Vít trợ lực Power Screw (bao gồm vít me hoặc vít Acme Screw) là một loại máy đơn giản có thể được sử dụng để tạo ra lực rất lớn. Vít có thể được có biên dạng ren nêm. Bằng cách giữ một đai ốc cố định và xoay trục, chúng ta có thể làm cho đai ốc trượt lên hoặc xuống. Theo cách này, một mô men tương đối nhỏ trên trục có thể gây ra lực rất lớn trên đai ốc.
Phân tích static loads của vít trợ lực:
Cách dễ nhất để phân tích hệ thống trục vít trợ lực là xét biên dạng 2D bằng cách “unwrapping” đoạn đường nối xung quanh trục. Để làm điều này, chúng ta sẽ cần hai số. Đầu tiên, chúng ta sẽ cần đường kính của trục, và thứ hai, chúng ta sẽ cần ren trên mỗi inch/centimet hoặc bước của vít. Số ren trên mỗi inch cho bạn biết bạn có bao nhiêu ren trên mỗi inch/centimet vít. Với thiết kế ren đơn (loại phổ biến trên hầu hết các vít me), đây cũng sẽ là số lần bước ren quấn quanh vít trong một inch/centimet. Mặt khác, cao độ cung cấp cho bạn khoảng cách giữa hai luồng liền kề. Một trong hai số này có thể được sử dụng để tìm số còn lại.
Sau khi có những con số này, chúng ta có thể tưởng tượng việc tháo đoạn đường nối xung quanh vít và kết thúc bằng một đoạn đường nối ở một trong hai tình huống bên dưới. Trong cả hai trường hợp, chúng ta có thể sử dụng hàm tiếp tuyến nghịch đảo để tìm góc dẫn – lead angle, góc này có thể được coi là góc của ren mà đai ốc đang leo lên. Tìm góc dẫn là bước đầu tiên trong việc phân tích hệ thống vít trợ lực.
Sau khi tìm thấy góc dẫn, chúng ta có thể vẽ sơ đồ thân tự do của “đai ốc” trong hệ thống chưa được bao bọc của mình. Ở đây xét bao gồm lực đẩy đang đẩy đai ốc lên trên mặt nghiêng, lực tải là lực mà đai ốc tác dụng lên một số vật thể bên ngoài, lực bình thường giữa đai ốc và vít và lực ma sát giữa đai ốc và vít.
Nếu trục vít của chúng ta đang đẩy một tải trọng với một tốc độ không đổi nào đó, thì chúng ta có thể giả sử hai điều:
+ Đầu tiên đai ốc ở trạng thái cân bằng, vì vậy chúng ta có thể viết ra các phương trình cân bằng cho đai ốc.
+ Thứ hai, đai ốc đang trượt, cho thấy rằng lực ma sát sẽ bằng lực bình thường nhân với hệ số ma sát động học.
Sau đó, chúng ta có thể đơn giản hóa các phương trình trên thành một phương trình duy nhất liên quan đến lực tải và lực đẩy.
Trong thực tế, lực đẩy hoàn toàn không phải là một lực. Đó là các lực ngăn không cho đai ốc quay cùng với vít. Lực đẩy tích lũy thực sự sẽ gây ra một mômen bằng và ngược chiều với mômen đầu vào làm quay trục.
Cuối cùng, nếu chúng ta thay thế lực đẩy bằng mômen đang điều khiển vít trong hệ thống (trong trường hợp này là mômen xoắn T), chúng ta có thể liên hệ mômen đầu vào đang điều khiển vít với lực mà đai ốc trên vít đang nhấn. Các hệ thống trục vít thường được thiết kế để cho phép các mômen đầu vào khá nhỏ để đẩy các lực tải rất lớn.
Vít tự khóa self locking screw
Hãy tưởng tượng chúng ta tác dụng một mô-men xoắn lên một vít trợ lực để nâng một vật thể, sau đó khi chúng ta nâng tải lên độ cao mong muốn, chúng ta sẽ ngừng tác dụng mô-men xoắn đó để vật thể ngồi yên tại chỗ. Nếu chúng ta vẽ lại biểu đồ cơ thể tự do trước đó cho tình huống mới, chúng ta sẽ tìm thấy hai điều.
- Lực đẩy bị thiếu (vì mô-men xoắn không còn tác dụng lên trục).
- Lực ma sát hiện đang chống lại đai ốc trượt ngược xuống đoạn đường nối.
Với sơ đồ vật thể tự do mới này, có hai tình huống có thể xảy ra:
- Lực ma sát đủ lớn để giữ cho đai ốc không trượt xuống dốc, nghĩa là mọi thứ sẽ giữ nguyên trạng thái cân bằng tĩnh nếu được thả ra.
- Lực ma sát sẽ không đủ để giữ cho đai ốc không trượt xuống dốc, nghĩa là tải sẽ bắt đầu giảm ngay khi mô-men xoắn bị loại bỏ khỏi trục.
Với các ứng dụng vít điện như kích ô tô, tình huống thứ hai có thể rất nguy hiểm. Do đó, điều quan trọng là phải biết liệu hệ thống vít trợ lực có tự khóa (option 1) hay không tự khóa (option 2).
Để xác định ranh giới giữa hệ thống tự khóa và hệ thống không tự khóa, chúng tôi sử dụng một thứ gọi là góc tự khóa. Như trực giác sẽ cho chúng ta biết, trượt không xảy ra trên những con dốc rất thoai thoải (góc nghiêng nhỏ) trong khi nó xảy ra trên những con dốc rất dốc (góc nghiêng lớn). Góc mà đai ốc bắt đầu trượt được gọi là góc tự khóa.
Để tìm góc tự khóa, chúng ta sẽ giả sử chuyển động sắp xảy ra (liên quan đến lực ma sát với lực bình thường) và để góc dẫn là một ẩn số. Điều này cho phép chúng ta tạo sơ đồ vật thể tự do như hình bên dưới và cung cấp cho chúng ta các phương trình cân bằng bên dưới.
Sử dụng phương trình cân bằng x làm điểm bắt đầu, chúng ta có thể giải quyết cho theta (loại bỏ tất cả các lực bình thường cùng nhau trong quá trình). Phương trình mới này được hiển thị bên dưới cho chúng ta góc tự khóa.
Các hệ thống có góc dẫn nhỏ hơn mức này sẽ tự khóa, trong khi các hệ thống có góc dẫn lớn hơn mức này sẽ không tự khóa.
