Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí và công nghệ ô tô, hệ thống truyền động đóng vai trò trung gian cốt lõi nhằm truyền chuyển động và cơ năng từ động cơ sơ cấp đến cơ cấu chấp hành của dây chuyền sản xuất. Đề tài "Thiết kế hệ thống dẫn động xích tải" được thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án Chi tiết máy tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (do sinh viên Đoàn Duy Khang, MSSV: 19154066, Lớp: DH19OT thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVHD. Nguyễn Thị Kiều Hạnh).
Đề tài giải quyết bài toán kỹ thuật theo Đề số 05 - Phương án số 15 với các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Xác định công suất và lựa chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha phù hợp với sơ đồ tải trọng thay đổi của hệ dẫn động xích tải.
- Phân phối tỷ số truyền chung cho toàn bộ hệ thống, bao gồm bộ truyền ngoài (bộ truyền đai) và hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục.
- Tính toán thiết kế hình học, kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của các bộ truyền đai thang và bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng (cấp nhanh và cấp chậm).
- Tính toán kết cấu các trục truyền động, lập sơ đồ phân tích lực, tính toán phản lực liên kết tại các gối đỡ, xác định đường kính trục theo mômen tương đương, kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ bền của mối ghép then.
- Lựa chọn quy cách ổ lăn đỡ - chặn, kiểm tra khả năng tải động, tải tĩnh và tuổi thọ ổ theo số triệu vòng quay và số giờ làm việc; tính toán kiểm nghiệm khớp nối trục đàn hồi.
- Thiết kế vỏ hộp giảm tốc, các chi tiết phụ và lập bảng dung sai lắp ghép cho các mối ghép then, ổ lăn và bánh răng.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống dẫn động xích tải công nghiệp vận hành một chiều với sơ đồ phụ tải thay đổi, thời gian phục vụ thiết kế của hộp giảm tốc đạt $L_h = 20.160\text{ giờ}$ (tương ứng chế độ làm việc 2 ca/ngày, 8 giờ/ca).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chuẩn tắc trong môn học Chi tiết máy và Thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tham khảo tài liệu hướng dẫn tính toán hệ dẫn động cơ khí của các tác giả Trịnh Chất, Lê Văn Uyển và Nguyễn Trọng Hiệp):
- Khung lý thuyết tính toán động học: Xác định công suất đẳng trị $P_{ct} = 5,105\text{ kW}$ trên cơ sở chế độ tải trọng thay đổi, hiệu suất truyền động tổng thể của hệ thống $\eta_{ch} = 0,867$ (tính từ hiệu suất cặp bánh răng $\eta_{br} = 0,97$, ổ lăn $\eta_{ol} = 0,99$, bộ truyền đai $\eta_x = 0,95$, nối trục $\eta_{nt} = 1$).
- Phương pháp tính toán độ bền mỏi tiếp xúc và độ bền uốn: Sử dụng các công thức giải tích tính toán ứng suất tiếp xúc $\sigma_H$ và ứng suất uốn $\sigma_F$ theo tiêu chuẩn cho bánh răng trụ răng nghiêng bằng thép tôi cải thiện, có xét đến hệ số tải trọng động, hệ số phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng và hệ số trùng khớp $\varepsilon_\alpha, \varepsilon_\beta$.
- Phương pháp phân tích tĩnh học và cơ học kết cấu: Sử dụng phần mềm MDsolids để mô hình hóa sơ đồ dầm liên tục trên các gối đỡ, giải phương trình cân bằng tĩnh học trong không gian hai mặt phẳng thẳng đứng ($Oyz$) và nằm ngang ($Oxz$), từ đó xác định chính xác các thành phần phản lực gối đỡ $R_{Ax}, R_{Ay}, R_{Bx}, R_{By}$ và biểu đồ mômen uốn, mômen xoắn dọc theo chiều dài trục.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tải trọng đầu vào của Đề 5 - Phương án 15, bảng tra tiêu chuẩn động cơ điện dãy 4A, bảng tra thông số tiêu chuẩn đai thang loại B, ổ bi đỡ - chặn một dãy (GOST/TCVN) và bảng dung sai lắp ghép cơ khí.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống cơ khí được tổ chức theo cấu trúc truyền động nối tiếp: Động cơ điện $\rightarrow$ Bộ truyền đai thang $\rightarrow$ Hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục $\rightarrow$ Khớp nối trục đàn hồi $\rightarrow$ Trục công tác dẫn động xích tải.
