Bối cảnh và yêu cầu thiết kế kỹ thuật

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ khí và Cơ kỹ thuật, học phần Đồ án Chi tiết máy giữ vai trò cầu nối quan trọng giữa các môn học lý thuyết cơ sở (Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy) với các môn chuyên ngành chế tạo máy. Đề tài được giao trong đồ án này là "Tính toán thiết kế hệ dẫn động băng tải gồm bộ truyền đai ngoài và hộp giảm tốc bánh răng côn răng thẳng một cấp".

Bối cảnh thực tiễn của đề tài xuất phát từ nhu cầu vận chuyển vật liệu liên tục trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp thông qua hệ thống băng tải. Hệ thống yêu cầu biến đổi chuyển động quay có tốc độ cao và mômen xoắn nhỏ từ động cơ điện thành chuyển động quay có tốc độ chậm và mômen xoắn lớn trên trục tang dẫn của băng tải, đảm bảo khả năng làm việc ổn định, độ tin cậy cơ học và tuổi thọ yêu cầu.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được cụ thể hóa thông qua hệ thống thông số đầu vào và các yêu cầu kỹ thuật:

  1. Công suất yêu cầu trên trục máy công tác (trục tang băng tải): $P = 2,75\text{ kW}$ (công suất tương đương $P_{\text{tđ}} = 1,859\text{ kW}$).
  2. Số vòng quay của trục công tác (Trục 2): $n_{\text{ct}} = 255\text{ vòng/phút}$.
  3. Thời hạn phục vụ của hệ thống: $L_h = 14.600\text{ giờ}$ (tương đương 5 năm làm việc).
  4. Chế độ làm việc: 2 ca/ngày, tải trọng tĩnh, quay một chiều.
  5. Nhiệm vụ tính toán thiết kế: Lựa chọn động cơ điện, phân phối tỉ số truyền cho toàn hệ thống; tính toán độ bền và xác định kích thước hình học của bộ truyền đai thang và bộ truyền bánh răng côn răng thẳng; tính toán kết cấu trục, lựa chọn then bằng, chọn và kiểm nghiệm ổ lăn; thiết kế vỏ hộp giảm tốc và lựa chọn dung sai lắp ghép, phương pháp bôi trơn.

Phạm vi nghiên cứu và thiết kế của đồ án tập trung vào việc tính toán cơ học truyền động tĩnh và động lực học cơ bản cho cụm dẫn động cơ khí một cấp bánh răng côn kết hợp bộ truyền đai hở, không mở rộng sang các hệ thống điều khiển tự động hoặc khảo sát biến tần điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Hệ thống phương pháp và cơ sở lý thuyết tính toán trong đồ án tuân thủ các quy chuẩn thiết kế cơ khí kinh điển và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành tại Việt Nam:

  • Tài liệu tra cứu và công thức tính toán cốt lõi:

    • Giáo trình Chi tiết máy (Tập 1 và Tập 2) – GS.TS. Nguyễn Trọng Hiệp.
    • Sách hướng dẫn Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (Tập 1 và Tập 2) – PGS.TS. Trịnh Chất và TS. Lê Văn Uyển.
    • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2261-77 về then bằng và rãnh then trên trục, lỗ may-ơ.
    • Tiêu chuẩn quốc tế ISO áp dụng trong xác định tải trọng và kiểm nghiệm độ bền bộ truyền bánh răng côn.
    • Bảng thông số động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc tiêu chuẩn của Nhà máy Điện cơ Hà Nội.

