Cơ sở thiết kế máy và thiết kế máy chi tiết máy phần 2 lê văn uyển

Có thể đưa ra một số nhóm máy công tác sau đây làm ví dụ minh họa: Nhóm I bao gồm các máy có công suất công tác không đổi hay thay đổi không đáng kể còn vận tốc của cơ cấu chấp hành CCC

LÊ VĂN UYỂN

PHẦN THỨ HAI THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY

Hà nội tháng 9-2015

MỤC LỤC PHẦN II THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY

Chương 13 SƠ ĐỒ HỆ DẪN ĐỘNG MÁY VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

13.1 Khái niệm chung về máy công tác và sơ đồ bố trí hệ dẫn động máy 1

13.2 Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền trong sơ đồ dẫn động 8

Chương 14 THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY VÀ BỘ PHẬN MÁY 14.1 Dữ liệu và các yêu cầu khi thiết kế các chi tiết máy 23

14.2 Thứ tự tính toán thiết kế các chi tiết trong hệ dẫn động 23

14.3 Tự động hóa thiết kế các chi tiết truyền động 52

Chương 15 THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT VÀ BỘ PHẬN MÁY 15.1 Kết cấu các chi tiết truyền động 54

15.2 Kết cấu trục và các phương pháp cố định chi tiết trên trục 70

15.3 Kết cấu bộ phận ổ, bôi trơn và che kín 79

15.4 Kết cấu các chi tiết khác 90

15.5 Bôi trơn các chi tiết trong hộp giảm tốc 102

15.6 Lắp ráp, kiểm tra và điều chỉnh ăn khớp 105

15.7 Bản vẽ lắp Hộp giảm tốc 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

1

Chương 13

SƠ ĐỒ HỆ DẪN ĐỘNG MÁY và TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

13.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY CÔNG TÁC

VÀ SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ DẪN ĐỘNG MÁY

Thực tế các máy công tác rất đa dạng về chủng loại và tính năng sử dụng Tải trọng và vận tốc có thể không đổi hay thay đổi trong quá trình vận hành Có thể đưa ra một số nhóm máy công tác sau đây làm ví dụ minh họa:

Nhóm I bao gồm các máy có công suất công tác không đổi hay thay đổi

không đáng kể còn vận tốc của cơ cấu chấp hành (CCCH) là không thay đổi trong quá trình vận hành: Các loại băng tải; xích tải; lò quay…

Nhóm II bao gồm các máy có công suất làm việc với tải trọng thay đổi

nhưng vận tốc không thay đổi, bao gồm các cơ cấu trong máy nâng hạ như cầu trục, cầu lăn, thang máy

Nhóm III bao gồm các máy công tác có công suất và vận tốc công tác thay

đổi như các máy gia công kim loại (Các máy cắt gọt vạn năng: máy tiện, máy phay; máy mài… hoặc các máy CNC), các loại ô tô; máy kéo…

Hình 13.1 là một sơ đồ hệ dẫn động (HDĐ) của máy vận chuyển liên tục,

ở đây dùng động cơ điện nối với HGT trục vít bằng khớp nối; Đầu ra HGT được lắp đĩa xích dẫn còn đĩa bị dẫn lắp trên trục tang và trên trục tang được lắp tang đường kính D(mm) và băng tải chuyển động với vận tốc v(m/s) Nhìn chung HDĐ của một máy công tác bao gồm các bộ phận chính sau đây:

- Nguồn động lực: Động cơ điện có tốc độ không đổi hay thay đổi; Động cơ đốt trong hoặc turbin khí…

- TĐCS bao gồm các bộ truyền ngoài: bộ truyền đai; bộ truyền xích hoặc truyền động bánh răng để hở hay truyền động bánh ma sát; một HGT một hay nhiều cấp hoặc hộp số

- Khớp nối dùng để nối giữa các đầu trục lại với nhau

Ngoài ra có thể bố trí thêm một số bộ phận khác tùy yêu cầu sử dụng như phanh, cơ cấu an toàn…

2

Tùy thuộc vào loại máy công tác mà hệ thống dẫn động máy (HDĐ) cần

có những yêu cầu khác nhau Việc lựa chọn sơ đồ bố trí HDĐ là một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế máy Tùy thuộc vào yêu cầu của CCCH; không gian bố trí…mà người thiết kế đưa ra sơ đồ HDĐ hợp lý Việc thiết kế máy công tác chính là thiết kế HDĐ, bao gồm chọn nguồn động lực (chọn động cơ) và thiết kế hoăc chọn (mua) truyền động công suất (TĐCS) hoặc HGT

Phần II cuốn tài liệu sẽ trình bày phương pháp tính toán thiết kế HDĐ máy, bao gồm lựa chọn sơ đồ HDĐ; chọn động cơ điện; thiết kế các chi tiết

và bộ phận khác; tính toán thiết kế kết cấu các chi tiết trong HGT

Do khuôn khổ có hạn nên cuốn tài liệu này chỉ trình bày tính toán thiết

kế HDĐ các máy công tác có vận tốc không thay đổi và có công suất (lực kéo) ở bộ phận công tác là không đổi hoặc thay đổi theo chế độ ổn định Thiết kế các chi tiết truyền động được trình bày dưới hai dạng cơ bản:

- Thiết kế các chi tiết truyền động theo phương pháp thông thường

Hình 13.1 Sơ đồ dẫn động máy công tác (băng tải)

Với dãy động cơ không đồng bộ 3K- 4K có chung ưu điểm là hiệu suất cao, mô men mở máy khỏe và độ rung thấp Kích thước và dãy công suất phù hợp với dãy tiêu chuẩn IEC Động cơ dùng để dẫn động cho các thiết bị như máy cắt gọt kim loại, máy nghiền, máy trộn, băng tải…

