27
Chương 2 THIẾT KẾ HỘP TỐC ĐỘ
2.1. KHÁI NIỆM
Hộp tốc độ là một trong những bộ phận quan trọng của máy cắt kim loại dùng để
thực hiện các nhiệm vụ sau:
− Truyền chuyển động và công suất từ động cơ điện đến trục chính.
− Có khả năng thay đổi tốc độ quay của trục chính hoặc trục cuối cùng của hộp
tốc độ nhằm đạt các giá trò số vòng quay theo yêu cầu với công bội ϕ và với số cấp
vận tốc Z.
Với các thông số cơ bản ban đầu là R
n
, ϕ và Z, có thể có nhiều phương án thiết
kế khác nhau về kết cấu hộp tốc độ. Vì vậy, người thiết kế cần phải phân tích và lựa
chọn phương án thích hợp dựa vào các yêu cầu sau:
− Đảm bảo thực hiện đầy đủ và tương đối chính xác các giá trò số vòng quay từ n
1

÷ n
Z
theo yêu cầu.
− Có xích truyền động ngắn, hiệu suất truyền động cao.
− Kết cấu hộp tốc độ phải đơn giản, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo và
lắp ráp.
− Việc điều khiển phải nhẹ nhàng và đảm bảo an toàn.
− Đáp ứng được tính kinh tế.
Trong phạm vi chương này, chúng ta chỉ nghiên cứu phương pháp thiết kế hộp tốc
độ dùng trong truyền động phân cấp.

2.2. THIẾT KẾ HỘP TỐC ĐỘ DÙNG CƠ CẤU BÁNH RĂNG DI TRƯT
Cơ cấu bánh răng di trượt là cơ cấu dùng để thay đổi tốc độ quay giữa các trục

5
Z’
1
Z’
2
Z’
3
Z’
4
Z’
5
Nhóm a
Nhóm b

28
Số cấp tốc độ Z của hộp tốc độ dùng cơ cấu bánh răng di trượt được tính bằng công
thức sau:
Z = p
a
. p
b
. p
c
… p
w
(2-1)
với p
a
, p
b


Z’
5
n
0
Nhóm a
Nhóm b
Nhóm c
Z
1
Z
3

Z
2

n
0
Nhóm a
Z
1
Z
2
Z’
1
Z’
3
Z’
2
I

II

III

IV

Nhóm c
Z
8
Z
9
Z’
8
Z’
9

điều khiển phức tạp nếu số cấp tốc độ Z lớn.
− Kích thước chiều trục của hộp tương đối lớn.
− Chỉ dùng được bánh răng thẳng, rất khó dùng bánh răng nghiêng và không
dùng được bánh răng chữ V.
Các phương án tổ hợp xích tốc độ của máy tiện được giới thiệu trong hình 2-3.

HTĐ

HTC

a) Má
y


30
Khi thiết kế hộp tốc độ dùng bánh răng di trượt, trước tiên cần xác đònh các thông
số cơ bản của hộp tốc độ:
− Các giá trò số vòng quay tiêu chuẩn n
tc
của trục cuối cùng (trục chính của hộp).
− Số cấp tốc độ Z của hộp.
− Phạm vi điều chỉnh số vòng quay R
n
.
− Hệ số cấp vận tốc ϕ.
Thiết kế động học cho hộp tốc độ dùng cơ cấu bánh răng di trượt cần lần lượt
theo các bước sau:
2.2.1. Chọn phương án không gian (PAKG)
Phương án không gian là phương án lựa chọn và bố trí các nhóm truyền động của
hộp tốc độ để đạt được số cấp tốc độ Z theo yêu cầu.
Bảng 2-1: Các phương án không gian của hộp tốc độ dùng bánh răng di trượt.

