Tính toán và thiết kế các chi tiết máy cho hộp giảm tốc

Luận Văn: Tính toán và thiết kế các chi tiết máy cho hộp giảm tốc

Lời nói đầu

Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí là nội dung không thể thiếu trong chơng trình đào tạo kỹ s cơ khí Đồ án môn học Chi tiết máy là môn học giúp cho sinh viên có thể hệ thống hoá lại các kiến thức của các môn học nh: Chi tiết máy, Sức bền vật liệu, Dung sai, Chế tạo phôi, Vẽ kỹ thuật đồng thời giúp sinh viên làm quen dần với công việc thiết kế và làm đồ án chuẩn bị cho việc thiết kế đồ án tốt nghiệp sau này

Nhiệm vụ đợc giao là thiết kế hệ dẫn động tời kéo gồm có hộp giảm tốc bánh răng

và bộ truyền xích Hệ đợc dẫn động bằng động cơ điện thông qua bộ truyền đai tớihộp giảm tốc sẽ truyền chuyển động tới tời kéo

Trong quá trình tính toán và thiết kế các chi tiết máy cho hộp giảm tốc em đã sửdụng và tra cứu các tài liệu sau:

 Tập 1 và 2 Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí của PGS.TS-Trịnh Chất và PGS.TS-Lê Văn Uyển

 Tập 1 và 2 chi tiết máy của GS.TS-Nguyễn Trọng Hiệp

 Dung sai và lắp ghép của GS.TS Ninh Đức Tốn

Do lần đầu tiên làm quen thiết kế với khối lợng kiến thức tổng hợp còn có nhữngmảng cha nắm vững cho nên dù đã rất cố gắng tham khảo các tài liệu và bài giảngcủa các môn có liên quan song bài làm của em không thể tránh đợc những sai sót

Em rất mong đợc sự hớng dẫn và chỉ bảo thêm của các thầy trong bộ môn để emcũng cố và hiểu sâu hơn , nắm vững hơn về những kiến thức đã học hỏi đợc

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn, đặc biệt là thầyNguyễn Hải Sơn đã trợc tiếp hớng dẫn, chỉ bảo cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ đợcgiao

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !

-@ -

Phần I:Chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền

I.1 Chọn động cơ

I.1.1.Xác định công suất cần thiết của động cơ

Công suất cần thiết trên xích tải là :

1000

67 , 0 5501 1000

.





v F

t

t T T

- hiệu suất hệ dẫn động

  k br2 ol4 x2

Tra bảng 2.3[1], ta đợc các hiệu suất:

k = 1 : hiệu suất khớp nối

br= 0,97 : hiệu suất của cặp bánh răng

ol=0,99 : hiệu suất của cặp ổ lăn

d=0,96 : hiệu suất của bộ truyền đai

=1.0,972.0,994.0,96=0,87 Công suất tơng đơng trên trục động cơ là:

Ptđđc=0,827 3 , 51

87 , 0

69 , 3

 (kw)I.1.2.Xác định tốc độ đồng bộ của động cơ

Theo bảng 2.4[1], chọn tỉ số của hộp giảm tốc khai triển bánh răng trụ 2 cấp

là uh  16, truyền động đai (bộ truyền ngoài) là ud=3 =>tỉ số truyền của toàn bộ hệthống là:

67 , 0 60000

60000

T T

Vậy động cơ K132M2 phù hợp với yêu cầu thiết kế.

Theo bảng phụ lục P1.4[1] có : ddc=32 (mm)

I.2 Phân Phối Tỷ Số Truyền

Tỉ số truyền của hệ dẫn động :

99 ,

67 65 , 42

 Ta chọn uhộp=22

Ta phân uh cho cấp nhanh và cấp chậm trong hộp giảm tốc theo 3 chỉ tiêu :khối lợng nhỏ nhất, mô men quán tính thu gọn nhỏ nhất và thể tích các bánh lớnnhúng trong dầu nhỏ nhất

Dựa vào bảng 3.1 chọn tỉ số truyền cho hộp nh sau :

99 , 67



Kết luận : uh = 22 ; u1 = 6,48; u2 =3,39 ; ux =3,09

 Xác định công xuất, momen và số vòng quay trên các trục.

Tính công suất, mô men, số vòng quay trên các trục (I, II, III ) của hệ dẫn

72 , 3

88 , 3

04 , 4

72 , 42

72 , 3

4

35 , 13988 2900

25 , 4 10 55 , 9

10 55 ,

Phần II : Tính toán thiết kế các bộ truyền

A Tính Bộ Truyền Bánh Răng Trong Hộp Giảm Tốc

I Tính toán bộ truyền cấp nhanh (bánh trụ răng nghiêng).

