So sánh hệ thống truyền động đai cam MXL và S2M (răng hình thang so với răng cong)

1. Giới thiệu

Dây đai truyền động răng hình thang được công ty Uniroyal Rubber của Mỹ phát triển lần đầu tiên vào năm 1964 và dần được ứng dụng rộng rãi trong truyền động cơ khí.

Hình 1: Hình dạng răng của đai truyền động đồng bộ hình thang

Trong loại dây đai truyền động này—đặc trưng bởi mặt cắt răng hình thang—các mặt bên của răng là các đường thẳng. Hình dạng mặt cắt đặc biệt này dẫn đến sự tập trung ứng suất nghiêm trọng tại chân răng, điều này làm giảm cả tuổi thọ và khả năng chịu tải của dây đai ở tốc độ cao. Hơn nữa, trong quá trình truyền động, các dây đai này tạo ra tiếng ồn và độ rung cao, do đó hạn chế tốc độ hoạt động tối đa. Phân tích ứng suất quang đàn hồi sau đó cho thấy sự phân bố ứng suất bên trong mặt cắt răng hình thang rất không đồng đều, thể hiện sự tập trung ứng suất đáng kể tại chân răng; điều này làm cho răng dễ bị gãy và hỏng. Hơn nữa, diện tích tiếp xúc chịu tải thực tế của răng hình thang chỉ chiếm khoảng một phần ba tổng diện tích mặt bên của răng, cho thấy thiết kế này không tận dụng hết tiềm năng chịu tải của răng dây đai.

Năm 1973, Uniroyal đã phát triển dây đai truyền động răng cong đơn (gọi là HTD; tương ứng với tiêu chuẩn trong nước JB/T 7512.1). Thiết kế này đã giảm thiểu hiệu quả "hiệu ứng đa giác" vốn có trong hệ truyền động bằng dây đai và đạt được sự phân bố ứng suất hợp lý hơn, dẫn đến việc sử dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, sau đó người ta nhận thấy rằng khi tốc độ truyền động tăng vượt quá một ngưỡng nhất định, các dây đai răng cong này lại tạo ra tiếng ồn và cho thấy sự suy giảm đáng kể về hiệu suất truyền động. Do đó, vào năm 1977, công ty Goodyear của Mỹ đã sửa đổi cấu hình răng này để tạo ra dây đai truyền động răng cong mặt phẳng (STPD). Thiết kế này đã cải thiện đáng kể động lực học luồng không khí tại thời điểm chính xác khi răng dây đai và răng ròng rọc ăn khớp, do đó làm giảm đáng kể lực cản không khí - một hiện tượng thường liên quan đến việc ăn khớp ở tốc độ cao.

Hình 2: Hình dạng răng của đai đồng bộ răng cong STPD

Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng nhanh chóng trong các lĩnh vực nội địa về thiết bị giám sát an ninh, hệ thống hội nghị truyền hình, máy in và máy photocopy, dẫn đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi dây đai truyền động trong các thiết bị này. Vì các thiết bị nhỏ gọn này thường có yêu cầu truyền tải điện năng tương đối thấp và tốc độ hoạt động vừa phải, nên chúng chủ yếu sử dụng dây đai có kích thước nhỏ. Bên cạnh yêu cầu về độ ồn thấp, các chỉ số hiệu suất quan trọng nhất đối với các ứng dụng này là tuổi thọ và độ chính xác truyền động góc. Các dòng dây đai truyền động MXL, S1.5M và S2M được thiết kế đặc biệt để đáp ứng chính xác các yêu cầu này. Hiện nay, các nhà sản xuất trong nước - bao gồm cả những nhà sản xuất nổi tiếng - vẫn sử dụng rộng rãi dây đai truyền động MXL. Ngược lại, các nhà sản xuất nước ngoài - đặc biệt là ở Nhật Bản - đã áp dụng rộng rãi dây đai truyền động STPD cho các thiết bị điện tử quy mô nhỏ, chẳng hạn như cơ cấu bên trong của thiết bị tài chính, máy in và máy photocopy.

