Từ chuyển động đến máy: nguồn, truyền, biến đổi, chế tạo trong cơ khí | LUKATO AI
Công nghệ 11: bốn trạm của một cỗ máy (nguồn, truyền, biến đổi, chế tạo) cùng lớp độ tin cậy, với bánh răng, đai, xích, vít me, tay quay – con trượt, cam…
LUKATO AI · CÔNG NGHỆ 11 · CƠ KHÍ VÀ TRUYỀN ĐỘNG
NGUỒN · TRUYỀN · BIẾN ĐỔI · CHẾ TẠO
Từ chuyển động đến máy:
nguồn, truyền,
biến đổi, chế tạo
Một chiếc máy bơm pít-tông nhỏ bắt đầu từ một trục động cơ quay rất nhanh và kết thúc ở một pít-tông chạy tới lui chậm mà khỏe. Giữa hai đầu ấy là ba việc nối nhau: truyền chuyển động và đổi tốc độ lấy mô-men, biến đổi quay thành dạng chuyển động cần dùng, và chế tạo từng chi tiết đủ chính xác để chuỗi ấy chạy được. Bài giảng này gắn đai, xích, bánh răng, vít me, tay quay – con trượt, cam, cần lắc, gia công cắt gọt và dung sai vào bốn chỗ của một khung, rồi thêm một lớp độ tin cậy cho lúc máy vận hành. Phần nào ngoài sách giáo khoa được ghi là kiến thức bổ sung.
- ① Vì sao bánh nhiều răng hơn lại quay chậm hơn, và mô-men đi đâu khi tốc độ giảm?
- ② Muốn một trục quay đều thành chuyển động tịnh tiến, lắc hay chạy rồi dừng, quy luật nằm ở chỗ nào của cơ cấu?
- ③ Khi máy nóng, ồn hay rung, nên hỏi gì trước và vì sao sai lệch nhỏ khi chế tạo có thể làm cả chuỗi hỏng?
4+1
bốn trạm của khung, cộng một lớp độ tin cậy
12 lab
phòng lab: xếp trạm, đổi tốc lấy mô-men, cặp truyền động, lắp hệ ba cấp, vít me, tay quay – con trượt, cam, chọn cơ cấu, phay, dung sai, hai nguồn hỏng, thám tử lỗi
14 bẫy
mỗi bẫy có mục, phòng lab và bài để quay lại luyện
12 bài
10 chọn đáp án, 1 đúng sai, 1 trả lời ngắn
01
Bản đồ chung
Bốn trạm từ trục động cơ đến chi tiết lắp vừa nhau
Hãy theo dõi một chiếc máy bơm pít-tông nhỏ. Động cơ điện quay trục rất nhanh, nhưng pít-tông cần đi tới lui chậm mà có lực. Một bộ truyền động giảm tốc độ và tăng mô-men; một cơ cấu biến đổi chuyển động làm trục quay thành pít-tông tịnh tiến; và các chi tiết ấy phải được chế tạo đúng kích thước để lắp vừa nhau, chạy êm. Bốn việc nối nhau: nguồn , truyền , biến đổi , chế tạo . Bài giảng này dùng bốn việc ấy làm bộ khung chung; các mục sau là từng ô của bộ khung.
Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bản đồ bốn trạm: nguồn, truyền, biến đổi nối nhau theo dòng chuyển động; chế tạo ở dưới làm ra chi tiết cho cả ba; lớp độ tin cậy bao quanh khi máy vận hành. Bấm vào một khối để đọc mô tả và số mục.
Bốn trạm không phải là bốn loại thiết bị cố định. Cùng một cặp bánh răng có thể nằm ở trạm TRUYỀN khi nó giảm tốc cho một trục, và nằm ở trạm CHẾ TẠO khi ta bàn về sai lệch kích thước của các răng. Vì vậy, muốn xếp một thiết bị vào trạm nào, hãy hỏi nó làm việc gì trong chuỗi : tạo chuyển động, đưa chuyển động và đổi tốc độ cùng mô-men, tạo ra quy luật chuyển động cần dùng, hay là một bước làm ra và kiểm tra chi tiết. Đừng hỏi tên nó là gì.