1.Chọn vật liệu.

Theo bảng 6.1[1] chọn:

Bánh nhỏ : Thép 45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB 241  285 có:

b1 = 850 MPa ;ch1 = 580 MPa Chọn HB1 = 245

Bánh lớn : Thép 45, tôi cải thiện đạt đọ rắn HB 192 240 có:

mH: Bậc của đờng cong mỏi khi thử về tiếp xúc,với mH = 6

NHO: Số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc

3 3

3 3

1 560

 ; [H]2= 482MPa

1 , 1

1 530



6

Vì bộ truyền là bộ truyền bánh trụ răng nghiêng nên theo 6.12[1]:

Vậy ta chọn [H]max =1260 Mpa

- ứng suất uốn cho phép:

mF: Bậc của đờng cong mỏi khi thử về uốn, với mF = 6

NFO: Số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về uốn

NFO = 4.10 6vì vật liệu là thép 45,

NFE: Số chu kì thay đổi ứng suất tơng đơng

 m i ck

i i i

.

.

ba H

H

u

K T

Ka : hÖ sè phô thuéc vµo lo¹i r¨ng vµ vËt liÖu cÆp b¸nh r¨ng ;

Theo b¶ng 6.5[1],víi b¸nh r¨ng nghiªng Ka = 43

2 , 1 93 , 41085 3

5 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc.

Yêu cầu cần phải đảm bảo H  [H]

Theo 6.33[1]:

H = ZM ZH Z 2

1 1 12

1 1

.

) 1 (

2

w w

H

d u b

u K

Trong đó : - ZM : Hệ số xét đến ảnh hởng cơ tính vật liệu;

) cos(

2

tw



 =

2 20 , 35 0

sin

) 11 , 11 cos(

2

= 1,737

• Z : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng;

2

) 11 , 11 sin(

48

) sin(

Vận tốc vòng bánh dẫn : v1 = 2 , 103

60000

38 , 938 8 , 42 60000

. 1 1



 

 d w n

(m/s) Theo bảng 6.13[1] Chọn cấp chính xác 9,

160 103 , 2 73 002 , 0

o H

w w H Hv

K K T

d b K

 KH = 1,2 1,13 1,03 = 1,39

Thay các giá trị vừa tính đợc vào ct6.33[1] :

8 , 42 48 , 6 48

) 1 48 , 6 (

39 , 1 93 , 41085

= 451,28(MPa)Tính chính xác ứng suất tiếp xúc cho phép : [H] = [H] ZRZVKxH

Với v1 =2,096 (m/s ) < 5 (m/s)  ZV = 1 Cấp chính xác động học là 9, chọnmức chính xác tiếp xúc là 8 Khi đó cần gia công đạt độ nhám là Ra  1,25 0,63

m Do đó ZR = 0,95, với da< 700(mm) ; KxH = 1

[H] = 495,45.1.0,95.1 = 470,68 MPa

Nh vậy, H  [H]  Răng thoả mãn về độ bền tiếp xúc

6.Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn.

160 096 , 2 73 006 , 0

o F

[F1] = 252.1.1,004.1= 252,919 MPa

[F2] = 236,6.1.1,004.1=237,43 MPa

F1, F2 đều nhỏ hơn các giá trị cho phép, vậy độ bền uốn của răng đảm bảo

7 Kiểm nghiệm răng về quá tải

Để tránh biến dạng d hoặc gẫy giòn lớp bề mặt, ứng suất cực đại không đợc vợtquá một giá trị cho phép

Hệ số quá tải: Kqt=Tmax/T1=1,3

Theo 6.48[1] :

12

Hmax= H K qt = 451,28 1 , 3= 514,54 MPa < [H]]max= 1260 MPa;

F1max=F1Kqt= 90,11.1,3 = 117, 15 MPa < [F1]max= 464 MPa;

F2max = F2Kqt = 81,1.1,3 = 105,43 MPa < [F2]max = 360 MPa;

Vậy răng đủ độ bền về quá tải

II.Tính toán bộ truyền cấp chậm (bánh trụ răng nghiêng).

mH: Bậc của đờng cong mỏi khi thử về tiếp xúc,với mH = 6

NHO: Số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc

3 3

3 3

560

 ; [H]4= 481 , 8MPa

1 , 1

1 530

Vậy ta chọn [H]max =1260 Mpa

- ứng suất uốn cho phép:

mF: Bậc của đờng cong mỏi khi thử về uốn, với mF = 6

NFO: Số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về uốn

14

NFO = 4.10 6vì vật liệu là thép 45,

NEE: Số chu kì thay đổi ứng suất tơng đơng

m i i i

2

.

