Bên trong hộp số (Gearbox Internals)

Về cơ bản, một hộp số chỉ là một tập hợp các bánh răng và một vỏ bảo vệ kết nối chúng. Hộp số có tỷ số đầu ra (gear reduction) – tức là sự giảm tốc cuối cùng giữa đầu vào động cơ và trục đầu ra cuối cùng.

Thuật ngữ

Giảm tốc (Gear Reduction)

Còn được gọi là tỷ số truyền động (gear ratio). Trong bất kỳ hệ thống truyền động quay nào (thường liên quan đến động cơ và servo trong FTC®), tỷ số truyền xác định số vòng quay của đầu vào và số vòng quay của đầu ra.

Ví dụ: một động cơ NeveRest 20 (NeveRest 20 gearmotor) gồm một động cơ NeveRest chưa sửa đổi và một hộp số hành tinh (planetary) với tỷ số truyền 20:1 (đọc là “20 tới 1”). Điều này nghĩa là để trục đầu ra của hộp số quay được 1 vòng, trục đầu vào của động cơ phải quay 20 vòng. Tỷ số truyền là một trong những yếu tố thiết kế quan trọng đối với một bộ truyền động.

Mỗi động cơ hoặc servo có hai đặc tính: tốc độ và mô-men xoắn. Hai đặc tính này tỉ lệ nghịch với nhau — nếu tăng tốc độ sẽ làm giảm mô-men xoắn, và ngược lại. Ví dụ: nếu bạn muốn làm cho cơ cấu nhanh hơn (hy sinh mô-men xoắn) bằng cách tăng tốc đôi (gấp hai), thì tỷ số truyền giảm đi 2 lần. Với hộp số 20:1, nếu chia tỷ số cho 2 sẽ thành 10:1. Điều này gọi là gear up (tăng tốc). Ngược lại, nếu bạn muốn tăng mô-men xoắn gấp đôi (hy sinh tốc độ), bạn nhân tỷ số lên 2, thành 40:1. Điều này gọi là gear down (giảm tốc).

Các cách phổ biến để tăng hoặc giảm tỷ số truyền là dùng hộp số, các bánh răng (gears), xích và bánh răng (sprockets), hoặc bánh đai truyền động (belt-driven pulleys).

Trong FTC, hộp số có thể phổ biến hơn bạn nghĩ. Gần như mọi động cơ hoặc servo đều có hộp số gắn sẵn hoặc được nối. Các hộp số này thường là loại spur hoặc planetary.

Hộp số Spur (Spur Gearboxes)

Định nghĩa

Hộp số spur sử dụng các bánh răng thẳng (spur gears) xếp chồng trên cùng một mặt phẳng. Giảm tốc thực hiện bằng cách dùng các bánh răng có kích thước khác nhau trong cùng mặt phẳng.

Các hộp số spur thường là tổ hợp nhiều tỷ số nhỏ chồng lên nhau để đạt được tỷ số lớn (ví dụ 40:1). Mỗi tầng truyền chỉ có hai bánh răng — một răng sẽ là 8:1, tầng khác là 5:1, nhưng tỷ số cuối cùng là 40:1. Loại hộp số này được dùng trong các động cơ như AndyMark NeveRest Classic và dòng 5201 của goBILDA, cũng như các động cơ Hex của REV. 

Vì đặc tính cấu trúc, mỗi tầng truyền chỉ có một vài răng ăn khớp và chúng chịu tải toàn bộ của hệ thống. Rất dễ làm hỏng hộp số spur khi có tải va đập (shock load), và nếu một bánh răng bị gãy, cả hộp số có thể ngừng hoạt động. 

Mẹo & lưu ý

• Không nên dùng hộp số spur trong các ứng dụng có tải lớn như hệ truyền động (drivetrain) hoặc cần lực mạnh — thay vào đó, dùng hộp số hành tinh (planetary).

• Spur thường rẻ hơn planetary, nhưng trong FTC, sự chênh giá thường nhỏ. Ví dụ: bộ động cơ HD Hex + hộp số UltraPlanetary của REV chỉ đắt hơn ~10 USD so với HD Hex + hộp số spur, nhưng linh hoạt và bền hơn rất nhiều.

• Các hộp số spur từ các hãng khác nhau thường không tương thích lẫn nhau. Quan trọng khi chọn là xác định tỷ số truyền mong muốn, kết nối động cơ, và kiểu trục đầu ra.

Hộp số Hành tinh (Planetary Gearboxes)

Định nghĩa

Hộp số hành tinh sử dụng hệ thống bánh răng phức tạp hơn để đạt giảm tốc mạnh trong không gian nhỏ gọn. Trong kỹ thuật ô tô, các bộ truyền hành tinh có thể đạt nhiều tỷ số khác nhau mà không thay đổi kích thước bánh răng, nhưng trong các hộp số mà các đội FTC dùng, mỗi hộp số hành tinh thường chỉ có một tỷ số truyền cố định. 

Cấu trúc thường gồm:

• Sun gear (răng trung tâm)

• Các planet gears (bánh răng hành tinh) quay xung quanh sun gear

• Ring gear (vòng răng ngoài) giữ các bánh răng trong hệ thống ổn định

Hộp số này được ứng dụng trong các động cơ như AndyMark NeveRest Orbital, REV HD Hex UltraPlanetary, và các động cơ planetary series của goBILDA. 

Ưu điểm của hộp số hành tinh

• Backlash thấp hơn so với hộp số spur (backlash = khe hở hoặc chuyển động mất do khoảng cách giữa các chi tiết). Vì bánh răng trong hộp số hành tinh có nhiều điểm ăn khớp hơn, sai số nhỏ hơn.

• Hiệu suất cao hơn: Một hộp số spur 2 tầng thường đạt ~85% hiệu suất, trong khi hộp số hành tinh 2 tầng có thể ~94%.

• Khả năng chịu tải lớn hơn: Do có nhiều răng chịu lực cùng lúc ở mỗi tầng, nên phân phối tải tốt hơn.

Vì vậy, hộp số hành tinh ít bị hỏng khi sử dụng trong các ứng dụng có tải lớn như drivetrain.