Tôi đang tìm kiếm điều gì đây?
Sức mạnh của một thiết bị truyền động tuyến tính là lượng lực mà nó có thể cung cấp. Nó thường được nhìn thấy dưới dạng Newton (N) cho đơn vị số liệu và pound (lbs) cho đơn vị hệ Anh. Có hai loại thông số lực mà các nhà sản xuất bộ truyền động tuyến tính sẽ cung cấp: Động và Tĩnh.
Lực động (hoặc tải động) là lực tối đa mà bộ truyền động có thể tác dụng để di chuyển một vật thể.
Lực tĩnh (hoặc tải tĩnh) là trọng lượng tối đa mà bộ truyền động có thể giữ khi nó không chuyển động.
Các thông số lực này nói chung là những yếu tố chính trong việc xác định loại bộ truyền động tuyến tính nào bạn cần cho dự án của mình. Nếu bạn không biết những yếu tố nào khác mà bạn có thể muốn xem xét khi chọn bộ truyền động tuyến tính, hãy xem bài đăng của chúng tôi về vấn đề này đây.
Khi cố gắng di chuyển một vật thể bằng bộ truyền động tuyến tính, bạn sẽ cần xác định lực động tối thiểu mà bộ truyền động tuyến tính của bạn có thể có là bao nhiêu. Lực này sẽ không chỉ phụ thuộc vào trọng lượng bạn đang cố gắng di chuyển mà còn phụ thuộc vào số lượng bộ truyền động liên quan và hình dạng vật lý của thiết kế của bạn. Để xác định yêu cầu lực chính xác trong bất kỳ ứng dụng nào, bạn sẽ cần áp dụng định luật chuyển động đầu tiên của Newton. Định luật này phát biểu rằng một vật đang đứng yên có xu hướng đứng yên trừ khi bị tác dụng bởi một lực mất cân bằng. Đối với chúng tôi, điều này có nghĩa là lực từ bộ truyền động tuyến tính của chúng tôi cần phải lớn hơn tổng của tất cả các lực tác động lên hướng chuyển động mong muốn của chúng tôi. Hướng dẫn này sẽ hướng dẫn bạn cách tính các lực liên quan bằng cách sử dụng một số ví dụ cơ bản.
Ngoài lề: Sơ đồ vật tự do là sơ đồ đơn giản hóa của các vật thể được sử dụng để hình dung các lực tác dụng lên nó. Việc sử dụng các sơ đồ này là cách thực hành tốt để hình dung tất cả các lực liên quan và hướng của chúng.
Chuyển động một chiều
Trường hợp đơn giản nhất của việc sử dụng bộ truyền động tuyến tính để cung cấp chuyển động là sử dụng một bộ truyền động để di chuyển một vật thể dọc theo một trục. Như được hiển thị trong sơ đồ vật tự do bên cạnh đoạn này, lực do bộ truyền động tuyến tính tác dụng có nhãn là F và trọng lượng của vật được gắn nhãn là W. Để xác định lực động cần thiết cho bộ truyền động tuyến tính, bạn chỉ cần trừ đi tổng của các lực theo hướng âm từ tổng các lực theo hướng dương, lực này cần phải lớn hơn 0 để tạo ra chuyển động\n. Trong ví dụ này, nó trở thành F – W > 0. Sau đó, bạn cần giải F, trở thành F > W. Điều này có nghĩa là yêu cầu lực động từ bộ truyền động tuyến tính cần phải lớn hơn trọng lượng của vật.
Trong trường hợp bạn đang sử dụng nhiều bộ truyền động tuyến tính, như trong phần thân tự do
sơ đồ hiển thị ở đây, bạn làm theo quy trình tương tự như trên. Trong ví dụ này, tổng các lực trở thành F + F – W > 0 hoặc 2*F – W > 0. Khi đó giải F trở thành F > ½*W. Điều này có nghĩa là lực do một bộ truyền động tác dụng có thể nhỏ hơn trọng lượng của vật nhưng tổng lực từ cả hai cần phải lớn hơn.
ma sát
Các trường hợp trên đã bỏ qua ma sát trong tính toán cân bằng lực, điều này có thể đúng hoặc không đúng trong ứng dụng của bạn. Lượng lực ma sát (f) bằng hệ số ma sát (u) nhân với lực pháp tuyến (N). Hệ số ma sát thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1 (mặc dù nó có thể lớn hơn 1) và sẽ phụ thuộc vào vật liệu nào trượt qua nhau cũng như việc có sử dụng chất bôi trơn hay không.
