Hộp Giảm Tốc Harmonic: Cấu Tạo, Nguyên Lý, Thông Số CSF, SHF Và Cách Chọn
Hộp giảm tốc harmonic là bộ truyền bánh răng sóng biến dạng, dùng một bánh răng thành mỏng có thể uốn đàn hồi để tạo ra tỉ số truyền rất lớn chỉ trong một cấp, gần như không có độ rơ. Nhờ kích thước gọn, trọng lượng nhẹ và độ chính xác tính bằng phút góc, hộp giảm tốc harmonic là lựa chọn quen thuộc ở khớp robot, bàn xoay CNC, cơ cấu định vị quang học và thiết bị bán dẫn. Bài viết đi từ cấu tạo, nguyên lý, ý nghĩa ký hiệu CSF, SHF đến bảng mô-men xoắn, kích thước từng cỡ 14, 17, 20, 25, 32, cách tính chọn cỡ hộp, những lưu ý khi lắp ráp và các lỗi thực tế hay gặp, giúp người thiết kế máy và người lắp đặt chọn đúng ngay từ đầu.
Nội dung
- 1. Hộp giảm tốc harmonic là gì?
- 2. Cấu tạo hộp giảm tốc harmonic
- 3. Nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc harmonic
- 4. Ưu điểm và hạn chế của hộp giảm tốc harmonic
- 5. Phân loại và cách đọc mã hộp giảm tốc harmonic
- 6. Thông số kỹ thuật các dòng hộp giảm tốc harmonic
- 7. Bảng mô-men xoắn, tốc độ và độ chính xác hộp giảm tốc harmonic
- 8. Cách tính chọn hộp giảm tốc harmonic
- 9. Lắp đặt hộp giảm tốc harmonic đúng kỹ thuật
- 10. Ứng dụng của hộp giảm tốc harmonic
- 11. So sánh hộp giảm tốc harmonic với hộp hành tinh, RV, trục vít
- 12. Dấu hiệu hỏng và lỗi thường gặp ở hộp giảm tốc harmonic
- 13. Câu hỏi thường gặp về hộp giảm tốc harmonic
1. Hộp giảm tốc harmonic là gì?
Hộp giảm tốc harmonic (còn gọi là hộp số harmonic, hộp giảm tốc sóng biến dạng, strain wave gear hay bộ truyền bánh răng sóng) là loại hộp giảm tốc truyền chuyển động bằng cách điều khiển biến dạng đàn hồi của một chi tiết kim loại thành mỏng. Nguyên lý này được C.W. Musser, một nhà phát minh người Mỹ, đăng ký sáng chế năm 1957 và đã thay đổi cách nhìn truyền thống về truyền động bánh răng: thay vì hai bánh răng cứng ăn khớp với nhau tại một điểm, bộ truyền harmonic cho hàng chục cặp răng ăn khớp đồng thời ở hai vùng đối xứng.
Điểm khác biệt lớn nhất so với hộp giảm tốc bánh răng thông thường là tỉ số truyền một cấp có thể đạt từ 30 đến 500, trong khi trục vào và trục ra nằm đồng tâm, thân hộp mỏng như một chiếc vòng bi lớn. Với cùng mô-men xoắn đầu ra, hộp harmonic nhẹ và ngắn hơn đáng kể so với hộp bánh răng hành tinh nhiều cấp, nên được xếp vào nhóm hộp giảm tốc chính xác dùng cho tự động hóa.
2. Cấu tạo hộp giảm tốc harmonic
Một bộ truyền harmonic chỉ gồm ba chi tiết cơ bản, đây cũng là lý do sản phẩm đáp ứng tốt yêu cầu thu nhỏ và giảm trọng lượng.
- Bộ tạo sóng (wave generator): gồm một cam hình elip và một vòng bi thành mỏng đặc biệt lắp ép lên cam. Vòng trong của vòng bi căng theo biên dạng elip, vòng ngoài biến dạng đàn hồi theo nhờ các viên bi. Bộ tạo sóng thường lắp trên trục vào, nối với trục động cơ.
- Bánh răng mềm (flexspline): chi tiết thép thành mỏng dạng cốc hoặc dạng mũ, răng ngoài được cán ở miệng hở, phần đáy là màng (diaphragm). Bánh răng mềm thường nối với trục ra.
- Vành răng cứng (circular spline): vành thép cứng có răng trong, thường nhiều hơn bánh răng mềm 2 răng, thường được bắt cố định vào vỏ máy.
Ở các bộ dạng hoàn chỉnh (unit), nhà sản xuất tích hợp thêm vòng bi đỡ chéo (cross roller bearing) ở đầu ra, phớt chặn mỡ, vòng bi trục vào và mặt bích lắp ghép, nên người dùng chỉ cần bắt vít là chạy. Ở dạng chi tiết rời (component), người thiết kế phải tự làm vỏ, gối đỡ và tự lo độ đồng tâm.
3. Nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc harmonic
Khi bộ tạo sóng được lắp vào trong bánh răng mềm, nó ép bánh răng mềm biến dạng thành hình elip. Tại vùng trục dài của elip, răng bánh răng mềm cài sâu vào rãnh răng của vành răng cứng ở trạng thái ăn khớp hoàn toàn; tại vùng trục ngắn, răng hai bánh tách rời hẳn. Giữa hai vùng này là trạng thái đang vào khớp và đang ra khớp.
