Thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm tốc và bộ truyền đai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------------

LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ DÙNG
HỘP GIẢM TỐC VÀ BỘ TRUYỀN ĐAI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Nguyên, năm 2015
THÁI NGUYÊN, 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------------

LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ DÙNG
HỘP GIẢM TỐC VÀ BỘ TRUYỀN ĐAI

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60520103

LỜI CAM ĐOAN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VŨ NGỌC PI

Thái Nguyên, năm 2015


Tên tôi là: Lê Thị Phương Thảo, học viên lớp cao học khóa 14 - Kỹ thuật cơ
khí, hiện đang công tác tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Xin cam đoan:
Đề tài: "Thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm tốc và bộ truyền
đai" do thầy giáo PGS. TS Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là công trình do bản thân tôi thực
hiện dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn. Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kì một công trình nào khác, trừ các phần tham khảo đã được
nêu rõ trong luận văn.

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 1 năm 2015
Học viên

Lê Thị Phương Thảo


LỜI CẢM ƠN
Thứ nhất, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Vũ Ngọc Pi, người đã
tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình làm luận văn, thầy
luôn định hướng cho bài luận văn, chỉ bảo tôi cách tìm tài liệu tham khảo và cung cấp
một số tài liệu tham khảo để hoàn thiện luận văn. Đồng thời thầy đã hướng dẫn cho tôi
về cách trình bày bài luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới bộ môn Kỹ thuật cơ khí - Khoa Cơ khí - Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập

và làm luận văn.
Lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi về
kinh phí đào tạo cũng như thời gian học tập.
Tôi cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tôi công tác đã động viên giúp đỡ
tôi hoàn thành tốt công việc bộ môn để tạo điều kiện cho tôi được học tập tốt.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình tôi đã tạo điều kiện tốt nhất
để tôi hoàn thành khóa học này.
Thái Nguyên, ngày 6 tháng 1 năm 2015

Lê Thị Phương Thảo


MỤC LỤC
Lời cam đoan..................................................................................................................i
Lời cảm ơn.....................................................................................................................ii
Mục lục..........................................................................................................................iii
Danh mục các hình vẽ...................................................................................................v
Danh mục các bảng biểu.............................................................................................vii
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2
3. Kết quả dự kiến............................................................................................................ 3
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3
5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3
Chương 1: GIỚI THIỆU............................................................................................... 4
1.1 Giới thiệu về hệ dẫn động cơ khí............................................................................... 4
1.2 Sự cần thiết của tối ưu hóa hệ dẫn động cơ khí........................................................ 9
1.3 Mục tiêu của luận văn............................................................................................... 9
1.4 Kết luận chương 1 .................................................................................................. 10
Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ. 11

2.1 Các nghiên cứu của các tác giả trong nước ............................................................ 11
2.2 Các nghiên cứu của các tác giả nước ngoài............................................................ 16
2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................................... 20
Chương 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU ............................................... 21
3.1 Giới thiệu về bài toán tối ưu ................................................................................... 21
3.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát ..................................................................................... 21
3.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu................................................................................ 22
3.2 Xây dựng hàm đơn mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp giảm tốc và bộ truyền đai
là nhỏ nhất .................................................................................................................... 23
3.2.1 Khối lượng hộp giảm tốc ..................................................................................... 23


3.2.2 Khối lượng bộ truyền đai..................................................................................... 27
3.3 Bài toán tối ưu ........................................................................................................ 32
3.4 Kết luận chương 3 .................................................................................................. 33
Chương 4 : GIẢI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU ........................................................... 34
4.1 Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu............................................................ 34
4.1.1 Phương pháp đồ thị.............................................................................................. 34
4.1.2 Phương pháp biến đổi đơn hình........................................................................... 36
4.1.3 Phương pháp Gradient liên hợp........................................................................... 37
4.1.4 Phương pháp lát cắt vàng .................................................................................... 38
4.1.5 Phương pháp Lagrange........................................................................................ 38
4.1.6 Phương pháp tìm kiếm trực tiếp .......................................................................... 39
4.2 Lập trình giải bài toán tối ưu .................................................................................. 39
4.3 Kết quả và nhận xét ................................................................................................ 39
Chương 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................... 44
5.1 Kết luận .................................................................................................................. 44
5.2 Đề xuất.................................................................................................................... 45
Phụ lục ......................................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 52

