Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Xích Tải Tại Đại Học Bách Khoa TP.HCM

• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Xích Tải
• Loại tài liệu: đồ án

• 1. PHẦN 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY
• 2. PHẦN 2: XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN BỐ TỈ SỐ TRUYỀN
• 3. PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT MÁY
• 3.1. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG XÍCH
• 3.2. THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG NGHIÊNG
• 3.3. THIẾT KẾ TRỤC - CHỌN THEN
• 3.4. TÍNH TOÁN CHỌN Ổ LĂN - NỐI TRỤC
• 3.5. TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
• 3.6. CHỌN THÂN MÁY, BU LÔNG VÀ CÁC CHI TIẾT PHỤ
• 3.7. DUNG SAI VÀ LẮP GHÉP
• LỜI NÓI ĐẦU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan đồ án thiết kế hệ thống truyền động xích tải

Một đồ án môn học chi tiết máy về thiết kế hệ thống truyền động xích tải là một bài tập kỹ thuật tổng hợp, đòi hỏi sinh viên phải áp dụng kiến thức từ nhiều môn cơ sở như Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy và Vẽ kỹ thuật. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ dẫn động cơ khí hoàn chỉnh, có khả năng truyền công suất từ động cơ điện đến cơ cấu công tác (xích tải) một cách hiệu quả và bền bỉ. Hệ thống này thường bao gồm các cụm chi tiết chính: động cơ điện, khớp nối, hộp giảm tốc, và bộ truyền xích. Trong đó, bộ truyền xích là cơ cấu chấp hành cuối cùng, trực tiếp thực hiện nhiệm vụ vận chuyển vật liệu. Việc phân tích và hiểu rõ từng thành phần, từ đĩa xích chủ động đến đĩa xích bị động và cơ cấu căng xích, là nền tảng cốt lõi để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Đồ án không chỉ dừng lại ở việc tính toán lý thuyết mà còn yêu cầu thể hiện kết quả qua bộ bản vẽ CAD hệ thống xích tải chi tiết và một bản thuyết minh đồ án xích tải mạch lạc, logic. Tài liệu tham khảo từ các đồ án của sinh viên Đại học Bách Khoa thường là nguồn tư liệu quý giá, cung cấp một quy trình chuẩn mực và các phương pháp tính toán đã được kiểm chứng, giúp sinh viên định hướng và hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế của mình. Việc tìm hiểu sâu về các ứng dụng của xích tải công nghiệp cũng giúp người thiết kế có cái nhìn thực tế hơn, từ đó đưa ra các quyết định lựa chọn vật liệu và thông số phù hợp.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ dẫn động xích tải

Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu từ nguồn cấp năng lượng là động cơ điện. Chuyển động quay từ trục động cơ được truyền qua khớp nối đến trục vào của hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc, thường là loại bánh răng trụ răng nghiêng một cấp, có nhiệm vụ giảm tốc độ quay và tăng momen xoắn. Momen xoắn sau khi được khuếch đại sẽ được truyền từ trục ra của hộp giảm tốc đến đĩa xích chủ động của bộ truyền xích. Thông qua sự ăn khớp giữa các mắt xích và răng trên đĩa xích, chuyển động và lực được truyền tới đĩa xích bị động, làm cho xích tải di chuyển với vận tốc yêu cầu. Để đảm bảo sự ăn khớp ổn định và bù trừ cho độ dão của xích trong quá trình làm việc, một cơ cấu căng xích là bộ phận không thể thiếu. Toàn bộ hệ thống được đặt trên một khung đỡ hệ thống vững chắc.

1.2. Phân tích yêu cầu và các thông số thiết kế ban đầu

Việc thiết kế bắt đầu bằng việc phân tích các thông số đầu vào từ đề bài. Dựa trên đồ án mẫu của sinh viên Đại học Bách Khoa (Đề số 8, Phương án 4), các số liệu thiết kế quan trọng bao gồm: Lực vòng xích tải F = 9000 N, vận tốc xích tải v = 0,5 m/s, bước xích tải p = 50 mm, và thời gian phục vụ L = 7 năm với chế độ làm việc 2 ca. Từ những dữ liệu này, người thiết kế phải xác định các thông số cơ bản khác như công suất làm việc, số vòng quay của đĩa xích, và sau đó là tỷ số truyền sơ bộ của toàn hệ thống. Đây là bước khởi đầu quan trọng, quyết định đến việc lựa chọn động cơ và các bộ truyền lực tiếp theo, đảm bảo hệ thống đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ và có tuổi thọ thiết kế.

