Cách chọn kích thước bánh xe đẩy theo mặt sàn và vật cản

Ngược lại, với bánh nhỏ, cùng một gờ sàn sẽ chiếm tỷ lệ lớn hơn so với bán kính bánh. Bánh phải “leo” lên mép gờ theo góc dốc hơn, làm lực đẩy tăng nhanh, va đập mạnh hơn và nguy cơ bánh bị chặn lại cao hơn.

Vì vậy, không nên chọn đường kính bánh chỉ theo tải trọng danh định. Cần đồng thời xét chiều cao vật cản, độ cứng mặt sàn, vật liệu mặt lăn, tổng tải, tốc độ di chuyển và lực mà người vận hành có thể tạo ra.

Vì sao bánh xe lớn vượt chướng ngại dễ hơn?

Khi lăn trên mặt phẳng nhẵn, bánh xe chủ yếu phải thắng lực cản lăn ở mặt tiếp xúc và tổn thất trong ổ trục. Khi gặp một mép gờ, trạng thái chuyển động thay đổi: mép vật cản trở thành điểm tựa tạm thời và bánh phải quay quanh điểm này để nâng trục bánh lên.

Khả năng vượt gờ phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ giữa chiều cao vật cản và bán kính bánh:

[

\lambda=\frac{h}{r}=\frac{2h}{D}

]

Trong đó:

·         (h) là chiều cao vật cản

·         (r) là bán kính bánh

·         (D) là đường kính bánh

Với cùng một vật cản, tăng đường kính bánh sẽ làm tỷ lệ (h/r) giảm. Khi đó, đường nối từ mép gờ đến tâm bánh gần phương thẳng đứng hơn, mô-men do lực đẩy tạo ra có lợi hơn và tải được nâng qua gờ với lực nhỏ hơn.

Trong mô hình lý tưởng, giả sử bánh cứng, gờ vuông, lực tác dụng theo phương ngang tại trục và bỏ qua biến dạng, lực tối thiểu để bắt đầu leo gờ có thể biểu diễn theo tỷ lệ:

[

\frac{F}{W}=\frac{\sqrt{2rh-h^2}}{r-h}

]

Trong đó (F) là lực đẩy ngang tại trục và (W) là tải trọng thẳng đứng đặt lên bánh. Công thức cho thấy lực cần thiết không tăng tuyến tính mà tăng rất nhanh khi chiều cao gờ tiến gần bán kính bánh.

Ví dụ, nếu gờ cao bằng 10% đường kính bánh, lực leo gờ lý tưởng tương đương khoảng 48% tải tác dụng lên bánh. Khi gờ tăng lên 20% đường kính, tỷ lệ này tăng lên khoảng 75%; ở mức 30%, lực đã xấp xỉ tải trên bánh. Các giá trị này chỉ mô tả thời điểm bắt đầu leo một mép gờ lý tưởng, chưa tính tổn thất ổ trục, biến dạng lốp, bánh xoay lệch hướng hoặc tác động động lực học.

Các hướng dẫn lựa chọn caster công nghiệp cũng xem kích thước bánh là một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với khả năng lăn; bánh lớn thường dễ đẩy hoặc kéo hơn khi có tải và ít bị ảnh hưởng bởi mảnh vụn hay vật cản trên sàn.

Tỷ lệ vật cản so với đường kính bánh quan trọng hơn kích thước tuyệt đối

Không thể kết luận một bánh xe “lớn” hay “nhỏ” nếu chưa biết vật cản thực tế. Một bánh đường kính 100 mm có thể hoạt động tốt trên sàn phẳng nhưng trở nên khó đẩy khi thường xuyên đi qua gờ 15–20 mm. Trong khi đó, cùng vật cản ấy chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ đối với bánh 200 mm.