Bốn trạm và lớp nền
Trạm
Việc làm
Thường gặp
Mục
NGUỒN
Tạo chuyển động quay ban đầu và cho biết tốc độ, mô-men, công suất
động cơ điện, động cơ đốt trong
TRUYỀN
Đưa chuyển động từ trục này sang trục khác, đổi tốc độ và mô-men theo tỉ số truyền
bộ truyền đai, xích, bánh răng, vít me – đai ốc, bộ vi sai
3, 4
BIẾN ĐỔI
Tạo ra quy luật chuyển động cần dùng từ chuyển động quay
tay quay – con trượt, tay quay – cần lắc, cam – cần đẩy
5, 6
CHẾ TẠO
Làm ra từng chi tiết, giữ sai lệch kích thước trong giới hạn cho phép
đúc, rèn, hàn, tiện, phay, khoan, bào, dung sai
ĐỘ TIN CẬY
Giữ cho máy chạy êm và bền khi vận hành
bôi trơn, độ đồng tâm, cân bằng, góc lượn, bảo trì
Cách chia thành bốn trạm cộng một lớp nền là cách phân loại của LUKATO để xâu chuỗi các bài. Việc xếp vít me – đai ốc vào trạm TRUYỀN cũng là cách phân loại của LUKATO: quy luật tiến do tốc độ quay quyết định và đổi chiều khi đổi chiều quay.
Từ điển một dòng: đưa chuột hoặc chạm vào chữ gạch chân
Những thuật ngữ dưới đây xuất hiện suốt bài giảng. Mỗi từ có một định nghĩa ngắn và mục để quay lại.
Thuật ngữ
Nghĩa ngắn
Mục
tốc độ quay
Số vòng quay của trục trong một phút, kí hiệu n, đơn vị vòng/phút
mô-men
Đại lượng đo tác dụng làm quay của lực, kí hiệu M, đơn vị N.m
tỉ số truyền
i=\dfrac{n_1}{n_2}, với trục 1 là trục dẫn và trục 2 là trục bị dẫn
bánh dẫn
Bánh nhận chuyển động từ nguồn; bánh nhận chuyển động từ bánh dẫn gọi là bánh bị dẫn
truyền động ma sát
Truyền bằng ma sát giữa hai bề mặt, như bộ truyền đai
truyền động ăn khớp
Truyền bằng răng hoặc mắt xích ăn khớp, như bánh răng và xích
hành trình
Quãng đường lớn nhất của con trượt hoặc cần đẩy giữa hai vị trí biên
5, 6
biên dạng cam
Đường viền của cam; hình dạng ấy quyết định quy luật chuyển động của cần đẩy
cắt gọt
Lấy bớt vật liệu khỏi phôi bằng dao để có chi tiết đúng hình và kích thước
dung sai
Hiệu hai kích thước giới hạn; chi tiết nằm trong khoảng này là đạt
Đoán trước, rồi thử tay
Đoán trước: bộ truyền xích của chiếc xe đạp đưa chuyển động từ đĩa ở trục bàn đạp sang líp ở bánh sau. Theo việc nó làm trong chuỗi, nó thuộc trạm nào? Hãy chọn trước, rồi mở phòng lab.
Bộ truyền xích của xe đạp thuộc trạm nào của khung bốn trạm?
Cách dùng phòng lab
Xếp từng thẻ bằng cách chạm thẻ rồi chạm ô, hoặc kéo thẻ thả vào ô. Sau khi bấm «Chấm các thẻ đã xếp», thẻ đúng viền xanh và thẻ sai viền đỏ; dòng kết luận giải thích ba thẻ sai đầu tiên. Phòng lab này luyện bẫy 9.
Thử tay: gọi tên trạm cho từng bộ phận của máy bơm pít-tông
Một động cơ điện quay trục. Một bánh đai nhỏ trên trục động cơ dẫn một bánh đai lớn bằng dây đai, làm trục thứ hai quay chậm hơn. Trên trục thứ hai có một tay quay nối với thanh truyền; thanh truyền đẩy một pít-tông chạy tới lui trong xi-lanh. Trục, bánh đai và thanh truyền được tiện và phay từ phôi thép. Hãy gọi tên trạm cho từng việc.
Gợi ý 1 · Hai việc đầu
Động cơ điện tạo ra chuyển động quay: NGUỒN. Bánh đai nhỏ dẫn bánh đai lớn và làm trục quay chậm hơn: TRUYỀN.
Gợi ý 2 · Hai việc sau
Tay quay, thanh truyền và pít-tông biến quay thành tịnh tiến qua lại: BIẾN ĐỔI. Việc tiện và phay phôi thép để làm ra các chi tiết: CHẾ TẠO.
Đáp án · cả chuỗi
NGUỒN (động cơ điện) rồi TRUYỀN (bộ truyền đai giảm tốc) rồi BIẾN ĐỔI (tay quay – con trượt cho pít-tông) và CHẾ TẠO nằm bên dưới làm ra các chi tiết. Nếu máy nóng hoặc ồn khi vận hành thì thuộc lớp ĐỘ TIN CẬY, không thuộc riêng trạm nào trong bốn trạm.
