh được chế tạo từ vật liệu nào?
Cả hai cặp bánh răng đều được chế tạo từ thép hợp kim 40XH tôi cải thiện, trong đó cấp chậm có độ rắn $HB'_2 = 330$, $HB_3 = 320$ (modul $m = 3 \text{ mm}$); cấp nhanh có độ rắn $HB_1 = 510$, $HB_2 = 495$ (modul $m = 2 \text{ mm}$).

5. Vật liệu sử dụng để chế tạo các trục 1, 2 và 3 trong hộp giảm tốc là gì?
Trục 1 và Trục 2 sử dụng thép CT6 hoặc Thép 45; Trục 3 sử dụng Thép 45 tôi.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải - Đề 8" của sinh viên Nguyễn Quang Hưng và Nguyễn Lê Hoàng Vũ đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán tính toán động học, động lực học và độ bền cho trạm dẫn động cơ khí xích tải. Hệ thống sử dụng động cơ 4A132S4Y3 kết hợp bộ truyền đai thang B và hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp phân đôi bằng thép hợp kim 40XH. Kết quả tính toán đảm bảo tính khả thi về mặt kỹ thuật, độ tin cậy kết cấu và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế máy hiện hành.