I. Xác định công suất động cơ và phân phối tỷ số truyền
Thiết kế hệ truyền động cơ khí đòi hỏi phải xác định chính xác công suất động cơ dựa trên các điều kiện làm việc thực tế. Trong quá trình tính toán công suất động cơ, kỹ sư cần tính đến các hệ số an toàn, chế độ làm việc và điều kiện tải trọng. Đối với hộp giảm tốc 2 cấp với công suất đầu vào 19,5 kW và 28 vòng/phút, việc phân phối tỷ số truyền trở nên vô cùng quan trọng. Tỷ số truyền được chia thành các cấp để đảm bảo hiệu suất tối ưu và tuổi thọ thiết bị. Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ là bước đầu tiên, tiếp theo là chọn quy cách động cơ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Cuối cùng, tính mômen xoắn trên các trục để đảm bảo các chi tiết máy chịu được tải trọng trong suốt quá trình vận hành.
1.1. Xác định công suất và số vòng quay động cơ
Công suất động cơ được xác định dựa trên công suất yêu cầu của hệ thống cộng với các hệ số an toàn. Với chế độ làm việc 2 ca, tải va đập nhẹ, hệ số công suất được chọn từ 1,25 đến 1,5. Số vòng quay sơ bộ động cơ thường chọn từ các chuẩn 750, 1000, 1500, 3000 vòng/phút để phù hợp với motor chuẩn công nghiệp và đảm bảo hiệu suất truyền động.
1.2. Phân phối tỷ số truyền trên các cấp
Tỷ số truyền tổng được chia thành tỷ số truyền cấp nhanh và tỷ số truyền cấp chập để tối ưu hóa kích thước và hiệu suất. Mômen xoắn trên từng trục tính theo công thức M = 9550×P/n (khi P tính bằng kW, n tính vòng/phút). Việc phân phối hợp lý giúp giảm kích thước bánh răng và giảm chi phí sản xuất.
II. Thiết kế bộ truyền đai thang và tính toán công suất
Bộ truyền đai thang là một trong những thành phần quan trọng trong hệ truyền động cơ khí hiện đại. Bộ truyền này có ưu điểm về độ êm mềm, chuyển động mình mẫn và khả năng giảm xóc tốt. Khi thiết kế bộ truyền đai, cần xác định khoảng cách trục phải thỏa mãn điều kiện: khoảng cách tối thiểu để tránh cọ xát và khoảng cách tối đa để đảm bảo lực căng đai. Chiều dài đai được chọn từ các chuẩn công nghiệp, sau đó tính lại chính xác khoảng cách trục. Các yếu tố như góc ôm đai, hệ số lực, và ứng suất lớn nhất trong dây đai đều ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của bộ truyền.
2.1. Xác định khoảng cách trục và chiều dài đai
Khoảng cách trục được tính từ công thức: a = (b + √(b² - 32(d₂-d₁)²))/8, trong đó b = 2L - π(d₁+d₂)/2. Khoảng cách tối thiểu thường là 1,5(d₁+d₂), khoảng cách tối đa là 3(d₁+d₂). Chiều dài đai được chọn sao cho góc ôm đai của bánh đai dẫn động ≥ 120°. Tính lại khoảng cách trục để tối ưu hóa thiết kế.
2.2. Tính toán số đai và lực căng ban đầu
Số đai được xác định theo công thức N = F/(f×φₖ×φ), trong đó F là lực cần truyền. Lực căng ban đầu T₀ = (T₁ + T₂)/2, với T₁ là lực căng lớn và T₂ là lực căng nhỏ. Ứng suất lớn nhất σmax = T₁/A + T₁×d₁/(8×I) phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu đai.
III. Tính toán bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc
Thiết kế hộp giảm tốc yêu cầu tính toán chi tiết cho cả bộ truyền cấp nhanh bánh răng trụ răng nghiêng và bộ truyền cấp chập bánh răng trụ răng thẳng. Vật liệu bánh răng thường được chọn là thép hợp kim nhiệt luyện để đạt độ bền cao. Quá trình thiết kế bao gồm xác định ứng suất tiếp xúc cho phép và ứng suất uốn cho phép dựa trên vật liệu. Khoảng cách trục được tính sơ bộ từ tải trọng và ứng suất cho phép, sau đó chọn modul răng chuẩn. Tiếp theo là xác định số răng và góc nghiêng để tối ưu hóa kích thước. Việc chọn cấp chính xác bộ truyền (theo ISO 1328) đảm bảo chất lượng và độ bền của thiết bị.
3.1. Tính toán ứng suất tiếp xúc bánh răng
Ứng suất tiếp xúc được tính bằng công thức Hertz: σH = √(F×K/(ψ×d₁×ξ)), trong đó F là lực tác dụng, K là hệ số tải trọng động. Hệ số tập trung tải trọng phụ thuộc vào độ chính xác và độ nhám bề mặt. Ứng suất cho phép [σH] được chọn từ bảng tiêu chuẩn dựa trên vật liệu bánh răng và điều kiện làm việc.
3.2. Kiểm nghiệm ứng suất uốn tại chân răng
Ứng suất uốn σF = F×Kv×Kα/(ψ×m×z) phải nhỏ hơn ứng suất uốn cho phép [σF]. Số răng tương đương zv = z/cosβ³ được sử dụng cho bánh răng nghiêng. Hệ số dịch chỉnh xc ảnh hưởng đến ứng suất uốn và cần được chọn để tối ưu hóa kích thước bánh răng.
IV. Thiết kế chi tiết trục ổ lăn và bôi trơn hộp giảm tốc
Thiết kế trục là một phần quan trọng trong hệ truyền động cơ khí. Trước tiên, xác định sơ bộ đường kính trục dựa trên mômen xoắn và ứng suất cho phép. Sau đó tính toán các khoảng cách lắp ghép ổ, bánh răng và chi tiết khác. Thiết kế mối ghép then đảm bảo truyền mô-men xoắn an toàn giữa trục và bánh răng. Kiểm nghiệm độ bền mỏi trục theo Soderberg hoặc Goodman là bắt buộc để đảm bảo tuổi thọ dài hạn. Việc chọn ổ lăn phù hợp với lực tác dụng trên trục là rất quan trọng. Cuối cùng, bôi trơn bằng dầu ngâm được thiết kế để cấp dầu cho bánh răng và ổ lăn, đảm bảo hoạt động ổn định và giảm mài mòn.
4.1. Xác định kích thước trục và lựa chọn ổ lăn
Đường kính trục sơ bộ d ≥ ∛(32M/(π×[σ])). Sau khi xác định các bước trục, tính lực tác dụng từ bánh răng lên trục bao gồm lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và lực dọc trục. Chọn ổ lăn dựa trên tỉ số đời sống L₁₀ = (C/P)³ × 10⁶ vòng quay, với C là tải trọng cơ bản động, P là tải trọng tương đương.
4.2. Thiết kế bôi trơn và vỏ hộp giảm tốc
Bôi trơn ngâm dầu được tính toán để đảm bảo mỏng dầu cấp dầu đủ cho bánh răng và ổ lăn. Độ nhớt dầu được chọn dựa trên tốc độ bánh răng và nhiệt độ hoạt động. Thiết kế vỏ hộp bao gồm xác định bề mặt lắp ghép, thêm chỉ tiêu kích thước cơ bản và các chi tiết liên quan như lỗ thoát dầu, lỗ thông khí để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