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật thực tế:

    • Phương pháp tính toán động học và động lực học: Cân bằng công suất, xác định hiệu suất từng cụm (hiệu suất bộ truyền bánh răng $\eta_{\text{BR}} = 0,97$, bộ truyền đai $\eta_{\text{đ}} = 0,96$, cặp ổ lăn $\eta_{\text{OL}} = 0,99$), phân phối tỉ số truyền toàn hệ thống ($u_c$) thành tỉ số truyền bộ truyền ngoài ($u_đ$) và tỉ số truyền hộp giảm tốc ($u_{\text{br}}$).
    • Phương pháp tính toán độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của bánh răng: Tính toán chiều dài côn ngoài sơ bộ $R_e$, xác định môđun pháp $m_{\text{te}}$, kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc $\sigma_H \le [\sigma_H]$ và ứng suất uốn $\sigma_F \le [\sigma_F]$, kiểm nghiệm điều kiện quá tải tức thời khi mở máy.
    • Phương pháp giải tích sức bền trục và kiểm nghiệm mỏi: Lập sơ đồ phân bố lực trong không gian 3D, chiếu các lực ăn khớp ($F_t, F_r, F_a$) và lực ngoài ($F_đ, F_{\text{kn}}$) lên hai mặt phẳng vuông góc ($xOy$ và $xOz$). Sử dụng phương pháp mặt cắt để tính phản lực liên kết gối đỡ, vẽ biểu đồ mômen uốn $M_x, M_y$ và mômen xoắn $T$, từ đó xác định mômen tương đương $M_{\text{tđ}}$ để chọn đường kính trục. Kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi $S$ và độ bền tĩnh của trục.
    • Phương pháp tính toán và chọn ổ lăn: Xác định phản lực gối đỡ tổng hợp, tính tải trọng động quy ước $Q$ và tải trọng tĩnh tương đương $Q_t$, kiểm nghiệm khả năng tải động $C_d \le C$ và tải tĩnh $Q_t \le C_0$ dựa trên tuổi thọ triệu vòng quay $L$.

Thiết kế và phân tích hệ thống dẫn động cơ khí

Hệ thống dẫn động cơ khí băng tải trong đồ án được thiết kế theo sơ đồ khối tuần tự: Động cơ điện $\rightarrow$ Bộ truyền đai thang $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng côn 1 cấp (Trục 1 $\rightarrow$ Bánh răng côn dẫn $\rightarrow$ Bánh răng côn bị dẫn $\rightarrow$ Trục 2) $\rightarrow$ Khớp nối trục đàn hồi $\rightarrow$ Trục công tác băng tải.

[Động cơ điện: 4A100S4Y3]
   [Trục 1 (n=710 v/ph)]
   [Trục 2 (n=255 v/ph)]
[Trục máy công tác (Băng tải)]
  • Cụm động cơ điện: Chọn loại động cơ 4A100S4Y3 có công suất danh định $P_{\text{đc}} = 3,0\text{ kW}$, tốc độ quay đồng bộ $n_{\text{đc}} = 1420\text{ vòng/phút}$, đường kính trục động cơ $d_{\text{đc}} = 28\text{ mm}$, khối lượng $36\text{ kg}$, hệ số quá tải mở máy $T_k / T_{\text{dn}} = 2,0$ và $T_{\max} / T_{\text{dn}} = 2,2$.
  • Cụm truyền động đai: Sử dụng 02 dây đai thang tiết diện loại A, góc ôm đai trên bánh đai nhỏ $\alpha_1 = 155,26^\circ$, khoảng cách trục $a = 322,54\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 1320\text{ mm}$.
  • Cụm bánh răng côn: Sử dụng vật liệu thép 45 tôi cải thiện, bánh răng nhỏ có độ rắn 245 HB, bánh lớn 230 HB; góc nghiêng côn chia $\delta_1 = 19,65^\circ, \delta_2 = 70,35^\circ$; hệ số dịch chỉnh đều $x_1 = +0,29, x_2 = -0,29$.
  • Cụm trục và ổ lăn:
    • Trục 1 chế tạo từ thép C45, lắp 02 ổ đũa côn cỡ nhẹ ký hiệu 7506 ($d=25\text{ mm}, D=52\text{ mm}, B=15\text{ mm}$).
    • Trục 2 chế tạo từ thép CT5 / C45, lắp ổ đũa côn đỡ chặn đường kính ngỗng trục $d=30\text{ mm}$, đoạn lắp bánh răng côn $d=35\text{ mm}$, đoạn nối khớp $d=25\text{ mm}$.
  • Khớp nối: Sử dụng nối trục vòng đàn hồi tiêu chuẩn có mômen xoắn lớn nhất $T_{\max} = 125\text{ N.m}$, đường kính vòng tâm chốt $D_0 = 125\text{ mm}$, gồm 4 chốt đàn hồi đường kính chốt $d_c = 14\text{ mm}$.

