Đồ án thiết kế: Hộp giảm tốc kiểu 2 cấp có cấp nhanh phân đôi

Đồ án thiết kế hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh phân đôi chi tiết. Gồm tính toán bộ truyền, thiết kế trục, vỏ hộp và mô phỏng kiểm nghiệm bền.

• Đề tài: Thiết Kế Hộp Giảm Tốc 2 Cấp Cấp Nhanh Phân Đôi
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung Về Hộp Giảm Tốc 2 Cấp Cấp Nhanh Phân Đôi

Hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh phân đôi là thiết bị truyền động quan trọng trong công nghiệp hiện đại, được thiết kế để giảm tốc độ quay của động cơ điện và truyền tải momen lực đến các máy móc. Loại hộp giảm tốc này kết hợp hai cấp bánh răng với cấu trúc phân đôi cấp nhanh, cho phép đạt được tỷ số truyền cao hơn so với các hộp giảm tốc thông thường. Cấu trúc này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như khai thác mỏ, công nghiệp nặng, và các hệ thống truyền động công suất lớn. Việc thiết kế hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu suất, độ bền, và an toàn trong vận hành lâu dài.

1.1. Khái Niệm Và Đặc Điểm Của Hộp Giảm Tốc 2 Cấp

Hộp giảm tốc 2 cấp sử dụng hai bộ bánh răng trụ tròn được sắp xếp nối tiếp nhau. Cấu trúc này cho phép tạo ra tỷ số truyền lớn, thường từ 6:1 đến 100:1 tùy thuộc vào thiết kế cụ thể. Ưu điểm chính bao gồm: giảm tốc độ hiệu quả, truyền tải momen lực lớn, chịu tải nặng tốt, và độ tin cậy cao. Các ứng dụng phổ biến là hệ thống nâng hạ, trục vít công nghiệp, và máy móc chế biến.

1.2. Cấu Trúc Phân Đôi Cấp Nhanh

Cấp nhanh phân đôi là cấu hình đặc biệt trong hộp giảm tốc 2 cấp, nơi cấp thứ nhất (cấp nhanh) được thiết kế với tỷ số truyền nhỏ. Điều này giúp giảm tốc độ từ từ, sau đó cấp thứ hai (cấp chậm) tiếp tục giảm tốc độ thêm. Cấu trúc này cải thiện hiệu suất truyền động, giảm nhiệt, và tăng tuổi thọ của bánh răng.

II. Quá Trình Tính Toán Và Chọn Động Cơ Điện

Lựa chọn động cơ điện phù hợp là bước thiết yếu đầu tiên trong thiết kế hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh phân đôi. Cần xác định chính xác công suất của tải, hiệu suất chung của hệ thống, và công suất cần thiết để động cơ vận hành ổn định. Tỷ số truyền được phân phối giữa hai cấp bánh răng, với cấp nhanh thường chịu tải nhẹ hơn cấp chậm. Công thức tính công suất động cơ là: P = (P_tải × f) / η, trong đó P_tải là công suất tải, f là hệ số an toàn (thường 1.2-1.5), và η là hiệu suất toàn hệ thống. Việc tính toán chính xác giúp tránh quá tải hoặc sử dụng động cơ vượt quá khả năng.

2.1. Xác Định Công Suất Và Tỷ Số Truyền

Công suất tải được xác định dựa trên điều kiện làm việc thực tế của máy móc. Tỷ số truyền (i) của hộp giảm tốc 2 cấp được chia thành hai phần: i = i₁ × i₂, với i₁ là tỷ số cấp nhanh (thường 2-4) và i₂ là tỷ số cấp chậm (thường 3-8). Việc phân phối hợp lý giúp cân bằng tải lên từng cặp bánh răng.

2.2. Hiệu Suất Hệ Thống Và An Toàn

Hiệu suất chung của hộp giảm tốc 2 cấp thường trong khoảng 85-95%, tùy vào chất lượng chế tạo và bôi trơn. Mỗi cặp bánh răng có hiệu suất khoảng 92-97%. Hệ số an toàn (1.2-1.5) được áp dụng để đảm bảo động cơ không bị quá tải trong quá trình vận hành.

