Luận văn thạc sĩ về thiết kế hệ thống truyền động cơ khí với độ tin cậy cao

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ chế tạo máy thiết kế hệ thống truyền động cơ khí trên cơ sở độ tin cậy, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Huỳnh Thò Ngọc Trinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Lộc
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Cơ Khí Dựa Trên Độ Tin Cậy
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng gay gắt giữa các doanh nghiệp, việc thiết kế hệ thống truyền động đạt tiêu chuẩn về chất lượng, an toàn và độ tin cậy là vô cùng quan trọng. Thiết kế dựa trên độ tin cậy không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành. Theo đó, việc lựa chọn cơ khí và các thành phần trong hệ thống truyền động phải dựa trên các tiêu chí cụ thể nhằm đảm bảo tính bền vững và hiệu quả. Các phương pháp thiết kế hiện nay thường áp dụng lý thuyết xác suất, trong đó độ tin cậy của từng thành phần sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ hệ thống. Việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế cũng như phân tích độ tin cậy sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

1.1 Khái niệm về thiết kế theo độ tin cậy

Khái niệm thiết kế hệ thống dựa trên độ tin cậy được hiểu là việc áp dụng các phương pháp khoa học để đảm bảo rằng các thành phần trong hệ thống truyền động hoạt động hiệu quả và an toàn trong suốt thời gian sử dụng. Điều này bao gồm việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy như vật liệu, tải trọng, và các điều kiện hoạt động. Việc thiết kế phải tính đến khả năng thất bại của từng thành phần, từ đó xây dựng các phương án khắc phục và nâng cao độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một sản phẩm không chỉ đạt yêu cầu về kỹ thuật mà còn có độ tin cậy cao, giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa cho người sử dụng.

1.2 Lịch sử phát triển tình hình nghiên cứu

Lịch sử nghiên cứu về độ tin cậy trong cơ khí bắt đầu từ sau Chiến tranh Thế giới thứ II, khi nhu cầu về các thiết bị an toàn và hiệu quả gia tăng. Các nghiên cứu đầu tiên tập trung vào việc phân tích các phương pháp thiết kế hệ thống để giảm thiểu rủi ro và tăng cường độ tin cậy. Qua thời gian, nhiều tiêu chuẩn và phương pháp đã được phát triển, từ đó hình thành nền tảng cho việc thiết kế hiện đại. Các nghiên cứu hiện nay không chỉ dừng lại ở việc phân tích độ tin cậy mà còn mở rộng ra các lĩnh vực khác như tự động hóa và công nghệ thông tin, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết về thiết kế hệ thống truyền động dựa trên độ tin cậy bao gồm nhiều khía cạnh, từ phân tích thống kê đến các mô hình toán học phức tạp. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống có thể được chia thành các loại như kích thước hình học, vật liệu và tải trọng tác động. Mỗi yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế. Việc áp dụng các mô hình phân phối xác suất giúp dự đoán khả năng thất bại của các thành phần trong hệ thống. Đặc biệt, việc sử dụng các phương pháp phân tích độ tin cậy như FMEA (Phân tích chế độ thất bại và ảnh hưởng) và Fault Tree Analysis (Phân tích cây lỗi) đã trở nên phổ biến, giúp các kỹ sư có cái nhìn tổng quan về các rủi ro có thể xảy ra.

2.1 Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế

Trong thiết kế hệ thống truyền động, các đại lượng ngẫu nhiên như tải trọng, vật liệu và các thông số kỹ thuật thường được coi là những yếu tố không chắc chắn. Việc xác định các đại lượng này thông qua các phương pháp thống kê và mô phỏng giúp đánh giá chính xác hơn về độ tin cậy của hệ thống. Các mô hình phân phối như phân phối chuẩn, Weibull, và Gamma thường được sử dụng để mô phỏng các biến ngẫu nhiên này. Điều này không chỉ giúp dự đoán khả năng thất bại mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các thành phần có độ bền cao hơn và khả năng chống chịu tốt hơn với các điều kiện làm việc khắc nghiệt.