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại động cơ do nhiều công ty chế tạo Bảng PL 13.1&2 giới thiệu thông số kỹ thuật động cơ điện Việt Hung để bạn đọc tham khảo khi chọn động cơ điện cho HDĐ

13.1.2 Hộp giảm tốc

HGT là một tổ hợp hình thành từ các bộ truyền bánh răng hay trục vít được bố trí theo một sơ đồ, có tỷ số truyền không đổi (u > 1), dùng để giảm tốc độ đồng thời tăng mô men xoắn của trục ra Một loại cơ cấu tương tự nhưng dùng để tăng tốc (u < 1) gọi là Hộp tăng tốc

Tùy thuộc vào số cấp, loại bộ truyền bố trí và sơ đồ bố trí mà HGT được chia thành các loại sau đây:

- HGT một cấp: HGT bánh răng trụ (hình 13.2a); HGT bánh răng côn

(hình 13.3a,b&c); HGT trục vít (hình 13.4a,b&c)

- HGT hai cấp: HGT bánh răng trụ khai triển (hình 13.2b); Khai triển

phân đôi (hình 13.2c); hay HGT đồng trục (hình 13.d); HGT côn – trụ (hình 13.3d&e); HGT Bánh răng - trục vít (hình 13.4d) hay Trục vít - bánh răng (hình 13.4e) và trục vít hai cấp (hình 13.4g)

- HGT ba cấp: HGT côn – Trụ 3 cấp; HGT bánh răng trụ 3 cấp…

Ngoài cách phân loại trên, tùy thuộc vào yêu cầu mà vị trí đầu vào và đầu ra các trục có thể được bố trí khác nhau Có loại HGT có hai đầu vào (một đầu để nối với động cơ qua khớp nối, đầu kia để dự phòng hay để nối với một thiết bị an toàn) hoặc hai đầu ra (một dẫn động kéo hai bộ phận công tác) (hình 13.3c); hoặc tâm trục vào và ra nằm trên mặt phẳng song song với đáy hộp hay nghiêng góc hoặc ví trí đường tâm trục vào có thể nằm ngang phía dưới, phía trên hay thẳng đứng (hình 13.4a,b&c)

4

Tùy thuộc vào yêu cầu kích thước, làm việc…mà các bộ truyền có thể là răng thẳng hay răng nghiêng Việc lựa chọn phương án loại HGT và bố trí vị trí các bộ truyền trong và ngoài, cũng như loại bộ truyền tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể

Ngoài các HGT trên còn có HGT bánh răng sóng hay HGT hành tinh HGT bánh răng chốt và Động cơ HGT (động cơ gắn liền HGT)

Bảng 13.1 cho phạm vi tỷ số truyền nên dùng của bộ truyền đai, xích và HGT bánh răng

Bảng 13.1 Tỷ số truyền nên dùng cho bộ truyền và HGT

Loại truyền động Tỷ số truyền Truyền động đai

13.1.2.1 Hộp giảm tốc bánh răng trụ

HGT bánh răng trụ gồm các loại sau đây:

HGT bánh răng trụ một cấp (hình 13.2a) dùng khi tỷ số truyền không

lớn, thường uh < 7 nếu là bánh trụ răng nghiêng, còn nếu sử dụng bánh trụ răng thẳng thì uh 5 Do các bánh răng bố trí đối xứng so với gối đỡ trục nên khi thiết kế nên chọn a lớn (a  0,4…0,5 )

HGT bánh răng trụ 2 cấp thường dùng khi tỷ số truyền uh = 10…40, có thể bố trí theo các sơ đồ khác nhau:

- HGT khai triển (hình 13.2b) Loại này có kết cấu đơn giản nhưng do bánh răng phân bố không đối xứng so với gối đỡ trục nên làm cho sự phân

bố không đều của tải trọng tăng lên Để khắc phục cần tăng độ cứng trục, tăng độ chính xác chế tạo và giảm chiều rộng vành răng (chọn a nhỏ)

5

- HGT khai triển phân đôi (hình 13.2c) Có thể phân đôi ở cấp nhanh hay

ở cấp chậm Do sử dụng cặp bánh răng phân đôi nên dòng công suất được chia đôi vì vậy kích thước trục có lắp bánh răng phân đôi sẽ nhỏ hơn Mặt khác có thể sử dụng cặp bánh răng chữ V (hai bánh răng nghiêng có hướng răng ngược nh au với góc nghiêng  lớn (thường  = 30o…40o)) Vì vậy khi thiết kế loại HGT này cần lưu ý:

+ Có thể sử dụng bánh răng có chiều rộng vành răng lớn (chọn a lớn) + Một trên các trục có lắp bánh răng phân đôi cần lắp ổ tùy động

- HGT đồng trục (hình 13.2e), loại HGT này có đặc điểm là đường tâm trục vào và ra nằm trên một đường thẳng và vì vậy kích thước hộp giảm theo chiều dài và tăng theo chiều rộng Do có một ổ trục nằm bên trong hộp

x x

n 1

e)

n 1 x

x

x x x x

x

x x

x x

HGT bánh răng trụ được sử dụng nhiều hơn so với các loại HGT khác

do có nhiều ưu điểm như chế tạo lắp ghép đơn giản; hiệu suất truyền động cao

13.1.2.2 Hộp giảm tốc bánh răng côn và HGT côn trụ hai cấp

HGT bánh răng côn được dùng khi cần truyền chuyển động và mô men giữa các trục giao nhau và thường là 90o

