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

Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

..

I HC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------------

LÊ THỊ PHƢƠNG THẢO

THIẾT KẾ TỐI ƢU 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
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

1


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

I HC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------------

LÊ THỊ PHƢƠNG THẢO

THIẾT KẾ TỐI ƢU 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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VŨ NGC PI

Thỏi Nguyờn, nm 2015
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

2


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Tờn tụi là: Lê Thị Phương Thảo, học viên lớp cao học khóa 14 - Kỹ thuật cơ
khí, hiện đang cơng tác tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Xin cam đoan:

Đề tài: "Thiết kế tối ƣu hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm tốc và bộ truyền
đai" do thầy giáo PGS. TS Vũ Ngọc Pi hướng dẫn là cơng trình do bản thân tơi 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 cơng bố trong bất kì một cơng trình nào khác, trừ các phần tham khảo đã được
nêu rõ trong luận văn.

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 1 năm 2015
Hc viờn

Lờ Th Phng Tho

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

3


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
LI CM ƠN

Thứ nhất, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Vũ Ngọc Pi, người đã
tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này. Trong q trình làm luận văn, thầy
luôn định hướng cho bài luận văn, chỉ bảo tơi 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.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới bộ mơn Kỹ thuật cơ khí - Khoa Cơ khí - Trường
Đại học Kỹ thuật Cơng 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 tơi về
kinh phí đào tạo cũng như thời gian học tập.
Tôi cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tơi cơng tác đã động viên giúp đỡ
tơi hồn thành tốt công việc bộ môn để tạo điều kiện cho tôi được học tập tốt.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình tơi đã tạo điều kiện tốt nhất
để tơi hồn thành khóa học này.
Thái Ngun, ngày 6 tháng 1 năm 2015

Lê Thị Phương Thảo

HV: Lª Thị Ph-ơng Thảo

4


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

MC LC
Li 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
Chƣơng 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
Chƣơng 2 : TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƢU 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
Chƣơng 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƢU ............................................... 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 gim tc ..................................................................................... 23
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

5


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

3.2.2 Khi lượng bộ truyền đai ..................................................................................... 27
3.3 Bài toán tối ưu ........................................................................................................ 32
3.4 Kết luận chương 3 .................................................................................................. 33
Chƣơng 4 : GIẢI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƢU ........................................................... 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
Chƣơng 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................... 44
5.1 Kết luận .................................................................................................................. 44
5.2 Đề xuất.................................................................................................................... 45
Phụ lc ......................................................................................................................... 46
TI LIU THAM KHO.......................................................................................... 52

HV: Lê Thị Ph-ơng Th¶o

6


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

DANH MC 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
vịng 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 đơi cấp
chậm

14

Hình 2.7

Sơ đồ tính chiều dài L của hộp giảm tốc phân đơi 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 tốn tối ưu các thơng số mơ đun, số răng và hệ số
bề rộng bánh răng

17

Hình 2.10

Kết quả bài tốn tối ưu các thơng số đường kính, chiều dài trục
l1 và l2

17

Hình 2.11

Kết quả bài tốn tối ưu các thơng số đường kính trong, đường
kính ngồi 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 cỏc bin
thit k x1 , x2 v x3

19

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

7


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Hỡnh 3.1

Hỡnh vẽ tính thể tích bánh đai

30

Hình 4.1

Phương pháp đồ thị giải bài tốn tối ưu

34

Hình 4.2

Sơ đồ khối giải bài tốn quy hoạch tuyến tính

36

Hình 4.3

Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung và khối lượng của hệ
dẫn động

40

Hình 4.4

Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hệ dẫn động và tỉ
số truyền hộp giảm tốc và bộ truyền đai

