Hộp Giảm Tốc Hypoid

Hộp giảm tốc hypoid là hộp số trục ra vuông góc dùng cặp bánh răng côn xoắn có trục lệch tâm, cho hiệu suất truyền động trên 90% ở cả những tỉ số lớn. Trên thị trường, dòng hộp này được bán dưới nhiều tên thương mại: hộp giảm tốc TKM, HKM, BKM, KM, hay hộp số Sumitomo Hyponic của Nhật. Điểm chung là vỏ gọn, thường bằng hợp kim nhôm, kích thước lắp đặt tương đương hộp trục vít NMRV, nhưng tải khỏe và ít hao điện hơn.

Với máy chạy liên tục như băng tải, máy đóng gói, máy trộn, cửa cuốn công nghiệp, việc thay hộp trục vít bằng hộp số hypoid giúp giảm nhiệt độ hộp, giảm công suất motor cần lắp và kéo dài tuổi thọ bánh răng. Bài viết dưới đây giải thích cấu tạo, các tên gọi, thông số chung, cách so sánh với hộp trục vít và hộp bánh răng côn K, cùng cách tính chọn size theo mô-men tải thực tế.

1. Hộp giảm tốc hypoid là gì

Hypoid (đọc là "hai-pô-ít") là tên một dạng bánh răng côn xoắn đặc biệt. Ở bánh răng côn thường, trục bánh dẫn và trục bánh bị dẫn cắt nhau tại một điểm. Ở bánh răng hypoid, hai trục vẫn vuông góc 90° nhưng lệch nhau một khoảng gọi là độ lệch tâm (offset). Nhờ độ lệch này, bánh nhỏ (pinion) to hơn, răng dài hơn và nhiều răng cùng ăn khớp một lúc.

Hộp giảm tốc hypoid là hộp số dùng cặp bánh răng này làm cấp đổi hướng 90°. Trục motor nằm ngang, trục ra của hộp vuông góc với trục motor. Hình dáng bên ngoài rất giống hộp giảm tốc trục vít bánh vít vỏ nhôm, nên nhiều người gọi chung là "hộp số vuông góc". Khác biệt nằm ở bên trong: hộp trục vít truyền lực bằng ma sát trượt, còn hộp hypoid truyền lực bằng ăn khớp lăn – trượt kết hợp, ít tổn hao hơn nhiều.

Một số đặc điểm nhận biết nhanh của hộp số hypoid:

• Vỏ hộp vuông, thường bằng hợp kim nhôm đúc, sơn xám hoặc để màu nhôm.
• Có cổ nối (bích vào) để lắp motor mặt bích B5 hoặc B14, trục motor cắm thẳng vào lỗ trục vào của hộp.
• Trục ra có hai kiểu: trục âm (lỗ rỗng có rãnh then) hoặc trục dương (cốt lồi một bên hoặc hai bên).
• Tem hộp ghi ký hiệu dòng như TKM, KM, BKM, HKM hoặc RNYM, RNFM (Sumitomo), kèm size và tỉ số.

2. Cấu tạo và nguyên lý truyền động

Phần lớn hộp giảm tốc hypoid công nghiệp cỡ nhỏ và vừa là hộp nhiều cấp. Cấp đầu dùng bánh răng trụ răng nghiêng để giảm tốc sơ bộ. Cấp cuối dùng cặp bánh răng hypoid để đổi hướng 90° và giảm tốc tiếp. Với tỉ số lớn (từ khoảng 50 trở lên), nhà sản xuất thêm một cấp bánh răng trụ nữa, thành hộp 3 cấp.

Các bộ phận chính

• Vỏ hộp: hợp kim nhôm đúc áp lực, có gân tản nhiệt; mặt vỏ gia công phẳng để bắt chân đế, bích ra hoặc tay đòn.
• Bích vào và lỗ trục vào: nhận motor tiêu chuẩn IEC qua mặt bích B5 hoặc B14; trục motor có then khớp vào lỗ trục vào.
• Cụm bánh răng trụ nghiêng: thép hợp kim thấm carbon, tôi cứng bề mặt.
• Cặp bánh răng hypoid: thép hợp kim thấm carbon, tôi cứng; hai bánh được gia công và kiểm tra ăn khớp theo cặp.
• Trục ra: trục âm có rãnh then (cavet), hoặc trục dương lắp chặt vào moay-ơ trục âm.
• Vòng bi, phớt chặn dầu và dầu bôi trơn tổng hợp châm sẵn từ nhà máy.

