Hộp giảm tốc 3 cấp (hộp số giảm tốc 3 cấp) là hộp số có ba cặp truyền động ăn khớp nối tiếp nhau, mỗi cặp hạ tốc độ một lần. Tỉ số truyền tổng bằng tích tỉ số của ba cấp (i = i1 × i2 × i3), khoảng 40–320 với hộp bánh răng trụ liền khối; còn khi ghép từ nhiều hộp (đầu biến tốc, hộp mini, đầu giảm tốc GHM), tỉ số có thể lên tới hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn lần. Hộp 3 cấp được chọn khi cần tốc độ trục ra rất thấp và mô-men xoắn lớn mà vẫn giữ hiệu suất cao, điển hình trong cầu trục, tời nâng, băng tải tải nặng, máy trộn và máy nghiền.
Trong hộp số, mỗi "cấp" là một cặp bánh răng (hoặc cặp trục vít – bánh vít) ăn khớp với nhau. Hộp 1 cấp chỉ có một cặp, hộp 2 cấp có hai cặp và hộp số 3 cấp có ba cặp. Bánh răng nhỏ của cấp sau được lắp chung trục với bánh răng lớn của cấp trước, nên tốc độ được chia nhỏ dần qua từng cấp còn mô-men được nhân lên.
Công thức cơ bản:
Ví dụ: motor 5,5kW, hộp i = 121, n2 ≈ 12 vòng/phút, η ≈ 0,94: T2 ≈ 9.550 × 5,5 ÷ 12 × 0,94 ≈ 4.110 N.m. Đây là lý do một motor giảm tốc 5,5kW gắn hộp 3 cấp có thể kéo những tải mà motor không hộp số lớn gấp nhiều lần cũng không kéo nổi ở tốc độ thấp.
Nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc 3 cấp
Qua mỗi cấp, tốc độ giảm theo tỉ số của cặp bánh răng đó còn mô-men tăng gần tương ứng (trừ phần tổn hao), nên trục ra của hộp số 3 cấp quay rất chậm nhưng rất khỏe.
Một cặp bánh răng trụ chỉ nên giảm tốc khoảng 3–7 lần. Nếu ép một cặp giảm 50 lần, bánh răng lớn sẽ có đường kính rất lớn, hộp cồng kềnh, răng bánh nhỏ chịu tải quá mức. Chia tỉ số ra nhiều cấp giúp mỗi cặp bánh răng làm việc trong vùng hợp lý, hộp số gọn và bền hơn.
Hộp số 2 cấp gắn motor 3 pha
Hộp số 2 cấp gắn motor 1 pha
| Số cấp | Dải tỉ số thường gặp (bánh răng trụ) | Hiệu suất tham khảo | Phù hợp |
|---|---|---|---|
| 1 cấp | 1,5 – 7 | ~97 – 98% | Giảm tốc nhẹ, tốc độ ra cao |
| 2 cấp | 8 – 60 | ~95 – 96% | Đa số máy công nghiệp |
| 3 cấp liền khối | 40 – 320 | ~92 – 95% | Tốc độ rất thấp, mô-men lớn |
| Ghép nhiều hộp | Hàng nghìn đến hàng chục nghìn | Giảm theo số cấp | Siêu chậm, công suất nhỏ |
Nguyên tắc chọn: nếu tỉ số cần dưới khoảng 40–50, hộp 2 cấp thường kinh tế hơn. Khi tỉ số từ 60 trở lên mà vẫn muốn dùng bánh răng trụ (thay vì hộp giảm tốc trục vít), hộp 3 cấp là lựa chọn hợp lý.
Ba cấp của hộp số giảm tốc 3 cấp có thể nằm chung một vỏ (hộp 3 cấp liền khối như ZQD, hộp bánh răng trụ dòng R) hoặc được ghép từ nhiều hộp rời (ví dụ hộp mini ghép thêm hộp trung gian, hay một đầu biến tốc cơ ghép với hộp 2 cấp).
