Một cặp bánh răng đơn lẻ chỉ đạt tỷ số truyền thực tế giới hạn (thường không quá khoảng 10:1 với bánh răng trụ, vì tỷ số lớn hơn đòi hỏi chênh lệch số răng quá lớn, kéo theo kích thước bánh răng lớn bất hợp lý). Khi cần tỷ số truyền lớn hơn, giải pháp là ghép nhiều cặp bánh răng nối tiếp thành hộp giảm tốc nhiều cấp, tiếp nối nguyên lý tỷ số truyền cơ bản đã nêu ở bài phân loại bánh răng.
Công thức tỷ số truyền tổng
i tổng = i₁ × i₂ × i₃ × ... × iₙ
Trong đó mỗi iₖ là tỷ số truyền của từng cấp bánh răng riêng lẻ (bánh bị dẫn chia bánh dẫn tại cấp đó). Ví dụ hộp giảm tốc 2 cấp với cấp một tỷ số 5:1 và cấp hai tỷ số 3:1 cho tỷ số truyền tổng 5 × 3 = 15:1.
Công thức nhân đơn giản này áp dụng cho mọi cấu hình nối tiếp (bánh răng trụ, bánh răng nghiêng, hoặc kết hợp bánh răng côn — trục vít ở các cấp khác nhau), miễn là công suất truyền tuần tự qua từng cấp mà không rẽ nhánh song song.
Vì sao cần nhiều cấp thay vì một cấp tỷ số lớn
Một cặp bánh răng đơn cấp muốn đạt tỷ số truyền lớn (ví dụ 50:1) cần bánh răng bị dẫn có số răng gấp 50 lần bánh dẫn — với cùng module, đường kính bánh răng bị dẫn sẽ lớn tới mức không thực tế về không gian lắp đặt và khối lượng. Chia thành nhiều cấp nối tiếp, mỗi cấp chỉ cần tỷ số vừa phải (ví dụ 2 cấp mỗi cấp ~7:1 cho tổng ~50:1), giữ kích thước từng bánh răng trong giới hạn hợp lý.
Nguyên tắc phân bố tỷ số giữa các cấp
Khi thiết kế hộp giảm tốc nhiều cấp, tỷ số truyền tổng cần yêu cầu được chia cho từng cấp theo một số nguyên tắc thực hành:
- Cấp đầu (gần động cơ) thường chịu tỷ số nhỏ hơn, cấp sau chịu tỷ số lớn hơn: vì mô-men xoắn tăng dần qua các cấp giảm tốc — cấp cuối chịu mô-men lớn nhất nhưng tốc độ quay chậm nhất, phù hợp với bánh răng đường kính lớn hơn không gây vấn đề tốc độ vòng (pitch line velocity) cao.
- Tránh chênh lệch tỷ số quá lớn giữa các cấp: phân bố tỷ số quá lệch (ví dụ cấp 1 = 20:1, cấp 2 = 2:1) khiến một cấp phải chịu tải không cân xứng, lãng phí khả năng chịu tải của cấp còn lại.
- Cân nhắc thể tích và khối lượng hộp số tổng thể: nhiều tổ hợp phân bố tỷ số cho cùng tỷ số tổng, nhưng không phải tổ hợp nào cũng cho kích thước hộp số nhỏ nhất — bài toán tối ưu phân bố tỷ số là một phần công việc thiết kế hộp giảm tốc chuyên sâu.
Thuật ngữ
- Cấp (stage): một cặp bánh răng ăn khớp trực tiếp trong chuỗi truyền động nối tiếp.
- Tốc độ vòng (pitch line velocity): vận tốc dài tại vòng chia bánh răng, ảnh hưởng tới độ ồn và giới hạn tốc độ thiết kế.
Tài liệu tham khảo
- Neugart, Multi-stage Gearbox: https://www.neugart.com/en/wiki/multi-stage-gearbox