Truyền động bánh răng dùng trong các thiết bị di động và điều khiển số

Nhu cầu đổi mới các loại truyền động bánh răng

Bánh răng là một trong các bộ phận quan trọng nhất của máy móc và ảnh hưởng rất lớn đế kích cỡ của cả hệ thống thiết bị. Ngày nay các hệ thống thiết bị hầu như đã được điều khiển số và trong đó khá nhiều thiết bị là di động. Chúng đặt ra những yêu cầu mới đối với các thiết bị cơ khí chấp hành.

Trong đó phải kể đến các yêu cầu cơ bản đối với các truyền động bánh răng, như: Triệt tiêu khe hở cạnh răng để tránh hiện tượng trễ trong điều khiển khi đảo chiều quay; Đối với các loại bánh răng hiện hành khe hở cạnh răng vốn phải tồn tại mới có thể lắp ráp thành cặp được. Kích cỡ các truyền động phải gọn nhẹ rất nhiều vì nếu không sẽ làm cả hệ thống thiết bị trở nên cồng kềnh, nặng nề không đáp ứng được yêu cầu di động linh hoạt; Giảm tổn thất năng lượng tiêu hao để kéo dài thời gian làm việc liên tục, điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị di động chạy bằng pin-acquy, như một vấn đề nổi cộm khi chuyển đổi sang ô tô chạy điện hiện nay. Vì thế, tuy bánh răng đã có từ lâu đời, nhưng hơn bao giờ hết, ngày nay cần yêu cầu cao và đổi mới các loại truyền động bánh răng và chúng được gọi là truyền động bánh răng tiên tiến.

Cơ sở khoa học cho các giải pháp hiện thực những yêu cầu cao nói trên đã được tác giả xây dựng thành công trong một lý thuyết mới về ăn khớp bánh răng không gian [1] và đã được trình bày trong cuốn sách [2], năm 2021, Nhà xuất bản Bách Khoa. Tên đầy đủ của cuốn sách có trên ảnh bìa dưới đây. Trong cuốn sách [2] đã trình bày chi tiết các giải pháp thiết yếu.

Hình ảnh bìa cuốn sách.

Các giải pháp chủ yếu

1. Cục bộ hóa vết tiếp xúc bằng cách thay đổi bộ các thông số hình động học ăn khớp để không sử dụng cách tiếp xúc “đường” hoặc tiếp xúc “điểm” mà thay vào đó là tiếp xúc elip, tức là vết tiếp xúc tức thời là hình elip và hình này có hướng di chuyển thích hợp trong quá trình ăn khớp. Viện nghiên cứu bánh răng Chicago, Hoa Kỳ, đang triển khai nhiều công trình nghiên cứu bánh răng cho NASASA theo hướng cục bộ hóa vết tiếp xúc bằng giải pháp gần đúng [3].

2. Giải pháp chủ yếu trong nghiên cứu đổi mới hệ thống bánh răng là nhằm tạo ra các bộ truyền bánh răng có khả năng truyền lực qua chêm dầu thủy động tiếp xúc, tức là cho hai mặt răng kim loại không trực tiếp tiếp xúc với nhau mà qua một chêm dầu. Hiệu ứng hình chêm của màng dầu này có thể làm tăng đột biến khả năng chịu tải cho bộ truyền bánh răng.

Hiệu ứng hình chêm thủy động có thể nhìn thấy rõ qua môn thể thao lướt ván. Khi ván trượt có độ nghiêng nhất định so với mặt nước và được kéo đi với một tốc độ đủ lớn thì trong hình chêm thủy động đó sẽ tạo ra một lực nâng khá lớn, đủ sức thắng cả trọng lượng của bản thân vận động viên đứng trên đó. Còn trong quá trình ăn khớp bánh răng thì cần nhiều phép tính toán để tạo ra sự tiếp xúc của hai mặt răng cong lồi-lõm với độ cong xấp xỉ nhau và tốc độ di chuyển của vết tiếp xúc tức thời là đủ lớn thì hiệu ứng hình chêm thủy động, hình thành giữa hai mặt răng, là rất rõ rệt. Lúc đó màng dầu không chỉ là bôi trơn mà còn làm tăng đột biến khả năng truyền lực của cặp bánh răng, cũng tức là tạo khả năng rút nhỏ kích thước bộ truyền giảm xuống nhiều lần, đồng thời giảm thiểu rõ rệt tổn thất năng lượng tiêu hao do ma sát.

3. Giải pháp có tính chiến lược nhằm tạo ra giữa hai mặt răng đối diện của bộ truyền bánh răng tồn tại ma sát lăn. Nếu đạt được điều này là đảm bảo được cả ba tiêu chí: Hướng di chuyển thuận lợi của vết tiếp xúc tức thời; Luôn luôn có cặp bề mặt đối tiếp là cặp mặt cong lồi-lõm và khả năng lớn sẽ hình thành chêm dầu thủy động tiếp xúc. Các tiêu chí đó là cơ sở để đáp ứng các yêu cầu cao đối với các bộ truyền bánh răng dùng cho các máy móc, thiết bị di động và điều khiển số.

