Luận văn thạc sĩ về thiết kế và mô phỏng động cơ hai bậc tự do sử dụng gối đỡ đàn hồi

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ khí thiết kế và mô phỏng động cơ hai bậc tự do sử dụng gối đỡ đàn hồi, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Nguyễn Minh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Minh Tuấn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế Và Mô Phỏng Động Cơ Hai Bậc Tự Do Sử Dụng Gối Đỡ Đàn Hồi
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ hai bậc tự do

Động cơ hai bậc tự do (động cơ hai bậc tự do) là một loại cơ cấu chấp hành quan trọng trong thiết kế kỹ thuật cơ khí. Động cơ này cho phép thực hiện đồng thời các chuyển động tịnh tiến và quay trên cùng một trục, mang lại tính linh hoạt cao trong ứng dụng. Thiết kế động cơ này thường sử dụng gối đỡ đàn hồi (gối đỡ đàn hồi) để giảm thiểu ma sát và tăng độ chính xác trong chuyển động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng gối đỡ đàn hồi không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu hư hỏng cơ học do ma sát. Do đó, việc tìm hiểu và phát triển động cơ hai bậc tự do là cần thiết để nâng cao hiệu quả trong sản xuất và chế tạo máy móc chính xác.

1.1. Khái niệm và ứng dụng

Động cơ hai bậc tự do có khả năng hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ cơ khí chính xác đến tự động hóa công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của loại động cơ này là khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp mà không cần nhiều cơ cấu truyền động khác nhau. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm không gian mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Theo nghiên cứu, các ứng dụng phổ biến của động cơ hai bậc tự do bao gồm trong robot công nghiệp, thiết bị y tế và máy móc chế biến thực phẩm. Đặc biệt, trong lĩnh vực y tế, động cơ này có thể được sử dụng trong các thiết bị phẫu thuật chính xác, nơi mà độ chính xác và độ tin cậy là rất quan trọng.

II. Thiết kế gối đỡ đàn hồi trong động cơ

Gối đỡ đàn hồi (gối đỡ đàn hồi) đóng vai trò quan trọng trong thiết kế động cơ hai bậc tự do, giúp cải thiện khả năng chịu tải và độ chính xác trong chuyển động. Việc thiết kế gối đỡ đàn hồi cần phải cân nhắc đến nhiều yếu tố như độ cứng, khả năng chịu tải và tính linh hoạt. Nghiên cứu cho thấy, gối đỡ đàn hồi có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng, từ đó nâng cao phạm vi hoạt động và độ chính xác của động cơ. Cụ thể, gối đỡ sau khi tối ưu hóa có thể tăng phạm vi hoạt động lên đến 25% trong phương tịnh tiến và 62% trong phương quay. Điều này cho thấy sự quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển gối đỡ đàn hồi trong thiết kế động cơ hiện đại.

2.1. Phân tích ưu nhược điểm

Trong thiết kế gối đỡ đàn hồi, cần phân tích kỹ lưỡng các ưu nhược điểm để có thể đưa ra giải pháp tối ưu nhất. Ưu điểm lớn nhất của gối đỡ đàn hồi là khả năng giảm thiểu ma sát, từ đó tăng độ bền và tuổi thọ của động cơ. Bên cạnh đó, gối đỡ đàn hồi còn giúp cải thiện độ chính xác trong chuyển động, điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, một số nhược điểm của gối đỡ đàn hồi bao gồm khả năng chịu tải hạn chế và độ nhạy với biến dạng. Do đó, cần phải có các giải pháp cải tiến để khắc phục những nhược điểm này.

III. Mô phỏng cơ tính của động cơ

Mô phỏng cơ tính (mô phỏng cơ tính) là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế động cơ hai bậc tự do. Thông qua các phần mềm mô phỏng, các nhà thiết kế có thể dự đoán được hành vi của động cơ dưới tác động của các lực và mô men khác nhau. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình chế tạo mà còn tăng cường độ tin cậy của sản phẩm. Mô phỏng cơ tính cho phép phân tích ứng suất và biến dạng của gối đỡ đàn hồi, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết để tối ưu hóa thiết kế. Kết quả mô phỏng cũng cần được kiểm chứng bằng các phương pháp thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế.