Nội dung chính theo từng chương của đồ án

Chương 1: Tính toán động học (Chọn động cơ, phân phối tỉ số truyền)

Chương 1 thiết lập các thông số cơ sở ban đầu cho toàn bộ hệ thống truyền động. Từ công suất yêu cầu trên trục máy công tác $P_{\text{ct}} = 2,043\text{ kW}$, hiệu suất tổng của hệ thống được xác định:

$$\eta = \eta_{\text{BR}} \cdot \eta_{\text{đ}} \cdot \eta_{\text{OL}}^2 = 0,97 \cdot 0,96 \cdot (0,99)^2 = 0,91$$

Công suất cần thiết trên trục động cơ: $P_{\text{yc}} = 2,043 / 0,91 = 2,043\text{ kW}$ (chọn động cơ công suất định mức 3,0 kW, tốc độ $n_{\text{đc}} = 1420\text{ vòng/phút}$). Tỉ số truyền toàn hệ thống $u_c = 1420 / 255 = 5,57$, được phân phối thành tỉ số truyền bộ truyền đai $u_đ = 2,0$ và tỉ số truyền hộp giảm tốc $u_{\text{br}} = 2,785$.

Thông số động học Trục động cơ Trục 1 (Trục dẫn HGT) Trục 2 (Trục bị dẫn HGT)
Công suất $P$ (kW) 2,24 2,13 2,043
Tỉ số truyền $u$ - $u_đ = 2,0$ $u_{\text{br}} = 2,785$
Số vòng quay $n$ (vòng/phút) 1420 710 255
Mômen xoắn $T$ (N.mm) 15.064,79 28.650,00 76.512,35

Chương 2: Tính toán thiết kế bộ truyền đai

Chương 2 thực hiện tính toán chi tiết bộ truyền đai thang ngoài hộp giảm tốc. Tác giả lựa chọn đai loại A với các thông số hình học tiêu chuẩn: chiều rộng đỉnh $b_0 = 13\text{ mm}$, chiều rộng tính toán $b_p = 11\text{ mm}$, chiều cao $h = 8\text{ mm}$, diện tích tiết diện $A = 81\text{ mm}^2$.

  • Đường kính bánh đai nhỏ tiêu chuẩn: $d_1 = 140\text{ mm}$; vận tốc đai $v = 10,41\text{ m/s}$ ($< 25\text{ m/s}$, đảm bảo điều kiện vận tốc).
  • Đường kính bánh đai lớn: $d_2 = 280\text{ mm}$; tỉ số truyền thực tế $u_{\text{tt}} = 2,04$ (sai lệch $\Delta u = 2,0% < 4%$).
  • Chiều dài đai tính toán theo khoảng cách trục sơ bộ $a = 316,4\text{ mm}$ là $L = 1308,02\text{ mm}$, quy chuẩn chọn chiều dài tiêu chuẩn $L = 1320\text{ mm}$.
  • Tần số uốn của đai trong 1 giây: $i = v / L = 10,41 / 1,32 = 7,87\text{ s}^{-1} \le 10\text{ s}^{-1}$ (thỏa mãn điều kiện mỏi).
  • Khoảng cách trục sau khi chuẩn hóa chiều dài đai: $a = 322,54\text{ mm}$; góc ôm đai nhỏ $\alpha_1 = 155,26^\circ$ ($2,71\text{ rad}$).
  • Số dây đai tính toán: $z = 1,31 \rightarrow$ chọn $z = 2$ đai. Chiều rộng bánh đai $B = 35\text{ mm}$.
  • Lực căng ban đầu của 1 dây đai $F_0 = 127,44\text{ N}$; lực tác dụng lên trục $F_đ = 497,93\text{ N}$.

