Bánh răng là chi tiết truyền động cơ khí phổ biến nhất trong nhóm truyền động cơ học đã nêu ở truyền động — hai bánh răng ăn khớp trực tiếp truyền chuyển động quay và mô-men xoắn với tỉ số truyền chính xác, ổn định. Bài này đi sâu vào phân loại theo dạng răng/hướng trục và công thức tính toán cơ bản mà bài truyền động (ở mức tổng quan) chưa trình bày.
Bốn dạng bánh răng cơ bản
Cách phân loại thực dụng nhất là theo hướng tương đối giữa hai trục mà cặp bánh răng kết nối:
- Bánh răng trụ răng thẳng (spur): trục song song, răng thẳng song song trục. Đơn giản, dễ chế tạo, hiệu suất cao nhất trong các dạng bánh răng — nhưng ăn khớp đột ngột theo từng răng nên gây ồn và rung ở tốc độ cao.
- Bánh răng trụ răng nghiêng (helical): trục song song, răng nghiêng một góc so với trục. Nhiều răng ăn khớp đồng thời hơn spur nên chạy êm hơn, chịu tải lớn hơn ở cùng kích thước — đánh đổi bằng việc sinh ra lực dọc trục (axial thrust) cần ổ chặn phù hợp để chịu.
- Bánh răng côn (bevel): trục giao nhau (thường vuông góc), mặt răng hình côn. Dùng khi cần đổi hướng truyền động, ví dụ hộp số vi sai ô tô hoặc trục truyền góc trong máy công cụ.
- Trục vít – bánh vít (worm gear): trục chéo nhau (vuông góc nhưng không giao nhau), gồm trục vít giống ren vít ăn khớp với bánh vít. Cho tỉ số truyền rất lớn trong không gian nhỏ gọn và thường tự hãm (bánh vít không quay ngược lại được trục vít) — nhưng hiệu suất truyền động thấp hơn hẳn các dạng còn lại do ma sát trượt lớn giữa ren vít và răng.
Module — thông số bắt buộc phải khớp khi ăn khớp
Module (m) là thông số chuẩn hóa quan trọng nhất của bánh răng, xác định kích thước răng:
m = d / z
Trong đó d là đường kính vòng chia (reference diameter) và z là số răng. Module có đơn vị mm, được chuẩn hóa theo dãy giá trị tiêu chuẩn (ví dụ 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3 / 4 / 5mm...) để dao cắt răng có thể sản xuất hàng loạt.
Điều kiện bắt buộc để hai bánh răng ăn khớp được: cùng module. Hai bánh răng có cùng module nhưng khác số răng vẫn ăn khớp bình thường (đây chính là cách tạo tỉ số truyền khác nhau); nhưng hai bánh răng khác module — dù cùng đường kính ngoài — sẽ không ăn khớp đúng biên dạng, gây kẹt hoặc mòn nhanh bất thường.
Công thức tính toán cơ bản
Với một cặp bánh răng trụ ăn khớp tiêu chuẩn:
- Tỉ số truyền: i = z₂/z₁ = n₁/n₂ — tỉ số số răng bánh bị dẫn trên bánh dẫn bằng nghịch đảo tỉ số tốc độ quay (n₁ là tốc độ bánh dẫn, n₂ là tốc độ bánh bị dẫn). Bánh răng có số răng nhiều quay chậm hơn nhưng mô-men lớn hơn theo cùng tỉ lệ (bỏ qua tổn thất ma sát) — đúng nguyên lý cân bằng tốc độ/mô-men đã nêu ở bài truyền động.
- Khoảng cách trục: a = (z₁ + z₂)·m / 2 — khoảng cách tâm giữa hai trục bánh răng, tính trực tiếp từ module và tổng số răng hai bánh.
Hai công thức này đủ để kiểm tra nhanh một hộp số bánh răng có khớp hình học hay không trước khi đi vào thiết kế chi tiết (biên dạng răng, góc ăn khớp, hệ số dịch chỉnh...) — những nội dung chuyên sâu hơn thuộc phạm vi thiết kế cơ khí chi tiết, không trình bày trong bài tổng quan này.
Vật liệu và xử lý bề mặt răng
Bánh răng chịu tải va đập và mài mòn tập trung tại bề mặt răng, nên phần lớn bánh răng công nghiệp dùng thép hợp kim tôi thấm cacbon bề mặt (case hardening) — lõi vẫn dẻo dai chịu va đập, trong khi bề mặt răng cứng chống mài mòn. Xem nguyên lý xử lý này ở bài tôi ram thấm cacbon. Bánh răng tải nhẹ, tốc độ thấp hoặc cần giảm tiếng ồn/không cần bôi trơn có thể dùng nhựa kỹ thuật (POM, nylon) thay kim loại.
Thuật ngữ
- Module (m): thông số chuẩn hóa xác định kích thước răng, m = d/z (mm).
- Đường kính vòng chia (reference/pitch diameter): đường kính vòng tròn lý thuyết dùng làm chuẩn tính toán kích thước răng.
- Tự hãm (self-locking): đặc tính của một số cặp truyền động (điển hình trục vít-bánh vít) không thể quay ngược từ đầu ra về đầu vào.
- Lực dọc trục (axial thrust): lực sinh ra dọc theo trục do răng nghiêng, cần ổ đỡ chặn phù hợp để triệt tiêu.
Tài liệu tham khảo
- KHK Gears, Calculation of Gear Dimensions (công thức module, tỉ số truyền, khoảng cách trục): https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/calculation_gear_dimensions.html