[Động cơ điện 4A132S4Y3]
[Bộ truyền đai thang loại B]
[Trục I (Trục vào HGT)]
[Trục II (Trục trung gian)]
[Trục III (Trục ra HGT)]
[Trục công tác xích tải]
Toàn bộ quy trình tính toán được triển khai kỹ thuật thông qua việc phân tích động lực học kết hợp kiểm chứng mô phỏng bằng công cụ MDsolids, đảm bảo từng chi tiết máy đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, độ bền tĩnh, độ bền mỏi và tuổi thọ danh định.
Nội dung chính theo từng chương
1. Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền
Dựa trên công suất đẳng trị $P_{ct} = 5,105\text{ kW}$ và hiệu suất hệ thống $\eta_{ch} = 0,867$, tác giả chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc kiểu 4A132S4Y3 với các thông số:
- Công suất định mức: $P_{đc} = 7,5\text{ kW}$
- Vận tốc quay định mức: $n_{đc} = 1455\text{ vòng/phút}$
- Hệ số công suất: $\cos\alpha = 0,86$; Hiệu suất: $\eta = 87,5%$
- Khả năng quá tải: $T_{max}/T_{dn} = 2,2$; $T_k/T_{dn} = 2,0$
Tỷ số truyền chung của hệ thống được phân phối cho bộ truyền đai $u_đ = 4,03$ và hộp giảm tốc hai cấp đồng trục $u_{hgt} = 8,009$ (trong đó cấp nhanh $u_1 = 2,83$ và cấp chậm $u_2 = 2,83$). Sai số tỷ số truyền $\Delta = 0,33%$, nằm trong giới hạn cho phép.
| Đại lượng | Động cơ | Trục I | Trục II | Trục III | Trục công tác |
|---|---|---|---|---|---|
| Tỷ số truyền ($u$) | - | $4,03$ | $2,83$ | $2,83$ | $1,00$ |
| Vận tốc quay ($n$, vòng/phút) | $1455$ | $316$ | $127,56$ | $45,07$ | $45,00$ |
| Công suất ($P$, kW) | $7,50$ | $7,57$ | $7,12$ | $6,837$ | $6,50$ |
| Mômen xoắn ($T$, Nmm) | - | $228.777$ | $533.051$ | $1.448.709$ | $1.379.444$ |
2. Tính toán thiết kế bộ truyền đai
Bộ truyền ngoài sử dụng đai thang thường loại B với các thông số tiết diện: $b_p = 14\text{ mm}$, $b_0 = 17\text{ mm}$, $h = 10,0\text{ mm}$, diện tích tiết diện $A = 138\text{ mm}^2$.
- Đường kính bánh đai nhỏ: $d_1 = 180\text{ mm}$; Vận tốc đai: $v_1 = 13,7\text{ m/s}$.
- Đường kính bánh đai lớn: $d_2 = 710\text{ mm}$ (tỷ số truyền đai thực $u = 3,98$).
- Chiều dài đai tiêu chuẩn: $L = 3150\text{ mm}$; Khoảng cách trục tính toán: $a = 833,8\text{ mm}$.
- Số vòng chạy trong một giây: $i = 4,35\text{ s}^{-1} \le [i] = 10\text{ s}^{-1}$.
- Góc ôm đai bánh nhỏ: $\alpha_1 = 143,8^\circ$; Số sợi đai yêu cầu: $Z = 2$ sợi.
- Lực căng ban đầu: $F_0 = 414\text{ N}$ (mỗi sợi $207\text{ N}$); Lực vòng có ích: $F_t = 547,4\text{ N}$.
- Lực tác dụng lên trục: $F_r = 787\text{ N}$; Tuổi thọ của đai đạt $L_h = 1989,8\text{ giờ}$.
3. Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng
Cả hai cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm đều sử dụng vật liệu thép 45 tôi cải thiện có độ rắn bánh nhỏ $HB_1 = 245$, bánh lớn $HB_2 = 230$. Hộp giảm tốc đồng trục nên khoảng cách trục của hai cấp bằng nhau: $a_{w1} = a_{w2} = 250\text{ mm}$, môđun pháp tuyến $m_n = 4\text{ mm}$, số răng bánh nhỏ $Z_1 = 32$, số răng bánh lớn $Z_2 = 90$, góc nghiêng răng $\beta = 12,58^\circ$, tỷ số truyền thực $u_m = 2,81$.
| Thông số hình học và lực | Cặp cấp nhanh (Trục I - II) | Cặp cấp chậm (Trục II - III) |
|---|---|---|
| Đường kính vòng chia ($d_1 / d_2$, mm) | $131,14 / 368,86$ | $131,14 / 368,86$ |
| Đường kính vòng đỉnh ($d_{a1} / d_{a2}$, mm) | $139,14 / 376,86$ | $139,14 / 376,86$ |
| Đường kính vòng đáy ($d_{f1} / d_{f2}$, mm) | $123,14 / 360,86$ | $123,14 / 360,86$ |
| Chiều rộng vành răng ($b_1 / b_2$, mm) | $84,75 / 78,75$ | $106,00 / 100,00$ |
| Lực vòng ($F_t$, N) | $3488,8$ | $8128,9$ |
| Lực hướng tâm ($F_r$, N) | $1301,0$ | $3031,5$ |
| Lực dọc trục ($F_a$, N) | $778,6$ | $1814,0$ |
| Ứng suất tiếp xúc tính toán ($\sigma_H$, MPa) | $276,2 \le [\sigma_H]=421,5$ | $368,0 \le [\sigma_H]=392,2$ |
| Ứng suất uốn bánh bị dẫn ($\sigma_{F2}$, MPa) | $34,00 \le [\sigma_{F2}]'=231,84$ | $40,56 \le [\sigma_{F2}]'=236,57$ |
4. Thiết kế trục, then và khớp nối trục
Vật liệu chế tạo cả ba trục là thép C45 tôi cải thiện có giới hạn bền $\sigma_b = 850\text{ MPa}$. Tác giả thiết lập sơ đồ khoảng cách trục, mômen uốn và sử dụng phần mềm MDsolids xác định phản lực gối đỡ:
- Trục I (Trục vào): Phản lực $R_{AX} = 728,26\text{ N}, R_{BX} = 214,26\text{ N}, R_{AY} = 1744,40\text{ N}, R_{BY} = 1744,40\text{ N}$. Tiết diện nguy hiểm tại C có $M_{tđ} = 225.582,2\text{ Nmm}$, chọn đường kính trục lắp bánh răng $d_C = 40\text{ mm}$, gối ổ $d_A = d_B = 35\text{ mm}$, vị trí lắp bánh đai $d_D = 34\text{ mm}$. Mối ghép then bằng $10 \times 8 \times 56\text{ mm}$ có $\sigma_d = 49,02\text{ MPa} \le 100\text{ MPa}$. Hệ số an toàn mỏi tổng hợp $S = 7,66 > [s] = 1,5$.
- Trục II (Trục trung gian): Phản lực $R_{AX} = 2585,88\text{ N}, R_{BX} = 1746,62\text{ N}, R_{AY} = 5324,96\text{ N}, R_{BY} = 684,86\text{ N}$. Mômen tương đương tại C đạt $M_{tđ} = 797.111,37\text{ Nmm}$, chọn đường kính vị trí lắp bánh răng $d_C = d_D = 60\text{ mm}$, ngõng ngỗng lắp ổ lăn $d_A = d_B = 55\text{ mm}$. Then bằng $18 \times 11\text{ mm}$ đạt độ bền dập ($\sigma_d = 55,53\text{ MPa}$ và $69,41\text{ MPa}$) và độ bền cắt ($\tau_c = 12,33\text{ MPa}$ và $15,42\text{ MPa}$). Hệ số an toàn mỏi $S = 8,85 > [s] = 1,5$.