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Một số sơ đồ truyền động bằng ma sát

7

Hình 1.2

Một số sơ đồ truyền động bằng ăn khớp

8

Hình 1.3

Sơ đồ hệ dẫn động băng tải

8

Hình 2.1

Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc và số
vòng quay máy phát

11

Hình 2.2

Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc và
khối lượng của hộp

12

Hình 2.3

Mối quan hệ giữa tỉ số truyền của hộp và tỉ số truyền các cấp

12

Hình 2.4

Mối quan hệ giữa tỉ số truyền của hộp và khối lượng chung của
cả hộp tăng tốc và máy phát

13

Hình 2.5

Quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp

14

Hình 2.6

Sơ đồ tính diện tích tiết diện A của hộp giảm tốc phân đôi cấp
chậm

14

Hình 2.7

Sơ đồ tính chiều dài L của hộp giảm tốc phân đôi cấp chậm

15

Hình 2.8

Quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp

16

Hình 2.9

Kết quả bài toán tối ưu các thông số mô đun, số răng và hệ số
bề rộng bánh răng

17

Hình 2.10

Kết quả bài toán tối ưu các thông số đường kính, chiều dài trục

l1 và l2

17

Hình 2.11

Kết quả bài toán tối ưu các thông số đường kính trong, đường
kính ngoài và bề rộng ổ lăn

17

Hình 2.12

Vị trí các biến thiết kế

19

Hình 2.13

Đồ thị biểu diễn phản hồi bề mặt theo tuổi thọ của các biến
thiết kế x1 , x2 và x3

19


Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ

Hỡnh 3.1

Hỡnh v tớnh th tớch bỏnh ai

30

Hỡnh 4.1

Phng phỏp th gii bi toỏn ti u

34

Hỡnh 4.2

S khi gii bi toỏn quy hoch tuyn tớnh

36

Hỡnh 4.3

Biu quan h gia t s truyn chung v khi lng ca h
dn ng

40

Hỡnh 4.4

Biu quan h gia t s truyn chung ca h dn ng v t
s truyn hp gim tc v b truyn ai

40

Hỡnh 4.5

Biu quan h gia t s truyn ca hp gim tc v b truyn
ai

42

HV: Lê Thị Phơng Thảo

8


Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ
DANH MC CC BNG BIU

TT

Ni dung

Trang

Bng 2.1

Kt qu ti u cỏc thụng s ca hp tc

18

Bng 2.2

Kt qu ti u cỏc thụng s ca trc

18

Bng 2.3

Kt qu ti u cỏc thụng s ca ln

18

Bng 3.1

Mi liờn h gia t s truyn u v t s a/dbd2 trong b truyn
ai

28

Bng 3.2

Bng giỏ tr cỏc thụng s dbd1 v [p] 0 theo tng loi ai

29

Bng 3.3

Bng giỏ tr h s C1 theo tng loi ai

31

Bng 3.4

Bng giỏ tr din tớch ai A v h s C2 theo tng loi ai

31

HV: Lê Thị Phơng

9



Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ
PHN M U

1. Tớnh cp thit ca ti
Trong nhng nm gn õy, cựng vi s phỏt trin nh v bóo ca xó hi núi
chung v ca khoa hc k thut núi riờng, cỏc ngnh cụng nghip cng khụng nm
ngoi vũng xoỏy ú. Lnh vc c khớ ch to mỏy vỡ th ang ng trc nhiu vn
cn gii quyt. Cỏc sn phm c khớ cng yờu cu ngy cng cao v cht lng v tớnh
cht s dng. Chớnh vỡ vy, vn thit k ti u chi tit mỏy hay h dn ng c khớ
c c bit quan tõm.
truyn ng t ng c n cỏc c cu cụng tỏc cú tc v quy lut
chuyn ng khỏc nhau, cỏc b truyn ng c khớ, hp gim tc v cỏc b truyn
ngoi c s dng khỏ ph bin. Cú khỏ nhiu cỏc nghiờn cu nc ngoi v tớnh
toỏn ti u c v hp gim tc v b truyn ngoi. Cỏc nghiờn cu ny tp trung vo
vic ti u hp gim tc theo nhiu ch tiờu khỏc nhau nh khi lng, tit din nh