3.1. Phương pháp mô phỏng

Có nhiều phương pháp mô phỏng khác nhau được sử dụng trong thiết kế động cơ hai bậc tự do, bao gồm mô phỏng phần tử hữu hạn và giải tích. Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) cho phép phân tích chi tiết các ứng suất và biến dạng trong cấu trúc động cơ, trong khi phương pháp giải tích giúp xác định các thông số chính xác hơn. Sự kết hợp giữa hai phương pháp này sẽ mang lại kết quả đáng tin cậy hơn trong việc đánh giá hiệu suất của động cơ. Đặc biệt, mô phỏng còn giúp phát hiện sớm các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình vận hành, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

IV. So sánh ưu nhược điểm với các thiết kế khác

Việc so sánh ưu nhược điểm của động cơ hai bậc tự do với các thiết kế khác là rất cần thiết để đánh giá hiệu quả và tính ứng dụng của nó trong thực tế. Động cơ hai bậc tự do sử dụng gối đỡ đàn hồi có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng vận hành êm ái, độ chính xác cao và khả năng chịu tải tốt. Tuy nhiên, so với các loại động cơ khác như động cơ servo hay động cơ bước, động cơ hai bậc tự do có thể gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhanh với các thay đổi trong điều kiện làm việc. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động trong một số ứng dụng cụ thể. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến động cơ hai bậc tự do là cần thiết để nâng cao khả năng cạnh tranh với các thiết kế khác.

4.1. Đánh giá tổng quan

Kết quả so sánh cho thấy động cơ hai bậc tự do có thể là một lựa chọn tối ưu cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí chính xác. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu nhất, cần phải có những cải tiến liên tục trong thiết kế và công nghệ chế tạo. Việc nghiên cứu sâu hơn về các loại gối đỡ đàn hồi và các cơ cấu chấp hành khác sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Bên cạnh đó, việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và máy học trong thiết kế động cơ cũng là một hướng đi hứa hẹn cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 1.1 Cơ cấu tác động Cơ cấu tác động (actuator) là một dạng máy móc biến đổi các dạng năng lượng khác nhau như: năng lượng điện, thủy lực, nhiệt…sang năng lượng cơ học. Cơ cấu tác động có hai chuyển động cơ bản là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Thiết bị truyền động tuyến tính quy đổi nguồn năng lượng thành hoạt động đường thẳng.

Chúng tương thích với những ứng dụng xác định, có công dụng đẩy hoặc kéo. Thiết bị truyền động quay quy đổi nguồn năng lượng để triển khai những thao tác quay. Các dạng truyền động phổ biến trong thế giới kỹ thuật công nghệ ngày này chủ yếu gồm có: - Cơ cấu tác động thủy lực (hydraulic actuator): là thiết bị được sử dụng lâu đời dưới dạng xi lanh–piston chuyển đổi công suất thủy lực thành công cơ học có ích (dựa trên định luật Pascal). Bộ truyền động thủy lực được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp (đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng) có khả năng tạo ra lực, mô men lớn, đồng thời giữ được vị trí tốt.

Bên cạnh đó, với khả năng chịu nén tốt của dung dịch bên trong xi lanh ( có thể hoạt động được trong điều kiện áp suất lên đến 4000 psi).1, cơ cấu thủy lực đơn giản được lý giải phương thức vận hành dựa trên định luật Pascal [1] (Cơ cấu tác động thủy lực hay khí nén đều sử dụng nguyên lý này) với áp suất luôn bằng nhau ở khâu vào và khâu ra của hệ thống. Từ nguyên lý trên, cơ cấu nâng xe như hình 1.1 được tạo ra nhờ vào hệ của cơ cấu tác động thủy lực là tạo ra lực đẩy lớn gấp 10 lần lực ở khâu đầu vào cung cấp. 1 A1 A2 Lưu chất Định luật Pascal Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực đơn giản [1] - Cơ cấu tác động khí nén (pneumatic actuator): nguyên lý truyền động tương tư như hệ thống thủy lực nhưng hệ thống truyền động khí nén cung cấp chuyển động đáp ứng nhanh và chính xác ở điều kiện tải nằm trong phạm vi cho phép. Trong sản xuất, truyền động bằng khí nén được sử dụng rộng rải trong các ngành công nghiệp nhẹ nhằm tạo năng suất đầu ra lớn và dây chuyền được sản xuất nhanh liên tục.2 lần lượt là hai cụm xi lanh tịnh tiến (hình 1.2a) và cụm xi lanh quay (hình 1.

