Bạn muốn tìm hiểu hoặc đang loay hoay với hàng loạt công thức, thông số kỹ thuật và chưa biết bắt đầu từ đâu khi thiết kế hệ truyền động thanh răng – bánh răng? Đừng lo! Bài viết này sẽ giúp bạn tiếp cận vấn đề một cách đơn giản, dễ hiểu và dễ áp dụng – kể cả khi bạn không phải là chuyên gia.

 

Thanh răng và bánh răng

Cơ cấu thanh răng – bánh răng là một trong những thiết kế cơ khí kinh điển, cho phép chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, hoặc ngược lại. Nó vừa đơn giản, vừa linh hoạt, lại có thể ứng dụng ở khắp nơi – từ máy móc công nghiệp đến hệ thống lái ô tô.

Thanh răng (rack, ラック): là một “bánh răng dạng thanh thẳng”, có thể có tiết diện chữ nhật hoặc tròn. Bạn có thể tưởng tượng nó như một bánh răng "dài vô tận". Bánh răng ăn khớp với nó là bánh răng trụ thẳng (pinion, ピニオン). Có thể ghép nối nhiều thanh răng để tăng chiều dài, nhưng các mặt đầu phải được gia công để đảm bảo độ chính xác.

Thanh răng nghiêng (Helical rack, へリカルラック) với các răng nghiêng, dùng khi cần vận hành êm và tốc độ cao, ăn khớp với bánh răng nghiêng (helical gear, へリカルギア).

Trong cơ cấu, bánh răng thường được gắn lên trục (shaft, シャフト) nhờ then (key, キー), trục được đỡ bằng vòng bi (bearing, ベアリング) hoặc bạc lót (bushing, ブッシュ). Với thanh răng, cần thiết kế gối đỡ phù hợp. Gối đỡ này không chỉ nâng đỡ mà còn ngăn thanh răng quay. Thanh răng tiết diện chữ nhật sẽ có độ bền và các thông số tương đương một bánh răng tròn.

Kích thước và hình dạng thanh răng

Thường được sản xuất với chiều dài nhỏ hơn 2000mm, theo bội số 500mm (500, 1000, 1500,...). Tiết diện phổ biến: vuông hoặc chữ nhật; một số loại tròn gọi là thanh răng tròn (round rack, 丸ラック).

Thanh răng nghiêng thường có góc nghiêng là 19°31'42", giúp tạo ra chuyển động chính xác tương ứng với vòng quay bánh răng, dễ tính toán và sử dụng.

Các trạng thái hoạt động

Thanh răng di động: tạo chuyển động thẳng, dùng trong:

• cơ cấu kích
• hệ thống kẹp
• cơ cấu đẩy phôi

Thanh răng đứng yên: bánh răng di chuyển, ứng dụng trong:

• cơ cấu định vị máy
• máy dập tay
• chuyển động ngang hoặc nâng
• Xoay/lật sản phẩm

Hai thanh răng đối diện – một bánh răng giữa:

tạo chuyển động tịnh tiến luân phiên hai phía, ứng dụng:

• cơ cấu phân phối phôi
• cơ cấu truyền động quay bằng khí nén

=> Tính ứng dụng cực kỳ linh hoạt, chỉ cần bạn có ý tưởng – còn cơ cấu này sẽ biến nó thành chuyển động thật!

Ứng dụng trong cơ cấu lái ô tô

Cơ cấu lái ô tô có 2 loại: thanh răng – bánh răng và vít me (ball screw, ボールねじ).

Loại thanh răng – bánh răng phổ biến hơn, đặc biệt trên xe nhỏ, vì đơn giản, nhẹ, bền, ma sát thấp, phản hồi nhanh.

Bánh răng gắn trên trục vô-lăng ăn khớp với thanh răng. Khi xoay vô-lăng, bánh răng quay, chuyển động sang thanh răng theo phương ngang. Thanh răng nối với các thanh kéo làm quay bánh xe.

So sánh giữa Thanh răng – Bánh răng và Vít me

Là một phần tử cơ khí tạo ra chuyển động tịnh tiến, hệ thống thanh răng – bánh răng thường được so sánh với vít me.

Khi so sánh với thanh răng – bánh răng, nhìn chung, vít me có những ưu điểm sau:

• Định vị chính xác
• Chuyển động mượt mà với ma sát thấp
• Không có hiện tượng rơ (backlash).

Tuy nhiên, vít me cũng có một số nhược điểm:

• Chi phí cao hơn
• Khó khăn trong sản xuất vít me có chiều dài lớn do hiện tượng uốn cong
• Không thích hợp với tải trọng lớn

=> Vít me thì mượt, nhưng thanh răng – bánh răng lại đơn giản, bền bỉ và mạnh mẽ – lý tưởng trong nhiều ngành công nghiệp và giao thông.

Bạn đã đi được nửa chặng đường – đừng dừng lại nhé! Giờ là lúc bước vào phần hấp dẫn nhất tính toán.

Tính toán hệ truyền động thanh răng – bánh răng có thể khiến bạn choáng ngợp bởi quá nhiều thuật ngữ kỹ thuật. Nhưng điều quan trọng nhất cần nhớ: đây là một quá trình thử và sai. Bạn sẽ cần linh hoạt điều chỉnh các thông số như đường kính bánh răng, độ cứng thanh răng… để đạt được kết quả tối ưu. Và chính quá trình thử nghiệm, tinh chỉnh này lại là phần thú vị nhất!