nht vv B truyn ai ngoi hp cng c nghiờn cu ti u theo nhiu khớa cnh.
- Vic phõn phi t s truyn cho cỏc loi hp gim tc khỏc nhau nh hp
bỏnh rng tr 2 cp, 3 cp, hp gim tc bỏnh rng cụn tr, hp gim tc bỏnh rng
ng trc, hp gim tc hnh tinh 2 cp v hp vi sai kớn ó c a ra bng phng
phỏp th. Tớnh toỏn ti u t s truyn cho hp gim tc bỏnh rng tr nhiu cp cú
th tin hnh theo nhiu ch tiờu khỏc nhau nh theo ch tiờu th tớch ca cỏc bỏnh rng
nh nht, theo ch tiờu khi lng ca cỏc bỏnh rng l nh nht hoc tit din ngang
ca hp l nh nht.
- Vi b truyn ai ngoi hp, cho n nay ó cú khỏ nhiu nghiờn cu v tớnh
toỏn thit k v thit k ti u c cụng b. Vic tớnh toỏn chớnh xỏc h s trt trong
b truyn ai ó c cp n. Vic xỏc nh gúc nghiờng ti u ca rónh ai trong
b truyn ai thang c nờu ra. S phõn b ng sut trong ai thang ó c trỡnh
by v nh hng ca nhit sinh ra n gii hn mi ca ai thang cng ó c
nghiờn cu. khụng n nh ca dõy ai cng ó c nghiờn cu c v lý thuyt v
thc nghim. So sỏnh v c tớnh ca cỏc loi ai khỏc nhau vi vic nhn mnh hiu
sut, giỏ thnh v phm vi ng dng, v cỏc gii thiu v vic nghiờn cu, phỏt trin,
quỏ trỡnh lm vic nhm tng cụng sut truyn dn.

HV: Lê Thị Phơng

10



- Trong việc thiết kế tối ưu hộp giảm tốc nói chung cũng như bộ truyền ngoài
nói riêng, việc phân phối tối ưu tỉ số truyền là vấn đề có ý nghĩa quyết định. Thiết kế
tối ưu hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển dùng cho máy phát
điện sức gió trục đứng, các phân phối tối ưu tỉ số truyền trong hệ bánh răng n cấp thỏa
mãn các ràng buộc về động học và độ bền đã nghiên cứu. Trong một số nghiên cứu
cũng đã giới thiệu cách phân phối tỉ số truyền trong hộp giảm tốc trục vít – bánh răng

từ một số tiêu chí như thiết kế hộp giảm tốc có khả năng bôi trơn bằng phương pháp
ngâm dầu, hộp giảm tốc có kích thước nhỏ nhất theo chiều dài, khối lượng nhỏ nhất …
Việc xác định tỉ số truyền cho bộ truyền đai được đưa ra dưới các công thức kinh
nghiệm.
- Qua các phân tích ở trên ta thấy hầu hết các nghiên cứu ở nước ngoài mới chỉ
dừng lại ở việc nghiên cứu tối ưu cho các hộp giảm tốc nhiều cấp theo nhiều chỉ tiêu
và xác định một số các thông số hình học của bộ truyền đai mà chưa có nghiên cứu
nào chỉ ra quan hệ tối ưu giữa bộ truyền ngoài với việc tối ưu hộp giảm tốc cũng như
chưa có một nghiên cứu nào về tính toán tối ưu bộ truyền đai ngoài hộp.Trong nước
cũng không ít các nghiên cứu đã công bố về tầm quan trọng cũng như tính toán tối ưu
cho hộp tốc độ và bộ truyền ngoài theo các chỉ tiêu khác nhau.
Từ các thống kê ở trên ta thấy rằng cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu trong
và ngoài nước về thiết kế tối ưu hệ thống dẫn động cơ khí. Tuy nhiên, những nghiên
cứu này thường tập trung vào thiết kế tối ưu các hộp giảm tốc các loại theo nhiều chỉ
tiêu khác nhau chứ chưa có nghiên cứu nào về thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí bao
gồm cả hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài. Trên thực tế, hệ dẫn động cơ khí gồm một
hộp giảm tốc và bộ truyền đai được dùng rất phổ biến vì việc sử dụng bộ truyền đai
trong hệ thống cho phép tăng tỉ số truyền, giảm giá thành và có thể dùng bộ truyền đai
làm cơ cấu phòng quá tải. Vì lý do đó, đề tài “Thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùng
hộp giảm tốc và bộ truyền đai” là cấp thiết.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Lựa chọn được thông số thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm tốc
bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai để đạt khối lượng của hệ dẫn động là
nhỏ nhất.
- Xác định được tỉ số truyền tối ưu phân phối cho hộp giảm tốc và bộ truyền đai
để đạt khối lượng của hệ dẫn động là nhỏ nhất.