II. Cách xác định công suất động cơ và phân bố tỉ số truyền

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi đồ án tốt nghiệp cơ khí liên quan đến hệ truyền động là việc tính toán công suất động cơ. Công suất phải được chọn đủ lớn để khắc phục mọi tổn thất năng lượng trong hệ thống và đảm bảo cơ cấu công tác hoạt động đúng yêu cầu. Quy trình này bắt đầu bằng việc tính công suất làm việc trên trục xích tải, sau đó xác định công suất cần thiết trên trục động cơ bằng cách chia cho hiệu suất chung của toàn bộ hệ thống. Hiệu suất này là tích của hiệu suất từng bộ phận, bao gồm khớp nối, các cặp ổ lăn, bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc, và bộ truyền xích. Sau khi có công suất cần thiết, bước tiếp theo là xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ dựa trên số vòng quay của cơ cấu công tác và tỷ số truyền sơ bộ. Việc chọn hộp giảm tốc và bộ truyền xích với tỷ số truyền phù hợp là rất quan trọng. Quá trình phân phối tỷ số truyền cần đảm bảo sự hợp lý về kích thước, khối lượng và điều kiện bôi trơn. Thông thường, tỷ số truyền của hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp được chọn trong khoảng 3 đến 5. Từ đó, tỷ số truyền của bộ truyền xích sẽ được xác định. Cuối cùng, dựa vào công suất cần thiết và số vòng quay đồng bộ, ta tra cứu catalogue để chọn ra một động cơ điện phù hợp, thỏa mãn điều kiện P_động_cơ ≥ P_cần_thiết và n_đồng_bộ ≈ n_sơ_bộ.

2.1. Quy trình tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ

Công suất làm việc trên trục xích tải (P_lv) được tính bằng công thức P_lv = (F * v) / 1000 (kW). Với F = 9000N và v = 0.5 m/s, ta có P_lv = 4.5 kW. Công suất cần thiết trên trục động cơ (P_ct) được xác định bằng cách chia P_lv cho hiệu suất chung của hệ thống (η_chung). Theo tài liệu, η_chung được tính bằng tích hiệu suất của các bộ phận: η_kn (khớp nối) * η_br (bánh răng) * η_x (xích) * η_ol^k (ổ lăn). Ví dụ, η_chung ≈ 0.99 * 0.98 * 0.95 = 0.922. Do đó, P_ct = P_lv / η_chung = 4.5 / 0.922 ≈ 4.88 kW. Để đảm bảo an toàn, ta cần chọn động cơ có công suất định mức lớn hơn giá trị này, ví dụ như động cơ 5.5 kW.

2.2. Phương pháp phân bố tỷ số truyền cho hệ dẫn động

Sau khi chọn được động cơ với số vòng quay đồng bộ (ví dụ n_đc = 1500 vòng/phút), và tính được số vòng quay của đĩa xích tải (n_xt), tỷ số truyền chung của hệ thống (u_chung) sẽ được xác định: u_chung = n_đc / n_xt. Nhiệm vụ tiếp theo là phân bố tỷ số truyền này cho hộp giảm tốc (u_hgt) và bộ truyền xích (u_x). Theo kinh nghiệm thiết kế, tỷ số truyền của hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng một cấp nên nằm trong khoảng u_hgt = 3 ÷ 5. Chọn một giá trị sơ bộ, ví dụ u_hgt = 5. Từ đó, tỷ số truyền còn lại cho bộ truyền xích được tính: u_x = u_chung / u_hgt. Việc phân phối này ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và kết cấu của các chi tiết máy sau này.

III. Hướng dẫn tính toán và thiết kế bộ truyền động xích tải

Sau khi đã xác định được công suất truyền và số vòng quay trên trục dẫn của bộ truyền xích, bước tiếp theo là tiến hành tính toán bộ truyền xích một cách chi tiết. Đây là phần cốt lõi của đồ án hệ thống truyền động xích tải. Quá trình này bao gồm các công việc: chọn loại xích, xác định các thông số cơ bản của bộ truyền, và kiểm nghiệm xích về độ bền. Việc lựa chọn loại xích (ví dụ: xích ống con lăn một dãy) phụ thuộc vào công suất truyền và số vòng quay. Dựa trên số vòng quay thấp và tải tĩnh, loại xích này là một lựa chọn hợp lý. Các thông số quan trọng cần xác định bao gồm số răng đĩa xích chủ động (z1) và đĩa xích bị động (z2) dựa trên tỷ số truyền đã phân bố. Từ đó, các thông số hình học như bước xích, đường kính vòng chia, đường kính đỉnh răng sẽ được tính toán. Một bước không thể bỏ qua là kiểm nghiệm sức bền vật liệu của xích. Điều này được thực hiện thông qua việc tính toán hệ số an toàn, so sánh với giá trị cho phép theo tiêu chuẩn. Hệ số an toàn phụ thuộc vào tải trọng phá hủy của xích, lực vòng, lực ly tâm và lực căng do trọng lượng nhánh xích chùng. Quá trình này đảm bảo vật liệu chế tạo xích có đủ khả năng chịu tải trong suốt vòng đời hoạt động, tránh các hỏng hóc đáng tiếc. Cuối cùng, cần xác định lực tác dụng lên trục để phục vụ cho bước thiết kế trục sau này.