Nguyên lý làm việc

Motor quay khoảng 1.400 vòng/phút (motor 4 cực) truyền vào bánh răng trụ cấp đầu. Tốc độ giảm theo tỉ số từng cấp, mô-men tăng tương ứng. Tại cấp hypoid, răng xoắn của bánh nhỏ ăn khớp với vành răng côn lớn theo một góc lệch, chuyển chuyển động sang trục vuông góc. Tỉ số truyền tổng bằng tích tỉ số các cấp. Ví dụ hộp 2 cấp có cấp trụ 1/3 và cấp hypoid 1/10 cho tỉ số tổng 1/30.

Do các răng ăn khớp chủ yếu theo kiểu lăn, nhiệt sinh ra trong hộp thấp. Hiệu suất hộp hypoid hầu như không giảm khi tăng tỉ số, khác hẳn hộp trục vít: tỉ số càng lớn, hộp trục vít càng nóng và càng tốn điện.

3. Các tên gọi thương mại: TKM, HKM, BKM, KM, Sumitomo Hyponic

Cùng một nguyên lý hypoid, mỗi nhà sản xuất đặt tên dòng riêng. Khi tìm mua hoặc thay thế, cần hiểu các tên gọi này để không nhầm lẫn.

• Hộp giảm tốc TKM: dòng hộp hypoid vỏ nhôm, các size thông dụng TKM 50, TKM 63, TKM 75, TKM 90. Kích thước lắp đặt bằng hộp số NMRV cùng cỡ, nên có thể thay trực tiếp hộp trục vít đang dùng.
• Hộp giảm tốc KM, BKM, HKM: các tên gọi khác của dòng hộp hypoid trục ra vuông góc do các nhà máy châu Á sản xuất. Chữ số sau tên (050, 063, 075, 090, 110) là khoảng cách tâm hoặc cỡ hộp, tương ứng với size NMRV.
• Sumitomo Hyponic: dòng hộp hypoid của hãng Sumitomo (Nhật), dải công suất motor từ 15 W đến 11 kW, tỉ số từ 5 đến 1.440, 12 cỡ khung. Có bản trục rỗng (trục âm) và trục đặc, lắp chân đế, mặt bích hoặc treo trên trục máy.

Khi đọc tem, cần chú ý ba thông tin: size hộp, tỉ số truyền và kiểu trục ra. Ví dụ "TKM63 – i 40 – trục âm 25" nghĩa là hộp size 63, tỉ số 1/40, trục ra âm đường kính 25 mm. Thông tin motor (kW, số cực, điện áp) nằm trên tem motor riêng.

4. Thông số chung và các size phổ biến

Dòng hộp hypoid vỏ nhôm thường chia thành hai nhóm tỉ số. Hộp 2 cấp có tỉ số danh nghĩa từ 7,5 đến 60, tốc độ trục ra khoảng 23 – 187 vòng/phút khi gắn motor 4 cực. Hộp 3 cấp có tỉ số từ 50 đến 300, tốc độ trục ra khoảng 4,6 – 28 vòng/phút. Hiệu suất công bố trên 90%. Dải công suất motor lắp được từ 0,12 kW đến khoảng 5,5 kW, tùy size và tỉ số.

Bảng dưới tóm tắt kích thước trục và bích của 4 size TKM thông dụng:

• Trục vào Ø14 dùng cho motor khung 71; Ø19 cho khung 80; Ø24 cho khung 90; Ø28 cho khung 100 – 112.
• Số đo bích là đường kính ngoài mặt bích motor, tính bằng mm.
• Trục ra dương có cùng đường kính với trục âm của size đó.

a) Bản vẽ kích thước hộp giảm tốc TKM 50, 63, 75, 90

Ảnh tổng hợp dưới đây thể hiện kích thước vỏ, trục ra âm, trục ra dương và bích vào của từng size:

• Cột trái: hộp trục ra âm; cột phải: hộp trục ra dương.
• Ba số trên vỏ hộp là chiều rộng, chiều sâu và chiều cao vỏ (mm).
• Kích thước vỏ trùng với hộp trục vít NMRV cùng cỡ, thuận tiện khi thay thế.

