Đồ án Thiết kế mô phỏng động lực học máy

Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Phần 3: Thiết kế trục, lựa chọn ổ lăn và khớp nối.
I. Tính trục I.
1.1 Chọn vật liệu.
- Chọn vật liệu: Thép 45 tôi cải thiện
σ
b
= 750 Mpa; σ
ch
= 450 Mpa; [τ] = 15÷30 Mpa
1.2 Xác định các thông số của trục.
1.2.1 Các lực tác dụng lên trục.
Lực tác dụng lên trục từ bộ truyền bánh răng cấp nhanh
Lực vòng F
t
(N) 1256,749
Lực hướng kính F
r
(N) 492,822
Lực dọc trục F
a
(N) 503,682
+ Xét chiều của các lực này ta có:
Trục vào quay ngược chiều kim đồng hồ nhin từ đầu trục phải => cq = 1
Bánh răng trên trục là bánh chủ động => cb = 1
Điểm đặt lực của bộ truyền bánh răng phía dưới trục Oz => r > 0
Bánh răng chủ động có hương nghiêng răng phải => hr = 1
F
x12
= F

t
= 1256,749 (N)
F
y12
= -F
r
= -492,822 (N)
F
z12
= F
a
= 503,682 (N)
Lực tác dụng từ khớp nối (chọn khớp nối trục dàn hồi)
Theo công thức F
r
= K
x
. F
t

F
t
=
2T
D
= = 451 (N)(D-chọn theo bảng 16-10a)
F
r
= (0,2…0,3)451= 90,26…135,4 (N)
Nên F

k
= 100 (N)
1.2.2 Tính sơ bộ đường kính trục:
Tính đường kính sơ bộ trục vào
Đường kính sơ bộ trục vào được tính theo công thức:
d
1
=
3
1
].[2,0
x
T
τ
= = 18,9 (mm)
Chọn d
1
= 20 ( mm)
Với d
1
= 20 (mm) tra bảng 10.2/189 chiều rộng ổ lăn cho trục vào là
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 1
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
b
01
= 15 (mm).
Chiều dài moayở của bánh răng chủ động được tính theo công thức:

l
m12
= (1,2… 1,5)d
1
= (1,2… 1,5)20 = 24…30 (mm)

Chọn l
m12
= 25 (mm)
Xác định khoảng cách giữa các điểm đặt lực
Chọn:
- Khoảng cánh từ mặt bên chi tiết quay đến thành trong của hộp
giảm tốc k
1
= 15 (mm).
- Khoảng cánh từ mặt bên của ổ đến thành trong của hộp giảm tốc
k
2
= 15 ( mm)
- Khoảng cánh từ mặt bên của chi tiết quay ngoài đến nắp ổ
k
3
= 15 (mm)
- Chiều cao nắp ổ và đầu bulông h
n
= 20 ( mm)
- Khoảng cánh giữa 2 chi tiết quay trong hộp k
4
= 15 (mm)
Từ các thông số trên ta có thể tính được:

- Khoảng cách từ gối 0 đến tâm bánh răng chủ động
l
12
= (l
m12
+ b
01
)/2 + k
1
+ k
2
= (25+15)/2+15+15= 50 (mm)
- Khoảng cách 2 gối
l
11
= 166 (mm)
- Khoảng cánh từ gối 0 đến khớp nối
l
13
= b
01
/2 + h
n
+ k
3
+10 = 15/2 + 20 + 15 + 10 = 52,5( mm )
1.2.4 Tính toán phản lực & vẽ biểu đồ momen.
Tính toán phản lực, vẽ biểu đồ moment và tính kết cấu cho trục I
Ứng dụng Modul Design Accelaretor trong Inventor để tính toán trục như
sau: trong môi trường Assembly ta kích vào mục Design gọi lênh Shaft khi

xuất hiện hộp thoại Shaft Component Generator. Trong phần Design của hộp
thoại ta nhập thông số hình học của trục với:
Kiểu trục là hình trụ
Đường kính sơ bộ trục là 20 ( mm)
Chiều dài sơ bộ trục là : l = 166 + 52,5 = 218,5 (mm)
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 2
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí

Trong phần Calculate của hộp thoại ta nhập thông số tính toán trục với
Modul đàn hồi E = 2.10
4
( MPa)
Modul trượt G = 8.10
3
( MPa)
Tỷ trọng vật liệu ρ = 7680 (kg/mm
3
)
- Vị trí gối đỡ 0 cánh mặt đầu trục là 0 (mm)(mặt đầu trái của trục)
- Vị trí gối đỡ 1 cách điểm giữa của trục là 52,5 (mm)(mặt đầu phải)


- Các lực tác dụng từ bộ truyền bánh răng được đặt tại vị trí cách vị trí
giữa trục là 6,75 (mm)(về bên trái trục). Chiều của các lực được đặt đúng
theo hệ trục tọa độ Oxyz khi gọi lệnh. F
x12
, F

y12
F
z12
đều có chiều ngược với
chiều X, Y, Z.
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 3
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí

- Ngoài ra lực dọc trục từ bánh răng còn gây ra moment uốn
M = d
w1
.F
z13
/2 = 32,42. 503,682 /2 = 8165 (Nmm)
và chịu moment xoắn T = T
1
=20310 (Nmm) do lực vòng của bánh răng
gây ra
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 4
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí

-Sau khi khai báo các thông số tính toán cho trục vào ta có sơ đồ các lực tác dụng lên
lực như sau:
GVHD : Dương Tiến Công

SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 5
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Kích chọn nút Calculate ta thu được kết quả tính toán sau:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 6
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
- Phản lực tại gối đỡ 0: F
z10
= 503,682 (N)
F
x10
= -400,336 (N)
F
y10
= 766,200 (N)
- Phản lực tại gối đỡ 1: F
x11
= 309,549 (N)
F
y11
= -87,195 (N)
- Kích chọn mục Graphs ta thu được kết quả như sau
Biểu đồ lực cắt Q
y
Biểu đồ lực cắt Q
x

Biểu đồ momen uốn M tổng
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 7
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Biểu đồ momen uốn M
y
Biểu đồ momen uốn M
x
Kích chọn mục Ideal Deameter trong phần Graphs để có được kết quả
về đường kính lý tưởng của trục tại các mặt cắt ứng với các tải trọng như
sau:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 8
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Theo đó ta có:
Đường kính tại mặt cắt lắp bánh răng là: d
12
=21,5232 (mm)
Đường kính tại mặt cắt gối đỡ 0 bên trái là : d
10
=4 (mm)
Đường kính tại mặt cắt gối đỡ 1 bên phải là : d
11
= 8 (mm)
Để đảm bảo về mặt kết cấu cũng như độ bền của trục ta chọn:
d

12
=25 (mm) d
10
=d
11
= 20 (mm)
Các thông số khác: + ở 2 đầu của trục có vát mép 1x45
0
+ Môi bậc trục đều có vo cung r = 0,5 (mm)
Tuy nhiên do bánh răng nhỏ của bộ truyền cấp nhanh quá nhỏ để đảm bảo
độ bền cho bánh răng ta chọn phương án làm bánh răng liền trục.
Ta có bảng thông số như sau :
Thông số trục vào
Đoạn trục i 1 2 3 4
Đường kính 18 20 25 20
Độ dài 90 43 30 110
Đặc điểm
khác
Vát 1x45
0
Then:14x6x2.5
Cách 5, R0.5
Bo R0.5 Bo R0.5
Then:14x6x2.5
Cách 5
Bo:R0.5
Vát:1x45
0
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc

Lớp : TCK8 Page 9
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Sau khi khai báo các thông số tính toán cho trục vào ta có sơ đồ các lực tác
dụng lên lực như sau:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 15
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Kích chọn nút Calculate ta thu được kết quả tính toán sau:
- Phản lực tại gối đỡ 1: F
x21
= -1364,789 ( N)
F
y21
= -509,149 ( N)
F
z21
= -503,628 ( N)
- Phản lực tại gối đỡ 0: F
x20
= -1909,56 ( N)
F
y20
= -9,953 ( N)
- Kích chọn mục Graphs ta thu được kết quả như sau:

Biểu đồ lực cắt Q
y

GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 16
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Biểu đồ lực cắt Q
x
Biểu đồ momen uốn M tổng
Biểu đồ momen uốn M
y
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 17
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Biểu đồ momen uốn M
x
Kích chọn mục Ideal Deameter trong phần Graphs để có được kết quả về
đường kính lý tưởng của trục tại các mặt cắt ứng với các tải trọng như sau:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 18
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí

Theo đó ta có:
Đường kính tại mặt cắt lắp bánh răng nghiêng là: d
23
= 30,2257 (mm)
Đường kính tại mặt cắt lắp ổ bi là : d

20
=d
21
= 5 (mm)
Đường kính tại mặt cắt lắp bánh răng thẳng là : d
22
= 30 (mm)
Để đảm bảo về mặt kết cấu cũng như độ bền của trục ta chọn:
d
22
= 30 (mm) d
23
= 30 (mm)
d
20
=d
21
= 25 (mm)
- Khi đó ta có kết cấu trục vào như sau:
Thông số trục II
Đoạn trục i 1 2 3 4 5
Đường kính 25 30 45 30 25
Độ dài 40 35 15 50 44
Đặc điểm
khác
Then
22x8x2.5
Then
28x8x2.5

