Đồ Án Môn Học Nguyên Lý Chi Tiết Máy: Thiết Kế Hộp Giảm Tốc

• Đề tài: Thiết Kế Hộp Giảm Tốc: Đồ Án Môn Nguyên Lý Chi Tiết Máy
• Loại tài liệu: đồ án

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN
• 1.1. Chọn động cơ điện
• 1.2. Phân phối tỷ số truyền
• 2. CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG
• 3.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng cặp nhanh (bộ truyền bánh răng nón)
• 3.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng cặp chậm (bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng)
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ TRỤC VÀ THEN
• 4.1. Tính đường kính sơ bộ của các trục
• 5. CHƯƠNG V: THIẾT KẾ GỐI ĐỠ TRỤC
• 5.2. Cố định trục và bôi trơn ổ
• 6. CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ KÍCH THƯỚC VỎ HỘP VÀ CÁC BỘ PHẬN KHÁC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Chi Tiết Máy

Đồ án môn học Nguyên lý Chi tiết máy, đặc biệt là đề tài thiết kế hộp giảm tốc, là một cột mốc quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí. Nó không chỉ là bài tập ứng dụng lý thuyết mà còn là cơ hội để sinh viên tiếp cận với quy trình thiết kế một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh. Mục tiêu của đồ án này là vận dụng các kiến thức đã học từ Sức bền vật liệu, Cơ học lý thuyết, Nguyên lý máy để giải quyết một bài toán thực tiễn: xây dựng một hệ thống truyền động cơ khí đáp ứng các yêu cầu về lực, vận tốc và tuổi thọ. Một đồ án chi tiết máy hoàn chỉnh không chỉ dừng lại ở các phép tính toán mà còn bao gồm việc lập bản vẽ hộp giảm tốc chi tiết và một cuốn thuyết minh đồ án hộp giảm tốc logic, rõ ràng. Quá trình này giúp sinh viên hình thành tư duy thiết kế, khả năng phân tích, lựa chọn giải pháp và tối ưu hóa các chi tiết máy. Theo tài liệu "Thiết kế chi tiết máy" của Nguyễn Trọng Hiệp, quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết và kinh nghiệm thực tế, từ việc chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền cho đến thiết kế bánh răng và kiểm nghiệm trục. Đây là nền tảng vững chắc cho các công việc thiết kế máy móc phức tạp hơn trong tương lai.

1.1. Mục tiêu và tầm quan trọng của đồ án chi tiết máy

Mục tiêu cốt lõi của đồ án chi tiết máy là hệ thống hóa kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề kỹ thuật một cách toàn diện. Sinh viên phải bắt đầu từ các thông số đầu vào như lực kéo (P), vận tốc (V) của bộ phận công tác, từ đó xác định công suất cần thiết, chọn động cơ, và tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí hoàn chỉnh. Tầm quan trọng của đồ án thể hiện ở việc nó mô phỏng gần như toàn bộ quy trình làm việc của một kỹ sư thiết kế: phân tích yêu cầu, lên phương án, tính toán chi tiết, kiểm nghiệm bền, và cuối cùng là hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật. Việc hoàn thành tốt đồ án giúp sinh viên tự tin hơn khi áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, hiểu sâu về nguyên lý làm việc của các bộ truyền động như bộ truyền đai, bộ truyền xích, và các loại bánh răng khác nhau.

1.2. Các thành phần chính trong một đồ án hộp giảm tốc mẫu

Một đồ án mẫu hộp giảm tốc tiêu chuẩn bao gồm hai thành phần không thể tách rời: bản vẽ kỹ thuật và thuyết minh tính toán. Phần bản vẽ thường có một bản vẽ lắp tổng thể của hộp giảm tốc và các bản vẽ chi tiết của các bộ phận quan trọng như trục, bánh răng, vỏ hộp. Các file CAD hộp giảm tốc là sản phẩm cuối cùng của quá trình này. Phần thuyết minh trình bày chi tiết toàn bộ quá trình tính toán, từ Chương I: Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền, đến Chương VI: Thiết kế vỏ hộp và các chi tiết phụ. Nội dung phải bao gồm việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng, tính toán các thông số hình học, chọn ổ lăn, kiểm nghiệm bền cho trục và then, xác định các thông số về dung sai lắp ghép và phương pháp bôi trơn hộp giảm tốc. Cấu trúc này đảm bảo tính logic, khoa học và dễ dàng cho việc kiểm tra, đánh giá.

