Cấu tạo bánh xe đẩy và nguyên lý hoạt động của từng bộ phận

Tùy thiết kế, bánh xe đẩy có thể là loại cố định, loại xoay 360 độ, loại có phanh hoặc loại kết hợp nhiều chức năng. Tuy nhiên, cấu tạo cơ bản thường bao gồm bánh xe, lớp lăn, lõi bánh, ổ bi hoặc bạc lót, trục bánh, càng bánh xe, bộ phận xoay, bộ phận lắp đặt và cơ cấu phanh.

Hiểu rõ đường truyền tải và nguyên lý vận hành của từng chi tiết giúp giải thích vì sao hai bánh xe có hình thức tương tự nhưng khả năng chịu tải, độ êm, lực đẩy và độ bền có thể khác nhau đáng kể.

Cấu tạo tổng thể của bánh xe đẩy

Một cụm bánh xe đẩy hoàn chỉnh có thể được chia thành ba nhóm chính:

·         Nhóm tạo chuyển động lăn: Gồm lớp lăn, lõi bánh, moay-ơ, ổ bi hoặc bạc lót và trục bánh

·         Nhóm chịu lực và liên kết: Gồm càng bánh xe, mặt đế hoặc trục ren, bulông và các chi tiết gia cường

·         Nhóm điều khiển chuyển động: Gồm cụm xoay, vòng bi xoay, chốt trụ và cơ cấu phanh

Khi hàng hóa được đặt lên xe, tải trọng truyền từ khung xe xuống mặt đế, đi qua cụm xoay và càng, sau đó truyền qua trục đến lõi bánh. Cuối cùng, lớp lăn tiếp xúc với mặt sàn và phân bố lực xuống nền.

Đường truyền lực này cho thấy khả năng chịu tải của bánh xe không phụ thuộc riêng vào vật liệu lớp lăn. Một bánh có lớp ngoài rất cứng vẫn có thể hỏng sớm nếu càng mỏng, trục nhỏ, ổ bi yếu hoặc liên kết với khung xe không đủ chắc.

Bánh xe và lớp lăn tiếp xúc với mặt sàn

Bánh xe là bộ phận trực tiếp tạo chuyển động và tiếp xúc với mặt nền. Về cấu tạo, bánh thường gồm lớp lăn ở bên ngoài và lõi chịu lực ở bên trong.

Lớp lăn

Lớp lăn, đôi khi được gọi là mặt bánh hoặc lốp bánh, là phần tiếp xúc trực tiếp với sàn. Bộ phận này quyết định phần lớn các đặc tính như độ êm, độ bám, tiếng ồn, khả năng chịu mài mòn và lực cần thiết để đẩy xe.

Các vật liệu thường gặp gồm:

·         Cao su

·         Polyurethane, thường viết tắt là PU

·         Nhựa nylon hoặc polyamide

·         Nhựa nhiệt dẻo

·         Gang hoặc thép

Vật liệu mềm như cao su có khả năng biến dạng khi chịu tải. Sự biến dạng giúp bánh hấp thụ rung động và giảm tiếng ồn, nhưng đồng thời làm tăng tổn hao năng lượng do vật liệu liên tục bị ép và phục hồi trong quá trình lăn.

Vật liệu cứng như nylon, gang hoặc thép biến dạng ít hơn nên thường tạo lực cản lăn thấp trên nền phẳng và cứng. Đổi lại, bánh truyền rung mạnh hơn vào khung xe, phát ra tiếng ồn lớn hơn và có thể gây áp lực cao lên bề mặt sàn.

PU nằm giữa hai nhóm trên. Vật liệu này có thể tạo lớp lăn tương đối êm nhưng vẫn giữ khả năng chịu mài mòn và chịu tải tốt. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào độ cứng PU, chiều dày lớp lăn, chất lượng liên kết với lõi và điều kiện nhiệt độ.

Lõi bánh

Lõi bánh là phần kết cấu nằm bên trong lớp lăn. Nó tiếp nhận lực từ trục bánh và phân bố lực ra toàn bộ chu vi bánh.

Lõi có thể được chế tạo từ:

·         Nhựa kỹ thuật

·         Gang

·         Thép

·         Nhôm

·         Hợp kim khác

Lõi kim loại thường có độ cứng và khả năng chịu tải cao, nhưng làm tăng khối lượng cụm bánh. Lõi nhựa nhẹ hơn và chống ăn mòn tốt hơn trong nhiều môi trường, song giới hạn tải và nhiệt độ phụ thuộc đáng kể vào loại nhựa cũng như thiết kế gân tăng cứng.

