Thuộc chuyên trang Thiết kế & chế tạo máy của cokhi.net. Ngoài cơ cấu cam và 4 khâu bản lề đã giới thiệu, hai cơ cấu biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động quay GIÁN ĐOẠN (định vị theo bước) phổ biến nhất là cơ cấu Man (Geneva) và bánh cóc (ratchet) — bài này trình bày định lượng cả hai.
Cơ cấu Man (Geneva): quay bao nhiêu mỗi bước
Cơ cấu gồm 1 đĩa dẫn mang 1 chốt (pin) quay liên tục, ăn khớp lần lượt vào các rãnh xuyên tâm trên đĩa Geneva (đĩa bị dẫn có n rãnh) — mỗi lần chốt đi qua 1 rãnh, đĩa Geneva quay đúng 1 BƯỚC rồi DỪNG (cung khóa/locking arc giữ đĩa đứng yên) cho tới khi chốt vào rãnh kế tiếp.
Góc quay mỗi bước = 360°/n (n là số rãnh) — đồng thời số rãnh = số vị trí dừng của đĩa Geneva trong 1 vòng đầy đủ.
| Số rãnh (n) | Góc mỗi bước |
|---|---|
| 3 | 120° |
| 4 | 90° |
| 6 | 60° |
| 8 | 45° |
Tối thiểu 3 rãnh: cơ cấu Geneva luôn cần ÍT NHẤT 3 rãnh để hoạt động đúng nguyên lý hình học (dưới 3 rãnh, góc giữa các rãnh và điều kiện ăn khớp/khóa không còn thỏa mãn được về mặt hình học). Số rãnh tối đa trong thực hành thường không vượt quá khoảng 18 rãnh — rãnh càng nhiều, mỗi bước càng nhỏ nhưng đĩa Geneva càng lớn tương đối so với đĩa dẫn.
Geneva ngoài: thời gian DỪNG dài hơn thời gian QUAY
Với cơ cấu Geneva NGOÀI (kiểu phổ biến nhất — chốt nằm ngoài đĩa Geneva), chốt chỉ ăn khớp với rãnh trong PHẦN NHỎ HƠN 180° của vòng quay đĩa dẫn — nghĩa là thời gian đĩa Geneva DỪNG luôn dài hơn thời gian nó QUAY trong mỗi chu kỳ. Số rãnh càng nhiều, tỷ lệ thời gian dừng trên tổng chu kỳ càng tăng (quan hệ định tính — dừng tăng theo n, không có 1 con số % cố định phổ quát cho mọi số rãnh do các nguồn kỹ thuật đưa ra số % lệch nhau đáng kể).
(Geneva TRONG — kiểu ít gặp hơn, chốt nằm bên trong — cho quan hệ ngược lại: thời gian quay dài hơn thời gian dừng — không thuộc phạm vi chính bài này.)
⚠ Sai số lan truyền trên mạng: tỷ số vận tốc góc đỉnh n=4
Tại thời điểm chốt VÀO/RA rãnh (góc quay đĩa dẫn = 0°), đĩa Geneva đạt vận tốc góc lớn nhất trong toàn bộ chu kỳ chuyển động — đây là điểm chịu gia tốc/giật (jerk) lớn nhất, quan trọng khi thiết kế tốc độ vận hành tối đa cho phép. Công thức tổng quát tỷ số vận tốc góc đỉnh (đĩa Geneva / đĩa dẫn):
(ω₂/ω₁)max = 1 / (1/sin(π/n) − 1)
Với n=4 (Geneva 4 rãnh): (ω₂/ω₁)max ≈ 2,414 (= 1+√2, một hằng số kinh điển trong tài liệu cơ cấu học).
Nhiều trang kỹ thuật lưu hành số 3,414 cho cùng trường hợp n=4 — đây là SỐ SAI, xuất phát từ nhầm lẫn với 1 công thức hình học khác (dạng 1/(1−cos(π/n)), cũng cho ra một tỷ số liên quan tới hình học Geneva nhưng KHÔNG phải tỷ số vận tốc góc đỉnh). Bài này dùng đúng công thức và giá trị 2,414 theo nguồn kỹ thuật đối chiếu độc lập, không dùng số 3,414 đang lan truyền.
Bánh cóc (ratchet): quay 1 chiều
Khác Geneva (định vị chính xác từng bước rời rạc), bánh cóc cho phép quay TỰ DO theo 1 CHIỀU và CHẶN quay theo chiều ngược lại — dùng răng bất đối xứng (1 cạnh dốc thoải, 1 cạnh dốc đứng) ăn khớp với 1 "cóc" (pawl) có lò xo ép luôn tì vào răng.
- Khi quay đúng chiều cho phép: cóc trượt qua các cạnh dốc thoải, phát ra tiếng "click" đặc trưng.
- Khi có xu hướng quay ngược: cóc mắc vào cạnh dốc đứng của răng, khóa cứng không cho quay ngược.
Độ rơ (backlash): bánh cóc có độ rơ tối đa bằng khoảng cách 1 bước răng (khác Geneva — không có khái niệm "bước cố định" theo góc như Geneva, vì bánh cóc không định vị chính xác một góc cụ thể, chỉ CHẶN chiều ngược).
So sánh nhanh: Geneva vs bánh cóc
| Tiêu chí | Geneva | Bánh cóc |
|---|---|---|
| Chức năng chính | Định vị CHÍNH XÁC từng bước góc | Chỉ chặn quay NGƯỢC, không định vị góc chính xác |
| Chuyển động | Quay gián đoạn có kiểm soát (dừng hẳn giữa các bước) | Có thể quay liên tục 1 chiều hoặc từng nấc tùy cơ cấu dẫn động |
| Độ chính xác vị trí | Cao (góc bước cố định hình học) | Thấp hơn (giới hạn bởi bước răng) |
Ứng dụng
- Cơ cấu Geneva: máy chiếu phim cơ (dừng từng khung hình), bàn xoay phân độ trong dây chuyền đóng gói/lắp ráp tự động, cơ cấu lên dây đồng hồ cơ cổ điển.
- Bánh cóc: cờ lê tự động (torque wrench với đầu cóc), tời/pa-lăng kéo tải (chống tuột ngược khi dừng kéo), kích nâng cơ khí (car jack).
Thuật ngữ
- Cung khóa (locking arc): phần biên dạng trên đĩa dẫn (hoặc đĩa Geneva) tiếp xúc trong giai đoạn dừng, giữ đĩa Geneva đứng yên tuyệt đối khi chốt không ăn khớp rãnh.
- Cóc (pawl): chi tiết có lò xo ép, tì vào răng bánh cóc, trượt qua khi quay đúng chiều và khóa cứng khi có xu hướng quay ngược.
Liên hệ
Xem thêm cơ cấu biến chuyển động liên tục thành chuyển động có quy luật khác tại cơ cấu cam và cơ cấu phẳng cơ bản (cam cho phép tùy biến quy luật chuyển động theo biên dạng thiết kế, khác Geneva/bánh cóc vốn có quy luật cố định theo hình học rãnh/răng).
Tài liệu tham khảo
- Wikipedia, Geneva drive: https://en.wikipedia.org/wiki/Geneva_drive
- MechSimulator, Geneva Mechanism Kinematics: https://mechsimulator.com