Chương 3: Thiết kế bộ truyền bánh răng côn

Chương 3 trình bày các bước thiết kế cặp bánh răng côn răng thẳng ăn khớp ngoài theo tiêu chuẩn ISO. Cặp bánh răng chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện, bánh nhỏ có độ rắn 245 HB ($\sigma_{b1} = 850\text{ MPa}, \sigma_{\text{ch}1} = 580\text{ MPa}$), bánh lớn có độ rắn 230 HB ($\sigma_{b2} = 750\text{ MPa}, \sigma_{\text{ch}2} = 450\text{ MPa}$).

  • Chiều dài côn ngoài tính toán: $R_e = 111,5\text{ mm}$; chiều rộng vành răng $b = 27,88\text{ mm}$.
  • Môđun vòng ngoài tiêu chuẩn: $m_{\text{te}} = 2,5\text{ mm}$ (môđun trung bình $m_{\text{tm}} = 2,19\text{ mm}$).
  • Số răng bánh dẫn và bị dẫn: $Z_1 = 30, Z_2 = 84 \rightarrow$ tỉ số truyền thực tế $u_t = 84 / 30 = 2,8$ ($\Delta u = 0,5% < 4%$).
  • Góc côn chia: $\delta_1 = 19,65^\circ, \delta_2 = 70,35^\circ$; hệ số dịch chỉnh chiều cao: $x_1 = +0,29, x_2 = -0,29$.
  • Cấp chính xác gia công đạt cấp 9, độ nhám bề mặt $Ra = 2,5\text{ }\mu\text{m}$.
  • Kiểm nghiệm độ bền:
    • Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 438,93\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 481,82\text{ MPa}$ (độ lệch an toàn 8,9%).
    • Ứng suất uốn: $\sigma_{F1} = 43,88\text{ MPa} \le [\sigma_{F1}] = 253\text{ MPa}$; $\sigma_{F2} = 47,50\text{ MPa} \le [\sigma_{F2}] = 237,42\text{ MPa}$.
    • Kiểm nghiệm quá tải tiếp xúc: $\sigma_{H\max} = 651,04\text{ MPa} \le [\sigma_H]_{\max} = 1624\text{ MPa}$.
  • Lực tác dụng khi ăn khớp: Lực vòng $F_{t1} = F_{t2} = 872,15\text{ N}$; lực hướng tâm $F_{r1} = 298,95\text{ N}, F_{r2} = 106,75\text{ N}$; lực dọc trục $F_{a1} = 106,75\text{ N}, F_{a2} = 298,95\text{ N}$ (chú ý $F_{r1} = F_{a2}$ và $F_{a1} = F_{r2}$).

Chương 4: Lực tác dụng và sơ đồ tính chung

Chương 4 tính chọn khớp nối trục và xác định khoảng cách giữa các điểm đặt lực trên trục nhằm chuẩn bị sơ đồ giải phóng liên kết cho việc tính trục ở các chương tiếp theo.

  • Khớp nối trục vòng đàn hồi được lựa chọn thỏa mãn điều kiện mômen danh nghĩa $T = 76512,35\text{ N.mm}$ và đường kính trục $d = 25\text{ mm}$. Thông số chốt: $Z = 4$ chốt, đường kính tâm chốt $D_0 = 125\text{ mm}$, đường kính chốt $d_c = 14\text{ mm}$. Lực của khớp nối tác dụng lên trục: $F_{\text{kn}} = 244,84\text{ N}$.
  • Đường kính sơ bộ của các trục tính theo mômen xoắn thuần túy: $d_{\text{sb}1} = 20\text{ mm}, d_{\text{sb}2} = 25\text{ mm}$.
  • Các khoảng cách kết cấu hộp giảm tốc: Khoảng cách từ mặt mút chi tiết quay đến thành trong vỏ hộp $k_1 = 10\text{ mm}$, khoảng cách từ mặt mút ổ đến thành trong $k_2 = 15\text{ mm}$, khoảng cách đến nắp ổ $k_3 = 15\text{ mm}$, chiều cao nắp ổ và bu-lông $h_n = 20\text{ mm}$.

