Thiết kế ngược bánh răng không có bản vẽ: đo module, số răng và góc áp lực đúng chuẩn

Thiết kế ngược bánh răng không có bản vẽ thực chất là đi tìm lại vài thông số gốc: số răng, module, góc áp lực, hệ số dịch chỉnh và bề rộng răng. Tìm đúng mấy con số này, bánh răng mới sẽ ăn khớp với bánh cũ còn lại trong máy; đoán sai một con số, máy sẽ kêu, mòn nhanh hoặc kẹt ngay khi lắp.

Bài này hướng dẫn cách đo cho bánh răng trụ răng thẳng thân khai, loại gặp nhiều nhất trong máy móc nhà xưởng, kèm cách kết hợp scan 3D và đo tay.

Những thông số cần tìm lại

Trước khi cầm thước, hãy liệt kê đủ những gì phải xác định. Bảng dưới là danh sách tối thiểu cho bánh răng trụ.

Hệ số dịch chỉnh hay bị bỏ qua. Nhiều bánh răng được dịch chỉnh để tránh cắt chân răng hoặc để khớp khoảng cách trục, nên đường kính đỉnh đo được sẽ không khớp đúng công thức chuẩn.

Đếm răng và suy ra module

Theo tài liệu kỹ thuật bánh răng hệ mét của KHK (phát hành qua QTC Gears), với bánh răng trụ tiêu chuẩn: đường kính chia d = m × z, chiều cao đầu răng bằng m, chiều cao chân răng bằng 1,25m, nên đường kính đỉnh da = m × (z + 2). Đảo lại, ta có m = da / (z + 2).

Ví dụ minh họa: bánh răng có 30 răng, đo đường kính đỉnh được 63,9 mm. Module tính ra là 63,9 / 32 ≈ 2,0. Con số này nằm đúng dãy module chuẩn (tài liệu KHK dẫn chuẩn ISO 54 cho dãy module), nên nhiều khả năng bánh gốc là module 2.

Một số lưu ý khi đo:

• Đo đường kính đỉnh ở nhiều vị trí, lấy giá trị lớn nhất ở những răng ít mòn nhất.
• Bánh răng có số răng lẻ không đo được đỉnh đối đỉnh; khi đó đo từ đỉnh răng đến lỗ trục rồi tính lại, hoặc lấy số trên dữ liệu scan.
• Nếu module tính ra lệch hẳn khỏi giá trị chuẩn, hãy nghĩ tới dịch chỉnh hoặc bánh răng hệ inch. Tài liệu trên cũng nêu quan hệ giữa module và bước đường kính hệ inch: m = 25,4 / DP.

Xác định góc áp lực và kiểm tra khoảng cách trục

Góc áp lực khó đo trực tiếp nhất. Theo Wikipedia (mục bánh răng thân khai), bánh răng thông dụng phần lớn có góc áp lực 20°, còn 14,5° và 25° ít gặp hơn. Quan trọng hơn: hai bánh răng phải cùng góc áp lực thì mới ăn khớp đúng.

Có ba cách kiểm tra:

1. Tính khoảng cách trục. Với hai bánh tiêu chuẩn, khoảng cách trục a = m × (z1 + z2) / 2. Ví dụ module 2, bánh 30 răng ăn với bánh 45 răng thì a = 75 mm. Đo khoảng cách lỗ trục trên vỏ hộp số; nếu khớp, giả thiết module là đúng.
2. Đo bước cơ sở. Bước cơ sở pb = π × m × cos α. Đo theo phương pháp đo qua nhiều răng (span measurement) rồi so với giá trị tính cho 20° và 14,5° sẽ thấy góc nào khớp. Tài liệu KHK có hẳn mục đo qua nhiều răng và đo qua con lăn cho từng loại bánh răng.
3. Thử ăn khớp. In nhanh một bánh răng theo thông số giả định, lắp với bánh cũ còn lại, xoay tay và quan sát vết tiếp xúc.

Bánh răng nghiêng còn cần góc nghiêng và chiều xoắn. Phần này dễ xác định hơn trên dữ liệu scan so với đo tay.

Scan 3D hay đo tay: dùng cái nào cho phần nào

Hai cách bổ sung cho nhau chứ không thay thế nhau. Thước cặp và panme cho kết quả tin cậy ở các kích thước lắp ghép: lỗ trục, rãnh then, bề rộng răng, đường kính đỉnh. Scan 3D mạnh ở phần hình học khó đo: may-ơ có gân, bánh răng liền khối với bánh đai, vành có lỗ giảm khối lượng, góc nghiêng răng.