- Cố định vành răng cứng, cho bộ tạo sóng quay thuận chiều kim đồng hồ: bánh răng mềm biến dạng liên tục, điểm ăn khớp dịch chuyển dần theo vòng tròn.
- Bộ tạo sóng quay 180°: bánh răng mềm quay ngược chiều đúng một bước răng.
- Bộ tạo sóng quay đủ 360°: bánh răng mềm quay ngược chiều 2 bước răng, vì nó ít hơn vành răng cứng 2 răng. Chuyển động chậm này được lấy làm đầu ra.
Từ đó tỉ số truyền được tính rất đơn giản: i = Zmềm / (Zcứng − Zmềm). Ví dụ bánh răng mềm 200 răng, vành răng cứng 202 răng thì i = 200 / 2 = 100, tức bộ tạo sóng quay 100 vòng thì trục ra quay 1 vòng, theo chiều ngược lại.
Bộ truyền harmonic về lý thuyết cũng có thể dùng làm bộ tăng tốc, nhưng thực tế hầu như chỉ dùng để giảm tốc với bộ tạo sóng là đầu vào chủ động. Có hai cách lấy đầu ra:
- Cố định vành răng cứng, lấy ra ở bánh răng mềm (qua màng đáy): trục ra quay ngược chiều trục vào, tỉ số bằng i.
- Cố định màng đáy bánh răng mềm, lấy ra ở vành răng cứng: trục ra quay cùng chiều trục vào, tỉ số bằng i + 1 (ví dụ bộ 100 trở thành 101).
Chi tiết chiều quay này rất hay bị bỏ qua khi thay hộp trên robot hoặc bàn xoay: lắp đúng cỡ, đúng tỉ số nhưng nếu đổi cách cố định thì phần mềm điều khiển phải đảo chiều và sửa lại hệ số tỉ số truyền.
4. Ưu điểm và hạn chế của hộp giảm tốc harmonic
Ưu điểm
- Độ chính xác cao: nhiều răng ăn khớp đồng thời ở hai vị trí lệch nhau 180°, sai số bước răng và sai số bước răng tích lũy được san đều, nên độ chính xác truyền động chỉ khoảng 1,2–1,8 phút góc.
- Tỉ số truyền lớn trong một cấp: 30 đến 500, phổ biến 50, 80, 100, 120, 160.
- Chịu tải tốt so với kích thước: diện tích ăn khớp lớn, số răng cùng chịu lực nhiều nên tải trên mỗi răng nhỏ, tổng mô-men lại lớn.
- Nhỏ gọn, nhẹ: thể tích và trọng lượng giảm mạnh so với hộp bánh răng thường cùng tỉ số; cỡ 14 chỉ khoảng 0,4–0,7 kg.
- Hiệu suất truyền động 70–85%, chạy êm, không va đập, tiếng ồn thấp.
- Trục vào, trục ra đồng tâm, có loại trục rỗng cho luồn cáp, ống khí, trục khác xuyên qua.
Hạn chế cần biết trước khi chọn
- Độ cứng xoắn thấp hơn hộp RV/cycloid cùng cỡ, đặc biệt ở vùng mô-men nhỏ gần 0; với tải quán tính lớn cần tính kỹ tần số dao động riêng.
- Bánh răng mềm làm việc theo chu kỳ uốn, nếu quá tải lặp lại hoặc lắp lệch tâm sẽ mỏi và nứt; tuổi thọ phụ thuộc mạnh vào mô-men trung bình.
- Hiệu suất giảm khi tỉ số cao, tốc độ vào cao hoặc nhiệt độ thấp (mỡ đặc lại), nên hộp ít khi tự hãm và cũng không nên trông vào nó để giữ tải: trục đứng mang tải cần phanh motor.
- Không phù hợp tải va đập mạnh liên tục như máy nghiền, băng tải nặng; các ứng dụng đó nên dùng hộp giảm tốc cyclo hoặc hộp bánh răng công nghiệp.
5. Phân loại và cách đọc mã hộp giảm tốc harmonic
Hộp giảm tốc harmonic được phân loại theo hình dạng bánh răng mềm, theo cấp mô-men và theo kiểu kết cấu lắp ráp. Các mã thông dụng trên thị trường gồm CSF, CSG, CSD (dạng cốc) và SHF, SHG, SHD (dạng mũ), đi kèm hậu tố kết cấu như 2UH, 2UJ, 2SO, 2SH.
Ví dụ mã đầy đủ: SHF-32-120-2UH
- SHF: kiểu bánh răng mềm. SHF là dạng mũ tiêu chuẩn, SHG dạng mũ mô-men cao, SHD dạng mũ ống ngắn siêu dẹt; CSF dạng cốc tiêu chuẩn, CSG dạng cốc mô-men cao, CSD dạng cốc siêu dẹt.
- 32: cỡ hộp. Các cỡ gồm 14, 17, 20, 25, 32; nhân giá trị này với 2,54 sẽ xấp xỉ đường kính vòng chia bánh răng (mm). Cỡ 32 tương ứng khoảng 81 mm.
- 120: tỉ số truyền, có 50, 80, 100, 120 (một số dòng có thêm 160).