II. 7 Thách Thức Lớn Khi Thiết Kế Hộp Giảm Tốc Cho Sinh Viên

Việc thực hiện đồ án thiết kế hộp giảm tốc đặt ra nhiều thách thức, đòi hỏi sinh viên phải có sự cẩn trọng và kiến thức nền tảng vững chắc. Thách thức lớn nhất nằm ở việc đảm bảo tính chính xác trong toàn bộ chuỗi tính toán. Một sai số nhỏ ở bước chọn động cơ hoặc phân phối tỷ số truyền có thể lan truyền và dẫn đến kết quả sai lệch ở các bước sau như thiết kế bánh răng hay kiểm nghiệm trục. Ví dụ, việc chọn hệ số tải trọng K không phù hợp có thể dẫn đến thiết kế các chi tiết máy quá bền (gây lãng phí vật liệu) hoặc không đủ bền (gây phá hủy khi làm việc). Một thách thức khác là việc tra cứu và áp dụng đúng các tiêu chuẩn, bảng biểu từ các tài liệu tham khảo. Việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng hay chọn ổ lăn không chỉ dựa trên tính toán mà còn phải phù hợp với điều kiện làm việc và tính kinh tế. Ngoài ra, việc thể hiện ý tưởng thiết kế qua bản vẽ hộp giảm tốc đúng tiêu chuẩn kỹ thuật cũng là một kỹ năng khó, đòi hỏi sự tỉ mỉ và hiểu biết về dung sai, lắp ghép.

2.1. Sai sót thường gặp trong tính toán hệ dẫn động cơ khí

Một trong những sai sót phổ biến nhất là lỗi trong quá trình tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí. Điều này có thể xuất phát từ việc áp dụng sai công thức, nhầm lẫn đơn vị, hoặc chọn sai các hệ số kinh nghiệm. Ví dụ, trong tài liệu gốc, việc tính công suất cần thiết Nct = 0,92 kW và sau đó chọn động cơ 1,5 kW là một quyết định cần được lý giải rõ ràng dựa trên hệ số dự trữ công suất. Một lỗi khác là tính toán sai momen xoắn trên các trục, dẫn đến việc kiểm nghiệm trục và then không còn chính xác. Hơn nữa, việc tính toán các lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng (lực vòng, lực hướng tâm, lực dọc trục) nếu sai sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán và chọn ổ lăn, có thể gây hỏng hóc cho gối đỡ trục khi vận hành.

2.2. Khó khăn khi chọn vật liệu và dung sai lắp ghép phù hợp

Việc lựa chọn vật liệu làm bánh răng và các chi tiết khác là một bài toán tối ưu giữa yêu cầu kỹ thuật và chi phí. Sinh viên thường gặp khó khăn khi quyết định giữa các loại thép như Thép 45, Thép 50 và các phương pháp nhiệt luyện đi kèm (thường hóa, tôi, thấm carbon). Lựa chọn sai vật liệu có thể khiến chi tiết không đạt độ cứng bề mặt cần thiết hoặc có độ bền lõi không đủ, dẫn đến mòn hoặc gãy răng. Tương tự, việc xác định dung sai lắp ghép giữa trục và lỗ mayơ, giữa vòng ngoài ổ lăn và lỗ trên vỏ hộp giảm tốc cũng là một thách thức. Theo tài liệu gốc, việc chọn kiểu lắp T2ổ cho trục và T1ổ cho vỏ hộp là dựa trên kinh nghiệm và tiêu chuẩn, nhằm đảm bảo ổ lăn được cố định chắc chắn mà không bị biến dạng, nhưng không phải sinh viên nào cũng hiểu rõ bản chất của lựa chọn này.

III. Hướng Dẫn Chọn Động Cơ và Phân Phối Tỷ Số Truyền Chuẩn

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi đồ án thiết kế hộp giảm tốc là chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền. Toàn bộ các tính toán về sau đều dựa trên các thông số được quyết định ở giai đoạn này. Quy trình bắt đầu bằng việc xác định công suất làm việc yêu cầu trên trục công tác và hiệu suất của toàn hệ thống. Dựa trên dữ liệu từ đồ án mẫu với lực kéo P = 4000N và vận tốc V = 0,2 m/s, công suất trên băng tải được tính là N = 0,8 kW. Hiệu suất chung của hệ thống, bao gồm hiệu suất của bộ truyền đai (η1=0,95), hai bộ truyền bánh răng (η2=0,97) và ba cặp ổ lăn (η3=0,99), được xác định là η ≈ 86,7%. Từ đó, công suất cần thiết trên trục động cơ là Nct = N / η = 0,92 kW. Việc chọn động cơ có công suất 1,5 kW và số vòng quay 1420 vg/ph là một lựa chọn an toàn, có xét đến hệ số dự phòng để máy khởi động và vận hành ổn định. Sau khi có thông số động cơ, bước tiếp theo là phân phối tỷ số truyền cho toàn hệ thống để đạt được số vòng quay mong muốn ở trục cuối.