.

ba H

H

u

K T

Ka : hệ số phụ thuộc vào loại răng và vật liệu cặp bánh răng ;

Theo bảng 6.5[1],với bánh răng nghiêng Ka =43

Thay số ta định đợc khoảng cách trục :

aw23= 43.(3,39 +1) 176 , 82

4 , 0 39 , 3 4 , 495

07 , 1 27 , 255667 3

2 3

.

) 1 (

2

w w

H

d u b

u K

Trong đó : - ZM : Hệ số xét đến ảnh hởng cơ tính vật liệu;

cos 2

tw



 =

2 20 , 31 0sin

985 , 0 2

= 1,74(Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc)

Theo 6.37[1], εβ=bwsinβ/(πm)=72.sin(10,48)/( π.3)=1,39 >1

Do đó theo 6.38[1] :

. 3 3



 

 d w n

(m/s) Theo bảng 6.13[1] Chọn cấp chính xác 9, tra bảng 6.16[1] chọn go= 73

Theo công thức 6.42 [1] :

37 , 3

180 184 , 0 73 002 , 0

o H

w w H Hv

K K T

d b K

 KH = 1,07.1,13.1 = 1,21

Thay các giá trị vừa tính đợc vào ct6.33[1] :

H = 274.1,74 0,768 72 3 , 37 82 , 37 2

) 1 37 , 3 (

21 , 1 25 , 255667

= 469,121 (MPa)Tính chính xác ứng suất tiếp xúc cho phép : [H] = [H] ZRZVKxH

Với v = 0,704 (m/s )  ZV = 1 (vì v < 5 m/s ) Cấp chính xác động học là 9,chọn mức chính xác tiếp xúc là 8 Khi đó cần gia công đạt độ nhám là

Ra = 2,5 1,25 m Do đó ZR = 0,95, với da< 700(mm)  KxH = 1

[H] = 495,41.0,95.1.1=471 MPa , H < [H]

Vậy thoả mãn điều kiện bền tiếp xúc

II.2.2.6.Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn.

Theo ct6.43,6.44[1] :

F3=2T3KFYF3YY/(bw34dw3m)  [F3]

F4=F3 YF4/ YF3

18

180 184 , 0 73 006 , 0

o F

[F3] = 252.1.1,003.1= 253 MPa

[F4] = 236,5.1.1,003.1=237 MPa

F3, F4 đều nhỏ hơn các giá trị cho phép, vậy độ bền uốn của răng đảm bảo

II.2.2.7 Kiểm nghiệm răng về quá tải

Để tránh biến dạng d hoặc gẫy giòn lớp bề mặt, ứng suất cực đại không đợc vợtquá một giá trị cho phép

Hệ số quá tải: Kqt=Tmax/T1=1,3

Theo 6.48[1] :

Hmax= H K qt = 469,131 1 , 3 = 535 MPa < [H]]max= 1260 MPa;

F3max=F3Kqt= 94,99.1,3 = 123,5 MPa < [F3]max= 464 MPa;

Vậy răng đủ độ bền về quá tải

II.2.2.8 Kiểm nghiệm điều kiện bôi trơn

Có dw2 =277,33 (mm) dw4 =277,63 (mm)

hệ số bôi trơn 1 , 001

33 , 277

63 , 277

d c

vậy 1≤ c ≤1,3 nên điều kiện bôi trơn đợc thỏa mãn

B Tính toán bộ truyền đai

- công suất tại trục chủ động P1đ= 4,25 kw

- số vòng quay của trục chủ động n1đ=nđc = 2900 v/ph

II Xác định các thông số của bộ truyền

. 1 1

Đờng kính đai lớn đợc xác định bởi công thức: d2 u.d1.1  

Trong đó:

- u là tỉ số chuyền của bộ chuyền đai  u = uđ = 3,1

-  là hệ số trợt đối với đai vải cao su thì  = 0,02

 d1 là đờng kính của bánh đai nhỏ sau khi chuẩn hoá

 d2 u.d1.1    3 , 1 160 1  0 , 02 487mm.

