Các loại thiết bị truyền động khác nhau

Thiết bị truyền động là máy móc có khả năng biến đổi một dạng năng lượng thành lực vật lý hoặc chuyển động cơ học. Nói một cách dễ hiểu hơn, bộ truyền động là các bộ phận cho phép chuyển động trong một máy hoặc trong một vật thể. Để thực hiện chuyển động, cơ cấu chấp hành cần một tín hiệu điều khiển và một nguồn năng lượng. Năng lượng có thể ở dạng năng lượng điện, áp suất chất lỏng thủy lực, áp suất khí nén, v.v … Sơ đồ khối dưới đây cho thấy hoạt động đơn giản hóa của các cơ cấu chấp hành.

Sơ đồ khối thiết bị truyền động

Các loại thiết bị truyền động khác nhau

Thiết bị truyền động có thể được phân loại thành 2 loại, dựa trên chuyển động của chúng và dựa trên phương pháp truyền động của chúng. Trong bài viết này, tôi sẽ phân loại các bộ truyền động trên cơ sở năng lượng đầu vào cần thiết để truyền động.

Bộ truyền động dựa trên chuyển động

Dựa trên chuyển động, thiết bị truyền động có thể được phân loại là  Thiết bị truyền động tuyến tính hoặc  Thiết bị truyền động quay .

Bộ truyền động tuyến tính 

Máy truyền động tuyến tính (Linear Actuators) là loại máy cung cấp lực cơ học một cách tuyến tính hay nói cách đơn giản hơn chúng cung cấp lực cơ học theo một đường thẳng, chúng chỉ có một chuyển động đẩy và kéo . Các thiết bị truyền động tuyến tính được sử dụng phổ biến nhất là đế kéo đẩy và xi lanh thủy lực được sử dụng trong thiết bị xây dựng. Hình ảnh dưới đây cho thấy một thiết bị truyền động điện tuyến tính.

Bộ truyền động tuyến tính

Thiết bị truyền động quay 

Bộ truyền động quay có thể cung cấp mô-men xoắn cơ học xung quanh một điểm. Một trong những loại phổ biến nhất của thiết bị truyền động quay là động cơ điện. Hình ảnh dưới đây cho thấy một thiết bị truyền động quay đang hoạt động.

Thiết bị truyền động quay

Bộ truyền động dựa trên Năng lượng đầu vào của chúng

Thiết bị truyền động được phân loại phổ biến nhất trên cơ sở năng lượng đầu vào. Thiết bị truyền động thủy lực, khí nén và điện là những loại thiết bị truyền động phổ biến nhất hiện nay trên thị trường. Thiết bị truyền động thủy lực là loại thiết bị truyền động lâu đời nhất vẫn được sử dụng trong khi thiết bị truyền động điện đang trở thành loại được sử dụng nhiều nhất. Có những loại thiết bị truyền động mới được vận hành do sự thay đổi nồng độ pH của cơ thể hoặc tương tác với một số hóa chất nhất định, những thiết bị này có ứng dụng trong lĩnh vực phẫu thuật sinh học và y tế được sử dụng

Thiết bị truyền động điện

Thiết bị truyền động điện là thiết bị lấy năng lượng điện cả AC hoặc DC làm đầu vào để cung cấp mô-men xoắn cơ học hoặc chuyển động thẳng. Động cơ điện đang trở thành một trong những thiết bị truyền động được sử dụng phổ biến nhất do khả năng điều khiển dễ dàng hơn, tuổi thọ cao hơn và hiệu suất cao. Động cơ servo và các loại động cơ DC và AC khác cung cấp đầu ra quay . Thiết bị truyền động quay là loại thiết bị truyền động điện hiệu quả nhất, chúng có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn và các bộ phận chuyển động thấp hơn so với hầu hết các thiết bị truyền động tuyến tính. Hình ảnh dưới đây cho thấy một thiết bị truyền động quay được sử dụng như một van trong khu vực mặt cắt ngang của đường ống.

Thiết bị truyền động điện

Bộ truyền động tuyến tính điện

Các thiết bị này chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động thẳng. Có 2 loại thiết bị truyền động tuyến tính, một là thiết bị truyền động điện từ, cung cấp chuyển động thẳng và loại thứ hai có chuyển động quay với một hệ thống cơ khí để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Chúng có một động cơ cung cấp chuyển động quay và trục đầu ra được kết nối với một bộ bánh răng và cơ cấu truyền động để chuyển chuyển động quay thành chuyển động thẳng, trục đầu ra của bộ truyền động thẳng được kết nối với các thanh dẫn tuyến tính đảm bảo chuyển động thích hợp của trục đầu ra. Loại thiết bị truyền động tuyến tính thứ hai được sử dụng phổ biến nhất trong số hai loại vì chúng có khả năng chịu tải cao hơn nhiều.

