I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Bánh Răng Trụ Thẳng
Thiết kế hộp giảm tốc là một trong những nội dung cốt lõi của đồ án chi tiết máy, đặc biệt trong các hệ thống truyền động cơ khí. Nhiệm vụ chính của một hộp giảm tốc là điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn từ động cơ đến cơ cấu chấp hành. Đề tài "Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Bánh Răng Trụ Thẳng - Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Điện Tử" giải quyết một bài toán thực tế: thiết kế hệ thống dẫn động cho băng tải với các thông số đầu vào cụ thể. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh, bao gồm việc lựa chọn động cơ, tính toán hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng thẳng, và các bộ truyền đai ngoài. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ sở thiết kế máy và kỹ năng ứng dụng phần mềm kỹ thuật như Solidworks hoặc AutoCAD. Tài liệu tham khảo chính cho các tính toán là bộ sách "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" của tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Quyền, cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc lựa chọn vật liệu, tính toán các thông số hình học và kiểm nghiệm bền cho từng chi tiết. Đồ án không chỉ dừng lại ở việc tính toán mà còn hướng tới việc hoàn thiện bản vẽ lắp hộp giảm tốc và các bản vẽ chi tiết, đảm bảo tính khả thi trong chế tạo và lắp ráp thực tế.
1.1. Vai trò của hộp giảm tốc trong hệ thống cơ điện tử
Trong các hệ thống cơ điện tử và tự động hóa công nghiệp, hộp giảm tốc đóng vai trò trung gian không thể thiếu. Nó nhận năng lượng từ một động cơ điện thường có tốc độ cao và mô-men xoắn thấp, sau đó biến đổi thành chuyển động có tốc độ thấp hơn nhưng mô-men xoắn lớn hơn tại trục công tác. Sự biến đổi này là cần thiết để đáp ứng yêu cầu về lực và vận tốc của tải. Cụ thể trong đề tài này, hộp giảm tốc đảm bảo băng tải hoạt động ổn định với lực kéo và vận tốc cho trước, tối ưu hóa hiệu suất của toàn hệ thống truyền động.
1.2. Phân tích yêu cầu và mục tiêu của đồ án thiết kế
Đồ án được bắt đầu với các thông số kỹ thuật cụ thể từ băng tải: lực kéo F = 4400 N và vận tốc v = 3,3 m/s. Từ những dữ liệu này, mục tiêu chính là thiết kế một hệ thống truyền động hoàn chỉnh, bao gồm một hộp giảm tốc hai cấp sử dụng bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng và hai bộ truyền đai bên ngoài. Các mục tiêu con bao gồm: tính toán và chọn động cơ điện phù hợp; phân phối tỷ số truyền hợp lý; thiết kế chi tiết các bộ truyền; tính toán trục và chọn ổ lăn; cuối cùng là hoàn thiện thuyết minh đồ án hộp giảm tốc và bộ bản vẽ kỹ thuật chi tiết.
II. Bí Quyết Chọn Động Cơ Phân Phối Tỷ Số Truyền Tối Ưu
Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình thiết kế hộp giảm tốc là lựa chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền. Việc này quyết định đến hiệu suất, kích thước và chi phí của toàn bộ hệ thống. Quá trình bắt đầu bằng việc xác định công suất yêu cầu trên trục công tác (trục băng tải), sau đó tính toán ngược về công suất cần thiết của động cơ, có xét đến hiệu suất của các bộ truyền. Dựa trên tài liệu gốc, công suất làm việc trên băng tải là 14,52 kW. Sau khi tính toán hiệu suất chung của hệ thống (bao gồm 2 cấp bánh răng, 2 bộ truyền đai và 4 ổ lăn) là η ≈ 0,836, công suất cần thiết của động cơ được xác định là 17,39 kW. Từ đây, động cơ 4A160M2Y3 với công suất 18,5 kW và tốc độ 2930 vòng/phút được chọn, đảm bảo dự trữ công suất cần thiết. Tiếp theo, tỷ số truyền chung của hệ thống (u = 32,54) được phân phối hợp lý cho các cấp. Việc phân phối tỷ số truyền này dựa trên kinh nghiệm thiết kế và các bảng tra tiêu chuẩn, nhằm đảm bảo kích thước nhỏ gọn và cân bằng tải trọng giữa các cấp. Cuối cùng, mô-men xoắn và công suất trên từng trục được tính toán chi tiết, tạo cơ sở cho các bước thiết kế tiếp theo.