3. Kết quả dự kiến
- Xác định được thông số thiết kế tối ưu cho hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm

tốc và bộ truyền đai.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Đề tài được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
5. Nội dung nghiên cứu
5.1 Nghiên cứu tổng quan về thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí.
5.2 Xác định hàm mục tiêu, xây dựng hàm mục tiêu.
5.3 Giải bài toán tối ưu.
5.4 Phân tích kết quả và nhận xét.
5.5 Viết báo cáo khoa học.


Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ
1.1 Các hệ dẫn động và hệ dẫn động cơ khí
- Trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ có thể sử dụng nhiều loại truyền
động khác nhau: Truyền động cơ khí, truyền động điện, truyền động thủy lực và truyền
động khí ép. Sở dĩ cần sử dụng truyền động để nối động cơ với bộ phận công tác vì:
+ Tốc độ cần thiết của các bộ phận nói chung khác với tốc độ của động cơ
tiêu chuẩn (thường là thấp hơn). Nếu chế tạo động cơ có tốc độ thấp, mô men lớn thì
kích thước lớn, giá thành đắt.
+ Nhiều khi cần truyền động từ một động cơ đến nhiều cơ cấu làm việc với
các tốc độ khác nhau.
+ Động cơ chuyển động quay đều nhưng bộ phận công tác cần chuyển động
tịnh tiến hoặc chuyển động với một tốc độ thay đổi theo một quy luật nào đó.
+ Vì điều kiện sử dụng, an toàn lao động hoặc vì khuôn khổ kích thước của
máy nhiều khi không thể nối trực tiếp động cơ với bộ phận công tác của máy.
* Truyền động thủy lực:
- Là loại truyền động truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận làm việc
của các máy. Loại truyền động này đáp ứng được yêu cầu là êm, ổn định, dễ tự động
hóa...Tùy vào loại máy thủy lực sử dụng trong truyền động mà phân loại thành truyền

động thủy động và truyền động thủy tĩnh (thể tích) có đặc điểm sử dụng và phạm vi
làm việc khác nhau.
- Ưu điểm:
+ Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động điều chỉnh vận tốc chuyển
động của bộ phận làm việc.
+ Đảm bảo cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi tải
trọng ngoài.
+ Truyền được công suất làm việc lớn.
+ Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ do trọng lượng trên một đơn vị công suất
truyền nhỏ. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong các hệ thống tự động.