3.1. Phương pháp tính công suất và chọn động cơ điện tối ưu

Để chọn động cơ, trước hết cần tính công suất cần thiết. Công thức cơ bản là Nct = N / η, trong đó N là công suất trên trục máy công tác và η là hiệu suất toàn hệ thống. Hiệu suất η được tính bằng tích hiệu suất của các bộ phận riêng lẻ. Như trong ví dụ, η = η_đai * η_br_nhanh * η_br_chậm * η_ổlăn^3. Sau khi có Nct, việc chọn động cơ điện không chỉ dựa vào công suất mà còn dựa vào số vòng quay đồng bộ (ví dụ: 3000, 1500, 1000 vg/ph). Lựa chọn số vòng quay của động cơ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ số truyền chung của hệ thống. Thông thường, chọn động cơ có số vòng quay cao sẽ giúp kích thước hộp giảm tốc nhỏ gọn hơn nhưng đòi hỏi tỷ số truyền lớn hơn. Ngược lại, động cơ có số vòng quay thấp giúp giảm tỷ số truyền nhưng có thể làm tăng kích thước và giá thành động cơ.

3.2. Quy trình phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc 2 cấp

Sau khi chọn động cơ, tỷ số truyền chung của hệ thống được xác định: i_chung = n_động_cơ / n_công_tác. Trong đồ án mẫu, i_chung = 1420 / 25 = 56,8. Tỷ số truyền này sau đó được phân phối cho các bộ truyền thành phần: i_chung = i_đai * i_hộp. Tỷ số truyền của bộ truyền đai thường được chọn trước trong khoảng 2 đến 4, ở đây chọn i_đai = 3. Tỷ số truyền còn lại của hộp giảm tốc 2 cấp là i_hộp = i_chung / i_đai = 18,9. Tỷ số truyền này lại được chia cho hai cấp bánh răng bên trong hộp: cấp nhanh (bánh răng nón) và cấp chậm (bánh răng trụ). Theo kinh nghiệm thiết kế, để đảm bảo điều kiện bôi trơn tốt, tỷ số truyền cấp nhanh i_n thường lớn hơn cấp chậm i_c một chút, cụ thể i_n ≈ (1,2 ÷ 1,3) * i_c. Từ đó, ta giải hệ phương trình để tìm ra i_n = 4,752 và i_c = 3,96.

IV. Cách Tính Toán Thiết Kế Bánh Răng Và Trục Chi Tiết Nhất

Sau khi đã có momen xoắn và số vòng quay trên từng trục, công đoạn cốt lõi của đồ án thiết kế hộp giảm tốc là tính toán và thiết kế chi tiết các bộ phận chịu lực chính: bánh răng và trục. Quá trình thiết kế bánh răng bao gồm việc chọn vật liệu, xác định ứng suất cho phép, tính toán các thông số hình học cơ bản (mô-đun, số răng, khoảng cách trục) và cuối cùng là kiểm nghiệm độ bền. Các điều kiện kiểm nghiệm quan trọng nhất là độ bền tiếp xúc (chống tróc rỗ bề mặt) và độ bền uốn (chống gãy răng). Đối với trục, quy trình bắt đầu bằng việc tính sơ bộ đường kính trục dựa trên momen xoắn theo công thức kinh nghiệm. Sau đó, dựa trên sơ đồ đặt lực, các phản lực tại gối đỡ và biểu đồ momen uốn được xác định. Từ đó, tiến hành kiểm nghiệm trục tại các tiết diện nguy hiểm theo thuyết bền phù hợp. Việc tính toán chính xác các lực tác dụng từ bộ truyền bánh răng lên trục là yếu tố quyết định độ chính xác của bước này.

