Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế chế tạo và thực nghiệm bộ phản hồi lực dùng lưu chất từ biến MR

TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nền công nghiệp hiện nay,ứng dụng công nghệ điện và robot được điều khiển từ xa là vô cùng cấp thiết.Các robot làm trong môi trường nguy hiểm độc hại như môi trườ

TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT MRF VÀ ỨNG DỤNG

Tổng quan

Lưu chất từ biến MRF (Magneo Rheological Fluid) bao gồm những hạt kích thước có micro nhiễm từ lơ lững phân tán trong các dung dịch như dầu silicon hoặc nước.Khi có tác dụng của từ trường,xuất hiện sự phân cực diễn ra trong môi chất MR và làm thay đổi đặc tính của nó,các hạt nhiễm từ lúc này bắt đầu sắp xếp lại thành một chuỗi thẳng hàng theo đường của từ thông.Lần đầu tiên được phát hiện vào những năm 40 của thế kỷ 20,tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990,lưu chất từ biến mới chính thức được đưa vào nghiên cứu và phát triển.Lưu chất từ biến (MRF) có khả năng chịu ứng suất chảy cao,các cơ cấu dựa trên MRF đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng MRF,từ đó hiệu suất các thiết bị tăng đáng kể.Điều này cho thấy tiềm năng và tính ứng dụng của MRF cần đƣợc phát triển hơn nữa.[1]

(a) (b) (c) Hình 1.1 Chất lỏng từ hóa (a) Không có từ trường (b) Từ trường mà không có cắt (c) Từ trường với cắt [1]

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 2 MSHV:16748

Hình 1.2 Mô hình chất lỏng MR trong từ trường ngoài [2]

- Tính chất của các chất lưu từ

Hình 1.3 MRF-132-DG của Lord Corporation

Bảng 01 Tóm tắc những thuộc tính của lưu chất MR

Thuộc tính của lưu chất MR Giá trị tiêu biểu Độ nhớt ban đầu 0.2 đến 0.3 [Pa.s] (lúc 25 ˚ C)

Khối lƣợng riêng 3 đến 4 [g/cm 3 ]

Cường độ từ trường 150 đến 250 [kA/m] Điểm tới hạn 50 đến 100 [kPa]

Thời gian đạt đƣợc Vài mms Điện áp cấp chủ yếu,cường độ hiện thời 2 đến 25 V,1-2 A

Nhiệt độ làm việc -50 đến 150 [ ˚ C]

1.2 Ứng dụng của lưu chất MRF

Giảm chấn là một bộ phận không thể thiếu trong ô tô cũng nhƣ nhiều máy móc khác,nó có tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng nhƣ dập tắt dao động

Hầu hết các loại giảm chấn thông thường đều có độ cứng không thay đổi,vì vậy nếu mật độ nhấp nhô của mặt đường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm đi đáng kể hoặc thậm chí vô hiệu.Việc thiết kế bộ giảm chấn có khả năng điều chỉnh độ cứng trở nên cần thiết vì nó có thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chấn thông thường,với khả năng điều khiển được,MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn Nó có khả năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm cho dao động dập tắt nhanh,hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe cảm thấy thoải mái nhất.Về mặt kết cấu giảm chấn được sử dụng

MRF có cấu tạo hoàn toàn không sử dụng lò xo mà đảm bảo đầy đủ tính năng hoạt động

Hình 1.4 Cơ cấu treo bằng MRF [3]

Hình 1.4 là một trong những ứng dụng nghiên cứu nhiều hiện nay đó là giảm chấn,khi xe di chuyển trên đường bằng phẳnng,lúc đó không cần giảm chấn,dòng điện không cấp vào cuộn dây.Khi qua những đường gồ ghề cần giảm chấn Khi dòng điện cấp vào cuộn dây sinh ra từ trường đi qua các kênh dẫn điều chỉnh độ cứng của lưu chất MRF để dập tắt dao động một cách nhanh nhất.[3]

Hình 1.5 Ứng dụng giảm chấn bằng lưu chất MA trong ghế treo [3] Đƣợc giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1998, hệ thống điều khiển rung bán chủ động đƣợc sử dụng trong các ghế của xe tải Eighteen Wheeler (Lord 1998) Một hệ thống điều khiển rung bán chủ động bao gồm van điều tiết chất lỏng MR, bộ vi xử lý, cảm biến, trình điều khiển hiện tại và cáp phụ trợ Hiện nay, hơn 5000 hệ thống điều khiển rung bán hoạt động dựa trên chất lỏng MR đang đƣợc sử dụng trong các xe tải hạng nặng ở các đường cao tốc của Mỹ Các hệ thống này được đánh giá cao bởi những người lái xe trải nghiệm chúng Số lỗi được ghi trong trường này hầu như bằng không.[3]

