Tìm hiểu về Trục cơ khí: Các loại, vật liệu và ứng dụng

Trục là một trong những thành phần cơ bản của thiết kế cơ khí, đóng vai trò là thành phần cơ sở hạ tầng cơ bản trong nhiều loại máy móc. Có hiểu biết cốt lõi về mục đích, loại và ứng dụng của chúng là điều bắt buộc đối với các kỹ sư trong thiết kế và sản xuất.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào chủ đề này, thảo luận về trục cơ khí, các loại trục và vật liệu của chúng.

Trục là gì?

Định nghĩa đơn giản về trục là chúng là các thành phần cơ học thiết yếu có mục đích chính là truyền lực và chuyển động giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống trong khi vẫn duy trì giao diện chắc chắn, bền và an toàn.

Trong hầu hết các trường hợp, trục có mặt cắt ngang hình tròn hoặc hình khuyên được đùn ra đến một độ dài nhất định. Do đó, hình dạng hình học của chúng là hình trụ. Thông thường, cũng có các cấu trúc lắp ở các đầu để cho phép lắp ráp với các thành phần cơ khí khác thông qua các chốt thích hợp.

Trục, mặc dù có vẻ cơ bản về mặt thiết kế, nhưng lại khá phức tạp, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như thiết kế, truyền nhiệt, phân tích ứng suất và sản xuất.

Các loại trục

Một trục cơ học, mặc dù có cùng mục đích cốt lõi, có nhiều loại. Có nhiều loại trục khác nhau về đặc điểm thiết kế, chất lượng chịu tải và ứng dụng.

Trong các phần sau, chúng ta sẽ thảo luận về một số loại trục thông thường.

Trục truyền động

Trục truyền động truyền lực giữa các thành phần trong hệ thống cơ khí. Các hệ thống này bao gồm động cơ, hộp số, cụm truyền động,.... Thông thường, trục truyền động truyền chuyển động quay và mô-men xoắn từ bộ phận này sang bộ phận khác của máy.

Ví dụ, trong hộp số ô tô, nhiều trục truyền động truyền công suất đầu vào từ nguồn điện đến các thiết bị khác nhau. Bằng cách sử dụng tỷ số truyền chính xác, mô-men xoắn và tốc độ đầu vào được chuyển đổi thành các giá trị mong muốn.

Trục máy

Trục máy có mặt ở khắp mọi nơi trong các thiết bị cơ khí. Về cơ bản, trục máy là thuật ngữ chung cho trục cơ khí đa năng. Chúng rất giống với trục truyền động nhưng có mục đích bổ sung là thành phần cấu trúc và chức năng tích hợp của máy.

Tùy thuộc vào ứng dụng, trục máy có thể có các đặc điểm thiết kế như rãnh then, ren hoặc khía.

Ví dụ, trục động cơ như trục khuỷu hoặc trục cam có một số đặc điểm như đối trọng, cam và kênh làm mát cho phép chúng không chỉ truyền mô-men xoắn mà còn thực hiện các chức năng quan trọng khác trong động cơ.

Trục mềm

Trục mềm hữu ích cho các ứng dụng mà trục cứng không thực tế hoặc không thể sử dụng. Điều này có thể là do hạn chế về không gian hoặc chuyển động. Tính linh hoạt của chúng đến từ cấu trúc độc đáo của chúng với các dây kim loại cuộn hoặc bện, giống như một sợi dây thừng. Nhờ cấu trúc này, trục cơ học mềm có thể uốn cong và xoắn mà không mất khả năng truyền chuyển động quay.

Trục quay

Đây là trục ô tô hỗ trợ và dẫn động các bánh xe thành phần quan trọng. Chúng truyền lực từ động cơ đến bánh xe đồng thời chịu trọng lượng của xe. Do đó, chúng phải chịu các điều kiện tải trọng lớn, đòi hỏi chúng phải có độ bền cao và chịu được lực uốn.

Trục cánh quạt (chân vịt)

Trục chân vịt là trục truyền động chuyên dụng có mục đích duy nhất là truyền lực quay đến chân vịt, chủ yếu trong các ứng dụng hàng hải như tàu thuyền.

Tương tự như trục động cơ, chúng kết nối động cơ với một cánh quạt, sau đó các cánh quạt này tạo ra lực đẩy để đẩy thân máy bay qua chất lỏng (thường là không khí hoặc nước). Trục cánh quạt có các yêu cầu đặc biệt như khả năng chống ăn mòn, độ ổn định động cao do rung động của cánh quạt và độ bền xoắn và uốn cao.

