Tổng quan nghiên cứu

Hộp giảm tốc trục vít - bánh răng là một trong những hệ thống truyền động quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các cơ cấu có trục chéo và vuông góc, đặc biệt khi yêu cầu tỉ số truyền lớn từ 8 đến 63, thậm chí lên đến 120. Theo ước tính, công suất sử dụng phổ biến của các hộp giảm tốc này không vượt quá 60 kW do hiệu suất thấp và sinh nhiệt cao. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào thiết kế tối ưu hộp giảm tốc trục vít - bánh răng nhằm đảm bảo các điều kiện bền đều tiếp xúc, bôi trơn ngâm dầu và thể tích nhỏ nhất, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc và giảm tiêu hao vật liệu.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu và phát triển phương pháp phân bố tỉ số truyền tối ưu cho hộp giảm tốc hai cấp trục vít - bánh răng, bao gồm bánh răng trụ và bánh răng côn, với trục vít có thể nằm trên hoặc dưới. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tiêu chuẩn tính toán hiện hành như ISO 6336, AGMA 2001-D04, AGMA 6022-C93, đồng thời áp dụng các phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm giảm khối lượng và thể tích hộp giảm tốc. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. HCM.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các bảng tra, đồ thị phân bố tỉ số truyền hợp lý, giúp các nhà thiết kế lựa chọn được tỉ số truyền tối ưu, đảm bảo hiệu suất làm việc cao nhất, giảm tổn thất công suất và tiết kiệm vật liệu. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong thiết kế và sản xuất hộp giảm tốc trục vít - bánh răng, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Tiêu chuẩn tính toán bánh răng và trục vít: Áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 6336 (tính toán độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của bánh răng trụ), ISO 10300 (bánh răng côn), AGMA 2001-D04 (tính toán bánh răng trụ), AGMA 6022-C93 (thiết kế bộ truyền trục vít). Các tiêu chuẩn này cung cấp các công thức xác định ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn, hệ số an toàn và các hệ số ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết máy.

  2. Mô hình phân bố tỉ số truyền tối ưu: Dựa trên nguyên lý đảm bảo độ bền đều tiếp xúc giữa các bộ truyền, điều kiện bôi trơn ngâm dầu và thể tích nhỏ nhất. Mô hình này sử dụng các công thức tính toán mômen xoắn cho phép, hệ số tải trọng, góc nâng ren trục vít, và các hệ số chiều rộng vành răng để xác định tỉ số truyền tối ưu cho từng cấp trong hộp giảm tốc hai cấp.

Các khái niệm chính bao gồm: tỉ số truyền (u), ứng suất tiếp xúc (σH), hiệu suất hộp giảm tốc (η), hệ số tải trọng (KH), góc nâng ren (γ), và các hệ số ảnh hưởng đến độ bền và bôi trơn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế, tài liệu chuyên ngành, và các kết quả tính toán thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Sử dụng các công thức tiêu chuẩn để tính toán ứng suất, mômen xoắn, và hiệu suất của bộ truyền trục vít - bánh răng.

  • Quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa: Áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân bố tỉ số truyền trong hộp giảm tốc hai cấp, đảm bảo các ràng buộc về bền đều, bôi trơn và thể tích nhỏ nhất.

  • Phân tích số liệu và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2019 và Minitab để tính toán, mô phỏng và xây dựng đồ thị phân bố tỉ số truyền.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 9/2021, hoàn thành các phân tích và tính toán vào tháng 5/2022, bảo vệ luận văn vào tháng 7/2022.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các bộ truyền trục vít - bánh răng với các tỉ số truyền trong khoảng từ 8 đến 200, vật liệu chủ yếu là thép 36Mn5 và đồng thau, với các góc nâng ren γ = 10° và 28° được lựa chọn để đánh giá hiệu suất và độ bền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố tỉ số truyền tối ưu cho hộp giảm tốc hai cấp trục vít - bánh răng trụ: Kết quả tính toán cho thấy tỉ số truyền cấp nhanh (u12) và cấp chậm (u34) có mối quan hệ chặt chẽ, phụ thuộc vào hệ số chiều rộng vành răng (ψba34) và góc nâng ren (γ). Ví dụ, với γ = 10° và ψba34 = 0,4, tỉ số truyền cấp chậm u34 dao động từ 1,55 đến 4,28 khi tỉ số truyền tổng uh thay đổi từ 22,4 đến 200. Tỉ lệ này đảm bảo độ bền đều và thể tích nhỏ nhất.

  2. Ảnh hưởng của góc nâng ren đến hiệu suất và tỉ số truyền: Khi tăng góc nâng ren từ 10° lên 28°, tỉ số truyền cấp chậm u34 tăng lên đáng kể, đồng thời hiệu suất hộp giảm tốc cũng được cải thiện. Ví dụ, với γ = 28° và ψba34 = 0,5, u34 có thể đạt đến 4,19 khi uh = 22,4, cao hơn so với trường hợp γ = 10°.

  3. Vị trí trục vít ảnh hưởng đến phân bố tỉ số truyền: Trục vít nằm trên hay dưới ảnh hưởng đến các giới hạn tỉ số truyền và điều kiện bôi trơn. Với trục vít nằm dưới, các giá trị tỉ số truyền cấp chậm u34 có xu hướng lớn hơn, đồng thời cần loại bỏ các giá trị uh ≤ 45 để đảm bảo điều kiện bôi trơn và bền đều.

