Lựa chọn giữa bánh răng trụ thẳng và bánh răng nghiêng là một trong những quyết định phổ biến nhất, và cũng có hệ quả lớn nhất, trong thiết kế hộp giảm tốc. Cả hai đều truyền chuyển động giữa các trục song song, cả hai đều được cắt bằng phay lăn hay xọc răng, và cả hai đều có cùng mô-đun cùng góc ăn khớp. Thế nhưng chúng hành xử rất khác nhau khi làm việc. Bánh răng trụ thẳng rẻ hơn, đơn giản hơn và không có lực đẩy dọc trục; bánh răng nghiêng chạy mượt hơn, êm hơn và mang tải lớn hơn, với giá là các lực dọc trục, ma sát trượt và hiệu suất thấp hơn một chút. Hướng dẫn này so sánh hai hình dạng răng trên những chi tiết kỹ thuật thực sự chi phối lựa chọn, từ hình dáng và hành vi ăn khớp đến tiếng ồn, hiệu suất, khả năng chịu tải, bố trí ổ lăn, chi phí chế tạo và các ứng dụng điển hình. Chúng tôi gia công cả hai loại đúng theo bản vẽ tại cơ sở ở Lạc Dương, nên lập luận dưới đây chính là lời khuyên y hệt chúng tôi dành cho người mua khi họ gửi bản vẽ cho chúng tôi.
Một bánh răng trụ thẳng có răng cắt thẳng và song song với trục. Khi hai bánh răng trụ thẳng ăn khớp, tiếp xúc bắt đầu và kết thúc trên toàn bề rộng răng cùng một lúc, một đường thẳng ngang qua răng. Sự ăn khớp đột ngột đó là gốc rễ vừa của sự đơn giản trong chế tạo vừa của tiếng ồn. Ngược lại, một bánh răng nghiêng có răng cắt theo một góc xoắn, điển hình 15–30 độ, giống như một đoạn ren vít. Tiếp xúc không ập trên toàn bề rộng cùng lúc: nó bắt đầu từ một mép răng rồi quét chéo trên mặt sườn khi bánh răng quay.
Hệ số trùng khớp tổng của một cặp bánh răng là tổng của hệ số trùng khớp ngang và hệ số trùng khớp dọc. Với bánh răng trụ thẳng, hệ số trùng khớp dọc bằng không, nên hệ số tổng thường chỉ khoảng 1,1–1,6. Với bánh răng nghiêng, hệ số dọc dương, thường đẩy tổng lên 1,8–3,0 hay hơn. Điều đó nghĩa là vài cặp răng cùng chia tải tại bất kỳ thời điểm nào, và tải được truyền dần thay vì đột ngột. Chính sự khác biệt hình học đơn lẻ này lan tỏa thành mọi phép so sánh khác trong bài viết.
Hành vi tiếng ồn xuất phát trực tiếp từ hình dạng đó. Bánh răng trụ thẳng tạo ra tiếng kêu rít đặc trưng, bởi tiếp xúc ập trên toàn bề rộng răng đồng thời và mỗi lần ăn khớp răng tạo ra một xung va đập nhỏ ở tần số ăn khớp; ở tốc độ dài trên vòng chia cao hơn, các xung này kích cộng hưởng trong vỏ hộp, đó là lý do bánh răng thẳng không hiệu chỉnh nói chung chỉ giới hạn ở tốc độ trung bình thấp, và việc dịch đổi hình dáng răng cùng giảm nhẹ đỉnh răng làm giảm va đập nhưng không loại bỏ được hoàn toàn. Bánh răng nghiêng vốn đã êm hơn: đường tiếp xúc chéo tiến vào và rời khỏi ăn khớp một cách dần dần, tải trên mỗi răng tăng rồi giảm mượt mà, và hệ số trùng khớp cao giữ cho biến đổi độ cứng trong mỗi chu kỳ ăn khớp là nhỏ. Trên thực tế, một cặp bánh răng nghiêng chế tác tốt chạy êm hơn khoảng 5–15 dB so với một cặp bánh răng thẳng tương đương ở cùng tốc độ dài trên vòng chia và cùng cấp chính xác. Đánh đổi là lực đẩy dọc trục do góc xoắn tạo ra đổi chiều khi răng tiến vào và rời ăn khớp, điều có thể kích rung động dọc trục trừ khi ổ lăn được ép trước đúng cách.