Trục ngắn

Chủ yếu đóng vai trò là thiết bị giao diện trong các thiết bị cơ khí hơn là các thành phần chịu tải. Nhìn chung, chúng được sử dụng trong hộp số. Một trục ngắn thường có đủ vật liệu để nó kéo dài một chút từ trục hoặc vỏ lớn hơn. Đầu tự do, dạng công xôn của nó có các rãnh hoặc rãnh then để gắn các thành phần ghép nối khác để truyền lực.

Vật liệu phổ biến để sản xuất trục

Khi nói đến việc lựa chọn vật liệu trục, có một phạm vi thậm chí còn rộng hơn cả các loại trục. Lựa chọn đúng đắn phụ thuộc vào mục tiêu thiết kế, ứng dụng và ngân sách. Thảo luận sau đây nêu bật một số vật liệu phổ biến để sản xuất trục.

Vật liệu	Tính chất
Thép Cacbon	Độ bền và độ cứng cao
	Khả năng chống mỏi vừa phải
	Khả năng gia công tuyệt vời
Thép không gỉ	Độ bền kéo và độ bền mỏi cao
	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời
	Khả năng gia công vừa phải
Nhôm	Nhẹ
	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời
	Dễ gia công
Titan	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng rất cao
	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời
	Khó cắt
Nhựa	Nhẹ nhưng độ bền thấp
	Có sẵn nhiều màu sắc khác nhau
	Chi phí thấp đến trung bình
Gỗ	Rất nhẹ
	Sức mạnh thấp
	Sự suy thoái dễ bị tổn thương
Hợp Kim	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao
	Khả năng chịu áp lực tuyệt vời
	Rất đắt

Các loại ứng suất trong trục cơ khí

Một trục cơ học thường phải chịu nhiều dạng tải trọng cơ học trong quá trình vận hành. Do đó, trục chịu nhiều loại ứng suất cơ học khác nhau. Điều quan trọng là phải hiểu điều này đối với một nhà thiết kế vì thông tin này rất quan trọng trong việc xác định kích thước, vật liệu và kỹ thuật sản xuất của trục.

Ứng suất cắt

Ứng suất cắt phát triển trong trục do tải xoắn, cố gắng trượt một phần của mặt cắt theo một hướng và phần còn lại theo hướng ngược lại, như được thấy trong hình. Vì mục đích chính của trục là truyền mô-men xoắn, nên việc thiết kế chúng để chịu được ứng suất cắt tiếp theo là ưu tiên hàng đầu.

Đối với điều kiện tải xoắn, ứng suất cắt được tính như sau:

Trong Đó

• τ = Ứng suất cắt (N/m²)
• T = Mô-men xoắn (Nm)
• r = Khoảng cách từ điểm chịu lực đến tâm (m)
• J = Mômen quán tính cực (m⁴)

Ứng suất uốn

Ứng suất uốn rất quan trọng trong trục cơ học vì trục có xu hướng uốn cong dưới tải trọng và trọng lực. Thông thường, khi trục dài hơn, nó dễ bị uốn cong hơn và cần được chăm sóc nhiều hơn để ngăn ngừa bất kỳ hư hỏng nào liên quan đến uốn cong.

Chúng tạo ra cả ứng suất kéo và nén trong vật liệu trục, cũng theo chu kỳ nếu trục quay. Ứng suất uốn cao nhất ở các điểm ngoài cùng của trục, nhỏ dần khi gần đến tâm.

Công thức ứng suất uốn trục:

Trong Đó

• σ uốn cong​ = Ứng suất uốn (N/m²)
• M = Mô men uốn (N·m)
• y = Khoảng cách từ điểm chịu lực đến trục trung hòa (m)
• I = Mômen quán tính (m⁴)

Ứng suất trục

Trong nhiều trường hợp, trục cũng chịu tải trọng trục, dưới dạng kéo (kéo) hoặc đẩy (nén). Ví dụ phổ biến nhất là trục chính của trung tâm gia công CNC, nơi lực cắt tác động theo cả hướng xuyên tâm và hướng trục.

Ứng suất trục thường ít được quan tâm hơn ứng suất hướng tâm vì trục mạnh hơn theo hướng trục của chúng. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải xem xét khi lực trục cao hoặc độ giãn dài trục quan trọng.

