Truyền động bánh răng trục vít: Nguyên lý, loại và cách sử dụng

Trong lĩnh vực truyền động cơ học, bộ truyền động bánh vít nổi bật nhờ sự kết hợp độc đáo của hướng trục không song song Và tỷ lệ giảm caoChúng cung cấp giải pháp thiết yếu cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ thấp, mô-men xoắn cao và thiết kế nhỏ gọn. Từ việc nâng hạ thang máy một cách trơn tru đến việc điều chỉnh chính xác các nhạc cụ, truyền động trục vít đóng vai trò quan trọng trong việc cho phép điều khiển chuyển động đáng tin cậy và hiệu quả.

1.0Truyền động bánh răng trục vít là gì? Định nghĩa và các thành phần cốt lõi

Hệ thống truyền động bánh răng trục vít là một loại hệ thống bánh răng được sử dụng để truyền chuyển động và công suất giữa hai trục không song song, không cắt nhau (thường ở góc 90°). Hệ thống này bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận truyền động, sâuvà phần được dẫn động, bánh xe giun. Sự truyền chuyển động xảy ra thông qua các bề mặt răng liên hợp tiếp xúc, về cơ bản hình thành nên hệ thống khuếch đại cơ học dựa trên “sự tiếp xúc xoắn ốc”.

2.0Nguyên lý truyền động bánh răng trục vít: Giảm tốc độ, tăng mô men xoắn và tự khóa

Ưu điểm chính của bộ truyền động bánh răng trục vít nằm ở khả năng cung cấp giảm tốc độ lớn và khuếch đại mô-men xoắn trong một hệ thống nhỏ gọn. Hoạt động này có thể được giải thích theo ba giai đoạn:

• Truyền lực: Sự kết hợp xoắn ốc
  Trục vít, được dẫn động bởi động cơ hoặc nguồn điện, quay và ren xoắn của nó đẩy vào các rãnh của bánh vít, khiến bánh vít quay quanh trục của nó. Hướng quay phụ thuộc vào cả hướng dẫn của trục vít (ren trái hoặc ren phải) và đầu vào quay của nó. Điều này có thể được xác định bằng "quy tắc tay phải/tay trái".
• Tỷ số giảm và nhân mô-men xoắn: Được xác định bởi hình học
  Tỷ số truyền được xác định hoàn toàn bởi số vòng khởi động (z₁) của trục vít và số răng (z₂) của bánh vít, không phụ thuộc vào mô-đun hoặc đường kính. Công thức là:
  $$i = \frac{n_1}{n_2} = \frac{z_2}{z_1}$$
  Ví dụ, một trục vít khởi động đơn (z₁ = 1) dẫn động bánh xe 40 răng (z₂ = 40) tạo ra tỷ lệ 40:1—nghĩa là trục vít phải quay 40 vòng để bánh xe hoàn thành một vòng. Theo nguyên lý bảo toàn công suất (bỏ qua tổn thất), tốc độ giảm sẽ chuyển thành mô-men xoắn nhân lên theo tỷ lệ, cho phép truyền động trục vít cung cấp năng lượng cho các máy móc hạng nặng như thang máy và máy ép.

• Tự khóa: Ngăn chặn lái xe ngược chiều
  Khi góc dẫn của trục vít nhỏ hơn góc ma sát của lưới bánh răng, bánh vít không thể dẫn động trục vít theo hướng ngược lại. Điều này được gọi là hiệu ứng tự khóa. Trục vít khởi động đơn, với góc dẫn hướng nhỏ hơn, có khả năng tự khóa cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu ngăn ngừa chuyển động ngược (ví dụ: tời thủ công, cơ cấu điều chỉnh). Trục vít khởi động nhiều, với góc dẫn hướng lớn hơn, thường không có khả năng tự khóa.

3.0Các loại cốt lõi của bộ truyền động bánh răng trục vít: Phân loại cấu trúc

Truyền động bánh vít có thể được phân loại dựa trên thiết kế cấu trúc của trục vít và bánh vít. Mỗi loại có những ưu điểm riêng biệt tùy thuộc vào khả năng chịu tải, hiệu suất và yêu cầu về độ chính xác.

Theo cấu trúc ổ đĩa tổng thể

• Truyền động bánh răng trục vít không có họng: Cả trục vít và bánh vít đều không có rãnh. Thiết kế đơn giản nhất với diện tích tiếp xúc tối thiểu, phù hợp cho các ứng dụng nhẹ và độ chính xác thấp như băng tải cơ bản.
• Bộ truyền động bánh răng trục vít một họng: Bánh vít có rãnh lõm bao quanh trục vít một phần, tăng diện tích tiếp xúc so với loại không rãnh. Bánh vít mang lại hiệu suất và khả năng chịu tải tốt hơn, thường được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao hơn, chẳng hạn như bộ truyền động và cơ cấu nâng.
• Bộ truyền động bánh răng trục vít hai họng: Cả trục vít và bánh vít đều có thiết kế họng (trục vít lõm và bánh vít lồi). Cấu hình này mang lại diện tích tiếp xúc tối đa, khả năng chịu tải cao nhất và yêu cầu sản xuất chính xác. Nó phù hợp với các thiết bị hạng nặng như máy ép công nghiệp và máy công cụ chính xác.