Mặc dù hình dạng răng của dây đai truyền động MXL và S2M khác nhau, nhưng bước răng của chúng rất giống nhau: bước răng của MXL là 2,032 mm, trong khi bước răng của S2M là 2,000 mm. Do đó, chúng có thể được sử dụng trong cùng một hệ thống truyền động. Vì lý do này, tôi đã chọn hai loại dây đai này để phân tích so sánh, cho phép đánh giá rõ ràng những ưu điểm và nhược điểm tương ứng của hai loại dây đai truyền động khác nhau này. Dựa trên hơn một thập kỷ nghiên cứu và thử nghiệm so sánh trong các hệ thống truyền động của thiết bị giám sát tài chính và an ninh, dây đai S2M luôn vượt trội hơn dây đai MXL về cả tuổi thọ và độ chính xác truyền động.

2. Phân tích so sánh

2.1 So sánh hình dạng răng

Trước tiên, chúng ta hãy so sánh hình dạng răng của hai loại dây đai. Trong hình dưới đây, đường màu đậm biểu thị hình dạng răng của dây đai truyền động S2M, trong khi đường màu nhạt biểu thị hình dạng răng của dây đai truyền động MXL. Độ dày đế của cả hai dây đai đều giống nhau ở mức 0,6 mm; tuy nhiên, răng của dây đai S2M rộng hơn đáng kể so với răng của dây đai MXL—đặc biệt là ở phần chân răng. Hơn nữa, bán kính bo tròn của răng S2M (R0,2) lớn hơn bán kính bo tròn của răng MXL (R0,13). Giả sử vật liệu dây đai giống nhau, dây đai S2M có độ bền cấu trúc vượt trội hơn so với dây đai MXL, cho phép nó truyền tải công suất lớn hơn. Ngược lại, nếu yêu cầu truyền tải công suất giống nhau, dây đai S2M sẽ có tuổi thọ sử dụng lâu hơn dây đai MXL.

So với các ròng rọc, độ bền cấu trúc và khả năng chống mài mòn của dây đai truyền động thường thấp hơn một chút; do đó, dây đai thường là yếu tố giới hạn về tuổi thọ tổng thể và khả năng chịu tải của hệ thống truyền động. Điều này là do thân dây đai thường được gia cố bằng các yếu tố như dây thép hoặc dây sợi thủy tinh, khiến các răng dây đai trở thành bộ phận cấu trúc tương đối yếu hơn.

Hình 3: So sánh hai dạng răng đai đồng bộ (răng hình thang MXL và răng cong S2M)

Hệ thống truyền động đai răng cung giải quyết vấn đề này bằng cách tăng độ dày của răng đai để tăng cường độ bền cấu trúc của đai, đồng thời giảm nhẹ độ dày của răng puli (do đó giảm nhẹ độ bền cấu trúc của puli). Cách tiếp cận thiết kế này phù hợp hơn với các yêu cầu ứng dụng thực tế, dẫn đến sự cải thiện tổng thể cả về tuổi thọ và khả năng chịu tải. Chúng ta cũng có thể thu thập dữ liệu cụ thể về điểm này từ các tài liệu kỹ thuật do Mitsuboshi Belting (Nhật Bản) cung cấp; vui lòng tham khảo các bảng bên dưới (chỉ hiển thị một phần):

• Hình 4: Khả năng truyền tải công suất cơ bản của dây đai truyền động MXL (một phần)

• Hình 5: Khả năng truyền tải công suất cơ bản của dây đai truyền động S2M (một phần)

• Hình 6: Mô-men xoắn truyền động cho phép đối với dây đai thời gian MXL (một phần)

• Hình 7: Mô-men xoắn truyền động cho phép đối với dây đai thời gian S2M (một phần)

Lưu ý rằng chiều rộng tiêu chuẩn của dây đai truyền động S2M được hiển thị ở trên là 4 mm, trong khi chiều rộng tiêu chuẩn của dây đai truyền động MXL là 6,4 mm. Cho dù xét đến công suất truyền động cho phép hay mô-men xoắn truyền động cho phép, dây đai S2M đều vượt trội hơn dây đai MXL ít nhất 50%. Nếu các số liệu này được chuẩn hóa theo chiều rộng dây đai thông thường, lợi thế về hiệu suất của dây đai S2M so với dây đai MXL sẽ còn rõ rệt hơn nữa.