Để tính ứng suất dọc trục, công thức sau đây rất hữu ích:

Trong Đó

• σ trục   = Ứng suất dọc trục (N/m2)
• F = Lực dọc trục (N)
• A = Diện tích mặt cắt ngang của trục (m²)

Căng thẳng nhiệt

Trục hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, nơi nhiệt độ có thể cao hơn đáng kể so với điều kiện môi trường xung quanh. Trong một số trường hợp, nhiệt độ trục có thể tăng đến mức gây ra sự giãn nở nhiệt đáng kể hoặc làm mềm nhiệt.

Một ví dụ điển hình về điều này là trong các máy CNC. Trục chính rất gần với các nguồn nhiệt như ổ trục, tạo ra đủ nhiệt để khiến trục giãn nở thêm vài micron. Về mặt gia công CNC, nơi độ chính xác theo thứ tự µm, điều này rất quan trọng.

Để tính ứng suất nhiệt trong trục cơ học, các kỹ sư sử dụng phương trình sau:

• σ nhiệt = Ứng suất nhiệt (N/m²)
• E = Mô đun Young của vật liệu (N/m²)
• α = Hệ số giãn nở nhiệt (1/°C)
• ΔT = Thay đổi nhiệt độ (°C)

Rõ ràng là ứng suất nhiệt tăng tuyến tính theo nhiệt độ và mô đun Young, điều này làm nổi bật tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu trục cho các ứng dụng khác nhau.

Ứng suất mỏi

Ứng suất mỏi xảy ra trong trục cơ học do tải trọng tuần hoàn (tải trọng dao động theo thời gian). Chu kỳ tải/dỡ tải liên tục, lặp đi lặp lại làm cho vật liệu yếu đi trong thời gian dài, làm tăng nguy cơ hỏng hóc như nứt.

Mặc dù không có công thức một lần để định lượng ứng suất mỏi trong trục, nhưng có một số cách để thể hiện nó để đánh giá hiệu suất. Các kỹ sư sử dụng các khái niệm như giới hạn độ bền ứng suất, ứng suất trung bình trong một chu kỳ tải và số chu kỳ đến khi hỏng (đường cong SN) để đánh giá và so sánh khả năng chống mỏi.

Rung động

Rung động là một hiện tượng không thể tránh khỏi trong các thiết bị cơ khí. Trong một trục cơ khí, có một số nguồn rung động. Rung động là không mong muốn vì chúng làm trục biến dạng và do đó, tạo ra ứng suất. Ví dụ, trong trường hợp rung lắc khi gia công, đôi khi trục rung quá nhiều đến mức ứng suất kết quả làm hỏng vĩnh viễn trục chính.

Một số nguồn rung động phổ biến trong trục bao gồm:

• Nội bộ: Mất cân bằng khối lượng
• Thiết bị lắp đặt: Vòng bi, khớp nối
• Bên ngoài: Lực cắt trong máy CNC
• Không tự nguyện: Gờ đường

Đây là một khái niệm phức tạp, nhưng nói một cách đơn giản, một hệ thống cơ học thể hiện các rung động và hành vi khác nhau ở các tần số khác nhau. Ở một số tần số cơ bản, phản ứng rung động của trục cơ học có thể rất cao (còn được gọi là cộng hưởng).

Để tránh các vấn đề, các kỹ sư nên thiết kế trục theo cách mà các tần số cơ bản như vậy nằm ngoài phạm vi tần số hoạt động. Ví dụ, nếu trục động cơ được cho là quay ở tốc độ lên đến 5000 RPM, thì các tần số cơ bản của nó lý tưởng nhất là ở mức tần số cao hơn là 6000 RPM trở lên.

Những cân nhắc về thiết kế và sản xuất cho trục tùy chỉnh

Có nhiều cách mà trục cơ học có thể không hoạt động như mong đợi. Để tránh những trường hợp như vậy, có một số biện pháp tốt mà các chuyên gia thiết kế và sản xuất tuân theo để đảm bảo khả năng hỏng hóc ở mức tối thiểu.

Đo lường

Ở mức cơ bản, một trục có kích thước không chính xác có thể không lắp ráp được với các thành phần khác. Ví dụ, một trục quá khổ sẽ không vừa với các thành phần khác như bánh răng hoặc ống lót, có khả năng làm hỏng chúng.