Khả năng chịu tải là nơi bánh răng nghiêng thể hiện ưu điểm thứ hai. Với cùng mô-đun, bề rộng răng và vật liệu, hai hiệu ứng cùng tác dụng: đường tiếp xúc chéo dài hơn bề rộng răng, khoảng b chia cho côsin góc xoắn, nên ứng suất tiếp xúc trải trên diện tích lớn hơn, và hệ số trùng khớp dọc cao nghĩa là nhiều răng cùng mang mô-men xoắn truyền đi tại một thời điểm. Theo kinh nghiệm, một cặp bánh răng nghiêng truyền mô-men xoắn lớn hơn khoảng 10–20% so với một cặp bánh răng thẳng tương đương trên cùng kích thước, hay cùng một mô-men xoắn trong một vỏ hộp nhỏ nhẹ hơn. Lưu ý là khả năng thêm này đi kèm với ma sát trượt dọc mặt sườn răng, và lực đẩy dọc trục phải được ổ lăn phản ứng hoàn toàn. Bánh răng trụ thẳng vẫn cạnh tranh đầy đủ trong các ứng dụng tốc độ thấp, mô-men xoắn cao như bộ truyền băng tải, thang máy và hộp giảm tốc máy nghiền, nơi tốc độ dài trên vòng chia đủ thấp để kích thích va đập ở mức chấp nhận được và việc không có lực đẩy giúp đơn giản hóa cả bố trí.
Hiệu suất lại kể một câu chuyện ngược lại. Một chỗ ăn khớp thẳng tiếp cận tiếp xúc thuần lăn trên vòng chia, với tương đối ít ma sát trượt dọc răng, và hiệu suất ăn khớp của một cấp bánh răng thẳng được bôi trơn tốt thường là 98–99% trên mỗi cấp, không có tổn thất dọc trục. Một chỗ ăn khớp nghiêng vốn trượt theo hướng xoắn; chính sự trượt đó tạo ra truyền tải mượt mà, nhưng nó cũng tạo ra nhiệt ma sát, nên một cấp nghiêng thường đạt 96–98% trên mỗi cấp, và cái phạt tăng khi góc xoắn tăng. Lực đẩy dọc trục cộng thêm ma sát ổ lăn và cản phốt. Ở công suất hàng trăm kilô-oát, thêm một hai phần trăm trên mỗi cấp không phải là lỗi làm tròn: nó chi phối việc làm mát bôi trơn và cân bằng nhiệt, và đó là một lý do hộp giảm tốc nghiêng thường cần bôi trơn cưỡng bức nơi hộp thẳng có thể chạy bấp bênh bằng dầu.
Lực dọc trục và lựa chọn ổ lăn là điểm thực tế nơi nhiều thiết kế đi sai. Bánh răng trụ thẳng chỉ tạo ra tải hướng tâm trên ổ lăn, cộng một mô-men nhỏ từ kiểu lắp treo, nên bi tâm rãnh sâu thường là đủ, vỏ hộp có thể đơn giản, và không có ép trước nào để chỉnh. Một bánh răng nghiêng tạo ra một lực đẩy dọc trục đáng kể bên cạnh tải hướng tâm: lực dọc trục bằng lực răng tiếp tuyến nhân với tang của góc xoắn. Ở góc xoắn 20 độ, lực đẩy đó khoảng 36% lực tiếp tuyến, không phải thứ để bỏ qua. Nó đảo chiều khi bộ truyền đảo chiều, nên bố trí ổ lăn phải phản ứng lực đẩy theo cả hai chiều: bi tiếp xúc góc hay lăn côn, thường được ép trước, với dung sai chặt chẽ hơn trên lỗ vỏ và vai trục. Với các ứng dụng công suất rất lớn, bánh răng nghiêng đôi hình xương cá hủy lực dọc trục ngay bên trong, nhưng chúng khó chế tạo và kiểm tra hơn, và chỉ đáng giá khi lực đẩy của một vòng xoắn đơn trở nên không thể quản lý nổi.
