Cam biến chuyển động quay thành chuyển động lên xuống theo đúng biên dạng bạn cắt ra. Tay quay thanh truyền biến chuyển động quay thành tới lui, hoặc ngược lại như trong động cơ. Đòn bẩy đổi lực lấy hành trình. Ba cơ cấu này làm được rất nhiều việc định giờ, định nhịp mà không cần cảm biến hay vi điều khiển nào.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Trước khi có chip, máy khâu, máy dệt, đồng hồ, động cơ đã làm những chuyển động phức tạp đáng kinh ngạc chỉ bằng cơ khí. Ngày nay nhiều người làm máy nghĩ ngay tới động cơ bước và lập trình. Tập này mình quay về mấy cơ cấu cổ điển, vì chúng rẻ, bền, và nhiều khi là lời giải gọn nhất.
Cam: chuyển động được cắt sẵn vào kim loại
Cam là một đĩa có biên dạng không tròn, quay trên trục. Một con đội tì lên mép cam. Khi cam quay, con đội nâng lên hạ xuống theo đúng hình dạng mép cam.
Hình dạng cam quyết định chuyển động: lên nhanh xuống chậm, dừng một lúc ở trên, nhấp nhô nhiều lần trong một vòng. Muốn đổi chuyển động, chỉ cần thay đĩa cam. Trục cam trong động cơ xe mở đóng xú páp đúng lúc chính nhờ vậy.
Cam lệch tâm, tức đĩa tròn đặt lệch tâm trên trục, là loại đơn giản nhất. Nó cho chuyển động lên xuống đều đặn, dễ làm bằng máy tiện hoặc khoan một lỗ lệch tâm trên đĩa tròn.
Con đội cần được ép sát vào cam bằng lò xo hoặc trọng lực. Tốc độ cao, lò xo yếu, con đội nảy khỏi mặt cam, chuyển động sai và va đập gây mòn.
Tay quay thanh truyền: trái tim của động cơ
Một tay quay gắn trên trục, đầu tay quay nối với một thanh truyền, đầu kia của thanh nối với một con trượt chạy trong rãnh. Trục quay tròn, con trượt đi tới đi lui. Đây là cơ cấu trong động cơ đốt trong, máy bơm piston, máy cưa lọng.
Hành trình con trượt bằng hai lần bán kính tay quay. Muốn hành trình dài hơn, tăng bán kính tay quay.
Tốc độ con trượt không đều: nhanh ở giữa hành trình, chậm lại và dừng ở hai đầu. Đây là điều tốt với nhiều việc, vì chuyển động đổi chiều êm thay vì giật.
Theo chiều ngược lại, khi con trượt đẩy để làm quay trục như trong động cơ, có hai vị trí gọi là điểm chết: tay quay và thanh truyền thẳng hàng, đẩy mạnh cũng không làm trục quay. Động cơ vượt qua điểm chết nhờ bánh đà giữ đà quay, hoặc nhờ nhiều xi lanh lệch pha.
Đòn bẩy: đổi lực lấy quãng đường
Đòn bẩy là thanh cứng quay quanh một điểm tựa. Lực đặt ở đầu dài, vật ở đầu ngắn gần điểm tựa: lực tay được nhân lên, nhưng tay phải đi quãng dài hơn. Kìm cộng lực, xà beng, kéo cắt tôn đều dựa vào đó.
Ngược lại, lực đặt gần điểm tựa, đầu xa đi quãng dài và nhanh: đổi lực lấy tốc độ và hành trình, như cánh tay người, cần câu.
Công không đổi: lực nhân quãng đường ở hai đầu bằng nhau, trừ phần hao do ma sát. Không có đòn bẩy nào cho không.
Trong máy tự chế, đòn bẩy giúp một động cơ nhỏ hay một xi lanh khí nén hành trình ngắn tạo ra chuyển động dài, hoặc giúp tay người tạo lực kẹp lớn. Kẹp nhanh kiểu bật, loại có điểm qua tâm để tự khoá, là một cơ cấu đòn bẩy rất đáng học.