- 2UH: kết cấu. 2UH là bộ hoàn chỉnh tiêu chuẩn, 2UJ bộ hoàn chỉnh có trục vào đặc, 2UF bộ hoàn chỉnh trục rỗng dẹt, 2SO bộ bán hoàn chỉnh dạng dẹt, 2SH bộ bán hoàn chỉnh trục rỗng dẹt.
Dạng cốc và dạng mũ khác nhau thế nào? Bánh răng mềm dạng cốc (CS…) có đáy kín, mặt bích ra nằm bên trong, phù hợp khi cần trục vào xuyên vào giữa và dùng khớp nối Oldham tự lệch tâm. Bánh răng mềm dạng mũ (SH…) có vành loe ra ngoài, lòng trong rộng nên cho phép làm trục rỗng đường kính lớn để luồn dây điện, ống khí của robot đi xuyên tâm khớp.
Dải mô-men định mức theo dòng: dòng tiêu chuẩn CSF, SHF khoảng 5,4–137 N·m; dòng mô-men cao CSG, SHG khoảng 7–178 N·m; dòng siêu dẹt CSD, SHD khoảng 3,7–96 N·m, tùy cỡ và tỉ số.
6. Thông số kỹ thuật các dòng hộp giảm tốc harmonic
Năm dòng kết cấu CSF-2UH, SHF-2UH, SHF-2UJ, SHF-2SO, SHF-2SH dùng chung bộ răng tiêu chuẩn nên có cùng mô-men định mức, tốc độ cho phép và độ chính xác ở mỗi cỡ; khác nhau chủ yếu ở hình dạng, kích thước lắp và cách nối trục. Bảng mô-men chung xem ở mục 7.
a. Hộp giảm tốc harmonic CSF-2UH (dạng cốc tiêu chuẩn)
Bánh răng mềm dạng cốc tiêu chuẩn, trục vào lắp vào lỗ bộ tạo sóng qua khớp nối chữ thập Oldham và then bằng, nhờ đó có khả năng tự định tâm nhất định, giảm yêu cầu gia công vỏ. Bộ tạo sóng được đóng gói riêng khi giao hàng; cỡ 14 và 17 có moay-ơ bộ tạo sóng không rãnh then.
- Đường kính ngoài ΦA, chiều dài lắp B, lỗ bộ tạo sóng ΦU, trọng lượng xem bảng dưới; kích thước B, D, t, u là vị trí dọc trục của ba chi tiết, phải giữ đúng dung sai.
| Cỡ hộp | Đường kính ngoài ΦA (mm) | Chiều dài B (mm) | Lỗ trục vào ΦU (mm) | Trọng lượng (kg) |
|---|---|---|---|---|
| CSF-14-2UH | 73 | 41 | 6 | 0,52 |
| CSF-17-2UH | 79 | 45 | 8 | 0,68 |
| CSF-20-2UH | 93 | 45,5 | 12 | 0,98 |
| CSF-25-2UH | 107 | 52 | 14 | 1,5 |
| CSF-32-2UH | 138 | 62 | 14 | 3,2 |
b. Hộp giảm tốc harmonic SHF-2UH (dạng mũ, trục rỗng)
Bánh răng mềm dạng mũ có vành loe, cam bộ tạo sóng là trục rỗng đường kính lớn gia công liền khối trên máy CNC, bên trong có vòng bi đỡ, kết cấu kín hoàn toàn. Bộ đã được lắp chính xác tại nhà máy, người dùng lắp vào là chạy, độ cứng vững tốt. Đây là kiểu được chọn nhiều nhất cho khớp robot cần luồn cáp, luồn trục qua tâm.
- Lỗ rỗng xuyên tâm ΦF từ 14 mm (cỡ 14) đến 36 mm (cỡ 32); vòng bi trục vào từ 6804ZZ đến 6809ZZ.
| Cỡ hộp | Đường kính ngoài ΦD (mm) | Chiều dài G (mm) | Lỗ rỗng ΦF (mm) | Trọng lượng (kg) |
|---|---|---|---|---|
| SHF-14-2UH | 74 | 52,5 | 14 | 0,71 |
| SHF-17-2UH | 84 | 56,5 | 19 | 1,00 |
| SHF-20-2UH | 95 | 51,5 | 21 | 1,38 |
| SHF-25-2UH | 115 | 55,5 | 29 | 2,1 |
| SHF-32-2UH | 147 | 65,5 | 36 | 4,5 |
c. Hộp giảm tốc harmonic SHF-2UJ (trục vào đặc)
Cùng bánh răng mềm dạng mũ và vỏ kín như 2UH, nhưng cam bộ tạo sóng gắn trên trục vào đặc nhô ra ngoài. Kiểu này thuận tiện khi đầu vào phải lắp bánh răng côn, puly đai răng hoặc khi motor đặt lệch trục, song song bên cạnh hộp.