Hệ số ma sát cũng sẽ thay đổi khi một vật chuyển động và thường được cho dưới dạng giá trị tĩnh và động. Giá trị tĩnh sẽ luôn lớn hơn giá trị động (do định luật thứ nhất của Newton) và khi chúng ta đang cố gắng di chuyển một vật, bạn sẽ muốn sử dụng giá trị tĩnh của hệ số ma sát. Lực pháp tuyến là lực tổng hợp được sử dụng để hỗ trợ một vật thể trên một vật thể hoặc bề mặt khác. Ví dụ: nếu bạn đang đứng trên một sàn nhà trong nhà, sàn nhà sẽ hỗ trợ bạn bằng cách tác dụng một lực hướng lên trên bằng trọng lượng của bạn, đây là lực bình thường. Lực pháp tuyến sẽ luôn tác dụng vuông góc với lực ma sát và lực ma sát sẽ luôn tác dụng ngược với hướng chuyển động mong muốn của bạn.
Trong các tình huống, giống như các trường hợp trên, khi vật bạn đang chuyển động không trượt dọc theo một bề mặt, có thể bỏ qua ma sát. Về mặt kỹ thuật, các thành phần hỗ trợ đối tượng của bạn, cho dù chúng là chuyển động tuyến tính đều hỗ trợ như đường ray trượt hoặc bản thân bộ truyền động tuyến tính sẽ có một số ma sát bên trong mà bạn cần phải vượt qua để bắt đầu di chuyển, nhưng nó sẽ tương đối nhỏ.
Nếu bạn đang di chuyển một vật dọc theo một bề mặt, ma sát sẽ cần được xét đến trong tính toán lực của bạn. Sơ đồ phần thân tự do ở trên cho thấy một ví dụ về một ngăn kéo được đẩy bởi bộ truyền động tuyến tính. Mỗi trượt ngăn kéo sẽ có một lượng ma sát đáng chú ý khi chúng đang đỡ tải trọng vuông góc (W). Vì có hai thanh trượt ngăn kéo nên lực pháp tuyến (N) tác dụng bởi một trong các thanh trượt ngăn kéo sẽ bằng một nửa tải trọng (W). Tổng hợp các lực và giải F trong ví dụ này sẽ cho kết quả:
F > u*(0,5*W) + u*(0,5*W) = u*W
Do đó, lực bạn yêu cầu từ bộ truyền động tuyến tính cần phải lớn hơn tổng lực ma sát. Phần khó khăn trong những trường hợp này là xác định hệ số ma sát. Nếu bạn có thể xác định chính xác hệ số ma sát trong ứng dụng của mình thì bạn chỉ cần sử dụng công thức trên để tìm lực động tối thiểu của mình. Nếu bạn không thể xác định hệ số ma sát, bạn có thể giả sử nó bằng 1. Hệ số này có thể sẽ lớn hơn hệ số ma sát thực tế, do đó, bạn có thể sử dụng giả định an toàn để xác định lượng lực bạn yêu cầu từ bộ truyền động tuyến tính của mình .
Chuyển động hai chiều
Cho đến nay, chúng ta mới chỉ xem xét việc di chuyển một vật thể dọc theo một trục, nhưng bạn có thể yêu cầu chuyển động theo hai trục hoặc theo một góc. Trong những trường hợp này, bạn vẫn có thể sử dụng phép tính tổng lực để xác định lực động cần thiết nhưng chúng ta sẽ cần xem xét nhiều trục và sử dụng một số lượng giác. Trong ví dụ dưới đây về việc đẩy một vật lên dốc, hướng chuyển động là một góc (theta). Để đơn giản hóa các phép tính của chúng ta, bạn có thể chọn để một trục song song với hướng chuyển động và trục còn lại sẽ vuông góc, như được hiển thị.
Bây giờ các trục đã được dịch chuyển, bạn sẽ cần chia trọng lượng của vật thành hai thành phần lực bằng cách sử dụng lượng giác và độ dốc của đoạn đường nối (theta). Một trong những lực này sẽ tác động ngược lại hướng chuyển động của chúng ta và một lực sẽ tác dụng vuông góc với bề mặt của đoạn đường nối. Lực pháp tuyến dùng để xác định lực ma sát sẽ bằng thành phần vuông góc của trọng lượng của vật. Giải tích các lực để xác định F sẽ dẫn đến:
F > W*sin(theta) + u*N = W*sin(theta) + u*W*cos(theta)
Chuyển động quay
Trong khi các bộ truyền động tuyến tính cung cấp chuyển động tuyến tính, chúng cũng có thể được sử dụng để cung cấp chuyển động quay trong các ứng dụng như mở nắp hoặc cửa sập. Lực động cần thiết để tạo ra chuyển động quay sẽ tạo ra một mô-men xoắn không cân bằng chứ không phải là một lực không cân bằng. Mô-men xoắn là một lực quay gây ra chuyển động quay và bằng lực tác dụng nhân với khoảng cách vuông góc đến điểm quay. Vì vậy, để gây ra chuyển động quay, một bộ truyền động tuyến tính phải cung cấp một mô-men xoắn lớn hơn tổng của tất cả các mô-men xoắn tác dụng ngược với hướng quay mong muốn.