Chương 5: Thiết kế trục, then, ổ lăn cho cụm trục 1

Trục 1 chịu tác dụng đồng thời của lực căng đai $F_đ = 497,93\text{ N}$ và các lực ăn khớp bánh răng côn $F_{t1} = 872,15\text{ N}, F_{r1} = 298,95\text{ N}, F_{a1} = 106,75\text{ N}$.

  • Xác định đường kính các đoạn trục: Bằng việc giải phản lực trên 2 mặt phẳng $xOy, xOz$ và lập biểu đồ mômen uốn tổng hợp $M$, đường kính các đoạn trục được quy chuẩn: ngỗng trục lắp bánh đai $d_1 = 20\text{ mm}$, ngỗng trục lắp ổ lăn $d_2 = d_3 = 25\text{ mm}$, vị trí lắp bánh răng côn $d_0 = 20\text{ mm}$.
  • Tính toán then bằng (TCVN 2261-77): Sử dụng then có tiết diện $b \times h = 6 \times 6\text{ mm}$, chiều sâu rãnh then trên trục $t_1 = 3,5\text{ mm}$, trên lỗ $t_2 = 2,8\text{ mm}$, chiều dài then $l_t = 22\text{ mm}$. Kết quả kiểm nghiệm đạt độ bền dập ($[\sigma]_d = 100\text{ MPa}$) và độ bền cắt ($[\tau]_c = 20\text{ MPa}$).
  • Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi và tĩnh: Hệ số an toàn mỏi tại các tiết diện lắp then và ổ lăn đều lớn hơn hệ số an toàn cho phép $[s] = 2,0$. Trục thỏa mãn hoàn toàn điều kiện bền tĩnh khi khởi động quá tải.
  • Lựa chọn và kiểm nghiệm ổ lăn: Do có lực dọc trục $F_{a1}$, trục 1 sử dụng 02 ổ đũa côn cỡ nhẹ ký hiệu 7506 ($d=25\text{ mm}, D=52\text{ mm}, B=15\text{ mm}, C=23,9\text{ kN}, C_0=17,9\text{ kN}$). Tải trọng tĩnh tương đương lớn nhất $Q_t = 1418,35\text{ N} < C_0 = 17,9\text{ kN}$; tuổi thọ động quy ước thỏa mãn thời gian làm việc $14.600\text{ giờ}$.

Chương 6: Thiết kế trục, then, ổ lăn cho cụm trục 2

Trục 2 nhận truyền động từ bánh răng côn bị dẫn và truyền mômen xoắn ra ngoài thông qua nối trục vòng đàn hồi. Các lực tác dụng gồm: lực khớp nối $F_{\text{kn}} = 244,84\text{ N}$, lực vòng $F_{t2} = 872,15\text{ N}$, lực hướng tâm $F_{r2} = 106,75\text{ N}$, lực dọc trục $F_{a2} = 298,95\text{ N}$.

  • Quy chuẩn đường kính các đoạn trục: Đoạn trục lắp khớp nối $d_1 = 25\text{ mm}$; hai ngỗng trục lắp ổ đũa côn $d_2 = d_4 = 30\text{ mm}$; đoạn trục lắp bánh răng côn lớn $d_3 = 35\text{ mm}$.
  • Tính chọn then bằng:
    • Tại tiết diện lắp khớp nối ($d_1 = 25\text{ mm}$): Then bằng $b \times h = 8 \times 7\text{ mm}, t_1 = 4,0\text{ mm}, t_2 = 2,8\text{ mm}, l_t = 44\text{ mm}$.
    • Tại tiết diện lắp bánh răng ($d_3 = 35\text{ mm}$): Then bằng $b \times h = 10 \times 8\text{ mm}, t_1 = 5,0\text{ mm}, t_2 = 3,3\text{ mm}, l_t = 30\text{ mm}$.
    • Cả hai mối ghép then đều thỏa mãn ứng suất dập và ứng suất cắt.
  • Kiểm nghiệm độ bền: Trục 2 được kiểm nghiệm mỏi chi tiết tại các mặt cắt nguy hiểm (mặt cắt ổ lăn và mặt cắt lắp bánh răng) có tính đến hệ số tập trung ứng suất do rãnh then gia công bằng dao phay ngón ($k_{\sigma} = 1,51; k_{\tau} = 1,2$), hệ số kích thước ($\varepsilon_{\sigma} = 0,83; \varepsilon_{\tau} = 0,77$) và hệ số bề mặt tiện thô. Hệ số an toàn tổng hợp $S > [s] = 2,0$, trục đạt độ bền mỏi và độ bền tĩnh.

