Đồ án thiết kế hệ thống thang máy Trường ĐHBKHN

Hướng dẫn làm đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí của trường ĐHBKHN Hướng dẫn làm đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí của trường ĐHBKHN Hướng dẫn làm đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí của trường ĐHBKHN Hướng dẫn làm đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí của trường ĐHBKHN Hướng dẫn làm đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí của trường ĐHBKHN

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

ME 4099

Đề bài:

- Cho sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn động, bao gồm động cơ, bộ phận công tác Các thông số yêu cầu của bộ phận công tác như vận tốc, tải trọng, lực cắt, thời gian làm việc, điều kiện làm việc … được cho trước

Yêu cầu chung:

- Các chi tiết máy thiết kế trong hệ thống phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật, làm việc tin cậy trong suốt thời gian đã định, kinh tế trong chế tạo, sử dụng, thuận lợi trong chăm sóc và bảo dưỡng

- Một bản thuyết minh trình bày ngắn gọn nội dung phân tích hệ thống và tính toán các chi tiết (gồm cả các hình vẽ và sơ đồ minh họa)

- Các bản vẽ hệ dẫn động theo số liệu đã tính toán

ĐỀ 1: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG THANG MÁY

Các bước tính toán cơ bản

1 Tính toán động học

a Chọn động cơ

Để chọn động cơ, công suất làm việc Plv trên trục máy công tác cần được biết Thông thường, công

suất làm việc được xác định từ tải làm việc F và vận tốc v của bộ phận công tác

𝑃𝑙𝑣= 𝐹.𝑣

Công suất tối thiểu hay công suất cần thiết Pct của động cơ được xác định qua công thức

𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑙𝑣

ở đây là hiệu suất của bộ truyền, hay nói cách khác là tổn hao công suất do ma sát, ăn khớp … từ

bộ phận công tác đến trục động cơ

Sau công suất cần thiết Pct, thông số thứ hai làm cơ sở để chọn động cơ đó là số vòng quay sơ bộ nsb

nsb được tính toán từ số vòng quay làm việc nlv của trục công tác và tỉ số truyền của hộp giảm tốc Đối với hệ dẫn động cho thang máy, bộ truyền trục vít – bánh vít được sử dụng phổ biến Tỉ số

truyền utv thông dụng nằm trong khoảng 30 đến 50

Dựa vào công suất tối thiểu của động cơ Pct và số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ nsb, tra bảng 1

[1] chọn động cơ với yêu cầu công suất lớn hơn hoặc bằng Pct và số vòng quay xấp xỉ nsb

Ví dụ 1: Trong hệ thống dẫn động thang máy, cho vận tốc dây cáp vd = 1,5 (m/s), lực kéo trên puly

ma sát Fpl = 3268,8 (N), số vòng quay của trục puly nlv = 65 (v/p), đường kính puly D = 440 (mm)

và hiệu suất chung của cơ cấu chuyển động  = 0,796 Tính chọn động cơ cho hệ thống dẫn động Giải

- Từ các dữ liệu đầu bài, công suất trên puly ma sát được xác định như sau:

𝑃𝑝𝑙 =𝐹1000𝑝𝑙𝑣𝑑=3268,8.1,51000 = 4,9032 (KW)

- Công suất cần thiết trên trục động cơ

𝑃 𝑐𝑡 =𝑃𝜂𝑝𝑙 =4,90320,796 = 6,16 (KW)

- Số vòng quay của trục puly

𝑛𝑝𝑙=60000.𝑎.𝑣𝑑

𝜋𝐷 =60000.1.1,5

𝜋.440 = 65 (𝑣/𝑝)

- Với bộ truyền trục vít-bánh vít, chọn số mối ren z1 = 1và tỉ số truyền sơ bộ usb = 40

- Số vòng quay sơ bộ nsb của động cơ được xác định

𝑛 𝑠𝑏 = 𝑛 𝑙𝑣 𝑢 𝑠𝑏 = 65.40 = 2600 (v/p)