3.1. Lựa chọn loại xích và xác định thông số bộ truyền

Dựa vào công suất truyền P = 4.785 kW và số vòng quay đĩa nhỏ n1 = 285 vòng/phút, ta chọn xích ống con lăn một dãy. Số răng đĩa xích nhỏ (z1) được chọn sơ bộ theo công thức z1 = 29 - 2*u_x. Với u_x ≈ 4.75, ta có z1 ≈ 19.5, chọn z1 = 19 răng. Từ đó, số răng đĩa lớn z2 = u_x * z1 ≈ 4.75 * 19 = 90.25, chọn z2 = 90 răng. Sau khi có số răng, công suất tính toán được xác định dựa trên các hệ số điều kiện sử dụng. Dựa vào công suất tính toán và số vòng quay, tra bảng tiêu chuẩn (ví dụ bảng 5.4, tài liệu [1] của Trịnh Chất) để chọn bước xích (p_c) phù hợp, ví dụ p_c = 25.4 mm. Cuối cùng, xác định khoảng cách trục (a) và số mắt xích (X).

3.2. Kiểm nghiệm độ bền và các điều kiện làm việc của xích

Độ bền của xích được kiểm tra qua hệ số an toàn [s]. Công thức tính hệ số an toàn thực tế là s = Q / (k_đ*F_v + F_0 + F_vc), trong đó Q là tải trọng phá hủy của xích (tra bảng), F_v là lực vòng, F_0 là lực căng ban đầu, và F_vc là lực ly tâm. Giá trị s tính được phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép [s] (tra bảng theo bước xích và số vòng quay). Ngoài ra, cần kiểm tra độ bền mòn bằng cách so sánh áp suất sinh ra trong bản lề với áp suất cho phép. Một yếu tố quan trọng khác là điều kiện bôi trơn xích tải. Với vận tốc trung bình của xích, cần xác định phương pháp bôi trơn phù hợp (nhỏ giọt, ngâm trong dầu) để đảm bảo tuổi thọ cho bộ truyền.

IV. Phương pháp thiết kế trục và chọn các chi tiết máy tiêu chuẩn

Việc thiết kế trục và then là một phần không thể thiếu trong đồ án chi tiết máy, quyết định đến khả năng truyền tải momen và độ cứng vững của toàn bộ hệ thống. Quá trình này bắt đầu bằng việc xác định sơ bộ đường kính trục tại các tiết diện lắp ổ lăn và bánh răng/đĩa xích dựa trên momen xoắn truyền qua. Sau đó, cần xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên trục trong hai mặt phẳng vuông góc (Oxy và Oxz). Các lực này bao gồm lực từ bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích, và phản lực tại các gối đỡ (ổ lăn). Từ sơ đồ lực, ta vẽ biểu đồ momen uốn và momen xoắn dọc theo trục. Tiết diện nguy hiểm nhất là nơi có momen tương đương lớn nhất. Đường kính tại các tiết diện này được tính toán và kiểm nghiệm theo điều kiện bền mỏi và bền tĩnh. Sau khi có kích thước trục, tiến hành chọn và kiểm nghiệm bền cho then. Việc chọn ổ lăn cũng rất quan trọng, phải dựa trên đường kính ngõng trục, tải trọng hướng tâm và dọc trục, cùng với số vòng quay để đảm bảo tuổi thọ yêu cầu. Toàn bộ quá trình này thường được hỗ trợ bởi các phần mềm mô phỏng Solidworks hoặc Inventor để thực hiện phân tích động học và kiểm tra va chạm, giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo.