Cấu tạo bên trong hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục
Video cấu tạo hộp giảm tốc 3 cấp:
Sơ đồ bố trí hộp giảm tốc 3 cấp: khai triển, phân đôi, đồng trục
Phân phối tỉ số truyền giữa 3 cấp: tỉ số tổng thường được chia sao cho cấp nhanh có tỉ số lớn hơn hoặc bằng cấp chậm (i1 ≥ i2 ≥ i3), để các bánh răng lớn có đường kính gần nhau, cùng ngâm dầu hợp lý và hộp có kích thước gọn nhất.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Trục vào và trục ra song song, nằm ngang. Đây là loại dùng nhiều trong hộp số cầu trục và thiết bị nâng hạ. Tỉ số khoảng 60–320, chịu va đập tốt, vỏ chắc chắn.
Video: Hộp giảm tốc 3 cấp bánh răng trụ
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục
Trục ra nằm thẳng hàng với trục vào, gọn, dễ lắp. Các cỡ lớn như R97, R107, R137, R147 có phiên bản 2 cấp và 3 cấp; khi tỉ số lớn, hộp thường được chế tạo 3 cấp trong cùng vỏ.
Video: Hộp giảm tốc R167 tải nặng trục thẳng
Motor giảm tốc 3 cấp mini (ví dụ dòng GS) gồm motor nhỏ gắn liên tiếp 3 hộp số: cấp 1 và cấp 2 là 2 hộp trung gian, mỗi hộp giảm 10 lần; cấp 3 là đầu hộp số giảm tốc mini có tỉ số khoảng 3–200. Tỉ số tổng từ khoảng 300 đến 10 × 10 × 200 = 20.000 lần. Với motor khoảng 1.400 vòng/phút, trục ra từ khoảng 4,7 vòng/phút xuống tới khoảng 0,07 vòng/phút (gần 15 phút mới quay hết 1 vòng). Loại này phù hợp máy quay quảng cáo, bàn xoay trưng bày, thiết bị thí nghiệm, nơi tải nhỏ nhưng cần cực chậm. Muốn quay nhanh hơn, tháo bớt 1 hoặc 2 hộp trung gian.
Hộp giảm tốc 3 cấp mini
Motor gắn liên tiếp 2 đầu biến tốc cơ (cấp 1 và cấp 2), mỗi đầu điều chỉnh giảm tốc khoảng 1,4–7 lần, cuối cùng là đầu giảm tốc GHM chân đế (cấp 3) có tỉ số khoảng 3–200. Tỉ số tổng lớn nhất là 7 × 7 × 200 = 9.800 lần; với motor 1.400 vòng/phút, trục ra có thể chậm tới khoảng 0,14 vòng/phút (khoảng 7 phút mới quay hết 1 vòng), và tốc độ vẫn chỉnh được nhờ hai đầu biến tốc. Muốn quay nhanh hơn, chỉ cần tháo bớt một đầu để còn 2 cấp hoặc 1 cấp.
Hộp giảm tốc 3 cấp GHM ghép đầu giảm tốc
Hộp gồm 2 phần ghép với nhau (xem hình dưới): cấp 1 là đầu biến tốc cơ mặt bích (màu trắng), điều chỉnh giảm tốc khoảng 1,4–7 lần; cấp 2 và cấp 3 là hộp giảm tốc 2 cấp liền khối chân đế (màu xanh), giảm tốc khoảng 7–35 lần. Tỉ số tổng lớn nhất là 7 × 35 = 245 lần, tốc độ trục ra thay đổi trong dải rất rộng, khoảng 4–1.000 vòng/phút. Ngày nay nhiều ứng dụng thay đầu biến tốc cơ bằng bộ điều chỉnh tốc độ motor, nhưng biến tốc cơ vẫn được dùng ở nơi không muốn dùng điện tử.