Lượng mô-men xoắn mà bộ truyền động tuyến tính của bạn áp dụng sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố, lực tác dụng và khoảng cách từ điểm quay. Trong các ví dụ trên, tổng mô men xoắn trông giống nhau:
F*y*cos(alpha) - W*x*cos(alpha) > 0
Khoảng cách từ điểm quay đến lực từ bộ truyền động tuyến tính là y, và khoảng cách từ điểm quay đến trọng tâm của cửa sập là x. Vì cửa sập có một góc (alpha), nên chúng ta có thể xác định khoảng cách vuông góc với mỗi lực bằng khoảng cách nhân với cosin của góc. Giải động lực của bộ truyền động tuyến tính, F, dẫn đến:
F > (W*x)/y
Trong trường hợp bên trái, lực động của bộ truyền động tuyến tính, F, có thể nhỏ hơn hoặc bằng trọng lượng của cửa sập, W, bởi vì nó tác động xa hơn so với điểm quay (y > x). Trong trường hợp bên phải, F sẽ phải lớn hơn W vì F tác dụng gần điểm quay hơn, (y < x).
Trong một số ứng dụng, lực do bộ truyền động tuyến tính tác dụng sẽ cần phải có góc như trong hình trên. Điều này làm cho việc tính toán phức tạp hơn một chút vì lực do bộ truyền động tuyến tính tác dụng sẽ cần được chia thành các thành phần dọc và ngang. Sơ đồ cơ thể tự do cho hình ảnh trên được hiển thị bên dưới:
Tổng mô men xoắn cho ví dụ này là:
((F*cos(beta))*(L*sin(alpha))) + (F*sin(beta))*(L*cos(alpha)) - W*(x*cos(alpha) > 0
Bởi vì lực từ bộ truyền động tuyến tính (F) được tác dụng theo một góc (beta), nên nó cần được chia thành thành phần thẳng đứng (F*sin(beta)) và thành phần nằm ngang (F*cos(beta)), như được hiển thị trong ví dụ về đoạn đường nối ở trên. Thành phần thẳng đứng của lực gây ra mô men quay quanh bản lề vì có một khoảng cách nằm ngang giữa lực và bản lề; tương tự, thành phần nằm ngang của lực cũng gây ra mômen quay quanh bản lề vì có một khoảng cách thẳng đứng giữa lực và bản lề. Bạn có thể xác định những khoảng cách này dựa trên chiều dài của cửa sập (L) và góc của cửa sập (alpha), như minh họa trong ví dụ về cửa sập trước đó. Để xác định lực động cần thiết, bạn cần giải phương trình trên cho F. Thật không may, lực từ bộ truyền động tuyến tính (F) sẽ là hàm phụ thuộc vào góc của cửa sập (alpha). Vì góc này sẽ thay đổi khi bạn mở cửa sập nên lực tối thiểu cần thiết từ bộ truyền động tuyến tính cũng sẽ thay đổi. Điều này có nghĩa là bạn sẽ cần giải phương trình trên theo nhiều góc độ khác nhau để tìm ra lực tối thiểu cao nhất cần thiết để sử dụng cho thông số lực động của mình. Điều này có thể còn khó khăn hơn nếu góc tác dụng lực (beta) cũng thay đổi khi cửa sập mở ra, điều đó có nghĩa là nó cũng sẽ là một hàm của góc cửa sập (alpha). Nếu bạn hiểu rõ về toán học, bạn có thể xác định chính xác yêu cầu về lực động mà bạn cần từ bộ truyền động tuyến tính của mình. Nhưng nếu không, bạn có thể sử dụng tiện ích của chúng tôi Máy tính truyền động tuyến tính, được thiết kế dành riêng cho những tình huống khó khăn này.
Tình huống tĩnh
Trong trạng thái tĩnh, tổng lực và tổng mômen sẽ bằng 0 vì không có lực hoặc mô men không cân bằng nào gây ra chuyển động. Nếu bạn muốn đảm bảo thiết kế của mình ổn định với một tải nhất định hoặc đảm bảo bộ truyền động tuyến tính của bạn sẽ giữ một tải nhất định, bạn vẫn có thể sử dụng các kỹ thuật trên để đảm bảo tất cả các lực và mô men xoắn được cân bằng. Khi kiểm tra các tình huống tĩnh, bạn sẽ sử dụng thông số lực tĩnh cho bộ truyền động tuyến tính thay vì thông số lực động.
Bây giờ bạn đã biết cách xác định mức độ mạnh mẽ của bộ truyền động tuyến tính, bạn có thể tìm thấy bộ truyền động tuyến tính phù hợp với nhu cầu của mình trong lựa chọn tại Firgelli Tự động hóa.
