Thanh Răng Và Bánh Răng - Phần 2

2025-05-18
THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY

Ở phần trước, chúng ta đã tìm hiểu những kiến thức nền tảng và vai trò quan trọng của cơ cấu thanh răng – bánh răng trong truyền động tuyến tính. Tiếp nối nội dung đó, phần này sẽ đi sâu vào các đặc tính vật liệu và phương pháp tính toán khi cơ cấu được chế tạo bằng nhựa kỹ thuật.

So với kim loại, thanh răng – bánh răng nhựa mang đến nhiều ưu điểm nhưng cũng đi kèm những thách thức riêng về độ ổn định kích thước, khả năng chịu tải và ảnh hưởng của môi trường. Vậy điều gì khiến vật liệu nhựa trở nên đặc biệt, và cần lưu ý gì khi thiết kế? Hãy cùng khám phá.

MC là viết tắt của “MONO CAST”. MC về bản chất là Polyamide 6 (Nylon).
Duracon là một loại nhựa nhiệt dẻo kết tinh, còn được gọi là Acetal Copolymer. Đây là một trong những loại nhựa kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất.

Đặc điểm của các loại nhựa này bao gồm:

Có khả năng vận hành với ít hoặc không cần bôi trơn, nhờ đặc tính tự bôi trơn vốn có.
Vận hành êm ái.
Khối lượng nhẹ.
Kháng hóa chất hữu cơ và bazơ rất tốt.

Tuy nhiên, nhựa lại có độ ổn định kích thước kém hơn kim loại, do hệ số giãn nở nhiệt lớn và khả năng hút ẩm cao. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế các chi tiết bằng nhựa. Do đó, kỹ sư thiết kế cần nắm rõ các giới hạn của bánh răng nhựa. Thông thường, bánh răng nhựa chỉ được đưa vào sử dụng sau khi đã trải qua thử nghiệm thực tế.

(1) Tính chất cơ học
Bảng 11.1 thể hiện các tính chất cơ học trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Về các đặc tính cơ học, độ bền của vật liệu có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng.

Bảng 11.1 – Các tính chất cơ học của MC Nylon và Acetal Copolymer

CHÚ THÍCH 1: Dữ liệu trong bảng là giá trị tham khảo của MC Nylon, được đo trong điều kiện hoàn toàn khô (absolute dry).
CHÚ THÍCH 2: Đối với Acetal Copolymer, giá trị cường độ nén được tính tại “điểm biến dạng 10%”.

(2) Tính chất nhiệt
So với thép, vật liệu nhựa có sự thay đổi kích thước lớn hơn khi nhiệt độ thay đổi. Các tính chất nhiệt của MC Nylon và Acetal Copolymer được trình bày trong Bảng 11.2.

Bảng 11.2 – Các tính chất nhiệt của MC Nylon và Acetal Copolymer

CHÚ THÍCH 1: Các dữ liệu trong bảng là giá trị tham khảo của MC Nylon, được đo trong điều kiện khô tuyệt đối.
CHÚ THÍCH 2: Khi sử dụng trong môi trường nhiệt độ thấp, cần chú ý đến nhiệt độ giòn (khoảng -30°C đến -50°C) và xác định thông qua kinh nghiệm hoặc kết quả thử nghiệm thực tế.

Ví dụ tính toán sự thay đổi kích thước do nhiệt của thanh răng MC Nylon (MC901)

Mẫu sản phẩm giả định: PR2-1000 (Chiều dài tổng: 1010 mm)
Điều kiện trước khi sử dụng:
– Nhiệt độ môi trường: 20°C = Nhiệt độ sản phẩm: 20°C
– Chiều dài tổng: 1010 mm
Giả định tăng nhiệt độ:
– Từ 20°C lên 40°C (tăng 20°C)
Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính:
– 9×10⁻⁵ /°C

Công thức tính:
ΔL = hệ số giãn nở × chiều dài × chênh lệch nhiệt độ
= 9×10⁻⁵ /°C × 1010 mm × 20°C = 1.818 mm

→ Kết luận: Thanh răng MC Nylon PR2-1000 sẽ dài ra 1.8 mm khi nhiệt độ tăng 20°C.

(3) Tính chất hấp thụ nước

Các tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu nhựa sẽ suy giảm khi chúng hấp thụ độ ẩm. Bảng 11.3 thể hiện đặc tính hấp thụ nước và hơi ẩm của MC Nylon và Duracon.

Bảng 11.3 – Đặc tính hấp thụ nước và hơi ẩm của MC Nylon và Duracon

CHÚ THÍCH 1: Đối với loại MC602ST, tỷ lệ hấp thụ nước vào khoảng 90% so với MC901.

So với MC Nylon, Duracon có khả năng hấp thụ nước thấp hơn.
Kích thước của bánh răng MC Nylon thay đổi theo lượng nước hấp thụ, dẫn đến sai lệch giữa thời điểm mua và thời điểm sử dụng.

