Trả lời trực tiếp: Trục vít và bánh vít ăn khớp bằng trượt chứ không lăn như bánh răng trụ. Trượt sinh ma sát lớn nên hiệu suất thấp và bộ truyền nóng lên; cũng chính ma sát đó khiến bộ truyền tự hãm khi góc vít đủ nhỏ — bánh vít không quay ngược được trục vít.
Nội dung thuộc chuyên trang Thiết kế & chế tạo máy của cokhi.net, cụm Truyền động — ở góc nguyên lý ăn khớp, không đánh giá sản phẩm hay nhà cung cấp hộp giảm tốc cụ thể.
Ăn khớp trục vít khác ăn khớp bánh răng trụ ở chỗ nào?
Ở một cặp bánh răng trụ ăn khớp đúng, hai biên dạng răng chủ yếu lăn lên nhau, chỉ trượt một phần khi điểm tiếp xúc rời xa tâm ăn khớp. Đó là lý do biên dạng thân khai được chọn: nó giữ tỷ số truyền không đổi trong khi vẫn cho phần lớn chuyển động là lăn, như trình bày ở bài góc áp lực và biên dạng involute.
Cặp trục vít – bánh vít thì ngược lại. Trục vít giống một đoạn ren nhiều đầu mối; khi nó quay, mặt ren trượt dọc theo mặt răng bánh vít gần như suốt quá trình tiếp xúc. Chuyển động tương đối giữa hai mặt răng chủ yếu là trượt, không phải lăn.
Một khác biệt nữa: trục vít và bánh vít nằm trên hai trục chéo nhau, thường vuông góc và không cắt nhau. Nhờ vậy một cặp duy nhất vừa đổi được hướng trục vừa cho tỷ số truyền lớn — điều mà bộ truyền bánh răng trụ phải dùng nhiều cấp mới đạt.
Vì sao trượt kéo theo cả bốn hệ quả cùng lúc?
Bốn đặc điểm hay bị coi là bốn nhược điểm rời rạc thực ra cùng bắt nguồn từ một chuyện: tiếp xúc là trượt.
| Hệ quả | Cơ chế | Điều nó buộc người thiết kế phải làm |
|---|---|---|
| Hiệu suất thấp hơn bánh răng trụ | Ma sát trượt tiêu tán công suất thành nhiệt ngay tại mặt răng | Tính công suất động cơ theo hiệu suất thực của bộ truyền, không lấy công suất đầu ra làm chuẩn |
| Sinh nhiệt nhiều | Nhiệt sinh liên tục tại vùng tiếp xúc, phải thoát qua dầu và vỏ hộp | Xét khả năng tản nhiệt của vỏ, phân biệt chế độ làm việc liên tục với gián đoạn |
| Bánh vít mòn trước trục vít | Cặp vật liệu cố ý làm lệch độ cứng để dồn hao mòn về chi tiết rẻ hơn | Coi bánh vít là chi tiết hao mòn, thiết kế sao cho thay được |
| Yêu cầu bôi trơn khắt khe | Màng dầu phải chịu trượt liên tục, không được làm mới nhờ chuyển động lăn | Chọn dầu theo điều kiện trượt, kiểm soát nhiệt độ dầu |
Bảng nêu quan hệ cơ chế – hệ quả – ràng buộc thiết kế; bảng không nêu trị số hiệu suất, nhiệt độ dầu hay tuổi thọ, vì các trị số đó phụ thuộc số đầu mối, góc vít, cặp vật liệu và chế độ làm việc của từng bộ truyền cụ thể và phải lấy từ tài liệu của chính bộ truyền đó. Cơ chế màng dầu cùng các dạng hỏng khi màng dầu không đủ trình bày ở bài bôi trơn và mòn bánh răng.
Tự hãm đến từ đâu, và có nên coi nó là cơ cấu an toàn?
Tự hãm nghĩa là quay trục vít thì bánh vít quay theo, nhưng tác động vào bánh vít thì không quay ngược được trục vít. Cơ chế giống hệt cặp vít – đai ốc: khi góc nâng của ren nhỏ hơn góc ma sát, thành phần lực đẩy dọc không thắng nổi ma sát trên mặt ren. Cách lập luận đầy đủ cho cặp vít – đai ốc nằm ở bài vít – đai ốc truyền lực, và trục vít chỉ là một trường hợp cùng bản chất.
