Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy tự động

Bộ phận và các chi tiết máy

Bộ phận và các chi tiết máy tạo nên các thành phần cơ bản của những hệ thống máy móc. Nhiệm vụ chính của các bộ phận máy là thay đổi dạng hoặc hướng của lực. Những yếu tố cơ bản nhất của cấu tạo máy được mô tả là “những bộ máy đơn giản” bởi những nhà khoa học thời kỳ Phục Hưng bao gồm:

• Đòn bẩy
• Bánh xe và trục bánh
• Ròng rọc
• Mặt phẳng nghiêng
• Nêm
• Ốc vít

Bánh răng và đĩa lệch tâm được tạo ra như là sự nâng cấp của vài yếu tố trên và cũng là các cấu tạo quan trọng. Quan niệm cổ điền phân chia máy móc thành những yếu tố cơ bản trên vẫn còn phù hợp tới ngày nay mặc dù một vài chi tiết không được phân thẳng vào những nhóm trên. Cấu tạo và những bộ máy đơn giản có thể được xem như là những viên gạch xây nên một bộ máy phức tạp.

Chi tiết máy bao gồm những thành phần cho phép truyền năng lượng từ một bộ phận này sang bộ phận khác. Các chi tiết như ổ trục, khớp nối, bộ ly hợp, phanh, dây chuyền là những ví dụ của các thành phần đơn giản hóa chuyển động

1 Các thiết bị hoạt động dựa trên đĩa lệch tâm

Một phương thức biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính là sử dụng đĩa lệch tâm trên một trục quay. Bằng cách cài đặt trung tâm của đĩa tròn hoặc bầu dục lên trục, mặt phẳng của đĩa lệch tâm sẽ biến thiên khoảng cách đến trung tâm. Nguyên lý này được sử dụng để truyền động trục theo đường thẳng, trục này thường được gọi là follower. Lò xo được dùng để giữ trục follower gắn liền với đĩa trong lúc xoay. Hình 1 mô tả cấu trúc của phức hợp này

Đĩa đồng trục được ứng dụng nhiều trong thiết bị sử dụng nguyên lý trục truyền động. Nó cho phép máy trạm đồng bộ với motor và chạy nhanh hơn thiết bị sử dụng nguyên lý đồng bộ thông thường. Điểm trừ của ứng dụng này là khó thiết lập cài đặt chuyển động hơn vì đĩa đồng trục phải làm bằng máy hoặc bị thay thế.

2 Hệ thống bánh cóc và con cóc

Bánh cóc là bộ phận chỉ cho phép được chuyển động quay hay thẳng theo một hướng nhất định. Chuyển động theo chiều ngược lại bị cản bởi cóc lò xo gài răng vào bánh cóc khi xoay. Răng được mài nhọn sao cho cóc không thể bị bật ra khỏi lưỡi bánh cóc khi bánh cóc xoay ngược lại. hình 2 mô tả phức hợp này

Hệ thống bánh cóc và con cóc được dùng trong những cơ cấu nâng như con đội và cơ cấu cuốn dây, hay thậm chí là dây rút nhựa. Bánh răng cóc được dùng để truyền chuyển động gián đoạn hay đơn giản chỉ để bánh răng không xoay ngược lại.

3 Bánh răng và giảm tốc bánh răng

Hệ thống bánh răng được dùng để biến đổi tốc độ, hướng hay lực của một chuyển động quay sang một tốc độ, hướng hay lực khác. Bánh răng là bộ phận máy thường tròn, có răng gài vào các thiết bị có răng khác. Mặt tiếp xúc giữa 2 chi tiết máy này gọi là then hoa.

Nhiều bánh răng kết hợp lại tạo thành bộ truyền động. Bộ truyền động có thể thay đổi tốc độ quay, từ đó mô men lực phát động tăng từ từ thay vì phát động cùng lúc. Chúng có thể có răng bên ngoài hoặc bên trong chu vi bánh răng hoặc cả hai. Đặc điểm răng thường cong nhẹ gọi là đường thân khai, phụ thuộc vào đường kính của bánh răng. Đường cong này rất quan trọng trong việc duy trì bánh răng chuyển động với kết nối liên tục và mượt mà.

Giảm tốc bánh răng là quá trình chuyển một thành phần quay nhanh nhưng mô men lực phát động yếu như động cơ servo thành một thành phần  quay chậm hơn nhưng mô men lực phát động mạnh mà không tạo phản ứng dội dư thừa. Điều này được thực hiện trong một hộp số kín làm thay đổi trục hoặc hướng chuyển động.

Loại bánh răng đơn giản nhất là bánh răng trụ thẳng (spur gear). Loại bánh răng này chỉ khóa với nhau nếu trục của chúng song song. Có 2 loại bánh răng thẳng: ăn khớp trong và ăn khớp ngoài. Bánh răng thẳng ăn khớp ngoài truyền động giữa những trục song song, làm những trục này xoay ngược chiều nhau (Hình 3). Chúng hoạt động tốt ở tốc độ vừa phải nhưng rất ồn ở tốc độ cao hơn. Ngược lại bánh răng thẳng ăn khớp trong được sắp xếp để truyền động sao cho các trục xoay cùng chiều.

