Cụm Bánh Răng Truyền Động Đồng Hồ (Clock Gear Train Assembly)

Background

Mục tiêu chính của dự án là cung cấp một minh hoạ kỹ thuật rõ ràng về cách hoạt động bên trong của một chiếc pendulum clock có thể in 3D. Khi mình tìm hiểu chủ đề này, việc tìm được các hình minh hoạ rõ ràng cho những khái niệm then chốt—cũng như vì sao và như thế nào các quyết định thiết kế được đưa ra—thật sự rất khó. Vì mục tiêu là minh hoạ và giải thích cho rõ ràng, nên nếu chỗ nào chưa rõ thì mọi người cứ comment và hỏi nhé.

Drivetrain Description

Bố cục drivetrain (hiện đang là V11 trong dự án này) được phát triển qua 3 lần lặp thiết kế lớn. Khi chọn gear ratio, bạn phải cân nhắc không chỉ tỉ số truyền mà còn kích thước vật lý của gear tạo ra từ tỉ số đó, sao cho các pivot point không bị giao nhau với gear hoặc răng.

Cách dễ nhất là canh thẳng hàng theo một đường thẳng, nhưng xoay các gear lệch theo góc sẽ rút ngắn tổng chiều dài và tạo ra một thiết kế nhỏ gọn hơn.

Vị trí xoay cuối cùng được chọn để canh escapement (màu vàng) thẳng hàng với trục giữ kim giờ và kim phút. Sau đó các phần màu xanh được sắp để quả nặng sẽ treo thẳng theo đường tâm của cụm, giúp hệ thống cân bằng.

Hình exploded view giúp thấy cách lắp ráp và hỗ trợ mô tả chức năng.

The Escapement Assembly

Cụm escapement được thể hiện bằng màu vàng và được thiết kế quanh một con lắc dài 98cm. 98cm có liên hệ với hằng số trọng lực và tạo ra nhịp tick-tock 2 giây; và với 30 răng trên escapement gear thì gear màu vàng quay đủ một vòng sẽ mất 60 giây.

The Minute Gears

Hai gear lớn màu xanh lá có lần lượt 60 và 64 răng. Trên đỉnh của hai gear này là hai gear nhỏ gọi là pinion gears, lần lượt có 8 và 10 răng. Tuy nhiên, gear ratio được quyết định bởi pinion gear màu vàng và pinion gear xanh lá đầu tiên—cả hai đều có 8 răng. Vậy 60/8 cho tỉ số truyền đầu là 7.5 và 64/8 cho tỉ số thứ hai là 8.0. Kết hợp lại sẽ có tỉ số 7.5x8.0=60, nghĩa là trục màu xanh lá quay đủ một vòng mỗi 60 phút.

The Friction Clutch

Ở giữa trục gear màu xanh lá—nằm giữa pinion gear phía dưới và pinion gear phía trên—là friction clutch.

Friction clutch tách trục gear phút ra khỏi phần còn lại của cụm thông qua một cơ cấu clutch có thể chỉnh mức ma sát. Khi hoạt động bình thường, nó truyền động cho trục như bình thường, nhưng vẫn cho phép chỉnh kim giờ và kim phút đúng theo thời gian hiện tại. Việc chỉnh này có thể làm bằng cách xoay trực tiếp kim phút trên mặt đồng hồ.

The Hour Gears

Cụm gear giờ (màu đỏ) cuối cùng được dẫn động bởi pinion gear xanh lá phía trên (8 răng) kéo một gear 32 răng, cho tỉ số 4.0. Trên đỉnh gear đỏ 32 răng là một pinion gear 10 răng kéo một gear 30 răng, cho tỉ số 3.0. Kết hợp lại là 4x3=12. Gear đỏ cuối cùng quay đủ một vòng mỗi 12 giờ, trực tiếp kéo kim giờ.

Vậy là phần giữ thời gian của đồng hồ đã xong.

The Click Power Source

Các gear màu xanh tạo nên nguồn lực cho đồng hồ. Kích thước các gear chủ yếu bị chi phối bởi kích thước vật lý của các gear khác, và thứ hai là để có một chain drive đủ chậm để mất 10 ngày mới chạy hết 1.5m xích, để đồng hồ có thể chạy 10 ngày mà không cần can thiệp từ người dùng.

Đường kính vòng chia (pitch diameter) của chain spool là 93.25, nên sẽ đi qua 156cm xích trong 162,000 giây.

Teeth

Pinion

Ratio

Comb

seconds

min

hours

revs/24h

93.25

30

8

-

60

1

60

8

7.5

450

7.5

64

8

8

60

3600

60

1

24

7031

60

10

7.5

27000

450

7.5

3.2

937

60

6

45

162000

2700

45

0.53333

156

Điều đó có nghĩa là chain spool sẽ quay khoảng nửa vòng mỗi ngày và mất 10 ngày để kéo quả nặng chạm đất với 1.5m xích.

hours

revs/24h

93.25

1

24

0.2

7.5

3.2

2

45

0.53333

10

Chain spool có cơ cấu ratchet cho phép kéo đầu còn lại của sợi xích để đưa quả nặng lên lại phía trên mà không cần dừng đồng hồ và tua lại xích.

Vậy là xong—đầy đủ clock drive train. File Fusion 360 model có kèm trong project files.

What's next

• Thiết kế một cụm con lắc có thể điều chỉnh
• Thiết kế một chassis in 3D để giữ toàn bộ cụm

How to print the parts

Import file STL vào slicer của bạn và chọn “Split → To objects”