Ở bánh PU hoặc cao su bọc lõi, độ bền không chỉ phụ thuộc từng vật liệu riêng lẻ mà còn phụ thuộc khả năng bám dính giữa lớp ngoài và lõi. Nếu liên kết này suy giảm do quá tải, nhiệt, hóa chất hoặc lão hóa, lớp lăn có thể bong khỏi lõi dù trục và ổ bi vẫn còn hoạt động.

Moay-ơ, ổ bi và bạc lót

Moay-ơ là vùng trung tâm của bánh, nơi tiếp nhận trục và bố trí ổ bi hoặc bạc lót. Khi xe di chuyển, bánh quay quanh trục tại khu vực này.

Ổ bi

Ổ bi sử dụng các viên bi hoặc con lăn nằm giữa vòng trong và vòng ngoài. Thay vì để hai bề mặt trượt trực tiếp lên nhau, ổ bi chuyển phần lớn ma sát trượt thành ma sát lăn.

Nhờ đó, bánh có thể quay dễ hơn, đặc biệt khi:

·         Tải trọng tương đối lớn

·         Xe phải di chuyển thường xuyên

·         Cần giảm lực khởi động

·         Cần duy trì chuyển động ổn định trên quãng đường dài

Ổ bi rãnh sâu thường được sử dụng trong các bánh xe công nghiệp phổ biến. Với tải nặng hơn, thiết kế có thể dùng ổ con lăn hoặc hai ổ bi đặt ở hai phía moay-ơ để tăng độ ổn định và giảm độ nghiêng của bánh.

Ổ bi không tự động bảo đảm bánh lăn nhẹ trong mọi trường hợp. Nếu ổ bị lắp lệch, siết trục quá chặt, thiếu bôi trơn hoặc bị bụi và nước xâm nhập, lực cản có thể tăng nhanh. Trong môi trường ẩm, hóa chất hoặc vệ sinh thường xuyên, vật liệu vòng bi và khả năng làm kín trở thành yếu tố quan trọng.

Bạc lót

Bạc lót là ống lót nằm giữa bánh và trục. Khi bánh quay, bề mặt trong của bạc trượt quanh trục.

Cấu tạo này đơn giản, ít chi tiết và phù hợp với các ứng dụng có tốc độ thấp hoặc tần suất di chuyển không cao. Tuy nhiên, ma sát trượt thường lớn hơn ma sát của ổ bi, vì vậy xe có thể cần lực đẩy lớn hơn khi tải tăng.

Khe hở giữa bạc và trục phải đủ để bánh quay nhưng không quá lớn. Khe hở quá nhỏ dễ gây bó cứng khi vật liệu giãn nở hoặc khi có bụi bẩn. Khe hở quá lớn lại khiến bánh rung, nghiêng và mòn không đều.

Trục bánh xe

Trục bánh là chi tiết đi xuyên qua moay-ơ, ổ bi hoặc bạc lót để liên kết bánh với càng. Trong phần lớn cụm bánh xe đẩy, trục được giữ cố định còn bánh quay quanh trục.

Trục phải chịu đồng thời nhiều dạng tải:

·         Lực cắt do trọng lượng xe và hàng hóa

·         Lực uốn khi bánh gặp khe, gờ hoặc vật cản

·         Lực dọc trục khi xe đổi hướng

·         Va đập phát sinh khi xe di chuyển trên nền không bằng phẳng

Nếu đường kính trục không đủ hoặc khoảng cách giữa hai nhánh càng quá lớn, trục có thể bị võng. Độ võng làm ổ bi lệch tâm, tăng ma sát và gây mòn không đều.

Việc siết bulông trục cũng cần đúng mức. Siết quá lỏng làm bánh rung và phát ra tiếng động. Siết quá chặt có thể ép hai nhánh càng vào moay-ơ, làm ổ bi hoặc bạc lót bị kẹp và khiến bánh khó quay.

Càng bánh xe

Càng là khung kim loại ôm hai bên bánh và giữ trục bánh. Đây là bộ phận trung gian truyền tải từ khung xe xuống trục.

Càng thường được chế tạo từ thép dập, thép hàn, inox hoặc gang đúc. Khả năng chịu tải của càng phụ thuộc vào:

·         Chiều dày vật liệu

·         Hình dạng tiết diện

·         Khoảng cách giữa hai nhánh

·         Chất lượng mối hàn hoặc vùng dập

·         Đường kính lỗ trục

·         Khả năng chống biến dạng ngang

Khi bánh gặp vật cản, lực tác động không còn hoàn toàn theo phương thẳng đứng. Càng phải chịu thêm mômen uốn và lực xoắn. Vì vậy, tải trọng tĩnh mà cụm bánh chịu được khi đứng yên thường không phản ánh đầy đủ khả năng làm việc trong điều kiện xe đang di chuyển.

