Cách chọn đường kính bánh xe theo điều kiện di chuyển

Vì vậy, đường kính hợp lý không phải đường kính lớn nhất có thể lắp, mà là đường kính đủ lớn cho điều kiện di chuyển khó nhất trong hành trình thực tế, đồng thời vẫn phù hợp với chiều cao lắp đặt và khả năng điều khiển của thiết bị.

Chọn đường kính từ điều kiện mặt sàn trước khi xét kích thước bánh

Mặt sàn quyết định mức độ mà đường kính bánh ảnh hưởng đến khả năng di chuyển. Nếu xe chỉ chạy trên nền bê tông hoặc epoxy bằng phẳng, sạch và ít khe nối, yêu cầu về đường kính thường thấp hơn. Khi bề mặt trở nên nhám, có khe, rãnh, mảnh vụn hoặc thay đổi cao độ, lợi ích của bánh lớn tăng nhanh.

Nguyên nhân nằm ở hình học tiếp xúc. Với cùng một chỗ lõm hoặc gờ, bánh có bán kính lớn chỉ phải thay đổi hướng chuyển động một góc nhỏ. Bánh nhỏ phải dịch tâm bánh lên cao theo quỹ đạo dốc hơn, nên cần lực ngang lớn hơn để tạo đủ mô-men vượt vật cản.

Có thể phân loại điều kiện di chuyển theo mức độ ảnh hưởng đến đường kính:

Điều quan trọng là đánh giá đường đi thực tế, không chỉ quan sát vị trí xe đứng. Một xe chạy 90% quãng đường trên nền đẹp nhưng luôn phải vượt một ngưỡng cửa ở 10% còn lại vẫn phải được chọn bánh theo ngưỡng cửa đó nếu đây là điều kiện vận hành bình thường.

Vật cản càng lớn so với bán kính bánh thì lực vượt gờ càng tăng

Chiều cao tuyệt đối của vật cản chưa đủ để đánh giá. Yếu tố có ý nghĩa hơn là tỷ lệ giữa chiều cao vật cản (h) và bán kính bánh (r).

Xét mô hình đơn giản: bánh cứng bán kính (r), chịu tải thẳng đứng (W), tiếp xúc với một cạnh gờ cao (h). Tại thời điểm bắt đầu leo gờ, lực đẩy ngang lý tưởng (P) có thể biểu diễn gần đúng bằng:

[

\frac{P}{W}=

\frac{\sqrt{2rh-h^2}}{r-h}

]

Công thức này chưa tính biến dạng của lốp, ma sát ổ trục, góc xoay caster hay tổn thất trên mặt sàn, nhưng nó cho thấy rất rõ tác động riêng của đường kính.

Ví dụ với một gờ cao 5 mm:

Khi tăng đường kính từ 100 lên 200 mm trong ví dụ này, tỷ lệ lực lý tưởng để bắt đầu vượt cùng gờ giảm từ khoảng 0,48 xuống 0,33, tức giảm khoảng 32%.

Hiệu ứng còn rõ hơn khi vật cản lớn so với bánh. Khi (h) tiến gần (r), mẫu số (r-h) giảm mạnh và lực cần thiết tăng rất nhanh. Đây là lý do một gờ nhìn có vẻ thấp vẫn có thể khiến xe dùng bánh nhỏ bị khựng đột ngột.

Không nên hiểu công thức trên là lực đẩy thực tế chính xác của toàn bộ xe. Nó là mô hình cơ học để so sánh ảnh hưởng của đường kính trong cùng điều kiện. Xe thực tế còn chịu tác động của vật liệu mặt bánh, tải phân bố trên từng bánh, ổ bi, caster xoay và trạng thái mặt sàn.

Bánh lớn giảm lực lăn trên mặt sàn không hoàn toàn phẳng như thế nào?

Ngay cả khi không có một gờ rõ ràng, bánh vẫn liên tục vượt các biến dạng và độ nhám rất nhỏ của mặt sàn. Tại vùng tiếp xúc, bánh hoặc sàn có thể biến dạng, làm hợp lực phản lực không còn đi chính xác qua tâm bánh. Sự lệch này tạo mô-men cản lăn.

