Cấu tạo của micromotor trong thiết kế cải tiến CT01 được thể trong hình 3.12:
1. Điện cực (dầm) mang các răng lược di động 4. Cơ cấu truyền chuyển động 2. Điện cực mang các răng lược cốđịnh 5. Vành răng cóc bị dẫn 3. Cơ cấu chống đảo 6. Cổ dầm
Kích thước các răng lược trong thiết kế này giống như trong thiết kế của micromotor cũ (Hình 3.7).
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 32
Giống với thiết kế kiểu cũ, micromotor trong thiết kế CT01 hoạt động nhờ sự
dẫn động của bốn bộ kích hoạt răng lược. Khi ta cấp điện áp vào các cực (1 - 2) của bốn bộ kích hoạt, lực tĩnh điện sinh ra làm lắc dầm lắc sang phải tại vị trí cổ (6). Thông qua các cơ cấu truyền chuyển động (4) gắn trên các dầm sẽ đẩy vành răng cóc (5) quay theo chiều thuận kim đồng hồ. Khi điện áp đặt (V = 0), các cơ cấu truyền chuyển động theo dầm trở về vị trí cũ nhờ lực đàn hồi. Lúc này, vành răng bị
hãm không cho quay ngược chiều kim đồng hồ bởi các cơ cấu chống đảo (3). Như
vậy, quá trình cấp điện áp theo một tần số sẽ làm dầm lắc qua lắc lại và làm cho vành răng cóc quay liên tục. Khi đó, ta có chuyển động quay của micromotor.
Hình 3.12 Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT01
6 Dầm
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 33
3.3.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT01
Điểm cải tiến trong thiết kế CT01 so với thiết kế kiểu cũ là cơ cấu truyền chuyển động răng cóc. Hình 3.13 mô tả cấu tạo của cơ cấu truyền chuyển động.
1. Dầm 5. Lò xo đàn hồi 2. Giá đỡ 6. Răng cóc dẫn 3. Chân chống 7. Thanh răng cóc 4. Thanh đỡ 8. Lò xo chống - Hoạt động vàđặc điểm cải tiến: Ban đầu hai lò xo chống (8) và lò xo đàn hồi (5) chưa biến dạng (Hình 3.13). Ta đưa răng cóc dẫn (6) vào vị trí làm việc bằng cách đẩy thanh đỡ (4) lên. Khi đó, phần đầu hai chân chống (3) sẽ trượt vào hai khe nhỏ nằm trên giá đỡ (2) đểđịnh vị
thanh đỡ (4). Khi đẩy thanh đỡ lên thì hai lò xo chống (8) bị giãn ra, lực đàn hồi của hai lò xo này có xu hướng kéo thanh đỡ (4) về và ép hai chân chống (3) vào trong khe hẹp để cố định thanh đỡ. Trong khi đó, lò xo đàn hồi (5) lại bị nén lại do đó luôn có xu hướng đẩy các răng cóc dẫn ép vào vành răng cóc (Hình 3.14).
Hình 3.13 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT01
1 5 6 2 3 4 8 7
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 34
Khi ta đặt điện áp (V ≠ 0) vào các cực của bộ kích hoạt răng lược, cơ cấu truyền chuyển động gắn trên dầm sẽ đẩy vành răng cóc quay theo chiều kim đồng
Hình 3.15 Quá trình làm việc bộ kích hoạt và cơ cấu truyền chuyển động (a)Tổng thể; (b) Điện áp đặt V ≠ 0; (c) Điện áp đặt V = 0
V ≠ 0
(a) (c) V = 0
(b) V ≠ 0
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 35
hồ (Hình 3.15a-b). Khi điện áp đặt (V = 0), dầm và cơ cấu truyền động trở về vị trí cũ do lực đàn hồi. Lúc này, cơ cấu chống đảo hãm không cho vành răng cóc quay ngược về. Bởi vậy, thanh răng cóc sẽ bị ép xuống (Hình 3.15c).
Như vậy, trong thiết kế cải tiến CT01, cơ cấu đẩy phụ gồm thanh đỡ (8), hai chân chống (3) và hai lò xo chống (8) giúp khắc phục khe hở giữa răng cóc dẫn với răng cóc bị động trên vành răng cóc. Lò xo đàn hồi (5) nối mềm với các răng cóc dẫn (6) bị nén nên có xu hướng đẩy răng cóc dẫn ăn khớp khít với răng cóc bịđộng.
3.3.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT01
Hình 3.16 thể hiện các lực tác dụng lên các răng cóc dẫn trong thiết kế CT01.