4.1. Quy trình thiết kế bộ truyền bánh răng nón và răng trụ

Quy trình thiết kế cho cả bánh răng nón và bánh răng trụ đều tuân theo các bước cơ bản. Đầu tiên là chọn vật liệu làm bánh răng, ví dụ thép 45 hoặc thép 50 thường hóa, và xác định ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn cho phép. Tiếp theo, từ công suất và tỷ số truyền, ta tính toán sơ bộ các thông số hình học chính. Đối với bộ truyền bánh răng nón, đó là chiều dài nón ngoài L. Đối với bộ truyền bánh răng trụ, đó là khoảng cách trục A. Các công thức này đều có dạng: L ≥ K_L * ³√(M / ([σ]tx² * i)) và A ≥ K_A * (i+1) * ³√(M / ([σ]tx² * i)). Sau khi có thông số sơ bộ, ta tiến hành chọn mô-đun, tính toán chính xác số răng, góc nghiêng (nếu có), và các kích thước hình học khác. Cuối cùng, bước quan trọng là kiểm nghiệm lại ứng suất uốn và ứng suất tiếp xúc thực tế, đảm bảo chúng nhỏ hơn ứng suất cho phép.

4.2. Các bước tính toán và kiểm nghiệm độ bền của trục

Việc tính toán trục bắt đầu bằng việc xác định đường kính sơ bộ tại các đoạn trục theo công thức d ≥ C * ³√(N/n), với C là hệ số kinh nghiệm. Bước tiếp theo là xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên trục trong hai mặt phẳng (ví dụ: xz và yz). Các lực này bao gồm lực từ bộ truyền đai/xích và các thành phần lực vòng, hướng tâm, dọc trục từ các cặp bánh răng. Từ đó, tính toán các phản lực tại gối đỡ (ổ lăn). Dựa trên các lực này, vẽ biểu đồ momen uốn trong hai mặt phẳng và xác định momen uốn tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm (thường là vị trí lắp bánh răng hoặc có thay đổi đường kính đột ngột). Cuối cùng, tiến hành kiểm nghiệm trục theo hệ số an toàn n = (nσ * nτ) / √(nσ² + nτ²) ≥ [n], trong đó nσ và nτ là các hệ số an toàn chỉ xét riêng cho ứng suất uốn và ứng suất xoắn.

V. Bí Quyết Lựa Chọn Ổ Lăn Và Thiết Kế Vỏ Hộp Giảm Tốc

Hoàn thiện một thiết kế hộp giảm tốc không chỉ dừng lại ở các bộ phận truyền động chính mà còn bao gồm các chi tiết quan trọng khác như ổ lăn và vỏ hộp. Việc chọn ổ lăn (bạc đạn) là một bước thiết yếu để đảm bảo trục quay ổn định và chịu được tải trọng tác dụng. Lựa chọn này phụ thuộc vào đường kính ngõng trục, loại tải trọng (chỉ có lực hướng tâm hay có cả lực dọc trục), và tuổi thọ yêu cầu của hệ thống. Đối với các trục chịu lực dọc trục, ổ bi đỡ chặn hoặc ổ đũa côn thường được ưu tiên. Sau khi chọn ổ, cần thiết kế các chi tiết cố định trục theo phương dọc trục như nắp ổ, vai trục và vòng hãm. Song song đó, việc thiết kế vỏ hộp giảm tốc đóng vai trò bảo vệ các chi tiết bên trong, định vị chính xác các trục và chứa dầu bôi trơn. Vỏ hộp phải đảm bảo độ cứng vững, thoát nhiệt tốt và thuận tiện cho việc lắp ráp, bảo dưỡng. Các kích thước của vỏ hộp thường được xác định theo các công thức kinh nghiệm dựa trên khoảng cách trục và đường kính các chi tiết bên trong.

5.1. Tiêu chí chọn ổ lăn và các chi tiết cố định trục

Tiêu chí hàng đầu để chọn ổ lăn là khả năng chịu tải động C. Khả năng này phải lớn hơn tải trọng quy ước Q được tính theo công thức C ≥ Q * (L*n)^m, trong đó L là tuổi thọ yêu cầu (tính bằng triệu vòng quay hoặc giờ làm việc), n là tốc độ quay, và m là hệ số. Tải trọng quy ước Q phụ thuộc vào lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên ổ. Như trong đồ án mẫu, trục I và II có lực dọc trục nên sử dụng ổ bi đỡ chặn, trong khi trục III chỉ chịu lực hướng tâm nên có thể dùng ổ bi đỡ. Sau khi chọn được loại ổ, các chi tiết như nắp ổ, vòng phớt chắn dầu, và các tấm đệm điều chỉnh khe hở dọc trục cần được thiết kế đồng bộ để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và bền bỉ.