5. So sánh hộp giảm tốc hypoid với hộp trục vít và hộp bánh răng côn K

Ba loại hộp này đều cho trục ra vuông góc với trục motor, nên thường được cân nhắc thay thế cho nhau. Bảng so sánh dưới đây giúp chọn đúng loại theo điều kiện máy:

• Cần trục ra tự giữ khi mất điện (cửa, nâng hạ): hộp hypoid phải dùng motor có phanh.
• Tải nặng, công suất trên 5,5 kW: nên chuyển sang hộp bánh răng côn K vỏ gang.
• Máy chạy 2 – 3 ca, tỉ số trên 1/30: hộp hypoid tiết kiệm điện rõ so với hộp trục vít.

Tiết kiệm điện thực tế

Giả sử băng tải cần mô-men 180 N.m ở tốc độ 23 vòng/phút. Công suất cơ cần ở trục ra là P = T × n / 9.550 = 180 × 23 / 9.550 ≈ 0,43 kW. Với hộp hypoid hiệu suất khoảng 0,9, công suất motor cần khoảng 0,48 kW, chọn motor 0,55 kW hoặc 0,75 kW là đủ. Với hộp trục vít tỉ số 1/60, hiệu suất có thể chỉ khoảng 0,55 – 0,6, công suất motor cần lên tới 0,72 – 0,78 kW, phải chọn motor 1,1 kW. Chạy 16 giờ mỗi ngày, chênh lệch điện năng tích lũy theo năm là đáng kể.

6. Các kiểu lắp và phương án trục ra

Vỏ hộp hypoid có nhiều mặt gia công, cho phép lắp theo nhiều tư thế. Đây là ưu điểm lớn khi thiết kế máy trong không gian hẹp.

• Trục ra âm (cốt âm, trục rỗng): trục máy cắm xuyên vào lỗ trục ra, khóa bằng then. Hộp treo trên trục máy, chống xoay bằng tay đòn. Gọn nhất, không cần căn tâm khớp nối.
• Trục ra dương (cốt dương): lắp thêm trục đặc vào lỗ trục âm, có bản một đầu trục và hai đầu trục. Nối với tải qua khớp nối, nhông xích hoặc puly.
• Chân đế: bắt chân đế vào mặt dưới hoặc mặt bên vỏ hộp, đặt hộp trên bệ máy.
• Bích ra: lắp mặt bích tròn ở trục ra, bắt thẳng vào thành máy. Phổ biến ở máy khuấy, máy đóng gói.
• Tay đòn (torque arm): thanh chống xoay bắt vào mặt vỏ, dùng khi hộp treo trên trục âm.

Về phía đầu vào, hộp nhận motor mặt bích B5 (bích to, lỗ trơn) hoặc B14 (bích nhỏ, lỗ ren). Motor có thể là motor 3 pha 380 V, motor 1 pha 220 V, motor có phanh hoặc motor chạy biến tần, miễn là khung motor và đường kính trục khớp với lỗ trục vào của hộp.

7. Ứng dụng của hộp giảm tốc hypoid

Hộp hypoid phát huy tốt nhất ở các máy công suất nhỏ và vừa, chạy liên tục, cần trục ra vuông góc và kết cấu gọn:

• Băng tải con lăn, băng tải xích, băng tải thực phẩm: hộp treo trục âm trực tiếp lên trục rulo.
• Máy đóng gói, máy chiết rót, máy dán nhãn: cần tốc độ ổn định và hộp nhẹ.
• Máy trộn, máy khuấy nhỏ: dùng bích ra, trục dương thẳng đứng.
• Cửa cuốn, cổng trượt công nghiệp: kết hợp motor có phanh.
• Bàn xoay, bàn nâng, cơ cấu kéo xích trong dây chuyền lắp ráp.
• Thiết bị chăn nuôi, máy cho ăn tự động, máy kéo phân: chạy nhiều giờ trong ngày.
• Băng chuyền ngành gỗ, ngành gạch, ngành bao bì.