Theo dãy tiêu chuẩn ta sẽ chọn d2đ = 500 (mm) (Theo 4.26[1])

Nh vậy tỉ số truyền thực tế :

ut=d2/[d1(1-  )]=500/[160(1-0,02)]=3,189

Ta có : u= (u- ut)/u=(3,189-3,1)/3,1=2,7%

 u < 4% đây là giá trị vẫn đáp ứng đợc điều kiện bộ truyền đai làm việc bình thờng tức là bảo đợc tỉ số chuyền cần thiết Cho nên đờng kính d2 đã tính toán trên

đây đạt yêu cầu

III Xác định khoảng cách giữa hai trục bánh đai a và chiều dài của đai L.

Khoảng cách giữa hai trục bánh đai a đợc xác định theo công thức :

a(1,5…0,02)a2)(d1+d2)=990…0,02)a1320(mm) Từ đó chọn a=1000(mm)

Khi đó L xác định theo công thức sau:

a

d d d

d a L

4

) (

2

) (

2

2 1 2 2

) 160 500 (

14 , 3 2

) 500 160 (

14 , 3 1000 2

Theo bảng 4.13 chọn chiều dài đai tiêu chuẩn L=3150

Nghiệm lại số lần uốn của đai trong 1s Theo 4.15 i=v/L=24,295/3,124= 7,7 lần/s

Ta tính lại khoảng cách trục :

Góc ôm 1 trên bánh nhỏ đợc xác định bởi công thức sau:

 1 =  

a

d d 57

1800  0 2  1 . Thay các giá trị của d1 và d2 vào công thức trên đây ta có:

Nhận thấy rằng 1 = 1610 > 1500 thỏa mãn yêu cầu về góc ôm đai

Theo 4.9[1], Ft=1000P1đ/v=1000.4,25/24,295=174,84 N

Theo bảng 4.8[1], tỉ số (/d1)maxnên dùng là 1/40 (đai vải cao su )

Do đó =d1/40=160/40=4 mm.Theo bảng 4.1[1] dùng loại đai KH-65 không

có lớp lót,trị số  tiêu chuẩn là =4 mm (với số lớp là 4)

- ứng suất có ích cho phép,theo 4.10[1] :

Từ giá trị của b tra bảng 21.16[2] có giá trị của chiều rộng bánh đai B=40mm

22

0 0

1043

160 500 57





VI Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục:

 Theo 4.12[1], F0= 0.b =2.32.4=256 N

 Theo 4.13[1], Fr= 2F0sin(1/2)=2.256.sin(1610/2)= 505,28 N

 Vậy ta có các thông số của bộ truyền đai :

 Đờng kính bánh đai nhỏ : d1=160 mm

 Đờng kính bánh đai lớn : d2=500 mm

 Chiều rộng đai : b=32 mm

 Chiều rộng bánh đai : B=40 mm

 Chiều dài dây đai : L=3150 mm

 Khoảng cách trục : a=1043 mm

 Góc ôm bánh đai nhỏ : 1=1610

Phần III T ính toán thiết kế trục

Lực ăn khớp trên các bánh răng nh sau:

X21

Y30

X30Y31

Theo 16.1[2] ta cã m« men xo¾n tÝnh to¸n:

Chän vËt liÖu chÕ t¹o trôc lµ thÐp 45,t«i cã b= 600 MPa

øng suÊt xo¾n cho phÐp [] = 15 30 Mpa

0 

k k

93 , 41085

25 , 255667

5 , 832303

3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực.

Dựa vào đờng kính các trục ta chọn chiều rộng của các ổ theo bảng 10.2

(TTTKHTDĐCK.T1)

b01=15(mm) (bề dày các ổ lăn lắp trên trục 1)

b02=19(mm) (bề dày các ổ lăn lắp trên trục 2)

b03=23(mm) (bề dày các ổ lăn lắp trên trục 3)

Chiều dài mayơ đĩa xích , bánh răng , khớp nối:

Chiều dài mayơ đĩa xích lm33=90(mm)

Chiều dài mayơ bánh răng nhỏ lm13=40(mm)

Chiều dài mayơ bánh răng lớn lm22=60(mm)

Chiều dài mayơ bánh răng nhỏ lm23=60(mm)

Chiều dài mayơ bánh răng lớn lm32=90(mm)

Chiều dài mayơ nửa khớp nối lm12=40(mm)

Các lực thành phần đợc biểu diễn trên sơ đồ trục nh trên.

a.Lực tác dụng lên trục từ khớp nối và bánh đai.

Frd= 505,28 (N)

12484 , 55 ( )

160

998764

2

2

93 , 41085

2

2

1

1 22

d T F

F

w t

5 Đờng kính và chiều dài các đoạn trục.

Trục 1.

Các lực tác dụng lên trục gồm có:

Ft13=1926(N) Fa13 = 344,5 (N) l13=57,5 l11=183 X10 , X11=?