2.2 Các biểu thức tổng quát

Các biểu thức tổng quát trong thiết kế hệ thống truyền động dựa trên độ tin cậy thường liên quan đến việc tính toán xác suất thất bại của các thành phần trong hệ thống. Các công thức này giúp đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng các công thức này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo rằng các tiêu chí về độ tin cậy và hiệu suất được đáp ứng. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong việc áp dụng các công thức này sẽ mang lại kết quả tốt nhất cho quá trình thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ñaïi Hoïc Quoác Gia Tp. Hoà Chí Minh TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ------------------ HUYØNH THÒ NGOÏC TRINH THIEÁT KEÁ HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG CÔ KHÍ TREÂN CÔ SÔÛ ÑOÄ TIN CAÄY Chuyeân ngaønh: CHEÁ TAÏO MAÙY Maõ Soá Ngaønh: 2.00 LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HOÀ CHÍ MINH - THAÙNG 11 NAÊM 2004 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM Phoøng Ñaøo Taïo SÑH ÑOÄC LAÄP – TÖÏ DO – HAÏNH PHUÙC Tp, HCM ngaøy thaùng naêm 2004 NHIEÄM VUÏ LUAÄN VAÊN THAÏC VAÊN Hoï vaø teân hoïc vieân: Huyønh Thò Ngoïc Trinh Phaùi: Nöõ Ngaøy, thaùng, naêm sinh: 01/12/1974 Nôi sinh: Tp. HCM Chuyeân ngaønh: Cheá Taïo Maùy MSHV: CKCT13-019 I.

TEÂN ÑEÀ TAØI: THIEÁT KEÁ HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG CÔ KHÍ TREÂN CÔ SÔÛ ÑOÄ TIN CAÄY II. NHIEÄM VUÏ VAØ NOÄI DUNG: - Tính toaùn thieát keá heä thoáng truyeàn ñoäng cô khí treân cô sôû ñoä tin caäy - Tính toaùn caùc chi tieát truyeàn ñoäng treân cô sôû ñoä tin caäy - So saùnh keát quaû vôùi phöông phaùp ñôn ñònh - Phaân tích ñoä tin caäy cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng III. NGAØY GIAO NHIEÄM VUÏ:. NGAØY HOAØN THAØNH NHIEÄM VUÏ:.

HOÏ VAØ TEÂN CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN: TS. NGUYEÃN HÖÕU LOÄC CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN CHUÛ NHIEÄM NGAØNH BOÄ MOÂN QUAÛN LYÙ CHUYEÂN NGAØNH TS. NGUYEÃN HÖÕU LOÄC TS. PHAÏM NGOÏC TUAÁN PGS.TS TRAÀN DOAÕN SÔN Noäi dung vaø ñeà cöông luaän vaên thaïc só ñaõ ñöôïc Hoäi ñoàng chuyeân ngaønh thoâng qua.

Ngaøy thaùng naêm 2005 Phoøng Ñaøo taïo SÑH Khoa quaûn lyù ngaønh COÂNG TRÌNH ÑÖÔÏC HOAØN THAØNH TAÏI TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc: TS. Caùn boä chaám nhaän xeùt 1: PGS. ÑOAØN THÒ MINH TRINH.

Caùn boä chaám nhaän xeùt 2: TS. NGUYEÃN TUAÁN KIEÄT. Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi HOÄI ÑOÀNG CHAÁM BAÛO VEÄ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA, ngaøy thaùng naêm 2005 LÔØI CAÛM ÔN Ñeå hoaøn thaønh luaän vaên naøy, toâi ñaõ nhaän ñöôïc nhieàu kieán thöùc quyù baùo töø thaày coâ tröôøng Ñaïi hoïc Baùch Khoa thaønh phoá Hoà Chí Minh ñaõ truyeàn ñaït cho toâi trong nhöõng naêm hoïc taäp taïi tröôøng. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn saâu saéc ñeán caùc Thaày Coâ trong Khoa Cô Khí, Tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Thaønh Phoá Hoà Chí Minh vaø ñaëc bieät Thaày TS.