Với tải va đập mạnh, khởi động – dừng liên tục hàng trăm lần mỗi giờ, hoặc mô-men vượt khoảng 500 N.m, nên cân nhắc hộp bánh răng côn K hay hộp cyclo vỏ gang.

8. Cách chọn hộp giảm tốc hypoid đúng tải

Chọn hộp hypoid gồm bốn bước: xác định tốc độ trục ra, tính mô-men tải, chọn công suất motor, rồi đối chiếu mô-men cho phép của từng size với hệ số làm việc.

Bước 1: Xác định tốc độ trục ra và tỉ số truyền

Tỉ số truyền i = tốc độ motor / tốc độ trục ra cần. Motor 4 cực quay khoảng 1.400 vòng/phút. Ví dụ băng tải cần trục rulo quay 35 vòng/phút: i = 1.400 / 35 = 40. Chọn hộp tỉ số 1/40.

Bước 2: Tính mô-men tải

Với băng tải: T = F × D / 2, trong đó F là lực kéo băng (N), D là đường kính rulo (m). Băng tải kéo lực 1.000 N, rulo Ø300 mm: T = 1.000 × 0,3 / 2 = 150 N.m.

Bước 3: Tính công suất motor

P = T × n / (9.550 × η) = 150 × 35 / (9.550 × 0,9) ≈ 0,61 kW. Chọn motor 0,75 kW 4 cực.

Bước 4: Kiểm tra mô-men và hệ số làm việc

Mô-men motor 0,75 kW đưa ra trục hộp: T2 = 9.550 × 0,75 / 35 × 0,9 ≈ 184 N.m. Hệ số làm việc SF = mô-men cho phép của size / T2. Chọn size có SF phù hợp điều kiện tải:

• Mô-men cho phép của từng size lấy theo catalog, không lấy theo cảm tính kích thước vỏ.
• Chọn SF quá cao làm hộp to, đắt; SF quá thấp làm mòn răng sớm.
• Tỉ số lớn (150 – 300) cho mô-men cao: phải kiểm tra mô-men giới hạn của size, không chỉ nhìn công suất motor.

Thông tin cần chuẩn bị khi đặt hàng

• Công suất motor (kW), số cực, điện áp 3 pha 380 V hay 1 pha 220 V.
• Tỉ số truyền hoặc tốc độ trục ra mong muốn.
• Kiểu trục ra: âm hay dương, một đầu hay hai đầu, đường kính trục.
• Kiểu lắp: chân đế, bích ra, tay đòn; tư thế lắp nằm ngang hay thẳng đứng.
• Có cần phanh motor, có chạy biến tần hay không.