Z Phương án không gian
4 2x2
6 3x2 2x3
2x2x2
8
4x2 (2x4)
9 3x3
10 (5x2) (2x5)
3x2x2 2x3x2 (2x2x3)
12
4x3 (3x4)
Nếu thay đổi lần lượt vò trí ăn khớp của các bánh răng trong các nhóm theo thứ
tự từ trên xuống, tức là đầu tiên thay đổi tỉ số truyền của nhóm a, sau đó nhóm b và
cuối cùng là nhóm c, chuỗi số vòng quay của trục chính được tính như sau:
n
1
= n
0
. i
1
. i
4
. i
6

n
2
= n
0
. i

= n
0
. i
2
. i
5
. i
6

n
6
= n
0
. i
3
. i
5
. i
6

n
7
= n
0
. i
1
. i
4
. i
7

Z
1
Z
3
Z
2
Z’
1
Z’
3
Z’
2
Z
4
Z
5
Z’
4
Z
6
Z
7
Z’
6
Z’
7
I

II


n
12
= n
0
. i
3
. i
5
. i
7

Chia từng vế của các phương trình tương ứng trong hệ 12 phương trình trên sẽ có:
Nhóm a : n
1
: n
2
: n
3
= n
4
: n
5
: n
6
= = i
1
: i
2
: i
3

5

n
1
: n
4
= 1 : ϕ
3
⇒ i
4
: i
5
= 1 : ϕ
3
(2-4)
Nhóm c : n
1
: n
7
= n
2
: n
8
= = i
6
: i
7

n
1

= 1.
− Nhóm thay đổi thứ hai (ký hiệu II) là nhóm b (được gọi là nhóm khuếch đại
thứ nhất): có các tỉ số truyền tuân theo qui luật cấp số nhân với công bội là
ϕ
i
X
= ϕ
3

⇒ Nhóm b có lượng mở x
b
= 3.
− Nhóm thay đổi thứ ba (ký hiệu III) là nhóm c (được gọi là nhóm khuếch đại
thứ hai): có các tỉ số truyền tuân theo qui luật cấp số nhân với công bội là
ϕ
i
X
= ϕ
6
⇒
Nhóm c có lượng mở x
c
= 6.
Tổng quát: Nếu trong một hộp tốc độ có w nhóm truyền động và số tỉ số truyền trong
mỗi nhóm theo thứ tự là p
a
, p
b
, p
c

× × p
w-1
(2-6)
nghóa là Lượng mở của một nhóm truyền động nào đó bằng tích của các số tỉ số
truyền của các nhóm truyền động đã được thay đổi trước nó.
2. Phương án thay đổi thứ tự (gọi tắt là phương án thứ tự PATT)
Phương án thứ tự là phương án thay đổi lần lượt vò trí ăn khớp của các bánh răng
trong các nhóm truyền động theo một thứ tự nào đó.
− Trong hộp tốc độ có phương án không gian Z = 3 × 2 ×2 cho trong hình (2-
4), với cách thay đổi theo thứ tự như trên: đầu tiên là nhóm a, sau đó đến nhóm b và
cuối cùng là nhóm c, sẽ có phương án thứ tự I-II-III.
− Với cách thay đổi theo thứ tự khác sẽ có thêm các phương án thứ tự sau II-I-
III, I-III-II, II-III-I, III-I-II, III-II-I.
− Lượng mở x
i
của mỗi nhóm truyền động sẽ thay đổi theo từng phương án thứ tự.
− Số lượng phương án thứ tự được tính bằng công thức: q = w! (2-7)
với w là số lượng nhóm truyền động có trong hộp tốc độ.
− Công thức kết cấu của hộp tốc độ có dạng tổng quát sau:
Z = p
a
[x
a
] . p
b
[x
b
] . p
w-1
[x


n
1
n
1
i
2

i
1

i
4
i
6
i
5

i
7
n
0

II
I
III
IV

34
− Do lưới kết cấu được qui ước vẽ đối xứng nên số vòng quay n


]

H
ình 2-
6
: Lưới kết cấu của các PATT khác nhau

n
0

i
3

n
1
n
12
i
2

i
1
i
4
i
6
i
5


i
5
i
7
II
I
III
PATT III-I-II: Z = 3[4]. 2[1]. 2[2]

n
0

i
3

n
1
n
12
i
2

i
1
i
4
i
6
i
5

7
II
I
III
IV
PATT III-II-I: Z = 3[4]. 2[2]. 2[1]

IV
n
0

i
3

n
1
n
12
i
2

i
1

i
4
i
6

i

6

i
5
i
7
II
I
III
PATT I-III-II: Z = 3[1]. 2[6]. 2[3]35
Để đánh giá và lựa chọn phương án thứ tự cũng như lưới kết cấu hợp lý, cần phải:
Thứ nhất, kiểm tra phạm vi điều chỉnh tỉ số truyền R
i
của từng nhóm truyền động
trong hộp tốc độ với phạm vi điều chỉnh tỉ số truyền cho phép [R
i
] (thực ra chỉ cần
kiểm tra nhóm truyền động có R
i
lớn nhất, khi đó các nhóm khác đương nhiên thỏa
mãn yêu cầu này) theo công thức:
R
i
 [R
i
] (2-9)
Phạm vi điều chỉnh tỉ số truyền R