Fr13=723,4 (N) Fk = 3121,14 (N) l12= 58,5 Y10 , Y11=? Xác định các phản lực tại các gối đỡ:

13 11

11 13

13

w a r

Suy ra X10 = 1316,58 (N) X11 = 603,21 (N)

Y10 = 125 (N) Y11 = 345,45 (N)

28

       0

2

2

.

.

21 21 23 23 22 22 2

w a w a r

r xo

d F d

F l Y l F l F

N X

23 , 4862

23 , 3271

21 20





N Y

N Y

77 , 855 43 , 757

21 20

Y20 X20 Y21

X30 Y31

X31

Ft32 Fa32

Ta cã: F x F t32 X30X31 F k  0 (1)

2

32 31

31 32

r xo

d Fa l

Y l F

N X

55 , 407

98 , 3493

N Y

2473 43 , 136

31

30

6 TÝnh chÝnh x¸c trôc

Trôc I

51423,77Mx

75703,16My

41085.93T1

32

M12 = 0; M11 = 0

M13 = M x M y 51423 , 77 2 75703 , 16 2 91517 , 06Nmm

13 2 13 2









- Mômen tơng đơng tại các tiết diện:

Theo ct 10.16 tính mômen tơng đơng tại các tiết diện trên trục :

2

1 2

0 

j td j

46 , 35581

3

12  

d 24 , 979mm

63 1 , 0

7 , 98190

3

13  

d 19 , 44mm

63 1 , 0

66 , 46257

Trôc II.

125,5 183

z

y x

Y20 X20 Y21

44336,89 279578,21

34

Mômen uốn tổng tại các tiết diện Theo ct 10.15 tính mômen uốn tổng tại các tiết diện trên trục :

2

2 2 2

M23 = M x M y 96477 , 9 2 279578 , 21 2 395383 , 3Nmm

23 2 23 2

- Mômen tơng đơng tại các tiết diện:

Theo ct 10.16 tính mômen tơng đơng tại các tiết diện trên trục :

2

1 2

0 

j td j

1 , 453158

64 , 294425

Trôc III.

36

125,5 183

273,5 z

y

x

Y30

X30 Y31

X31

Fk

Ft32 Fa32

Fk=3121,14

Ft32=6207,56 Fa32=1147,74 Fr32=2336,6 159321,43

282463

M«men uèn tæng t¹i c¸c tiÕt diÖn Theo ct 10.15 tÝnh m«men uèn tæng t¹i c¸c tiÕt diÖn trªn trôc :

2

1 2 1

- Mômen tơng đơng tại các tiết diện:

Theo ct 10.16 tính mômen tơng đơng tại các tiết diện trên trục :

2

1 2

0 

j td j

98 , 720795

3

33  

d 51 , 46mm

63 1 , 0 48 , 585607

3

32  

d 49 , 72mm

63 1 , 0

48 , 774165

III.3 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi

III.3.1 Kiểm nghiệm trục I

38

• Kết cấu trục I đảm bảo độ bền mõi cần phải thoả mãn điều kiện sau:

 s s s s s

s j  j. j/ 2j 2j 

Trong đó: [s] –hệ số tải trọng hệ số an toàn cho phép, [s] = 1,5 2,5

khi cần tăng độ cứng thì [s] = 2,5 3

Sj : Hệ số an toàn tính tại tiết diện j

sj , sj - hệ số an toàn chỉ xét riêng cho trờng hợp ứng suất pháp hoặc ứngsuất tiếp xúc tại tiết diện j, đợc tính theo công thức sau đây:

Do đó: mj = 0; aj = maxj =

j

j

W M

Trục quay 1 chiều ứng suất xoắn thau đổi theo chu kì mạch động

12

2 1 12 1 12 3

18 2

5 , 3 18 5 , 3 6 32

18 14 , 3

2

.

t d t b d

    3

2 3

12

2 1 12 1 12 3

18 2

3 18 3 5 16

18 14 , 3

2

.

t d t b d

13

2 1 13 1 13 3

25 2

4 25 4 8 32

25 14 , 3

2

.

t d t b d

2 3

13

2 1 13 1 13 3

25 2

4 25 4 8 16

25 14 , 3

2

.

t d t b d

- TÝnh c¸c øng suÊt

MPa W

M

17 , 259

0

12

12 12 max



MPa W



MPa W

T o a

590 2

16828

2 12

12 12



MPa W

T o a

4938 2

16828

2 13

13 13

• Tra b¶ng 10.10[1]

12 = 0,92 12 = 0,89

40