Trong một mô hình cơ học đơn giản, nếu độ lệch tương đương của phản lực là (b), tải trên bánh là (W) và bán kính là (r), lực khắc phục cản lăn có dạng:

[

F \approx \frac{bW}{r}

]

Với cùng tải và cùng điều kiện tiếp xúc, tăng bán kính làm giảm tỷ lệ (b/r). Do đó bánh lớn thường lăn nhẹ hơn, đặc biệt khi bề mặt bánh hoặc mặt sàn có biến dạng đáng kể.

Tuy nhiên, không nên dùng đường kính để giải thích mọi trường hợp xe nặng tay. Nếu bánh đã đủ lớn mà xe vẫn khó đẩy, nguyên nhân có thể nằm ở ma sát ổ trục, bánh bị quá tải, mặt bánh biến dạng quá nhiều hoặc các caster xoay chưa cùng hướng. Tăng đường kính chỉ giải quyết phần lực cản có liên quan đến hình học lăn và khả năng vượt bất thường của mặt sàn.

Xác định đường kính từ lực đẩy mà người vận hành có thể chấp nhận

Hai bánh xe có thể cùng chịu đủ tải nhưng tạo cảm giác vận hành rất khác nhau. Vì vậy, sau khi xác định điều kiện mặt sàn và vật cản, nên kiểm tra đường kính bằng lực đẩy thực tế thay vì dừng ở khả năng chịu tải.

Cần tách ít nhất hai trạng thái:

Lực khởi động là lực cần để đưa xe từ trạng thái đứng yên sang chuyển động. Nó có thể cao vì bánh chưa định hướng, vật liệu bánh đang biến dạng tại vùng tiếp xúc hoặc bánh đang nằm sát một khe/gờ.

Lực duy trì là lực cần để giữ xe tiếp tục chuyển động sau khi các bánh đã lăn và caster đã định hướng. Giá trị này thường thấp hơn lực khởi động.

Nếu yêu cầu vận hành là đẩy tay, đường kính nên được lựa chọn theo tình huống tạo lực lớn nhất trong sử dụng bình thường. Ví dụ, một xe lăn rất nhẹ giữa hành lang nhưng cần giật mạnh mỗi lần vượt khe sàn vẫn chưa được xem là có đường kính phù hợp.

Cách kiểm tra thực tế có thể thực hiện theo trình tự:

1. Xác định tổng tải ở trạng thái nặng nhất

2. Xác định đoạn đường xấu nhất mà xe phải đi qua thường xuyên

3. Ghi lại chiều cao gờ, chiều rộng khe và tình trạng bề mặt tại đoạn đó

4. Chọn một đường kính ban đầu đáp ứng giới hạn kích thước lắp đặt

5. Đo lực khởi động, lực duy trì và lực cực đại khi vượt vật cản

6. Nếu lực vượt vật cản quá cao, ưu tiên tăng đường kính trước khi chỉ tăng khả năng chịu tải của bánh

Đo lực bằng lực kế kéo hoặc đẩy cho kết quả hữu ích hơn đánh giá chủ quan kiểu “khá nặng” hay “tương đối nhẹ”. Đồng thời, nên đo khi xe mang tải làm việc thực tế, vì lực cản thay đổi cùng tải.

Không chọn đường kính chỉ bằng tải trọng danh định của bánh

Một nhầm lẫn phổ biến là cho rằng bánh chịu tải càng lớn thì càng dễ lăn. Hai thuộc tính này không đồng nghĩa.

Khả năng chịu tải trả lời câu hỏi bánh có chịu được lực tác dụng mà không hỏng hay biến dạng quá mức hay không. Đường kính lại ảnh hưởng trực tiếp đến hình học vượt gờ và cản lăn. Vì thế một bánh nhỏ có tải trọng danh định rất cao vẫn có thể cần lực đẩy lớn trên sàn có khe hoặc vật cản.

Ngược lại, tăng đường kính cũng không thể bù cho một bánh không đủ khả năng chịu tải. Lựa chọn đúng phải đồng thời thỏa mãn hai điều kiện: bánh đủ tải và đường kính đủ cho môi trường di chuyển.