Từ công suất cần thiết trên trục động cơ 6,16 KW và số vòng quay sơ bộ 2600 v/p, tra bảng 1[1] ta lựa chọn:

Động cơ ký hiệu: 4A112M2Y3

Công suất P = 7,5 KW

nđc = 2922 v/p

cos = 0,88

m = 56 kg

d = 32 mm

Tmax/Tdn = 2,2

TK/Tdn = 2,0

Sau khi chọn được động cơ, dựa vào số vòng qua nđc , xác định lại tỉ số truyền cho bộ truyền trục vít-bánh vít

𝑢𝑡𝑣 =𝑛đ𝑐

Đường kính puly cũng được tính lại sao cho đảm bảo D ≥ 40dc (đường kính dây cáp)

𝐷 = 60000𝑎.𝑣.𝑢𝑡𝑣

Ví dụ 2:

Tính lại tỉ số truyền của bộ truyền trục vít-bánh vít utv và đường kính puly D Số liệu đầu vào ở thí

dụ 1 và bổ sung thêm đường kính dây cáp dc= 11 mm

Giải

Tỉ số truyền của bộ truyền trục vít-bánh vít là

𝑛𝑙𝑣=2922

65 = 44,95 Đường kính puly được xác định lại là

𝐷 =60000𝑎.𝑣.𝑢𝑡𝑣

𝜋.𝑛đ𝑐 = 60000.1.1,5.44,95

𝜋.2922 = 440 ≥ 40𝑑𝑐

b Xác định số vòng quay, công suất tính toán, mô men xoắn trên các trục

Với hệ dẫn động thang máy, cần xác định số vòng quay, công suất tính toán, mô men xoắn trên 2 trục, trục vào 1 và trục ra 2 của bộ truyền trục vít bánh-vít Cụ thể như sau:

- Do trục 1 nối với trục động cơ nên số vòng quay của trục 1 n1 bằng số vòng quay của trục

động cơ nđc (coi hiệu suất khớp nối =1)

Số vòng quay n2 của trục 2 (trục ra) được xác định

𝑛2 = 𝑛1

- Công suất trên các trục được tính

𝑃2 =𝑃𝑙𝑣

𝑃1 = 𝑃2

ở đây ol, tv là hiệu suất của ổ lăn và trục vít Hiệu suất của ổ lăn nằm trong khoảng 0,99 đến 0,995 Hiệu suất của trục vít thường nằm trong khaongr 0,7 đến 0,8

- Mô men xoắn trên các trục được tính như sau

𝑇𝑖= 9,55 106 𝑃𝑖

c Lập bảng thông số động học

Công suất (KW)

Số vòng quay (v/p)

Mô men xoắn (Nmm)

Ví dụ 3 Lập bảng thông số động học cho hệ thống cơ khí trong ví dụ 1 và 2

Ta có số vòng quay trục 1

𝑛1=𝑛đ𝑐= 2922 𝑣/𝑝

Số vòng quay n2 được xác định qua công thức

𝑛2 = 𝑛1

𝑢 𝑡𝑣= 2922

44,95= 65 v/p Công suất trên các trục được tính

𝑃2 =𝑃𝑙𝑣

𝜂𝑜𝑙 =4,9032

0,995 = 4,928(KW)

𝑃1 = 𝑃2

𝜂𝑡𝑣.𝜂𝑜𝑙= 4,928

0,8.0,995= 6,19 (KW)

Mô men xoắn trên các trục

𝑇 1 = 9,55 106 𝑃1

𝑛1= 9,55 106 6,192922= 20230,8(Nmm)

𝑇2= 9,55 106 𝑃2

𝑛2= 9,55 106 4,928

65 = 724036,9(Nmm)