Có thể dùng tỷ lệ (h/D) để sàng lọc ban đầu:

Chiều cao vật cản so với đường kính bánh	Đặc điểm vận hành dự kiến
Dưới khoảng 5%	Thường vượt tương đối nhẹ nếu bánh thẳng hướng và tải phù hợp
Khoảng 5–10%	Lực đẩy và va đập bắt đầu tăng rõ rệt
Khoảng 10–20%	Cần đánh giá kỹ tải, vật liệu bánh và khả năng điều khiển
Trên khoảng 20%	Nguy cơ kẹt hoặc va đập mạnh; nên tăng đường kính hoặc xử lý mặt sàn

Đây là tỷ lệ định hướng, không phải giới hạn an toàn áp dụng cho mọi loại xe. Kết quả thực tế còn thay đổi theo hình dạng vật cản. Mép vát, gờ bo tròn hoặc đoạn dốc chuyển tiếp dễ vượt hơn nhiều so với mép vuông sắc có cùng chiều cao.

Trong một số phép thử caster công nghiệp, vật cản được quy định theo tỷ lệ phần trăm của đường kính bánh. Chẳng hạn, Blickle mô tả điều kiện thử động với vật cản cao bằng 3% đường kính bánh trên bề mặt cứng và nằm ngang. Điều này cho thấy tỷ lệ vật cản–đường kính là một thông số kỹ thuật có ý nghĩa, nhưng mức 3% trong phép thử không nên bị hiểu thành giới hạn lựa chọn phổ quát.

Chọn đường kính bánh theo loại mặt sàn

Sàn phẳng, cứng và ít khe nối

Trên bê tông xoa phẳng, epoxy hoặc gạch công nghiệp được thi công tốt, vật cản thường nhỏ. Bánh có đường kính vừa phải có thể đáp ứng nếu:

·         Tải trên mỗi bánh nằm trong giới hạn cho phép

·         Quãng đường di chuyển ngắn

·         Tốc độ thấp

·         Không có khe co giãn sâu

·         Xe không phải đổi hướng liên tục dưới tải lớn

Trong điều kiện này, tăng đường kính vẫn giúp giảm lực đẩy, nhưng lợi ích có thể không đủ lớn để bù cho chiều cao lắp đặt, khối lượng và chi phí tăng thêm.

Sàn có mối nối, rãnh hoặc ngưỡng cửa

Khe sàn tạo ra hai vấn đề khác nhau. Mép trước của khe hoạt động như một gờ cần vượt qua, trong khi khoảng hở có thể làm bánh nhỏ rơi sâu xuống trước khi chạm mép đối diện.

Cần đo cả:

·         Độ sâu của khe

·         Bề rộng khe

·         Độ sắc của mép

·         Góc tiếp cận của bánh

·         Tần suất xe đi qua

Bánh đường kính lớn giảm mức độ “rơi” vào khe và tạo góc tiếp cận thuận lợi hơn. Tuy nhiên, nếu khe quá rộng so với vùng tiếp xúc của bánh, tăng đường kính nhưng giữ mặt lăn quá hẹp vẫn có thể không giải quyết hoàn toàn hiện tượng mắc bánh.

Sàn gồ ghề, có đá vụn hoặc phoi kim loại

Với mảnh vụn rời rạc, bánh lớn ít bị chặn đột ngột hơn vì vật cản chiếm tỷ lệ nhỏ hơn so với bán kính. Bánh mềm cũng có thể biến dạng quanh vật cản thay vì phải nâng toàn bộ tải lên ngay lập tức.

Hamilton Caster lưu ý rằng mặt lăn polyurethane mềm hơn có xu hướng ôm theo vật cản, nhờ đó bánh có thể đi qua mảnh vụn dễ hơn. Tuy nhiên, biến dạng lớn cũng làm tăng tổn thất do trễ đàn hồi và có thể tăng lực cản lăn liên tục.

Sàn ngoài trời hoặc bề mặt không đồng đều

Trên bê tông thô, nhựa đường, nền lát hoặc khu vực có rãnh thoát nước, nên ưu tiên bánh lớn hơn so với ứng dụng trong nhà. Lý do không chỉ là chiều cao từng vật cản mà còn là chuỗi dao động liên tục khi bánh đi qua nhiều điểm lồi lõm.