9. Câu hỏi thường gặp về hộp giảm tốc hypoid

• Hộp giảm tốc hypoid khác hộp bánh răng côn thường ở điểm nào? Ở hộp côn thường, trục hai bánh răng cắt nhau. Ở hộp hypoid, hai trục lệch tâm. Độ lệch này cho răng dài hơn, nhiều răng ăn khớp cùng lúc, chạy êm và chịu tải tốt hơn so với cặp côn cùng kích thước.
• Hộp TKM, KM, BKM, HKM có phải cùng một loại? Cùng nguyên lý hypoid trục ra vuông góc, vỏ nhôm, kích thước lắp tương đương NMRV. Khác nhau ở nhà sản xuất, chất lượng gia công và một vài kích thước chi tiết. Khi thay thế, cần đo lại đường kính trục ra, bích vào và lỗ bắt vít.
• Sumitomo Hyponic có lắp lẫn với TKM được không? Thường không lắp lẫn trực tiếp. Hyponic có hệ kích thước riêng của Sumitomo. Muốn thay thế phải so bản vẽ: đường kính trục ra, tâm trục, kiểu bích và lỗ bắt.
• Hộp hypoid có thay trực tiếp hộp trục vít NMRV được không? Dòng TKM có kích thước vỏ, trục ra và lỗ bắt bằng NMRV cùng cỡ, nên phần lớn trường hợp thay thẳng được. Riêng size 50 nên đối chiếu bản vẽ trước khi thay vì một số nhà máy làm khác chuẩn NMRV050.
• Hiệu suất hộp hypoid là bao nhiêu? Nhà sản xuất công bố trên 90%. Hiệu suất này gần như giữ nguyên từ tỉ số 1/7,5 đến 1/300, khác với hộp trục vít giảm mạnh khi tỉ số lớn.
• Hộp hypoid có tự hãm như hộp trục vít không? Không. Khi cắt điện, tải có thể kéo ngược trục ra. Các cơ cấu nâng, cửa cuốn, băng tải dốc cần dùng motor có phanh đi kèm.
• Tỉ số truyền của hộp hypoid trong khoảng nào? Hộp 2 cấp thường có tỉ số 7,5 – 60, hộp 3 cấp 50 – 300. Sumitomo Hyponic có dải 5 – 1.440 khi ghép thêm cấp giảm tốc.
• Vì sao hộp hypoid vỏ nhôm mà vẫn tải được mô-men lớn? Lực được truyền qua bánh răng thép hợp kim tôi cứng và vòng bi; vỏ nhôm chỉ giữ vị trí các trục. Vỏ nhôm còn tản nhiệt tốt, phù hợp vì hộp hypoid sinh nhiệt ít.
• Hộp giảm tốc hypoid lắp được motor 1 pha không? Được, miễn motor có khung và mặt bích khớp với bích vào của hộp. Motor 1 pha 220 V thường dùng cho máy công suất đến khoảng 1,5 kW ở xưởng không có điện 3 pha.
• Có chạy hộp hypoid với biến tần được không? Được. Khi chạy tần số thấp kéo dài, quạt motor quay chậm nên motor nóng hơn; cần chọn motor có dự phòng công suất hoặc lắp quạt cưỡng bức. Bản thân hộp hypoid không bị ảnh hưởng.
• Trục ra âm và trục ra dương, nên chọn loại nào? Trục âm gọn, lắp thẳng lên trục máy, không cần căn tâm khớp nối. Trục dương phù hợp khi truyền qua nhông xích, puly, khớp nối hoặc khi trục máy ngắn không đủ cắm xuyên.
• Hộp hypoid lắp được ở tư thế thẳng đứng không? Được. Vỏ hộp vuông cho phép lắp ở nhiều tư thế: motor nằm ngang trục ra đứng, motor đứng trục ra ngang. Khi đặt hàng nên báo tư thế lắp để nhà sản xuất châm lượng dầu phù hợp.
• Tốc độ trục ra thấp nhất của hộp hypoid là bao nhiêu? Với motor 4 cực và tỉ số 1/300, tốc độ trục ra khoảng 4,6 – 4,8 vòng/phút. Cần chậm hơn có thể dùng motor 6 cực, ghép thêm hộp sơ cấp hoặc chạy biến tần.
• Hộp hypoid có ồn không? Bánh răng hypoid ăn khớp nhiều răng cùng lúc nên chạy êm hơn hộp bánh răng côn thẳng. Tiếng ồn tăng bất thường thường do lắp lệch tâm, quá tải hoặc thiếu dầu.
• Khi nào không nên dùng hộp giảm tốc hypoid? Khi mô-men tải vượt khả năng size lớn nhất trong dòng, công suất trên 5,5 kW, tải va đập rất mạnh hoặc môi trường cần vỏ gang chịu va chạm. Lúc đó nên chọn hộp bánh răng côn K, hộp cyclo hoặc hộp trục song song.

Ngoài hộp giảm tốc hypoid, danh mục hộp giảm tốc còn nhiều dòng hộp số khác cho từng nhu cầu truyền động:

• Hộp giảm tốc Sumitomo
• Hộp giảm tốc R
• Hộp số chuyển hướng
• Hộp giảm tốc WPDA
• Hộp giảm tốc WPDS
• Hộp giảm tốc vít nâng hạ
• Hộp giảm tốc bánh răng côn
• Hộp giảm tốc NMRV
• Hộp số giảm tốc WPA
• Hộp số giảm tốc WPS
• Hộp giảm tốc trục vít bánh vít
• Hộp giảm tốc cyclo
• Hộp giảm tốc Đài Loan
• Hộp giảm tốc 2 cấp
• Hộp giảm tốc ZQ
• Hộp giảm tốc F trục song song