Độ khó chế tạo và chi phí theo cùng một khuôn. Bánh răng trụ thẳng là dạng bánh răng dễ làm nhất: dao phay lăn chạy thẳng qua phôi, không cần dựng góc xoắn, mài răng thẳng đơn giản, mài nhúm dễ dàng, và kiểm tra chỉ giới hạn ở chiều dày răng, độ đảo và hình dáng, với công cụ tối thiểu và giá lô nhỏ ở mức thấp nhất. Bánh răng nghiêng thêm các bước: dao phay lăn hay dao xọc phải chuyển động theo đường xoắn, góc xoắn và bước xoắn phải được kiểm soát chính xác, mài răng cần một trục chuyển động xoắn, cả hai mặt mỗi răng đều cần mài nhúm, và sai số bước xoắn trở thành một phần của kiểm tra nghiệm thu. Hệ quả là một bánh răng nghiêng thường đắt hơn 15–40% so với một bánh răng thẳng tương đương ở lô nhỏ, dù khoảng cách thu hẹp ở sản lượng lớn. Việc chọn vật liệu chung cho cả hai dạng; hầu hết người mua lựa 20CrMnTi hay 42CrMo cho dịch vụ tôi bề mặt.
Các ứng dụng điển hình ánh xạ sạch sẽ lên sự đánh đổi này. Chọn bánh răng trụ thẳng nơi tốc độ trung bình, tiếng ồn chấp nhận được, chi phí đang bị ép, và bố trí trục phải giữ được đơn giản: hộp số máy công cụ, bộ truyền băng tải và thang máy, máy móc nông nghiệp, máy in và máy dệt, các hộp giảm tốc tốc độ thấp. Chọn bánh răng nghiêng nơi độ mượt, sự êm hay tốc độ chi phối: hộp số ô tô, hộp giảm tốc công nghiệp tốc độ cao, bơm và máy nén, các hộp giảm tốc trong nhà gần người, trục chính máy công cụ, robot và thang cuốn, thường được cung cấp mài đạt cấp chất lượng ISO 6 đến 7. Bánh răng nghiêng đôi dành riêng cho bộ truyền tuabin lớn, tàu và máy cán nặng.
Bạn có thể nén toàn bộ phép so sánh vào vài kích thước. Răng thẳng chạy song song với trục còn răng nghiêng nằm ở góc 15–30 độ; hệ số trùng khớp chạy khoảng 1,1–1,6 so với 1,8–3,0; bánh răng thẳng không tạo ra lực dọc trục còn lực đẩy nghiêng tỷ lệ với tang của góc xoắn; cặp nghiêng chạy êm hơn 5–15 dB; cấp thẳng giữ lợi thế hiệu suất từ một đến ba điểm; bánh răng nghiêng mang mô-men xoắn lớn hơn khoảng 10–20% trên cùng kích thước; thẳng phù hợp tốc độ trung bình thấp còn nghiêng dải trung bình cao; bi tâm rãnh sâu là đủ cho thiết kế thẳng, còn nghiêng đòi hỏi bố trí tiếp xúc góc hay côn được ép trước; và bánh răng thẳng là lựa chọn chi phí thấp còn nghiêng mang khoản phụ trội 15–40% ở lô nhỏ.