Càng của bánh cố định được liên kết trực tiếp với mặt đế và chỉ cho phép bánh lăn theo một phương. Càng của bánh xoay được gắn dưới cụm xoay, cho phép toàn bộ càng quay quanh trục đứng.

Cụm xoay 360 độ

Cụm xoay là bộ phận phân biệt bánh xe xoay với bánh xe cố định. Nó cho phép càng và bánh đổi hướng quanh một trục gần thẳng đứng.

Cấu tạo phổ biến của cụm xoay gồm:

·         Mâm trên liên kết với xe

·         Mâm dưới liên kết với càng

·         Một hoặc nhiều vòng bi

·         Chốt trụ trung tâm

·         Rãnh hoặc vòng đỡ bi

·         Phớt che bụi hoặc nắp bảo vệ nếu có

Khi người dùng đẩy xe sang một hướng mới, lực ngang tác động lên vùng tiếp xúc giữa bánh và mặt sàn. Do tâm bánh thường nằm lệch phía sau trục xoay, lực này tạo ra mômen làm cụm càng tự quay cho đến khi bánh nằm theo hướng chuyển động.

Khoảng cách giữa trục xoay và trục bánh thường được gọi là độ lệch tâm hoặc khoảng lệch càng. Đây là yếu tố trực tiếp tạo khả năng tự định hướng.

Độ lệch lớn giúp bánh tạo mômen xoay mạnh hơn và dễ tự trở về hướng chuyển động. Tuy nhiên, nó cũng làm tăng bán kính quét của cụm bánh và có thể tạo lực tác động lớn hơn lên cơ cấu xoay khi xe đổi hướng đột ngột.

Độ lệch nhỏ giúp cụm bánh gọn hơn nhưng làm giảm khả năng tự định hướng, nhất là khi tải nặng hoặc khi ma sát trong vòng xoay lớn.

Một số bánh tải nặng sử dụng thiết kế không có chốt trụ trung tâm, thường gọi là kết cấu kingpinless. Tải được phân bố trên vùng vòng bi rộng hơn thay vì tập trung quanh một chốt. Cấu tạo này có thể tăng khả năng chịu va đập và giảm độ rơ trong các ứng dụng công nghiệp nặng, nhưng phức tạp và có chi phí cao hơn loại có chốt trụ truyền thống.

Mặt đế và trục lắp bánh xe

Bộ phận lắp đặt liên kết cụm bánh với khung xe. Hai kiểu thông dụng là mặt đế và trục lắp.

Mặt đế

Mặt đế là tấm kim loại có các lỗ để bắt bulông vào đáy xe. Diện tích tiếp xúc tương đối lớn giúp phân bố tải lên khung và tạo liên kết chắc chắn.

Khả năng chịu tải thực tế phụ thuộc không chỉ vào tấm đế mà còn vào:

·         Số lượng bulông

·         Cấp bền và đường kính bulông

·         Khoảng cách giữa các lỗ

·         Chiều dày khung xe

·         Khả năng chống xé hoặc biến dạng của vị trí lắp

Một cụm bánh có tải định mức cao vẫn có thể bị bung khỏi xe nếu được bắt vào tấm khung quá mỏng hoặc sử dụng bulông không phù hợp.

Trục ren hoặc trục cắm

Kiểu trục sử dụng một thân tròn hoặc trục ren đưa vào chân xe. Thiết kế này gọn, phù hợp với xe nhỏ, thiết bị nội thất hoặc khung ống.

Do vùng liên kết hẹp hơn mặt đế, khả năng chịu mômen ngang phụ thuộc nhiều vào chiều dài trục, độ khít của lỗ lắp và độ cứng của chân xe. Nếu khe hở lớn, bánh có thể lắc dù vòng bi xoay vẫn còn tốt.

Cơ cấu phanh bánh xe

Phanh bánh xe đẩy có nhiệm vụ hạn chế một hoặc nhiều dạng chuyển động của cụm bánh.

Phanh bánh

Phanh bánh ép má phanh hoặc cần khóa lên lớp lăn, ngăn bánh quay quanh trục ngang. Xe khó tiến hoặc lùi, nhưng cụm càng vẫn có thể xoay quanh trục đứng nếu cơ cấu xoay không bị khóa.