  4. So sánh vật liệu và hệ số an toàn: Vật liệu thép 36Mn5 tôi bề mặt có giới hạn mỏi tiếp xúc cao hơn (1140 MPa) so với thép thường hóa (520 MPa), giúp tăng hệ số an toàn và giảm kích thước chi tiết. Hệ số tải trọng KH được chọn phù hợp với vật liệu và điều kiện làm việc, ví dụ KH2 = 1,1 cho bộ truyền trục vít và KH3 = 1,01 cho bộ truyền bánh răng trụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc phân bố tỉ số truyền hợp lý trong hộp giảm tốc hai cấp trục vít - bánh răng là yếu tố quyết định đến hiệu suất làm việc, độ bền và kích thước hộp giảm tốc. Việc lựa chọn góc nâng ren phù hợp (thường là 28°) giúp tăng hiệu suất và giảm tổn thất công suất, đồng thời đảm bảo điều kiện bôi trơn ngâm dầu.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này bổ sung thêm các bảng tra và đồ thị phân bố tỉ số truyền chi tiết cho các trường hợp trục vít nằm trên và dưới, bánh răng trụ răng thẳng và nghiêng, giúp nhà thiết kế có cơ sở lựa chọn chính xác hơn. Việc sử dụng phần mềm hỗ trợ tính toán và mô phỏng giúp giảm thời gian thiết kế và tăng độ chính xác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các bảng kết quả phân bố tỉ số truyền và đồ thị mối quan hệ giữa tỉ số truyền tổng và tỉ số truyền cấp chậm, minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các tham số thiết kế đến hiệu quả hộp giảm tốc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phân bố tỉ số truyền tối ưu trong thiết kế thực tế: Các nhà thiết kế nên sử dụng bảng tra và đồ thị phân bố tỉ số truyền đã nghiên cứu để lựa chọn tỉ số truyền cấp nhanh và cấp chậm phù hợp, đảm bảo độ bền đều và hiệu suất cao nhất. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế mới.

  2. Tăng cường sử dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế: Khuyến nghị sử dụng các phần mềm như Autodesk Inventor và Minitab để mô phỏng và tính toán, giúp giảm thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác. Chủ thể thực hiện: các phòng thiết kế và nghiên cứu phát triển.

  3. Cập nhật và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật nội bộ: Do bộ TCVN còn chậm cập nhật, các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên xây dựng bộ tài liệu, sổ tay tra cứu tiêu chuẩn quốc tế và kết quả nghiên cứu để phục vụ đào tạo và sản xuất. Thời gian thực hiện: trong vòng 1 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng cho các loại bánh răng khác: Đề xuất nghiên cứu tiếp tục áp dụng phương pháp tối ưu cho các hệ thống truyền động phức tạp hơn như bánh răng hành tinh, bánh răng côn nhiều cấp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí: Hỗ trợ trong việc lựa chọn tỉ số truyền và thiết kế hộp giảm tốc trục vít - bánh răng tối ưu, giảm chi phí vật liệu và nâng cao hiệu suất.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán cập nhật, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về truyền động cơ khí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất hộp giảm tốc: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian phát triển.

  4. Sinh viên kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo hữu ích cho các đề tài, luận văn liên quan đến thiết kế và tối ưu hóa hệ thống truyền động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu phân bố tỉ số truyền trong hộp giảm tốc trục vít - bánh răng?
    Tối ưu phân bố tỉ số truyền giúp đảm bảo độ bền đều giữa các bộ truyền, giảm tiêu hao vật liệu và tăng hiệu suất làm việc, từ đó nâng cao tuổi thọ và giảm chi phí sản xuất.

  2. Góc nâng ren trục vít ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất?
    Góc nâng ren lớn hơn (khoảng 28°) giúp tăng hiệu suất hộp giảm tốc do giảm ma sát và tổn thất công suất, đồng thời cải thiện điều kiện bôi trơn.

  3. Vật liệu nào phù hợp cho bánh vít và bánh răng trong hộp giảm tốc?
    Thép 36Mn5 tôi bề mặt cho bánh răng và đồng thau hoặc đồng thanh không thiếc cho bánh vít là lựa chọn tối ưu, đảm bảo độ bền cao và giảm ma sát.

  4. Phương pháp tính toán nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng các tiêu chuẩn ISO 6336, AGMA 2001-D04, AGMA 6022-C93 kết hợp với quy hoạch thực nghiệm và phần mềm mô phỏng để tính toán và tối ưu.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế?
    Các nhà thiết kế có thể sử dụng bảng tra và đồ thị phân bố tỉ số truyền để lựa chọn thông số phù hợp, đồng thời áp dụng phần mềm hỗ trợ để mô phỏng và kiểm tra thiết kế trước khi sản xuất.

Kết luận

  • Đã xây dựng được mô hình phân bố tỉ số truyền tối ưu cho hộp giảm tốc hai cấp trục vít - bánh răng, đảm bảo độ bền đều, điều kiện bôi trơn và thể tích nhỏ nhất.
  • Kết quả tính toán cho thấy góc nâng ren và vị trí trục vít ảnh hưởng đáng kể đến tỉ số truyền và hiệu suất hộp giảm tốc.
  • Phương pháp nghiên cứu kết hợp tiêu chuẩn quốc tế và phần mềm mô phỏng giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế thực tế và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật nội bộ để nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các loại bánh răng khác và phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu.

Hành động khuyến nghị: Các nhà thiết kế và doanh nghiệp sản xuất nên áp dụng các kết quả và phương pháp nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất hộp giảm tốc trục vít - bánh răng.