Lựa chọn cuối cùng quy về năm câu hỏi, đáng để trả lời theo thứ tự. Thứ nhất, tốc độ dài trên vòng chia: trên khoảng 10–15 mét trên giây, tiếng ồn và rung của một chỗ ăn khớp thẳng trở nên khó chịu, nên hãy chuyển sang nghiêng; dưới mức đó, thẳng thường là đủ. Thứ hai, các ràng buộc tiếng ồn: nếu hộp giảm tốc nằm trong nhà, gần người vận hành hay trong khu dân cư, nghiêng, ưu tiên loại mài, là mặc định. Thứ ba, không gian và trọng lượng: nếu kích thước bao chật và mật độ mô-men xoắn quan trọng, khả năng của nghiêng mua về những khoản tiết kiệm thực sự. Thứ tư, ngân sách và kích thước lô: trong thiết bị chi phí thấp, dung sai rộng, bánh răng thẳng thắng về giá, còn trong máy móc chính xác, khoản phụ trội của nghiêng thường là chính đáng. Thứ năm, hãy nhớ rằng bánh răng nghiêng dịch chi phí xuống hạ nguồn thành ổ lăn, ép trước, phốt và độ chính xác vỏ hộp, nên hãy tính điều đó vào trước khi so giá đơn vị bánh răng.
Không dạng răng nào tốt hơn một cách phổ quát. Bánh răng trụ thẳng vẫn là câu trả lời đúng cho các bộ truyền tốc độ thấp, mô-men xoắn cao, chi phí dẫn dắt nơi sự đơn giản là một đức tính, và bánh răng nghiêng là câu trả lời đúng bất cứ khi nào tốc độ, sự êm hay mật độ công suất đi vào thông số kỹ thuật. Kỹ năng kỹ thuật là ghép đúng dạng răng với nhiệm vụ, thay vì mặc nhiên chọn bất kỳ dạng răng nào xưởng của bạn đã cắt trước đây. Dù ứng dụng của bạn là gì, hãy gửi cho chúng tôi mô-men xoắn, tốc độ, giới hạn tiếng ồn và kích thước bao, và chúng tôi sẽ báo giá cả hai phương án cho bạn thấy khoảng cách chi phí trước khi bạn quyết.
Về các câu hỏi thường gặp: bánh răng trụ thẳng hiệu quả hơn trên mỗi cấp, thường 98–99% so với 96–98%, bởi chúng không có ma sát trượt theo xoắn và không có tổn thất lực đẩy dọc trục; ở công suất đa megawatt khoảng cách này quan trọng, còn ở mức mã lực nhỏ, sự mượt của nghiêng thường lấn át nó. Bánh răng nghiêng cần ổ lăn đặc biệt bởi góc xoắn chuyển một phần lực răng tiếp tuyến thành lực đẩy dọc trục, thứ mà bi tâm rãnh sâu thông thường không được thiết kế để mang liên tục. Một bánh răng thẳng không thể êm bằng một bánh răng nghiêng ở cùng tốc độ dài trên vòng chia và cùng kích thước; bánh răng thẳng bước răng nhỏ, độ chính xác cao với giảm nhẹ đỉnh răng mạnh tiến gần được ở tốc độ thấp, nhưng sự ăn khớp va đập cơ bản vẫn còn. Bánh răng nghiêng đôi hình xương cá chỉ đáng giá chi phí khi công suất truyền đi lớn đến mức lực đẩy của một vòng xoắn đơn trở nên không kinh tế để mang, như trong bánh răng tuabin lớn và các giá cán nặng. Và về góc xoắn, hầu hết bánh răng sản xuất dùng 15–20 độ: dưới khoảng 10 độ phần lớn lợi ích về độ mượt mất đi, còn trên khoảng 30 độ lực đẩy dọc trục và ma sát trượt tăng nhanh.
Sẵn sàng so sánh cả hai phương án cho bộ truyền của bạn? Gửi một yêu cầu kèm mô-men xoắn, tốc độ và bản vẽ của bạn, và chúng tôi sẽ đề xuất dạng răng, vật liệu và nhiệt luyện phù hợp, hoặc duyệt qua dải bánh răng đặt riêng của chúng tôi trước để có cái nhìn tổng quan sản phẩm.