- Trục vào ΦE từ 6 mm (cỡ 14) đến 14 mm (cỡ 25, 32), cỡ 20 trở lên có rãnh then.
| Cỡ hộp | Đường kính ngoài ΦD (mm) | Chiều dài F (mm) | Trục vào ΦE (mm) | Trọng lượng (kg) |
|---|---|---|---|---|
| SHF-14-2UJ | 74 | 50,5 | 6 | 0,66 |
| SHF-17-2UJ | 84 | 56 | 8 | 0,94 |
| SHF-20-2UJ | 95 | 63,5 | 10 | 1,38 |
| SHF-25-2UJ | 115 | 72,5 | 14 | 2,1 |
| SHF-32-2UJ | 147 | 84,5 | 14 | 4,4 |
d. Hộp giảm tốc harmonic SHF-2SO (bán hoàn chỉnh dạng dẹt)
Dạng đơn giản hóa: bánh răng mềm dạng mũ, vành răng cứng và vòng bi đỡ chéo được ghép sẵn, bộ tạo sóng đóng gói riêng, người dùng tự làm vỏ và trục vào. Bộ này rất mỏng và nhẹ nhất trong các dòng, hợp với khớp robot cần thiết kế gọn. Vành răng cứng không có rãnh gioăng O, nên khi thiết kế phải tự bố trí làm kín.
- Lỗ bộ tạo sóng ΦC tiêu chuẩn và lớn nhất có thể gia công theo yêu cầu; lòng vỏ phải lớn hơn Φa, b, c để bánh răng mềm biến dạng không chạm vỏ.
| Cỡ hộp | Đường kính ngoài ΦM1 (mm) | Lỗ trục vào ΦC tiêu chuẩn / tối đa (mm) | Lòng vỏ tối thiểu Φa (mm) | Trọng lượng (kg) |
|---|---|---|---|---|
| SHF-14-2SO | 70 | 6 / 8 | 38 | 0,41 |
| SHF-17-2SO | 80 | 8 / 10 | 45 | 0,57 |
| SHF-20-2SO | 90 | 9 / 13 | 53 | 0,81 |
| SHF-25-2SO | 110 | 11 / 15 | 66 | 1,31 |
| SHF-32-2SO | 142 | 14 / 15 | 86 | 2,94 |
e. Hộp giảm tốc harmonic SHF-2SH (bán hoàn chỉnh trục rỗng dẹt)
Giống 2SO nhưng bộ tạo sóng là trục rỗng, cho phép luồn dây qua tâm mà vẫn giữ chiều dày nhỏ. Hình dạng bộ tạo sóng thay đổi theo cỡ, cần đối chiếu bản vẽ giao hàng trước khi gia công chi tiết ghép.
- Lỗ rỗng bộ tạo sóng ΦL4 từ 14 mm đến 36 mm; đường kính ngoài ΦH từ 70 mm đến 142 mm.
| Cỡ hộp | Đường kính ngoài ΦH (mm) | Lỗ rỗng ΦL4 (mm) | Lòng vỏ tối thiểu Φa (mm) | Trọng lượng (kg) |
|---|---|---|---|---|
| SHF-14-2SH | 70 | 14 | 38 | 0,45 |
| SHF-17-2SH | 80 | 19 | 45 | 0,63 |
| SHF-20-2SH | 90 | 21 | 53 | 0,89 |
| SHF-25-2SH | 110 | 29 | 66 | 1,44 |
| SHF-32-2SH | 142 | 36 | 86 | 3,1 |
7. Bảng mô-men xoắn, tốc độ và độ chính xác hộp giảm tốc harmonic
Bảng mô-men xoắn theo cỡ hộp và tỉ số truyền (N·m)
| Cỡ / tỉ số | Mô-men định mức tại 2000 v/ph | Đỉnh khi khởi động, dừng | Trung bình cho phép tối đa | Tức thời tối đa |
|---|---|---|---|---|
| 14 – 1/50 | 5,4 | 18 | 6,9 | 35 |
| 14 – 1/80 | 7,8 | 23 | 11 | 47 |
| 14 – 1/100 | 7,8 | 28 | 11 | 54 |
| 17 – 1/50 | 16 | 34 | 26 | 70 |
| 17 – 1/80 | 22 | 43 | 27 | 87 |
| 17 – 1/100 | 24 | 54 | 39 | 108 |
| 20 – 1/50 | 25 | 56 | 34 | 98 |
| 20 – 1/80 | 34 | 74 | 47 | 127 |
| 20 – 1/100 | 40 | 82 | 49 | 147 |
| 20 – 1/120 | 40 | 87 | 49 | 147 |
| 25 – 1/50 | 39 | 98 | 55 | 186 |
| 25 – 1/80 | 63 | 137 | 87 | 255 |
| 25 – 1/100 | 67 | 157 | 108 | 284 |
| 25 – 1/120 | 67 | 167 | 108 | 304 |
| 32 – 1/50 | 76 | 216 | 108 | 382 |
| 32 – 1/80 | 118 | 304 | 167 | 568 |
| 32 – 1/100 | 137 | 333 | 216 | 647 |
| 32 – 1/120 | 137 | 353 | 216 | 686 |
- Mô-men định mức: mô-men cho phép chạy liên tục ổn định khi tốc độ vào 2000 vòng/phút.
- Mô-men trung bình (tính theo trung bình bậc ba) vượt mức cho phép sẽ làm mỡ nhanh hỏng và răng mòn nhanh.
- Mô-men tức thời tối đa chỉ dành cho va đập bất thường, không phải tải làm việc; vượt mức này có thể gây trượt răng hoặc gãy bánh răng mềm.