Trong đó:
Fđh: Lực đàn hồi cổ dầm O trên bộ kích hoạt răng lược (phương y) - µN F’đh: Phản lực đàn hồi cổ dầm (theo phương y) - µN
N: Lực pháp tuyến trên bề mặt răng cóc - µN Q: Áp lực tại điểm tính toán - µN (theo phương x)
α: Góc nghiêng răng cóc (α = 300)
Fms: Lực ma sát giữa bề mặt răng cóc dẫn với vành răng cóc - µN
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 36
Khi điện áp cấp vào các cực bộ kích hoạt (V = 0), dưới tác dụng của lực đàn hồi cổ dầm Fđh , dầm trở về vị trí cũ. Vì vành răng cóc đứng yên (bị hãm bởi cơ cấu chống đảo) nên sẽ sinh ra phản lực cân bằng với lực đàn hồi là F’đh theo phương ngược lại. Phản lực này được phân ra làm hai lực: Lực ma sát với bề mặt răng (Fms) và lực pháp tuyến trên bề mặt răng (N). Lực pháp tuyến N này tạo với bề mặt nghiêng của răng cóc dẫn một áp lực Q ép lò xo đàn hồi xuống để đưa dầm về vị trí cũ. Như vậy, muốn dầm trở về vị trí cũ thì áp lực Q phải đủ lớn để thắng lực đàn hổi của lò xo (Fđhlx). Ta có: - Phản lực đàn hồi cổ dầm: F’đh = Fđh = kcd.y (3.3) kcd: Hệ sốđàn hồi (kcd = 5,26 - theo biểu thức 3.16, hình 3.42)
y: Chuyển vị của dầm theo phương y tại vị trí răng cóc dẫn (y = i.t = 3.7 = 21(µm), ứng với số răng cóc mà dầm đẩy được i = 3; chiều dài mỗi răng t = 7µm)
- Lực pháp tuyến trên mặt trượt răng cóc:
N = F’đh.sinα (3.4) - Áp lực Q theo phương x để thắng lực đàn hồi lò xo (Fđhlx): Q = N.cosα = 0,5.F’đh.sin2α (3.5) Q = 0,5.5,26.21.sin60 = 47,83µN - Lực đàn hồi lò xo: Fđhlx = klx.h = 5,3.4 = 21,2 µN < Q (3.6)
Độ cứng của lò xo klx = 5,3 (tính toán bằng mô phỏng theo biểu thức (3.14) - Hình 3.32); Chiều cao răng cóc h = 4µm.
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 37
3.4 Thiết kế cải tiến thứ hai - CT02
3.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết kế cải tiến CT02
Cấu tạo của micromotor trong thiết kế cải tiến CT02 được thể hình 3.17, trong đó:
1. Điện cực mang các răng lược di động 4. Cơ cấu truyền chuyển động 2. Điện cực mang các răng lược cốđịnh 5. Vành răng cóc bị dẫn 3. Cơ cấu chống đảo 6. Cổ dầm
Nguyên lý hoạt động của micromotor trong thiết kế cải tiến CT02 cũng giống với thiết kế cũ và thiết kế cải tiến CT01. Khi đặt điện áp (V ≠ 0) vào các cực (1-2)
Hình 3.17 Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT02
V 6
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 38
của bốn bộ kích hoạt răng lược, vành răng cóc (5) quay theo chiều thuận kim đồng thông qua các cơ cấu truyền chuyển động (4). Khi điện áp đặt (V = 0), dầm cùng các cơ cấu truyền chuyển động về vị trí cũ do lực đàn hồi tại cổ dầm (6). Lúc này vành răng cóc bị hãm quay ngược chiều kim đồng hồ nhờ các cơ cấu chống đảo (3). Khi ta cấp điện áp theo một tần số, dầm sẽ lắc qua lắc lại tạo thành chuyển động quay của micromotor. Tuy nhiên, ở thiết kế CT02, với điểm cải tiến ở thanh răng cóc dẫn sẽ giúp khắc phục sự trượt tốt hơn so với thiết kế CT01.
3.4.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT02
Trong thiết kế cải tiến CT02, điểm cải tiến cũng ở cơ cấu truyền chuyển động răng cóc. Hình 3.18 mô tả cấu tạo của cơ cấu truyền chuyển động răng cóc.