2.2 So sánh các đặc tính ăn khớp

Tiếp theo, chúng ta hãy so sánh đặc tính ăn khớp của dây đai truyền động và các ròng rọc tương ứng.

• Hình 8: So sánh điều kiện ăn khớp của hai loại dây đai truyền động (MXL so với S2M)

• Hình 9: Kích thước cơ bản của hai loại puly định thời (MXL so với S2M)

So sánh hình ảnh thực tế về quá trình ghép lưới:

• Hình 10: Sự ăn khớp thực tế của dây đai và puly MXL

• Hình 11: Sự ăn khớp thực tế của dây đai và ròng rọc truyền động S2M

Như có thể quan sát được—và phù hợp với hình dạng răng lý thuyết—có một khe hở đáng kể giữa dây đai truyền động MXL và ròng rọc của nó; khi dùng tay đẩy nhẹ dây đai, có thể cảm nhận rõ sự trượt nhẹ. Ngược lại, không có khe hở nào có thể nhìn thấy giữa dây đai truyền động S2M và ròng rọc của nó; khi đẩy nhẹ dây đai, không thể nhận thấy sự trượt bằng mắt thường. Dây đai truyền động MXL thể hiện khe hở rõ rệt ở cả sườn răng và đỉnh răng, dẫn đến "hiệu ứng đa giác" rõ rệt hơn so với các dây đai truyền động có hình dạng răng cong.

Như minh họa trong các hình trên, biên dạng răng của dây đai truyền động MXL nhỏ hơn biên dạng rãnh puli. Tổng khe hở lý thuyết ở cả hai phía của răng dây đai xấp xỉ 0,2 mm, có nghĩa là khe hở chiếm khoảng 18% chiều rộng răng. Hơn nữa, chiều cao răng là 0,51 mm, nhỏ hơn chiều sâu rãnh tương ứng là 0,64 mm. Khi dây đai truyền động S2M ăn khớp với puli, kích thước của răng dây đai và rãnh puli gần như giống hệt nhau, dẫn đến khe hở tối thiểu. Về mặt lý thuyết, tổng khe hở ở cả hai phía của một răng dây đai xấp xỉ 0,08 mm—một khe hở tương đương khoảng 6% chiều rộng răng. Hơn nữa, chiều cao răng và chiều sâu rãnh khớp hoàn hảo ở mức 0,76 mm, đảm bảo không có khe hở theo phương thẳng đứng (chiều cao răng).

Dựa trên phân tích khe hở ăn khớp này, rõ ràng là nếu lực căng tác dụng lên dây đai truyền động không đủ—dẫn đến hiện tượng trượt giữa dây đai và puly—độ chính xác truyền động chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng. Về mặt lý thuyết, độ chính xác truyền động của hệ thống dây đai truyền động MXL thấp hơn một chút so với hệ thống S2M. Xét về mặt hình học, sai số góc đối với dây đai MXL xấp xỉ (trong đó Z2 là số răng trên puly bị dẫn động) 18% × 360°/Z2; ngược lại, sai số góc đối với dây đai S2M xấp xỉ 6% × 360°/Z2. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, lực căng dây đai thường được duy trì ở mức tương đối cao—giảm thiểu hiện tượng trượt—có nghĩa là độ chính xác thực tế đạt được thường vượt quá các giá trị lý thuyết này.

Với dây đai truyền động MXL, sự tiếp xúc chỉ xảy ra giữa chân răng và đỉnh puly; điều này dẫn đến sự tập trung ứng suất tương đối lớn, do đó hạn chế lực căng tối đa mà dây đai có thể chịu được. Ngược lại, dây đai truyền động S2M tiếp xúc với puly ở cả đỉnh răng và chân răng, dẫn đến sự phân bố lực đồng đều hơn. Điều này làm giảm đáng kể "hiệu ứng đa giác". Hơn nữa, quá trình ăn khớp - được hỗ trợ bởi hình dạng răng cong của dây đai - diễn ra mượt mà hơn đáng kể; do đó, dây đai S2M có răng cong này mang lại khả năng chịu tải vượt trội và tuổi thọ cao hơn.