4.1. Quy trình tính toán và kiểm nghiệm bền cho trục truyền

Quy trình thiết kế trục gồm các bước chính: 1. Chọn vật liệu (thường là thép C45). 2. Xác định sơ bộ đường kính trục theo công thức kinh nghiệm dựa trên momen xoắn. 3. Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và các điểm đặt lực. 4. Phân tích lực tác dụng lên trục từ bánh răng và đĩa xích. 5. Tính toán phản lực tại các ổ lăn. 6. Vẽ biểu đồ momen uốn và momen xoắn. 7. Xác định đường kính tại các tiết diện nguy hiểm theo điều kiện bền mỏi. 8. Kiểm nghiệm lại trục theo điều kiện bền tĩnh khi quá tải và kiểm nghiệm độ cứng vững (độ võng, góc xoắn) nếu cần thiết. Công thức kiểm nghiệm bền mỏi tổng quát là: s = sqrt(s_σ² + s_τ²) ≥ [s], trong đó s_σ và s_τ là hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất uốn và xoắn.

4.2. Hướng dẫn chọn ổ lăn then và các chi tiết phụ trợ khác

Việc chọn ổ lăn (vòng bi) dựa trên khả năng tải động (C) và khả năng tải tĩnh (C₀). Tải trọng động quy ước (Q) được tính toán dựa trên lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên ổ. Từ đó, khả năng tải động cần thiết được xác định theo công thức C_ct = Q * (L^1/m), với L là tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay. Ta chọn ổ lăn trong catalogue có C ≥ C_ct. Đối với then, sau khi chọn kích thước tiêu chuẩn theo đường kính trục, cần kiểm nghiệm bền dập và bền cắt. Các chi tiết phụ khác như vòng phớt, nắp ổ, nút tháo dầu, que thăm dầu cũng cần được lựa chọn theo tiêu chuẩn để hoàn thiện kết cấu của hộp giảm tốc.

V. Bí quyết hoàn thiện bản vẽ CAD và thuyết minh đồ án chuẩn

Một đồ án thành công không chỉ nằm ở các con số tính toán chính xác mà còn ở cách trình bày chuyên nghiệp. Việc tạo ra một bộ bản vẽ CAD hệ thống xích tải hoàn chỉnh và một cuốn thuyết minh đồ án xích tải rõ ràng là hai yêu cầu bắt buộc. Bản vẽ lắp chung (định dạng A0) phải thể hiện được toàn bộ kết cấu của hệ dẫn động cơ khí, từ động cơ, hộp giảm tốc đến bộ phận xích tải. Nó phải thể hiện mối quan hệ lắp ghép giữa các chi tiết máy và có bảng kê chi tiết đầy đủ. Các bản vẽ chi tiết (bản vẽ chế tạo) cho các bộ phận như trục, bánh răng, đĩa xích chủ động phải có đủ kích thước, dung sai, và yêu cầu kỹ thuật cần thiết cho việc gia công. Song song với đó, bài thuyết minh là nơi trình bày lại toàn bộ quá trình tư duy và tính toán. Cấu trúc của một bài thuyết minh chuẩn mực thường bắt đầu từ việc phân tích yêu cầu, lựa chọn phương án, sau đó đi sâu vào tính toán thiết kế từng cụm chi tiết. Mỗi bước tính toán cần có dẫn chứng công thức từ tài liệu tham khảo uy tín (ví dụ: sách "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" của Trịnh Chất), thay số và đưa ra kết quả. Việc sử dụng các phần mềm như mô phỏng Solidworks để tạo ra các hình ảnh 3D minh họa sẽ làm cho bài thuyết minh trở nên trực quan và sinh động hơn rất nhiều.

5.1. Yêu cầu kỹ thuật cho bộ bản vẽ CAD hệ thống xích tải

Một bộ bản vẽ CAD đầy đủ bao gồm: 1. Bản vẽ lắp hệ thống truyền động (A0): Thể hiện tổng thể, vị trí tương quan của động cơ, hộp giảm tốc, bộ truyền xích. 2. Bản vẽ lắp hộp giảm tốc (A0): Trình bày chi tiết kết cấu bên trong hộp giảm tốc, các bánh răng, trục, ổ lăn. 3. Bản vẽ chi tiết (A3/A4): Dành cho các chi tiết cần gia công như trục 1, trục 2, bánh răng, đĩa xích. Các bản vẽ này phải tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về vẽ kỹ thuật, bao gồm khung tên, đường nét, ghi kích thước, dung sai lắp ghép và độ nhám bề mặt. Bảng kê chi tiết trên bản vẽ lắp phải liệt kê tên gọi, số lượng, vật liệu và ghi chú cho từng chi tiết.