Bởi Worm Design

• Giun bao bọc (Giun đồng hồ cát): Đường kính trục vít tăng dần từ tâm ra hai đầu, tạo thành hình dạng "đồng hồ cát". Điều này tạo ra diện tích tiếp xúc lớn hơn với bánh vít, dẫn đến hiệu suất truyền động cao hơn. Thường được áp dụng trong các trường hợp tải trọng trung bình đến nặng.
• Giun bao kép (Giun bề mặt liên hợp): Kết hợp trục vít bao bọc với bánh vít bao bọc hoàn toàn. Bề mặt răng duy trì tiếp xúc đồng đều trong quá trình ăn khớp, mang lại khả năng chịu tải và độ chính xác vượt trội so với trục vít bao bọc tiêu chuẩn. Thường được sử dụng trong các ứng dụng tải trọng nặng, độ chính xác cao như khớp nối robot và bộ giảm tốc hạng nặng.

Bởi Worm Wheel Design

• Bánh xe trục vít mặt phẳng phay: Được sản xuất bằng phương pháp phay, với góc xoắn 0° và bề mặt răng phẳng. Sự tiếp xúc xảy ra tại các điểm hạn chế, dẫn đến độ chính xác thấp và chi phí thấp. Chỉ phù hợp cho các ứng dụng nhẹ như bộ truyền động đồ chơi.
• Bánh xe trục vít mặt phẳng có gờ: Được sản xuất bằng phương pháp phay, mang lại độ chính xác bước răng cao hơn, bề mặt nhẵn hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn so với bánh xe phay. Phù hợp cho các ứng dụng tải trọng trung bình, độ chính xác chung như bộ giảm tốc tiêu chuẩn.
• Bánh xe giun lồi: Có cấu hình cong, khi kết hợp với trục vít lõm (như trong thiết kế họng đôi), tạo ra "sự ăn khớp rãnh kép". Điều này mang lại tỷ lệ tiếp xúc cao nhất, hiệu quả tốt nhất và khả năng chịu tải tối đa, khiến nó trở nên lý tưởng cho các hệ thống có độ chính xác cao, chịu tải nặng như cơ cấu cấp liệu máy công cụ.

4.0Quy trình sản xuất bộ truyền động bánh vít: Độ chính xác quyết định hiệu suất

Bề mặt răng của trục vít và bánh vít là các bề mặt cong liên hợp, đòi hỏi quy trình và thiết bị chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác khi ăn khớp. Lộ trình sản xuất trục vít và bánh vít có sự khác biệt đáng kể.

Quy trình sản xuất giun
Điều quan trọng là duy trì độ chính xác và tính nhất quán của răng xoắn, được phân loại thành ba cấp độ theo độ chính xác:

• Độ chính xác thấp (Lớp 9–12): Được sản xuất bằng phương pháp phay, sử dụng dao cắt dạng đĩa (cho các mô-đun nhỏ) hoặc dao cắt dạng ngón tay (cho các mô-đun lớn hơn) trực tiếp trên máy phay. Không cần thiết bị đặc biệt, phù hợp cho các ứng dụng nhẹ như tời thủ công.
• Độ chính xác trung bình (Lớp 7–8): Được sản xuất bằng phương pháp phay rãnh xoắn ốc (một dụng cụ liên hợp với bánh vít). Quá trình này bao gồm việc tạo ra chuyển động (phay rãnh xoắn ốc cộng với chuyển động đưa phôi) trên máy phay rãnh bánh răng. Hiệu suất cao và độ chính xác đáng tin cậy khiến phương pháp này trở thành phương pháp chính thống trong sản xuất hàng loạt, ví dụ như trục vít lái ô tô.
• Độ chính xác cao (Cấp độ 4–6): Được sản xuất bởi phay + mài. Sau khi phay, quá trình hoàn thiện được thực hiện bằng đá mài trục vít trên máy mài chuyên dụng để hiệu chỉnh sai số và giảm độ nhám bề mặt (Ra ≤ 0,8 μm). Phù hợp cho máy công cụ chính xác và robot.