Chỗ hay trượt ở bản đồ chung
Bẫy 9: coi truyền chuyển động và biến đổi chuyển động là hai tên của cùng một việc, rồi cứ nghe «chuyển động» là chọn đại một cơ cấu. Truyền động đưa chuyển động và đổi tốc độ cùng mô-men; biến đổi tạo ra quy luật chuyển động theo yêu cầu. Phòng lab 1 ở trên và phòng lab 8 ở mục 6 luyện chính việc phân biệt này.
Mục 2 đi vào trạm đầu tiên: ba đại lượng của một trục quay, tốc độ, mô-men và công suất.
02
Trạm ① NGUỒN · tốc độ, mô-men, công suất
Ba con số của một trục quay và vì sao chúng không thể tăng cùng lúc
Mở nắp một hộp giảm tốc, em thấy trục vào quay nhanh và mảnh, trục ra quay chậm và to. Cái to ấy không phải ngẫu nhiên: nó phải chịu một mô-men lớn hơn. Một trục quay trong máy được mô tả bằng ba con số: tốc độ n (vòng/phút), mô-men M (N.m) và công suất P (W hoặc kW). Ba số ấy ràng buộc nhau, và sự ràng buộc ấy giải thích vì sao bộ truyền động đổi tốc độ lấy mô-men chứ không tạo thêm năng lượng.
Từ vòng/phút sang rad/s
Công thức công suất của chuyển động quay dùng tốc độ góc \omega tính bằng rad/s. Một vòng là 2\pi rad, một phút là 60 s, nên
\omega=\dfrac{2\pi n}{60}\ \text{(rad/s)}.
Với n=1440 vòng/phút: \omega=\dfrac{2\pi\cdot 1440}{60}\approx 150{,}8 rad/s. Đây là chỗ hay nhầm đơn vị: nếu thay thẳng n=1440 vào công thức công suất thì kết quả lớn hơn khoảng 9{,}55 lần so với thực tế.
Công suất là mô-men nhân tốc độ góc
Với trục quay, P=M\,\omega. Nếu M tính bằng N.m và \omega bằng rad/s thì P ra W. Muốn dùng thẳng n (vòng/phút) và có P bằng kW, ta gộp hằng số: P\approx\dfrac{M\,n}{9549} (kW), vì \dfrac{60\cdot 1000}{2\pi}\approx 9549. Ví dụ động cơ có M=6 N.m ở n=1440 vòng/phút: P=6\cdot 150{,}8\approx 905 W, tức gần 0{,}905 kW; tính theo công thức gộp, \dfrac{6\cdot 1440}{9549}\approx 0{,}905 kW, hai cách khớp nhau.
Ngược lại, biết công suất và tốc độ thì tìm được mô-men: M\approx\dfrac{9549\,P}{n}. Một động cơ 1{,}5 kW quay 1200 vòng/phút cho M\approx\dfrac{9549\cdot 1{,}5}{1200}\approx 11{,}9 N.m. Cùng công suất, quay càng chậm thì mô-men càng lớn: đó là ý nghĩa vật lí của hộp giảm tốc.
Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Một bộ giảm tốc với số liệu minh họa: tốc độ giảm còn 0{,}4 lần, mô-men tăng 2{,}25 lần, công suất ra bằng 0{,}9 lần công suất vào. Ba tỉ lệ không thể cùng lớn hơn 1 vì công suất không tăng.
Giảm tốc: đổi tốc độ lấy mô-men
Gọi trục vào là 1 và trục ra là 2, tỉ số truyền i=\dfrac{n_1}{n_2}. Công suất ra bằng công suất vào nhân hiệu suất: P_2=\eta P_1, trong đó \eta là hiệu suất nhỏ hơn hoặc bằng 1. Vì P=M\omega và \omega_2=\dfrac{\omega_1}{i}, ta có (dòng thứ hai suy ra từ dòng thứ nhất bằng cách thay \omega_2=\dfrac{\omega_1}{i} rồi rút gọn):
\begin{aligned}M_2\,\omega_2&=\eta\,M_1\,\omega_1,\\ M_2&=M_1\cdot i\cdot\eta.\end{aligned}
Ví dụ số: động cơ n_1=1440 vòng/phút, M_1=6 N.m qua bộ giảm tốc i=2{,}5 với \eta=0{,}9. Tốc độ ra n_2=\dfrac{1440}{2{,}5}=576 vòng/phút; mô-men ra M_2=6\cdot 2{,}5\cdot 0{,}9=13{,}5 N.m; công suất ra P_2=\dfrac{13{,}5\cdot 576}{9549}\approx 0{,}814 kW, đúng bằng 0{,}9 lần 0{,}905 kW. Phần hao khoảng 0{,}09 kW biến thành nhiệt.