III. Tính trục III.
3.1 Chọn vật liệu.
- Chọn vật liệu: Thép 45 tôi cải thiện
σ
b
= 750 Mpa; σ
ch
= 450 (Mpa); [τ] = 15÷30 (Mpa)
3.2 Xác định các thông số của trục.
3.2.1 Các lực tác dụng lên trục.
Lực tác dụng lên trục từ bộ truyền bánh răng cấp chậm
Lực vòng F
t
(N) 2071,6
Lực hướng kính F
r
(N) 1024,235
Lực dọc trục F
a
(N) 0
F
x23
= F
t
= 2071,6 (N)
F
y23
= F
r
= 1024,235 (N)

Lực tác dụng lên trục III từ khớp nối (chọn khớp nối trục vòng đàn hồi)
Theo công thức F
r
= K
x
. F
t
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 19
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
F
t
=
2T
D
=
140
299376.2
= 6652 (N)(D-chọn theo bảng 16-10a)
F
r
= (0,2…0,3)6652 = 1330…1996N
Nên lấy : F
r
=2000N
3.2.2 Tính sơ bộ trục.
d
3

=
3
20.2,0
299376
= 42,1 .chọn d
3
= 45(mm). chọn chiều rộng ổ lăn là:
b
3
= 25 (mm)
Chiều dài moayở của bánh răng chủ động được tính theo công thức:
l
m33
= (1,2… 1,5)d
3
= (1,2… 1,5)45 = 54…67,5 (mm)
Chọn l
m33
= 55 (mm)
Xác định khoảng cách giữa các điểm đặt lực
Chọn:
- Khoảng cánh từ mặt bên chi tiết quay đến thành trong của hộp
giảm tốc k
1
= 15 (mm)
- Khoảng cánh từ mặt bên của ổ đến thành trong của hộp giảm tốc
k
2
= 15 (mm)
- Khoảng cánh từ mặt bên của chi tiết quay ngoài đến nắp ổ

k
3
= 15 (mm)
- Chiều cao nắp ổ và đầu bulông h
n
= 20 (mm)
- Khoảng cánh giữa 2 chi tiết quay trong hộp k
4
= 15 (mm)
Từ các thông số trên ta có thể tính được:
- Khoảng cánh từ gối 0 đến tâm bánh răng bị động
l
33
= 100 (mm)
Khoảng cánh 2 gối
l
31
= 166 (mm)
Khoảng cánh từ gối 1 đến đĩa xích
l
32
= (b
03
+l
m33
)/2 + h
n
+ k
3
= (25+55)/2+20+15 =75 (mm)

Truc III :
- Ứng dụng modun Design Accelerator trong Inventor để tính toán trục như
sau: Trong môi trường Assembly ta kích chọn vào mục Design => Gọi lệnh
Shaft => xuất hiện hộp thoại Shaft Component Generator. Trong phần
Design của hộp thoại ta nhập thông số hình học của trục với:
Kiểu là hình trụ
Đường kính sơ bộ 45 (mm)
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 20
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Chiều dài sơ bộ L = l
11
= 166 + 75 = 241 (mm)
- Trong phận Calculation của hộp thoại ta nhập thông số tính toán của trục
với:
Modun đang hồi E = 2.10
4
(Mpa)
Modun trượt G = 8.10
3
(Mpa)
Tỷ trọng của vật liệu ρv= 7930 (kg/m
3
)
- Vị trí gối đỡ 1 cách điểm giữa trục là 75 (mm) (mặt đầu phải của trục)
- Vị trí gối đỡ 0 cách điểm giữa trục của trục là 120.5 (mm)(bên trái trục)

- Các lực tác dụng từ bộ truyền bánh răng tại vị trí 3 được đặt tại vị trí

cánh vị trí giữa trục là 20,5 mm(về bên trái trục). Chiều của các lực được đặt
đúng theo hệ trục tọa độ Oxyz khi gọi lệnh. F
x33
, F
y33
đều có chiều cùng với
chiều X, Y
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 21
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Lực tác dụng từ khớp nối được đặt tại vị trí cách giữa trục 120,5mm về phía bên trái
trục .Chiều của lực tác dụng ngược với chiều của bộ truyền bánh răng.
Ngoài ra trục còn chịu moomen xoắn T = T
3
= 299376 (Nmm) do khớp nối
gây ra:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 22
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí



- Sau khi khai báo các thông số tính toán cho trục vào ta có sơ đồ các
lực tác dụng lên lực như sau:
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc

Lớp : TCK8 Page 23
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 24
Trường : ĐH SPKT HƯNG YÊN Thiết kế mô phỏng động lực học máy
Khoa : Cơ Khí
Kích chọn nút Calculate ta thu được kết quả tính toán sau:
- Phản lực tại gối đỡ 0: F
x30
= -1655,663 (N)
F
y10
= -595,563 (N)
- Phản lực tại gối đỡ 1: F
x11
= 1727,263 (N)
F
y11
= -399,128 (N)
- Kích chọn mục Graphs ta thu được kết quả như sau

GVHD : Dương Tiến Công
SVTH : Nguyễn Văn Phúc
Lớp : TCK8 Page 25