Bảng tốc độ, quán tính và tuổi thọ thiết kế
| Cỡ hộp | Tốc độ vào tối đa (v/ph, bôi trơn mỡ) | Tốc độ vào trung bình cho phép (v/ph) | Mô-men quán tính (×10⁻⁴ kg·m²) | Tuổi thọ thiết kế (giờ) |
|---|---|---|---|---|
| 14 | 8500 | 3500 | 0,033 | 10.000 |
| 17 | 7300 | 3500 | 0,079 | 10.000 |
| 20 | 6500 | 3500 | 0,193 | 10.000 |
| 25 | 5600 | 3500 | 0,413 | 10.000 |
| 32 | 4800 | 3500 | 1,690 | 10.000 |
Bảng độ chính xác truyền động, sai số hồi và khe hở răng
| Cỡ hộp | Độ chính xác truyền động (phút góc) tỉ số 50 / từ 80 | Sai số hồi lost motion (phút góc) tỉ số 50 / từ 80 | Khe hở tối đa (giây góc) tỉ số 50 / 80 / 100 / 120 |
|---|---|---|---|
| 14 | 1,8 / 1,5 | 2,0 / 1,0 | 60 / 40 / 35 / – |
| 17 | 1,8 / 1,5 | 2,0 / 1,0 | 60 / 40 / 35 / – |
| 20 | 1,5 / 1,2 | 2,0 / 1,0 | 36 / 32 / 35 / – |
| 25 | 1,5 / 1,2 | 2,0 / 1,0 | 36 / 32 / 30 / 28 |
| 32 | 1,5 / 1,2 | 2,0 / 1,0 | 36 / 32 / 30 / 28 |
Bảng độ cứng xoắn
| Cỡ hộp | Mốc mô-men T1 / T2 (N·m) | K1 / K2 / K3 tỉ số 50 (×10⁴ N·m/rad) | K1 / K2 / K3 tỉ số từ 80 (×10⁴ N·m/rad) |
|---|---|---|---|
| 14 | 2,0 / 6,9 | 0,34 / 0,47 / 0,57 | 0,47 / 0,61 / 0,71 |
| 17 | 3,9 / 12 | 0,81 / 1,10 / 1,30 | 1,00 / 1,40 / 1,60 |
| 20 | 7,0 / 25 | 1,30 / 1,80 / 2,30 | 1,60 / 2,50 / 2,90 |
| 25 | 14 / 48 | 2,50 / 3,40 / 4,40 | 3,10 / 5,00 / 5,70 |
| 32 | 29 / 108 | 5,40 / 7,80 / 9,80 | 6,70 / 11,0 / 12,0 |
- K1 áp dụng cho mô-men từ 0 đến T1, K2 từ T1 đến T2, K3 trên T2: độ cứng tăng dần theo tải, nên ở tải nhẹ hộp "mềm" hơn.
- Tỉ số từ 80 trở lên cứng hơn và chính xác hơn tỉ số 50 ở cùng cỡ.
- Góc xoắn ước tính = T / K (rad); ví dụ cỡ 20 tỉ số 100 chịu 5 N·m: 5 / 16.000 ≈ 0,00031 rad ≈ 1,07 phút góc.
8. Cách tính chọn hộp giảm tốc harmonic
Chọn hộp harmonic không thể chỉ nhìn mô-men định mức như hộp bánh răng thường. Cần nắm biểu đồ tải theo thời gian của trục ra (tăng tốc, chạy đều, giảm tốc, dừng, va đập) rồi kiểm tra lần lượt các điều kiện sau.
Bước 1: Tính mô-men tải trung bình Tav (đơn vị N·m, v/ph, giây):
Tav = ∛[(n1·t1·|T1|³ + n2·t2·|T2|³ + … + nn·tn·|Tn|³) / (n1·t1 + n2·t2 + … + nn·tn)]
Bước 2: Chọn tạm cỡ hộp sao cho Tav ≤ mô-men trung bình cho phép tối đa trong bảng ở mục 7.
Bước 3: Tính tốc độ ra trung bình và chọn tỉ số: nout = (n1·t1 + … + nn·tn) / (t1 + … + tn); tỉ số i ≤ nin max / nout max, trong đó nin max là tốc độ tối đa của động cơ.
Bước 4: Kiểm tra tốc độ vào: nin trung bình = nout × i phải ≤ 3500 v/ph; nin max = nout max × i phải ≤ tốc độ vào tối đa của cỡ đã chọn.
Bước 5: Kiểm tra mô-men đỉnh: mô-men lúc tăng tốc và giảm tốc phải ≤ mô-men đỉnh khi khởi động, dừng; mô-men va đập Ts phải ≤ mô-men tức thời tối đa.
Bước 6: Kiểm tra số lần va đập cho phép: Ns = 60 × 10⁴ / (2 × ns × i × ts) và Ns không vượt quá 10⁴ lần, với ns là tốc độ ra khi va đập, ts là thời gian va đập.
Bước 7: Tính tuổi thọ: L10 = 7000 × (Tr / Tav)³ × (nr / nav) giờ, với Tr là mô-men định mức, nr = 2000 v/ph, nav là tốc độ vào trung bình. Nếu bất kỳ bước nào vượt giới hạn, chọn lại cỡ lớn hơn hoặc xem lại tỉ số và tải.