Hộp giảm tốc 3 cấp điều chỉnh tốc độ
Cấp 1 là cặp bánh răng côn (đổi hướng trục 90°), cấp 2 và cấp 3 là bánh răng trụ. Dùng khi cần trục ra vuông góc với motor nhưng vẫn muốn hiệu suất cao hơn trục vít. Dòng tiêu biểu là DCY: bánh răng tôi cứng và mài răng, tỉ số khoảng 8–50, dùng cho băng tải dài, máy nghiền, thiết bị luyện kim, mỏ; họ tương tự là DBY (2 cấp). Với công suất rất lớn còn có các hộp giảm tốc công nghiệp 3 cấp dạng khối (trục song song hoặc côn – trụ) cho nhà máy xi măng, thép, nhiệt điện. Xem thêm các dòng hộp số vuông góc.
Hộp giảm tốc công nghiệp dạng khối nhiều cấp
Trong ký hiệu ZQD 350, ZQD 400, ZQD 500, ZQD 650, ZQD 850: ZQ là hộp giảm tốc bánh răng trụ dùng cho cầu trục, D chỉ phiên bản 3 cấp, còn con số là tổng khoảng cách trục (mm) – con số càng lớn, hộp càng to và chịu mô-men càng lớn. Các cỡ dùng chung một dãy tỉ số tiêu chuẩn:
| Tỉ số truyền | Tốc độ ra với motor ~1.450 vòng/phút | Tốc độ ra với motor ~1.000 vòng/phút |
|---|---|---|
| 65,54 | ~22 vòng/phút | ~15 vòng/phút |
| 81,7 | ~17,8 vòng/phút | ~12 vòng/phút |
| 92,21 | ~15,7 vòng/phút | ~10,8 vòng/phút |
| 121,1 | ~12 vòng/phút | ~8,3 vòng/phút |
| 141,73 | ~10,2 vòng/phút | ~7 vòng/phút |
| 163,38 | ~8,9 vòng/phút | ~6 vòng/phút |
| 191,22 | ~7,6 vòng/phút | ~5,2 vòng/phút |
| 223,8 | ~6,5 vòng/phút | ~4,5 vòng/phút |
| 243,86 | ~6 vòng/phút | ~4,1 vòng/phút |
| 265,71 | ~5,5 vòng/phút | ~3,8 vòng/phút |
| 291,19 | ~5 vòng/phút | ~3,4 vòng/phút |
| 317,28 | ~4,6 vòng/phút | ~3,2 vòng/phút |
Cỡ lớn như ZQD 850 thường đi với motor 6 cực (~1.000 vòng/phút) nên tốc độ ra thấp hơn các cỡ nhỏ ở cùng tỉ số. Khi đặt hàng ZQD cần thêm hai thông tin hay bị quên: kiểu lắp (vị trí trục vào, trục ra bên trái hay bên phải) và dạng đầu trục ra (trục trơn có then hay đầu răng để ăn khớp trực tiếp với khớp nối răng/tang cuốn).
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục ZQD 350
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục ZQD 400
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục ZQD 500
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục ZQD 650
Hộp giảm tốc 3 cấp cầu trục ZQD 850
Video: Hộp giảm tốc cầu trục ZQ 850 cỡ lớn
ZSY là dòng hộp giảm tốc 3 cấp trục song song, bánh răng nghiêng được tôi cứng và mài răng, dùng nhiều cho băng tải, máy nghiền, máy trộn, thiết bị luyện kim. Cùng họ còn có ZDY (1 cấp) và ZLY (2 cấp). ZSY có tỉ số truyền danh nghĩa khoảng 22,4–100, hiệu suất khoảng 94% trở lên; con số sau ký hiệu (ví dụ ZSY 160, ZSY 250, ZSY 355, ZSY 500) là khoảng cách trục cấp chậm tính bằng mm. So với ZQD cầu trục, ZSY có tỉ số nhỏ hơn nhưng bánh răng răng cứng nên kích thước gọn hơn ở cùng mô-men.