Lập bảng thông số động học

2 Thiết kế bộ truyền trục ví-bánh vít

Đầu vào để thiết kế bộ truyền trục vít-bánh vít là số liệu trên trục 2 (P2, n2, T2) trong bảng thông số động học Bên cạnh đó còn bổ sung thêm dữ liệu về tuổi thọ và quan hệ giữa các chế độ tải trọng Trình tự thiết kế bộ truyền trục vít như sau:

2.1 Chọn vật liệu

Vì trong bộ truyền trục vít-bánh vít xuất hiện vận tốc trượt và điều kiện hình thành chế độ bôi trơn

ma sat ướt không thuận lợi nên việc phối hợp việc chọn vật liệu trục vít và bánh vít sao cho có hệ số

ma sát thấp, bền mòn và giảm bớt nguy hiểm về dính Tùy thuộc vào tầm quan trọng cũng như vận tốc làm việc của bộ truyền, trục vít có thể chọn là vật liệu thép hoặc gang, vật liệu bánh vít có thể là đồng thanh hoặc gang

Để thuận tiện trong thiết kế, ban đầu có thể dựa vào vật tốc trượt vs tính theo công thức kinh nghiệm

để chọn vật liệu bánh vít

𝑣𝑠 = 4,5 10−5𝑛1√𝑇2 (1.11)

với n1 số vòng quay của trục vít (v/p); T2 mô men xoắn trên bánh vít (Nmm)

Khi vs ≥ 5 m/s dùng đồng thanh thiếc

Khi vs < 5 m/s dùng đồng thanh không thiếc và đồng thau

Khi vs < 2 m/s dùng gang

2.2 Xác đinh ứng suất cho phép

Do đặc thù của bộ truyền trục vít-bánh vít, vật liệu chế tạo trục vít (thép) có độ bền cao hơn rất nhiều so với độ bền của vật liệu chế tạo bánh vít (hợp kim của đồng), nên trong quá trình tính toán thiết kế chỉ cần kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc cũng nhu độ bền uốn của bánh vít là đủ

a Ứng suất tiếp xúc cho phép [H ] được xác định theo công thức

[HO] là ứng suất tiếp xúc cho phép ứng với 107 chu kỳ

[𝜎𝐻𝑂] = (0,75 − 0,9)𝜎𝑏 (1.13)

KHL là hệ số tuổi thọ

NHE là số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương

𝑁𝐻𝐸 = 60 ∑ ( 𝑇2𝑖

Trong đó n2i và T2i là số vòng quay trong một phút và và mô mên xoắn trên trục vít ở chế độ thứ i

T2max là mô men xoắn lớn nhất trong các trị số T2i

b Ứng suất uốn co phép [F ] được xác định theo cống thức

Đối với các loại bánh vít làm bằng vật liệu đồng thanh

với [FO] ứng suất uốn cho phép với 106 chu kỳ, phụ thuộc vào chiều quay

KFL là hệ số tuổi thọ

𝑁𝐹𝐸 = 60 ∑ ( 𝑇2𝑖

c Ứng suất cho phép khi quá tải

Với bánh vít làm bằng đồng thanh thiếc

Với bánh vít làm bằng đồng thanh không thiếc

[𝜎𝐹]𝑚𝑎𝑥 = 0,8𝜎𝑐ℎ (1.22) Với bánh vít làm bằng gang

2.3 Xác định các thông số của bộ truyền

Khoảng cách trục aw được xác đinh theo công thức

𝑎𝑤 = (𝑧2+ 𝑞) √( 170

𝑧 2 [𝜎 𝐻 ])2 𝑇2𝐾𝐻

𝑞

3

trong đó:

z2 là số răng bánh vít

q = d1/m hệ số đường kính trục vít, được tiêu chuẩn hóa

T2 mô men xoắ trên bánh vít T2 = T1.(Nmm)

KH là hệ số tải trọng

[H] ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa)

