Độ rơ (kỹ thuật)

Bài này viết về độ lỏng do khe hở cơ khí. Đối với sự nhả đột ngột lực căng trong dây hoặc cáp, xem Tether.

Trong kỹ thuật cơ khí (mechanical engineering), độ rơ (backlash), đôi khi còn gọi là độ lỏng (lash), độ chơi (play), hoặc độ rơ cơ cấu (slop), là một dạng dung sai kỹ thuật (engineering tolerance) hoặc chuyển động mất mát trong cơ cấu do tồn tại khe hở giữa các chi tiết. Nó có thể được định nghĩa là "khoảng cách hoặc góc tối đa mà bất kỳ bộ phận nào của một hệ thống cơ khí (mechanical system) có thể di chuyển theo một hướng mà không truyền lực hoặc chuyển động đáng kể đến bộ phận tiếp theo trong chuỗi cơ khí".^{p. 1-8}

Một ví dụ trong bánh răng (gear) và bộ truyền bánh răng (gear train) là khe hở giữa các răng ăn khớp. Hiện tượng này dễ nhận thấy khi đảo chiều chuyển động: sẽ có một khoảng “rơ” trước khi chuyển động đảo chiều hoàn toàn. Có thể nghe thấy tiếng này trong khớp nối đường sắt (railway coupling) khi tàu đổi hướng. Một ví dụ khác là trong cơ cấu phối khí (valve train) với con đội (tappet) cơ khí, nơi cần một mức độ rơ nhất định để van hoạt động đúng.

Độ rơ

Tùy theo ứng dụng, độ rơ có thể là mong muốn hoặc không mong muốn. Một lượng độ rơ nhất định gần như không thể tránh khỏi trong các cơ cấu đảo chiều, tuy nhiên có thể giảm thiểu hoặc bù trừ. Trong nhiều trường hợp, lý tưởng là không có độ rơ, nhưng thực tế luôn cần một مقدار nhất định để tránh kẹt cơ cấu. Các nguyên nhân cần độ rơ bao gồm: bôi trơn (lubrication), sai số gia công, biến dạng đàn hồi (deflection) dưới tải và giãn nở nhiệt (thermal expansion). Nguyên nhân chính gây độ rơ không mong muốn là mài mòn (wear).

Bánh răng

Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng độ rơ cần thiết trong bộ truyền bánh răng gồm sai số biên dạng, bước răng, chiều dày răng, góc xoắn, khoảng cách tâm và độ đảo (run-out). Độ chính xác càng cao thì độ rơ cần thiết càng nhỏ.

Độ rơ thường được tạo ra bằng cách cắt răng sâu hơn so với lý tưởng hoặc tăng khoảng cách tâm giữa các bánh răng.

Độ rơ do thay đổi chiều dày răng thường được đo trên đường tròn chia (pitch circle) và được định nghĩa:

$b_{t}=t_{i}-t_{a};$

trong đó:

$b_{t};$

Độ rơ do thay đổi khoảng cách tâm khi vận hành:

$b_{c}=2\left(\Delta c\right)\tan \phi$

trong đó:

$b_{c};$

= góc áp lực (pressure angle) |

Thông thường, độ rơ được phân bổ đều cho hai bánh răng. Tuy nhiên, nếu bánh răng nhỏ (pinion) nhỏ hơn nhiều so với bánh lớn thì thường dồn toàn bộ độ rơ về bánh lớn để giữ độ bền cho pinion.

Lượng vật liệu cần loại bỏ phụ thuộc vào góc áp lực. Với góc 14.5°, hành trình dao bằng đúng độ rơ mong muốn. Với 20°, bằng 0.73 lần độ rơ mong muốn.

Quy tắc kinh nghiệm:

• Độ rơ trung bình: 0.04 / bước răng theo đường kính (diametral pitch)
• Nhỏ nhất: 0.03 / pitch
• Lớn nhất: 0.05 / pitch

Trong hệ mét:

$b_{avg}=0.04*m$

Trong bộ truyền bánh răng, độ rơ cộng dồn. Khi đảo chiều, bánh dẫn sẽ quay một đoạn bằng tổng độ rơ trước khi bánh cuối cùng chuyển động. Ở công suất lớn, điều này gây va đập và có thể làm hỏng răng.

Thiết kế chống độ rơ

Trong nhiều ứng dụng, độ rơ cần được giảm thiểu.

Bộ truyền bánh răng yêu cầu định vị chính xác

Ví dụ điển hình là núm chỉnh radio analog. Một thiết kế phổ biến là chia bánh răng thành hai nửa.

Một nửa cố định với trục, nửa còn lại quay tự do nhưng được tiền tải bằng lò xo (spring). Lò xo ép hai nửa lệch nhau, loại bỏ khe hở → triệt tiêu độ rơ.

Vít me yêu cầu chính xác và truyền lực

Độ rơ cũng quan trọng trong vít me (leadscrew), đặc biệt trong máy công cụ.

Giải pháp:

• Dùng đai ốc tách đôi (split nut) điều chỉnh bằng vít
• Tiền tải hai phía ren để giảm khe hở

Nhược điểm: không thể loại bỏ hoàn toàn, vì siết quá sẽ gây kẹt.

Trong máy CNC:

• Có thể dùng bù phần mềm
• Hoặc dùng vít me bi (ball screw) để gần như triệt tiêu độ rơ

Một số hệ thống dùng cơ cấu frontlash gearbox để tự bù khi đảo chiều.

Độ rơ làm giảm ổn định hệ điều khiển và dễ gây dao động (oscillation).

Độ rơ tối thiểu

Được định nghĩa là độ rơ nhỏ nhất cho phép trên đường tròn chia khi:

• răng lớn nhất ăn khớp với răng lớn nhất
• khoảng cách tâm nhỏ nhất
• trong điều kiện tĩnh

Biến thiên độ rơ là chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong một vòng quay.

Ứng dụng

Độ rơ trong khớp nối bánh răng cho phép lệch góc nhỏ.

Trong hộp số cơ khí không đồng tốc:

• cần độ rơ để các dog clutch ăn khớp khi tốc độ chưa đồng bộ

Trong hộp số đồng tốc:

• cơ cấu synchromesh giải quyết vấn đề này

Trong ứng dụng chính xác (máy CNC, bàn máy):

• độ rơ là không mong muốn
• giảm bằng vít me bi, đai ốc tiền tải, ổ bi tiền tải

Xem thêm

• Hiệu ứng Bauschinger
• Harmonic drive
• Hiện tượng trễ
• Khuếch đại chuyển động
• Thuật ngữ bánh răng