NGUYEÃN HÖÕU LOÄC ñaõ taän tình daïy baûo, giuùp ñôõ vaø truyeàn ñaït nhöõng kieán thöùc quyù baùu ñeå toâi hoaøn taát luaän vaên. Cuoái cuøng toâi xin chaân thaønh caûm ôn ñeán ngöôøi thaân, taát caû baïn beø, vaø ñaëc bieät laø caùc baïn hoïc vieân CTMK13 ñaõ taïo ñieàu kieän giuùp ñôõ toâi hoaøn thaønh khoùa hoïc vaø luaän vaên naøy. Tp, Hoà Chí Minh 11 / 2004 Taùc giaû Huyønh Thò Ngoïc Trinh TOÙM TAÉT LUAÄN VAÊN Qua luaän vaên naøy trình baøy: - Tính toaùn vaø phaân tích heä thoáng truyeàn ñoäng cô khí treân cô sôû ñoä tin caäy, keát quaû ñöôïc so saùnh vôùi phöông phaùp thieát keá ñôn ñònh. - Cô sôû ñeå thieát keá vaø phaân tích heä thoáng truyeàn ñoäng döïa vaøo söï phaân boá ngaãu nhieân cuûa caùc ñaïi löôïng thieát keá maø caùc ñaïi löôïng naøy bao goàm taûi troïng, cô tính vaät lieäu, caùc thaønh phaàn khaùc ñöôïc xem nhö phaân boá theo quy luaät chuaån.

- Döïa vaøo caùc daïng hoûng cuûa caùc chi tieát trong heä thoáng ñeå xaây döïng caáu truùc caây daïng hoûng töø ñoù thieát keá vaø daùnh giaù ñoä tin caäy cuûa heä thoáng, ñöa ra sô ñoà tính. - Tính toaùn vaø phaân tích cho caùc chi tieát ñieån hình trong heä thoáng truyeàn ñoäng saùu caáp toác ñoä nhö truïc, baùnh raêng, oå laên vaø so saùnh keát quaû. ABSTRACT Though thesis we want to represent - Calculation and analyzing reliability-based design of mechanical transmission system. The result is compared to deterministic design procedure.

- Foundation to design and analyze machenical transmission system depend on the random variable of design characteristics which consists of the strength of the component, the applied load, and other parameters assumed to be dispensed a normal distribution. - Relying on the failure modes of the machine elements in system to construct and analyze fault tree from which we can design and asses reliability of system, and result in calculating charts. - Calculating and analyzing the typical characteristics of shaft, gear, bearing in the sixth-speed automotive transmission systerm, and comparing result. MUÏC LUÏC LÔØI CAÛM ÔN.

TOÙM TAÉT NOÄI DUNG. CHÖÔNG 1 TOÅNG QUAN 1.1 KHAÙI NIEÄM VEÀ THIEÁT KEÁ THEO ÑOÄ TIN CAÄY .2 LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN & TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU .3 NOÄI DUNG CUÛA LUAÄN VAÊN. 9 CHÖÔNG 2 CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT 2.1 CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG NGAÃU NHIEÂN TRONG THIEÁT KEÁ 2.1 Kích thöôùc hình hoïc cuûa chi tieát .2 Cô tính vaät lieäu.3 Taûi troïng taùc duïng .2 CAÙC BIEÅU THÖÙC TOÅNG QUAÙT .3 CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT ÑAÙNH GIAÙ ÑOÄ TIN CAÄY .1 Toång quaùt .2 Haøm soá phuï thuoäc vaøo nhieàu bieán soá .4 TRÌNH TÖÏ THIEÁT KEÁ THEO ÑOÄ TIN CAÄY. 23 CHÖÔNG 3 ÑAÙNH GIAÙ VAØ PHAÂN TÍCH CAÁU TRUÙC CAÂY HOÛNG HOÙC 3.1 KHAÙI NIEÄM PHAÂN TÍCH CAÁU TRUÙC CAÂY HOÛNG HOÙC .2 PHAÂN TÍCH CAÁU TRUÙC CAÂY HOÛNG HOÙC .3 CAÙC DAÏNG HOÛNG .1 Hoûng hoùc cuûa caùc chi tieát .2 Caùc daïng hoûng hoùc cuûa chi tieát trong heä thoáng truyeàn ñoäng.4 ÖÙNG DUÏNG PHAÂN TÍCH CAÁU TRUÙC CAÂY HOÛNG HOÙC TRONG HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG.

