Bộ truyền bánh răng mặt đầu

Author
1. Định nghĩa

Bộ truyền bánh răng mặt đầu (face gear) là bộ truyền gồm một bánh răng trụ răng thân khai thẳng hay nghiêng (xoắn vít), ăn khớp với một bánh răng mặt đầu. Góc giữa hai trục quay là 90 độ, cắt nhau hoặc chéo nhau.

Hình 1a: bánh răng trụ răng thẳng, hai trục cắt nhau.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/banh-rang-tru-rang-thang-hai-truc-cat-nhau/

Hình 1b: bánh răng trụ răng xoằn, hai trục cắt nhau.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/banh-rang-tru-rang-xoan-hai-truc-cat-nhau/

Hình 1c: bánh răng trụ răng thẳng, hai trục chéo nhau.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/banh-rang-tru-rang-thang-hai-truc-cheo-nhau/

Định nghĩa mở rộng: Góc giữa hai trục quay có thể khác 90 độ (hình 1d).
Lúc đó điểm cơ bản để phân biệt với các bộ truyền khác (bánh răng nón, bánh răng hypôid, trục vít - bánh vít mặt đầu, …) là:
1. Có bánh răng trụ
2. Bánh răng còn lại (không còn là bánh răng mặt đầu) có răng để ăn khớp được với bánh răng trụ đó. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/bo-truyen-banh-rang-mat-dau/

Với định nghĩa mở rộng thì bộ truyền này gồm cả bộ truyền hai bánh răng trụ thông thường.

2. Công dụng và ưu điểm

Bộ truyền bánh răng mặt đầu đã có từ thời La Mã, trong cối xay gió, nhưng sau đó không được dùng nhiều vì khả năng tải kém. Gần đây, từ những năm 1990, những nghiên cứu thành công về bộ truyền này ở Mỹ, Hà Lan, Thụy Sĩ làm chúng trở nên thông dụng trong bộ vi sai ô tô (xe Audi Quattro RS5), truyền động cánh quạt máy bay trực thăng (một tài liệu của NASA nói giảm được 40% trọng lượng của bộ truyền động trước đây) và những nơi cần truyền động góc.

Ưu điểm (so với bánh răng nón):
- Bánh răng trụ có thể tự do di chuyển dọc trục, tức là:
không cần định vị dọc trục chính xác,
có thể thay đổi vết tiếp xúc trên răng,
một bánh răng trụ có thể cùng ăn khớp một lúc với vài bánh răng mặt đầu khác.
- Bánh răng trụ rẻ, dễ chế tạo.
- Đường kính trong và ngoài của bánh răng mặt đầu có thể thay đổi trong một khoảng.
- Không có lực dọc trục bánh răng trụ (trường hợp răng thẳng).
- Dung sai khoảng cách giữa mặt đầu bánh răng mặt đầu và đường trục bánh răng trụ có thể lớn.
- Hiệu suất truyền động cao như bộ truyền bánh răng trụ thường (98% ... 99%).
- Chạy êm.
- Chế tạo kinh tế, nếu dùng thiêu kết kim loại bột, rèn chính xác, phay lăn.

3. Thiết kế và chế tạo

Dạng răng của bánh răng mặt đầu là điểm mấu chốt của bộ truyền. Rãnh răng không phải được tạo nên bằng cách quét một hình thang theo đường thẳng (như rãnh răng của thanh răng). Biên dạng sườn răng của bánh răng mặt đầu thay đổi theo chiều dài răng. Bởi vậy xác định dạng răng là việc khó. Xem sổ tay thiết kế của NASA:
http://archive.org/details/nasa_techdoc_20000027536
Đã có bán phần mềm chuyên thiết kế bộ truyền này. Tham khảo:
http://manual.kisssoft.ag/English/8513.htm

Răng của bánh răng mặt đầu thường được chế tạo theo phương pháp bao hình, là phương pháp làm quá trình cắt răng giống như quá trình ăn khớp của bộ truyền định chế tạo.

Hình 2a cho thấy cách xọc bao hình bánh răng mặt đầu. Dao (màu vàng) có dạng bánh răng trụ của bộ truyền, trên đó có lưỡi cắt, chuyển động thẳng đi lại về phía tâm của bánh răng mặt đầu. Trong quá trình cắt dao và phôi có chuyển động quay y như lúc bộ truyền làm việc.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/fellows-f
-machine/


Hình 2b là sơ đồ chế tạo bằng cách phay lăn bao hình. Dao hình đĩa màu đỏ, được vẽ to ở phía trên bên phải. Trên dao có ren, biên dạng thân khai, bước ren bằng bước răng của bánh răng trụ. Đường sinh đĩa cong tương ứng với đường kính của bánh răng trụ. Các rãnh tạo lưỡi cắt vuông góc với đường ren. Có sự quay phối hợp giữa đĩa dao và phôi để răng dao ăn khớp với bánh răng mặt đầu như khi bộ truyền làm việc. Tiến dao theo phương hướng kính và phương dọc trục đối với phôi. Mỗi dao chỉ dùng được cho một bộ truyền, không thể dùng chung cho mọi bộ truyền như dao phay lăn bánh răng trụ thường.