III. Thiết Kế Bánh Răng Cấp Nhanh Và Cấp Chậm

Thiết kế bánh răng là phần quan trọng nhất trong hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh phân đôi. Cấp nhanh được thiết kế để chịu tải trung bình với vận tốc vòng cao hơn, trong khi cấp chậm chịu tải nặng hơn với vận tốc thấp. Quy trình thiết kế bao gồm: chọn vật liệu (thép hợp kim, thép không rỉ), định ứng suất cho phép, chọn hệ số chiều rộng bánh răng, tính khoảng cách trục, xác định môđun, số răng, và góc nghiêng của răng. Kiểm nghiệm sức bền uốn và sức bền tiếp xúc của răng là bắt buộc để đảm bảo bánh răng không bị gãy hoặc mài mòn trong quá trình làm việc.

3.1. Thiết Kế Cấp Nhanh

Cấp nhanh của hộp giảm tốc 2 cấp sử dụng môđun nhỏ (1-3 mm), số răng không quá lớn (20-40 răng). Vận tốc vòng của cấp nhanh thường 5-10 m/s. Ứng suất cho phép cao hơn do tải nhẹ. Kiểm nghiệm sức bền uốn theo công thức σ = M/(W×K), đảm bảo ứng suất không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu.

3.2. Thiết Kế Cấp Chậm

Cấp chậm sử dụng môđun lớn hơn (2.5-5 mm), số răng lớn (40-100 răng). Vận tốc vòng thường 2-5 m/s. Do chịu tải nặng, ứng suất cho phép thấp hơn. Kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc (Hertzian stress) quan trọng: σ_H = √(K×P/(d×b)), với P là tải, d là đường kính bánh răng, b là chiều rộng.

IV. Thiết Kế Trục Ổ Lăn Và Chi Tiết Phụ

Thiết kế trục trong hộp giảm tốc 2 cấp cấp nhanh phân đôi phải đáp ứng các yêu cầu chịu tải và chuyển động quay. Hộp giảm tốc 2 cấp thường có 3 trục: trục vào (từ động cơ), trục trung gian, và trục ra. Vật liệu trục thường là thép 45, 40Cr với ứng suất cho phép từ 80-120 MPa. Tính sức bền trục dựa trên ứng suất uốn và ứng suất xoắn: σ = M/W, τ = T/(0.2×d³). Ổ lăn được chọn dựa trên lực tác dụng lên trục, với tính toán tuổi thọ L₁₀ > 10,000 giờ. Chi tiết phụ như khớp nối, nắp che, thân vỏ hộp, hệ thống bôi trơn cần được thiết kế để đảm bảo an toàn, dễ bảo trì, và tăng tuổi thọ hộp giảm tốc.

4.1. Thiết Kế Trục Và Kiểm Tra Độ Bền

Ba trục trong hộp giảm tốc 2 cấp có đường kính khác nhau tùy vào momen lực chịu. Trục vào nhận momen từ động cơ với tốc độ cao. Trục trung gian chịu tải từ hai cấp bánh răng. Trục ra phải chịu tải lớn nhất ở tốc độ thấp. Kiểm tra sức bền uốn tại các điểm đặt ổ lăn là bắt buộc, với hệ số an toàn ≥ 2.5.