Trong hình ảnh minh họa bên dưới, sơ đồ bên trái mô tả một bộ truyền động điện từ trong khi hình bên phải mô tả bên trong của một bộ truyền động tuyến tính và cơ cấu dẫn động của nó.

Sơ đồ khối bộ truyền động tuyến tính điện

 Bộ truyền động tuyến tính điện được sử dụng ở đâu?

Thiết bị truyền động tuyến tính điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, chúng cũng thường được sử dụng để điều khiển van, máy bơm, v.v. trong các nhà máy điện, nhà máy dầu khí, v.v. các cơ chế trong nhà, và tìm ứng dụng trong các cửa sổ điều khiển điện tử trên ô tô.

Ưu điểm của thiết bị truyền động tuyến tính điện

  • Thiết bị truyền động điện mang lại độ chính xác cao nhất trong số tất cả các loại thiết bị truyền động.
  • Chúng có tính mô-đun cao và khả năng mở rộng cho các mục đích và yêu cầu lực lượng khác nhau.
  • Bộ truyền động điện có khả năng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt.
  • Dễ dàng thi công và sửa chữa.
  • Thiếu dầu và các chất lỏng khác làm cho chúng bền hơn nhiều đối với một trọng lượng nhất định.
  • Chúng tạo ra ít âm thanh hơn so với bộ truyền động thủy lực và khí nén.

Nhược điểm của thiết bị truyền động tuyến tính điện  

  • Chi phí ban đầu cao hơn cho các ứng dụng được hỗ trợ cao hơn.
  • Cơ chế kiểm soát phức tạp hơn
  • Yêu cầu người có tay nghề cao để bảo trì và sửa chữa.
  • Những thứ này không thích hợp cho những khu vực nguy hiểm và dễ cháy.
  • Động cơ điện yêu cầu cơ cấu bánh răng, do đó khả năng bảo trì cao hơn.

Thiết bị truyền động thủy lực

Các bộ truyền động thủy lực bao gồm một xi lanh hoặc động cơ dựa trên chất lỏng sử dụng sức mạnh của thủy lực để tạo ra các hoạt động cơ học. Bộ truyền động thủy lực có khả năng cung cấp chuyển động thẳng cũng như quay. Chúng sử dụng chất lỏng không thể nén được như dầu từ một máy bơm nạp đầy xi lanh để truyền lực cho một hoặc cả hai bên của piston. Tốc độ và lực có thể được điều chỉnh bằng cách tăng áp suất của chất lỏng bên trong xi lanh. Đây là những loại thiết bị truyền động lâu đời nhất mà chúng ta biết đến. Hình ảnh dưới đây cho thấy một mặt cắt ngang của bộ truyền động thủy lực. Trong hình ảnh của một máy JCB, chúng ta có thể thấy 3 bộ truyền động thủy lực được sử dụng để điều khiển cánh tay đòn của nó.

Thiết bị truyền động thủy lực

Lợi thế của Bộ truyền động thủy lực

  • Chúng có khả năng tạo ra tốc độ cao và công suất lớn
  • Bộ truyền động thủy lực có thể giữ lực không đổi ngay cả khi không có máy bơm tiêu thụ thêm năng lượng để cung cấp chất lỏng vào xi lanh khi chúng sử dụng chất lỏng không nén được.

Nhược điểm của Bộ truyền động thủy lực

  • Họ yêu cầu chi phí bảo trì cao hơn
  • Rò rỉ trong chất lỏng có thể làm mất hiệu quả, chất lỏng cũng có thể tác động xấu đến môi trường.
  • Chúng không thích hợp với nhiệt độ khắc nghiệt vì đặc tính chất lỏng có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ.
  • Thiết bị truyền động thủy lực có rất nhiều thành phần như bể chứa, máy bơm, van xả, bộ trao đổi nhiệt, v.v., có thể dẫn đến độ tin cậy thấp hơn và nguồn lực cao hơn để giám sát, do đó làm tăng chi phí hoạt động.

Bộ truyền động thủy lực được sử dụng ở đâu?

Bộ truyền động thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, chúng cũng được sử dụng trong các thiết bị xây dựng như máy JCB, máy đào, v.v. để vận hành thiết bị của họ như pit tông hoặc máy đào. Chúng thường được sử dụng trong hệ thống phanh của xe hoặc hệ thống treo của chúng tôi, v.v.