Chiều ngược lại cũng đúng: i<1 là tăng tốc, tốc độ ra lớn hơn nhưng mô-men ra nhỏ hơn mô-men vào. Quạt cần quay nhanh dùng cách này; máy ép cần lực lớn dùng cách giảm tốc.
Đòn bẩy cho chuyển động quay (kiến thức bổ sung)
Hai bánh ăn khớp giống một đòn bẩy có hai cánh tay: lực ở chỗ tiếp xúc như nhau với cả hai bánh, nhưng cánh tay đòn (bán kính) khác nhau. Bánh to có cánh tay đòn dài nên mô-men lớn, và quay chậm vì chu vi dài hơn phải đi cùng một quãng. Hiểu như vậy sẽ không còn thấy lạ khi mô-men tăng đúng lúc tốc độ giảm.
Đoán trước, rồi kéo thử
Đoán trước: bỏ qua tổn thất, một bộ giảm tốc có tỉ số truyền i=5. Mô-men ở trục ra so với mô-men ở trục vào thế nào?
Bỏ qua tổn thất, bộ giảm tốc i=5. Mô-men trục ra so với trục vào:
Cách dùng phòng lab
Kéo tỉ số truyền từ nhỏ hơn 1 lên lớn hơn 1 và quan sát ba thanh: khi thanh tốc độ ngắn lại thì thanh mô-men dài ra, còn thanh công suất nằm dưới vạch đỏ ở bất kì hiệu suất nào trên thanh trượt. Thử hạ hiệu suất để thấy phần hao phí. Phòng lab này luyện bẫy 4.
Thử tay: tìm mô-men ra của một bộ giảm tốc
Một động cơ cho mô-men 20 N.m ở trục vào của bộ giảm tốc có i=3{,}5 và hiệu suất 0{,}92. Tìm mô-men ở trục ra, rồi cho biết tốc độ ra nếu trục vào quay 1400 vòng/phút.
Gợi ý 1 · Công thức
Dùng M_2=M_1\cdot i\cdot\eta và n_2=\dfrac{n_1}{i}.
Gợi ý 2 · Thay số
M_2=20\cdot 3{,}5\cdot 0{,}92 và n_2=\dfrac{1400}{3{,}5}.
Đáp án
M_2=64{,}4 N.m và n_2=400 vòng/phút. Kiểm tra bằng công suất: \dfrac{20\cdot 1400}{9549}\approx 2{,}93 kW ở trục vào, \dfrac{64{,}4\cdot 400}{9549}\approx 2{,}70 kW ở trục ra, tỉ số \dfrac{2{,}70}{2{,}93}\approx 0{,}92 đúng bằng hiệu suất.
Chỗ hay trượt ở trạm NGUỒN
Bẫy 4: nghĩ rằng giảm tốc làm trục quay chậm đi thì lực quay yếu đi theo. Thực tế mô-men ra bằng mô-men vào nhân i nhân \eta, tức lớn hơn khi i>1; công suất ra mới là đại lượng không vượt công suất vào. Bài 12 ở mục 10 là một phép tính đúng chuỗi này.
Mục 3 bắt đầu trạm TRUYỀN: ba cách đưa chuyển động quay từ trục này sang trục khác.
03
Trạm ② TRUYỀN · đai, xích, bánh răng
Hai trục, hai cách nắm nhau: ma sát hoặc ăn khớp
Muốn đưa chuyển động quay từ trục này sang trục kia, có hai cách nắm. Cách thứ nhất là ma sát : một dây đai ôm hai bánh và bám vào chúng, như chiếc dây curoa. Cách thứ hai là ăn khớp : răng của hai bánh, hoặc mắt xích và răng đĩa, khóa vào nhau như hai bàn tay đan. Cách nắm nào quyết định ba điều em phải nhớ khi đọc một bộ truyền: có trượt hay không, hai trục xa hay gần, chiều quay giữ hay đảo.
Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Ba bộ truyền cho hai trục song song: đai truyền bằng ma sát; xích và bánh răng truyền bằng ăn khớp. Mũi tên xanh là chiều quay của bánh dẫn; mũi tên đỏ là chiều quay ngược.
Điều dễ nhớ về từng bộ truyền
Bộ truyền
Ưu điểm thường nêu
Hạn chế thường nêu
Chiều quay
Đai
hai trục có thể cách xa nhau; làm việc êm, giảm chấn; trượt khi quá tải nên bảo vệ cơ cấu; cấu tạo đơn giản, giá rẻ
có trượt đàn hồi nên tỉ số truyền không chính xác tuyệt đối; kích thước lớn; lực căng đai tác dụng lên trục
cùng chiều khi mắc thông thường
Xích
không trượt nên tỉ số truyền ổn định; truyền được tải lớn; hai trục có thể khá xa nhau