Chương 7: Lựa chọn kết cấu vỏ hộp và các chi tiết phụ

Chương 7 đưa ra các kích thước kết cấu của vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám:

  • Chiều dày thân hộp $\delta$ và nắp hộp $\delta_1$ được xác định theo kích thước chiều dài tâm côn và đường kính bánh răng.
  • Xác định các đường kính bu-lông: bu-lông nền, bu-lông nắp ổ, bu-lông ghép bích thân và nắp.
  • Kết cấu các chi tiết phụ trợ: Bu-lông vòng phục vụ nâng hạ và vận chuyển hộp giảm tốc; chốt định vị hình côn đảm bảo độ đồng tâm chính xác giữa thân và nắp hộp sau khi gia công và tháo lắp; que thăm dầu (hoặc mắt thăm dầu) để kiểm tra mức dầu bôi trơn định kỳ; nút thông hơi gắn trên nắp hộp để cân bằng áp suất bên trong khi dầu nóng lên; nút tháo dầu ở đáy hộp để xả dầu cặn khi thay thế.

Chương 8: Quy định dung sai lắp ghép và phương pháp bôi trơn

  • Quy định dung sai lắp ghép:
    • Mối lắp vòng trong ổ lăn lên trục: Chọn kiểu lắp trung gian có độ dôi nhẹ theo hệ thống lỗ cơ bản (dung sai trục $k6$ hoặc $m6$).
    • Mối lắp vòng ngoài ổ lăn vào vỏ hộp: Chọn kiểu lắp lỏng theo hệ thống trục cơ bản (dung sai lỗ $H7$ hoặc $J_s7$).
    • Mối lắp bánh răng côn và bánh đai lên trục: Lắp then với dung sai bề rộng then $h9/Js9$ hoặc $P9$ đảm bảo tính công nghệ và khả năng truyền lực dập an toàn.
  • Chế độ bôi trơn:
    • Bộ truyền bánh răng côn trong hộp kín được bôi trơn bằng phương pháp ngâm dầu (mức dầu ngập chiều cao chân răng bánh lớn khoảng 1 đến 2 lần chiều cao răng).
    • Ổ lăn được bôi trơn bằng mỡ chuyên dụng hoặc bôi trơn bằng dầu vung té có bố trí vòng chắn dầu và rãnh dẫn dầu.

Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật tổng hợp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ chuỗi tính toán từ động học, động lực học đến thiết kế kết cấu chi tiết cho hệ dẫn động băng tải. Các thông số kỹ thuật then chốt được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục / Cụm chi tiết Thông số kỹ thuật chính Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn Đơn vị
Động cơ điện Kiểu động cơ 4A100S4Y3 -
Công suất định mức / Tốc độ quay $3,0$ / $1420$ kW / v/ph
Bộ truyền đai ngoài Loại đai / Số dây đai ($z$) Đai thang loại A / $2$ dây
Đường kính bánh đai nhỏ / lớn ($d_1 / d_2$) $140$ / $280$ mm
Chiều dài đai ($L$) / Khoảng cách trục ($a$) $1320$ / $322,54$ mm
Tỉ số truyền thực tế ($u_{\text{tt}}$) $2,04$ -
Bộ truyền bánh răng côn Chiều dài côn ngoài ($R_e$) / Chiều rộng vành ($b$) $111,5$ / $27,88$ mm
Môđun vòng ngoài ($m_{\text{te}}$) $2,5$ mm
Số răng bánh dẫn / bị dẫn ($Z_1 / Z_2$) $30$ / $84$ răng
Tỉ số truyền thực tế ($u_t$) $2,80$ -
Ứng suất tiếp xúc tính toán / cho phép $438,93$ / $481,82$ MPa
Ứng suất uốn tính toán bánh 1 / bánh 2 $43,88$ / $47,50$ MPa
Cụm Trục 1 Vật liệu chế tạo trục / Giới hạn bền $\sigma_b$ Thép C45 / $600$ MPa
Đường kính ngỗng trục lắp ổ / bánh răng $25$ / $20$ mm
Ký hiệu ổ đũa côn đỡ chặn 7506 ($d=25, D=52, B=15$) -
Kích thước then bằng lắp bánh đai / bánh răng $6 \times 6 \times 22$ mm
Cụm Trục 2 Vật liệu chế tạo trục / Giới hạn bền $\sigma_b$ Thép CT5 / $500$ MPa
Đường kính ngỗng trục lắp khớp nối / ổ / bánh răng $25$ / $30$ mm
Kích thước then bằng lắp khớp nối $8 \times 7 \times 44$ mm
Kích thước then bằng lắp bánh răng $10 \times 8 \times 30$ mm
Nối trục đàn hồi Mômen xoắn lớn nhất truyền được ($T_{\max}$) $125$ N.m
Số lượng chốt / Đường kính chốt ($Z / d_c$) $4$ / $14$ chốt / mm

Hạn chế và phạm vi ứng dụng của đồ án

  • Hạn chế kỹ thuật trong nội dung đồ án:

    • Tính toán cơ học dựa trên phương pháp giải tích truyền thống theo các công thức thực nghiệm trong sổ tay thiết kế, chưa áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng sự phân bố ứng suất và biến dạng đàn hồi thực tế của vỏ hộp hoặc trục dưới tải trọng phức tạp.
    • Giả định chế độ tải trọng làm việc là tải tĩnh hoặc va đập nhẹ một chiều ổn định; chưa xét đến hiện tượng dao động xoắn cộng hưởng hoặc hiện tượng mỏi do tải trọng biến thiên ngẫu nhiên trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
    • Đồ án chỉ dừng lại ở bước tính toán thiết kế tĩnh học, động lực học và chọn kết cấu quy chuẩn, chưa đi sâu vào việc phân tích bài toán truyền nhiệt và cân bằng nhiệt chi tiết của dầu bôi trơn trong vỏ hộp khi làm việc liên tục ở nhiệt độ môi trường cao.

  • Phạm vi ứng dụng:

    • Kết quả tính toán phù hợp cho các hệ thống băng tải tải trọng nhẹ và trung bình trong các xưởng đóng gói, nhà máy chế biến nông sản, vận chuyển bao kiện với công suất động cơ dưới $3\text{ kW}$.

Giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Ô tô: Là tài liệu mẫu hoàn chỉnh về phương pháp luận và trình tự thực hiện Đồ án Chi tiết máy và Đồ án Thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
  • Kỹ sư thiết kế máy công nghiệp: Tham khảo chuỗi quy trình tra cứu bảng biểu tiêu chuẩn, quy chuẩn kích thước hình học bộ truyền bánh răng côn răng thẳng và các bước kiểm nghiệm độ bền mỏi trục theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và ISO.
  • Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
    • Phương pháp phân phối tỉ số truyền và lập bảng tổng hợp động học chính xác trên từng trục truyền.
    • Quy trình tính toán kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc, độ bền uốn và kiểm nghiệm quá tải cho bộ truyền bánh răng côn răng thẳng có dịch chỉnh ($x_1 = +0,29, x_2 = -0,29$).
    • Phương pháp giải phóng liên kết không gian, tính phản lực gối đỡ và kiểm nghiệm mỏi trục theo hệ số an toàn $S$ kết hợp kiểm nghiệm khả năng tải động/tĩnh của ổ đũa côn.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện được lựa chọn trong đồ án là loại nào và có các thông số kỹ thuật định mức ra sao?
Động cơ điện được chọn là loại động cơ 4A100S4Y3 của Nhà máy Điện cơ Hà Nội, có công suất định mức $P_{\text{đc}} = 3,0\text{ kW}$, tốc độ quay danh định $n_{\text{đc}} = 1420\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,83$, hiệu suất $\eta = 82%$, đường kính trục động cơ $d_{\text{đc}} = 28\text{ mm}$, khối lượng $36\text{ kg}$, tỉ số mômen mở máy $T_k / T_{\text{dn}} = 2,0$ và mômen cực đại $T_{\max} / T_{\text{dn}} = 2,2$.