2
: i
3
: . . . : i
p
= 1 : ϕ
i
X
: ϕ
i
X2
: . . . ϕ
(
)
i
X1p −
(2-11)
Từ (2-10) và (2-11)
⇒ R
i
=
min
max
i
i
=
1
p
i
i

 i  2 (2-14)
⇒ [R
i
] =
]i[
]i[
min
max
=
1
2
:
4
1
= 8 (2-15)
− Đối với hộp chạy dao:
5
1

 i  2,8 (2-16)

⇒ [R
i
] =
]i[
]i[
min
max
=
1

2
1
ϕ
, ba ô có tỉ số truyền i =
3
1
ϕ
. . .
• Tia nghiêng phải biểu diễn tỉ số truyền i > 1 (tăng tốc). Tia nghiêng phải một ô
có tỉ số truyền i =
ϕ, hai ô có tỉ số truyền i = ϕ
2
, ba ô có tỉ số truyền i = ϕ
3
. . .
• Các tia song song có cùng một giá trò tỉ số truyền như nhau.
Từ một lưới kết cấu, có thể vẽ nhiều đồ thò số vòng quay khác nhau bằng cách thay
đổi độ nghiêng của các tia, nghóa là thay đổi các giá trò của tỉ số truyền (hình 2-7).

2

i
1
i
3
I
i
7
n
1
II
III
IV
i
2
i
6
i
4
i
5
Phương án 1

n
0
i
6
i
2

1
=
2
1
ϕ
; i
2
=
ϕ
1
; i
3
= 1 ; i
4
=
2
1
ϕ
; i
5
= ϕ ; i
6
=
3
1
ϕ
; i
7
= ϕ
3

từ số vòng quay n
0
, chọn các tỉ số truyền i
1
, i
2
, i
3
là hợp lý nhất
−
Các tỉ số truyền phải được chọn theo trò số tiêu chuẩn (bảng 2-2) của dãy số
Renard 40 (R40) được tính theo công thức:
i = 1,06
E
(với E là số nguyên) (2-18)
Bảng (2-2)
E 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
i 1 1,06 1,12 1,19 1,26 1,33 1,41 1,5 1,58 1,68 1,78 1,88 2
E 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
i 2,11 2,24 2,37 2,51 2,66 2,82 3 3,16 3,35 3,55 3,76 4
Từ đồ thò số vòng quay đã vẽ, các tỉ số truyền được tính theo công thức sau:
i = ϕ
m
(2-19)
với m là một số bất kỳ, phụ thuộc vào độ nghiêng của tia được vẽ trên đồ thò số
vòng quay (m = 0 với tia thẳng đứng, m < 0 với tia nghiêng trái và m > 0 với tia
nghiêng phải).
Các tỉ số truyền thông dụng ứng với hệ số ϕ = 1,26 và ϕ = 1,41 cho trong bảng (2-3)
i
1

ϕ

m
i
6
i
2
I
i
7
n
1
II
III
IV
i
3
i
1
i
4
i
5
n
12
n
0
H
ình 2-9: Bố trí các tỉ số truyền


ϕ
=
50
261
1
,
,
=
121
1
,

i
3
= i
5
= ϕ
0,5
= 1,12
i
4
=
52
1
,
ϕ
=
52
261
1

Để đánh giá và lựa chọn đồ thò số vòng quay hợp lý, cần phải:
Thứ nhất, kiểm tra các tỉ số truyền i đã được xác đònh từ đồ thò số vòng quay
(thực ra chỉ cần kiểm tra tỉ số truyền i
min
và i
max
, khi đó các tỉ số truyền khác đương
nhiên thỏa) với tỉ số truyền cho phép
[i
min
] và [i
max
] theo công thức:
i
min
 [i
min
] và i
max
 [i
max
] (2-20)
Trong hình (2-7), với phương án 1 chỉ cần kiểm tra i
min
= i
6
=
4
1
ϕ