Điểm cần cẩn thận: tự hãm dựa vào ma sát, mà ma sát thì thay đổi. Bôi trơn tốt lên, bề mặt nhẵn đi sau chạy rà, hoặc bộ truyền bị rung đều làm giảm ma sát hiệu dụng. Vì vậy tự hãm là một đặc tính, không phải một cơ cấu an toàn: thiết bị nâng phải có phanh riêng chứ không được dựa vào tự hãm của trục vít để giữ tải. Rung là yếu tố hay bị bỏ sót nhất — cách đọc dấu hiệu rung của một bộ truyền đang xấu đi nằm ở bài chẩn đoán hỏng hóc qua rung động.
Vì sao bánh vít thường làm bằng hợp kim đồng còn trục vít bằng thép tôi?
Đây là lựa chọn có chủ đích, không phải chuyện tiết kiệm vật liệu. Tiếp xúc trượt liên tục giữa hai bề mặt cùng độ cứng cao dễ dẫn tới dính rồi xé — hai mặt bám vào nhau ở những điểm nhô rồi bứt ra từng mảng nhỏ, làm hỏng cả hai chi tiết. Ghép một mặt cứng với một mặt mềm hơn và chịu trượt tốt sẽ chuyển hao mòn sang phía chi tiết mềm, giữ nguyên chi tiết đắt và khó chế tạo hơn.
Vì vậy trục vít — chi tiết nhỏ, khó cắt gọt, thường được tôi rồi mài — đóng vai mặt cứng, còn bánh vít bằng hợp kim đồng đóng vai chi tiết hao mòn. Đặc tính từng nhóm hợp kim đồng trình bày ở bài hợp kim màu trong cơ khí; nguyên tắc chọn cặp vật liệu và lớp bề mặt cho răng chịu tải nằm ở bài vật liệu và nhiệt luyện bánh răng.
Bộ truyền trục vít nóng bất thường thì khoanh vùng thế nào?
Nóng lên là biểu hiện bình thường của bộ truyền trục vít, nên câu hỏi đúng không phải "có nóng không" mà là "nóng hơn chính nó lúc bình thường hay không". Điều đó đòi hỏi có mốc so sánh: nhiệt độ vỏ tại cùng một điểm, cùng tải, cùng thời gian chạy.
Ba nhóm nguyên nhân thường gặp khi bộ truyền nóng hơn mốc của chính nó: tải thực lớn hơn tải thiết kế; dầu sai loại, thiếu hoặc đã xuống cấp; lắp sai làm vết tiếp xúc lệch khỏi giữa răng và dồn toàn bộ tải vào một dải hẹp. Quy trình khoanh vùng cho vỏ hộp kín áp dụng được gần như nguyên văn ở đây, xem bài hộp giảm tốc kêu to, nóng hoặc rò dầu và bảng phân loại cấu tạo ở bài phân loại hộp giảm tốc.
Câu hỏi thường gặp
Bộ truyền trục vít nào cũng tự hãm phải không? Không. Tự hãm chỉ xuất hiện khi góc vít đủ nhỏ so với góc ma sát, thường ứng với trục vít một đầu mối. Trục vít nhiều đầu mối có góc vít lớn hơn, hiệu suất cao hơn và quay ngược được. Muốn biết một bộ truyền cụ thể có tự hãm hay không thì phải tra thông số của chính nó, không suy ra từ kiểu bộ truyền.
Vì sao thay bánh vít mới mà vẫn mòn nhanh như cũ? Vì bánh vít là chi tiết hứng chịu hậu quả chứ hiếm khi là nguyên nhân. Nếu tải, dầu hoặc vị trí vết tiếp xúc chưa sửa thì bánh vít mới sẽ đi lại đúng con đường của bánh cũ. Sửa nguyên nhân trước, thay chi tiết sau.
Có thể tăng tỷ số truyền bằng cách giảm số răng bánh vít không? Giảm số răng làm tăng tỷ số truyền nhưng đồng thời giảm số răng cùng ăn khớp và tăng tải trên mỗi răng, nên đổi lại bằng tuổi thọ. Đây là đánh đổi hình học quen thuộc ở mọi bộ truyền răng, cùng bản chất với giới hạn số răng tối thiểu nêu ở bài thiết kế bánh răng trụ răng thẳng.