Ví dụ tính chọn cho khớp xoay cánh tay robot
Chu kỳ làm việc: tăng tốc T1 = 60 N·m, n1 = 7 v/ph, t1 = 0,3 s; chạy đều T2 = 20 N·m, n2 = 14 v/ph, t2 = 3 s; giảm tốc T3 = 40 N·m, n3 = 7 v/ph, t3 = 0,4 s; dừng 0,2 s. Động cơ servo tối đa 3000 v/ph, va đập dự phòng 120 N·m trong 0,15 s ở 14 v/ph.
| Hạng mục | Kết quả tính | Giới hạn cỡ 20 tỉ số 1/100 | Đánh giá |
|---|---|---|---|
| Mô-men trung bình Tav | ≈ 27,4 N·m | 49 N·m | Đạt |
| Tỉ số tối đa cho phép | 3000 / 14 ≈ 214 | Chọn 1/100 | Đạt |
| Tốc độ vào trung bình | ≈ 12 × 100 = 1203 v/ph | 3500 v/ph | Đạt |
| Tốc độ vào tối đa | 14 × 100 = 1400 v/ph | 6500 v/ph | Đạt |
| Mô-men tăng tốc | 60 N·m | 82 N·m | Đạt |
| Mô-men va đập | 120 N·m | 147 N·m | Đạt |
| Số lần va đập cho phép | ≈ 1428 lần | ≤ 10⁴ | Đạt |
| Tuổi thọ L10 | ≈ 36.000 giờ | Yêu cầu của máy | Đạt |
- Thử cỡ 17 tỉ số 1/100: Tav 27,4 N·m vẫn dưới 39 N·m, nhưng mô-men tăng tốc 60 N·m vượt mức đỉnh 54 N·m nên bị loại.
- Cỡ hộp thường bị quyết định bởi mô-men tăng tốc, giảm tốc chứ không phải tải chạy đều.
- Giảm thời gian tăng tốc quá ngắn trong phần mềm là cách nhanh nhất làm hỏng hộp harmonic.
Hộp harmonic hầu như luôn đi cùng động cơ servo: khi chọn, so mặt bích và đường kính trục motor với lỗ bộ tạo sóng (ΦU, ΦC) và kiểm tra tỉ lệ quán tính tải quy về trục motor, vì tỉ số lớn làm quán tính tải giảm theo bình phương tỉ số, giúp vòng điều khiển servo ổn định hơn.
9. Lắp đặt hộp giảm tốc harmonic đúng kỹ thuật
Phần lớn hộp harmonic hỏng sớm do lắp sai chứ không do quá tải. Các yêu cầu dưới đây áp dụng cho cả dạng bộ hoàn chỉnh và bán hoàn chỉnh.
Yêu cầu thiết kế khi gá lắp
- Trục vào, vành răng cứng, trục ra và vỏ phải đồng tâm; trục vào và trục ra phải tự chịu toàn bộ lực hướng kính và dọc trục.
- Bộ tạo sóng sinh lực đẩy dọc trục khi chạy (do bánh răng mềm biến dạng), nên trục vào phải có kết cấu khóa dọc trục: vít ở đầu trục (khi trục có vai định vị), vòng đệm cách (khi trục dài, độ song song mặt đầu trong 0,01 mm) hoặc vít tì (cho tải nhẹ).
- Lòng vỏ phải lớn hơn kích thước tối thiểu Φa, b, c của từng cỡ để bánh răng mềm biến dạng không cọ vào vỏ.
- Kẹp moay-ơ bộ tạo sóng bằng phanh hãm chữ C, sao cho móc phanh không chạm vào vỏ.
- Bu lông nối bánh răng mềm với trục ra phải siết đúng lực vì hộp có mật độ công suất rất cao; chiều dài ăn ren của bu lông phải nhỏ hơn chiều sâu lỗ ren.
Trình tự và lưu ý khi lắp
- Lắp ở nơi sạch, không để bụi, phoi lọt vào trong hộp; kiểm tra mặt lắp không có ba-via, vết lồi quanh lỗ ren.
- Lắp bộ tạo sóng vào sau cùng, vừa đẩy vừa xoay nhẹ cho trượt vào êm, không dùng lực ép mạnh lên vòng bi bộ tạo sóng, không dùng búa gõ.
- Siết bu lông hai lượt: lượt đầu khoảng một nửa lực siết quy định, lượt sau siết đủ lực, theo thứ tự chéo đối xứng.
- Sau khi ghép vành răng cứng với khung, xoay thử xem có kẹt, vướng không; khi ghép bánh răng mềm, kiểm tra không bị ăn khớp lệch hẳn về một phía (dấu hiệu lắp nghiêng, lệch tâm).
- Không tự tháo rời và lắp lại bộ hoàn chỉnh (2UH, 2UJ): tính năng ban đầu sẽ không phục hồi được.
Mỡ bôi trơn
- Bộ hoàn chỉnh đã nạp mỡ sẵn; bộ bán hoàn chỉnh phải bôi mỡ vào răng, lòng bánh răng mềm và vòng bi bộ tạo sóng trước khi ghép.
- Dùng đúng mỡ chuyên dụng cho bộ truyền sóng (loại SK-2 cho cỡ 14, 17; loại SK-1A cho cỡ 20, 25, 32), không trộn với mỡ khác; lượng nạp khoảng 50–70% thể tích trống bên trong.