Bánh quá nhỏ có thể vẫn vượt được từng gờ riêng lẻ nhưng gây:

·         Rung xe mạnh

·         Dịch chuyển hàng hóa

·         Tăng tải va đập lên càng bánh

·         Tăng mệt mỏi cho người đẩy

·         Giảm khả năng kiểm soát hướng

Trong trường hợp mặt sàn rất xấu, chỉ tăng đường kính bánh chưa chắc đủ. Có thể cần bánh khí nén, bánh bán khí nén, mặt lăn đàn hồi hoặc hệ thống caster hấp thụ chấn động.

Đường kính bánh không phải yếu tố duy nhất

Độ cứng của mặt lăn

Bánh cứng như nylon, gang hoặc polyurethane độ cứng cao thường biến dạng ít nên có lực cản lăn thấp trên sàn nhẵn. Đổi lại, chúng truyền va đập trực tiếp hơn khi gặp gờ.

Bánh cao su hoặc polyurethane mềm có khả năng hấp thụ rung và biến dạng quanh vật cản nhỏ. Tuy nhiên, mặt lăn càng mềm thì vùng tiếp xúc và tổn thất biến dạng thường càng lớn, đặc biệt dưới tải cao.

Do đó:

·         Sàn rất nhẵn ưu tiên bánh cứng khi cần lực lăn thấp

·         Sàn có mảnh vụn nhỏ ưu tiên mặt lăn đàn hồi hơn

·         Sàn có gờ lớn vẫn cần tăng đường kính, không nên chỉ dựa vào độ mềm

Bề rộng bánh

Bánh rộng phân bố áp suất lên sàn tốt hơn và ít lún trên bề mặt mềm. Tuy nhiên, bề rộng lớn không tạo ra lợi thế hình học tương đương với tăng đường kính khi gặp mép gờ vuông.

Trên nền mềm, bánh rộng có thể quan trọng ngang hoặc hơn đường kính. Trên sàn cứng có gờ, đường kính thường là biến số quyết định khả năng leo vật cản.

Tải trọng trên mỗi bánh

Lực leo gờ tỷ lệ với tải thực tế đặt lên bánh đang tiếp xúc vật cản. Không nên lấy tổng tải chia đều tuyệt đối cho bốn bánh, vì:

·         Sàn có thể không phẳng

·         Khung xe có thể bị xoắn

·         Trọng tâm hàng không nằm giữa

·         Khi vượt gờ, tải chuyển dịch giữa các bánh

·         Một bánh có thể chịu tải cao hơn đáng kể trong thời gian ngắn

Khi chọn kích thước bánh xe đẩy, cần kiểm tra đồng thời tải động và tải va đập, không chỉ tải danh định tĩnh của bánh.

Càng xoay và hướng tiếp cận

Bánh cố định tiếp cận vật cản theo hướng đã xác định nên lực đẩy được truyền tương đối hiệu quả. Với bánh xoay, nếu bánh chưa thẳng hướng, một phần lực ban đầu phải dùng để xoay cụm caster trước khi leo gờ.

Hiện tượng này làm xe có cảm giác nặng hơn dù đường kính bánh không đổi. Tình trạng thường rõ khi:

·         Càng xoay có độ lệch tâm lớn

·         Ổ xoay chịu tải cao

·         Bốn bánh đều là bánh xoay

·         Xe bắt đầu chuyển động sát vật cản

·         Người dùng đẩy chéo thay vì vuông góc với gờ

Ổ trục

Ổ bi chính xác, ổ con lăn và bạc trượt có mức tổn thất khác nhau. Ổ trục tốt giúp giảm lực khi lăn trên mặt phẳng, nhưng không thể loại bỏ bất lợi hình học của một bánh quá nhỏ so với vật cản.

Vì vậy, nâng cấp ổ trục có thể làm xe chạy nhẹ hơn trên sàn phẳng, còn tăng đường kính mới trực tiếp cải thiện góc tiếp cận khi vượt gờ.