4.2. Lắp Ráp Ổ Lăn Và Khớp Nối

Ổ lăn (rolling bearings) được chọn loại côn hoặc bóng để chịu kết hợp lực hướng tâm và lực trục. Khớp nối nối trục vào với động cơ, thường dùng khớp đàn hồi để cách ly rung động. Nắp che, thân vỏ hộp, và hệ thống bôi trơn (dầu hoặc bơ) cần thiết kế chắc chắn, chống rò rỉ, đảm bảo hiệu suất cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẦU ĐỀ ĐỒ ÁN, CÁC LOẠI HỘP GIẢM TỐC A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỘP GIẢM TỐC Hộp giảm tốc là một thiết bị không thể thiếu đối với các máy móc cơ khí, nó có nhiệm vụ biến đổi một vận tốc ban đầu thành một hay nhiều vận tốc ở đầu ra (tùy thuộc vào công dụng của máy) tạo thành một tổ hợp biệt lập để giảm số vòng quay và truyền công suất từ động cơ đến máy móc công tác. ➢ Có nhiều loại hộp giảm tốc và được phân chia theo từng đặc điểm riêng biệt : ❖ Loại truyền động: Hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng, hộp giảm tốc bánh răng nón, răng nghiêng, hộp giảm tốc trục vít-bánh răng,… ❖ Số cấp: hộp giảm tốc một cấp, hai cấp hay nhiều cấp. ❖ Vị trí tương đối giữa các trục trong không gian: hộp giảm tốc đặt nàm nghiêng, nằm ngang, hay thẳng đứng,… ❖ Đặc điểm của sơ đồ động: hộp giảm tốc triển khai, hộp giảm tốc đồng trục,… B.

CÁC LOẠI HỘP GIẢM TỐC I. Hộp giảm tốc bánh răng nón một cấp: ➢ Hộp giảm tốc bánh răng nón một cấp gồm 2 loại: • Hộp giảm tốc bánh răng nón thẳng ( 𝑖 < 3 ) • Hộp giảm tốc bánh răng nghiêng ( 𝑖 ≤ 5 )  Hai loại hộp giảm tốc này dùng để truyền công suất bé hoặc trung bình 7 Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng nón một cấp nằm ngang [1] nón một cấp thẳng đứng [1] ❖ Ưu điểm: - Hiệu suất cao, có khả năng truyền những công suất khác nhau, tuổi thọ lớn hơn làm việc chắc chắn và sử dụng đơn giản.

Phạm vi công suất, vận tốc và tỉ số truyền khá rộng. ❖ Nhược điểm: - Đối với hộp giảm tốc nhiều cấp tải trọng phân bố không đồng đều trên các ổ trục được chọn theo phản ứng lớn nhất, vì vậy kích thước và trọng lượng của hộp giảm tốc khá lớn. - Khó bôi trơn các bộ phận trong hộp giảm tốc, trọng lượng hộp giảm tốc lớn, trong quá trình làm việc gây ra tiếng ồn. Hộp giảm tốc bánh răng trụ tròn hai cấp và ba cấp: 1.

Hộp giảm tốc đồng trục: 8 Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc đồng trục [1] ❖ Ưu điểm: - Bộ truyền cho phép giảm chiều dài của hộp. - Trọng lượng hộp giảm tốc bé. ❖ Nhược điểm: - Chịu tải trọng của cấp nhanh chưa dung hết.

- Hạn chế khả năng chọn phương án bố trí kết cấu chung của thiết bị dẫn động. - Khó bôi trơn ổ trục ở giữa hộp. - Khoảng cách giữa các gối đỡ của trục trung gian lớn.  Hộp giảm tốc ít được dùng.

Hộp giảm tốc có cấp phân đôi cấp nhanh: - Hộp giảm tốc có cấp phân đôi cấp nhanh là một bộ phận trung gian dùng để kết nối giữa động cơ và các bộ phận, chi tiết của máy công tác. Các loại động cơ đều được chế tạo với tốc độ quay rất lớn. Trong nhiều trường hợp, động cơ có vận tốc quay lớn sẽ không phù hợp với yêu cầu cụ thể của công việc nên người ta cần phải chế tạo ra 1 bộ phận trung gian để có thể làm giảm tốc độ quay của động cơ, máy móc sao cho phù hợp. Hộp giảm tốc phân đôi thường được dùng để giảm tốc độ động cơ.