Gồm 3 bộ bánh răng hành tinh (bánh răng mặt trời, các bánh răng hành tinh và vành răng) nối tiếp trong một vỏ hình trụ. Tỉ số truyền mỗi cấp khoảng 3–10, nên 3 cấp đạt khoảng 64–1.000 lần. Hộp rất gọn so với mô-men, trục vào và trục ra đồng trục, dùng nhiều cho máy xây dựng, tời, xe tự hành, và bản chính xác cho servo, robot (độ rơ chỉ vài arcmin).
Trục ra song song nhưng lệch với trục motor, thân hộp dẹt, thường có trục ra cốt âm để lắp thẳng lên trục máy và dùng tay đòn chống xoay. Dòng F có bản 2 cấp và 3 cấp, tỉ số tới vài trăm lần; hay gặp ở băng tải, xích tải, máy rửa, nơi không gian hẹp. Xem thêm hộp giảm tốc cốt âm mặt bích.
Ghép 3 cấp cycloid nối tiếp để đạt tỉ số rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng trăm nghìn lần trong một cụm đồng trục, chịu va đập tốt. Dùng cho máy khuấy cần tốc độ cực chậm, thiết bị xử lý nước, lò sấy quay. Xem thêm hộp số giảm tốc cyclo.
Ghép một hộp bánh răng sơ cấp PC với hai hộp trục vít NMRV (hoặc NMRV đôi) để có 3 cấp, tỉ số tới hàng nghìn lần, trục ra vuông góc và có thể tự hãm. Đổi lại hiệu suất thấp hơn nhiều so với bánh răng trụ, chỉ nên dùng cho tải nhỏ – trung bình, chạy ngắt quãng.
Hộp giảm tốc trục vít NMRV ghép nhiều cấp
Ngoài tỉ số và công suất, hộp giảm tốc 3 cấp còn một số đặc điểm kỹ thuật cần biết trước khi lắp vào máy.
Chiều quay trục ra
Với hộp bánh răng trụ ăn khớp ngoài, mỗi cấp đảo chiều quay một lần. Hộp 2 cấp cho trục ra quay cùng chiều với motor, còn hộp 3 cấp cho trục ra ngược chiều motor. Khi thay hộp 2 cấp bằng hộp 3 cấp trên máy cũ (hoặc ngược lại), cơ cấu sẽ chạy ngược nếu không đảo chiều motor.
Hộp 3 cấp bánh răng trụ không tự hãm
Khác với hộp trục vít tỉ số lớn, hộp bánh răng trụ 3 cấp có hiệu suất cao nên tải treo có thể kéo ngược trục ra quay khi mất điện. Với tời, cơ cấu nâng, cửa nâng, bắt buộc dùng motor giảm tốc có thắng phanh hoặc phanh rời ở trục vào.
Hiệu suất cao hơn trục vít ở cùng tỉ số
Một hộp trục vít 1 cấp tỉ số 1/60 thường chỉ đạt hiệu suất khoảng 50–70%, phần còn lại biến thành nhiệt. Hộp 3 cấp bánh răng trụ cùng tỉ số đạt khoảng 92–95%. Với máy chạy liên tục nhiều giờ, chênh lệch này có thể cho phép giảm một cấp công suất motor và tiết kiệm điện đáng kể.
Độ rơ cộng dồn
Mỗi cặp bánh răng có một khe hở ăn khớp nhỏ. Qua ba cấp, khe hở quy về trục ra lớn hơn hộp 1–2 cấp. Với ứng dụng cần định vị chính xác hoặc đảo chiều liên tục, nên chọn hộp có cấp chính xác cao hoặc cân nhắc hộp hành tinh.