- HGT côn trụ 3 cấp chỉ dùng khi uh = 25…75

Trong các HGT có bánh răng côn thì bánh răng côn thường bố trí ở cấp nhanh còn cấp chậm sử dụng bánh trụ răng răng thẳng hay răng nghiêng Hướng răng cần chọn sao cho có lợi nhất về lực tác dụng lên ổ Với HGT bánh răng côn trụ ba cấp có thể bố trị cấp chậm theo sơ đồ dạng khai triển hay khai triển phân đôi

HGT bánh răng côn thường có giá thành cao hơn do chế tạo bánh răng côn phức tạp hơn so với bánh răng trụ; Mặt khác, do lắp ráp và điều chỉnh phức tạp hơn ( yêu cao về sự trùng đỉnh của các mặt côn lăn vì vậy yêu cầu độ chính xác chế tạo và lắp ghép cao hơn) Trong truyền động bánh răng côn, để tăng độ cứng

và tải phân bố đều hơn trên đường tiếp xúc, trục bánh răng côn nhỏ nên trí theo các sơ đồ như hình 13.3c

MÆt ph©n

c¸ch

MÆt ph©n c¸ch MÆt ph©n

c¸ch

8

- HGT trục vít một cấp thường dùng khi tỷ số truyền uh = 14…30 Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng mà vị trí của trục vít có thể bố trí theo các sơ đồ khác nhau (hình 13.4a,b&c)

- HGT bánh răng- trục vít hoặc trục vít - trục vít khi cần tỷ số truyền

13.2 CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ PHÂN PHỐI TỶ SỐ TRUYỀN TRONG SƠ ĐỒ DẪN ĐỘNG MÁY

Một hệ dẫn động máy thường bao gồm các bộ phận như Động cơ điện;

Khớp nối hoặc Khớp nối kết hợp phanh; Bộ truyền ngoài (bộ truyền xích;

bộ truyền đai hay bộ truyền bánh răng để hở) và Hộp giảm tốc được bố trí

theo một trình tự sao cho có lợi nhất về kích thước khuôn khổ, giá thành, an toàn và thuận tiện trong quá trình vận hành cũng như sửa chữa nhằm thỏa mãn các yêu cầu của thiết kế Máy công tác được coi là hợp lý khi và chỉ khi

sơ đồ dẫn động máy là hợp lý Thực tế có thể gặp một trong hai trường hợp sau đây khi thiết kế các máy công tác:

- Thiết kế máy công tác khi đã biết trước sơ đồ hệ dẫn động

- Thiết kế máy công tác xuất phát từ việc chọn sơ đồ dẫn động máy Trong cả hai trường hợp trên đều phải chọn được động cơ điện và tiến hành xác định được tỷ số truyền của các bộ truyền trong HDĐ Trên cơ sở

đó xác định được các thông số kỹ thuật cần thiết để thiết kế các chi tiết cũng như bộ phận máy (ví dụ muốn thiêt kế bánh răng, ngoài các yêu cầu như kích thước, tiếng ồn, thời gian sử dụng thì người thiết kế cần phải biết trước: công suất truyền P; tốc độ quay n (hoặc mô men T); hiệu suất  và tỷ

số truyền u của bộ truyền

13.2.1 Khi biết trước sơ đồ dẫn động máy công tác

Vì sơ đồ dẫn động máy đã được xác định trước (bao gồm loại bộ truyền ngoài; loại HGT và số cấp, cũng như vị trí bố trí) nên có thể tiến hành chọn động cơ điện như sau:

ng

c h

- Bộ truyền ngoài và tỷ số truyền ung

- Loại hộp giảm tốc và tỷ số truyền hộp uh

Ghi chú: vì cho trước sơ đồ dẫn động nên loại bộ truyền ngoài và HGT đã

được xác định nên bảng có dạng sau

10

13.2.2.2 Xác định công suất yêu cầu của động cơ

a) Khi cơ cấu chịu tải trọng ổn định hoặc thay đổi không đáng kể thì công suất yêu cầu đặt trên trục động cơ xác định theo công thức sau:

1

i 1

k

1

i

i 2

i

tđ

t

t.P

PP

tP

Trong các công thức trên:

v(m/s) là vận tốc của cơ cấu chấp hành

F(N) là lực kéo tác dụng trên cơ cấu

Pi là công suất tác dụng trong thời gian

tương ứng ti

P1 là công suất lớn nhất tác dụng lâu dài

nhất trong các công suất Pi

 là hiệu suất của HDĐ, bao gồm tổn

hao từ động cơ đến trục công tác xác định

i với i là hiệu suất của bộ

phận (hiệu suất bánh răng, hiệu suất ổ lăn…); j số bộ phận xuất hiện trong

- 0,95…0,97 0,99…0.995 0,98…0,99

0,93…0,95 0,92…0,94 0,2…0,3

0,70…0,88 0,95…0,96 0,90…0,93

13.2.2.3 Chọn động cơ điện

Dựa vào công suất yêu cầu và tốc độ đồng bộ sơ bộ đã xác định ở trên, tra bảng PL 13.1&2 để chọn qui cách động cơ thỏa mãn điều kiện sau: Động cơ điện được chọn có công suất động cơ Pđc và tốc độ đồng bộ nđb

theo điều kiện sau:

Tra bảng PL 13.1&2 xác định thông số và kích thước cơ bản của động

cơ điện như sau:

- Loại động cơ: (ký hiệu động cơ điện)

12

13.2.2.4 Phân phối tỷ số truyền trong HDĐ

a) Xác định chính xác tỷ số truyền chung theo công thức sau:

h ng ct

Tỷ số truyền uh

-

uh = uc /ung

Ghi chú: - Tỷ số truyền của các bộ phận nên nằm trong giới hạn (bảng 13.1)

- Nếu là HGT nhiều cấp thì tiến hành phân phối tỷ số truyền giữa các

cấp trong hộp với nhau

thường chọn z 1 = 2 (ví dụ hình 13.1)