2.1. Phương pháp tính toán công suất và chọn động cơ điện
Công suất trên trục công tác được tính theo công thức P = (F*v)/1000. Với các thông số đã cho, ta có P = 14,52 kW. Hiệu suất chung của hệ thống được tính bằng tích hiệu suất các thành phần: η_chung = η_br^2 * η_đai^2 * η_ol^4 ≈ 0,836. Công suất cần thiết của động cơ là P_ct = P / η_chung = 17,39 kW. Dựa vào công suất và số vòng quay sơ bộ, động cơ 4A160M2Y3 (P = 18,5 kW, n = 2930 rpm, hệ số quá tải 2,2) được chọn động cơ điện vì thỏa mãn điều kiện P_đc ≥ P_ct. Lựa chọn này được tham khảo từ Bảng PI.3 trong sách của Trịnh Chất & Lê Văn Quyền.
2.2. Kỹ thuật phân phối tỷ số truyền cho các cấp truyền động
Tổng tỷ số truyền của hệ thống được tính là u_chung = n_đc / n_ct ≈ 32,54. Tỷ số này được phân phối cho các bộ truyền thành phần. Dựa vào Bảng 3.1 (Trịnh Chất & Lê Văn Quyền) cho hộp giảm tốc khai triển, tỷ số truyền cấp nhanh được chọn là u_br1 = 3,3 và cấp chậm là u_br2 = 2,42. Hai bộ truyền đai ngoài được chọn với tỷ số truyền lần lượt là u_đai1 = 2 và u_đai2 ≈ 2,037. Việc phân phối này giúp tối ưu hóa kích thước và đảm bảo điều kiện bôi trơn cho các bộ truyền bánh răng trụ.
III. Hướng Dẫn Tính Toán Bộ Truyền Bánh Răng Trụ Chi Tiết
Sau khi có các thông số động học, bước tiếp theo là tính toán hộp giảm tốc chi tiết cho từng bộ truyền bánh răng. Đây là phần phức tạp nhất, đòi hỏi độ chính xác cao. Quy trình bao gồm: lựa chọn vật liệu làm bánh răng, xác định ứng suất cho phép, tính toán sơ bộ khoảng cách trục, xác định các thông số hình học (mô-đun, số răng), và cuối cùng là kiểm nghiệm độ bền. Theo đồ án, vật liệu làm bánh răng cho cấp nhanh là thép 40X được tôi cải thiện (HB1=260, HB2=250), và cấp chậm là thép 45 (HB1=250, HB2=235). Việc chọn độ cứng bánh răng chủ động cao hơn bánh bị động nhằm đảm bảo mòn đều. Ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép được xác định dựa trên độ cứng và các hệ số an toàn. Từ các thông số này, các thông số hình học của bộ truyền bánh răng trụ như khoảng cách trục (a_w1=160mm, a_w2=200mm), mô-đun (m1=2, m2=3), và số răng được tính toán. Cuối cùng, kiểm nghiệm bền tiếp xúc và bền uốn là bước bắt buộc để xác nhận thiết kế có đủ khả năng chịu tải trong suốt vòng đời hoạt động, đảm bảo không xảy ra các hỏng hóc như tróc rỗ bề mặt hay gãy răng.
3.1. Lựa chọn vật liệu làm bánh răng và xác định ứng suất
Việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng phụ thuộc vào công suất truyền và điều kiện làm việc. Với công suất không quá lớn (18,5 kW), thép 40X và thép C45 (tương đương thép 45) được tôi cải thiện (độ rắn HB < 350) là lựa chọn hợp lý, cho phép bánh răng có khả năng chạy mòn. Từ độ rắn Brinell (HB), giới hạn bền và giới hạn chảy, ứng suất tiếp xúc cho phép [σH] và ứng suất uốn cho phép [σF] được tính toán theo các công thức tiêu chuẩn, có xét đến các hệ số an toàn, hệ số tuổi thọ và điều kiện làm việc. Ví dụ, với cấp chậm, [σH] ≈ 490,9 MPa và [σF] ≈ 241,7 MPa.
3.2. Quy trình tính toán thông số hình học của bánh răng
Từ mô-men xoắn trên trục và ứng suất cho phép, khoảng cách trục sơ bộ (a_w) được tính toán. Sau đó, làm tròn a_w theo dãy tiêu chuẩn. Mô-đun (m) được chọn sơ bộ theo công thức kinh nghiệm m = (0,01÷0,02)*a_w, sau đó cũng được chuẩn hóa. Từ a_w và m, tổng số răng (Z1 + Z2) được xác định. Kết hợp với tỷ số truyền u = Z2/Z1, số răng Z1 và Z2 được tính toán và làm tròn. Sai số tỷ số truyền thực tế so với tính toán phải được kiểm tra (yêu cầu < 4%).