Mô đun dọc của trục vít được xác định từ aw

Lấy m theo tiêu chuẩn

Hệ số dịch chỉnh: Để đảm bảo khoảng cách aw đinh trước (tận cùng bằng 0; 5 hoặc lấy theo tiêu chuẩn) Hệ số dịch chỉnh được xác định theo công thức

𝑥 = (𝑎𝑤/𝑚) − 0,5(𝑧2+ 𝑞) (1.27)

2.4 Kiểm nghiệm răng bánh vít về độ bề tiếp xúc

Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên bề mặt răng bánh vít của bộ truyền thiết kế phải thỏa mãn điều kiện sau:

𝜎𝐻 = (170

𝑧 2)√[(𝑧2+𝑞)

2.5 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn

𝜎𝐹 = 1,4𝑇2𝑌𝐹𝐾𝐹/(𝑏2𝑑2𝑚𝑛) ≤ [𝜎𝐹] (1.29)

mn = mcosmô đun páh của bánh răng vít, là góc vít

KF là hệ số tải trọng

b2 là chiều rộng vành răng

YF là hệ số dạng răng

2.6 Kiểm nghiệm răng bánh vít về quá tải

Để tránh biến dạng dư và hoặc dính bề mặt răng, ứng suất tiếp xúc cực đại không vượt quá một giá trị cho phép

𝜎𝐻𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝐻√𝐾𝑞𝑡 ≤ [𝜎𝐻𝑚𝑎𝑥] (1.30)

Để tránh biến dạng dư hoặc phá hỏng tĩnh chân răng bánh vít, ứng suất uốn cực đại không được vượt quá giá trị

𝜎𝐹𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝐹𝐾𝑞𝑡 ≤ [𝜎𝐹𝑚𝑎𝑥] (1.31)

2.7 Các thông số của bộ truyền trục vít-bánh vít

3 Chọn khớp nối và phanh

3.1 Lực phanh

Phanh chọn dựa theo khả năng tạo mô men cản của phanh Mô men yêu cầu cần nhỏ hơn khả năng phanh cho trong bảng tra

Mô men phanh yêu cầu tính theo:

3.2 Lựa chọn khớp nối

4 Tính toán thiết kế trục

Trong phần này, tính toán thiết kế các trục trong hệ thống truyền động Hai trục tiêu biểu là trục vào (trục 1) và trục ra (trục 2) của bộ truyền trục vít-bánh vít

Thông số đầu vào để tính toán là mô men xoắn và số vòng quay trên các trục

4.1 Chọn vật liệu

Bước đầu tiên trong tính toán là chọn vật liệu cho trục Ở những máy móc quan trọng nhưng chịu tải quan trọng, thép 45 thường hóa hoặc tôi cải thiện thường được sử dụng

Thép 45 có b = 600MPa và ứng suất xoắn cho phép [] = 12 20 MPa

4.2 Xác định tải trọng tác dụng lên trục

Lực tác dụng lên trục trong trường hợp này gồm lực ăn khớp của bộ truyền trục vít-bánh vít, lực khớp nối và lực từ puly ma sát

Cụ thể với trục vào 1 (trục vít), lực tác dụng gồm lực ăn khớp và lực sinh ra do khớp nối Với trục ra

2 (bánh bít), gồm lực ăn khớp và lực từ puly ma sát

4.3 Tính sơ bộ đường kính trục

Theo công thức kinh nghiệm có thể tính nhanh đường kính trục dựa vào mô men xoắn cần truyền T

𝑑 ≥ √𝑇/(0,2[𝜏])3 𝑚𝑚 (1.32)

[] là ứng suất xoắn cho phép

4.4 Xác định khoảng cách giữa các gối và điểm đặt lực

Chiều dài moay ơ bánh vít

Chiều dài moay ơ puly

Chiều dài moay ơ nửa khớp nối

Chiều rộng ổ lăn bo xác định theo đường kính trục

bo(mm) 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 47

k1= 8 15 mm khoảch cách từ chi tiết quay đến thành trong của hộp

k3= 5 15 mm khoảch cách từ mặt mút của chi tiết quay đến nắp ổ

hn= 15 20 mm chiều cao nắp ổ và đầu bu long

l11= (0,9 1)da2 mm (da2: đường kính ngoài bánh vít)