13.2.2.5 Xác định thông s ố kỹ thuật trên các trục hộp giảm tốc

Để có dữ liệu thiết kế các chi tiết trong HDĐ và trong HGT, cần xác định các thông số kỹ thuật (P; n và T) trên các trục của HGT

Trong bảng 13.3, lần lượt ký hiệu các trục như sau:

ct II

PP





với ct-II là hiệu suất từ trục công tác về trục II

Tương tự tính được PI và Pyc (công suất yêu cầu trên trục động cơ)

- Khi xác định tốc độ quay của các trục lại xuất phát từ trục động cơ và tiến hành tính tốc độ các trục theo công thức sau:

- Khi đã biết được P và n ta có thể tính được mô men trên các truc theo công thức sau:

n

P10.55

,

9

14

Ví dụ 13.1 Xác định các thông số kỹ thuật cho sơ đồ hệ dẫn động băng tải bố trí

theo sơ đồ hình 13.6 Biết : Lực kéo trên một băng tải F = 2150N; Vận tốc di chuyển băng tải v = 1,1m/s; Đường kính tang D = 300mm và T k / T đm = 1,9

1 , 1 10 6 D

v 1000 60

v F

v

D

15

Từ kết quả tính ở trên trên cho thấy không nên dùng động cơ có n đb = 1500vg/ph vì khi đó tỷ số truyền của xích và HGT bánh răng côn đều rất lớn Như vậy chỉ còn hai phương án và chọn động cơ có tốc độ đồng bộ n đb = 1000vg/ph hợp lý hơn

c) Xác định công suất yêu cầu của động cơ

Do chế độ tải trọng không đổi và một HDĐ kéo hai băng tải nên công suất yêu cầu của động cơ xác định theo công thức (13.4a) có dạng như sau:

P , với Pct' là công suất trên một trục công tác (trục tang)

1000 ) 1 , 1 ).(

2150 (

2 1000 v F 2

 là hiệu suất chung của hệ tính theo công thức sau:

( 1 ).0 , 96.( 0 , 99 ) 3 0 , 96 0 , 885

x 3 ol br

73 , 4 P

Bước 2 Phân phối tỷ số truyền

- Tỷ số truyền chung của hệ: 13,702

06 , 70

960 n

n u

702 , 13 u

u u

x

c

(các tỷ số truyền xích và HGT đều nằm trong giới hạn nên dùng và u x < u br )

Bước 3 Xác định các thông số kỹ thuật trên các trục HGT

3.1 Công suất trên các trục

0,95

365 , 2 η

P

P

II ct

II



và Pyc 5 , 34 3.2 Vận tốc quay các trục

16

1

960 u

n

n

I đc

960 u

3.3 Mô men trên các trục

Mô men trên các trục tính theo công thức (13.6) , thay số liệu vào và ta có kết quả sau:

T 1 = 52087Nmm; T 2 = 105936Nmm; T ct = 322239Nmm

Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật trên các trục HGT cho trong bảng dưới đây:

Bảng 13.3a Thông số kỹ thuật trên các trục HGT

Trục

Thông số

Khớp U BR = 4,28 u x = 3,2 Công suất P(KW) P đc = 5,5

(P yc = 5,34)

2.2,618=

5,236

2,488 F.v/1000 = 2,365 Tốc độ quay

n(vg/ph)

Mô men T(N.mm) 53128 52087 105936 322239

13.2.2 Chọn động cơ khi chưa biết trước sơ đồ dẫn động máy

Vì có nhiêu chỉ tiêu và thông số ảnh hưởng khi lựa chọn sơ đồ dẫn động máy nên việc lựa chọn được một sơ đồ hợp lý là hết sức khó khăn vì vậy để

minh họa cho ý tưởng trên chúng ta sẽ xem xét quá trình chọn sơ đồ dẫn động máy thông qua một ví dụ sau đây:

Một cơ sở sản xuất cần vận chuyển nguyên liệu từ điểm A về nhà máy bằng hệ thống vận chuyển băng tải Năng suất vận chuyển Q(T/giờ), tương đương với lực kéo trên băng là F = 5200N; vận tốc di chuyển của băng tải là v=1,15m/s Tang có đường kính D=400mm Thời hạn sử dụng t=15000giờ Yêu cấu của cơ sở:

- Tận dụng một số trang thiết bị hiện có của nhà máy như động cơ điện

Cụ thể cơ sở còn một số động cơ điện như sau: động cơ chân đế tốc độ đồng

bộ là 750vg/ph và 1000vg/ph và công suất Pđc = (5,5; 7,5; 11 và 15KW) (xem thêm PL 13.1&2)

- Môi trường làm việc: độ ẩm bình thường; ít bụi và có hệ thống cấp tải

ổn định

- Hệ thống phải nhỏ gọn, làm việc êm và giá thành hợp lý

- HGT: loại hộp và tỷ số truyền của hộp

- Khớp nối: loại khớp Trong một số máy công tác khớp kết hợp phanh

Vì vậy để chọn được phương án dẫn động máy hợp lý, cần xác định một

số thông số ban đầu sau đây:

a) Tốc độ quay của trục công tác (trục tang) theo công thức (13.1):

D

v.1000.60

15,1.60000D

v.1000.60

b) Tính tỷ số truyền chung của hệ dẫn động

Tỷ số truyền chung xác định bằng công thức (13.2a):

ct

đb c

n

n

u 

c) Xác định tỷ số truyền bộ truyền ngoài và hộp giảm tốc

- Chọn sơ bộ loại và tỷ số truyền bộ truyền ngoài: ung

- Xác định tỷ số truyền hộp nhờ công thức (13.3):

ng

c h

Để tiện so sánh, bảng thống kê cần thể hiện được:

- Tốc độ đồng bộ của động cơ (trường hợp đang xét chỉ lấy nđb = 750vg/ph và nđb = 1000vg/ph)

- Có hay không có bộ truyền ngoài Trong trường hợp này nên dùng bộ truyền ngoài là Đai hoặc Xích

18

- Tỷ số truyền và loại hộp giảm tốc

Kết quả tính toán cho ví dụ trên được cho trong bảng sau đây

u ng = 3 Đai hoặc Xích

Tỷ số truyền: u h

Loại HGT có thể

dùng

u h = 4,55 HGT 1 cấp bánh răng trụ hoặc côn

u h = 6,06 HGT bánh răng trụ một cấp

u h = 18,2 HGT bánh răng hai cấp hoặc

HGT trục vít một cấp

Từ bảng kết quả tính toán và yêu cầu thiết kế ta có nhận xét sau:

- Nếu công suất truyền không lớn thì nên bố trí bộ truyền ngoài là bộ truyền đai thang hoặc bộ truyền xích Và trong ví dụ đang xét, do làm việc trong điều kiện độ ẩm bình thường; ít bụi và tải vào ổn định nên sử dụng bộ truyền đai thang sẽ cho giá thành và ít ồn so với dùng bộ truyền xích

- Nếu sử dụng bộ đai thang ở ngoài thì hợp lý nhất là dùng HGT bánh trụ răng nghiêng một cấp có góc nghiêng lớn (vì giá thành chế tạo và lắp đặt sẽ

rẻ hơn so với dùng HGT bánh răng côn)

- Nếu không dùng bộ truyền ngoài thì có thể dùng HGT bánh răng trụ hai cấp; HGT bánh răng côn - trụ hai cấp hoặc HGT trục vít một cấp Tuy nhiên trong trường hợp này không nên sử dụng phương án này

- Có thể dùng động cơ điện có nđb = 750vg/ph hoặc nđb = 1000vg/ph

Vậy ta có sơ đồ bố trí HDĐ như sau (hình 13.7)

19

2) Xác định các thông số kỹ thuật trên các trục

2.1) Chọn động cơ điện và phân phối tỷ số truyền

- Tốc độ đồng bộ của động cơ: cho trước hai loại động cơ có

nđb = 750vg/p và nđb = 1000vg/p

- Công suất yêu cầu của động cơ

Trong trường hợp đang xét, do lực kéo và vận tốc không thay đổi nên công suất trên trục công tác xác định theo (13.4a) như sau:

i với i là hiệu suất của bộ phận (hiệu suất bánh răng, hiệu suất

ổ lăn…); j số bộ phận xuất hiện trong hệ dẫn động (trong vi dụ trên thì

 = k h x ol (k là hiệu suất của khớp; h là hiệu suất của HGT:

20

Với Pyc = 6,64KW có thể dùng một trong hai loại động cơ sau đây để dẫn động máy:

3K180S8: Pđc = 7,5KW; nđc = 730vg/ph; d = 38mm; H = 180mm Hoặc 3K160M6: Pđc = 7,5KW; nđc = 960vg/ph; d = 32mm; H = 160mm

Dựa vào hai loại động cơ trên, tiến hành xác định chính xác tỷ số truyền chung uc (công thức 13.7) như sau:

ct

đc cn

n

u 

Chọn lại tỷ số truyền đai và tính lai uh

Kết qủa tính toán cụ thể về tỷ số truyền của bộ truyền đai và HGT tương ứng với tốc độ động cơ (trường hợp này như đã phân tích trên, nên dùng bộ truyền đai thang và HGT 1 cấp bánh trụ răng nghiêng) cho trong bảng sau:

nghiêng

HGT bánh trụ răng nghiêng

Từ bảng phụ lục về động cơ điện có thể thấy rằng nếu chọn động cơ có tốc độ lớn thì kích thước khuôn khổ, giá thành động cơ rẻ hơn nhưng tỷ số truyền chung của hệ dẫn động sẽ lớn hơn Mặt khác khi dùng động cơ có tốc

độ thấp thì mô men tác động trên các chi tiết sẽ tăng lên Vì vậy trường hợp này nên chọn động cơ điện có nđc = 960vg/ph

Vậy chọn động cơ 3K160M6 để dẫn động máy với các thông số kỹ

thuật cơ bản sau:

3K160M6: Pđc = 7,5KW; nđc = 960vg/ph; d = 32mm; H = 160mm

2.2) Xác định các thông số kỹ thuật trên các trục HGT

Theo sơ đồ hình 13.7, ta có kết quả tính toán các thông số kỹ thuật trên các trục HGT như sau.:

13.2.2.4 Phân phối tỷ số truyền trong HGT nhiều cấp

a) Xác định tỷ số truyền chung nhờ công thức (13.7)

b) Xác định tỷ số truyền HGT nhờ công thức (13.3) bằng cách chọn trước tỷ

số truyền bộ truyền ngoài

Cần lưu ý là ngoài tỷ số truyền chung (uc) có ảnh hưởng lớn kích thước

và giá thành của thiết bị thì tỷ số truyền của các bộ truyền ngoài và HGT cũng ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và giá thành của thiết bị Vì vậy việc phân phối tỷ số truyền chung cho bộ truyền ngoài và cho HGT đóng vai trò rất quan trọng Cho đến nay chưa có tài liệu nào đề cập đến vấn đề này, tuy nhiên có thể thấy được rằng trong cùng điều kiện như nhau thì kích thước của bộ truyền đai và xích đều lớn hơn nhiều so với bộ truyền bánh răng (ví dụ trong cùng điều kiện như nhau thì kích thước bộ truyền đai lớn hơn so với bánh răng khoảng 5 lần) Vì vậy khi phân phối tỷ số truyền nên đảm bảo điều kiện sau:

