Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHÒNG CÚN PẨU THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ðẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – ðiện Tử Mã số ngành: 60520114 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHÒNG CÚN PẨU THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ðẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – ðiện Tử Mã số ngành: 60520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUỐC HƯNG CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ ñược bảo vệ Trường ðại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội ñồng ñánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: PGS.TS Trần Thu Hà TS Nguyễn Viễn Quốc TS Võ Tường Quân TS Nguyễn Duy Anh TS Nguyễn Thanh Phương Xác nhận Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV TRƯỜNG ðẠI HỌC CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ðỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC CƠNG NGHỆ TP.HCM PHỊNG QLKH – ðTSðH TP.HCM, Ngày Tháng Năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phịng Cún Pẩu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/09/1988 Nơi sinh: ðồng Nai Chuyên ngành: Cơ – ðiện Tử MSHV: 1241840011 I- Tên ñề tài: Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến hình dạng khác vỏ phanh II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu phanh lưu chất từ biến - Xây dựng giải tốn tối ưu xét đến hình dạng khác vỏ phanh - Tổng hợp kết tối ưu thực nghiệm kiểm chứng III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013 V- Cán hướng dẫn: GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS.Nguyễn Quốc Hưng, số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa ñược cơng bố cơng trình khác Tơi xin cam ñoan giúp ñỡ cho việc thực Luận văn ñã ñược cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Phòng Cún Pẩu ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường ðại Học Cơng Nghệ TP.HCM tận tình dạy, truyền đạt, giúp tơi trang bị kiến thức vơ q báu để tơi hồn thành khóa học Tơi xin gửi đếnTS Nguyễn Quốc Hưng lịng tri ân sâu sắc nhất; khoảng thời gian làm luận văn không nhiều kiến thức quý báu thầy giúp em hồn thành luận văn Thạc Sĩ Tơi xin gửi lời cảm ơn đến anh chị lớp 12SCD11 tơi sát cánh suốt khóa học Thạc Sỹ trường, khoảng thời gian khơng dài để lại nhiều kỉ niệm khơng thể phai mờ Phịng Cún Pẩu iii TĨM TẮT Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến (MRB), hình dạng vỏ phanh ảnh hưởng ñáng kể ñến ñặc tính hoạt ñộng phanh Trong nghiên cứu này, hình dạng khác vỏ phanh hình chữ nhật, hình đa giác, spline xét đến tìm hình dạng thích hợp Trong nghiên cứu này, sau phần giới thiệu lưu chất từ biến ứng dụng, MRB với hình dạng khác vỏ phanh ñược giới thiệu momen phanh xác tính tốn dựa thuộc tính Bingham lưu chất từ biến Từ tốn thiết kế tối ưu MRB với hình dạng khác vỏ phanh thực Bài tốn tối ưu nhằm tìm giá trị kích thước tối ưu phanh cho phanh tạo lực phanh theo yêu cầu khối lượng phanh nhỏ Công cụ tối ưu kết hợp với phương pháp phân tử hữu hạn sử dụng để tìm kết tối ưu MRB Từ kết ñạt được, hình dạng thích hợp vỏ phanh ñược xác ñịnh dựa khối lượng giảm ñi phanh iv ABSTRACT In design of magneto-rheological brake (MRB), it is well-known that the shape of the brake envelope significantly affects to performance characteristics of the brake In this study, different shapes of MR brake envelop such as rectangular, polygon, spline shape of the envelope are considered and from which the most suitable shape is identified The MRBs with different shapes of the envelope are introduced followed by the derivation of the braking torque based on Bingham-plastic behavior of the magneto-rheological fluid (MRF) Optimal design of the MRB with different shapes of the envelope is then performed The optimization problem is to find optimal value of significant geometric dimensions of the MRBs that can produce a certain required braking torque while their mass is minimized A finite element analysis integrated with an