+ Chất lỏng làm việc chủ yếu là dầu khoáng nên dễ có điều kiện bôi trơn tốt các
chi tiết, do đó truyền chuyển động êm, không ồn.
+ Có thể đề phòng sự cố khi quá tải.
- Nhược điểm:
+ Vận tốc truyền động hạn chế do điều kiện chống xâm thực, đề phòng va đập
thủy lực, co tổn thất cột áp...
+ Làm việc với chất lỏng do đó phải bảo đảm điều kiện làm kín, chất lỏng dễ bị
rò rỉ, không khí lọt vào truyền động, do vậy kết cấu phức tạp, khó chế tạo.
+ Yêu cầu về chất lỏng làm việc khá phức tạp: Độ nhớt (yêu cầu rò rỉ ít, tổn thất
năng lượng nhỏ); Tính chất dầu ít thay đổi theo nhiệt độ và áp suất; Tính chất hóa học
bền vững; Khó cháy, ít hòa tan với các chất khác, không ăn mòn kim loại; Thường
xuyên làm việc với dầu khoáng là chất lỏng dễ cháy nên phải chú ý làm mát máy.
Truyền động thủy lực do có nhiều ưu điểm nên được sử dụng ngày càng nhiều
trong công nghiệp. Để khắc phục những nhược điểm của truyền động thủy lực hiện
nay người ta dùng các loại truyền động liên hợp như truyền động thủy - cơ, điện - thủy
- cơ, thủy - khí - cơ...
* Truyền động điện:
- Là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục

vụ cho việc biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu
công tác trên máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển
quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.
- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với
lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
- Truyền động điện có điều chỉnh: Tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có
hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô
men, lực kéo và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là
hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ...
* Truyền động khí nén:
- Hệ thống truyền động bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các
thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất
các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra hệ


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong
các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao
bì và trong công nghiệp hóa chất.
- Ưu điểm:
+ Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén
nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.
+ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí
nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí
nén.
+ Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra
ngược trở lại bầu khí quyển.

+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống
dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn.
+ Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần
lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén.
+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm
của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
+ Các thành phần vận hành trong hệ thống ( cơ cấu dẫn động, van,...) có cấu
tạo đơn giản và giá thành không đắt.
+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành
logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp cà các móc phức hợp.
- Nhược điểm:
+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp.
+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo,
bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. (Không thể thực hiện được những chuyển
động thẳng hoặc quay đều).
+ Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn.
* Truyền động cơ khí:
- Trong các loại truyền động thì truyền động cơ khí được sử dụng nhiều hơn cả.
Truyền động cơ khí là truyền động dùng các cơ cấu để truyền cơ năng từ động cơ đến


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

các bộ phận làm việc của máy, thông thường có biến đổi vận tốc, lực, mô men và đôi
khi biến đổi cả đặc tính, quy luật chuyển động.
- Truyền động cơ khí dựa trên hai nguyên lý:
+ Truyền động bằng ma sát: Truyền động bánh ma sát, truyền động đai (Hình
1.1).

a)

b)
Hình 1.1 Một số sơ đồ truyền động bằng ma sát
a) Truyền động bánh ma sát
b) Truyền động đai

+ Truyền động bằng ăn khớp: Truyền động bánh răng, truyền động trục vít bánh vít, truyền động xích (Hình 1.2).

a)


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

b)

c)

Hình 1.2 Một số sơ đồ truyền động bằng ăn khớp
a) Truyền động bánh răng
b) Truyền động trục vít - bánh vít
c) Truyền động xích

Trong công nghiệp, để nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế cũng như tính
khả thi người ta chỉ chế tạo ra các động cơ điện có công suất và vận tốc quay là giá trị
cụ thể trong các bảng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, trong sản xuất thực tế, các chuyển động
cơ học của máy thường yêu cầu các giá trị công suất ngoài tiêu chuẩn. Vì vậy, các

động cơ điện không thể truyền trực tiếp công suất sang cho các hệ thống truyền động
mà phải thông qua thiết bị chuyển đổi công suất. Một trong những thiết bị phổ biến
nhất là hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động cơ khí bằng nguyên lý ăn
khớp trực tiếp với tỉ số truyền không đổi nhằm giảm vận tốc góc và tăng mô men
xoắn. Vậy một hệ thống máy chuyển động cần phải có động cơ, bộ truyền, hộp giảm
tốc (hoặc hộp tăng tốc) và hệ thống tải. Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống
dẫn động cơ khí (Hình 1.3).

Ft
5

4

3

1. Động cơ điện.
2. Bộ truyền đai
3. Bộ truyền bánh răng cấp nhanh, chậm.
4. Khớp nối.