Trong đó:
1. Giá đỡ 4. Thanh đỡ
2. Lò xo chống 5. Lò xo đàn hồi
3. Chân chống 6. Thanh răng cóc dẫn
Hình 3.18 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT02
1 2 3 5 4 Vành răng cóc 6 O1
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 39
Trong thiết kế cải tiến CT02, cũng sử dụng cơ cấu đẩy phụ như trong thiết kế
CT01 để khắc phục khe hở giữa các răng cóc dẫn trên thanh răng (6) với các răng cóc bị động trên vành răng cóc. Tuy nhiên, ở thiết kế này, các răng cóc dẫn không những nối mềm vời lò xo đàn hồi (5) mà được nối cứng với dầm di động qua thanh răng trên giá (1). Thanh răng có kết cấu hẹp tại cổ thanh O1 để có thể dễ dàng gập lên – xuống làm tăng khả năng ăn khớp với các răng cóc bịđộng trên vành răng. Do vậy, đáp ứng dẫn động trong thiết kế CT02 là tốt hơn thiết kế CT01.
Để hệ thống có thể hoạt động, ta đưa cơ cấu truyền chuyển động vào vị trí làm việc bằng cách đẩy thanh đỡ (4) lên. Hình 3.19 thể hiện vị trí làm việc của cơ
cấu truyền chuyển động.
Khi đặt điện áp (V ≠ 0) vào các điện cực của bộ kích hoạt răng lược, dầm lắc sang phải và vành răng cóc quay theo chiều thuận kim đồng hồ (Hình 3.20).
Khi điện áp đặt vào các cực (V = 0), dầm và cơ cấu truyền chuyển động trở về
vị trí cũ nhờ lực đàn hồi tại cổ dầm O và cổ thanh răng O1 (Hình 3.21).
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 40
3.4.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT02
Trong thiết kế CT02, yếu tố giúp cho micromotor quay có khả năng chống trượt, nâng cao hiệu suất là cải tiến của thanh răng cóc. Cụ thể là sự đàn hồi ở cổ
thanh răng. Hình 3.22 thể hiện các lực tác dụng lên răng cóc dẫn.
Hình 3.21 Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V = 0
V=0
Hình 3.20 Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V ≠ 0
V≠0
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 41
Trong đó:
Fđh: Lực đàn hồi cổ dầm O trên bộ kích hoạt răng lược (phương y) - µN F’đh: Phản lực đàn hồi cổ dầm - µN (theo phương y)
N: Lực pháp tuyến trên mặt răng cóc - µN
Fms: Lực ma sát giữa răng cóc với vảnh răng cóc - µN Q: Áp lực tại điểm tính toán - µN (theo phương x)
α: Góc nghiêng răng cóc (α = 300)
Áp lực Q sinh ra trong khi dầm trở về vị trí ban đầu do tác động của lực đàn hồi cổ dầm (Fđh). Áp lực Q sẽ ép thanh răng cóc gập xuống. Như vậy, để các răng cóc có thể trượt về thì áp lực Q phải đủ lớn để thắng lại lực đàn hồi của lò xo (Fđhlx) và lực đàn hồi cổ thanh răng (Fđhc). Ta có: - Phản lực đàn hồi là : F’đh = Fđh = kcd.y (3.7) kcd: Hệ sốđàn hồi (kcd = 5,26 theo biểu thức 3.14)
y: Chuyển vị của dầm theo phương y tại vị trí răng cóc dẫn (y = i.t = 3.7 = 21µm ứng với 3 răng, mỗi bước răng là t = 7µm)
- Lực pháp tuyến trên mặt trượt răng cóc :
N = F’đh.sinα (3.8)
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 42
- Áp lực Q để thắng lực đàn hồi lò xo Fđhlx và lực đàn hồi cổ thanh Fđhc: Q = N.cosα = 0,5.F’đh.sin2α = 0,5.5,26.21.sin60 = 47,86µN (3.9) - Lực đàn hồi cổ thanh răng cóc :
Fđhc = kct.h = 2,38.4 = 9,52µN (3.10)
(Độ cứng cổ thanh kct = 2,38 tính toán bằng mô phỏng theo biểu thức (3.15) - Hình 3.36; chiều cao răng cóc h = 4µm)
Ta có : Fđhlx + Fđhc = 21,2 + 9,52 = 30,72µN < Q (3.11) Với Fđhlx = 21,2µN - theo biểu thức (3.6)
Kết luận :
Như vậy, ở thiết kế cải tiến CT02 khả năng chống trượt là tốt hơn vì có thêm sựđàn hồi của cổ thanh răng cóc giúp các răng cóc dẫn có thể bật lên nhanh hơn để đẩy vành răng cóc trong chu kì cấp điện lên các cực bộ kích hoạt.