- Yêu cầu về công nghệ gia công chi tiết, đặc biệt là vỏ HGT

Trong tài liệu [4] trình bày tương đối tỷ mỉ việc phân phối tỷ số truyền các cấp trong HGT hai cấp Do khuôn khổ cuốn tài liệu nên chỉ quan tâm đến HGT một cấp vì vậy việc phân phối tỷ số của HGT hai cấp sẽ không trình bày ở đây

23

Chương 14 THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT VÀ BỘ PHẬN

14.1 DỮ LIỆU VÀ CÁC YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT

Dữ liệu thiết kế chi tiết chính là các thông số kỹ thuật và các yêu cầu kỹ thuật

14.1.1 Dữ liệu thiết kế các chi tiết

Trong ví dụ ở sơ đồ hình 13.7 và dựa vào bảng 13.3b, ta có được dữ liệu thiết kế các chi tiết trong sơ đồ như sau:

a) Dữ liệu thiết kế bộ truyền đai thang:

- Công suất truyền P: P = 6,64KW

- Tốc độ quay n: n = 960vg/ph

- Tỷ số truyền u: u = 3,0

- Hiệu suất :  = 0,96

b) Dữ liệu thiết kế bộ truyền bánh trụ răng nghiêng sẽ là:

- Công suất truyền P: P = 6,29KW

- Tỷ số truyền u: ubr = 5,82

- Tốc độ quay n: n = 320vg/ph

- Hiệu suất :  = 0,98

Ngoài ra để thiết kế được chi tiết một cách hợp lý cần biết thêm:

- Thời gian sử dụng t giờ trong cả đời máy

- Chế độ làm việc của cơ cấu chấp hành để xác định hệ số chế độ làm việc Kđ (với các máy công tác nói chung thường có 4 CĐLV sau: CĐ ổn định; CĐ va đập nhẹ; CĐ va đập trung bình và CĐ va đập nặng) và Tải trọng tác dụng trên CCCH (không đổi hay thay đổi .) Trong ví dụ đang xét thì HDĐ được dẫn động bởi động cơ điện, băng tải có F = const nên hệ số chế độ làm việc Kđ = 1,25

24

14.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật

Tùy thuộc vào chi tiết thiết kế và yêu cầu kỹ thuật của máy công tác mà yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế chi tiết sẽ khác nhau Nếu nắm bắt được yêu cầu kỹ thuật, người thiết kế sẽ chọn được hệ số an toàn, vật liệu; cấp chính xác chế tạo và …phù hợp Nhìn chung các yêu cầu kỹ thuật thiết kế chi tiết có thể bao gồm những điểm sau:

- Độ tin cậy làm việc của chi tiết và bộ phận máy

- Tiếng ồn và kích thước khuôn khổ

- Tính công nghệ; tính kinh tế

14.2 THIẾT KÊ CÁC CHI TIẾT VÀ BỘ PHẬN TRONG HỆ DẪN ĐỘNG

14.2.1 Thứ tự thiết kế các chi tiết và bộ phận

Để có cơ sở và số liệu cũng như đảm bảo được các yêu cầu của thiết kế

đề ra, cần tiến hành thiết kế các chi tiết truyền động và các chi tiết khác theo một tuần thự nhất định

Thông thường các chi tiết truyền động được thiết kế trước và vì vậy chi tiết gần động cơ được thiết kế trước (nếu cần phải cập nhật lại các số liệu trong bảng 13.3 để làm cơ sở để thiết kế bộ truyền tiếp theo, có như vậy mới đảm bảo được yêu cầu vận tốc của cơ câu chấp hành Bởi vì khi thiết kế các bộ truyền, tỷ số truyền của bộ truyền thiết kế có thể sai lệch so với số liệu ban đầu lấy từ bảng trên và khi tỷ số truyền sai lệch kèm theo giá trị của n và mô men T thay đổi theo) Trong ví dụ ở sơ đồ hình 13.7 tiến hành thiết kế bộ truyền đai thang, tiếp đến là bộ truyền bánh trụ răng nghiêng Sau đó tiến hành chọn khớp nối, thiết kế trục và then, chọn ổ lăn và thiết kế kết cấu các chi tiết và bộ phận trong HGT

14.2.2 Thiết kế bộ truyền đai

14.2.2.1 Các bước thiết kế bộ truyền đai (xem 2.5 trang 48)

14.2.2.2 Các ví dụ

Ví dụ 14.1 Thiết kế truyền động đai dẹt (đai thang) trong HDĐ của thiết

bị máy nén khí với số liệu sau: công suất truyền P1 = 5,5KW,

n1 = 1440vg/ph, tỷ số truyền động u = 3,5 Đai được điều chỉnh định kỳ, yêu cầu kích thước nhỏ gọn Bộ truyền nằm ngang

Ví dụ 14.2 Thiết kế bộ truyền đai thang với các số liệu sau: truyền

P1 = 7,5KW, n1 = 2900vg/ph, tỷ số truyền động u = 3,5 Đai được điều

B1 Chọn vật liệu

hoặc tiết diện

Chọn đai vải cao su Đai thang thường A

1 ( 5 , 2 6 , 4 ). T

d 

212

172 36475 ) 4 , 6

2 , 5

 l = 100 400mm Chọn l = 4010 4310mm

l sb = 1655mm Chọn theo l t/c

l =1800mm

l sb = 1655mm Chọn theo l t/c

truyền thực tế u t

u t = d 2 / [d 1 (1-  )] = 3,53 Vậy  u = [(u t – u)/ u].100%

= 0,85%

u t = 3,57 Vậy  u = 2%

u t = 3,57 Vậy  u = 2,0%

Số vòng chạy của

dây đai, i i = v/l = 13,56 / 3,91 = 3,4 < [i] = 5

i = 9,4 < [i] = 10 i = 9,4 < [i] = 10 Kiểm nghiệm góc

Vậy b  K đ F t / [  t ] 

