Khi tính toán lựa chọn vít me các bạn có thể gặp khái niệm lực dự áp (hay còn gọi là lực dự trữ, hay lực preload). Đây là một yếu tố quan trọng trong cơ cấu vít me, nhằm đảm bảo tính chính xác, độ ổn định và giảm độ rơ trong quá trình hoạt động. Để hiểu chi tiết về lực dự áp trong cơ cấu vít me, chúng ta sẽ tìm hiểu qua các khía cạnh sau:

1. Cơ cấu vít me là gì?

Cơ cấu vít me (ball screw) là một hệ thống truyền động cơ học sử dụng vít và đai ốc. Trong đó, các viên bi (bi thép) được đặt giữa hai phần này để giảm ma sát, đồng thời chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng hoặc ngược lại. Vít me thường được sử dụng trong các máy công cụ, máy CNC, các hệ thống tự động hóa, bởi nó cho phép độ chính xác và hiệu suất cao.

2. Lực dự áp là gì?

Lực dự áp là một lực nhỏ được tạo ra bằng cách áp dụng một lực căng trước (preload) giữa các bộ phận trong hệ thống. Trong cơ cấu vít me, lực dự áp được áp dụng giữa vít và đai ốc để loại bỏ độ rơ giữa chúng. Độ rơ này có thể xuất hiện do quá trình chế tạo, mài mòn theo thời gian, hoặc do sự thay đổi nhiệt độ làm giãn nở vật liệu.

3. Tại sao lực dự áp quan trọng?

a. Giảm độ rơ

Trong cơ cấu vít me, lực dự áp có chức năng loại bỏ sự lỏng lẻo hoặc rơ giữa vít và đai ốc. Điều này rất quan trọng vì độ rơ có thể làm giảm độ chính xác của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như trong máy CNC.

b. Tăng độ cứng

Lực dự áp cũng giúp tăng độ cứng của hệ thống, giúp giảm thiểu biến dạng dưới tác động của tải trọng. Độ cứng cao giúp hệ thống chịu tải tốt hơn, đảm bảo rằng cơ cấu hoạt động một cách ổn định ngay cả khi có tải trọng cao.

c. Tăng tuổi thọ của cơ cấu

Bằng cách loại bỏ độ rơ, lực dự áp giúp giảm sự mài mòn giữa vít và đai ốc. Khi các viên bi thép và bề mặt tiếp xúc giữa vít và đai ốc được duy trì ở trạng thái ổn định, sự mài mòn ít hơn sẽ làm tăng tuổi thọ của cơ cấu.

d. Cải thiện độ chính xác lặp lại

Lực dự áp giúp đảm bảo rằng mỗi lần vít me di chuyển, hệ thống đều tái tạo được vị trí chính xác. Điều này quan trọng trong các ứng dụng cần độ chính xác lặp lại cao, như trong các dây chuyền sản xuất tự động hoặc các máy đo đạc chính xác.

4. Phương pháp áp dụng lực dự áp

Lực dự áp có thể được áp dụng theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng của hệ thống vít me:

a. Lực dự áp qua việc sử dụng đai ốc kép

Một trong những phương pháp phổ biến để tạo ra lực dự áp là sử dụng đai ốc kép. Hai đai ốc được đặt trên vít với một lực căng giữa chúng, đảm bảo rằng luôn có một lực ép lên bề mặt vít để loại bỏ độ rơ. Lực này có thể được điều chỉnh thông qua khoảng cách giữa hai đai ốc.

b. Đai ốc áp lực căng trước (preload) bằng lò xo

Trong một số thiết kế, lò xo được sử dụng để tạo lực căng trước (preload) giữa đai ốc và vít. Lò xo giúp duy trì lực căng liên tục, ngay cả khi có sự giãn nở nhiệt hoặc mài mòn theo thời gian.

c. Lực dự áp bằng cách lựa chọn đường kính bi

Một phương pháp khác là lựa chọn các viên bi có đường kính khác nhau để tạo sự chênh lệch áp suất giữa vít và đai ốc, từ đó tạo ra lực dự áp.

5. Tác động của lực dự áp lên hệ thống

a. Tăng ma sát

Dù lực dự áp có nhiều lợi ích, nó cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như làm tăng ma sát trong hệ thống. Ma sát cao hơn có thể làm giảm hiệu suất và yêu cầu mô-men quay lớn hơn để vận hành hệ thống.

b. Giảm hiệu suất cơ học

Khi lực dự áp quá lớn, hệ thống sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì hoạt động, làm giảm hiệu suất cơ học tổng thể.

c. Gia tăng nhiệt độ

Lực dự áp quá lớn sẽ tạo ra sự gia tăng ma sát, điều này có thể dẫn đến sự sinh nhiệt trong hệ thống. Nếu nhiệt độ quá cao, nó có thể làm biến dạng vít me và đai ốc, ảnh hưởng đến độ chính xác và tuổi thọ.

6. Cân bằng lực dự áp

Việc áp dụng lực dự áp cần được cân nhắc kỹ lưỡng. Nếu lực dự áp quá thấp, độ rơ sẽ xuất hiện và làm giảm độ chính xác. Ngược lại, nếu lực quá lớn, nó có thể gây ra các vấn đề như ma sát và mài mòn nhanh. Do đó, việc cân bằng lực dự áp là rất quan trọng, và điều này thường được thực hiện bằng cách tính toán dựa trên yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

7. Các ứng dụng yêu cầu lực dự áp

Lực dự áp thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và không cho phép sai số như:

• Máy công cụ CNC: Độ chính xác cao trong quá trình gia công đòi hỏi hệ thống vít me phải không có độ rơ.
• Thiết bị đo lường: Các hệ thống đo chính xác yêu cầu chuyển động không có sai số hoặc rơ.
• Hệ thống điều khiển tự động: Các hệ thống servo hoặc robot cần chuyển động chính xác và lặp lại, do đó lực dự áp là cần thiết.

8. Phương pháp tính toán lực dự áp

Lực dự áp (P) có thể được tính dựa trên tải trọng làm việc tối đa Fmax và tỷ lệ phần trăm tương ứng:

P=k×Fmax

Trong đó:

• P là lực dự áp cần thiết.
• k là hệ số dự áp, có thể là 0.03 đến 0.30 tùy vào ứng dụng.
• Fmax là tải trọng làm việc tối đa mà cơ cấu vít me phải chịu.

Việc tính toán lực dự áp là cần thiết khi lựa chọn không chỉ vít me mà còn được áp dụng khi tính toán lựa chọn động cơ cho cơ cấu vít me. Hãy chú ý thành phần lực này.

9. Tóm lại

Lực dự áp là một yếu tố quan trọng giúp cải thiện độ chính xác, độ ổn định và tuổi thọ của cơ cấu vít me. Tuy nhiên, việc áp dụng lực dự áp cần được thực hiện một cách cân nhắc để đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động hiệu quả mà không tạo ra quá nhiều ma sát hoặc nhiệt. Trong các ứng dụng hiện đại, lực dự áp giúp cơ cấu vít me trở nên linh hoạt và đáng tin cậy hơn, đóng góp vào sự phát triển của các ngành công nghiệp như sản xuất, đo lường và tự động hóa.

Tác giả: Nguyễn Văn Hòa