2. Bộ truyền đai thang ngoài hộp giảm tốc sử dụng loại đai gì và có các thông số cơ bản nào?
Bộ truyền sử dụng 02 dây đai thang tiết diện loại A ($b_0 = 13\text{ mm}, b_p = 11\text{ mm}, h = 8\text{ mm}, A = 81\text{ mm}^2$). Đường kính bánh đai nhỏ $d_1 = 140\text{ mm}$, bánh đai lớn $d_2 = 280\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 322,54\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 1320\text{ mm}$, góc ôm bánh đai nhỏ $\alpha_1 = 155,26^\circ$ ($2,71\text{ rad}$), lực căng ban đầu mỗi đai $F_0 = 127,44\text{ N}$ và lực tác dụng lên trục $F_đ = 497,93\text{ N}$.

3. Cặp bánh răng côn răng thẳng có các thông số ăn khớp và chỉ tiêu độ bền tiếp xúc như thế nào?
Cặp bánh răng có chiều dài côn ngoài $R_e = 111,5\text{ mm}$, môđun pháp ngoài $m_{\text{te}} = 2,5\text{ mm}$, góc côn chia $\delta_1 = 19,65^\circ, \delta_2 = 70,35^\circ$, số răng $Z_1 = 30, Z_2 = 84$ cho tỉ số truyền thực tế $u_t = 2,8$. Ứng suất tiếp xúc tính toán đạt $\sigma_H = 438,93\text{ MPa}$, nhỏ hơn ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 481,82\text{ MPa}$ (độ bền dư an toàn đạt 8,9%).

4. Ổ lăn trên Trục 1 được lựa chọn là loại ổ nào và kết quả kiểm nghiệm tải trọng ra sao?
Trục 1 sử dụng 02 ổ đũa côn một dãy cỡ nhẹ có ký hiệu tiêu chuẩn 7506 với các kích thước $d = 25\text{ mm}, D = 52\text{ mm}, B = 15\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 23,90\text{ kN}$ và tải tĩnh $C_0 = 17,90\text{ kN}$. Tải trọng tĩnh tương đương lớn nhất tác dụng lên ổ là $Q_t = 1418,35\text{ N} < C_0 = 17,90\text{ kN}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối về khả năng tải động và tải tĩnh.

5. Vật liệu chế tạo các trục và bánh răng trong hệ thống được quy định như thế nào?
Cặp bánh răng côn được chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện (bánh nhỏ đạt độ rắn $245\text{ HB}$, bánh lớn đạt $230\text{ HB}$). Cụm Trục 1 sử dụng thép C45 có giới hạn bền kéo $\sigma_b = 600\text{ MPa}$; cụm Trục 2 sử dụng thép CT5 có giới hạn bền kéo $\sigma_b = 500\text{ MPa}$ và ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$.

Kết luận

Bản đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ dẫn động băng tải công suất $2,75\text{ kW}$ gồm bộ truyền đai thang và hộp giảm tốc bánh răng côn răng thẳng một cấp. Toàn bộ các thông số động học, kích thước hình học của bộ truyền đai, cặp bánh răng côn, then bằng, trục và ổ đũa côn đều được tính toán nhất quán, thỏa mãn đầy đủ các điều kiện bền tiếp xúc, độ bền uốn, độ bền mỏi và độ bền tĩnh theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Đây là tài liệu thuyết minh cơ khí tiêu chuẩn, cung cấp đầy đủ luận cứ khoa học, số liệu tra cứu và phương pháp giải tích tin cậy cho công tác học tập và thiết kế máy thực tế.