4.5 Xác định đường kính và chiều dài các đoạn trục

Các bước tiến hành:

a Vẽ sơ đồ trục, sơ đồ chi tiết quay và phản lực từ các chi tiết quay tác dụng lên trục

b Tính phản lực tác dụng lên các gối

c Vẽ biểu đồ mô men Mx, My trong các mặt phẳng zoy và zox và vẽ biểu đồ mô men xoắn

d Tính mô men uốn tổng và mô men tương đương tại các tiết diện j cần quan tâm

𝑀𝑗 ≥ √𝑀𝑥+ 𝑀𝑦 𝑁𝑚𝑚 (1.36)

𝑀đ𝑡𝑗 ≥ √𝑀𝑗2+ 0,7𝑇𝑗2 𝑁𝑚𝑚 (1.37)

e Tính đường kính trục tại tiết diện j

𝑑𝑗 ≥ √𝑀3 đ𝑡𝑗/(0,1[𝜎])

4.6 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi và bền tính

Sauk hi tính toán được đường kính các đoạn trục, công việc tiếp theo là kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi và bền tĩnh

a Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi

Trục thiết kế đảm bảo độ bền mỏi nếu hệ số an toàn tạin tiết diện nguy hiểm thỏa mãn điều kiện

𝑠𝑗 ≥ 𝑠𝜎𝑗 𝑠𝜏𝑗/√𝑠𝜎2𝑗+ 𝑠𝜏2𝑗 ≥ [𝑠] (1.39) Trong đó

[s] hệ số an toàn cho phép, thông thường bằng 1,5 2,5

𝑠𝜎𝑗, 𝑠𝜏𝑗là hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j

𝑠𝜎𝑗 = 𝜎−1

𝑠𝜏𝑗 = 𝜏−1

𝜎−1 và 𝜏−1 là giới hạn mỏi uốn và mỏi xoắn với chu kỳ đối xứng

𝜎𝑎𝑗, 𝜏𝑎𝑗, 𝜎𝑚𝑗, 𝜏𝑚𝑗 là biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j

b Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh

Để đề phòng khả năng bị biến dạng dẻo quá lớn hoặc phá hỏng do tải trọng quá tải đột ngột, cần tiến hành kiểm nghiệp trục về độ bền tĩnh

Trong đó

5 Tính chọn ổ lăn

Ổ lăn dùng để đỡ trục, giữ cho trục cố định trong không gian, tiếp nhận tải trọng và truyền xuống bệ máy

Trong phần này sẽ đi tính toán để chọn loại ổ lăn phù hợp cho bộ truyền trục vít-bánh vít

Thông số đầu vào để tính chọn ổ lăn: các đường kính ngõng trục (nơi sẽ lắp ổ lăn), tải trọng tác dụng lên trục, số vòng quay của trục, thời gian phục vụ của ổ lăn Trình tự tính chọn ổ lăn như sau:

Bước 1: Dựa vào tỉ số giữa tải trọng dọc trục Fa và tải trọng hướng tâm Fr sẽ quyết định chọn loại ổ

Nếu Fa/ Fr < 0,3 chọn loại ổ đỡ một dãy

Fa/ Fr ≥ 0,3 chọn loại ổ đỡ-chặn

Fa/ Fr ≤ 0,7 sử dụng bi đỡ chặn a = 12o

Fa/ Fr < 1 sử dụng bi đỡ chặn a = 16o

Fa/ Fr < 1,5 sử dụng bi đỡ chặn a = 36o

Fa/ Fr > 1,5 sử dụng đũa côn

Bước 2: Chọn ổ theo khả năng tải động

Khả năng tải động Cd được tính theo công thức

Trong đó

Q là tải trọng quy ước (KN)