7
= ϕ
3
 [i
max
] = 2.
Thứ hai, nên chọn tỉ số truyền sao cho số vòng quay của các trục trung gian (là
các trục ở giữa trục động cơ và trục cuối cùng) càng lớn càng tốt. Đó là vì khi truyền
cùng một công suất như nhau, số vòng quay càng lớn thì mômen xoắn càng nhỏ, dẫn
đến kích thước của bộ truyền sẽ nhỏ. Cũng vì lý do đó, nên chọn số vòng quay n
0
của
trục I lớn nhất có thể được, sao cho vừa đảm bảo các điều kiện của tỉ số truyền trong
hộp tốc độ vừa đảm bảo tỉ số truyền của bộ truyền đai từ động cơ đến trục I có giá trò
i
đ
≈ 1 để bộ truyền đai có kết cấu nhỏ gọn.

39
Trong trường hợp kiểm tra phạm vi điều chỉnh tỉ số truyền R
i
hoặc tỉ số truyền i
không đạt, người ta có thể dùng một hoặc đồng thời các giải pháp sau đây để khắc phục:
−
Làm trùng tốc độ.
−
Thêm trục trung gian.
−
Dùng truyền động phức tạp.
Các giải pháp này sẽ tạo ra các dạng đặc biệt của lưới kết cấu và đồ thò số vòng

theo công thức (2-12): R
i
= ϕ
i
x1p )( −
= ϕ
613 )( −
= ϕ
12
= 1,26
12
= 16 > [R
i
] = 8 n
24
V
n
1

9
= 1,26
9
= 7,94 < [R
i
] = 8 và có 3 tốc độ trùng.
Công thức kết cấu được viết lại như sau: Z = 3[1] . 2[3] . 2[6] . 2[9]
Lưới kết cấu và đồ thò số vòng quay sau khi giảm lượng mở (hình 2-11).


i
8
i
9
II
III
IV
V
I
n
1
n
21
i
1
III
n
10
n
11
n
12
IV
V
i
7
i
2
i
3

c
= 6 xuống x
c
= 5, làm trùng một tốc độ.
Công thức kết cấu: Z = 3[1] . 2[3] . 2[5]
−
PA (c): giảm lượng mở nhóm c từ x
c
= 6 xuống x
c
= 4, làm trùng hai tốc độ.
Công thức kết cấu: Z = 3[1] . 2[3] . 2[4]
−
PA (d): giảm lượng mở nhóm b từ x
b
= 3 xuống x
b
= 2. Mặc dù chỉ giảm lượng
mở một giá trò nhưng do vò trí của nhóm truyền động có lượng mở bò giảm không phải
là nhóm cuối cùng nên có một tốc độ bò trùng trên trục III và số cấp tốc độ trên trục
IV chỉ còn Z = 10. Khi đó, công thức kết cấu có dạng: Z = 3[1] . 2[2] . 2[5]

1

i
4
i
6

i
5

i
7
II
I
III
(a)
IV
n
0

i
3

n
1
n
11
i
2


i
1
i
4
i
6
i
5

i
7

II
I
III
(d)
IV
n
0

i
3

n
1
n
10
i
2


trên trục III và số cấp tốc độ trên trục IV chỉ còn Z = 14. Công thức kết cấu có dạng
sau: Z = 3[1] . 3[2] . 2[7] b.
Thêm trục trung gian
Đây là giải pháp thêm một hoặc một số trục trung gian vào nhóm truyền động có
R
i
vượt quá giới hạn cho phép, nhằm tách thành hai đường truyền trực tiếp và gián
tiếp. Khi đó, do trong nhóm truyền động, các đường truyền không phải chỉ truyền
chuyển động giữa hai trục nên không bò ràng buộc bởi điều kiện về R
i
.
Thêm trục trung gian còn là một giải pháp nhằm kéo dài xích truyền động để hạ
thấp tỉ số truyền giữa hai trục.
Khi thêm trục trung gian, phương án không gian của máy bò biến hình từ truyền
động đơn giản sang truyền động phức tạp.
Hãy xem xét trường hợp hộp tốc độ của máy tiện T616 (hình 2-16) với số cấp vận
tốc Z = 12 và hệ số ϕ = 1,41. Hộp tốc độ máy tiện T616 gồm hai phần: hộp giảm tốc
và hộp trục chính. Động cơ nối với hộp giảm tốc qua bộ truyền bánh răng có tỉ số

