Bistable Compliant Switch (Công tắc lưỡng ổn dạng compliant)

Tóm tắt

Công tắc lưỡng ổn (bistable) này là một ví dụ về compliant mechanism với mô hình giả vật rắn (pseudo-rigid-body model) cho cơ cấu bốn khâu (four-bar). Lực tiếp xúc được tạo ra bằng cách làm cho các tiếp điểm chạm/kết nối với nhau trước khi cơ cấu đạt tới vị trí cân bằng ổn định thứ hai. Ở các khớp còn lại dùng living hinge. Cơ cấu này có thể dùng như một công tắc điện hoàn toàn compliant, hoặc cho các ứng dụng khác, ví dụ như bản lề cửa tủ.

Thiết lập in

Mẫu này có thể 3D print hoặc gia công (milling). Để dùng tối ưu, gia công/cắt bằng polypropylene sẽ cho hiệu năng tốt nhất.

Nếu 3D print, vật liệu filament bạn dùng và đặc tính chịu mỏi/độ dẻo (fatigue/flex) của nó sẽ quyết định số chu kỳ mà cơ cấu chịu được.

Tìm hiểu thêm

Thiết kế này được phát triển bởi Compliant Mechanisms Research Group (CMR) thuộc Brigham Young University (BYU). Bạn có thể theo dõi tụi mình tại @byucmr trên Instagram hoặc ghé website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms.

Giáo án và hoạt động

Thế nào là một cơ cấu lưỡng ổn (Bistable Mechanism)?

Một Bistable Mechanism có hai vị trí cân bằng ổn định mà nó có thể “nằm yên” ở đó. Ví dụ phổ biến của thiết bị lưỡng ổn là công tắc đèn (Hình 2) với hai trạng thái ổn định, nằm ở “on” hoặc “off”, chứ không đứng yên ở giữa. Cơ cấu sẽ giữ ở một trong hai trạng thái ổn định cho tới khi có lực bên ngoài tác động lên nó. Một cách đơn giản để minh hoạ tính ổn định của hệ lưỡng ổn là phép so sánh “quả bóng trên ngọn đồi” (Hình 3). Quả bóng sẽ nằm ở một trong hai điểm thấp trên đồ thị thế năng.

Tại sao dùng compliant mechanisms cho các hệ lưỡng ổn?

Giống như mọi cơ cấu khác, compliant mechanism cũng truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực, hoặc năng lượng. Tuy nhiên, khác với cơ cấu liên kết cứng (rigid-linked mechanisms), nó dùng chính các phần tử đàn hồi của mình để tạo bậc tự do bằng cách tích trữ năng lượng biến dạng (strain energy) bên trong—tương tự thế năng được tích trữ trong một lò xo khi bị uốn.

GIẢM SỐ LƯỢNG CHI TIẾT VÀ GIÁ THÀNH Dùng compliant mechanisms có lợi rất lớn vì giảm số chi tiết cần thiết. Nhờ vậy, việc sản xuất và lắp ráp dễ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm hơn. Với công tắc compliant này, chỉ cần một chi tiết duy nhất để thực hiện chức năng, trong khi công tắc truyền thống có thể cần nhiều phần như lò xo, bản lề, chốt (pins), v.v. Công tắc compliant dùng chính các phần tử của nó để tích trữ năng lượng, mô phỏng vai trò của lò xo trong các loại công tắc khác.

GIẢM MÀI MÒN Vì số chi tiết ít hơn nên cũng có ít khớp chuyển động hơn, giúp giảm mài mòn và giảm nhu cầu bôi trơn.

TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC Độ chính xác cũng có thể tăng vì backlash được giảm, thậm chí loại bỏ, do không còn “độ rơ” hay “lắc” giữa các chi tiết tách rời.

GIẢM TRỌNG LƯỢNG Khi giảm số chi tiết rời cần thiết trong thiết kế, tổng trọng lượng có thể giảm đáng kể. Điều này rất có ích cho hàng không vũ trụ và nhiều ứng dụng khác nơi trọng lượng là vấn đề. Nó cũng giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận chuyển cho sản phẩm tiêu dùng.

THU NHỎ KÍCH THƯỚC Compliant mechanisms có thể dễ dàng scale xuống phiên bản kích thước rất nhỏ. Việc tạo các cơ cấu vật rắn vi mô có chốt và nhiều chi tiết lắp ráp là không thực tế vì khó sản xuất và lắp ở quy mô nhỏ như vậy. Dùng compliant mechanisms trong micro mechanisms khả thi hơn nhờ giảm số chi tiết và khớp, từ đó giảm nhu cầu lắp ráp và chế tạo nhiều phần rời.

Hoạt động #1 - Tự làm cơ cấu lưỡng ổn compliant của bạn

Cho học viên (hoặc chính bạn) thử lắp một cơ cấu bốn khâu (4-bar) compliant dạng lưỡng ổn bằng FlexLinks và các thanh liên kết LEGO của tụi mình. Thử nghiệm với các chiều dài khác nhau và vị trí chốt (pin) khác nhau để ra các kết quả khác nhau.

Hoạt động #2 - In công tắc lưỡng ổn hoàn toàn compliant

Có hai lựa chọn để làm:

3D Print - 3D Printer - filament PLA hoặc ABS (hoặc loại khác) hoặc gia công Mill, CNC Router, Water Jet Cutter - tấm polypropylene dày 1/4"

Kỹ năng học được

• bistability
• compliant mechanisms
• manufacturing
• living hinges

Thông tin kỹ thuật

Để xem thông tin kỹ thuật chuyên sâu, tham khảo bài báo sau:

Jensen, B.D. and Howell, L.L., “Identification of Compliant Pseudo-Rigid-Body Four-Link Mechanism Configurations Resulting in Bistable Behavior,” Journal of Mechanical Design, Trans. ASME, Vol. 125, No. 4, pp. 701-708, 2003.

Để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms nói chung, xem website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) hoặc các sách này: Compliant Mechanisms, Handbook of Compliant Mechanisms

Sở hữu trí tuệ

Các file in 3D tải về được cung cấp tại đây có thể được dùng, chỉnh sửa và trải nghiệm cho mục đích phi thương mại. Để xin cấp phép công nghệ này cho các ứng dụng thương mại, vui lòng liên hệ:

BYU Technology Transfer Office

3760 Harold B. Lee Library

Brigham Young University

Provo, UT 84602

Phone: (801) 422-6266

https://techtransfer.byu.edu/contact