Kích thước cũng liên quan trực tiếp đến trọng lượng của trục. Đường kính và chiều dài lớn hơn, và lỗ nhỏ hơn, làm tăng khối lượng của trục và ngược lại. Một trong những lý do cần cẩn thận với kích thước là giảm khối lượng để tránh trọng lượng lắp ráp không cần thiết, chi phí vật liệu và quán tính quay.

Ở cấp độ kỹ thuật hơn, như đã thảo luận trước đó, một kích thước kém có thể không chịu được tải trọng trong môi trường hoạt động của nó và hỏng sớm. Hãy tưởng tượng một trục động cơ có đường kính nhỏ. Do thiếu độ bền, nó sẽ uốn cong hoặc gãy dưới tải trọng cơ học.

Dung sai

Vì tất cả các loại trục đều là các bộ phận của một cụm lớn hơn, nên việc xác định dung sai chính xác trong bản vẽ kỹ thuật là một yếu tố quan trọng. Một cụm hiệu quả giữa trục và các thành phần như trục, ổ trục, ống lót, v.v. phụ thuộc rất nhiều vào dung sai.

Về vấn đề này, có một số quy tắc cần tuân theo. Ví dụ, kỹ sư thiết kế phải biết về dung sai cơ sở trục và lỗ, các lớp dung sai (giao thoa, chuyển tiếp và khe hở) và sự phụ thuộc của vật liệu.

Dung sai không phù hợp có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng như hỏng linh kiện, hiệu suất cơ học thấp, vấn đề an toàn và chi phí bảo trì cao.

Hình dạng

Hình dạng của trục cơ học đề cập đến các đặc tính như độ trụ, độ đồng trục và độ lệch tâm. Một trục phải càng gần với một hình trụ hoàn hảo càng tốt, nếu không, nó sẽ có sự phân bố khối lượng không đều quanh trục của nó, điều này có thể làm hỏng các thành phần như ổ trục và làm giảm hiệu suất. Tương tự như vậy, nếu một trục có các đặc điểm khác nhau với đường kính thay đổi, tất cả chúng phải đồng trục để tránh các vấn đề tương tự.

Hơn nữa, dung sai hình dạng kém cũng có thể cản trở quy trình lắp ráp. Ví dụ, trục có trục cong/cong có thể không vừa bên trong ống lót mặc dù có kích thước chính xác.

Trong hầu hết các trường hợp, các kỹ sư sử dụng hệ thống Dung sai và Kích thước Hình học (GD&T) phổ quát để xác định dung sai về kích thước và hình dạng của thiết kế trục.

Hoàn thiện bề mặt

Bề mặt hoàn thiện là một cân nhắc khác đối với sản xuất trục cơ khí. Yếu tố quan trọng nhất là lực ma sát giữa trục và các thành phần ghép nối. Nếu bề mặt gồ ghề, sẽ có lực ma sát cao tại giao diện ghép nối, có thể gây ra áp suất lắp không đều, hư hỏng và mài mòn.

Do đó, tùy thuộc vào loại khớp nối và khớp nối, các nhà thiết kế thường xác định mức độ hoàn thiện bề mặt phù hợp cho nhà sản xuất. Hơn nữa, có bề mặt hoàn thiện nhẵn cũng hỗ trợ các vấn đề khác như khả năng chống mỏi, tập trung ứng suất vi mô và độ dẫn nhiệt.

Cân bằng

Trục truyền lực quay. Vì chúng quay trong quá trình này, nên cân bằng khối lượng là vấn đề quan trọng. Nếu trục cơ học mất cân bằng khối lượng, nó sẽ thêm tải mất cân bằng vào các thành phần chịu tải như ổ trục, làm giảm hiệu suất cơ học và tăng khả năng hỏng hóc.

Hơn nữa, tác động của lực mất cân bằng tăng theo tốc độ, do đó vấn đề trở nên quan trọng hơn trong các ứng dụng tốc độ cao như máy CNC. Lấy trục động cơ làm ví dụ; nó được cân bằng tinh vi với các đối trọng để tối đa hóa hiệu suất và độ ổn định của động cơ ô tô ở tốc độ hàng nghìn vòng/phút.

Nhìn chung, cân bằng là quá trình sản xuất cuối cùng mà trục trải qua trước khi thử nghiệm cơ học. Các nhà sản xuất sử dụng các kỹ thuật như mài trụ và vòng cân bằng để đảm bảo phân bổ khối lượng xung quanh trục của trục là đồng đều.