 Bảo vệ nhà cửa của công trình

Các Dampers MR có thể đƣợc sử dụng nhƣ là chấn động địa chấn sẽ hoạt động dưới tần số cộng hưởng của tòa nhà bằng cách hấp thụ cú sốc sóng và dao động có thể gây hại trong kết cấu Điều này làm cho các cơ cấu giảm chấn có thể thực hiện bất kỳ công trình xây dựng,cơ cấu chống động đất.[3]

Hình 1.6 Ứng dụng giảm chấn bằng lưu chất MR trong xây dựng

Hình 1.7 Bộ phận điều chỉnh cổng biến đƣợc lắp đặt trên cầu

 Máy giặt Bộ giảm chấn nước MR được sử dụng trong máy giặt để giảm rung động trong quá trình quay

Hình 1.8 Ứng dụng giảm chấn bằng lưu chất MR trong máy giặt [3]

Một trong những sử dụng không ngờ tới nhất của chất lỏng MR là sử dụng nó nhƣ là một chất đánh bóng Các bề mặt quang học đƣợc đánh bóng trong một MR kết thúc vừa được kiểm soát bởi các chương trình Không giống như việc đánh bóng lòng vòng thông thường, hình dạng và độ nhớt chất lỏng có thể được kiểm soát trong các lĩnh vực khác nhau

Hình 1.9 Ứng dụng giảm chấn bằng lưu chất MR trong đánh bóng

1.2.3 Chất lỏng của MR nhƣ máu của Robot

Các chất lỏng MR là những nghiên cứu về ISS có thể chảy trong robot nhƣ máu

Chất lỏng của MR là chất lỏng thay đổi độ nhớt hoặc hình dạng thay đổi khi ở dưới một từ tính

Hình 1.10 Ứng dụng giảm chấn bằng lưu chất MR trong robot [3]

Một trong những ứng dụng kỹ thuật thú vị nhất của chất lỏng MR là việc xây dựng các bộ giảm chấn thông minh MR và có thể điều khiển đƣợc,bộ giảm chấn áp lực của MR là khả năng điều khiển của hệ thống, có thể điều chỉnh để cung cấp mức độ giảm chấn mong muốn bằng cách thay đổi dòng cung cấp Ý tưởng chính là để có đƣợc mức độ mong muốn của giảm xóc bằng cách thay đổi sự cảm ứng từ tính trong một lỗ giữa hai buồng chứa MR tách ra.Khe lưu chất đóng vai trò như một van từ tính cho chất lỏng, đƣợc điều chỉnh bởi dòng điện và do đó khai thác chất lỏng MR trong chế độ dòng chảy Có rất nhiều kiến trúc đƣợc thiết kế cho mục đích này: bộ giảm chấn đơn và bộ giảm chấn kép Bộ giảm chấn đơn đã kết thúc chỉ có một bình chứa cho chất lỏng MR đƣợc chuyển qua một lỗ từ trên buồng tới buồng khác.Để thích ứng với sự thay đổi này trong thể tích hồ chứa, một bình ắc quy thường được sử dụng Bộ giảm chấn áp điện đôi kết thúc có thanh pittông có cùng đường kính nhô ra qua cả hai đầu của bộ giảm chấn

Các ứng dụng của bộ giảm chấn đơn là chủ yếu trong việc giảm rung động của các thành phần cơ khí nhƣ treo xe và rung động công nghiệp, trong khi bộ giảm chấn kép là chủ yếu đƣợc sử dụng cho các ứng dụng xe đạp, ứng dụng phục hồi

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 8 MSHV:16748 súng, và để ổn định các tòa nhà và cầu trong lúc động đất Các lực đầu ra của các thiết bị nhƣ vậy có thể dao động từ các lực khá thấp (hàng trăm nút Newton) trong trường hợp hệ thống treo nhẹ lên tới 20 tấn trong trường hợp các ứng dụng dân sự, trong đó phải bù đắp cho các lực lớn do sự rung lắc toàn bộ tòa nhà [4]