40

Hình 4.5

Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyn ca hp gim tc v b truyn

ai

42

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

8


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
DANH MC CÁC BẢNG BIỂU

TT

Nội dung

Trang

Bảng 2.1

Kết quả tối ưu các thông số của hộp tốc độ

18

Bảng 2.2

Kết quả tối ưu các thông số của trục

18

Bảng 2.3

Kết quả tối ưu các thông số của ổ lăn

18

Bảng 3.1

Mối liên hệ giữa tỉ số truyền u và tỉ số a/dbd2 trong bộ truyền
đai

28

Bảng 3.2

Bảng giá trị các thông số dbd1 và [p] 0 theo từng loại đai

29

Bảng 3.3

Bảng giá trị hệ số C1 theo từng loại đai

31

Bảng 3.4

Bảng giá trị diện tích đai A v h s C2 theo tng loi ai

31

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

9


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

PHN M ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển như vũ bão của xã hội nói
chung và của khoa học kỹ thuật nói riêng, các ngành cơng nghiệp cũng khơng nằm
ngồi vịng xốy đó. Lĩnh vực cơ khí chế tạo máy vì thế đang đứng trước nhiều vấn đề
cần giải quyết. Các sản phẩm cơ khí cũng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và tính
chất sử dụng. Chính vì vậy, vấn đề thiết kế tối ưu chi tiết máy hay hệ dẫn động cơ khí
được đặc biệt quan tâm.
Để truyền động từ động cơ đến các cơ cấu cơng tác có tốc độ và quy luật
chuyển động khác nhau, các bộ truyền động cơ khí, hộp giảm tốc và các bộ truyền
ngồi được sử dụng khá phổ biến. Có khá nhiều các nghiên cứu nước ngồi về tính
tốn tối ưu cả về hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài. Các nghiên cứu này tập trung vào
việc tối ưu hộp giảm tốc theo nhiều chỉ tiêu khác nhau như khối lượng, tiết diện nhỏ
nhất vv… Bộ truyền đai ngoài hộp cũng được nghiên cứu tối ưu theo nhiều khía cạnh.
- Việc phân phối tỉ số truyền cho các loại hộp giảm tốc khác nhau như hộp
bánh răng trụ 2 cấp, 3 cấp, hộp giảm tốc bánh răng côn trụ, hộp giảm tốc bánh răng
đồng trục, hộp giảm tốc hành tinh 2 cấp và hộp vi sai kín đã được đưa ra bằng phương
pháp đồ thị. Tính tốn tối ưu tỉ số truyền cho hộp giảm tốc bánh răng trụ nhiều cấp có

thể tiến hành theo nhiều chỉ tiêu khác nhau như theo chỉ tiêu thể tích của các bánh răng
nhỏ nhất, theo chỉ tiêu khối lượng của các bánh răng là nhỏ nhất hoặc tiết diện ngang
của hộp là nhỏ nhất.
- Với bộ truyền đai ngồi hộp, cho đến nay đã có khá nhiều nghiên cứu về tính
tốn thiết kế và thiết kế tối ưu được cơng bố. Việc tính tốn chính xác hệ số trượt trong
bộ truyền đai đã được đề cập đến. Việc xác định góc nghiêng tối ưu của rãnh đai trong
bộ truyền đai thang được nêu ra. Sự phân bố ứng suất trong đai thang đã được trình
bày và ảnh hưởng của nhiệt độ sinh ra đến giới hạn mỏi của đai thang cũng đã được
nghiên cứu. Độ không ổn định của dây đai cũng đã được nghiên cứu cả về lý thuyết và
thực nghiệm. So sánh về đặc tính của các loại đai khác nhau với việc nhấn mạnh hiệu
suất, giá thành và phạm vi ứng dụng, và các giới thiệu về việc nghiên cứu, phát triển,
quá trình làm việc nhằm tăng cơng suất truyền dẫn.

HV: Lª Thị Ph-ơng Thảo

10


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

- Trong việc thiết kế tối ưu hộp giảm tốc nói chung cũng như bộ truyền ngồi
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 bơi 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 tốn tối ưu bộ truyền đai ngồi hộp.Trong nước
cũng khơng ít các nghiên cứu đã công bố về tầm quan trọng cũng như tính tốn 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 phịng q 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 l nh nht.
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

11


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

3. Kt 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. Phƣơng 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 tốn tối ưu.
5.4 Phân tích kết quả v nhn xột.
5.5 Vit bỏo cỏo khoa hc.

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

12


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Chng 1
GII 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 cơng 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 cơng 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, mơ 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 tồn lao động hoặc vì khn khổ kích thước của
máy nhiều khi khơng 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 ngồi.
+ Truyền được cơng suất làm việc lớn.
+ Kết cấu gọn nhẹ, có qn 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 ng.

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

13


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

+ Cht lỏng làm việc chủ yếu là dầu khoáng nên dễ có điều kiện bơi trơn tốt các
chi tiết, do đó truyền chuyển động êm, khơng ồn.
+ Có thể đề phịng 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
rị rỉ, khơng 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 (u cầu rị 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 hịa tan với các chất khác, khơng ăn mịn kim loại; Thường
xun 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 cơng truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển
q trình biến đổi năng lượng đó theo u 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 cơng 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 mơi trường rất tốt v an ton cao. Ngoi ra h
HV: Lê Thị Ph-ơng Th¶o

 14 


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

thng iu 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 cơng 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 khơng 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.
+ Khơng khí dùng để nén, hầu như có số lượng khơng giới hạn và có thể thải ra
ngược trở lại bầu khí quyển.
+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rị rỉ khơng khí nén ở hệ thống ống
dẫn, do đó khơng 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 phịng 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 khơng 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).
+ Dịng khí thốt 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 n
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

15


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

cỏc b phận làm việc của máy, thơng 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 bỏnh vớt, truyn ng xớch (Hỡnh 1.2).

a)
HV: Lê Thị Ph-ơng Th¶o

 16 


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

b)

c)

Hỡnh 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 cơng 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 cơng suất ngồi 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 mơ 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
3
4

1. Động cơ điện.