34 CHÖÔNG 4 THIEÁT KEÁ HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG THEO ÑOÄ TIN CAÄY 4.1 THIEÁT KEÁ CAÙC CHI TIEÁT CÔ KHÍ TREÂN CÔ SÔÛ ÑOÄ TIN CAÄY .2 THIEÁT KEÁ BAÙNH RAÊNG TREÂN CÔ SÔÛ ÑOÄ TIN CAÄY .1 Thieát keá treân cô sôû ñoä tin caäy theo ñoä beàn tieáp xuùc .2 Thieát keá treân cô sôû ñoä tin caäy theo ñoä beàn uoán .3 THIEÁT KEÁ TRUÏC TRUYEÀN .5 PHAÂN TÍCH ÑOÄ TIN CAÄY CUÛA HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG 4.1 Ñoä tin caäy truïc .2 Ñoä tin caäy cuïm baùnh raêng .3 Ñoä tin caäy caùc nhoùm baùnh raêng. 57 CHÖÔNG 5 KEÁT QUAÛ TÍNH TOAÙN THIEÁT KEÁ VAØ PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG CÔ KHÍ 5.1 THIEÁT KEÁ CAÙC CHI TIEÁT TRONG HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG .3 OÅ laên treân cô sôû ñoä tin caäy .2 PHAÂN TÍCH HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG. 79 KEÁT LUAÄN VAØ HÖÔÙNG PHAÙT TRIEÅN. 80 Chöông 1 CHÖÔNG 1 TOÅNG QUAN 1.1 KHAÙI NIEÄM VEÀ THIEÁT KEÁ TREÂN CÔ SÔÛ ÑOÄ TIN CAÄY Ngaøy nay do nhu caàu caïnh tranh giöõa caùc doanh nghieäp, ñeå saûn phaåm coù choå ñöùng treân thò tröôøng ñoøi hoûi phaûi thoûa maõn caùc chæ tieâu veà chaát löôïng, an toaøn vaø ñaùng tin caäy.

Theo phöông phaùp thieát keá truyeàn thoáng, moät saûn phaåm chi tieát maùy ñaït yeâu caàu nhö treân thì khi thieát keá phaûi choïn moät heä soá an toaøn thích hôïp. Heä soá an toaøn naøy thöôøng ñöôïc choïn theo kinh nghieäm. Chính vì vaäy maø ñoâi khi saûn phaåm cheá taïo ra coù caùc chæ tieâu vöôït quaù yeâu caàu neân giaù thaønh saûn xuaát taêng, do ñoù khoâng coù khaû naêng caïnh tranh treân thò tröôøng. Vieäc naâng cao khaû naêng laøm vieäc cuûa saûn phaåm nhö khaû naêng chòu taûi, nhieät ñoä, toác ñoä, ñoä chính xaùc, hieäu suaát laøm vieäc, möùc ñoä töï ñoäng hoùa, heä soá an toaøn, … laø moät vaán ñeà caáp baùch hieän nay treân theá giôùi vaø trong nöôùc.

Neáu saûn phaåm cheá taïo khoâng ñaùng tin caäy daãn ñeán laõng phí voán ñaàu tö, nguyeân vaät lieäu, naêng löôïng, söùc lao ñoäng cuûa toaøn xaõ hoäi vaø daãn ñeán taâm lyù baát an ñoái vôùi ngöôøi tieâu duøng. Do ñoù, xu höôùng hieän nay treân theá giôùi ñaõ vaø ñang nghieân cöùu, öùng duïng phöông phaùp tieán tieán ñeå thieát keá vaø cheá taïo saûn phaåm ñaït chaát löôïng cao. Phöông phaùp nghieân cöùu hieän nay veà lyù thuyeát vaø öùng duïng ñoù laø phöông phaùp thieát keá xaùc suaát bao goàm thieát keá beàn vöõng vaø phöông phaùp thieát keá döïa treân cô sôû ñoä tin caäy ñöôïc aùp duïng cho moïi laõnh vöïc nhö ñieän töû, cô khí, xaây döïng, … phöông phaùp naøy xeùt ñeán ñaëc tính bieán thieân cuûa caùc ñaïi löôïng thieát keá. Trong ngaønh cô khí, vieäc vaän duïng phöông phaùp thieát keá xaùc suaát laø nhu caàu taát yeáu nhaèm thieát keá caùc chi tieát vaø heä thoáng ñaït caùc chæ tieâu mong muoán.