➢ Hộp giảm tốc có cấp phân đôi cấp nhanh có hai loại: • Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh: • Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp chậm: 9 2. Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh: a. Cấu tạo - Hộp số có dạng hình hộp và bên trong có chứa các bộ số truyền động. Có thể là dạng hình trụ tròn, hình hộp vuông hoặc có khi là hình hộp tròn, tùy thuộc vào nhãn hàng sản xuất.

- Tùy theo loại hộp giảm tốc mà sử dụng trục vít bánh vít có trục vít, hộp số bánh vít hay bánh răng côn có sử dụng bánh răng,… để làm giảm đi tốc độ của động cơ. - Đối với hộp số giảm tốc 2 cấp sử dụng bánh răng trụ và bánh răng nghiêng thì cấu tạo của nó cần phải có các cơ cấu như bánh răng nghiêng hoặc bánh răng thẳng. Chúng được lắp ráp ăn khớp với nhau theo 1 tỷ số truyền động đã được xác định. - Hầu hết các hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp chậm đều có vỏ làm bằng các chất liệu cực tốt như: inox, nhôm, gang, thép, hợp kim nhôm.

Các chất liệu này vừa giúp bảo vệ được các bộ truyền động của hộp số khi có va đập lại vừa hạn chế được tình trạng ăn mòn, oxi hóa. - Hộp giảm tốc thường được làm bằng các chất liệu kim loại cứng. Nguyễn lí hoạt động: - Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh là một hệ bánh răng, chúng được ăn khớp theo đúng các mô men cũng như tỷ số truyền. Từ đó, nó sẽ tạo ra đúng số vòng, độ lớn của vận tốc theo yêu cầu của người sử dụng đã đặt ra.

Do đó được dùng để làm giảm vận tốc góc và tăng thêm mô men xoắn cho động cơ. Đây là bộ máy trung gian hoạt động giữa động cơ điện cùng với bộ phận làm việc của máy công tác. - Động cơ thường có tốc độ rất cao, trong khi nhu cầu sử dụng trong thực tế của con người (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên người ta sẽ cần tới hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh để có thể điều chỉnh được số vòng quay để đạt được giá trị tốc độ như ý. Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp chậm: a.

Cấu tạo: - Giống với hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh, hộp số có dạng hình hộp và bên trong có chứa các bộ truyền động. Nó có thể tồn tại ở dạng hình trụ tròn, hình hộp vuông hoặc là hình hộp tròn, còn phụ thuộc vào thiết kế hãng sản xuất. - Hầu hết các hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh đều có vỏ được làm bằng chất liệu tốt như: inox, nhôm, gang, thép, hợp kim nhôm. Chất liệu này sẽ giúp hộp số bảo vệ được các bộ truyền động khi có những va đập từ bên ngoài, lại vừa hạn chế được sự ăn mòn, oxi hóa.

Nguyên lí hoạt động: - Tương tự với hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi nhanh, Hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi cấp nhanh là cơ cấu truyền động bằng phương pháp ăn khớp trực tiếp, có tỷ số truyền động không đổi. ➢ Trong quá trình hoạt động, hộp giảm tốc sẽ có hai quá trình cơ bản: • Khi tiến hành giảm tốc cho động cơ thì bánh răng nhỏ sẽ quay 1 vòng còn bánh răng lớn sẽ quay 3 vòng. • Khi tiến hành tăng tốc cho động cơ, bánh răng lớn sẽ quay 1 vòng, bánh răng nhỏ sẽ quay 3 vòng. Sơ đồ hộp giảm tốc có cấp tách đôi [1] 2.

Ưu điểm và nhược điểm của hộp giảm tốc 2 cấp phân đôi nhanh và chậm: ❖ Ưu điểm: - Bộ truyền động làm việc êm. - Sử dụng hết khả năng của vật liệu chết tạo các bánh răng cấp chậm và cấp nhanh. - Truyền động có được công suất lớn. - Lực dọc trục cũng được triệt tiêu.