3. Kiểm nghiệm thực nghiệm

Để phục vụ cho việc đánh giá này, một camera giám sát PTZ (quay ngang, nghiêng, thu phóng) đã được lựa chọn để đánh giá độ chính xác của khả năng định vị được thiết lập sẵn. Hai hệ thống truyền động khác nhau đã được thử nghiệm: một hệ thống sử dụng răng có biên dạng MXL và hệ thống còn lại sử dụng răng có biên dạng S2M. Cả hai hệ thống đều sử dụng các mẫu động cơ giống hệt nhau; ngoại trừ các ròng rọc và dây đai truyền động cụ thể, tất cả các thành phần khác trong cụm lắp ráp đều giống hệt nhau. Hệ thống truyền động của camera hoạt động thông qua hai trục quay, như minh họa trong Hình 12. Cụ thể, ống kính camera có khả năng quay liên tục 360° quanh trục Z, cũng như quay qua lại trong phạm vi 110° quanh trục Y; cả hai chuyển động đều được dẫn động bởi dây đai thời gian. Để phục vụ cho thử nghiệm này, chúng tôi tập trung vào cơ chế quay dọc, có tỷ số truyền động là 1:4 (bao gồm một ròng rọc dẫn động 20 răng và một ròng rọc bị dẫn động 80 răng). Dây đai MXL được sử dụng là mẫu "180MXL" (với chiều dài bước răng là 365,76 mm), trong khi dây đai S2M được sử dụng là mẫu "S2M364" (với chiều dài bước răng là 364 mm). Ống kính máy ảnh được đặt cách thước đo tham chiếu dùng để đo một khoảng cách 15,6 mét.

Vị trí cài đặt sẵn là một phương pháp liên kết khu vực trọng điểm cần giám sát với trạng thái hoạt động của camera PTZ. Dưới sự điều khiển thủ công hoặc lập trình, camera PTZ có thể xoay đến bất kỳ vị trí góc nào, sau đó có thể được cấu hình và lưu trữ như một vị trí cài đặt sẵn. Việc gọi lại vị trí cài đặt sẵn là một chức năng tiêu chuẩn của camera PTZ giám sát. Bất kể hướng hiện tại của ống kính camera, một khi vị trí cài đặt sẵn đã được cấu hình trước được gọi lại, camera sẽ nhanh chóng xoay đến vị trí cụ thể đó.

Hình 12: Sơ đồ thử nghiệm để so sánh độ chính xác của hệ truyền động bằng dây đai thời gian

Khi một vị trí được thiết lập sẵn được gọi lại thông qua phần mềm, camera PTZ sẽ xoay đến vị trí tương ứng; tuy nhiên, thường xảy ra sự sai lệch so với vị trí được cấu hình ban đầu. Bên cạnh ảnh hưởng của phần mềm và động cơ, yếu tố chính góp phần gây ra sự sai lệch này là lỗi truyền động bằng dây đai trong cơ cấu camera PTZ. Để loại bỏ ảnh hưởng của phần mềm và động cơ, các thử nghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng một cụm camera PTZ duy nhất được trang bị cùng một loại động cơ trong suốt quá trình. Chỉ có các ròng rọc và dây đai truyền động được hoán đổi cho nhau; do đó, ròng rọc và dây đai là các biến số duy nhất trong thí nghiệm. Độ lệch thực tế được đo trong các thử nghiệm này đóng vai trò là chỉ số trực tiếp về độ chính xác truyền động thực tế đạt được bởi hệ thống dây đai truyền động MXL so với hệ thống dây đai truyền động S2M.

Như dữ liệu thử nghiệm trong Bảng 1 cho thấy, dây đai truyền động S2M thể hiện độ chính xác cao hơn đáng kể so với dây đai truyền động MXL trong cùng điều kiện hoạt động. Khi lực căng dây đai vượt quá 25 N, việc tăng thêm lực căng chỉ mang lại những cải thiện nhỏ về độ chính xác; vượt quá 30 N, tác động của việc tăng lực căng lên độ chính xác càng trở nên ít đáng kể hơn. Đáng chú ý, dây đai truyền động S2M có khả năng đạt được độ chính xác truyền động vượt trội ngay cả trong điều kiện lực căng tương đối thấp. Hơn nữa, đặc tính giảm chấn của hệ thống chuyển động được quan sát thấy có tác động đáng kể đến độ chính xác truyền động.