5.2. Nguyên tắc thiết kế vỏ hộp và các chi tiết phụ kèm theo

Thiết kế vỏ hộp giảm tốc tuân theo các nguyên tắc về độ cứng vững và công nghệ. Vật liệu chế tạo thường là gang xám GX 15-32 do khả năng chịu nén tốt và dễ đúc. Các kích thước cơ bản như chiều dày thành hộp (δ), chiều dày mặt bích (b), chiều dày đế (P) được chọn theo các công thức kinh nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách trục lớn nhất. Ví dụ δ ≈ 0.025A + 3 (mm). Các gân tăng cứng được bố trí ở những vị trí chịu lực lớn như khu vực lắp ổ lăn. Ngoài ra, một thiết kế hộp giảm tốc hoàn chỉnh phải có đầy đủ các chi tiết phụ: que thăm dầu để kiểm tra mức dầu, nút thông hơi để cân bằng áp suất, nút tháo dầu để thay dầu định kỳ, và bu-lông vòng để thuận tiện cho việc nâng hạ, vận chuyển. Các chi tiết này đảm bảo hộp giảm tốc vận hành an toàn và dễ bảo trì.

VI. Hoàn Thiện Đồ Án Lập Bản Vẽ Và Viết Thuyết Minh Mẫu

Giai đoạn cuối cùng của đồ án thiết kế hộp giảm tốc là tổng hợp toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế vào hai sản phẩm chính: bộ bản vẽ kỹ thuật và cuốn thuyết minh chi tiết. Đây là bước thể hiện toàn bộ kết quả làm việc và là cơ sở để đánh giá chất lượng đồ án. Bản vẽ hộp giảm tốc không chỉ đơn thuần là hình ảnh minh họa mà phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về trình bày, ký hiệu, và ghi kích thước. Nó phải truyền tải đầy đủ và chính xác thông tin để có thể chế tạo và lắp ráp sản phẩm trong thực tế. Các file CAD hộp giảm tốc là công cụ hữu hiệu để thực hiện công việc này. Song song, cuốn thuyết minh đồ án hộp giảm tốc đóng vai trò như một báo cáo kỹ thuật, giải thích logic và cơ sở khoa học cho từng quyết định thiết kế. Một cuốn thuyết minh tốt phải có cấu trúc rõ ràng, diễn giải mạch lạc, trích dẫn đầy đủ các công thức và bảng tra, giúp người đọc hiểu rõ toàn bộ quá trình từ yêu cầu ban đầu đến sản phẩm cuối cùng.

6.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với một bản vẽ hộp giảm tốc

Một bộ bản vẽ hộp giảm tốc hoàn chỉnh thường bao gồm: một bản vẽ lắp chung (thể hiện vị trí tương quan của tất cả các chi tiết) và các bản vẽ chi tiết cho các bộ phận tự thiết kế (trục 1, 2, 3; bánh răng; vỏ hộp; nắp hộp). Bản vẽ lắp phải có đầy đủ các hình cắt cần thiết để thể hiện cấu trúc bên trong, bảng kê chi tiết và các yêu cầu kỹ thuật chung. Các bản vẽ chi tiết phải ghi đủ kích thước, dung sai lắp ghép, độ nhám bề mặt và các yêu cầu về vật liệu, nhiệt luyện. Việc sử dụng các phần mềm như AutoCAD hay SolidWorks để tạo file CAD hộp giảm tốc giúp đảm bảo độ chính xác cao và dễ dàng chỉnh sửa, đồng thời cho phép thực hiện các phân tích mô phỏng nếu cần thiết.

6.2. Cấu trúc một cuốn thuyết minh đồ án hộp giảm tốc chuẩn

Cuốn thuyết minh đồ án hộp giảm tốc là tài liệu ghi lại toàn bộ quá trình tư duy và tính toán. Cấu trúc chuẩn thường bao gồm các chương mục rõ ràng như trong đồ án mẫu. Bắt đầu với phần Nhiệm vụ thiết kế, tiếp theo là các chương tính toán tuần tự: (1) Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền, (2) Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí ngoài hộp (đai, xích), (3) Thiết kế các bộ truyền bánh răng, (4) Thiết kế trục và then, (5) Chọn ổ lăn và thiết kế gối đỡ, (6) Thiết kế vỏ hộp và các chi tiết phụ. Mỗi chương cần trình bày rõ cơ sở lý thuyết, các công thức sử dụng, quá trình tính toán và kết quả cuối cùng. Việc trình bày dưới dạng bảng biểu cho các thông số cuối cùng của mỗi bộ phận sẽ giúp nội dung trở nên khoa học và dễ theo dõi.