Bánh răng trụ xoắn (helical gear) có răng xiên so với trục. Giống như bánh răng thẳng, răng có thể nằm trong hoặc nằm ngoài chu vi bánh răng. Tuy nhiên khác với bánh răng thẳng, bánh răng xoắn có thể khóa với nhau khi trục không song song. Trong khi bánh răng thẳng phải song song với nhau nhưng chỉ tạo lực đẩy vuông góc với trục, bánh răng xoắn tạo lực đẩy theo trục khi các trục xếp song song. Trục của các bánh răng xoắn có thể xếp chéo nhau, thậm chí là vuông góc – còn được gọi là sự xếp chéo của bánh răng xoắn. Hình 3.53 mô tả một bộ bánh răng chéo được xếp chéo nhau.

Bánh răng xoắn có thể nhận mô men nhiều hơn bánh răng thẳng, thường được ứng dụng trong máy hoạt động ở tốc độ cao hơn. Mô men lớn hơn tạo ra lực đẩy trục dọc lớn hơn, tuy nhiên lực đẩy bị giảm đi bằng cách sử dụng bánh răng xoắn kép. Bánh răng xoắn kép là 2 bánh răng xoắn tương đương và xếp chồng đối xứng lên nhau, còn được gọi là bánh răng xương cá. Bánh răng xoắn chạy êm hơn bánh răng thẳng nhờ vào các răng cài vào nhau từ từ. Do hình dạng phức tạp mà bánh răng xoắn kép có chi phí cao hơn bánh răng thẳng hay bánh răng xoắn.

Bánh răng côn (bevel gear) là bánh răng hình nón có răng cắt chéo trục. Chúng được thiết kế để nối 2 trục bắt chéo nhau, được thể hiện trong hình 4. Bánh răng côn thẳng có răng hướng về phần đỉnh của nón. Bánh răng côn xoắn có răng xiên và cong làm giảm ồn và tăng độ mượt mà khi 2 bánh răng cài vào nhau, giống như tác dụng của bánh răng trụ xoắn.

Bánh răng côn hypoid (hypoid bevel gear) là sự kết hợp giữa bánh răng côn xoắn và trục vít. Trục của những bánh răng này không bắt chéo nhau. Khoảng cách giữa các trục được gọi là offset. Bánh răng côn hypoid cho tỉ lệ bánh răng lớn hơn bánh răng côn thông thường, là một lựa chọn tốt để giảm tốc bánh răng trong bộ vi sai

Bánh răng vành khăn (crown gear) có răng được lắp vuông góc với mặt phẳng bánh răng hay song song với trục. Chúng được coi là một phần của nhóm bánh răng côn và đôi khi được gọi là contrate gears. Loại bánh răng này có thể gài vào những loại bánh răng côn khác hoặc bánh răng trụ thẳng.

Trục vít (worm gear) được dùng để truyền động vuông góc với trục của nó. Chúng có răng dạng dọc và thường gài vào những bánh răng dạng đĩa, thường được gọi là bánh vít. Trục vít giống một con vít  và có một hay nhiều băng răng xung quanh (hình 5). Có thể đạt được tỉ lệ cao của giảm tốc bánh răng nhờ vào bước răng được làm khá nhỏ, tuy nhiên đây là chi phí hiệu quả. Khi sử dụng phức hợp trục vít – bánh răng, trục vít luôn có thể xoay bánh răng, tuy nhiên chiều ngược lại không phải luôn xảy ra. Nếu tỉ lệ đủ cao, bánh răng có thể khóa chung bởi vì lực tạo ra bởi bánh răng không vượt qua được ma sát của trục vít. Đây có thể là một lợi thế nếu ưu tiên việc giữ một vật được chạy dựa vào bánh vít ở vị trí chống lại trọng lực

Trục vít có thể được chia thành 2 danh mục: bước răng lớn và bước răng vừa. Ứng dụng chủ yếu của trục vít bước răng vừa là truyền động hơn là truyền lực trong khi trục vít bước răng lớn thường được dùng để truyền lực.

Thanh răng (rack) là một que hoặc thanh thẳng có răng thường đi chung với một bánh răng tròn gọi là bánh răng vệ tinh (pinion gear). Đây là một cách phổ biến để biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng và ngược lại. Giống như những loại bánh răng khác, răng của chúng có thể được cắt thẳng hoặc cắt xiên so với trục chuyển động. Thanh răng thường được sử dụng trong lý thuyết bánh răng như là một bánh răng với bán kính vô hạn

Hệ thống thanh răng và bánh răng vệ tinh là một phương thức tuyệt vời để dịch chuyển một trục thẳng liên tục một quãng đường dài. Thanh răng thường là bộ phận đứng yên và bánh răng vệ tinh xoay theo phần di chuyển của hệ thống được dẫn đường bởi ổ trục. Hình 6 mô tả một hệ thống thanh răng và bánh răng vệ tinh trong công nghiệp.

Bộ truyền bánh răng hành tinh (planetary gearing) hay ngoại luân là hệ thống kết hợp nhiều bánh răng trong đó một hay nhiều trục bánh răng có thể dịch chuyển, thường là một bánh răng xoay quanh những cái khác. Có rất nhiều cách để sắp xếp hệ thống này bằng việc dùng bánh răng côn hay bánh răng trụ thẳng. Hệ thống bánh răng ngoại luân là một hệ thống gọn có thể đạt được việc giảm tốc bánh răng và thường được dùng trong hộp số servo. Hình 7 cho ta thấy bên trong của một hộp số hành tinh