Thiết bị truyền động khí nén

Thiết bị truyền động khí nén tương tự như thiết bị truyền động thủy lực. Sự khác biệt là chất lỏng được sử dụng để dẫn động các piston có bản chất là khí. Năng lượng từ không khí nén áp suất cao hoặc chân không được sử dụng để tạo ra một lớp lót hoặc chuyển động cơ học quay. Tương tự như bộ truyền động thủy lực, chúng chuyển đổi áp suất thành lực. Dưới đây là sơ đồ hệ thống phanh hơi dùng trong xe lửa

Thiết bị truyền động khí nén

Ưu điểm của thiết bị truyền động khí nén

  • Tốc độ phản hồi rất nhanh
  • Lực cao có thể được tạo ra với sự thay đổi áp suất nhỏ
  • Rẻ hơn để cấu tạo và vận hành so với thiết bị truyền động điện và thủy lực.
  • Thiết bị truyền động khí nén tạo ra công suất cao hơn thiết bị truyền động điện hoặc thủy lực.
  • Nó có thể được sử dụng trong nhiệt độ khắc nghiệt và điều kiện nguy hiểm vì nó an toàn hơn để vận hành không khí ở những nơi nguy hiểm hơn so với hóa chất hoặc điện.

Nhược điểm của Bộ truyền động khí nén

  • Ngay cả khi không cần chuyển động, máy nén vẫn phải hoạt động liên tục vì tổn thất áp suất và khả năng nén của không khí làm cho bộ truyền động khí nén mất điện.
  • Rò rỉ nhỏ khó xác định hơn ở bộ truyền động thủy lực.
  • Nếu không khí trong bình chứa bị ô nhiễm bởi dầu, chất bôi trơn hoặc các khí khác, công suất điện sẽ bị thay đổi dẫn đến thời gian ngừng hoạt động và bảo trì.

Thiết bị truyền động khí nén được sử dụng ở đâu? 

Thiết bị truyền động khí nén được ứng dụng trong rất nhiều loại ngành công nghiệp khác nhau, chúng được sử dụng làm thiết bị truyền động Rack và Pinion cho các hoạt động điều khiển van. Chúng cũng được sử dụng trong hệ thống phanh khí nén trên xe vì chúng rất nhạy với những thay đổi áp suất nhỏ do người lái tác động.

Bộ truyền động từ tính

Kích hoạt từ tính dựa trên Nguyên lý Lực Lorentz , trong đó nói rằng  từ trường được tạo ra bởi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong một từ trường tĩnh tương tác với trường tĩnh để tạo ra một lực. Lực này 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 rô-bốt 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. Có một loại thiết bị truyền động từ tính khác được gọi là Thiết bị truyền động chất lỏng lưu biến Magneto. Các chất lỏng này đông đặc khi có từ trường và có ứng dụng trong các ổ trục thủy động, ly hợp bán chủ động, v.v.

Ví dụ : Xe tập đi vi từ tính được sử dụng trong các ứng dụng y sinh, thiết bị truyền động chất lỏng lưu biến từ tính được sử dụng làm van, phanh và bộ giảm chấn.

Bộ truyền động cơ học 

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 thiết bị truyền 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. Ảnh gif cho thấy cách hai đường ray cung cấp chuyển động thẳng cho bánh răng được chuyển thành chuyển động quay.

Bộ truyền động cơ học 

Ví dụ:  Cơ cấu giá đỡ và bánh răng, trục khuỷu trong động cơ, v.v.

Thiết bị truyền động nhiệt

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 hoạt động tuyến tính để đáp ứng với sự thay đổi của năng lượng nhiệt. Ưu điểm chính của thiết bị truyền động nhiệt là nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và thiết bị dễ sử dụng. Hình ảnh dưới đây cho thấy một van hằng nhiệt, thường được sử dụng trong phòng tắm của chúng tôi để kiểm soát nhiệt độ của nước một cách thụ động.

Thiết bị truyền động nhiệt

Ví dụ :  Bộ truyền động nhiệt thường được sử dụng làm cơ cấu điều khiển nhiệt độ trong bộ điều nhiệt, hộp sắt điện, và làm van hằng nhiệt trong đường ống chứa chất lỏng, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển nhiệt độ thụ động trong các ngành công nghiệp, gia đình, ô tô, v.v.

Bộ truyền 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, emf, thay đổi độ pH, v.v.

Ứng dụng của thiết bị truyền động mềm 

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.

Sự kết luận

Tất cả các công nghệ thiết bị truyền động đều có ứng dụng cụ thể và do đó có vị trí trong ngành. Nhưng các loại bộ truyền động thông dụng và linh hoạt nhất là bộ truyền động thủy lực, khí nén và điện. Bộ truyền động cơ khí thường được sử dụng cùng với các bộ truyền động hoặc cơ cấu truyền động khác để cung cấp các kết quả đầu ra cơ học mong muốn . Cơ cấu chấp hành mềm đang được nghiên cứu rất nhiều vì tiềm năng lớn của nó trong lĩnh vực y sinh và hóa sinh.