Đã có các phương pháp khác (cả cắt và mài răng) tốt hơn và phức tạp hơn. Tham khảo:
http://www.gearsolutions.com/articl...b.tuke.sk/fvtpo/journal/pdf10/3-str-19-21.pdf

4. Mô phỏng một số ứng dụng của bộ truyền

Hình 3a: Truyền động cho hai trục quay ngược chiều nhau, khoảng cách trục điều chỉnh được. Nhờ đặc tính của bộ truyền bánh răng mặt đầu, trục bên phải có thể di chuyển dài mà vẫn bảo đảm ăn khớp tốt. Vận tốc hai trục có thể khác nhau nếu số răng của hai bánh răng mặt đầu khác nhau. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
/


Hình 3b: Như cơ cấu hình 3a nhưng hai trục quay cùng chiều. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-2/


Hình 3c: Truyền động cho hai trục đồng trục, quay ngược chiều nhau. Vận tốc hai trục có thể khác nhau nếu số răng của hai bánh răng mặt đầu khác nhau. Trục màu vàng là trục dẫn. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-6-
-coaxial-propellers-9/


Hình 3d: Truyền động cho cánh quạt máy bay trực thăng (theo Trung tâm nghiên cứu Lewis, Ohio, Mỹ). Hai động cơ (để hỏng một cái vẫn bay được) trục ngang cùng truyền động cho trục đứng màu vàng qua bộ truyền bánh răng mặt đầu và bộ truyền bánh răng trụ. Đường truyền từ mỗi động cơ được chia đôi để giảm tải cho các răng. Dễ lắp ráp và chịu dãn nở nhiệt nhờ khả năng cho di chuyển dọc trục của bánh răng trụ trong bộ truyền bánh răng mặt đầu.
Chuyển động từ trục màu vàng còn phải qua một bộ truyền hành tinh nữa mới đến cánh quạt.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-3/


Hình 4a: Bộ truyền hành tinh. Bánh răng mặt đầu màu xanh cố định, số răng Z1 = 40.
n2/nc = (Z1+Z2)/Z2 = 7/3
n2: vận tốc bánh răng mặt đầu màu vàng, số răng Z2 = 30
nc: vận tốc trục (cần) màu xanh
Khác với bộ truyền hành tinh bánh răng trụ (một bánh răng răng trong, một bánh răng răng ngoài) không có ràng buộc gì giữa Z1, Z2 và số răng của bánh răng hành tinh màu hồng. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-4/


Đã có thiết kế bộ biến tốc hành tinh hai cấp 14 tốc độ dùng bánh răng mặt đầu cho xe đạp, lắp vào ổ trục giữa. Tham khảo:
http://crowndrive.net/en/practice/bb-drive/bb-drive.html

Hình 4b: Bộ vi sai ô tô. Trục dẫn màu hồng nhận chuyển động quay từ động cơ, truyền động cho bánh răng màu xanh lá để bánh này quay với vận tốc không đổi Ng. Trục đỏ, vận tốc N1, và trục vàng, vận tốc N2, gắn với bánh xe ô tô. N1 và N2 biến đổi khi xe đi vòng theo quan hệ:
Ng = (N1 + N2) / 2
Ưu điểm so với bộ vi sai bánh răng nón:
- Không cần định vị dọc trục chính xác các bánh răng màu xanh.
- Có thể di chuyển các bánh răng màu xanh dọc trục để thay đổi vị trí vết tiếp xúc trên răng, kéo dài tuổi thọ bánh răng.
Trong mô phỏng sau đây trục màu đỏ được cho quay đảo chiều để thấy rõ hoạt động của cơ cấu:
http://meslab.tv/2012/12/507/

Hình 4c: Ly hợp đảo chiều. Trục dẫn màu hồng quay một chiều. Trục ra màu xanh quay hai chiều. Điều khiển bằng tay gạt con trượt xanh. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-5/


Hình 4d: Hộp số hai tốc độ. Trục dẫn màu xanh quay với tốc độ không đổi. Trục ra màu vàng có hai tốc độ. Điều khiển bằng tay gạt con trượt màu xanh. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-6/


Hình 5a: Ly hợp đảo chiều hai tốc độ. Trục dẫn màu xanh quay một chiều. Trục ra màu vàng quay hai chiều, hai tốc độ khác nhau. Điều khiển bằng tay gạt con trượt màu xanh. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-7/


Hình 5b: Ly hợp một chiều
Trục dẫn màu xanh có thể đảo chiều nhưng chỉ có một chiều là truyền được cho trục ra màu vàng. Thành phần dọc trục của lực ăn khớp trên bộ truyền bánh răng nghiêng màu xanh đẩy trục màu hồng đi lại khi đảo chiều, làm bánh răng màu hồng tự động ra vào khớp với bánh răng vàng.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-8/


Hình 5c: Cơ cấu biến quay hai chiều thành quay một chiều.
Trục dẫn màu xanh có thể đảo chiều quay nhưng trục ra màu vàng chỉ quay một chiều. Thành phần dọc trục của lực ăn khớp trên bộ truyền bánh răng nghiêng màu xanh đẩy trục màu hồng đi lại khi đảo chiều, làm bánh răng màu hồng ăn khớp với hai phía của bánh răng vàng.
Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-9/

[video=youtube_share;h6upHEjsp74]http://youtu.be/h6upHEjsp74[/video]

Hình 5d: Trục dẫn màu xanh quay với tốc độ không đổi. Trục bị dẫn màu vàng có tốc độ biến đổi liên tục vì có bánh răng mặt đầu màu vàng lắp lệch tâm. Nhờ vậy con trượt màu hồng đi từ trái sang phải nhanh hơn chiều ngược lại. Chiều dài răng của bánh răng mặt đầu phải rất nhỏ để hai bánh răng có thể ăn khớp, không bị kẹt. Xem mô phỏng:
http://meslab.tv/2012/12/f
-10/

► Do không thể vẽ đúng được dạng răng của bánh răng mặt đầu nên các mô phỏng trong bài này chạy không êm nếu dùng ràng buộc 3D Contact trong Inventor.
 
Last edited by a moderator:
Top