IV. Phương Pháp Thiết Kế Trục Và Lựa Chọn Ổ Lăn Tối Ưu
Trục và ổ lăn là các chi tiết máy quan trọng, có nhiệm vụ đỡ các bánh răng và truyền chuyển động quay. Quá trình tính toán trục và chọn ổ lăn phải được thực hiện song song và chặt chẽ. Đầu tiên, đường kính sơ bộ của các đoạn trục được xác định dựa trên mô-men xoắn truyền qua. Vật liệu chế tạo trục thường là thép C45 hoặc C35. Sau khi có sơ đồ kết cấu của hộp giảm tốc, các lực tác dụng lên trục từ các bộ truyền bánh răng và bộ truyền đai được phân tích chi tiết. Từ đó, biểu đồ mô-men uốn và mô-men xoắn được xây dựng. Tiết diện nguy hiểm nhất trên trục (thường là nơi có mô-men tương đương lớn nhất) được xác định để tính toán và kiểm nghiệm bền. Đường kính tại các vị trí lắp ghép như ổ lăn, bánh răng phải được thiết kế theo tiêu chuẩn dung sai lắp ghép. Dựa trên các phản lực tại gối đỡ và đường kính trục, việc chọn ổ lăn được tiến hành. Loại ổ lăn (thường là ổ bi đỡ một dãy) được chọn dựa trên dạng tải trọng. Kích thước ổ lăn được chọn từ catalog sao cho khả năng tải động tính toán lớn hơn khả năng tải động yêu cầu, đảm bảo tuổi thọ làm việc của ổ.
4.1. Các bước tính toán trục chịu uốn và xoắn đồng thời
Quy trình tính toán trục bao gồm: xác định đường kính sơ bộ từ công thức d ≥ (T / (0.2 * [τ]))^(1/3). Sau đó, phân tích lực tác dụng lên trục theo hai mặt phẳng vuông góc (Oxy và Oxz). Vẽ biểu đồ mô-men uốn và mô-men xoắn. Tại các tiết diện nguy hiểm, tính mô-men tương đương M_tđ = sqrt(M_u^2 + 0.75T^2). Cuối cùng, kiểm nghiệm bền cho trục theo công thức σ_tđ = M_tđ / (0.1d^3) ≤ [σ]. Đường kính trục sau tính toán được làm tròn theo tiêu chuẩn.
4.2. Tiêu chí chọn ổ lăn và kiểm tra khả năng tải động
Việc chọn ổ lăn dựa trên các yếu tố: phản lực tại gối đỡ (tải trọng hướng tâm Fr), tải trọng dọc trục (Fa=0 trong trường hợp này), và số vòng quay. Khả năng tải động yêu cầu được tính bằng công thức C_yc = Q * L^(1/m), trong đó Q là tải trọng động quy ước và L là tuổi thọ yêu cầu (tính bằng triệu vòng quay). Dựa vào đường kính trong của ổ (bằng đường kính ngõng trục) và giá trị C_yc, một ổ lăn phù hợp được chọn từ bảng tra tiêu chuẩn, đảm bảo khả năng tải động của ổ C ≥ C_yc.
V. Từ Lý Thuyết Đến Bản Vẽ Mô Hình Hóa Hộp Giảm Tốc 3D
Hoàn thiện một đồ án thiết kế hộp giảm tốc không chỉ dừng lại ở các trang thuyết minh đồ án hộp giảm tốc dày đặc công thức. Bước cuối cùng và quan trọng không kém là chuyển hóa các kết quả tính toán thành các bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Sử dụng các phần mềm CAD như Solidworks hoặc AutoCAD là yêu cầu bắt buộc. Quá trình này bắt đầu bằng việc dựng mô hình 3D cho từng chi tiết: bánh răng, trục, then, ổ lăn, vỏ hộp, nắp hộp, và các chi tiết phụ khác. Từ các mô hình 3D này, bản vẽ lắp hộp giảm tốc tổng thể và các bản vẽ chi tiết được xuất ra. Bản vẽ lắp thể hiện vị trí tương quan, cách thức lắp ghép giữa các chi tiết. Trong khi đó, bản vẽ chi tiết bánh răng và trục phải cung cấp đầy đủ thông tin để chế tạo, bao gồm kích thước, dung sai lắp ghép, độ nhám bề mặt và các yêu cầu kỹ thuật khác. Thiết kế kết cấu vỏ hộp cũng cần được chú trọng, đảm bảo độ cứng vững, khả năng tản nhiệt và thuận tiện cho việc lắp ráp, bôi trơn hộp giảm tốc.