- Trục III (Trục ra): Phản lực $R_{AX} = 3265,54\text{ N}, R_{BX} = 234,04\text{ N}, R_{AY} = 2543,92\text{ N}, R_{BY} = 6326,69\text{ N}$. Mômen tương đương cực đại $M_{tđ} = 1.450.255,32\text{ Nmm}$, chọn đường kính đoạn lắp bánh răng $d_C = 70\text{ mm}$, gối đỡ $d_A = d_B = 65\text{ mm}$, đoạn nối trục $d_D = 63\text{ mm}$. Mối ghép then $20 \times 12\text{ mm}$ và $18 \times 11\text{ mm}$ thỏa mãn bền dập và cắt. Hệ số an toàn mỏi $S = 7,73 > [s] = 1,5$.
- Khớp nối trục đàn hồi: Chọn kích thước đường kính vòng tâm chốt $D_0 = 200\text{ mm}$, số chốt $Z = 8$, chốt ren M16 có đường kính thân $d_c = 24\text{ mm}$, chiều dài làm việc $L_0 = 64,5\text{ mm}$. Ứng suất dập vòng đàn hồi $\sigma_d = 2,57\text{ MPa} \le [\sigma_d] = 2 \div 4\text{ MPa}$, đảm bảo an toàn cho chốt và vòng cao su.
5. Lựa chọn và kiểm nghiệm ổ lăn
Do lực dọc trục trên các trục có giá trị lớn ($F_{a1} = 778,6\text{ N}$, $F_{a3} - F_{a2} = 1035,4\text{ N}$), tỷ số lực dọc trục trên lực hướng tâm thỏa mãn điều kiện chọn ổ đỡ - chặn:
- Trục I: Chọn 2 ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46207 ($d = 35\text{ mm}, D = 72\text{ mm}, B = 17\text{ mm}, r = 2\text{ mm}, C = 22,7\text{ kN}, C_0 = 16,6\text{ kN}$). Tải trọng động tính toán $C_{tt} = 20.688,09\text{ N} < C = 22.700\text{ N}$, tuổi thọ thực tế đạt $L = 504,94\text{ triệu vòng}$ (vượt yêu cầu $382,23\text{ triệu vòng}$), tải trọng tĩnh $Q_0 = 2069,54\text{ N} < C_0$, số vòng quay tới hạn $n_{gh} = 8411,21\text{ vòng/phút} > n_1 = 316\text{ vòng/phút}$.
- Trục II: Chọn 2 ổ bi đỡ - chặn một dãy cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46211 ($d = 55\text{ mm}, D = 100\text{ mm}, B = 21\text{ mm}, r = 2,5\text{ mm}, C = 34,9\text{ kN}, C_0 = 32,1\text{ kN}$). Tải trọng tương đương tác dụng lên ổ chịu lực chính đạt $Q = 7695,52\text{ N}$, đảm bảo an toàn về tải động và tải tĩnh.
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán kỹ thuật cho hệ thống dẫn động xích tải với các kết quả định lượng cụ thể:
- Xác lập bảng thông số động lực học chuẩn hóa cho toàn hệ thống với tỷ số truyền chung $u_{ch} = 32,28$, sai số tỷ số truyền của hộp giảm tốc đạt $0,33%$.
- Hoàn thiện bộ thông số kích thước hình học chi tiết cho bộ truyền đai thang loại B ($Z=2$, $a=833,8\text{ mm}$) và hai bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục cấp nhanh và cấp chậm ($a_w=250\text{ mm}, m_n=4\text{ mm}, \beta=12,58^\circ$).
- Kiểm chứng thành công khả năng chịu tải của các trục I, II, III với hệ số an toàn mỏi dao động từ $7,66$ đến $8,85$, vượt xa hệ số an toàn cho phép $[s] = 1,5$.
- Định cỡ chính xác quy cách ổ lăn đỡ - chặn 46207 và 46211, đảm bảo tuổi thọ làm việc trên $20.160\text{ giờ}$ theo yêu cầu thiết kế.