Hình 1.11 Cơ cấu van thay đổi [4]

Trong hầu hết các động cơ, thời gian và thang cuốn van đƣợc tối ƣu hóa cho một bộ điều kiện hoạt động Động cơ hoạt động trong các điều kiện tải và tốc độ khác nhau Do đó, để tối ƣu hóa hiệu suất của động cơ trong mọi điều kiện và bất kỳ trường hợp nào, cần thiết bị cho phép van biến đổi Thử nghiệm đánh giá kiểm soát MR.[5]

Hình 1.12 Lắp ráp van điều khiển MR và lắp khe hở cho lưu chất [5]

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 9 MSHV:16748 Lắp ráp van điều khiển và khe hở đƣợc trình bày trong (hình 1.12) Đo trọng lƣợng của lắp ráp van MR là 475g và thể tích 70mm³ Trọng lƣợng đo đƣợc của bộ khuếch đại MR là 530g và khối lƣợng là 75mm³ Bao bì tổng thể và trọng lƣợng của cả hai thiết kế, van và lỗ, đã đƣợc biết để so sánh hiệu suất áp suất tĩnh so với dòng điện áp trong van hoặc ống xả đã đƣợc đánh giá

Hình 1.13 Ly hợp vận hành bằng chất lỏng MR với nam châm vĩnh cửu

Phanh là bộ phận cốt yếu trong ô tô,nếu hệ thống phanh đƣợc sử dụng kịp thời và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan đến phanh sẽ đƣợc giảm thiểu hoàn toàn.Khi một lực phanh được tạo ra do người lái xe mà lớn hơn là lực ma sát của lốp,lúc đó bánh xe sẽ bị hãm chặt hay bó cứng lại.Do xe chuyển động với vận tốc cao,nên các bánh xe sẽ bị trượt trên đường,điều này làm mất khả năng điều khiển của lái xe và xe có thể trượt về phía trước một cách không xác định được hoặc là có thể xảy ra bất kỳ chuyện gì không biết trước do mất điều khiển xe.Hiện nay hệ thống ABS (Anti-lock Brake System) đã cải thiện sự cố trên các má phanh sẽ hoạt động để sinh ra một lực bám cần thiết giúp bánh xe vẫn chuyển động đƣợc mà không bị bó cứng như hệ thống phanh thông thường điều này làm vỏ xe không mài mòn xuống mặt đường.Hệ thống phanh ABS bao gồm từ một đến 4 thiết bị cảm biến vận tốc được gắn trên trụ phanh ở các bánh xe,hệ thống bơm và kiểm soát hệ thống thủy lực,hệ thống điều khiển điện tử.Các xe hiện nay đang gắn một trong hai hệ thống phanh

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 10 MSHV:16748 phổ biến là một cảm biến ứng vận tốc.Loại có bốn cảm ứng vận tốc ngoài việc chống bó cứng bánh xe còn có nhiệm vụ kiểm soát tốc độ bánh xe,không có bánh xe chuyển động trên mặt đường khi bắt đầu chuyển động.Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể đáp ứng tương tự như hệ thống ABS.Nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiển đƣợc với thời gian đáp ứng nhanh kết hợp với loại cảm biến vận tốc…ta hoàn toàn có thể điều khiển phanh nhấp nhô nhƣ những gì hệ thống ABS đã làm Để đáp ứng tương tự như hệ thống ABS nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiển đƣợc với thời gian.Đáp ứng nhanh khi kết hợp với các điều khiển vận tốc.Nó còn có những ƣu điểm nhƣ: Năng lƣợng vận hành thấp,thiết kế và kết cấu đơn giản hơn,không chiếm dụng không gian nhiều,không có sự hao mòn do ma sát bé,dễ dàng điều khiển,thời gian đáp ứng nhanh (20 ms) Nguyên lý hoạt động của một phanh MRF dạng đĩa thông dụng,phanh gồm một đĩa quay,lưu chất MRF các cuộn dây sẽ xuất hiện từ thông.Khi lưu chất MRF nằm trong từ thông với trạng thái ban đầu giống như lưu chất Newton sẽ chuyển sang trạng thái nhớt hoặc đông đặc lại tùy thuộc năng lượng của từ thông,trong thời gian ngắn chính lưu chất tạo ra ma sát giảm tốc độ quay của đĩa.[6]