Với bánh răng đã mòn, đừng sao chép bề mặt răng từ dữ liệu scan. Biên dạng răng mòn không còn là đường thân khai. Cách đúng là dùng scan để xác định số răng, kích thước tổng và vị trí, rồi dựng lại biên dạng răng chuẩn bằng công cụ sinh bánh răng trong phần mềm CAD theo module và góc áp lực đã xác định.

Mức sai số của từng loại máy quét và những yếu tố làm sai số tăng được trình bày trong bài độ chính xác scan 3D theo từng loại máy. Với chi tiết bị gãy mất một phần, cách khôi phục kích thước gốc có trong bài thiết kế ngược chi tiết bị gãy, mòn.

Quy trình thiết kế ngược bánh răng 7 bước

1. Vệ sinh bánh răng, chụp ảnh, ghi vị trí lắp và chiều quay trong máy.
2. Đếm số răng, đo đường kính đỉnh, bề rộng, lỗ trục, rãnh then.
3. Tính module, đối chiếu dãy chuẩn, ghi nghi vấn dịch chỉnh nếu có.
4. Đo khoảng cách trục và bánh ăn khớp để kiểm tra giả thiết.
5. Scan 3D phần thân, may-ơ và các chi tiết phụ nếu hình dạng phức tạp.
6. Dựng CAD: biên dạng răng chuẩn từ thông số, phần thân theo dữ liệu scan.
7. In thử bằng nhựa, lắp với bánh cũ, chỉnh rồi mới làm bản chính.

Bước 7 tốn ít nhưng cứu được nhiều. Một bánh in thử cho thấy ngay độ rơ, điểm kẹt và độ khớp với trục.

Vật liệu thay thế cho bánh răng làm lại

Chọn vật liệu theo tải, tốc độ, môi trường và tuổi thọ mong muốn.

• Nhựa in 3D để thử ăn khớp: in FDM hay SLA đủ dùng để kiểm tra hình học. Với bánh chạy thật ở tải nhẹ, nylon in bột có ưu thế. Theo Protolabs Network (Hubs), PA12 in MJF có độ bền kéo khoảng 48 MPa và độ giãn dài 15–20%.
• Nhựa kỹ thuật gia công: POM hoặc nylon gia công từ phôi hợp với bánh răng tải nhẹ đến vừa, chạy êm, không cần nhiều bôi trơn. Tài liệu KHK có hẳn một chương về thiết kế bánh răng nhựa.
• Thép, đồng: bánh chịu tải lớn hoặc chạy liên tục vẫn nên làm bằng kim loại, cắt răng bằng phay lăn hoặc gia công CNC, nhiệt luyện nếu bánh gốc có nhiệt luyện.

Nếu đổi từ kim loại sang nhựa, cần tính lại tải, vì độ bền và độ giãn nở nhiệt của nhựa khác hẳn. Các lưu ý khi làm lại phụ tùng ngừng sản xuất nói chung có trong bài thiết kế ngược phụ tùng.

Câu hỏi thường gặp

Bánh răng bị mòn nhiều có thiết kế ngược được không?

Được, miễn là còn đếm được số răng và đo được ít nhất vài răng ít mòn. Biên dạng răng sẽ được dựng lại theo chuẩn từ module và góc áp lực, không sao chép bề mặt mòn. Nếu còn bánh ăn khớp nguyên vẹn, việc kiểm tra sẽ chắc chắn hơn.

Làm sao biết bánh răng có dịch chỉnh hay không?

Dấu hiệu đầu tiên là module tính từ đường kính đỉnh không ra số chuẩn, hoặc khoảng cách trục thực tế khác giá trị tính theo công thức tiêu chuẩn. Khi đó cần đo thêm chiều dày răng hoặc đo qua nhiều răng để xác định lượng dịch chỉnh.

Có thể in 3D bánh răng thay thế để chạy thật không?

Có với bánh tải nhẹ, tốc độ vừa, như trong cơ cấu đóng gói, máy văn phòng hay đồ gá. Nylon in bột thường bền hơn nhựa in FDM thông thường. Bánh chịu tải lớn, nhiệt cao hoặc chạy liên tục vẫn nên làm bằng kim loại hay nhựa kỹ thuật gia công.

Cần mang theo gì khi nhờ thiết kế ngược bánh răng?

Mang bánh răng cần làm lại và nếu được, cả bánh ăn khớp với nó. Ghi lại khoảng cách trục, tốc độ quay, tải ước tính và vật liệu cũ nếu biết. Ảnh chụp vị trí lắp trong máy giúp kỹ sư hiểu điều kiện làm việc.

Nguyễn Cường tổng hợp