Vật liệu mặt bánh cũng tạo ra giới hạn cho kết luận “bánh càng lớn càng nhẹ”. Bánh cứng thường biến dạng ít trên nền cứng và phẳng, nhưng truyền xung lực mạnh hơn khi gặp bất thường của mặt sàn. Bánh mềm có thể hấp thụ rung tốt hơn nhưng biến dạng lớn hơn, làm tăng một phần cản lăn. Vì vậy, khi so sánh tác động của đường kính nên giữ các yếu tố khác càng giống nhau càng tốt.

Tương tự, đường kính lớn làm tăng chiều cao tổng thể của caster và có thể ảnh hưởng tới không gian lắp đặt, trọng tâm hoặc bố trí thiết bị. Vì thế không nên tăng kích thước vô hạn chỉ để giảm lực đẩy.

Quy trình chọn đường kính bánh xe theo mặt sàn, vật cản và lực đẩy

Một cách lựa chọn thực tế là đi từ điều kiện vận hành khó nhất về kích thước, thay vì bắt đầu từ danh mục bánh xe.

Bước 1: Khảo sát mặt sàn

Xác định xe chạy trên nền phẳng hay nhám, có khe nối, rãnh, ngưỡng cửa hoặc mảnh vụn hay không. Nếu có nhiều tuyến đường, lấy tuyến khó nhất vẫn thuộc điều kiện sử dụng bình thường làm cơ sở thiết kế.

Bước 2: Đo vật cản thay vì ước lượng

Với gờ hoặc ngưỡng, đo chiều cao (h). Với khe, cần xem cả chiều rộng vì bánh nhỏ có thể lún sâu trước khi chạm mép đối diện. Số đo thực tế giúp phân biệt một bất thường không đáng kể với vật cản đủ lớn để chi phối lựa chọn đường kính.

Bước 3: So vật cản với bán kính bánh dự kiến

Nếu cùng một gờ được kết hợp với bánh lớn hơn, tỷ lệ (h/r) giảm và điều kiện vượt gờ thuận lợi hơn. Khi các phương án đường kính đang cân nhắc tạo ra tỷ lệ rất khác nhau, nên ưu tiên kiểm tra thực nghiệm phương án lớn hơn.

Bước 4: Kiểm tra lực thay vì chỉ kiểm tra xe có đi qua được hay không

“Vượt được gờ” chưa phải tiêu chí đủ. Xe có thể vượt được nhưng cần một xung lực rất lớn, gây khó kiểm soát hoặc tạo va đập mạnh. Cần đánh giá lực khởi động, lực duy trì và lực cực đại tại vật cản.

Bước 5: Tăng đường kính khi lực cản đến từ hình học di chuyển

Nếu lực tăng mạnh chủ yếu tại gờ, khe và vùng sàn xấu, tăng đường kính thường là hướng điều chỉnh trực tiếp. Nếu lực vẫn cao trên nền phẳng, cần kiểm tra thêm vật liệu bánh, tải trên từng bánh và cụm ổ trục thay vì quy toàn bộ nguyên nhân cho đường kính.

Bước 6: Chọn kích thước nhỏ nhất vẫn đáp ứng điều kiện khó nhất

Sau khi đáp ứng lực đẩy và khả năng vượt vật cản, không nhất thiết tiếp tục tăng đường kính. Phương án hợp lý là đường kính nhỏ nhất vẫn đạt yêu cầu vận hành với đủ biên dự phòng cho sai khác tải và tình trạng mặt sàn thực tế.

Muốn chọn đường kính bánh xe đúng, hãy bắt đầu từ mặt sàn và vật cản chứ không bắt đầu từ tải trọng danh định. Khi độ nhám hoặc chiều cao vật cản tăng, tăng đường kính làm giảm tỷ lệ vật cản so với bán kính bánh, giảm góc leo và thường giảm lực đẩy cần thiết. Trên sàn phẳng, lợi ích của việc tăng đường kính có thể nhỏ hơn; trên đường có khe và gờ, nó có thể quyết định trực tiếp khả năng vận hành.

Cách chắc chắn nhất là đo điều kiện khó nhất trên tuyến di chuyển, chọn một đường kính dự kiến, sau đó kiểm tra lực khởi động, lực duy trì và lực cực đại khi vượt vật cản dưới tải làm việc thực tế. Đường kính đạt yêu cầu là kích thước vừa đủ để xe di chuyển ổn định với lực chấp nhận được, không đơn thuần là bánh lớn nhất có thể lắp.