Cách xác định đường kính bánh phù hợp

Bước 1: Khảo sát vật cản lớn nhất

Không chỉ quan sát bằng mắt. Hãy đo:

·         Gờ cao nhất

·         Khe rộng nhất

·         Rãnh sâu nhất

·         Mảnh vụn thường gặp

·         Độ dốc chuyển tiếp

·         Mép vuông hay mép bo tròn

Nên dùng điều kiện xấu thường xuyên gặp làm cơ sở thiết kế. Một vật cản hiếm gặp có thể được xử lý bằng đường đi khác, tấm dốc hoặc sửa mặt sàn thay vì buộc toàn bộ xe phải dùng bánh quá lớn.

Bước 2: Tính tỷ lệ vật cản trên đường kính

Tính:

[

\frac{h}{D}

]

Ví dụ, xe phải vượt gờ 10 mm:

·         Bánh 80 mm: (h/D=12,5%)

·         Bánh 125 mm: (h/D=8%)

·         Bánh 160 mm: (h/D=6,25%)

·         Bánh 200 mm: (h/D=5%)

Dù cùng một gờ, bánh 200 mm gặp vật cản tương đối chỉ bằng 40% so với bánh 80 mm. Lực leo gờ và mức va đập vì thế giảm đáng kể.

Bước 3: Kiểm tra tải thực tế

Tổng tải phải gồm:

[

\text{Tải tổng}=\text{Khối lượng xe} \text{Khối lượng hàng}

]

Khi xe có bốn bánh, không nên mặc định mỗi bánh luôn chịu đúng 25% tải. Có thể sử dụng hệ số dự phòng hoặc tính tải trên ba bánh đối với sàn không phẳng:

[

\text{Tải thiết kế mỗi bánh}\approx\frac{\text{Tải tổng}}{3}

]

Cách tính này là nguyên tắc thận trọng phổ biến, không thay thế dữ liệu tải động của nhà sản xuất hoặc phân tích kết cấu đối với xe chuyên dụng.

Bước 4: Xác định lực vận hành cho phép

Cần phân biệt:

·         Lực khởi động

·         Lực duy trì chuyển động

·         Lực đổi hướng

·         Lực vượt gờ

Một xe có thể lăn nhẹ trên sàn phẳng nhưng vẫn đòi hỏi lực rất lớn khi gặp ngưỡng cửa. Vì thế, thử nghiệm chỉ trên đoạn sàn nhẵn không đủ để xác nhận kích thước bánh phù hợp.

Bước 5: Chọn vật liệu bánh theo mặt sàn

Có thể dùng định hướng sau:

Điều kiện	Hướng lựa chọn
Sàn nhẵn, tải nặng	Bánh cứng, đường kính đủ lớn, ổ trục có tổn thất thấp
Sàn có mảnh vụn nhỏ	Bánh lớn kết hợp mặt lăn đàn hồi vừa phải
Sàn gồ ghề	Bánh đường kính lớn, mặt lăn dày hoặc có khả năng hấp thụ chấn động
Nền mềm	Bánh lớn và rộng để giảm lún
Hàng dễ hư hỏng	Bánh đàn hồi hoặc caster giảm chấn, đồng thời kiểm soát tốc độ
Có khe, ray hoặc rãnh	Kiểm tra cả đường kính, bề rộng bánh và hình học khe

Bước 6: Thử nghiệm với tải thật

Thông số trong catalog thường được xác định trong điều kiện kiểm soát. Blickle, chẳng hạn, mô tả phép đo lực cản lăn trên bề mặt thép phẳng, nhẵn, sạch vật cản, ở tốc độ 4 km/h và tải bằng hai phần ba tải trọng tối đa. Điều kiện thực tế có thể khác đáng kể.

