Cơ cấu truyền động là thành phần chính trong thiết bị cơ khí truyền công suất để đạt được chuyển động cơ học. Khi thiết kế cơ cấu truyền động, việc tính toán quán tính của tải là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và độ tin cậy của cơ cấu truyền động. Sau đây là các phương pháp tính toán và ví dụ về quán tính tải cho các cơ cấu truyền động thông dụng:
I. Phương pháp tính quán tính tải của các cơ cấu truyền động thông thường
1. Cơ cấu truyền động trục vít bi
Cơ cấu truyền động vít bi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị chính xác. Việc tính toán quán tính tải của chúng cần xét đến các yếu tố như khối lượng tải, đầu vít, đường kính vít và hệ số ma sát.
Giả sử khối lượng tải là m, đầu vít là Pb, đường kính trục vít là Db và tốc độ di chuyển của tải là V. Quán tính tải quy đổi sang trục động cơ có thể được tính theo công thức sau:
Quán tính tải=4×π2×Tốc độ động cơ2m×Pb2
Tốc độ động cơ cần được chuyển đổi theo tốc độ di chuyển của tải và đầu vít. Ngoài ra, quán tính của trục vít và ảnh hưởng của tổn thất ma sát đến quán tính của hệ thống cũng cần được xem xét.
2. Cơ cấu dẫn động ròng rọc định thời
Cơ cấu truyền động ròng rọc định thời được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị tự động hóa do ưu điểm là truyền động êm ái, độ ồn thấp và độ chính xác định vị cao. Tính toán quán tính tải của chúng bao gồm quán tính của puli định thời và quán tính của tải.
Giả sử đường kính của ròng rọc định thời là D và khối lượng tải là M. Quán tính của ròng rọc định thời có thể được tính theo công thức sau:
Quán tính ròng rọc định thời=21×M×D2
Quán tính của tải được tính theo khối lượng và hình dạng của tải, sau đó được cộng vào quán tính của puli định thời để thu đượctổng quán tính tải.
3. Cơ cấu truyền động bánh răng
Cơ cấu truyền động bánh răng có tỷ số truyền chính xác, hiệu suất cao và cấu trúc nhỏ gọn. Việc tính toán quán tính tải của chúng cần xét đến quán tính của moay ơ bánh răng, quán tính của trục bánh răng và các hiệu ứng động trong quá trình chia lưới bánh răng.
Giả sử khối lượng của trục bánh răng là m1 với bán kính r1, và khối lượng của trục bánh răng là m2 với bán kính r2. Quán tính của trục bánh răng là I1=m1×r12, và quán tính của trục bánh răng là I2=m2×r22. Quán tính của tải được tính theo khối lượng và hình dạng của tải, sau đó được cộng vào quán tính của trục bánh răng và trục bánh răng để thu đượctổng quán tính tải.
Ngoài ra, ảnh hưởng của các yếu tố như tổn thất ma sát, phản ứng ngược của bánh răng và biến dạng đàn hồi trong quá trình chia lưới bánh răng đến quán tính của hệ thống cũng cần được tính đến.
4. Cơ cấu truyền động dây đai
Cơ cấu truyền động đai có ưu điểm là truyền êm, cấu trúc đơn giản và bảo trì thuận tiện. Tính toán quán tính tải của chúng bao gồm quán tính của puli đai và quán tính của đai.
Phương pháp tính quán tính của ròng rọc đai cũng tương tự như phương pháp tính quán tính của đai, trong khi quán tính của đai cần được tính toán dựa trên các yếu tố như thông số vật liệu của đai, điều kiện làm việc và chiều dài. Nhìn chung, quán tính của dây đai tương đối nhỏ nhưng không thể bỏ qua ảnh hưởng của nó trong các hệ thống truyền động tốc độ cao.
5. Cơ cấu truyền động xích
Cơ cấu truyền động xích có đặc điểm là hiệu suất truyền cao, khả năng chịu tải-mạnh và khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt. Tính toán quán tính tải của chúng bao gồm quán tính của bánh xích và quán tính của xích.
Cách tính quán tính của nhông xích cũng tương tự như cách tính của moay ơ bánh răng, trong khi quán tính của xích cần tính toán dựa trên các yếu tố như thông số vật liệu của xích, điều kiện làm việc và chiều dài. So với bộ truyền động dây đai, bộ truyền động xích thường có quán tính lớn hơn nên ảnh hưởng của nó đến hiệu suất động của hệ thống phải được xem xét đầy đủ trong thiết kế.
II. Phân tích trường hợp
Lấy cơ cấu vít bi trong hệ thống truyền động servo làm ví dụ, việc tính toán quán tính tải và lựa chọn động cơ được thực hiện như sau:
1. Điều kiện đã biết
- Tải khối lượng m=200 kg, trục vít Pb=20 mm, đường kính trục vít Db=50 mm, khối lượng trục vít mb=40 kg
- Hệ số ma sát μ=0.002, hiệu suất cơ học η=0.9
- Tải tốc độ di chuyển V=30 m/min, tổng thời gian di chuyển t{1}} s
- Thời gian tăng tốc/giảm tốc t1=t3=0.2 s, thời gian dừng t4=0.3 s
2. Quá trình tính toán
- Đầu tiên tính quán tính của tải quy đổi sang trục động cơ, bao gồm quán tính quay của tải nặng quy đổi sang trục động cơ và quán tính quay của trục vít, sau đó thu được biểu thứctổng quán tính tải.
- Tiếp theo, tính tốc độ động cơ và mô-men xoắn cần thiết để động cơ dẫn động tải, bao gồm mô-men xoắn cần thiết để thắng ma sát và mô-men xoắn cần thiết để tăng tốc cho tải nặng và trục vít, cuối cùng thu đượcmô-men xoắn yêu cầu tối đa.
3. Lựa chọn động cơ
Dựa vào kết quả tính toán,Động cơ servo dòng TECO JSDEP-20Ađược chọn, có các thông số kỹ thuật sau đáp ứng yêu cầu thiết kế:
Tốc độ định mức: 3000 vòng/phút (có thể điều chỉnh thành 2500 vòng/phút khi vận hành)
Mô-men xoắn định mức: 12 N·m (thỏa mãn yêu cầu mô-men xoắn tải)
Quán tính rôto:
(gần giá trị yêu cầu của
, có thể thích ứng trong phạm vi lỗi)
Tỷ lệ quán tính tải: 145/29≈5:1 (tuân theo tiêu chuẩn thiết kế)
III. Kết luận
- Trong thiết kế cơ cấu truyền động, quán tính của tải phải được tính toán chính xác để đảm bảo độ ổn định và tin cậy của cơ cấu truyền động.
- Việc tính toán quán tính tải cần tính đến nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm các thông số hình học, thông số vật liệu và điều kiện làm việc.
- Để lựa chọn động cơ, các yếu tố như quán tính tải, tốc độ động cơ và mô-men xoắn yêu cầu phải được xem xét toàn diện để chọn động cơ phù hợp nhất.
Tóm lại, các phương pháp tính toán và phân tích trường hợp quán tính của tải đối với các cơ cấu truyền động thông thường có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế các cơ cấu truyền động và lựa chọn động cơ. Tính toán chính xác và lựa chọn hợp lý có thể đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của cơ cấu truyền động và cải thiện hiệu suất của thiết bị cơ khí.