- Làm kín động bằng phớt, kín tĩnh bằng gioăng O; áp suất trong hộp có thể lên tới 0,03 MPa khi nóng, nên phải cân bằng áp trong ngoài để mỡ không bị đẩy ra.
- Lắp bộ tạo sóng hướng lên trên mà chạy chậm dưới 1000 v/ph, quay một chiều dễ thiếu mỡ ở răng, cần hỏi ý kiến kỹ thuật trước khi thiết kế.
Môi trường làm việc
- Nhiệt độ môi trường 0–40 °C; tránh nước bắn, dầu, khí ăn mòn, khí dễ cháy nổ và bụi kim loại.
- Không cho chạy vượt mô-men tức thời tối đa; nếu trục ra nối thẳng với cánh tay robot, quá tải có thể làm hỏng cánh tay hoặc làm trục ra mất kiểm soát.
10. Ứng dụng của hộp giảm tốc harmonic
- Robot công nghiệp và robot cộng tác (cobot): các khớp cổ tay, khuỷu, vai của robot tải nhỏ và vừa; robot 6 trục thường dùng harmonic ở 3 trục cổ tay.
- Robot hình người, robot bốn chân, khung xương trợ lực: nhu cầu tăng mạnh trong vài năm gần đây vì cần khớp nhẹ, gọn, mô-men cao.
- Máy CNC: bàn xoay trục thứ 4, trục thứ 5, đầu chia độ, bộ thay dao.
- Thiết bị bán dẫn, điện tử: robot chuyển wafer, máy gắp đặt linh kiện, máy kiểm tra quang học.
- Thiết bị y tế, quang học, đo lường: robot phẫu thuật, bàn xoay kính hiển vi, giá đỡ camera, kính thiên văn, radar, anten vệ tinh.
- Máy đóng gói, in ấn, dệt: cơ cấu định vị lặp lại chính xác ở tốc độ trung bình.
11. So sánh hộp giảm tốc harmonic với hộp hành tinh, RV, trục vít
| Tiêu chí | Harmonic | Hành tinh chính xác | RV / cycloid | Trục vít |
|---|---|---|---|---|
| Tỉ số một cấp | 30–500 | 3–10 | 30–200 | 5–100 |
| Khe hở | Gần như bằng 0 | Vài phút góc | Dưới 1 phút góc | Lớn, tăng theo mòn |
| Độ cứng xoắn, chịu va đập | Trung bình | Cao | Rất cao | Trung bình |
| Trọng lượng, kích thước | Nhẹ, mỏng nhất | Dài khi nhiều cấp | Nặng hơn | Cồng kềnh, trục vuông góc |
| Hiệu suất | 70–85% | Trên 90% | 80–90% | 50–90% |
| Vị trí phù hợp | Cổ tay robot, cobot, bàn xoay | Trục servo tốc độ cao | Chân đế, vai robot tải nặng | Máy công nghiệp thường |
- Robot tải nặng thường dùng RV ở 3 trục gốc và harmonic ở 3 trục cổ tay để cân bằng độ cứng và trọng lượng.
- Cần tỉ số lớn, chính xác mà không gian chật: harmonic gần như không có đối thủ.
- Máy công nghiệp thông thường không cần chính xác cao: hộp giảm tốc trục vít hoặc hộp số vuông góc rẻ và bền hơn.
12. Dấu hiệu hỏng và lỗi thường gặp ở hộp giảm tốc harmonic
- Trượt răng (ratcheting): khi mô-men vượt mức tức thời, răng bánh răng mềm nhảy qua răng vành cứng, nghe tiếng "tách" và trục ra bị lệch vị trí. Sau một lần trượt răng, bánh răng mềm thường lệch pha ăn khớp (hiện tượng dedoidal), hộp rung và ồn, gần như phải thay bộ.
- Nứt mỏi bánh răng mềm: vết nứt thường xuất hiện ở chân răng hoặc chỗ chuyển tiếp màng đáy, do mô-men trung bình quá cao, lệch tâm hoặc thiếu mỡ. Dấu hiệu là độ rơ tăng nhanh, tiếng gõ theo chu kỳ.
- Hỏng vòng bi bộ tạo sóng: viên bi rỗ, vòng bi rơ làm tiếng ồn tăng theo tốc độ vào, nhiệt độ tăng; nguyên nhân thường là tốc độ vào trung bình quá cao hoặc mỡ sai chủng loại.
- Nóng bất thường: hộp harmonic chạy bình thường chỉ ấm; nhiệt độ vỏ nên giữ dưới khoảng 70 °C. Quá nóng làm mỡ biến chất, mòn răng nhanh.
- Rò mỡ: do áp suất trong tăng khi nóng, phớt lắp lệch hoặc thiếu gioăng ở dòng 2SO, 2SH vốn không có rãnh gioăng O.
- Rung, sai vị trí theo chu kỳ 2 lần mỗi vòng trục vào: đặc trưng của lắp lệch tâm, mặt lắp không phẳng hoặc trục vào đảo; kiểm tra lại dung sai đồng tâm, độ vuông góc theo bản vẽ.
- Dao động cộng hưởng ở tốc độ nhất định: do độ cứng xoắn thấp kết hợp quán tính tải lớn; giải pháp là tăng cỡ hộp hoặc chỉnh lại tham số servo, tránh tốc độ cộng hưởng.