Cụ thể hơn, hình 1.2a thể hiện kết cấu cơ bản bên trong của một xinh lanh khí, hai phần không gian ở trong xi lanh chính là hai buồng khí. Việc bơm hoặc xả khí ở buồng nào tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển muốn tịnh tiến lên hay xuống (Bơm khí vào buồng 1 để tạo chuyển động tịnh tiến hướng ra và ngược lại bơm khí vào buồng 2 để tạo chuyển độn tịnh tiến hướng vào).2b thể hiện kết cấu bên trong của cụm xinh lanh quay, 2 điểm khác biệt giữa 2 cơ cấu chính là xi lanh quay đã sử dụng truyền động của thanh răng bánh răng để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay của trục đầu ra. Về nguyên lý cấp khí cho cụm thì cũng tương tự như đã phân tích ở hình 1. Buồng 1 động quay Buồng 2 Buồng 2 Hình 1.2 Xy lanh khí nén cung cấp (a) chuyển động tịnh tiến [2] và (b) chuyển vị quay [3] - Cơ cấu tác động điện từ (electromagnetic actuator): là thiết bị lấy năng lượng điện làm đầu vào (cả AC hoặc DC) để cung cấp chuyển động mô men xoắn cơ học hoặc chuyển động thẳng.

Động cơ điện đang trở thành một trong những cơ cấu tác động được sử dụng phổ biến nhất do khả năng điều khiển dễ dàng hơn, tuổi thọ cao hơn và hiệu suất cao. Cơ cấu tác động quay là loại cơ cấu tác động điện hiệu quả nhất, chúng có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn và các hệ thống truyền động đơn giản hơn so với hầu hết các cơ cấu tác động điện tuyến tính.3a thể hiện nguyên lý cơ bản của động cơ điện khi cuộn dây mang điện nằm trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra một mo men để quay cuộn dây và dẫn đến quay trục động cơ với chiều đường xác định theo quy tắc bàn tay trái [4]. Ngoài ra, dựa trên nguyên lý tương 3 tác điện từ (lực Lorentz [5]), cơ cấu tác động từ có thể được sử dụng để gây ra sự dịch chuyển của một kết cấu cơ học. Chúng được sử dụng cho các ứng dụng rất nhỏ như robot nano và có tiềm năng rất lớn trong lĩnh vực y tế sinh học.

Ưu điểm chính của chúng là yêu cầu điện áp thấp và không có hoạt động tiếp xúc, hình 1.3b mô tả cấu tạo bên trong của một voice coil sử dụng nguyên lý hoạt động của lực Lorentz để vận hành. Thiết bị này có thể chuyển động lên xuống lập lại với tần số rất cao và chính xác. Cuộn dây Cặp cực nam châm Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện cung cấp (a) chuyển động quay [6] và (b) chuyển động tịnh tiến [7] - Cơ cấu tác động cơ học (mechanical actuator): Bộ truyền động cơ học chuyển đổi một dạng chuyển động này thành dạng chuyển động khác, chúng sử dụng bánh răng, xích, ròng rọc, đường ray và các cơ cấu chuyển động khác nhau cho các hoạt động của chúng. Chúng thường được kết hợp với một cơ cấu tác động và cơ cấu dẫn động khác.

Chúng được sử dụng để tăng mô-men xoắn hoặc công suất của đầu ra hoặc thậm chí để chuyển đổi chuyển động thẳng sang quay hoặc ngược lại. Ngoài ra, 4 Truyền động cơ học thông qua chuyển vị đàn hồi của vật liệu là một hướng nghiên cứu độc đáo, giúp ích trong việc tạo ra chuyển vị chính xác cao, không ma sát.4 Hệ cơ học (a) truyền động bánh răng [8] và (b) truyền động đàn hồi [9] - Cụ thể ở hình 1.4a là hộp số của một chiếc ô tô với rất nhiều bánh răng, những cặp bánh răng khi được điều khiển để ăn khớp với nhau sẽ có tốc độ và mô men truyền động khác nhau phù hợp cho các giai đoạn lái xe khác nhau.4b là một dạng gối đỡ đàn hồi, mô hình cho phép chuyển động quanh tâm với khả năng lập lại cao và chính xác trong môi trường đặc biệt khác nghiệt và được ứng dụng trong kết cấu robot micro [9].5(b) cũng là một dạng của cơ cấu đàn hồi sử dụng khí nén để thay đổi hình dạng của tay kẹp đồng thời tạo ra một lực kẹp nhất định. - Cơ cấu tác động nhiệt (thermal actuator): Bộ truyền động nhiệt thường được làm bằng kim loại hoặc hợp kim nhớ hình dạng, có thể giữ lại hình dạng xác định trước khi năng lượng nhiệt cần thiết được cung cấp. Đây là những vật liệu nhạy cảm với nhiệt có khả năng tạo ra các biến đổi thể tích để đáp ứng với sự thay đổi của năng lượng nhiệt.