Chính vì vaäy maø ñoøi hoûi thôøi gian vaø söï noå löïc cuûa toaøn ngaønh nhaèm ñöa saûn phaåm cuûa nöôùc nhaø saùnh kòp caùc nöôùc treân theá giôùi. 1 Chöông 1 Hieän nay treân theá giôùi ñaõ coù nhieàu coâng trình nghieân cöùu vaø öùng duïng phöông phaùp naøy vaøo nhieàu laõnh vöïc khaùc nhau. Tuy nhieân, trong laõnh vöïc cô khí, ñaëc bieät laø thieát keá caùc chi tieát maùy coøn öùng duïng haïn cheá neân vieäc nghieân cöùu ñaày ñuû veà ñoä tin caäy cuûa caùc chi tieát truyeàn ñoäng vaø öùng duïng noù ñeå thieát keá moät heä thoáng truyeàn ñoäng cuï theå laø caàn thieát. Cho neân ñeà taøi nghieân cöùu coù yù nghóa thöïc teá.

Do caùc heä thoáng kyõ thuaät ngaøy nay ngaøy caøng phöùc taïp, caùc heä thoáng naøy bao goàm nhieàu cô caáu coù quan heä maät thieát vôùi nhau, yù töôûng veà ñoä tin caäy trôû thaønh moät nhaân toá quan troïng trong thieát keá. Khaùi nieäm veà ñoä tin caäy ñöôïc hieåu nhö laø tính chaát cuûa moät ñoái töôïng ñang thöïc hieän chöùc naêng cuûa noù qua moät giai ñoaïn cuï theå vaø döôùi moät ñieàu kieän vaän haønh cuï theå. Ñoä tin caäy laø vaán ñeà phaân tích, bao goàm caùc khía caïnh kyõ thuaät vaø xaùc suaát. Noù phaûi ñöôïc chuù yù trong toaøn boä chu kyø soáng cuûa saûn phaåm.

Chính vì vaäy, trong moät heä thoáng goàm haøng ngaøn chi tieát thì söï hö hoûng cuûa baát cöù chi tieát cuõng coù theå keùo theo söï hö hoûng cuûa toaøn boä heä thoáng. Caùc chi tieát cô khí ñöôïc thieát keá vaø cheá taïo cho moät heä thoáng ñaëc bieät naøo ñoù khoù coù ñöôïc ñoä tin caäy nhö mong muoán. Caùc thoâng soá aûnh höôûng ñeán ñoä tin caäy bao goàm ñoä chính xaùc gia coâng, söï khaùc nhau veà cô tính vaät lieäu, löïc taùc duïng leân chuùng. Giaûi quyeát vaán ñeà ñoä tin caäy nhaèm naâng cao hieäu quaû lao ñoäng, nhaân löïc vaø möùc saûn xuaát cuûa toaøn xaõ hoäi.

Kyõ thuaät ñoä tin caäy ñeà caäp ñeán chaát löôïng saûn phaåm. Phaàn lôùn caùc chæ tieâu ñoä tin caäy cuûa saûn phaåm ñöôïc ñaùnh giaù ñònh löôïng baèng soá ño xaùc suaát neân coâng cuï giaûi quyeát laø lyù thuyeát xaùc suaát vaø thoáng keâ toaùn hoïc. Ngaønh khoa hoïc naøy nghieân cöùu quaù trình thay ñoåi chaát löôïng cuûa saûn phaåm theo thôøi gian, thieát laäp caùc quy luaät xuaát hieän hö hoûng cuûa ñoái töôïng vaø nhöõng 2 Chöông 1 phöông phaùp döï baùo chuùng. Ñoä tin caäy cuûa maùy thaáp daãn ñeán chi phí söûa chöõa lôùn, ngöøng maùy, laøm ngöng treä caùc hoaït ñoäng vaø nhu caàu sinh hoaït haøng ngaøy nhö ñieän, nöôùc, khí ñoát, phöông tieän giao thoâng, ….

Trong nhieàu tröôøng hôïp daãn ñeán thieát haïi veà ngöôøi, phaù huûy coâng trình, thieät haïi kinh teá. Keát caáu cô khí ngaøy caøng trôû neân phöùc taïp hôn vaø baét ñaàu ñaët ra nhöõng vaán ñeà khoù khaên hôn ñaëc bieät trong caùc öùng duïng khoâng gian vaø quaân söï.