L là tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay

m là bậc của đường cong mỏi m = 3 đối với ổ bi và m = 10/3 đối với ổ bi đũa

Với bộ truyền trục vít bánh vít, thường dùng ổ bi đũa, Q được tính theo công thức sau đây

V là hệ số kể đếm vòng nào quay Khi vòng trong quay V = 1, khi vòng ngoài quay V = 1,2

kt và kv hệ số xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và đặc tính tải

X và Y là hệ số tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục

Khả năng tải tĩnh Qt được tính theo công thức sau đây

Xo và Yo là hệ số tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục, phụ thuộc vào loại ổ và số dãy làm việc

Bước 3: Chọn ổ lăn

Ba thông số gồm khả năng tải động Cd, khả năng tải tĩnh Qo và đường kính ngõng trục d làm cơ sơ

để chọn ổ lăn Chọn ổ trong bảng sao cho cùng đường kính ngõng trục d và có khả năng tải động Cd

và khả năng tải tĩnh Co lớn hơn khả năng tải động và khả năng tải tĩnh tính bằng công thức (1.47) và (1.48) Hay nói một cách cụ thể là

Cd (tính toán từ đầu vào) ≤ Cd (tra bảng, giá trị của ổ lăn chọn) (1.49)

Qt (tính toán từ đầu vào) ≤ Co (tra bảng, giá trị của ổ lăn chọn) (1.50)

6 Tính chọn then cho trục

- Chọn kích thước then: Tra các kích thước bxh theo đường kính trục, chọn chiều dài l theo

moayơ

- Kiểm nghiệm then đã chọn theo độ bền dập và cắt

7 Thiết kế kết cấu

Tính toán thiết kế các kích thước cấu thành vỏ hộp giảm tốc

8 Các đề mục yêu cầu khi viết thuyết minh

9 Yêu cầu về bản vẽ

Bản vẽ yêu cầu trong đồ án là bản vẽ lắp của hộp giảm tốc hoặc hệ dẫn động và 01 bản vẽ chế tạo chi tiết, thể hiện đúng kích thước của các thành phần đã tính được trong thuyết minh, ngoại trừ chiều dài các đoạn trục cho phép thay đổi chút ít đểphù hợp với các kết cấu khác

Bản vẽ thể hiện 3 hình chiếu chính và các hình cắt, cắt trích để thể hiện rõ kết cấu của hộp giảm tốc được giao thiết kế Bản vẽ thể hiện kèm khung tên tiêu chuẩn, các hình chiếu vẽ với tỉ lệ 1: Trường hợp kích thước tính được quá lớn có thể vẽ hình chiếu chính với tỷ lệ 1:1 còn các hình chiếu khác tỷ

lệ thu nhỏ1:2 hoặc 1:4, hoặc nếu không thể được thì có thể thể hiện các hình chiếu với tỷ lệ 1:2 Cho phép cắt bớt các đầu trục khi cần giảm không gian thể hiện các hình vẽ Ngược lại, khi kích thước tính được quá bé có thể vẽ với tỷ lệ phóng to 2:

Trên bản vẽ lắp cần ghi đủ các kích thước yêu cầu: kích thước lắp ghép kèm kiểu lắp(ngoại trừ then), khoảng cách trục ghi kèm dung sai, kích thước khuôn khổ và kích thước liên kết Tất cả các chi tiết trong hộp giảm tốc cần được đánh sốtheo thứ tự dễ tìm và ghi vào bảng kê Bảng kê ghi theo tiêu chuẩn ngay trên khung tên từ dưới lên

Tránh các đường kích thước, các đường dóng kích thước, các đường dẫn chi tiết cắt nhau Các nét thể hiện trên bản vẽ cần tuân theo tiêu chuẩn (cần phân biệt các nét bao đậm, nét mảnh, nét đứt, nét đường trục hoặc đường tâm) Mặt cắt vật liệu thể hiện theo TCVN