Video: Hộp số servo 3 cấp tỉ số lớn, độ rơ nhỏ cho robot
Giới hạn nhiệt và lực hướng tâm
Hộp chạy liên tục với công suất lớn có thể bị giới hạn bởi khả năng tản nhiệt chứ không phải độ bền bánh răng. Ngoài ra, khi lắp nhông xích, puly trực tiếp lên trục ra, lực hướng tâm phải nằm trong giới hạn của nhà sản xuất; đặt nhông càng xa vỏ hộp, ổ bi trục ra chịu tải càng lớn.
Nhờ tỉ số truyền lớn và mô-men xoắn cao, hộp số 3 cấp cũng như motor giảm tốc 3 cấp (động cơ liền hộp số) được dùng nhiều trong các lĩnh vực sau:
Nếu muốn giải pháp liền khối motor + hộp số, xem các dòng motor giảm tốc tải nặng hoặc motor giảm tốc 3 pha có sẵn bản động cơ giảm tốc 3 cấp tỉ số truyền lớn.
| Tiêu chí | Bánh răng trụ 3 cấp | Trục vít 1–2 cấp | Cyclo | Hành tinh |
|---|---|---|---|---|
| Tỉ số trong một hộp | 40 – 320 | 5 – 100 (2 cấp tới ~3.600) | 6 – 87 (2 cấp tới hàng nghìn) | 3 – 1.000+ |
| Hiệu suất | Cao (~92–95%) | Thấp – trung bình | Cao (~90%) | Cao (~90–95%) |
| Tự hãm | Không | Có thể (tỉ số lớn) | Không | Không |
| Kích thước | Lớn, dài | Gọn, trục vuông góc | Gọn, đồng trục | Rất gọn |
| Chịu va đập | Tốt | Trung bình | Rất tốt | Tốt |
| Ứng dụng điển hình | Cầu trục, băng tải nặng | Máy nhẹ – trung bình | Máy khuấy, nghiền | Robot, servo, tải nặng gọn |
Xem thêm hộp số giảm tốc cyclo và toàn bộ các dòng hộp giảm tốc để so sánh kích thước và tỉ số.
Video: Hộp giảm tốc hành tinh 3 cấp chân đế, mô-men 3000–6000 N.m
Hộp ZSY và hộp ZQD khác nhau thế nào?
Cả hai đều là hộp 3 cấp bánh răng trụ trục song song. ZQD dùng nhiều cho cầu trục với tỉ số khoảng 65–317; ZSY dùng bánh răng tôi cứng, tỉ số khoảng 22,4–100, gọn hơn và hay dùng cho băng tải, máy nghiền, máy trộn.
ZQD 350, ZQD 400… con số nghĩa là gì? Hộp ZQ và ZQD khác nhau thế nào?
Là tổng khoảng cách trục của hộp tính bằng mm. Con số lớn hơn nghĩa là hộp lớn hơn, chịu mô-men và công suất lớn hơn. ZQ (ví dụ ZQ 350, ZQ 400) là dòng 2 cấp với tỉ số khoảng 8–50, còn ZQD là dòng 3 cấp với tỉ số khoảng 65–317, cho tốc độ ra thấp hơn.
Video: Hộp giảm tốc cầu trục ZQ 350 (2 cấp)
Hộp số 3 cấp có khỏe hơn hộp số 2 cấp không? Khi nào nên chọn hộp 3 cấp?
Ở cùng công suất motor, hộp 3 cấp cho tốc độ ra thấp hơn nên mô-men trục ra lớn hơn. Nhưng "khỏe" còn phụ thuộc cỡ hộp: một hộp 2 cấp cỡ lớn có thể chịu mô-men lớn hơn hộp 3 cấp cỡ nhỏ. Nên chọn hộp 3 cấp khi tỉ số cần từ khoảng 60 trở lên với bánh răng trụ, hoặc khi tốc độ trục ra cần dưới khoảng 25 vòng/phút với motor 4 cực.
Hiệu suất hộp giảm tốc 3 cấp là bao nhiêu, có tốn điện hơn hộp trục vít không?