Quy trình sản xuất bánh xe trục vít
Bánh xe trục vít phải đảm bảo sự kết hợp chính xác với trục vít. Có hai phương pháp chính được sử dụng:

• Bánh xe giun tích hợp: Đối với các ứng dụng nhỏ, tải nhẹ (ví dụ: hộp số thu nhỏ), một phôi duy nhất được phay trực tiếp thành hình dạng cuối cùng. Không cần lắp ráp.
• Bánh xe trục vít tổng hợp: Dành cho các ứng dụng có kích thước lớn, tải trọng nặng (ví dụ: thiết bị nâng). Được làm từ hai phần:
  • (1) vành bánh răng bằng đồng, được mài nhẵn (và đôi khi được cạo) để có độ chính xác;
  • (2) một trục bằng gang hoặc thép, được tiện trên máy tiện để có đường kính ngoài và lỗ bu lông;
  • (3) lắp ráp thông qua khớp nối hoặc bu lông, cân bằng khả năng chống mài mòn với chi phí.

Thiết bị sản xuất chính

• Xử lý cơ bản: Máy phay bánh răng (trục vít có độ chính xác thấp), máy tiện (trục khuỷu).
• Xử lý lõi: Máy phay bánh răng (trục vít và bánh xe có độ chính xác trung bình/cao), máy bào bánh xe trục vít (hoàn thiện bánh xe).
• Xử lý độ chính xác cao: Máy nghiền trục vít (trục vít chính xác), máy ép thủy lực (lắp ráp bánh xe composite).

5.0Lựa chọn vật liệu: Cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và hiệu suất chống co giật

Bộ bánh răng trục vít dựa trên “sự kết hợp cứng-mềm” để cân bằng độ bền và khả năng chống mài mòn.

• Vật liệu giun: Yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Các lựa chọn phổ biến bao gồm thép 45 (tôi cảm ứng, HRC 55–60) và thép 20CrMnTi (thấm cacbon và tôi, HRC 58–62) cho bề mặt răng bền lâu.
• Vật liệu bánh xe giun: Yêu cầu khả năng chống ma sát và chống mài mòn cao. Các lựa chọn phổ biến bao gồm đồng thiếc (ZCuSn10Pb1, cho tốc độ cao, tải trọng nặng), đồng nhôm (cho tốc độ trung bình, tải trọng trung bình) và gang (cho tốc độ thấp, tải trọng nhẹ). Trong các ứng dụng nhẹ, có thể sử dụng nylon để ngăn ngừa hư hỏng do trầy xước.

6.0Ứng dụng điển hình của bộ truyền động bánh vít: Giá trị được xác định theo trường hợp sử dụng

Cảm ơn họ cấu trúc nhỏ gọn, tỷ lệ giảm cao, hoạt động trơn tru và khả năng tự khóa, bộ truyền động bánh vít được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

Ứng dụng công nghiệp

• Vận chuyển và nâng hạ: Băng tải (giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn), thang máy và tời (tự khóa để đảm bảo an toàn, kiểm soát tốc độ trơn tru).
• Máy móc hạng nặng: Máy ép công nghiệp (mô-men xoắn đầu ra cao), hệ thống cấp liệu máy công cụ (chuyển động có độ chính xác cao để gia công chính xác).
• Thiết bị đặc biệt: Hộp số chuyển số trong xe bốn bánh (truyền động trục chéo), hệ thống phanh (tự khóa để ngăn chuyển động lùi).

Ứng dụng tiêu dùng và chính xác

• Điều chỉnh nhạc cụ: Chốt lên dây đàn guitar và violin (tự khóa để giữ độ căng của dây, điều chỉnh chính xác).
• Thiết bị an toàn: Cửa an ninh tự động (tự khóa để ngăn chặn việc mở cửa cưỡng bức).
• Máy móc hàng ngày: Tời kéo thuyền (nâng vật nặng với mô men xoắn tăng), máy câu cá (cuộn êm ái với chức năng chống đảo ngược).

7.0Kết luận: Ưu điểm và hạn chế của bộ truyền động bánh vít

Ưu điểm chính:

1. Tỷ lệ giảm một giai đoạn lớn (10–100) trong một hình thức nhỏ gọn
2. Hoạt động trơn tru và yên tĩnh
3. Khả năng tự khóa vốn có
4. Bố trí trục vuông góc mà không có cơ chế đảo chiều phức tạp

Những hạn chế chính:

1. Ma sát trượt cao giữa các bề mặt răng, dẫn đến hiệu suất thấp hơn (thường là 60–70% đối với trục vít khởi động đơn)
2. Độ mài mòn tương đối nhanh, cần bôi trơn thường xuyên
3. Không phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao hoặc công suất cao do sinh nhiệt và nguy cơ mài mòn

Nhìn chung, ổ trục vít đại diện cho một truyền động cổ điển sự đánh đổi “hiệu quả cho hiệu suất”vẫn là giải pháp không thể thiếu cho các ứng dụng tốc độ thấp, tải trung bình đến nhẹ, trong đó thiết kế nhỏ gọn, an toàn và độ tin cậy là rất quan trọng.

 

Tài liệu tham khảo

www.machinerylubrication.com/Read/1080/worm-gears

en.wikipedia.org/wiki/Worm_drive

www.wmberg.com/resources/blogs/guide-to-worm-gear-drives

www.iqsdirectory.com/articles/gear/worm-gears.html