5

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 ng bng ti

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

17

Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

1.2 S cần thiết của tối ƣu hóa hệ dẫn động cơ khí
Việc tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí có vai trị quan trọng trong thiết kế
máy nói chung. Hệ dẫn động cơ khí được thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật,
làm việc ổn định trong suốt thời gian phục vụ đã định với chi phí chế tạo và sử dụng
thấp nhất. Đương nhiên các bộ phận cấu thành nên hệ dẫn động được thiết kế ra ngồi
việc thực hiện tốt chức năng của mình cịn cần đảm bảo một số chỉ tiêu nhất định mà
người thiết kế yêu cầu. Đó trước hết là năng suất, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kinh tế
trọng chế tạo và sử dụng, thuận lợi và an toàn trong chăm sóc bảo dưỡng...Ngồi ra
cịn có các u cầu khác, tùy theo trường hợp cụ thể, chẳng hạn như khuôn khổ kích
thước nhỏ gọn, khối lượng giảm, làm việc êm, hình thức đẹp...
Trong q trình tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí cần quan tâm và cân nhắc
để giải quyết một vấn đề quan trọng: Kết cấu cần có sự hài hịa về kích thước của các
bộ phận trong hệ dẫn động. Sự hài hịa về mặt kích thước của các bộ phận máy trong
hệ dẫn động có thể được thực hiện bằng nhiều biện pháp như chọn loại truyền động
(truyền động thường, truyền động hành tinh, truyền động trục vít...), loại khớp nối, sự
phân phối tỉ số truyền trong hệ dẫn động, chọn vật liệu v.v...
Vấn đề tính tốn thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí nói chung và một số bộ
phận của hệ dẫn động nói riêng được chú trọng nhiều trong những năm gần đây. Trong
tính tốn thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí thì việc thiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ
truyền ngồi đóng vai trị rất quan trọng vì chúng là những bộ phận chính của hệ dẫn
động cơ khí. Hơn nữa, q trình thiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ truyền ngồi có liên
hệ mật thiết với nhau vì tỉ số truyền của hộp giảm tốc và của bộ truyền ngồi có ảnh
hưởng trực tiếp đến khối lượng của toàn hệ dẫn động.
1.3 Mục tiêu của luận văn

- Lựa chọn được thông số thiết kế tối ưu cho hệ dẫn động hệ dẫn động cơ khí
dùng hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai.
- Xác định được tỉ số truyền hợp lý dùng trong hệ dẫn động gồm hộp giảm tốc
bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai để đạt được khối lượng hệ dẫn ng l
nh nht.

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

18


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

1.4 Kt luận chƣơng 1
- Hệ dẫn động cơ khí đã được sử dụng rộng rãi và có một vị trí quan trọng trong
ngành cơng nghiệp nói chung và cơ khí nói riêng. Tính tốn thiết kế tối ưu hệ dẫn
động được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây.
- Các hệ truyền động chính được sử dụng trong cơng nghiệp đã được giới thiệu
từ đó cấu tạo cũng như vai trị của hệ dẫn động cơ khí đã được khảo sát.
- Hệ dẫn động cơ khí bao gồm nhiều bộ phận trong đó hộp giảm tốc và bộ
truyền ngồi đóng vai trị rất quan trọng. Do đó hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài đã
được lựa chọn là đối tượng để tối ưu hóa.
- Trong việc thiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ truyền đai, tỉ số truyền là thông
số quan trọng cần được phân phối tối ưu vì chúng có ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu,
khn khổ, khối lượng...và qua đó ảnh hưởng n giỏ thnh ca ton h thng.