3.4.4 Tính toán số vòng quay lý thuyết nlt trong thiết kế cải tiến
- Theo thiết kế, số răng cóc trên vành răng là: z = 1080 (răng)
- Khi đặt điện áp vào các cực bộ kích hoạt răng lược, dầm sẽ lắc sang phải và
đẩy vành răng đi được i (răng). Với i là số bước nhảy trong một chu kỳ dẫn động. - Giả sử tần sốđiện áp đặt vào là f. Khi đó, muốn vành răng cóc quay hết một vòng (z = 1080 răng) thì cần thời gian là:
G = I. J .H 60 =1 1080I. J .60 =1 I. J (KℎúG) (3.12)18
Do vậy, với bước nhảy trong mỗi chu kỳ i = 3 (răng), số vòng quay lý thuyết của micromotor là:
FM= =1G =I. J18 =3. J18 =J6 NOòFKℎúGQ (3.13)
Như vậy, giả sử tần sốđiện áp đặt vào bộ kích hoạt f = 6 Hz thì số vòng quay lý thuyết là: nlt = f/6 = 6/6 =1 (vòng/ phút).
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 43
3.5 Tính toán bằng mô phỏng trong phần mềm AnsysWorkbench
Như đã trình bầy ở phần trên, trong các thiết kế cải tiến thì thiết kế cải tiến CT02 có những ưu điểm hơn trong việc khắc phục hiện tượng trượt và nâng cao hiệu suất làm việc của micromotor. Do đó, việc tính toán mô phỏng trong luân văn sẽ tập trung cho thiết kế cải tiến CT02.
Trong thiết kế cải tiến CT02, có hai vị trí quan trọng ảnh hưởng tới khả
năng làm việc của hệ thống. Đó là tại vị trí cổ dầm của bộ kích hoạt răng lược (O) và vị trí cổ thanh răng cóc trên cơ cấu truyền chuyển động (O1). Bằng phương pháp thiết kế và tính toán thông thường, kết hợp với tính toán sử dụng máy tính thông qua phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn - FEA (Finite Element Analysis) giúp cho việc thiết kế trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn rất nhiều.
3.5.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS
Trong luận văn này, việc mô phỏng tính toán được thực hiện thông qua bộ
phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS - (Analysis Systems). Ansys là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Trong tính toán thiết kế cơ
khí, phần mềm Ansys có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết. Nhờ việc xác định
đó, ta có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. Ansys còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí …
Công ty Ansysđã có rất nhiều dòng sản phẩm, các dòng sản phần chính sau:
Ansys Classic - với mức cao nhất là Multiphysics, là dòng sản phẩm chủ đạo của công ty.
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 44
Ansys Workbench – dùng để tính toán kết cấu, nhiệt, điện từ, dao động, … với ưu điểm là giao diện cực kỳ thân thiện, dễ dùng, hoàn toàn tương thích với các phần mềm CAD nổi tiếng nhưSolidWorks, Catia, ProE, … Đến phiên bản 10 trở đi, Ansys Workbenchđã trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược phát triển của công ty (Ansys Workbench từ bản 7.0 trởđi có những phát triển vượt bậc của modun này). Ngoài ra còn có các sản phẩm nhưAnsys ICEM CFD hay Ansys CFX …
Thông thường, để giải một bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn gồm ba bước cơ bản sau:
- Bước 1: Tiền xử lý - xác định các vấn đề. Bước này bao gồm: • Xác định các điểm khóa, các đường, khu vực và khối
• Xác định kiểu yếu tố và vật liệu/ đặc tính hình học • Chia lưới theo đường, khu vực hay khối theo yêu cầu
Một vài chi tiết phụ thuộc vào kích thước phân tích ,ví dụ: 1D, 2D, trục đối xứng…
- Bước 2: Giải pháp- giải quyết vấn đề.
Ở đây, ta cần chỉ rõ tải trọng (điểm đặt và áp lực), các ràng buộc (tịnh tiến hay quay) và cuối cùng giải quyết kết luận các phương trình được thiết lập.
- Bước 3: Hậu xử lý - tiếp tục xử lý và xem những kết quả. Các kết quả mong muốn đó là: • Danh sách các chuyển vị nút • Các yếu tố lực và mômen • Các đồ thị chuyển vị (biến dạng) • Các biểu đồđường đẳng trịứng suất
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 45
3.5.2 Tính toán mô phỏng chuyển vị cổ dầm bộ kích hoạt răng lược