Do đó, mẫu bánh nên được thử với:

·         Tải lớn nhất dự kiến

·         Đường đi thực tế

·         Vật cản lớn nhất

·         Tốc độ vận hành

·         Số lần vượt gờ lặp lại

·         Hướng tiếp cận bất lợi

·         Người vận hành đại diện

Những sai lầm thường gặp khi chọn kích thước bánh xe đẩy

Chỉ nhìn vào tải trọng danh định

Một bánh nhỏ có thể đủ khả năng chịu tải nhưng vẫn rất khó vượt khe hoặc gờ. Khả năng chịu tải và khả năng vượt chướng ngại là hai yêu cầu khác nhau.

Cho rằng bánh mềm có thể thay thế bánh lớn

Bánh mềm giúp hấp thụ mảnh vụn nhỏ và giảm va đập, nhưng không loại bỏ giới hạn hình học. Khi gờ cao chiếm tỷ lệ lớn so với bán kính, bánh vẫn phải nâng tải lên đáng kể.

Chọn bánh lớn nhất có thể mà không xét hệ quả

Tăng đường kính thường cải thiện khả năng lăn, nhưng cũng có thể:

·         Tăng chiều cao mặt sàn xe

·         Làm thay đổi trọng tâm

·         Tăng bán kính quay

·         Tăng khối lượng cụm caster

·         Tăng không gian lắp đặt

·         Tăng chi phí

·         Gây vướng kết cấu hoặc thiết bị xung quanh

Kích thước tối ưu là đường kính đủ lớn cho vật cản và lực vận hành yêu cầu, không nhất thiết là kích thước lớn nhất có thể lắp.

Bỏ qua hướng của bánh xoay

Xe có thể vượt gờ tốt khi bánh đã thẳng nhưng bị khựng khi caster nằm ngang. Thử nghiệm cần bao gồm cả trạng thái bánh xoay chưa được căn hướng.

Không xử lý nguyên nhân từ mặt sàn

Nếu một gờ đơn lẻ gây vấn đề cho mọi xe, sửa mép gờ, lắp nẹp chuyển tiếp hoặc bổ sung tấm dốc có thể hiệu quả hơn việc thay toàn bộ bánh xe trong hệ thống.

Nguyên tắc lựa chọn thực tế

Khi hai bánh có cùng vật liệu, bề rộng, ổ trục và khả năng chịu tải, bánh có đường kính lớn hơn gần như luôn có lợi thế khi vượt chướng ngại. Tuy nhiên, mức đường kính cần thiết phải được xác định từ vật cản thực tế chứ không từ cảm nhận chung.

Quy trình phù hợp là:

1.    Đo vật cản lớn nhất trên tuyến đường

2.    So sánh chiều cao vật cản với đường kính bánh

3.    Kiểm tra tải thực tế trên bánh bất lợi nhất

4.    Chọn độ cứng và bề rộng mặt lăn theo loại sàn

5.    Kiểm tra chiều cao lắp đặt và khả năng xoay

6.    Thử nghiệm với tải và đường đi thật

Hamilton Caster gọi kích thước bánh là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng lăn và khuyến nghị chọn bánh đủ lớn để vượt các vết nứt, gờ và vật cản của mặt sàn. Colson cũng hướng dẫn kiểm tra điều kiện sàn trước khi chọn bánh có kích thước đủ để đi qua các điểm cản.

Kích thước bánh xe đẩy ảnh hưởng trực tiếp đến góc tiếp cận, mô-men cần thiết và lực va đập khi bánh gặp chướng ngại. Bánh càng lớn thì cùng một gờ càng nhỏ so với bán kính bánh, nhờ đó xe vượt qua dễ hơn và ít bị dừng đột ngột.

Tuy nhiên, đường kính không thể được xem riêng lẻ. Lựa chọn đúng phải kết hợp chiều cao và hình dạng vật cản, tải trên từng bánh, vật liệu mặt lăn, bề rộng bánh, cấu tạo ổ trục, loại càng caster và điều kiện mặt sàn. Thay vì chọn bánh theo tải trọng hoặc kích thước catalog, nên đo tuyến đường thực tế, tính tỷ lệ vật cản trên đường kính và thử nghiệm dưới tải lớn nhất dự kiến.