2

5. Băng
tải.

1
Hình 1.3 Sơ đồ hệ dẫn động băng tải


Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ

1.2 S cn thit ca ti u húa h dn ng c khớ
Vic tớnh toỏn thit k h dn ng c khớ cú vai trũ quan trng trong thit k
mỏy núi chung. H dn ng c khớ c thit k phi tha món cỏc yờu cu k thut,
lm vic n nh trong sut thi gian phc v ó nh vi chi phớ ch to v s dng
thp nht. ng nhiờn cỏc b phn cu thnh nờn h dn ng c thit k ra ngoi
vic thc hin tt chc nng ca mỡnh cũn cn m bo mt s ch tiờu nht nh m
ngi thit k yờu cu. ú trc ht l nng sut, tin cy v tui th cao, kinh t
trng ch to v s dng, thun li v an ton trong chm súc bo dng...Ngoi ra
cũn cú cỏc yờu cu khỏc, tựy theo trng hp c th, chng hn nh khuụn kh kớch
thc nh gn, khi lng gim, lm vic ờm, hỡnh thc p...
Trong quỏ trỡnh tớnh toỏn thit k h dn ng c khớ cn quan tõm v cõn nhc
gii quyt mt vn quan trng: Kt cu cn cú s hi hũa v kớch thc ca cỏc
b phn trong h dn ng. S hi hũa v mt kớch thc ca cỏc b phn mỏy trong
h dn ng cú th c thc hin bng nhiu bin phỏp nh chn loi truyn ng
(truyn ng thng, truyn ng hnh tinh, truyn ng trc vớt...), loi khp ni, s
phõn phi t s truyn trong h dn ng, chn vt liu v.v...
Vn tớnh toỏn thit k ti u h dn ng c khớ núi chung v mt s b
phn ca h dn ng núi riờng c chỳ trng nhiu trong nhng nm gn õy. Trong
tớnh toỏn thit k ti u h dn ng c khớ thỡ vic thit k ti u hp gim tc v b
truyn ngoi úng vai trũ rt quan trng vỡ chỳng l nhng b phn chớnh ca h dn
ng c khớ. Hn na, quỏ trỡnh thit k ti u hp gim tc v b truyn ngoi cú liờn
h mt thit vi nhau vỡ t s truyn ca hp gim tc v ca b truyn ngoi cú nh
hng trc tip n khi lng ca ton h dn ng.
1.3 Mc tiờu ca lun vn
- La chn c thụng s thit k ti u cho h dn ng h dn ng c khớ
dựng hp gim tc bỏnh rng tr hai cp khai trin v b truyn ai.
- Xỏc nh c t s truyn hp lý dựng trong h dn ng gm hp gim tc

bỏnh rng tr hai cp khai trin v b truyn ai t c khi lng h dn ng l
nh nht.


Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ

1.4 Kt lun chng 1
- H dn ng c khớ ó c s dng rng rói v cú mt v trớ quan trng trong
ngnh cụng nghip núi chung v c khớ núi riờng. Tớnh toỏn thit k ti u h dn
ng c c bit quan tõm nghiờn cu trong nhiu nm tr li õy.
- Cỏc h truyn ng chớnh c s dng trong cụng nghip ó c gii thiu
t ú cu to cng nh vai trũ ca h dn ng c khớ ó c kho sỏt.
- H dn ng c khớ bao gm nhiu b phn trong ú hp gim tc v b
truyn ngoi úng vai trũ rt quan trng. Do ú hp gim tc v b truyn ngoi ó
c la chn l i tng ti u húa.
- Trong vic thit k ti u hp gim tc v b truyn ai, t s truyn l thụng
s quan trng cn c phõn phi ti u vỡ chỳng cú nh hng rt ln n kt cu,
khuụn kh, khi lng...v qua ú nh hng n giỏ thnh ca ton h thng.