Hộp bánh răng trụ 3 cấp thường đạt khoảng 92–95%, tức mỗi cấp tổn hao khoảng 2–3%. Ở cùng tỉ số lớn, hộp trục vít tốn điện hơn rõ rệt do hiệu suất thấp. Hộp 3 cấp bánh răng trụ tiết kiệm điện hơn khi chạy liên tục.
Có thể tự ghép 3 hộp giảm tốc để được hộp 3 cấp không?
Được với hộp mini và tải nhỏ, nhưng phải kiểm tra mô-men cho phép của hộp cuối cùng, vì mô-men ở hộp cuối đã được nhân lên rất lớn. Hộp cuối thường là nơi hỏng đầu tiên khi ghép tùy tiện.
Hộp 3 cấp có ồn hơn hộp 1–2 cấp không?
Có nhiều cặp bánh răng hơn nhưng tiếng ồn chủ yếu đến từ cấp đầu quay nhanh. Hộp dùng bánh răng nghiêng ở cấp đầu, mài răng tốt thì độ ồn tương đương hộp 2 cấp cùng cỡ.
Hộp 3 cấp có lắp đứng được không?
Tùy dòng. Hộp cầu trục ZQD thiết kế cho lắp nằm ngang; nhiều hộp bánh răng trụ dòng R lắp được nhiều tư thế nhưng lượng dầu và vị trí thông hơi thay đổi theo tư thế, cần báo trước khi đặt hàng.
Hộp 3 cấp có dùng với biến tần được không?
Được. Biến tần giúp tinh chỉnh tốc độ trong một dải quanh tốc độ định mức. Khi chạy motor ở tần số thấp kéo dài, cần chú ý khả năng làm mát của motor.
Hộp giảm tốc 3 cấp có dùng cho tời kéo được không?
Được và rất phổ biến, nhưng phải có phanh ở trục vào và kiểm tra lực hướng tâm nếu tang cuốn lắp trực tiếp trên trục ra.
Tốc độ ra thấp nhất của hộp 3 cấp là bao nhiêu?
Hộp bánh răng trụ 3 cấp liền khối thường xuống khoảng 3–5 vòng/phút. Muốn chậm hơn nữa cần ghép thêm hộp hoặc dùng loại ghép hộp mini.
Hộp 3 cấp nặng bao nhiêu?
Phụ thuộc cỡ: hộp ghép mini chỉ vài kg, trong khi hộp cầu trục ZQD cỡ lớn có thể nặng hàng trăm kg đến hàng tấn. Cần tính đến khung đỡ và cách cẩu lắp khi chọn cỡ.
Nên chọn motor mấy cực cho hộp 3 cấp?
Phổ biến nhất là motor 4 cực (~1.450 vòng/phút). Với hộp rất lớn hoặc cần tốc độ ra thấp hơn, có thể dùng motor 6 cực (~1.000 vòng/phút).
Hộp 3 cấp có chịu được quá tải khởi động không?
Hộp bánh răng trụ chịu được quá tải ngắn hạn khi khởi động, nhưng với tải quán tính lớn (băng tải dài, máy nghiền) nên dùng khởi động mềm hoặc biến tần để giảm sốc lên bánh răng cấp cuối.
Đổi tỉ số hộp 3 cấp có được không?
Hộp liền khối chỉ đổi được bằng cách thay cặp bánh răng theo bộ tỉ số của nhà sản xuất. Với hộp ghép, có thể bớt hoặc thay một hộp để đổi tỉ số nhanh.
Hộp giảm tốc 3 cấp là lựa chọn phù hợp khi máy cần tốc độ trục ra thấp, mô-men lớn và chạy bền, tiết kiệm điện hơn hộp trục vít ở cùng tỉ số. Khi chọn, hãy đi từ tốc độ ra và mô-men tải, nhân hệ số làm việc, rồi kiểm tra chiều quay, phanh, lực hướng tâm và kiểu lắp để hộp số làm việc ổn định lâu dài.