Ưu điểm chính của cơ cấu tác động nhiệt là nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và thiết bị dễ sử dụng.5a thể hiện nguyên lý một của một cơ cấu tác động nhiệt, cụ thể là một loại cảm biến nhiệt độ hoạt động của cả một hệ thống khi đang vận hành để đảm bảo thiệt bị hoạt động trong vùng nhiệt độ an toàn 5 27°C Chuyển vị tuyến tính - 80°C Hình 1.5 Nguyên lý (a) truyền động nhiệt đơn giản [10] và (b) truyền động mềm bằng khí nén [11] - Cơ cấu tác động mềm: Bộ truyền động mềm là bộ truyền động dựa trên polyme được thiết kế cho các hoạt động rất thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ tinh vi như thao tác các cơ quan nội tạng trong y sinh hoặc thu hoạch trái cây trong nông nghiệp. Ưu điểm chính của chúng là có mật độ thấp và có thể phân hủy sinh học. Dựa trên thành phần của chúng có thể phản ứng với các kích thích như ánh sáng, nhiệt, lực điện động, thay đổi độ pH, v. Chúng thường được sử dụng trong phẫu thuật và trong lĩnh vực y sinh chúng cũng có ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ.5b là một loại tay gắp robot sử dụng khí nén để tác động lên cơ cấu mềm trong việc giữ và di chuyển những vật dễ bị hư hỏng như các loại trái cây nhờ vào đặc tính tiếp xúc mềm của cơ cấu.2 Tổng hợp và so sánh yếu tố ảnh hưởng Hầu hết các cơ cấu tác động đều có những ưu nhược điểm khác nhau, nhưng để lựa chọn chúng một cách phù hợp cho lĩnh vực mục tiêu thì cần phải đặt ra những tiêu chí và xác định xem cơ cấu tác động nào thỏa mãn những tiêu chí đã nêu.1 Tiêu chí lựa chọn cơ cấu tác động [12] Thủy Tiêu chí lựa chọn Khí nén Điện Từ Cơ học Nhiệt Mềm lực Trung Khả năng chịu tải Rất tốt Tốt Tốt Tốt Kém Kém bình Trung Trung Trung Độ chính xác Cao Cao Cao Cao bình bình bình Trung Tùy Tùy Tùy Kích thước Lớn Nhỏ Nhỏ bình chọn chọn chỉnh Rất Rất Tốc độ đáp ứng Chậm Nhanh Vừa Chậm Chậm nhanh nhanh Phạm vi chuyển Rất Vừa Lớn Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ động Lớn Bảng 1.1 thể hiện những tiêu chí quan trọng trong việc lựa chọn cơ cấu tác động và yêu cầu trong việc cung cấp chuyển động với độ chính xác cao.

Cụ thể, cơ cấu tác động thủy lực có những đặc tính phù hợp với ngành công nghiệp nặng không yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ nhanh. Cơ cấu tác động điện, từ và cơ học thể hiện sự vượt trội đặc biệt là cơ cấu đàn hồi với những tính năng như khả năng chịu tải, độ chính xác, kích thước và tốc độ đáp ứng… Các cơ cấu còn lại mặc dù có độ chính xác truyền động cao nhưng bị hạn chế bởi tốc độ và khả năng chịu tải. Việc tìm hiểu những loại cơ cấu chấp hành khác nhau giúp cho nghiên cứu có nhiều góc nhìn khách quan về đặc tính riêng của từng loại, từ đó lựa chọn những loại thiết bị truyền động thích hợp phục vụ trong những ứng dụng khác nhau. Với mục tiêu đi vào những thiết bị truyền động chính xác cấp độ mirco/nano, đặc tính của cơ cấu tác động 7 cơ học đàn hồi là không thể bỏ qua.

Vì tính chất khi truyền động rất đặc biệt với thiết kế nguyên khối, không tạo ra ma sát, không tiếng ồn, không cần bôi trơn bảo dưỡng định kì.3 mở rộng những tìm hiểu xung quanh cơ cấu đàn hồi và những ứng dụng trong lĩnh vực chính xác đã được áp dụng từ trước, đây là cơ sở lớn để làm điểm tựa dựa vào cho việc phát triển những thiết bị truyền động sử dụng cơ cấu đàn hồi.