Cơ cấu thanh bốn khâu và những chuyển động lạ
Nối bốn thanh bằng bốn khớp quay thành một vòng khép kín, cố định một thanh, quay một thanh khác, bạn có cơ cấu bốn khâu. Tuỳ chiều dài các thanh, điểm trên thanh nối có thể vẽ ra những đường cong rất lạ: gần thẳng, hình số tám, hình giọt nước.
Cần gạt nước ô tô, bản lề tủ bếp mở trượt ra ngoài, ghế xếp, máy khâu, đều có cơ cấu thanh. Chúng tạo chuyển động phức tạp chỉ từ một đầu vào quay đơn giản.
Thiết kế cơ cấu thanh ngày nay dễ hơn nhiều nhờ phần mềm mô phỏng miễn phí: bạn kéo chiều dài thanh và xem đường đi ngay. Làm mô hình bằng bìa cứng và đinh ghim cũng là cách thử rất nhanh.
Khi làm thật, các khớp quay cần có bạc hoặc ổ bi, và thanh phải đủ cứng. Rơ ở mỗi khớp cộng dồn lại, bốn khớp lỏng nhẹ thành một cơ cấu lắc lư.
Khi nào cơ khí thắng điện tử?
Khi chuyển động lặp đi lặp lại đúng một kiểu, mãi mãi. Một cam hay một tay quay làm việc đó hàng triệu lần không cần phần mềm, không sợ nhiễu, không sợ mất điện giữa chừng làm sai trình tự.
Khi cần đồng bộ nhiều chuyển động với nhau. Nhiều cam trên cùng một trục luôn đúng pha với nhau, không bao giờ lệch nhịp.
Khi môi trường khắc nghiệt: nóng, bụi, ướt. Cơ khí chịu được những chỗ mà mạch điện tử cần hộp kín và làm mát.
Còn khi cần thay đổi chuyển động thường xuyên, cần linh hoạt, thì điện tử và động cơ điều khiển thắng. Người chế tạo giỏi biết dùng cả hai, và biết lúc nào cái nào đơn giản hơn.
Câu hỏi thường gặp
Làm cam bằng tay ở xưởng nhỏ được không?
Được với cam đơn giản: vẽ biên dạng lên tấm thép hoặc nhựa kỹ thuật, cắt thô, dũa theo vạch và kiểm bằng cách quay thử. Cam chính xác, chạy nhanh thì nên gia công bằng máy CNC hoặc máy cắt dây.
Điểm chết của tay quay là gì?
Là vị trí tay quay và thanh truyền thẳng hàng, khi đó lực đẩy dọc thanh truyền không tạo mô men quay trục. Động cơ vượt qua nhờ bánh đà hoặc nhiều xi lanh lệch pha.
Kẹp nhanh tự khoá hoạt động thế nào?
Nó là cơ cấu đòn bẩy có khớp đi qua điểm thẳng hàng một chút rồi tựa vào chặn. Lực ép từ vật kẹp đẩy khớp về phía chặn nên kẹp tự giữ chặt. Muốn mở phải kéo khớp ngược qua điểm thẳng hàng.
Có phần mềm nào mô phỏng cơ cấu thanh không?
Có nhiều phần mềm hình học và mô phỏng cơ cấu miễn phí cho phép kéo chiều dài thanh và xem đường đi. Phần mềm vẽ ba chiều cũng thường có chế độ lắp ráp mô phỏng chuyển động.
Vì sao cơ cấu tay quay của mình kêu lọc cọc?
Thường do khớp quay có rơ, bạc mòn, hoặc thanh truyền không đủ cứng. Mỗi lần đổi chiều, khe hở làm va đập. Thay bạc, siết lại khớp, và bôi trơn đều.