Các định nghĩa quan trọng

Để làm rõ hơn, chúng tôi cung cấp cho bạn một số định nghĩa quan trọng:

• Lực tiếp tuyến hoặc lực dẫn động (đơn vị: N)

Đây là lực cần thiết để cung cấp chuyển động tuyến tính cho thanh răng.

• Mô-men xoắn (đơn vị: Nm)

Mô-men xoắn là đại lượng cơ bản làm bánh răng xoay. Nó được xác định bằng tích của lực tiếp tuyến và bán kính bánh răng (hay còn gọi là tay đòn). Trong truyền động bánh răng – thanh răng, mô-men xoắn thường được tính theo công thức:

F_2T= (2 × T_2B) / d

• Hệ số an toàn

Khuyến nghị hệ số an toàn ít nhất là 2 cho chuyển động ngang và 3 cho chuyển động thẳng đứng.

• Hệ số ma sát

Hệ thống của bạn có tải nặng hay nhẹ? Giá trị được sử dụng rộng rãi là 0,1 hoặc 0,15.

• Lực bên ngoài

Hệ thống của bạn chỉ dùng để đẩy sản phẩm, hay còn chịu thêm lực tác động nào khác? Các lực này cần được đưa vào để phục vụ cho quá trình tính toán.

Đừng bỏ lỡ phần tiếp theo – đây là những sai lầm phổ biến và kinh nghiệm thực tế mà dân cơ khí nào cũng nên biết!

Những điểm cần lưu ý khi lựa chọn thanh răng và bánh răng

Đôi khi chúng ta dễ nhầm lẫn hoặc đưa ra những giả định chưa chính xác, khiến việc tính toán hệ truyền động thanh răng – bánh răng trở nên phức tạp hơn. 

Vì vậy, hãy luôn lưu ý những điểm sau đây:

• Một bánh răng khoảng 20 răng được xem là tối ưu về mặt lực tiếp tuyến và độ rơ trong hệ thống. Nếu dùng bánh răng lớn hơn, độ rơ sẽ tăng; ngược lại, bánh răng nhỏ hơn sẽ truyền mô-men xoắn kém hơn và dễ bị mài mòn nhanh hơn.

• Mô-đun lớn hơn không đồng nghĩa với khả năng truyền lực tiếp tuyến cao hơn! Chẳng hạn, một thanh răng mô-đun 2 với cấp chính xác 5 hoàn toàn có thể chịu tải tốt hơn mô-đun 3 ở cấp chính xác 8. Điều này cho thấy: không chỉ kích thước, mà chất lượng chế tạo và độ chính xác cũng là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất truyền động.

• Chất lượng của thanh răng không chỉ dựa vào độ sai lệch trên mỗi mét, mà còn phụ thuộc vào xử lý bề mặt và độ cứng vật liệu. Ví dụ, thanh răng cấp chính xác là 8 có thể cho hiệu suất tốt hơn và giá thành hợp lý hơn so với cấp 10!

• Độ rơ (backlash, バックラッシュ) là kết quả của sự tương tác giữa tất cả các thành phần trong hệ thống. Vì vậy, việc chọn một hộp số siêu ít độ rơ nhưng kết hợp với bánh răng lớn hoặc thanh răng chất lượng thấp sẽ không mang lại hiệu quả — thậm chí còn phản tác dụng.

• Các dung sai của thanh răng và bánh răng không được chuẩn hóa, và trong thực tế, chúng ta thường thấy sự sai lệch. Chẳng hạn, sai lệch có thể được tính trên 300 mm thay vì 1000 mm, điều này làm cho việc kiểm soát chất lượng trở nên phức tạp hơn.

• Để có một hệ thống truyền động êm ái và ít độ rơ với tuổi thọ lâu dài, nên sử dụng bánh răng và thanh răng từ cùng một nhà cung cấp. Dung sai, đặc biệt là với răng nghiêng, đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất ổn định.

Tính toán thanh răng và bánh răng

Với bảng dưới đây bạn có thể thực hiện các phép tính:

 

Tóm lại

Việc tính toán hệ thống truyền động thanh răng – bánh răng sẽ trở nên đơn giản hơn khi bạn nắm rõ các khái niệm cơ bản và chú ý đến những yếu tố như mô-đun, chất lượng gia công, dung sai và các lực tác động thực tế. Hy vọng bài viết đã mang đến cho bạn góc nhìn rõ ràng và hữu ích. Cảm ơn bạn đã theo dõi đến cuối – chúc bạn thành công với thiết kế của mình!

Cuối cùng, nếu bạn thấy bài viết hữu ích, đừng quên để lại bình luận, nhấn like hoặc chia sẻ cho bạn bè cùng tham khảo nhé! Mỗi tương tác của bạn là động lực để chúng tôi tiếp tục chia sẻ thêm nhiều kiến thức giá trị hơn nữa.

 

Tác giả: Chu Văn Minh

Các công cụ giúp bạn tiết kiệm thời gian trong quá trình tính toán thanh răng – bánh răng:

Caculator | XT Mechanical Blog

Tham khảo:

Gear Rack and Pinion | KHK (khkgears.net)

Calculate a rack and pinion drive, how do you do that? (apexdyna.nl)