Bánh răng nghiêng (helical) đã được giới thiệu ở mức tổng quan trong bài phân loại bánh răng — răng nghiêng một góc so với trục thay vì song song như bánh răng thẳng. Bài này đi sâu vào hệ quả kỹ thuật quan trọng nhất của góc nghiêng: lực dọc trục, và hai loại module cần phân biệt khi thiết kế.
Module pháp tuyến và module ngang
Vì răng nghiêng một góc β so với trục, bánh răng nghiêng có hai loại module cần phân biệt:
- Module pháp tuyến (normal module, mₙ): đo vuông góc với hướng răng — đây là module theo tiêu chuẩn dao cắt, dùng để chọn dao khi gia công.
- Module ngang (transverse module, m_t): đo trong mặt phẳng vuông góc với trục quay — dùng để tính đường kính vòng chia.
Quan hệ giữa hai module: m_t = mₙ / cos(β)
Điều kiện ăn khớp: hai bánh răng nghiêng ăn khớp phải có cùng module pháp tuyến (không phải cùng module ngang) — vì module pháp tuyến mới là thông số thực sự do dao cắt quyết định.
Ba thành phần lực khi ăn khớp
Khi truyền công suất, lực pháp tuyến giữa hai răng nghiêng phân tách thành ba thành phần vuông góc nhau:
- Lực tiếp tuyến (Ft): thành phần sinh mô-men truyền động, tính từ mô-men xoắn: Ft = 2T/d.
- Lực hướng tâm (Fr): thành phần ép hai bánh răng ra xa nhau theo phương bán kính — cũng tồn tại ở bánh răng thẳng.
- Lực dọc trục (Fa): thành phần MỚI chỉ xuất hiện ở bánh răng nghiêng, tính theo: Fa = Ft × tan(β).
Góc nghiêng càng lớn, lực dọc trục càng lớn theo hàm tang — đây là đánh đổi trực tiếp giữa lợi ích ăn khớp êm (góc nghiêng lớn hơn) và tải trọng dọc trục cần chịu (cũng lớn hơn theo).
Vì sao cần ổ chặn (thrust bearing)
Lực dọc trục không tồn tại ở bánh răng thẳng, nên trục dùng bánh răng thẳng chỉ cần ổ đỡ hướng tâm thông thường. Trục dùng bánh răng nghiêng bắt buộc phải có ổ chặn (hoặc ổ lăn có khả năng chịu lực dọc trục, ví dụ ổ bi côn hoặc ổ bi 3 điểm tiếp xúc) để giữ trục không bị đẩy trôi dọc theo hướng trục khi vận hành — bỏ sót yêu cầu này khi thiết kế cụm trục dẫn tới hỏng ổ sớm hoặc dịch chuyển trục ngoài ý muốn.
Cách triệt tiêu lực dọc trục: bánh răng chữ V (herringbone)
Khi cần lực truyền động lớn mà không muốn tăng tải ổ chặn, giải pháp là dùng bánh răng chữ V (herringbone/double helical) — hai dải răng nghiêng ngược chiều nhau ghép liền, lực dọc trục của hai nửa tự triệt tiêu lẫn nhau trong khi vẫn giữ được ưu điểm ăn khớp êm của răng nghiêng.
Thuật ngữ
- Module pháp tuyến (normal module): module đo vuông góc hướng răng, thông số dao cắt thực.
- Module ngang (transverse module): module đo trong mặt phẳng vuông góc trục quay.
- Ổ chặn (thrust bearing): ổ đỡ chuyên chịu lực dọc trục, bắt buộc với trục dùng bánh răng nghiêng.
Tài liệu tham khảo
- Chamol Gear, Three Main Forces in Helical Gears: https://www.chamolgear.com/helical-gear-forces/
- Chamol Gear, A Practical Introduction to Helical Gear Module: https://www.chamolgear.com/helical-gear-module/