Luận văn thạc sĩ

Trờng ĐH Kỹ
Chng 2

TNG QUAN V THIT K TI U H DN NG C KH
truyn ng t ng c n cỏc c cu cụng tỏc cú tc v quy lut
chuyn ng khỏc nhau, cỏc b truyn ng c khớ, hp gim tc v b truyn ngoi

c s dng khỏ ph bin. Vic thit k ti u h dn ng cú tỏc dng rt ln trong
vic lm gim khi lng cng nh giỏ thnh, qua ú nõng cao nng sut v hiu qu
s dng ca h. Cú khỏ nhiu cỏc nghiờn cu trong v ngoi nc v tớnh toỏn thit k
ti u c v hp gim tc v b truyn ngoi. Cỏc nghiờn cu ny tp trung vo vic
ti u hp gim tc theo nhiu tiờu chớ khỏc nhau nh khi lng, tit din nh
nht..v.v... B truyn ngoi hp cng c nghiờn cu ti u theo nhiu khớa cnh.
Chng ny trỡnh by cỏc kt qu nghiờn cu tỡm hiu v thit k ti u hp gim tc
v b truyn ngoi ca cỏc tỏc gi trong v ngoi nc.
2.1 Mt s nghiờn cu ca cỏc tỏc gi trong nc
Cho n nay, cỏc tỏc gi trong nc ó cú nhiu c gng nghiờn cu v thit k
ti u h dn ng dựng hp gim tc v b truyn ngoi. Cỏc tỏc gi trong [16] ó
tin hnh thit k ti u hp tng tc bỏnh rng tr rng nghiờng hai cp khai trin
dựng trong mỏy phỏt in sc giú trc ng da trờn c s tớnh toỏn khi lng ca
hp tng tc v mỏy phỏt nhm t khi lng nh nht cng nh giỏ thnh ca h l
thp nht. Cỏc kt qu t c bao gm: Cú th la chn t s truyn ti u cho hp
tng tc bỏnh rng tr rng nghiờng hai cp khai trin, la chn s vũng quay hp lý
cho mỏy phỏt gim c khi lng ca mỏy phỏt hay chớnh giỏ thnh ca mỏy
phỏt khi kt hp vi hp tng tc trong h thng tuc bin. Mi quan h gia t s
truyn ca hp tng tc v s vũng quay ca mỏy phỏt c ch ra trờn hỡnh 2.1.

Hỡnh 2.1 Biu quan h gia t s truyn chung ca hp tng tc
v s vũng quay mỏy phỏt [16].


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

Với số vòng quay của máy phát càng lớn thì yêu cầu tăng tốc càng nhiều. Vì
vậy cần phải sử dụng hộp tăng tốc với tỉ số truyền lớn hơn và kết quả là kích thước,

khối lượng và giá thành của hộp tăng tốc tăng lên. Do đó cần phải phối hợp giữa tỉ số
truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay máy phát để đạt được kích thước, khối lượng,
giá thành của chúng là nhỏ nhất.

Hình 2.2 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền của hộp tăng tốc
và khối lượng của hộp [16].

Biểu đồ 2.2 chỉ ra rằng khối lượng tối ưu của hộp tăng không lớn khi tỉ số
truyền của hộp tăng. Vậy khi muốn thiết kế tối ưu hộp tăng tốc để đạt giá thành hộp
nhỏ nhất sẽ căn cứ vào kết quả này để lựa chọn được tỉ số truyền các cấp trong hộp là
hợp lý. Việc lựa chọn tỉ số truyền các cấp được trình bày trên hình 2.3. Khi tỉ số truyền
chung của hộp tăng thì tỉ số truyền các cấp cũng tăng. Tuy nhiên tỉ số truyền cấp
nhanh tăng nhanh hơn cấp chậm.

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp [16].

+ Công thức tính tỉ số truyền cấp nhanh của hộp:
u2  0, 6417.uh0.7192


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

Khi đó giá trị tỉ số truyền của bộ truyền cấp chập được xác định theo biểu thức
u1  uh / u2 . Hình 2.4 chỉ ra rằng khi tỉ số truyền của hộp tăng tốc tăng thì khối lượng

chung (bao gồm khối lượng của hộp tăng tốc và máy phát) giảm.

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa tỉ số truyền của hộp và

khối lượng chung của cả hộp tăng tốc và máy phát [16].

+ Công thức liên hệ giữa tỉ số truyền của hộp tăng tốc và khối lượng chung như sau:
0,2578

G  258, 92.u h

.