5.2. Cấu trúc một bài thuyết minh đồ án chi tiết máy hoàn chỉnh

Cuốn thuyết minh đồ án xích tải nên được trình bày một cách khoa học, logic theo các phần sau: Phần 1: Giới thiệu chung và phân tích chọn phương án. Phần 2: Xác định công suất động cơ và phân phối tỷ số truyền. Phần 3: Tính toán thiết kế các bộ truyền (bộ truyền ngoài, bộ truyền trong hộp giảm tốc). Phần 4: Tính toán thiết kế các chi tiết máy (trục, then, chọn ổ lăn, khớp nối). Phần 5: Thiết kế vỏ hộp và các chi tiết phụ. Phần 6: Chọn dung sai lắp ghép và hướng dẫn bôi trơn, bảo dưỡng. Kết luận và Tài liệu tham khảo. Mỗi phần tính toán cần trình bày rõ ràng các bước, công thức áp dụng, nguồn trích dẫn, và kết quả cuối cùng. Việc lập bảng tổng kết thông số sau mỗi phần thiết kế lớn sẽ giúp người đọc dễ theo dõi.

VI. Kinh nghiệm bảo trì và các ứng dụng thực tế của xích tải

Hoàn thành việc thiết kế hệ thống truyền động xích tải không chỉ là mục tiêu của đồ án, mà còn là nền tảng để hiểu về vận hành thực tế. Việc bảo trì hệ thống truyền động đóng vai trò quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất làm việc. Công tác bảo trì cơ bản bao gồm kiểm tra độ chùng của xích và thực hiện căng xích định kỳ thông qua cơ cấu căng xích. Việc bôi trơn xích tải đúng cách và thường xuyên là cực kỳ quan trọng để giảm mài mòn giữa chốt, con lăn và ống lót. Cần kiểm tra và thay thế dầu trong hộp giảm tốc theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Ngoài ra, việc kiểm tra tình trạng của ổ lăn, then, và các bulông liên kết cũng cần được thực hiện. Hiểu biết về các ứng dụng của xích tải công nghiệp giúp sinh viên có cái nhìn rộng hơn về chuyên ngành. Hệ thống xích tải được dùng trong các dây chuyền lắp ráp ô tô, xe máy, các hệ thống vận chuyển thùng carton, chai lọ trong ngành thực phẩm, hay vận chuyển vật liệu rời như than đá, xi măng. Mỗi ứng dụng sẽ có những yêu cầu đặc thù về vật liệu chế tạo xích, vận tốc và tải trọng, đòi hỏi người kỹ sư phải có sự tùy biến và tối ưu hóa trong thiết kế.

6.1. Quy trình bảo trì và bôi trơn hệ thống truyền động xích

Một quy trình bảo trì hệ thống truyền động tiêu chuẩn bao gồm: 1. Kiểm tra trực quan hàng ngày: phát hiện các dấu hiệu bất thường như tiếng ồn lạ, rung động, rò rỉ dầu. 2. Kiểm tra độ chùng xích hàng tuần: Điều chỉnh cơ cấu căng xích nếu độ võng vượt quá giới hạn cho phép. 3. Bôi trơn xích tải: Thực hiện theo định kỳ (hàng ngày hoặc hàng tuần tùy vận tốc) bằng phương pháp phù hợp (nhỏ giọt, cọ quét, phun sương). 4. Kiểm tra và thay dầu hộp giảm tốc: Lần đầu sau khoảng 500 giờ làm việc, các lần sau mỗi 2500 giờ. 5. Kiểm tra độ mòn của đĩa xích: Thay thế khi biên dạng răng bị mòn nhọn. Việc tuân thủ quy trình này giúp kéo dài tuổi thọ và đảm bảo an toàn vận hành.

6.2. Phân tích động học và mô phỏng hệ thống trên Solidworks

Để nâng cao chất lượng đồ án, việc mô phỏng Solidworks và thực hiện phân tích động học là một bước nên làm. Xây dựng mô hình 3D cho toàn bộ hệ dẫn động cơ khí cho phép kiểm tra trực quan sự lắp ghép, phát hiện các va chạm giữa các chi tiết máy. Module Motion Analysis trong Solidworks cho phép gán các điều kiện chuyển động (vận tốc quay của động cơ), các khớp nối, và tải trọng (lực vòng xích tải). Kết quả mô phỏng có thể xuất ra các biểu đồ về vận tốc, gia tốc, lực phản tại các khớp và ổ lăn. Dữ liệu này có thể được dùng để so sánh và kiểm chứng lại kết quả tính toán lý thuyết, từ đó tăng độ tin cậy cho thiết kế. Đây là một kỹ năng quan trọng, thể hiện năng lực ứng dụng công nghệ của sinh viên Bách Khoa trong giải quyết bài toán kỹ thuật.