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

Kết nối
14/01/2022 16:11
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. Tác giả Nguyễn Thiện Phúc đã xây dựng thành công lý thuyết mới về ăn khớp bánh răng không gian nhằm thức hiện các yêu cầu cao đó.
aa

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.

truyen dong banh rang dung trong cac thiet bi di dong va dieu khien so

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

Bài liên quan
tan-hoang-minh
Tin bài khác
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 07/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

Ngày hội Trí tuệ nhân tạo Việt Nam (AI4VN 2026) không chỉ là diễn đàn kết nối nhà quản lý, chuyên gia, doanh nghiệp và giới nghiên cứu, mà còn mở ra cơ hội để sinh viên tiếp cận những xu hướng công nghệ mới, khơi dậy đam mê nghiên cứu và khát vọng làm chủ trí tuệ nhân tạo (AI).
Quốc hội vì nhân dân, quyết sách vì tương lai đất nước

Quốc hội vì nhân dân, quyết sách vì tương lai đất nước

Kỷ niệm 80 năm Ngày Quốc hội Việt Nam thông qua bản Hiến pháp đầu tiên (9/11/1946 - 9/11/2026), Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm nhấn mạnh yêu cầu phát huy vai trò của Quốc hội trong đại diện cho ý chí, nguyện vọng của nhân dân; nâng cao chất lượng xây dựng pháp luật, giám sát và quyết định các vấn đề quan trọng của đất nước, bảo đảm mỗi quyết sách đều hướng tới lợi ích quốc gia, dân tộc và mở rộng cơ hội phát triển cho các thế hệ mai sau.
Xây dựng hồ sơ đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO cho Phong Nha - Kẻ Bàng

Xây dựng hồ sơ đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO cho Phong Nha - Kẻ Bàng

Trong thời gian tới, tỉnh Quảng Trị định hướng phát triển Phong Nha - Kẻ Bàng trở thành khu du lịch quốc gia theo hướng xanh, có trách nhiệm và bền vững; nghiên cứu lộ trình đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO trên cơ sở đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn cần thiết.
Hà Nội đề xuất hỗ trợ hộ nghèo tối đa 20 triệu đồng khi đổi xe máy điện

Hà Nội đề xuất hỗ trợ hộ nghèo tối đa 20 triệu đồng khi đổi xe máy điện

Hộ nghèo tại Hà Nội có thể được hỗ trợ 100% giá trị xe máy điện mới hoặc tối đa 20 triệu đồng, khi chuyển đổi từ phương tiện sử dụng xăng, dầu sang phương tiện giao thông xanh.
Physical AI: Phần cứng điện toán biên - nền tảng cho tự động hóa công nghiệp thông minh

Physical AI: Phần cứng điện toán biên - nền tảng cho tự động hóa công nghiệp thông minh

Trí tuệ nhân tạo vật lý (Physical AI) đang mở ra bước tiến mới cho tự động hóa công nghiệp, từ robot tự hành, hệ thống thị giác máy đến các dây chuyền xử lý vật liệu thông minh. Tuy nhiên, để đưa những công nghệ này từ môi trường thử nghiệm vào vận hành thực tế, doanh nghiệp không chỉ cần các thuật toán AI tiên tiến mà còn phải có nền tảng phần cứng đủ mạnh, ổn định và đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực.
Vì sao điện thoại thông minh, máy tính đã qua sử dụng bị cấm nhập khẩu?

Vì sao điện thoại thông minh, máy tính đã qua sử dụng bị cấm nhập khẩu?

Nhiều sản phẩm công nghệ số đã qua sử dụng như điện thoại thông minh, máy tính, máy ảnh kỹ thuật số, cùng nhiều thiết bị và linh kiện điện tử thuộc danh mục cấm nhập khẩu. Quy định nhằm đồng bộ hệ thống pháp luật, bảo vệ người tiêu dùng, hạn chế rác thải điện tử và rủi ro mất an toàn thông tin, đồng thời tạo điều kiện phát triển thị trường và doanh nghiệp trong nước.
Nhận định phiên giao dịch ngày 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

Nhận định phiên giao dịch ngày 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

VN-Index hồi phục trong phiên 5/11 nhờ lực cầu bắt đáy gia tăng, song xu hướng điều chỉnh ngắn hạn vẫn chưa được xác nhận kết thúc. Nhà đầu tư được khuyến nghị cân bằng danh mục và chỉ xem xét gia tăng tỷ trọng khi chỉ số vượt lên xu hướng giảm giá ngắn hạn.
Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Vinamilk Optimum Gold được vinh danh Thương hiệu của năm (Brand of the Year) tại Lễ trao giải Thương hiệu Thế giới 2026 - 2027 (World Branding Awards 2026 - 2027) diễn ra ở Vương quốc Anh, là đại diện duy nhất của Việt Nam chiến thắng ở hạng mục sữa công thức trẻ em (Infant Formula). Giữa những yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và sự an toàn của sản phẩm dinh dưỡng dành cho trẻ nhỏ, giải thưởng quốc tế ghi nhận uy tín thương hiệu và những nỗ lực không ngừng nâng chuẩn dinh dưỡng của Vinamilk.
Mở hướng đi mới cho doanh nghiệp SME Hà Nội

Mở hướng đi mới cho doanh nghiệp SME Hà Nội

Nâng cao năng suất lao động và chuyển đổi số toàn diện đang là yêu cầu cấp thiết đối với cộng đồng doanh nghiệp nhỏ và vừa (SME). Tuy nhiên, để công nghệ thực sự tạo ra giá trị, doanh nghiệp cần những giải pháp phù hợp với quy mô, nguồn lực và nhu cầu thực tiễn. Hội thảo về bài toán lớn số 21 do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật TP. Hà Nội tổ chức ngày 5/11 đã tập trung thảo luận những hướng tiếp cận cụ thể, từ ứng dụng AI, tự động hóa đến đo lường, tối ưu hiệu suất sản xuất và xây dựng hệ sinh thái hỗ trợ doanh nghiệp.
master