Bảng 1: Dữ liệu thử nghiệm về độ lệch khi nhớ lại các vị trí đã thiết lập sẵn (tham khảo dữ liệu gốc trong bài báo)

4. Dữ liệu thử nghiệm độ bền kéo

Như minh họa trong hình dưới đây, dữ liệu do Bando Chemical Industries cung cấp cho thấy: Cả hai loại dây đai truyền động MXL và S2M đều được làm từ vật liệu cao su và có cùng độ dày đế là 0,6 mm. Do thành phần vật liệu giống nhau, độ bền kéo của chúng (được gọi là "độ bền đứt" trong bản vẽ kỹ thuật) về cơ bản là tương đương. (Lưu ý: Các giá trị độ dày dây đai được hiển thị trong sơ đồ bao gồm chiều cao của răng; cụ thể, trong khi cả dây đai MXL và S2M đều có độ dày đế là 0,6 mm, thì tổng độ dày—bao gồm cả răng—là 1,1 mm đối với dây đai MXL và 1,31 mm đối với dây đai S2M.)

• Hình 13: Vật liệu và cấu trúc của dây đai truyền động MXL

• Hình 14: Vật liệu và cấu trúc của dây đai truyền động S2M

5. Tóm tắt và thảo luận

Tóm lại, dây đai truyền động răng cong S2M vượt trội hơn dây đai truyền động răng hình thang MXL về độ chính xác truyền động; đây là một lợi thế lớn của dây đai răng cong. Yêu cầu lắp đặt đối với dây đai răng cong tương tự như dây đai răng hình thang; tuy nhiên, chúng có tuổi thọ cao hơn và cho phép điều chỉnh độ căng rộng hơn. Về mặt chi phí—mặc dù trọng lượng trên mỗi đơn vị chiều rộng của dây đai truyền động S2M cao hơn một chút, và chi phí cho chiều rộng tương đương có thể cao hơn một chút (khoảng 1,18:1)—nhưng nó có thể được sản xuất với tiết diện hẹp hơn. Do đó, chi phí thực tế không nhất thiết phải cao hơn so với dây đai truyền động MXL; trên thực tế, nó thường có thể thấp hơn, mang lại những lợi thế rõ rệt về việc giảm thể tích tổng thể của hệ thống truyền động. Dựa trên các tính toán về khả năng truyền động, dây đai truyền động S2M rộng 4 mm có thể thay thế hiệu quả phần lớn các hệ thống truyền động bằng dây đai truyền động MXL rộng 6,4 mm, có khả năng giảm chi phí thực tế hơn 25%.

Mặc dù Trung Quốc đã thiết lập các tiêu chuẩn quốc gia cho dây đai răng cong dòng HTD, nhưng việc áp dụng chúng vẫn còn tương đối hiếm; hơn nữa, đáng chú ý là thiếu các tiêu chuẩn được thiết lập cho dây đai truyền động răng cong cỡ siêu nhỏ và nhỏ (cụ thể là những loại nhỏ hơn dòng 3M).

Thiết kế răng cong đã được phát triển hơn nữa thành dòng RPP, với cấu hình răng hình parabol lõm ở đỉnh, tạo ra mức độ tiếng ồn thấp hơn nữa, như minh họa trong Hình 15.

Hình 15: Mặt cắt răng hình parabol lõm đỉnh RPP

6. Kết luận

Dây đai răng hình thang có lịch sử ứng dụng lâu đời hơn ở Trung Quốc và vẫn được sử dụng rộng rãi hơn. Tuy nhiên, ưu điểm vốn có của dây đai răng cong là không thể phủ nhận. Do đó, cần tích cực thực hiện các chính sách để thúc đẩy và hỗ trợ việc sử dụng dây đai răng cong thay thế cho dây đai răng hình thang – đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất nhỏ – nhằm đẩy nhanh việc xây dựng các tiêu chuẩn liên quan và tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp và hiện đại hóa ngành sản xuất trong nước.