5.1. Xây dựng bản vẽ lắp hộp giảm tốc hoàn chỉnh trên CAD
Một bản vẽ lắp hộp giảm tốc hoàn chỉnh phải thể hiện ít nhất hai hình chiếu chính (thường là hình chiếu đứng và hình chiếu bằng hoặc cạnh). Nó cho thấy sự liên kết của tất cả các bộ phận, từ bộ truyền bánh răng trụ bên trong đến vị trí các ổ lăn, phớt chặn dầu, và các bulông lắp ghép. Bảng kê chi tiết (Bill of Materials - BOM) đi kèm liệt kê tất cả các chi tiết với số lượng, tên gọi và vật liệu tương ứng, là tài liệu không thể thiếu cho quá trình lắp ráp.
5.2. Yêu cầu kỹ thuật cho bản vẽ chi tiết bánh răng và trục
Đối với bản vẽ chi tiết bánh răng, ngoài các kích thước hình học cơ bản, cần phải có một bảng thông số riêng ghi rõ: mô-đun, số răng, góc ăn khớp, hệ số dịch chỉnh, và cấp chính xác chế tạo. Tương tự, bản vẽ trục cần chỉ rõ dung sai đường kính tại các vị trí lắp ghép quan trọng (lắp với ổ lăn, bánh răng), độ nhám bề mặt và các yêu cầu nhiệt luyện (nếu có) để đảm bảo độ bền và tuổi thọ cho trục.
VI. Tổng Kết Đồ Án Và Hướng Phát Triển Sử Dụng Mô Phỏng
Đồ án "Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Bánh Răng Trụ Thẳng" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Từ các yêu cầu ban đầu của hệ thống băng tải, một hệ thống truyền động cơ khí hoàn chỉnh đã được tính toán và thiết kế. Các khâu từ chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền, tính toán các bộ truyền bánh răng trụ, thiết kế trục, chọn ổ lăn cho đến hoàn thiện kết cấu vỏ hộp đều được thực hiện một cách bài bản, tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc. Kết quả cuối cùng là một bộ thuyết minh đồ án hộp giảm tốc chi tiết và một bộ bản vẽ kỹ thuật đầy đủ, sẵn sàng cho việc chế tạo. Hướng phát triển trong tương lai cho các đồ án tương tự là việc ứng dụng sâu hơn các công cụ phân tích kỹ thuật hiện đại. Thay vì chỉ dừng lại ở tính toán theo công thức kinh nghiệm, việc sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng hộp giảm tốc sẽ mang lại kết quả chính xác hơn về phân bố ứng suất, biến dạng và dao động. Điều này cho phép tối ưu hóa thiết kế, giảm khối lượng vật liệu, tăng hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm.
6.1. Đánh giá kết quả tính toán và thiết kế tổng thể
Toàn bộ các chi tiết trong hệ thống đều đã được kiểm nghiệm bền, đảm bảo thỏa mãn các điều kiện làm việc. Các thông số về tỷ số truyền, mô-men xoắn, và công suất trên các trục đều hợp lý. Thiết kế đáp ứng được yêu cầu về mặt công nghệ, các chi tiết có thể được chế tạo và lắp ráp với các phương pháp gia công cơ khí phổ biến. Đây là một đồ án chi tiết máy điển hình, thể hiện đầy đủ năng lực tổng hợp kiến thức và kỹ năng thực hành của sinh viên.
6.2. Tiềm năng ứng dụng mô phỏng hộp giảm tốc trong tối ưu hóa
Việc mô phỏng hộp giảm tốc bằng phần mềm chuyên dụng (như ANSYS, Abaqus) cho phép phân tích động lực học của hệ thống bánh răng, kiểm tra va đập khi vào khớp, phân tích ứng suất tiếp xúc chính xác hơn. Ngoài ra, mô phỏng nhiệt và dòng chảy (CFD) có thể giúp tối ưu hóa hệ thống bôi trơn hộp giảm tốc và thiết kế vỏ hộp để tản nhiệt tốt hơn, nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của toàn bộ cơ cấu. Đây là hướng đi tất yếu để nâng cao chất lượng các đồ án tốt nghiệp trong tương lai.