= 1,25.405 / 1,98.4,5 = 56,8mm Chọn b = 63mm

3.1) Xác định sơ bộ kích thước bộ truyền

a) Khoảng cách trục sơ bộ (lấy kết quả ở ví dụ 4.4b và aw = 160mm

27

Ghi chú: Với aw = 160mm và với kích thước nhận được (xem bảng kết quả)

thì cặp bánh trụ răng nghiêng hoàn toàn đảm bảo bền tiếp xúc và uốn (xem

phần tính kiểm nghiệm độ bền bánh răng) Tuy nhiên nếu xét cặp bánh trụ

răng nghiêng nằm trong sơ đồ hình 4.11 thì mặc dù bánh răng đảm bảo điều

kiện bền nhưng lại không đảm bảo về diều kiện kết cấu (bánh răng côn lớn

(xem kết quả kích thước bộ truyền bánh răng côn ở ví dụ 14.4) sẽ chạm vào

trục lắp bánh bị dẫn số 4) Trong trường hợp này hoặc phải tăng aw lên hoặc

giảm de2 để thỏa mãn điều kiện: aW 0, d 2 0, dIII(10 15)mm, với

dIII là đường kính lắp bánh răng trụ số 4)

5 , 2 (

) 978 , 0 ).(

160 ).(

2 ( 1 u

4.1) Kiểm nghiệm răng theo độ bền tiếp xúc

Ứng suất mỏi tiếp xúc của bề mặt răng cần thỏa mãn điều kiện sau:

H w

H 1 đ 1

w

H M H

u b

1 u K T K 2 d

Z Z Z

28

- T1= 115414Nmm; u = 4,44; d1 = m.z1/cos=(23).(2,5)/(0,9749)= 58,98mm

và bw = a.aw = (0,4).(160) = 64mm

- Với bánh răng bằng thép nên ZM = 275MPa1/2

- Với bánh răng nghiêng có  = 12,840 và tw = 20,250 nên

) 25 , 20 (

2 sin

84 , 12 cos 2 2

sin

cos 2

Z

, 0 0

1 1

98 , 58 (

1000 60

n d

v   w 1 1   m/s, nên chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng là cấp 9

44 , 4 ).(

64 (

1 44 , 4 ) 54 , 1 ).(

115414 )(

25 , 1 ).(

2 ( 98

, 58

) 795 , 0 ).(

29

Từ (a) và (b): Do H = 516,9MPa > [H] = 479MP nên có thể tăng bw tính theo công thức sau: bw = b.(H / [H])2 = (64).[( 516,9) / (479)]2 = 74,5mm, chọn bw = 75mm

4.2) Kiểm nghiệm răng theo độ bền uốn

Ứng suất mỏi uốn của răng cần thỏa mãn điều kiện sau:

3 3

w w

F1 F

đ i

3

m d b

Y Y Y K K

Hệ số tải trọng khi tính về độ bền uốn: KF = KFKFKFv

- Bánh trụ răng nghiêng với v < 2,5m/s và cấp chính xác 9 nên KF= 1,0

- bd = 1,08 và bánh răng lắp trên trục theo sơ đồ 3, H1,2 < 350HB tra đồ thị hình 4.14 được KF  =1,31

- Bánh trụ răng nghiêng với cấp chính xác 9, v < 3m/s và HB < 350 nên KFv = 1,1

Vậy KF KFKFKFv (1,0).(1,31).(1,1)1,45

Hệ số dạng răng YF1, YF2:

- Với răng nghiêng có  = 12,840 ta có Y 1- 12,84 / 140 = 0,908

và với với εα = 1,66 nên Yε = 0,60

- Với ztđ1 = z1 / cos3β = 25 và ztđ2 = z2/cos3β = 110, tra bảng được YF1 = 3,9

và YF2 = 3,6

) 5 , 2 ).(

98 , 58 ).(

75 (

) 9 , 3 ).(

908 , 0 ).(

6 , 0 ).(

45 , 1 ).(

25 , 1 ).(

115414 ).(

9 , 3 )(

8 ,

Vậy cặp bánh răng thỏa mãn độ bền mỏi uốn

Bước 5 Xác định các thông số và các kích thước bộ truyền (xem bảng)

Các thông số và kích thước bộ truyền bánh trụ răng nghiêng

tròn đỉnh

dai da3 = 63,98mm da4 = 266,56mm Đường kính vòng

tròn chân

dfi df3 = 52,73mm df4 = 254,75mm Chiều rộng vành

31

Ví dụ 14.4 Thiết kế bộ truyền bánh răng côn trong sơ đồ dẫn động hình

13.6 Số liệu thiết kế lấy trong bảng của ví dụ 13.1 (cụ thể: Công suất truyền

P = 5,236KW, tốc độ quay n1 = 960v/ph và mô men trên trục dẫn

T1 = 52087Nmm Bộ truyền chịu tải trọng không thay đổi, thời gian sử dụng

t = 10000giờ và với CĐLV va đậpnhẹ với Kđ = 1,25

Bài giải

Bước 1 Chọn vật liệu chế tạo bánh răng

Sử dụng thép C45, tôi cải thiện để chế tạo bánh răng với HB = 180 350HB

Bánh nhỏ chọn HB1 = 250HB và bánh lớn HB2 = 235HB

Bước 2 Xác định ứng suất cho phép

2.1) Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép

Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh răng xác định theo công thức gần đúng sau:

 