Hình 11.1 – Tương quan giữa hàm lượng ẩm và độ giãn nở kích thước của MC901

Ví dụ tính toán sự giãn nở do hấp thụ nước của thanh răng MC Nylon (MC901)

Mẫu sản phẩm giả định: PR2-1000 (Chiều dài tổng: 1010 mm)
Trước khi sử dụng: Độ ẩm hấp thụ là 1%
Sau khi sử dụng (giả định): Độ ẩm tăng lên 3%

Tính toán:

Theo dữ liệu từ Hình 11.1:
– Độ giãn nở tương ứng với độ ẩm 1%: 0.2%
– Độ giãn nở tương ứng với độ ẩm 3%: 0.75%
Mức độ gia tăng: 0.75% – 0.2% = 0.55%
Tính kích thước thay đổi:
1010 mm × 0.55% = 5.555 mm

(4) Khả năng kháng hóa chất

MC Nylon

MC Nylon (MC901) có khả năng kháng hóa chất tương đương nhựa Nylon thông thường.
Đặc tính cụ thể như sau:

Với nhiều axit vô cơ, ngay cả ở nồng độ thấp và nhiệt độ thường, không nên sử dụng nếu chưa qua thử nghiệm.
Có thể sử dụng với kiềm vô cơ ở nhiệt độ phòng và nồng độ nhất định.
Với muối vô cơ, có thể chịu được ở nhiệt độ và nồng độ tương đối cao.
Ổn định hơn trong axit hữu cơ (trừ axit formic) so với axit vô cơ.
Ổn định trong các hợp chất hữu cơ nhóm este và ketone ở nhiệt độ phòng.
Ổn định trong hydrocacbon thơm, dầu khoáng, dầu thực vật, dầu động vật ở nhiệt độ phòng.

Bảng 11.4 – Tính kháng hóa chất của MC Nylon

Lưu ý: Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo. Cần thử nghiệm trước trong điều kiện sử dụng thực tế.

Duracon

Duracon nổi bật bởi khả năng kháng hóa chất hữu cơ và kiềm rất tốt. Tuy nhiên, số lượng keo dán phù hợp với Duracon lại khá hạn chế.

Đặc tính chính:

Kháng tốt các hóa chất vô cơ, ngoại trừ axit mạnh như axit nitric, axit hydrochloric và axit sulfuric.
Chất tẩy rửa gia dụng không ảnh hưởng đáng kể đến Duracon.
Không suy giảm tính chất dưới dầu bôi trơn nhiệt độ cao trong thời gian dài (trừ phụ gia đặc biệt).
Tương tác với mỡ bôi trơn tương tự như với dầu.

Để biết thêm về khả năng kháng hóa chất khác, cần tham khảo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất nhựa.

11.2 Độ bền của bánh răng nhựa

(1) Độ bền uốn của bánh răng trụ

MC Nylon

Lực tiếp tuyến cho phép F (kgf) tại vòng chia của bánh răng trụ MC Nylon có thể được tính theo công thức Lewis:

F = m×y×b×σb×f (kgf) (11.1)

Trong đó:

m: Môđun (mm)
y: Hệ số hình dạng răng tại điểm chia (xem Bảng 11.5)
b: Chiều rộng mặt răng (mm)
σb: Ứng suất uốn cho phép (kgf/mm²) (xem Hình 11.2)
f: Hệ số tốc độ (xem Bảng 11.6)

Hình 11.2: Ứng suất uốn cho phép σb

Bảng 11.5 Hệ số hình dạng răng, y

Bảng 11.6 Hệ số tốc độ, f

Duracon

Lực tiếp tuyến cho phép F (kgf) tại vòng chia của bánh răng trụ Duracon 90 cũng được tính bằng công thức Lewis:

F = mybσb (11.2)

Trong đó:

m: Môđun (mm)
y: Hệ số hình dạng răng tại điểm chia (xem Bảng 11.5)
b: Chiều rộng mặt răng (mm)
σb: Ứng suất uốn cho phép (kgf/mm²)

Ứng suất uốn cho phép σb của Duracon được tính theo công thức:

Trong đó:

σb: Ứng suất uốn cho phép tối đa trong điều kiện tiêu chuẩn (kgf/mm²) (xem Hình 11.3)
CS: Hệ số điều kiện làm việc (xem Bảng 11.7)
KV: Hệ số tốc độ (xem Hình 11.4)
KT: Hệ số nhiệt độ (xem Hình 11.5)
KL: Hệ số bôi trơn (xem Bảng 11.8)
KM: Hệ số vật liệu (xem Bảng 11.9)

Hình 11.3 Ứng suất uốn cho phép tối đa trong điều kiện tiêu chuẩn, σb

Hình 11.4 Hệ số tốc độ, KV

Hình 11.5 Hệ số nhiệt độ, KT

Bảng 11.7 Hệ số làm việc, CS

Bảng 11.8 Hệ số bôi trơn, KL

Bảng 11.9 Hệ số vật liệu, KM

Lưu ý thiết kế

Khi thiết kế bánh răng nhựa, cần xem xét kỹ lưỡng ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm. Các vấn đề liên quan bao gồm:

Độ rơ (Backlash):
Bánh răng nhựa có hệ số giãn nở nhiệt lớn và khả năng hút ẩm cao, làm kích thước thay đổi theo môi trường. Do đó, cần thiết kế độ rơ lớn hơn bánh răng kim loại để bù trừ biến dạng.
Bôi trơn:
Hầu hết bánh răng nhựa không yêu cầu bôi trơn, nhưng việc bôi trơn có thể giảm ma sát và nhiệt độ sinh ra do ăn khớp, đặc biệt trong ứng dụng tốc độ cao.
Cặp bánh răng nhựa - kim loại:
Khi một trong hai bánh là kim loại, nó đóng vai trò làm mát, hạn chế tăng nhiệt cho bánh nhựa. Hiệu quả phụ thuộc vào loại kim loại, khối lượng và tốc độ quay.