HV: Lê Thị Ph-ơng Th¶o

 19 


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Chng 2

TNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƢU HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ
Để truyền động từ động cơ đến các cơ cấu cơng tác có tốc độ và quy luật
chuyển động khác nhau, các bộ truyền động cơ khí, hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài
được sử dụng khá phổ biến. Việc thiết kế tối ưu hệ dẫn động có tác dụng rất lớn trong
việc làm giảm khối lượng cũng như giá thành, qua đó nâng cao năng suất và hiệu quả
sử dụng của hệ. Có khá nhiều các nghiên cứu trong và ngồi nước về tính tốn thiết kế
tối ưu cả về hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài. Các nghiên cứu này tập trung vào việc
tối ưu hộp giảm tốc theo nhiều tiêu chí khác nhau như khối lượng, tiết diện nhỏ
nhất..v.v... Bộ truyền ngoài hộp cũng được nghiên cứu tối ưu theo nhiều khía cạnh.
Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu tìm hiểu về thiết kế tối ưu hộp giảm tốc
và bộ truyền ngoài của các tác giả trong và ngoài nước.
2.1 Một số nghiên cứu của các tác giả trong nƣớc
Cho đến nay, các tác giả trong nước đã có nhiều cố gắng nghiên cứu về thiết kế
tối ưu hệ dẫn động dùng hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài. Các tác giả trong [16] đã
tiến hành thiết kế tối ưu hộp tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển
dùng trong máy phát điện sức gió trục đứng dựa trên cơ sở tính toán khối lượng của
hộp tăng tốc và máy phát nhằm đạt khối lượng nhỏ nhất cũng như giá thành của hệ là
thấp nhất. Các kết quả đạt được bao gồm: Có thể lựa chọn tỉ số truyền tối ưu cho hộp
tăng tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển, lựa chọn số vòng quay hợp lý
cho máy phát để giảm được khối lượng của máy phát hay chính giá thành của máy
phát khi kết hợp với hộp tăng tốc trong hệ thống tuốc bin. Mối quan hệ giữa tỉ số
truyền của hộp tăng tốc và số vòng quay của máy phát được chỉ ra trên hình 2.1.

Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc
và số vịng quay máy phát [16].

HV: Lª Thị Ph-ơng Thảo

20


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Vi s vịng quay của máy phát càng lớn thì u 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

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

21


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Khi ú 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:
G  258,92.uh0,2578 .

+ 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:
-

Mơ 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 mơ men qn 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 kht rỗng của h n cp:
G

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo


4

n

d b
i 1

2

1i wi

(e1i  ui2e2i )

 22 


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

+ Hiu suất truyền động cao nhất:
V

1 n 2
 d2ibwi (i  sin i )
8 i 1

+ Mơ men qn tính khối lượng thu gọn nhỏ nhất: Bỏ qua mô men quán tính của khối
lượng trục, mơ men qn tính của khối lượng bánh răng, có kể đến thể tích bị kht
rỗng, thu gọn về trục dẫn:
J


32

n

(e1i  ui2e2i )

i 1

u 2j

 d14ibwi

i 1

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 hp gim tc phõn ụi cp chm [18]

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

23


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Hỡnh 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 đơi cấp chậm (được tính tốn 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 2  1, 2776. 3

KC 2 . ba 2

 ba1

.uh

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
tốn 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 trờn hỡnh 2.8 [19].
HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

24


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Hỡnh 2.8 Quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp [19]

Dễ dàng nhận thấy từ đồ thị hình 2.8, khi tỉ số truyền chung của hộp uh tăng thì
tỉ số truyền các cấp cùng tăng theo, tuy nhiên tốc độ tăng không giống nhau, cụ thể: Tỉ
số truyền cấp nhanh u1 sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều so với tỉ số truyền cấp chậm u4 khi
ta tăng giá trị uh. Từ kết quả trên tác giả đã nội suy ra các giá trị tối ưu của u2, u3, u4
như sau:
u2 

0,2508
1,1311.KC0,4693
. ba0,4741
2
2 .uh
0,2948
0,0523
0,1245
KC0,0531
.KC0,1259
. ba
. ba
3
4
1
3 . ba 4

u3 

1, 742.KC0,4675
. ba0,4722
.uh0,1111

3
3
0,1289
0,288
0,0579
KC0,2785
.KC0,0522
. ba
2
4
1 . ba 2 . ba 4

u4 

0,0481
1,5081.KC0,4759
. ba0,4756
4
4 .uh
0,0563
0,1255
0,2948
KC0,1238
.KC0,2941
. ba
. ba
2
3
1
2 . ba 3

Sau khi tính tốn được các giá trị tỉ số truyền u2, u3, u4 cho các cấp 2, 3, 4, giá trị
u1 được xác định dựa vào công thức sau: u1 

uh
. Vậy chiều dài nhỏ nhất của hộp
u2 .u3 .u4

giảm tốc bánh răng nghiêng 4 cấp hoàn toàn xác định được bằng việc phân phối tối ưu
tỉ số truyền các cấp trong hộp.
2.2 Các nghiên cứu của các tác giả nƣớc ngoài
Theo xu thế phát triển, một số tác giả nước ngoài đã đi sâu nghiên cứu phương
pháp tối ưu hệ dẫn động bao gồm hộp giảm tốc và bộ truyền ngồi và đã đạt được
nhiều thành cơng đáng kể. Faruk Mendi, Fatih Emre Boran và đồng nghiệp [6] đã giới
thiệu bài toán tối ưu đa mục tiêu cho các thơng số mơ đun bánh răng, đường kính trục

HV: Lê Thị Ph-ơng Thảo

25