II
III
IV
n
1
(b)

n
14

43
Lưới kết cấu của phương án không gian này cho trong hình 2-14. Phạm vi điều
chỉnh tỉ số truyền trong nhóm truyền động cuối cùng là:
R
i
=
min
max
i
i
=
6
7
i
i
= ϕ
6
= 1,41
6
= 8

52
1
,
ϕ
rồi đi tiếp từ trục V’ đến trục VI với tỉ
số truyền i
6b
=
53
1
,
ϕ
. Do đó máy có phương
án không gian biến hình như sau:
Z = 1. 3. 2. 1 (1 + 1. 1) Lưới kết cấu và đồ thò số vòng quay của máy T616 ứng với phương án không gian
biến hình cho trong hình 2-15. Sơ đồ động của máy T616 cho hình 2-16.
i
2
n
12
H
ình 2-15: Lưới kết cấu và đồ thò số vòng quay của phương án không gian biến hình

VI
n
1
n
12
i
1
i
2
i
4
i
5
i
6a
II
III
IV
i
3
i
đ
i

3
i
đ
i
7
i
0
I
n
0
i
6b
V

44
N = 4,5 KW
n = 1450 v/p

42
58
47
40
33
31
38
45
48
71
50
27

24
48
27
30
26
21
27
52
24
36
39
26
26
26
39
52
39
52
52 52
39
26
39
14
45
k = 2
t
x
= 6 mm
60
24

n
18
n
1
n
0
i
3
i
4
i
5
i
6
i
8
i
9
i
7
n
18
n
1
i
1
i
2
I
II

Z
0
Z’ – số cấp tốc độ nhanh (phần truyền động bổ sung).
Z
0
Z” – số cấp tốc độ chậm (phần truyền động cơ bản).
Ví dụ: Hộp tốc độ Z = 18 được phân tích theo PAKG sau:
Z = 2 (1 + 2.2.2) = 18
Z
0
Z’= 2[1].1[0] = 2 (đường truyền tốc độ nhanh)
Z
0
Z” = 2[1].2[2].2[4].2[8] = 16 (đường truyền tốc độ chậm)
Mục đích của việc dùng truyền động phức tạp là để thoả mãn yêu cầu về phạm vi
điều chỉnh tỉ số truyền cho phép R
i
 [R


n
16
n
1
n
24
VI
V
IV
III
II

2
i
4
i
5
i
6
i
9
i
8

H
ình 2-18: Lưới kết cấu và đồ thò số vòng quay của hộp tốc độ có PAKG Z = 2.2 (2 + 1.2.2)

47
Hộp tốc độ máy tiện nặng 165 dùng truyền động phức tạp với kết cấu đặc biệt.
PAKG của máy: Z = 3[2 +1.3(1 + 1.1)] ; ϕ = 1,26 ; n
min
= 4 v/ph ÷ n
max
= 800 v/ph có
lưới kết cấu, đồ thò số vòng quay cho trong hình 2-19 và sơ đồ động trong hình 2-20.


n
0
n
0
i
10
i
5
i
6
i
9
i
8
i
1
i
11
n
19
n
1
n
24
VI
V
IV
III
II
I


48
Các tỉ số truyền thực tế của máy có giá trò là:
94,1
1
i
1
=
,
54,1
1
i
2
=
,
22,1
1
i
3
=
,
2
1
i
4
= , i
5
= 1,
52,2
1

9
1
ϕ
=
9
26,1
1
=
8
1

Tỉ số truyền i
12
của truyền động cuối cùng trong hộp tốc độ có giá trò vượt quá
giới hạn cho phép nhưng vì được thực hiện bằng ăn khớp bánh răng trong nên chấp
nhận được.
48
t
x
=5
t
x
=12
Trục trơn
60
44
42
64
14
L
6
k=6
30
XV
IX
XIV
XIII
15
XI
26
L
2
27
50
22
88

38
37
56
35
42
42
28
35
Φ145
60
60
26
42
95
50
97
64
L’
3
L
3
L
4
28
56
56
35
35
28
28

7
L
5
m=3
60
60
66
38
21
Ly hợp một chiều
N=10KW
n=1450v/p
N=1KW
i
đ
=1
10
Trục vít me
H
ình 2-21: Sơ đồ động máy tiện ren vít vạn năng T620
Phanh
XVIII
60
60
38
XIX
XXI
XIXn
18
i
11
i
10
i
3
i
2
VI
V
IV
III
II
I
n
1
n
23
i
1
i
4
i
5
i
7