H

HL lim Ho H

SK

Holim1 = 570Mpa vàHolim2 = 540MPa

SH là hệ số an toàn khi tính về tiếp xúc, chọn SH = 1,2

KHL là hệ số tuổi thọ, được xác định bằng công thức sau: m H

H

HO HL

H

28 , 4 10 76 , 5 u N

32

Do NHi > NH0i nên KHLi =1 (với = 1,2 ) Vậy

1,1

570S

K

H

HL lim Ho 0 1

và   490 , 9 MPa

1 , 1

540 S

K

H

HL lim Ho 2

2.2) Xác định ứng suất uốn cho phép

Trong bước tính thiết kế (tính sơ bộ), ứng suất uốn cho phép gần đúng xác định theo:

  Fc

F

FL lim Fo

S K

Chọn hệ số an toàn khi tính về mỏi uốn, SF = 1,73

Bộ truyền quay 1 chiều nên KFc = 1

KFL- hệ số tuổi thọ, được xác định bằng công thức:

423 K

S

K

Fc F

FL lim Fo



73 , 1

450 K S

K

Fc F

FL lim Fo

Fo FL

N N

33

Bước 3 Tính thiết kế (Thiết kế sơ bộ)

Do bộ truyền đặt trong hộp kín nên bánh răng được thiết kế theo độ bền tiếp xúc, sau đó kiểm nghiệm theo độ bền uốn

3.1) Xác định sơ bộ chiều dài côn ngoài Re

Chiều dài côn ngoài được xác định theo công thức sau:

3

2 H R R

H đ 1 2

e

u 1

K K T 1

28 , 4 ).(

25 , 0 ( 25 , 0 1

) 15 , 1 )(

25 , 1 ).(

52087 ( 1 28 , 4 50

2 2

) 33 , 160 ).(

2 ( u 1

R 2 d

2 2

e 1

Đường kính trung bình và mô đun trung bình:

dm1 10,5Rde110,5.0,25.(72,96)63,84mm

26

84 , 63 z

d m

1

1 m

Mô đun vòng ngoài được xác định theo công thức sau:

) 25 , 0 5 , 0 ( 1

45 , 2 5

z u

1

2

t    , sai lệch tỷ số truyền u = 0,46% Đường kính trung bình:

Vậy thông số ăn khớp của bộ truyền bánh côn răng thẳng như sau:

- Mô đun vòng ngoài me = 3mm

4.1) Kiểm nghiệm răng theo độ bền tiếp xúc

Ứng suất mỏi tiếp xúc trên bề mặt răng cần thỏa mãn điều kiện sau:

 ' H w

2 H đ 1 1

m

H M

H

u b 85 , 0

1 u K K T 2 d

Z Z

2 2

Với là hệ số trùng khớp ngang, tính theo công thức sau:

) 26 , 4 ).(

25 , 0 ( 2

) 960 ).(

25 , 68 (

26 , 4 ).(

40 ).(

85 , 0 (

1 26 , 4 ) 24 , 1 ).(

25 , 1 ).(

52087 ).(

2 ( ) 25 , 68

1 ).(

856 , 0 ).(

Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép thức tế: [H]’ = [H]ZRZvKS

- Với cấp chính xác chế tạo 8 và Ra 1,25m 2,5m, nên ZR = 0,95

- Giảm chiều rộng vành răng

- Giảm chiều dài côn và xác định lại các thông số bộ truyền

- Chọn lại phương pháp nhiệt luyện hoặc chọn lại vật liệu Nếu dùng giải pháp giảm chiều rộng vành răng thì chiều rộng bw xác định như sau:

b , sau đó chon bw nguyên

4.2) Kiểm nghiệm răng theo độ bền mỏi uốn

Ứng suất mỏi uốn của răng cần thỏa mãn điều kiện sau:

1 nm 1 m w

F1 F đ i 1

m d b 85 , 0

Y Y K K T 2

) 26 , 4 ).(

26 ,

Với răng thẳng ta có Y 1 và với   1 , 74  Y  1 1 , 74  0 , 575

YF1, YF2 lần lượt là hệ số dạng răng của bánh 1, 2

Với z 1  z1 cos 1 26 0 , 973  26 , 72

86 , 471 231 , 0 109 cos

25 , 68 ).(

625 , 2 ).(

40 ).(

85 , 0 (

) 5 , 3 ).(

575 , 0 ).(

24 , 1 ).(

25 , 1 ).(

52087 ).(

63 , 3 )(

38 ,

Vậy bánh răng thỏa mãn độ bền mỏi uốn

Do ứng suất uốn ở chân răng quá nhỏ so với ứng suất uốn cho phép nên có thể chọn lại mô đun me nhỏ hơn, xác định lại các thông số bộ truyền và tiến hành kiểm nghiệm lại độ bền tiếp xúc và độ bền uốn

Bước 7 Tính kết cấu bánh răng (xem ví dụ 15.1)

Thông số và các kích thước cơ bản của bánh răng

38

Ví dụ 14.5 Thiết kế bộ truyền trục vít trong HGT trục vít bánh răng với các

số liệu sau: Công suất truyền P1 = 7,5KW, tốc độ quay trục vít n1 = 2900vg/ph; tỷ số truyền u = 18,5 Bộ truyền quay 1 chiều với chế độ tải trọng thay đổi (t1 = 0,5tck; T2 = 0,8T1, t2 = 0,3tck và T3 = 0,6T1, t3 = 0,2tck)

2.1) Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép: [H] = [H2]

Xem và lấy kết quả ở ví dụ 5.2b: [H] = 134MPa

2.2) Xác định ứng suất uốn cho phép

Lấy kết quả ở ví dụ 5.2c: [F] = 50MPa

q

K T z

170 q

z

a    

mm 97 , 189 10

) 374667 ).(

5 , 1 ( ) 134 ).(

37 (

170 )