+ Tỉ số truyền tối ưu của hộp tăng tốc đã được xác định uh = 20. Với tỉ số truyền này
khối lượng và giá thành của hệ đạt giá trị nhỏ nhất.
Để giải bài toán phân phối tối ưu tỉ số truyền trong hệ dẫn động cơ khí thỏa mãn đồng
thời một số chỉ tiêu, Trịnh Chất [17] đã tiến hành tìm lời giải trước hết cho hệ truyền
động bánh răng, cụ thể qua các bước:
-

Mô hình hóa các hệ dẫn động theo đặc điểm ăn khớp, kết cấu và số cấp.

-

Nghiên cứu lựa chọn các chỉ tiêu tối ưu, thiết lập các hàm mục tiêu và các ràng
buộc.

-

Nghiên cứu ứng dụng của các phương pháp gần đúng để giải bài toán tối ưu
đơn mục tiêu và đa mục tiêu.

Hàm mục tiêu và các ràng buộc được thiết lập cho khối lượng nhỏ nhất, hiệu suất
truyền động cao nhất và mô men quán tính khối lượng thu gọn nhỏ nhất lần lượt là:

+ Khối lượng nhỏ nhất: Bỏ qua khối lượng của trục, khối lượng của các bánh răng có
kể đến thể tích bị khoét rỗng của hệ n cấp:
 n 2
G
4

i 1

d

b (e1i  ui 2e2i )

1i wi


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr•êng §H Kü

+ Hiệu suất truyền động cao nhất:
V

1

n

8

i 1

d

2
2i wi

b (i  sini  )

+ Mô men quán tính khối lượng thu gọn nhỏ nhất: Bỏ qua mô men quán tính của khối
lượng trục, mô men quán tính của khối lượng bánh răng, có kể đến thể tích bị khoét
rỗng, thu gọn về trục dẫn:

J  32

n

i 1



1i
4

wi

d b

(e  u 2e )
i 1

1i

i

2i

u 2j
j 0

Hình 2.5 Quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp [18]

Hình 2.6 Sơ đồ tính diện tích tiết diện A của hộp giảm tốc phân đôi cấp chậm [18]


Hình 2.5 trình bày kết quả nghiên cứu về mối liên hệ giữa tỉ số truyền chung
của hộp và tỉ số truyền các cấp trong hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp
phân đôi cấp chậm (được tính toán với K c 2  1.1, 

ba1

 0.3, 

ba 2

 0.35 ). Tác giả đã tiến

hành giải bài toán tối ưu với hàm mục tiêu: min A  f (u h ; u 2 trong đó A=L.h chính là
)

diện tích tiết diện mặt cắt ngang của hộp (Hình 2.6).
Kết quả trên hình 2.5 chỉ ra rằng nếu tỉ số truyền của hộp uh tăng thì tỉ số truyền

các cấp cũng tăng theo, trong đó tỉ số truyền của bộ truyền cấp nhanh u1 tăng nhanh
hơn tỉ số truyền của bộ truyền cấp chậm u2. Qua đó xác định được giá trị tối ưu của u2
theo công thức sau [18]:
u  1, 2776. 3
2
.u
2

KC 2 .

 ba1

ba

h

Với mỗi loại hộp giảm tốc thì việc phân phối tỉ số truyền là khác nhau và có
ảnh hưởng trực tiếp đến thông số tối ưu của các hàm đơn muc tiêu và/hoặc đa mục tiêu
được thiết lập cho từng loại hộp. Trên hình 2.7 tác giả Vũ Ngọc Pi đã đưa ra sơ đồ tính
toán cho hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng 4 cấp [18].

Hình 2.7 Sơ đồ tính chiều dài L của hộp giảm tốc phân đôi cấp chậm [19]

Tác giả đã thiết lập bài toán tối ưu xác định chiều dài nhỏ nhất của hộp giảm tốc
thông qua hàm đơn mục tiêu sau: min L 


f (u h ; u 2 ; u 3 ; u 4 ) . Kết quả thu

được sau khi

giải bài toán tối ưu được thể hiện trên hình 2.8 [19].