Khóa hướng xoay

Khóa hướng giữ cụm càng tại một góc xác định. Bánh vẫn có thể lăn nhưng không tự xoay sang hướng khác. Cơ cấu này hữu ích khi cần biến bánh xoay thành bánh chạy thẳng tạm thời để điều khiển xe trên quãng đường dài.

Phanh toàn phần

Phanh toàn phần đồng thời khóa chuyển động quay của bánh và chuyển động xoay của càng. Đây là cấu tạo phù hợp khi cần giữ xe ổn định trong quá trình bốc dỡ hoặc thao tác tại chỗ.

Cần lưu ý rằng phanh bánh xe đẩy chủ yếu là cơ cấu giữ vị trí. Nó không nên mặc nhiên được xem như phanh động lực để dừng một xe tải nặng đang chạy nhanh hoặc giữ xe trên mặt dốc lớn. Hiệu quả giữ xe còn phụ thuộc độ bám của bánh với sàn, tải trọng, độ dốc, độ mòn của má phanh và số bánh được khóa.

Nguyên lý lăn của bánh xe đẩy

Khi lực đẩy được truyền vào tay đẩy hoặc khung xe, lực ngang tạo mômen quanh trục bánh. Nếu mômen này lớn hơn tổng lực cản, bánh bắt đầu quay.

Các nguồn cản chính gồm:

·         Biến dạng của lớp lăn

·         Biến dạng cục bộ của mặt sàn

·         Ma sát trong ổ bi hoặc bạc lót

·         Ma sát tại phớt chắn bụi

·         Sai lệch lắp ráp

·         Chướng ngại vật trên đường đi

Bánh có đường kính lớn thường vượt khe và gờ dễ hơn bánh nhỏ. Nguyên nhân là cùng một vật cản sẽ tạo góc leo nhỏ hơn so với bán kính bánh, nhờ đó lực ngang cần thiết để nâng tâm bánh lên thấp hơn.

Tuy nhiên, tăng đường kính cũng làm bánh nặng hơn, chiếm nhiều không gian hơn và nâng chiều cao sàn xe. Vì vậy, đường kính phù hợp phải được xác định theo tải trọng, trạng thái mặt sàn, chiều cao lắp đặt và khả năng điều khiển mong muốn.

Nguyên lý tự đổi hướng của bánh xoay

Bánh xoay không đổi hướng nhờ động cơ hoặc cơ cấu lái riêng. Nó tự định hướng nhờ độ lệch giữa trục xoay và điểm tiếp xúc của bánh với sàn.

Khi hướng đẩy thay đổi, điểm tiếp xúc tạo lực ngang. Vì lực này không đi qua tâm trục xoay nên xuất hiện mômen quay. Mômen kéo bánh về vị trí nằm sau trục xoay theo hướng chuyển động, tương tự cách bánh trước của xe đẩy hàng tự bám theo đường đi.

Quá trình tự định hướng bị ảnh hưởng bởi:

·         Độ lệch tâm của càng

·         Đường kính bánh

·         Tải đặt lên bánh

·         Ma sát trong vòng xoay

·         Độ bám giữa bánh và sàn

·         Tốc độ đổi hướng

·         Độ rơ của cụm xoay

Nếu vòng xoay bị gỉ, thiếu bôi trơn hoặc biến dạng, mômen tự định hướng có thể không đủ thắng ma sát. Khi đó bánh dễ bị kéo ngang, gây tiếng rít, mòn lệch và làm người vận hành phải dùng lực lớn hơn.

Cách tải trọng được phân bố qua các bánh

Trong điều kiện lý tưởng, tổng tải được chia đều cho tất cả bánh. Thực tế, mặt sàn và khung xe không hoàn toàn phẳng nên một bánh có thể tạm thời chịu tải thấp hơn, khiến các bánh còn lại phải nhận phần tải lớn hơn.

Khi ước tính tải cho xe bốn bánh, một nguyên tắc kỹ thuật thận trọng thường được sử dụng là giả định chỉ ba bánh đồng thời chịu tải:

Tải yêu cầu cho mỗi bánh ≈ Tổng khối lượng xe và hàng hóa / 3

Sau đó cần bổ sung hệ số dự phòng cho va đập, tốc độ, nền gồ ghề, tải lệch và tần suất sử dụng. Đây là phương pháp ước tính thực hành, không thay thế tải định mức và điều kiện thử do nhà sản xuất công bố.

Ví dụ, xe và hàng có tổng khối lượng 600 kg không nên mặc nhiên sử dụng bốn bánh định mức 150 kg. Theo giả định ba điểm chịu lực, mỗi bánh đã phải chịu khoảng 200 kg trước khi tính hệ số động.