(2) Độ bền bề mặt của bánh răng trụ (Duracon)

Bánh răng Duracon có ma sát và mài mòn thấp khi làm việc trong điều kiện có dầu bôi trơn. Tuy nhiên, khi tính toán độ bền bề mặt, cần giả định điều kiện không bôi trơn.

Ứng suất tiếp xúc Hertz SC (kgf/mm²) được tính theo công thức:

Trong đó:

F: Lực tiếp tuyến tác dụng lên răng (kgf)
b: Chiều rộng mặt răng (mm)
d01: Đường kính vòng chia của bánh nhỏ (mm)
i=z2/z1: Tỷ số truyền
E: Môđun đàn hồi của vật liệu (kgf/mm²) (xem Hình 11.6)
α: Góc ăn khớp (độ)

Hình 11.6: Môđun đàn hồi uốn của Duracon

Hình 11.7: Ứng suất tiếp xúc cho phép tối đa của bánh răng trụ

→ Nếu giá trị SC tính được từ (11.4) nằm dưới đường cong trên Hình 11.7, thiết kế được xem là an toàn. Nếu vượt quá đường cong, bánh răng không đạt yêu cầu.

Chú thích: Hình 11.7 dựa trên dữ liệu của cặp bánh răng Duracon: m=2, v=12m/s, hoạt động ở nhiệt độ phòng. Với điều kiện tương tự hoặc tốt hơn, có thể sử dụng giá trị này để đánh giá độ bền bề mặt.

(5) Độ bền của rãnh then bằng nhựa

Việc cố định bánh răng nhựa vào trục thường được thực hiện bằng then và rãnh then. Khi đó, yếu tố quan trọng là ứng suất σ (kgf/cm²) tác động lên hai bên rãnh then. Ứng suất này được tính theo Công thức (11.11).

T ：Mô-men xoắn truyền động (kgf・cm)
d ：Đường kính trục (cm)
l ：Chiều dài hữu hiệu của rãnh then (cm)
h ：Độ sâu của rãnh then (cm)

Áp suất bề mặt cho phép tối đa của MC901 là 200kgf/cm², và không được vượt quá giới hạn này. Ngoài ra, các góc của rãnh then phải có bán kính phù hợp để tránh tập trung ứng suất. Khoảng cách từ chân răng đến đáy rãnh then nên ít nhất gấp đôi chiều sâu răng.

Không nên sử dụng rãnh then trong các điều kiện sau:
– Ứng suất rãnh then quá lớn
– Nhiệt độ môi trường cao
– Bánh răng có đường kính ngoài lớn
– Va đập mạnh

Khi gặp các điều kiện trên, nên sử dụng một trục kim loại bên trong bánh răng. Khi đó, rãnh then có thể được gia công trên trục kim loại.

Trục kim loại có thể được cố định vào bánh răng nhựa bằng một số phương pháp:
– Ép trục kim loại vào bánh răng nhựa, đảm bảo cố định bằng gờ khía hoặc vít
– Gắn các đĩa kim loại bằng vít ở hai bên bánh răng nhựa
– Hàn nóng trục kim loại vào bánh răng

Tóm tắt

Tóm lại, việc ứng dụng nhựa trong cơ cấu thanh răng – bánh răng mang lại nhiều lợi thế như vận hành êm, không cần bôi trơn và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, để tận dụng tối đa những ưu điểm này, người thiết kế cần thấu hiểu các đặc tính vật liệu, đặc biệt là sự thay đổi kích thước do nhiệt và độ ẩm.

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.

Tiếng Việt	Tiếng Nhật	Tiếng Anh
Bánh răng	歯車（はぐるま・Haguruma）	Gear
Thanh răng	ラック（Rakku）	Rack
Hệ số	係数（けいすう・Keisū）	Coefficient
Mô-men xoắn	トルク（Toruku）	Torque
Ứng suất	応力（おうりょく・Ōryoku）	Stress
Bôi trơn	潤滑（じゅんかつ・Junkatsu）	Lubrication
Giãn nở nhiệt	熱膨張（ねつぼうちょう・Netsubōchō）	Thermal expansion
Nhựa kỹ thuật	エンジニアリングプラスチック（Enjinia ringu purasuchikku）	Engineering plastic
Vận hành	運転（うんてん・Unten）	Operation
Độ ổn định kích thước	寸法安定性（すんぽうあんていせい・Sumpō anteisei）	Dimensional stability