 Kết cấu hộp giảm tốc cũng tương đối đơn giản và dễ chế tạo, dễ bôi trơn - Các bánh răng và ổ được bố trí đối xứng.  Trục sẽ chịu được tải tương đối đồng đều. 11 ❖ Nhược điểm: - Chiều rộng của hộp lớn. - Cấu tạo bộ phận ổ tương đối phức tạp.

- Số lượng chi tiết và khối lượng gia công tăng. Hộp giảm tốc hai cấp và ba cấp khai triển • Hộp giảm tốc 2 cấp ( i = 8 ÷ 30 ) • Hộp giảm tốc 3 cấp ( 𝑖 = 50 ÷ 400 ) Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc hai cấp khai triển [1] ba cấp khai triển [1] ❖ Nhược điểm: - Bánh răng không đối xứng gối tựa.

- Các ổ trục theo phản ứng lớn nhất => Trọng lượng hộp giảm tốc tăng. Hộp giảm tốc bánh răng nón-trụ: • Bánh răng nón: răng thẳng, răng nghiêng, răng xoắn. - Bánh răng trụ: răng thẳng, răng nghiêng. - Hộp giảm tốc bánh răng nón-trụ hai cấp: ( 𝑖 = 8 ÷ 15 ) - Hộp giảm tốc bánh răng nón-trụ ba cấp: ( 𝑖 = 25 ÷ 75 ) 12 Hình 2.

Hộp giảm tốc bánh răng nón – trụ Hình 2. Hộp giảm tốc bánh răng nón – trụ hai cấp nằm ngang [1] hai cấp thẳng đứng [1] Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng nón-trụ ba cấp [1] ❖ Ứng dụng: - Dùng để truyền công suất-mô men xoắn từ motor đến trục công tác. - Trục vào vuông góc với trục ra.

- Giảm tốc độ, tăng mô men xoắn ở trục ra. Hộp giảm tốc trục vít: ➢ Hộp giảm tốc trục vít được chia làm 3 loại chính: • Trục vít đặt trên. • Trục vít đặt dưới. • Trục vít đặt cạnh.

• Hộp giảm tốc trục vít có hệ số truyền trong khoảng 𝑖 = 10 ÷ 70 Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc trục vít đặt dưới [1] trục vít đặt trên [1] Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc trục bánh vít đặt đứng trục vít đặt cạnh [1] ❖ Ưu điểm: - Lớp vở làm bằng gang nên cực kì bền trong các môi trường chịu được tải nặng.

- Tỉ số truyền lớn. - Làm việc êm và không ồn. - Có khả năng tự hãm. 14 ❖ Nhược điểm : - Hiệu suất thấp => ít được dùng để truyền công suất lớn.

- Cần phải dùng vật liệu giảm ma sát đắt tiền (đồng thanh) để chế tạo bánh vít. Hộp giảm tốc bánh răng-trục vít, trục vít- bánh răn và trục vít hai cấp: - Hộp bánh răng- trục vít ( 𝑖 ≤ 150 ) - Hộp trục vít-bánh răng ( 𝑖 = 50 ÷ 130 ) - Hộp trục vít 2 cấp ( 𝑖 = 70 ÷ 2500 ) - Để tránh kích thước hộp lớn và cấu tạo phức tạp tỉ số truyền của hộp giảm tốc bánh răng- trục vít và trục vít-bánh răn được giới hạn ( 𝑖 = 25 ÷ 80 ), hộp giảm tốc trục vít hai cấp ( 𝑖 = 150 ÷ 400 ) Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc bánh Hình 2. Sơ đồ hộp giảm tốc răng – trục vít [1] trục vít- bánh răng [1] 15 Hình 2.

Sơ đồ hộp giảm tốc trục vít hai cấp [1] VI. Hộp giảm tốc bánh răng côn: Hình 2. Bản vẽ hệ thống truyền động với hộp giảm tốc bánh răng côn 1 cấp[3] ❖ Ưu điểm: - Lực momen mạnh mẽ, tải được nặng, truyền động êm nhờ bánh răng xoắn ốc, độ bền từ 5 tới 10 năm.