Về mặt đóng góp học thuật và kỹ thuật, tác giả đã ứng dụng hiệu quả phần mềm MDsolids vào quá trình tính toán tĩnh học kết cấu dầm trục thay cho phương pháp vẽ tay truyền thống, giúp nâng cao độ chính xác khi xác định biểu đồ nội lực và phản lực liên kết tại các gối đỡ ổ lăn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Toàn bộ quá trình tính toán dừng lại ở mức độ giải tích bán thực nghiệm theo tiêu chuẩn giáo trình cơ sở, chưa tiến hành mô phỏng ứng suất tập trung 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) đối với vỏ hộp giảm tốc và các then chịu tải; chưa khảo sát cân bằng nhiệt động lực học thực tế của dầu bôi trơn trong vỏ hộp.
- Hướng mở rộng: Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh của hệ thống trên phần mềm CAD (như SolidWorks hoặc Autodesk Inventor), thực hiện mô phỏng động lực học nhiều vật thể (MBD) và phân tích biến dạng nhiệt của hộp giảm tốc trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Chế tạo máy khi thực hiện Đồ án Chi tiết máy hoặc Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí.
- Cung cấp quy trình mẫu về việc tính toán hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục, phương pháp phối hợp tính toán giải tích với phần mềm MDsolids và các bước kiểm nghiệm then, trục, ổ lăn đỡ - chặn theo tiêu chuẩn.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ điện được lựa chọn cho hệ thống có mã hiệu và thông số kỹ thuật chính là gì?
Động cơ được chọn là loại động cơ không đồng bộ ba pha 4A132S4Y3, có công suất định mức $7,5\text{ kW}$, vận tốc quay định mức $1455\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\alpha = 0,86$, hiệu suất $\eta = 87,5%$, tỷ số mômen $T_{max}/T_{dn} = 2,2$ và $T_k/T_{dn} = 2,0$.
2. Hộp giảm tốc trong đồ án thuộc kiểu kết cấu nào và có khoảng cách trục bao nhiêu?
Hộp giảm tốc trong đồ án là loại hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục. Do đặc tính đồng trục, khoảng cách trục của cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm đều bằng nhau và được chuẩn hóa ở giá trị $a_{w1} = a_{w2} = 250\text{ mm}$ với môđun pháp tuyến $m_n = 4\text{ mm}$.
3. Kích thước và thông số cơ bản của bộ truyền ngoài (bộ truyền đai) là gì?
Bộ truyền ngoài sử dụng đai thang loại B gồm $Z = 2$ sợi, đường kính bánh dẫn $d_1 = 180\text{ mm}$, bánh bị dẫn $d_2 = 710\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 3150\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 833,8\text{ mm}$, góc ôm đai bánh nhỏ $\alpha_1 = 143,8^\circ$ và lực căng trục $F_r = 787\text{ N}$.
4. Phần mềm nào được sử dụng hỗ trợ giải bài toán phân tích nội lực trục?
Tác giả sử dụng phần mềm MDsolids để mô hình hóa sơ đồ dầm, giải các phản lực liên kết gối đỡ và xác định giá trị mômen uốn tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm trên các trục I, II và III.
5. Ổ lăn trên trục I và trục II được chọn thuộc loại nào?
Ổ lăn trên trục I là loại ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46207 (kích thước $d = 35\text{ mm}, D = 72\text{ mm}, B = 17\text{ mm}$); ổ lăn trên trục II là loại ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46211 (kích thước $d = 55\text{ mm}, D = 100\text{ mm}, B = 21\text{ mm}$).
Kết luận
Bản thuyết minh đồ án của sinh viên Đoàn Duy Khang đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế hệ thống dẫn động xích tải theo Đề số 05 - Phương án 15. Toàn bộ các cụm kết cấu từ động cơ 4A132S4Y3, bộ truyền đai thang loại B, hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng nghiêng đồng trục ($a_w = 250\text{ mm}$) đến hệ trục, then, ổ lăn và khớp nối đàn hồi đều được tính toán nhất quán, logic và kiểm nghiệm đạt chuẩn theo lý thuyết chi tiết máy. Đồ án thể hiện tính chuẩn mực về quy trình thiết kế cơ khí và là tài liệu tham khảo hữu ích cho học phần thiết kế hệ dẫn động.