Hệ thống bánh răng ma sát lăn

Một kết quả quan trọng, như đã trình bày cụ thể trong cuốn sách [2], là đã xây dựng thành công hệ thống bánh răng ma sát lăn. Trên cơ sở sử dụng các bộ truyền bánh vít bi (Ball worm gear drive) làm module hợp thành để tạo ra bốn loại hộp bánh răng bi BGB (Ball GearBox), ký hiệu từ BGB1 đến BGB4. Chi tiết về các hộp bánh răng này được trình bày trong cuốn sách [2],

Theo đó, hộp bánh răng kiểu mới BGB chỉ với bốn chủng loại cơ bản này khi được chuẩn hóa với nhiều cấp kích cỡ, công suất và tỷ số truyền khác nhau sẽ mở ra triển vọng thay thế hầu hết các chủng loại hộp bánh răng hiện hành với 2 ưu điểm nổi trội là kích thước rút nhỏ gọn nhiều lần và hiệu suất cao lên gấp bội.

Như thế là hệ thống bánh răng dùng bi đã giải quyết được việc chuyển đổi từ ma sát trượt sang ma sát lăn cho tương đối đầy đủ tất các trường hợp truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau vuông góc, giữa 2 trục song song với nhau, giữa hai trục giao nhau vuông góc và không vuông góc.

Trường hợp tiếp theo là giữa hai trục đồng tâm với nhau. Tiêu biểu là bộ truyền bánh răng trụ con lăn đồng trục. Có nhiều công trình nghiên cứu về bộ truyền này. Trong các công trình nghiên cứu của tác giả về các bộ truyền bánh răng trụ con lăn đồng trục thì có hai nội dung khác biệt: Một là về phương pháp tính toán thiết kế để đảm bảo cạnh răng của đĩa bánh răng luôn luôn có sự tiếp xúc lôi-lõm với con lăn nhằm tạo khả năng hình thành chêm dầu thủy động, nhờ vậy có thể nâng cao đột biến sức chịu tải của bộ truyền; Hai là tập trung nghiên cứu ứng dụng cho các module quay của robot. Trong đó yêu cầu phải có tỷ số truyền cao để có kích thước nhỏ gọn vì cánh tay robot thường xuyên phải vườn ra xa và yêu cầu triệt tiêu khe hở cạnh răng để không bị trễ trong điều khiển. Việc sử dụng bộ truyền này trong module quay của robot tỏ ra rất hợp lý.

Trong trường hợp vừa kể trên việc chuyển đổi từ ma sát trượt sang ma sát lăn được thực hiện không phải nhờ các viên bi mà nhờ các con lăn. Đối với trường hợp truyền chuyển động giữa hai trục song song dùng các con lăn cũng thuận lợi hơn nhiều. Tác giả đã đề xuất loại bộ truyền bánh răng trụ trục song song dùng con lăn. Ngoài các ưu điểm vốn có của hệ thống bánh răng ma sát lăn đã liệt kê trên đây, bộ truyền bánh răng trụ con lăn trục song song còn có các đặc điểm như là các giải pháp tạo kết cấu bộ truyền bánh răng trụ con lăn theo phương pháp module hóa nên có thể tạo điều kiện dễ đảm bảo hơn một đôi răng cùng vào khớp và dễ triển khai sản xuất sản phẩm hàng loạt dùng máy CNC. Dạng sản phẩm bánh răng 2 thích hợp với việc gia công trên máy CNC, tránh phải trải qua bước thiết kế chế tạo dao phay răng kiểu trục vit, rất phức tạp và chứa đựng nhiều sai số.

Tất cả điều đó sẽ góp phần nâng cao độ chính xác gia công, giảm thiểu giá thành sản phẩm và quan trọng hơn là đáp ứng được các yêu cầu cao đối với các thiết bị hiện đại điều khiển số, nhỏ gọn, linh hoạt. Trên cơ sở các ưu điểm kể trên, có thể tin rằng bộ truyền bánh răng trụ con lăn kiểu mới này sẽ vượt trội so với nhiều loại bộ truyền bánh răng trụ khác và có triển vọng thay thế chúng, trong đó có cả bánh răng Novikov nổi tiếng của Nga, đã đươc nhận giải thưởng Lênin và vì có sư tranh chấp nên ở Hoa Kỳ gọi là bánh răng Novikov-Wildhaberg. Loại bánh răng này thuộc nhóm truyền động bánh răng trụ trục song song và có đặc điểm là răng cung tròn lồi tiếp xúc với răng cung tròn lõm, tức là có sự tiếp xúc lồi-lõm. Như phân tích ở trên, sự tồn tại tiếp xúc lồi-lõm là cần thiết nhung chưa đủ, nên không phải lúc nào cũng có thể hình thành chêm dầu thủy động giữa hai mặt răng. Thực tế sử dụng rất hạn chế của loại bánh răng này cũng đã chứng tỏ điều đó.

Tóm lại, sau khi phân tích các vấn đề đã trình bày ở trên đây, có thể nói nội dung cuốn sách [2] này là cơ sở khoa học cần thiết nhất và là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật thiết thực nhất để tạo ra các loại sản phẩm bánh răng tiên tiến, phục vụ được nhiều ngành kỹ thuật, góp phần hiện thực ý tưởng hình thành các ngành sản xuất công nghiệp phụ trợ, có sức cạnh tranh cao và đậm nét sáng tạo Việt Nam.

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Thiện Phúc, “Foundations of theory of the elliptic contact of the space gear engagement”. Doctor of Science thesis, Leningrad Polytechnic University, now Saint Petersburg Technical University, 1978 (in Russian)

[2] Nguyễn Thiện Phúc, Lý thuyết ăn khớp bánh răng không gian tiếp xúc elip với màng dầu thủy động và hệ thống bánh răng ma sát lăn, 300tr,NXB Bách khoa Hà Nội, 2021.

[3] Litvin F.L. Theory of Gearing, NASA, 1989

TSKH. NGND Nguyễn Thiện Phúc