optimization tool is employed to obtain optimal solutions of the MRBs From the results, the most suitable shape of the brake envelope is identified and discussed with the reduction of mass v MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục từ viết tắt vii Danh mục bảng viii Danh mục hình ảnh ix CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 ðặt vấn ñề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu ñề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu ñề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu ñề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN 2.1 Lịch sử nghiên cứu 2.2 Nguyên lý hoạt ñộng 2.3 Ứng dụng 2.3.1 Phanh ly hợp 2.3.2 Giảm chấn 2.3.3 Khối gá ñộng 2.3.4 Haptics 11 2.3.5 Valve 12 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TÍNH TỐN LƯU CHẤT TỪ BIẾN 14 3.1 Giới thiệu chung 14 3.2 Mơ hình Bingham 14 vi 3.3 Mơ hình Herchel-Berkerly 15 CHƯƠNG 4: PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN 16 4.1 Các dạng vỏ phanh 16 4.2 Mơ hình toán phanh lưu chất từ biến 20 4.3 Các phương pháp giải toàn từ trường phanh 24 4.3.1 Phương pháp giải tích 24 4.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 26 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH 31 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49 6.1 Mơ hình thực nghiệm 49 6.2 Kết thí nghiệm 53 6.3 Nhận xét ñánh giá kết 53 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 38 5mm.ðể ñạt ñược giải pháp tối ưu, phần mềm phân tích phần tử hữu hạn kết hợp sẵn cơng cụ tối ưu sử dụng Trong nghiên cứu này, phương pháp first order với giải thuật golden section công cụ tối ưu phần mềm ANSYS ñược sử dụng ñể thực tối ưu Chi tiết q trình đạt kết tối ưu thiết bị sử dụng MRF dựa phương pháp phần tử hữu hạn ñã ñược ñề cập ñến số nghiên cứu trước ñây [22] Trong q trình tối ưu, momen phanh đặt cố định lớn 10Nm tiêu chuẩn hội tụ ñược ñặt 0.1% Như hình 5.6a 5.6b trình tối ưu hội tụ sau 19 vịng lặp kết vòng lặp thứ 19 (mm): wc=6.35, hc,=2.2, th=6, Rdo=46 R=55 Trong trình tối ưu, momen phanh đạt đến giá trị định trước 10kN khối lượng nhỏ ñạt ñược 1.21kg Phân bố từ trường MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật hình 5.6c, phân bố vỏ phanh khác mật ñộ từ trường gần cuộn dây gần ñạt mức bão hịa vật liệu mật độ từ trường gần phía trục lại nhỏ 39 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường độ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật 40 ðối với MRF biên dạng vỏ hình đa giác cạnh, q trình hội tụ xảy vòng lặp thứ 21 với kết tối ưu sau (mm): wc=6.8, hc,=2.2, th1=5.5, th2=6, th3=5.6, th4=2.6, ths=2.5, R1=57, R2=51.6, R3=48 R4=25.5 Momen phanh thời ñiểm ñạt ñược yêu cầu ñặt khối lượng nhỏ ñạt ñược 1.055kg Như khối lượng phanh biên dạng vỏ ña giác cạch ñã giảm ñáng kể so với phanh biên dạng hình chữ nhật Về mặt phân bố từ trường phanh biên dạng đa giác cạnh có phân bố đồng so với phanh biên dạng hình chữ nhật Hình 5.7 cho thấy thay đổi giá trị biến DV qua vòng lặp thay ñổi tương ứng khối lượng qua vịng lặp Sự phân bố từ trường phanh thể qua hình 5.7c cho thấy phân bố đồng đều, khơng bị tượng thắt cổ chai 41 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường ñộ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ hình đa giác cạnh 42 ðối với MRB biên dạng vỏ hình đa giác cạnh trình hội tụ xảy vịng lặp thứ 27 với kết thu sau (mm): wc=6.5, hc,=2.3, th1=4.7, th2=5.7, th3=5.8, th4=2.2, ths=2.05, th6=5, th7=3.5, R1=56.9, R2=51.5, R3=47.8, R4=24, R6=54 R7=34 ðáp ứng yêu cầu ñặt momen phanh ñạt 10kN nhiên khối lượng phanh ñã giảm so với phanh biên dạng ña giác cạnh khối lượng 1.03kg Và phân bố từ trường ñồng ñều so với phanh biên dạng ña giác cạnh Hình 5.8 cho thấy thay đổi giá trị biến thiết kế khối lượng phanh tương ứng qua vòng lặp, cuối hội tụ vòng lặp thứ 27 Phân bố từ trường hình 5.8c cho thấy từ trường ñược phân bố ñều sau tối ưu vỏ phanh có biên dạng đa giác cạnh 43 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường ñộ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ hình đa giác cạnh 44 Cuối cùng, biên dạng vỏ phanh Spline, q trình hội tụ xảy vòng lặp thứ 27 kết tối ưu sau (mm): wc=5.8, hc=2.5, th1=4.67, th2=5.63, th3=6, th4=2.4, ths=2.1, th6=5, th7=3.8, R1=56.6, R2=53.5, R3=47.4, R4=24.3, R6=53.5 R7=34.2 Với khối lượng tối ưu 1.029kg, kết ñạt ñược gần tương ñương với phanh biên dạng ña giác ñoạn Nguyên nhân ñiểm ñược chọn gần tương ñương với biên dạng ña giác ñoạn Hình 5.9 cho thấy trình thay ñổi biến thiết kế trình tối ưu thay đổi khối lượng phanh tương ứng với vịng lặp cuối hội tụ vịng lặp thứ 27 Hình 5.9c thể phân bố từ trường phanh ñồng ñều, ñiều giúp cho phanh hoạt ñộng hiệu 45 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường ñộ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ Spline 46 Ngoài xem xét giá trị tối ưu, ta thấy giá trị khối lượng tối ưu với giá trị tối đa momen phanh có mối liên hệ hàm phụ thuộc R e c ta n g u la r - s e g p o ly g o n Mass of the MRB (kg) - s e g p o ly g o n s p lin e 10 15 20 25 30 B r a k in g T o r q u e ( N m ) (a) Tương quan khối lượng phanh momen phanh Mass reduction (%) 18 -s e g p o ly g o n -s e g p o ly g o n s p lin e 16 14 12 10 10 15 20 25 30 B k in g T o rq u e (N m ) (b) Tương quan khối lượng giảm ñi momen phanh Hình 10 Tương quan khối lượng momen phanh sử dụng chất lưu MRF-132-DG 47 Mass of the MRB (kg) R e c ta n g u la r - s e g p o ly g o n - s e g p o ly g o n s p lin e 0 5 10 15 20 25 30 B r a k in g T o r q u e ( N m ) (a) Tương quan khối lượng phanh momen phanh Mass reduction (%) 18 -s e g p o ly g o n -s e g p o ly g o n s p lin e 16 14 12 10 10 15 20 25 30 B k in g T o rq u e (N m ) (b) Tương quan khối lượng giảm momen phanh Hình 11 Tương quan khối lượng momen phanh sử dụng chất lưu MRF-140-DG Từ kết tối ưu cho thấy biên dạng hình chữ nhật phanh ảnh hưởng ñáng kể ñến ñặc tính MRB khối lượng MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật thơng thường giảm đáng kể thay phanh có vỏ dạng đa giác cạnh ðồng thời , sử dụng vỏ phanh ña giác nhiều cạnh dễ dàng việc 48 thiết kế diện tích mặt cắt mạch từ phanh chí khối lượng phanh cịn giảm Tuy nhiên đến mức khối lượng phanh đạt mức bão hịa Ta dễ dàng thấy điều khối lượng giảm ñi phanh dạng ña giác ñoạn giảm ñi không 2.4% so với phanh dạng ña giác cạnh khối lượng phanh dạng Spline phanh dạng ña giác ñoạn gần tương đương chi phí chế tạo khác xa hồn tồn Vì chi phí chế tạo số lượng cạnh ñịnh dạng vỏ phanh ñược chọn sử dụng 49 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ 6.1 Mơ hình thực nghiệm Trong q trình thực nghiệm, MRB có biên dạng vỏ khác ñã ñược chế tạo nhằm mục đích thực nghiệm Hình Bản vẽ Phanh biên dạng vỏ Spline 50 (1), (3) Screw (8) Bobbin (2) Bearing cap (9) Bold (4), (5) MRF filling (12) Bearings (6, (10), (11) Housing (13) Shaft (7) Disc (14) O-rings Hình Bản vẽ MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật Trong q trình thực nghiệm, điều kiện vật chất cịn thiếu nhiều nên khơng thể thực lấy kết chỗ Phanh ñược chế tạo chỗ sau gửi qua phịng thí nghiệm SSSLab,Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, KOREA ñể lấy kết momen phanh Mục đích việc thí nghiệm xem phanh có khả tạo lực phanh 10Nm khơng Mơ hình thí nghiệm SSSLab gồm có phần chính: - Motor ñược sử dụng có khả tạo momen lớn 10Nm - Torque sensor có tác dụng đo momen phản hồi - Phanh lưu chất từ biến 51 Hình Mơ hình thí nghiệm phanh MR phịng thí nghiệm SSSLab MRB sau chế tạo, ñược kiểm tra chỗ mặt tính hoạt ñộng, khả tạo momen phanh MRB trước gửi qua phịng thí nghiệm SSSlab Trong mơ hình kiểm tra khả tạo momen phanh, MRB kết nối với động truyền động thơng qua khớp nối, ñộng sử dụng ñộng AC 220V có cơng suất 90W tốc độ quay 1450 rpm Một mạch ñiện ñược sử dụng ñể cấp dòng ñiện từ ñến 2,5A cho cuộn dây nhằm tạo momen phanh Sơ ñồ nguyên lý mạch điện thể hình 6.4 52 1N4007 J2 D1 U1 - + VIN VOUT ADJ AC220V 220 ohm 0.5W 1K5 J2 LM350/TO BRIDGE 47mF 4700mF + + 100nF 220 ohm 0.5W 10mF + 100nF 4K7 Hình Sơ đồ ngun lý mạch nguồn cấp dòng - 2,5A LED