Tải định mức cũng chỉ có ý nghĩa khi toàn bộ cụm bánh, chi tiết lắp và khung xe đều đáp ứng tải tương ứng. Không nên lấy khả năng chịu tải riêng của vật liệu bánh để đại diện cho cả cụm.

Sự phối hợp giữa bánh cố định và bánh xoay

Cấu hình bánh ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển xe.

Bốn bánh xoay giúp xe di chuyển theo nhiều hướng và quay trong không gian hẹp. Tuy nhiên, xe có thể khó giữ đường thẳng khi đi xa, đặc biệt nếu tải cao hoặc các bánh xoay không đồng đều.

Hai bánh cố định kết hợp hai bánh xoay tạo khả năng chạy thẳng ổn định hơn. Người vận hành điều hướng bằng phía có bánh xoay, trong khi hai bánh cố định duy trì trục chuyển động chính.

Một số xe dài sử dụng bánh cố định ở giữa và bánh xoay ở hai đầu để giảm bán kính quay. Cấu hình này chỉ hoạt động tốt khi chiều cao và vị trí bánh được tính toán đúng; nếu không, tải có thể phân bố không đều hoặc một số bánh không tiếp xúc ổn định với sàn.

Không có cấu hình nào phù hợp cho mọi xe đẩy. Việc lựa chọn phải dựa trên không gian quay, quãng đường di chuyển, hướng chuyển động, tải trọng và khả năng kiểm soát mong muốn.

Những yếu tố quyết định một bánh xe hoạt động nhẹ và bền

Một bánh xe vận hành tốt là kết quả của sự phối hợp giữa nhiều bộ phận, không phải chỉ do một vật liệu “tốt” hơn.

Các yếu tố có ảnh hưởng lớn gồm:

1.    Đường kính bánh: Bánh lớn thường vượt vật cản tốt hơn nhưng làm tăng chiều cao và kích thước cụm bánh

2.    Độ cứng lớp lăn: Lớp cứng giảm biến dạng trên sàn phẳng; lớp mềm giảm rung và bảo vệ mặt nền tốt hơn

3.    Loại ổ đỡ: Ổ bi phù hợp với chuyển động thường xuyên; bạc lót phù hợp hơn với kết cấu đơn giản và tốc độ thấp

4.    Độ cứng của càng và trục: Biến dạng tại hai chi tiết này làm bánh lệch tâm và tăng ma sát

5.    Chất lượng cụm xoay: Vòng xoay trơn, ít rơ giúp bánh đổi hướng nhanh và ổn định

6.    Điều kiện mặt sàn: Khe, gờ, phoi kim loại và bụi bẩn làm tăng va đập hoặc cản trở chuyển động

7.    Môi trường làm việc: Nước, nhiệt độ và hóa chất có thể ảnh hưởng đến lớp lăn, chất bôi trơn, ổ bi và chi tiết kim loại

8.    Mức tải thực tế: Quá tải làm lớp lăn biến dạng, trục võng, càng mở và vòng bi xuống cấp nhanh

Một hiểu lầm phổ biến là bánh càng cứng thì càng bền. Bánh cứng có thể chịu biến dạng tốt và lăn nhẹ trên nền phẳng, nhưng lực va đập truyền vào ổ bi, càng và hàng hóa cũng lớn hơn. Ngược lại, bánh mềm hấp thụ rung tốt nhưng có thể sinh nhiệt và tăng lực cản nếu tải quá cao. Độ bền vì thế phải được đánh giá trên toàn bộ hệ thống và điều kiện sử dụng.

Cấu tạo bánh xe đẩy là một chuỗi liên kết cơ khí hoàn chỉnh. Lớp lăn tiếp xúc với sàn, lõi bánh phân bố tải, ổ bi hoặc bạc lót cho phép bánh quay, trục truyền lực sang càng, cụm xoay tạo khả năng đổi hướng, còn mặt đế liên kết toàn bộ cụm với khung xe. Cơ cấu phanh kiểm soát chuyển động khi xe cần dừng.

Nguyên lý hoạt động của bánh xe dựa trên việc chuyển ma sát trượt thành chuyển động lăn, đồng thời sử dụng độ lệch tâm của càng để bánh xoay tự định hướng. Hiệu quả vận hành phụ thuộc vào sự phù hợp giữa tải trọng, đường kính, vật liệu, ổ đỡ, kết cấu càng, điều kiện mặt sàn và cách lắp đặt. Vì vậy, đánh giá bánh xe cần dựa trên cả cụm thay vì chỉ nhìn vào lớp vật liệu bên ngoài.