13. Câu hỏi thường gặp về hộp giảm tốc harmonic
- Hộp giảm tốc harmonic có phải là hộp giảm tốc không độ rơ không? Khe hở răng gần như bằng 0 nhờ răng ăn khớp đồng thời ở hai vùng và có ứng suất ban đầu, nhưng vẫn có sai số hồi (lost motion) 1–2 phút góc do độ đàn hồi xoắn; với ứng dụng định vị, chỉ số cần xem là sai số hồi và độ chính xác truyền động.
- Vì sao cùng cỡ mà tỉ số 1/50 lại chịu mô-men thấp hơn tỉ số 1/100? Ở tỉ số thấp, răng lớn hơn và số răng ít hơn, số răng cùng ăn khớp ít đi nên mô-men định mức thấp hơn; tỉ số từ 80 trở lên cũng cứng và chính xác hơn tỉ số 50.
- Chiều quay trục ra của hộp harmonic như thế nào? Khi cố định vành răng cứng và lấy ra ở bánh răng mềm, trục ra quay ngược chiều trục vào; khi cố định bánh răng mềm và lấy ra ở vành răng cứng, trục ra quay cùng chiều và tỉ số tăng thêm 1.
- Hộp giảm tốc harmonic có tự hãm được không? Không nên coi là tự hãm; ở tỉ số lớn hộp khó quay ngược hơn nhưng vẫn có thể bị đẩy ngược, trục đứng mang tải phải dùng motor có phanh.
- Có thể dùng hộp harmonic để tăng tốc không? Về nguyên lý được, nhưng hiệu suất và mô-men khởi động khi quay ngược rất bất lợi, thực tế hầu như chỉ dùng để giảm tốc.
- Có thể ghép motor bước với hộp harmonic không? Được, nhất là cỡ 14, 17 cho cơ cấu nhẹ; cần kiểm tra mô-men khởi động của hộp, tốc độ cộng hưởng của motor bước và mô-men giữ khi mất điện.
- Tuổi thọ thực tế của hộp harmonic là bao lâu? Tuổi thọ thiết kế 10.000 giờ ở mô-men định mức, 2000 v/ph đầu vào; tải thực thấp hơn thì tuổi thọ tăng theo lập phương tỉ lệ mô-men, như ví dụ ở mục 8 đạt khoảng 36.000 giờ.
- Bộ tạo sóng rời trong thùng hàng có phải hàng thiếu không? Không, với dạng CSF-2UH, SHF-2SO, SHF-2SH bộ tạo sóng được đóng gói riêng để người dùng tự lắp lên trục vào theo đúng vị trí dọc trục quy định.
- Có thể khoan rộng lỗ bộ tạo sóng cho vừa trục motor không? Lỗ bộ tạo sóng, lỗ bắt vít trên bánh răng mềm và vành răng cứng có thể gia công theo yêu cầu trong giới hạn cho phép của từng cỡ, nên đặt từ nhà sản xuất thay vì tự khoan làm mất đồng tâm.
- Hộp harmonic mua về có thay được cho hộp cùng mã của nhà khác không? Cùng mã như CSF-20-100-2UH thường cùng kích thước lắp chính, nhưng phải so từng kích thước trên bản vẽ (vị trí dọc trục B, D, lỗ ren, then) vì mỗi nhà có sai khác nhỏ.
- Tốc độ vào tối đa 6500 v/ph thì có chạy liên tục ở tốc độ đó được không? Không, đó là tốc độ tối đa trong thời gian ngắn; tốc độ vào trung bình phải giữ dưới 3500 v/ph.
- Vì sao hộp harmonic chạy êm ở tốc độ cao nhưng lại rung ở một tốc độ thấp nhất định? Bộ truyền tạo dao động mô-men với tần số gấp hai lần vòng quay trục vào; khi trùng với tần số riêng của hệ tải và độ cứng xoắn sẽ cộng hưởng, cần tránh dải tốc độ đó hoặc tăng độ cứng.
- Nên chọn SHF-2UH hay SHF-2SH khi cần luồn dây qua tâm? 2UH là bộ hoàn chỉnh kín, lắp nhanh, chịu tải ngoài tốt nhờ vòng bi đỡ chéo; 2SH mỏng nhẹ hơn nhưng người thiết kế phải tự làm vỏ, làm kín và trục vào.
- Hộp harmonic có chịu được lực hướng kính lớn trên trục ra không? Bộ hoàn chỉnh có vòng bi đỡ chéo nên chịu được lực hướng kính và mô-men lật nhất định; dạng bán hoàn chỉnh và dạng chi tiết rời phải có gối đỡ riêng cho trục ra.
- Nhiệt độ thấp ảnh hưởng gì đến hộp harmonic? Mỡ đặc lại làm mô-men khởi động và tổn hao tăng, hiệu suất giảm rõ dưới 0 °C; thiết bị đặt ngoài trời hoặc kho lạnh cần chọn mỡ phù hợp và có thời gian chạy ấm.
Để xem thêm các dòng hộp số dùng cho máy công nghiệp như hộp số giảm tốc mini hay motor giảm tốc liền khối, có thể tham khảo các danh mục tương ứng trên website.