1.2.5 Các thiết bị phản hồi lực

Haptics là một thuật ngữ tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác,nó giúp ta cảm nhận đƣợc nhƣ trực tiếp cầm,nắm tay làm việc gì đó mặc dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp bằng camera

Hình 1.14 Găng tay phản hồi lực [7]

THIẾT KẾ BỘ PHẢN HỒI LỰC

2 Mô hình kết cấu và lựa chọn lưu chất từ biến 2.1 Mô hình kết cấu

Hình 2.1 Bản vẽ kết cấu

- Khi cho dòng điện vào cuộn dây đồng,cuộn dây đồng sinh ra từ trường và từ trường tác động vào lưu chất MR làm cho độ nhớt tăng lên và lúc này nó đông đặc và tăng độ ma sát vào đĩa,khi ta dùng tay kéo cần gạt thì lúc này mô-men đƣợc truyền đến vỏ,vỏ kết nối với trục truyền đến cảm biến mô-men đƣợc kết nối máy tính để đo mô-men.Và ngƣợc lại khi ta ngắt dòng điện thì độ nhớt giảm xuống trở về trạng thái ban đầu

- Trục 01 đƣợc gắn với đĩa thông qua vai trục gắn chặt mặt đĩa bằng vít 03

- Đĩa tiếp xúc lưu chất tạo ra mô-men lúc vận hành

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 19 MSHV:16748 - Ổ đỡ với đường kính trong 20 được lắp vào trục,chức năng đỡ trục quay

- Vỏ cơ cấu phản hồi lực 06 là cơ cấu quạn trọng thực hiện nhiều chức năng nhƣ là làm kín,không cho lưu chất rỉ ra ngoài,vật liệu có độ từ thẩm cao hạn chế từ trường ra bên ngoài làm giảm hiệu suất mô-men,nó cũng là nơi lắp mặt ngoài ổ bi.Ngoài ra nó cũng có chức năng truyền lực đến cảm biến

- Cuộn dây 07 làm bằng vật liệu đồng hợp kim đƣợc quấn quanh mặt trụ ngoài của đĩa,khi cấp dòng điện sinh ra từ trường

- Nắp che 11 chức năng che chắn và bảo vệ cơ cấu bên trong,đƣợc gắn chặt vỏ thông qua vít 02

Bảng 02 Khối lƣợng riêng cơ cấu phản hồi lực Thành phần Vật liệu Khối lƣợng riêng kg/m 3

Cuộn dây Đồng hợp kim 8900

Trục Thép không rỉ 7900 Đĩa và vỏ phanh Thép C45 7800

2.2 Lựa chọn vật liệu làm vỏ và đĩa bộ phản hồi lực

Lựa chọn vật liệu làm vỏ và đĩa phanh là một phần qua trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo MRB.Vật liệu đƣợc thiết kế và chế tạo bộ phản hồi lực phải đáp ứng đƣợc điều kiện làm việc của đĩa,yêu cầu về thiết kế,chế tạo,tính thông dụng sẵn có trên thị trường.Thép C45 dùng rộng rãi trong ngành kỹ thuật nói chung và trong chế tạo máy nói riêng vì:

-Tính công nghệ tốt -Tính dẫn từ tốt -Giá thành tương đối rẻ và dễ kiếm

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 20 MSHV:16748 Dựa vào bảng 2.3- trang 118-sách sổ tay thiết kế cơ khí,thép C45 là loại thép có chất lƣợng tốt với hàm lƣợng Cacbon vào khoảng 0.42-0.50%

Ngoài ra trong thành phần C45 tính theo phần khối lƣợng còn có : C=0.4-0.5%

-Tính chất cơ học của C45: δ ch 6 Kg/mm 2 ; δ b aKg/mm 2 ; H b "9 tra bảng 2.4 trang 119-sách sổ tay thiết kế cơ khí

Tính chất từ của thép C45

Hình 2.2 Đường cong B-H của Thép C45

-Bảng 03 Mô tả đặc tính từ của bộ phản hồi lực

Vật liệu Độ từ thẩm Mật độ bão hòa

MRF 132-DG Đường cong BH 1.65 Tesla Đồng hợp kim 1

Hiện nay Công ty Lord Corporation đã vƣợt xa các nhà sản xuất khác về MRF với 3 loại MRF cơ bản đó là:

-Loại MRF-122-2ED: có ứng suất trƣợt dẻo nhỏ -Loại MRF-132-DG: có ứng suất trƣợt dẻo trung bình -Loại MRF-140-CG: có ứng suất trượt dẻo ở trạng thái bình thường,không phanh cao,ma sát lớn nên không phù hợp

Hình 2.3 (a) Lưu chất MRF-132-DG từ Lord, (b) Ferrofluid Đề tài này ta chọn và sử dụng lưu chất MPF-132 DG Trong lưu chất này chứa 32% hạt sắt dựa trên hydrocarbon dầu,các chất phụ gia khác,các chất điều chỉnh ma sát

Kớch thước hạt khoản 0.88 đến 4.03 àm

-Bảng 04 Các thông số kỹ thuật của lưu chất MRF-132DG

6.6e-4 6.7e-4 Specific heat at 25 ( o C) 800 (J/kg K) Thermal conductivity at 25 ( o C) 0.25-1.06 (W/Mk)

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 24 MSHV:16748 Hình 2.4 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham

Hình 2.5 Đường cong B-H của MRF 132-DG

2.4 Ảnh hưởng của từ trường lên lưu chất từ biến

Hiện nay có nhiều tài liệu nghiên cứu trên thế giới về sự ảnh hưởng của từ trường lên lưu chất từ biến

Sự thay đổi lưu chất MR thường được định nghĩa là sự thay đổi độ nhớt rõ ràng của chất lỏng Trong trường hợp của FF (Ferrofluids), mô hình Newton có thể được sử dụng để mô hình biến thiên độ nhớt được quan sát khi một từ trường được áp dụng Tuy nhiên, MRF cần một mô hình phức tạp hơn để mô tả đặc tính lưu biến của chúng bởi vì các thông số khác ngoài độ nhớt được thay đổi khi một từ trường đƣợc áp dụng Các mô hình đƣợc sử dụng nhiều nhất là các mô hình Bingham và Herschel – Bulkley.Để thực sự nắm bắt và mô tả mô hình hoàn chỉnh áp dụng cho một FF hoặc MRF cụ thể; mọi biến thể đƣợc hiển thị bởi mỗi tham số trên bất kỳ mô hình nào do việc áp dụng từ trường phải được mô tả bằng mô hình từ hóa.Công việc hiện tại đề xuất một mô hình từ hóa mới xem xét cả sự từ hóa ở các từ trường thấp và độ bão hòa ở các từ trường cao Mô hình từ hóa được đề xuất được phát triển từ các tham số của các mô hình đƣợc chọn (Newtonian, Bingham) [8]

Hình 2.6 Sơ đồ ứng suất cắt so với tốc độ cắt đối với Ferrotec APG 2115 ở 25 ◦C tại các từ trường 0 mT (a), 173 mT (b), 432 mT (c),và 802 mT (d).[8]

(Herschel – Buckley) để mô tả hoạt động của các chất lỏng từ hóa (Ferrotec APG 2115 FF và Lord MRF-122-2ED MRF) Giá trị tham số của bất kỳ mô hình sử dụng nào khác nhau về việc điều chỉnh chất lỏng phân tích ở các từ trường khác nhau Tất cả các tham số (Y) cho thấy sự phát triển tương tự khi từ trường áp dụng (B) tăng lên, và do đó mô hình từ hóa giống nhau phù hợp với mọi tham số

Giá trị của tham số Y có xu hướng từ 'giá trị không có trường được áp dụng' (Y0) thành 'giá trị lúc bão hòa' (Y∞) Giá trị của αS liên quan đến thời điểm bão hòa: giá trị lớn hơn của αS, nhỏ hơn là từ trường cần thiết cho độ bão hòa Thuật ngữ αf trì hoãn phản ứng ban đầu và phạm vi của nó đi từ 0, trong đó không có độ trễ là 0.5.Các hạt nano của FF là các tên miền đơn và do đó phản ứng rất nhanh khi một từ trường được áp dụng Do đó, giá trị hệ số αf sẽ gần bằng không Tuy nhiên, các vi hạt của MRF đƣợc tạo thành bởi nhiều tên miền

Hình 2.7 Sự thay đổi độ nhớt (Pa s) của Ferrotec APG 2115 ở 25 ◦C tùy thuộc vào từ trường áp dụng (T) trong mô hình Newton

Các dòng miền bên trong hạt được yêu cầu đầu tiên khi từ trường được áp dụng trước khi các biến thể trong hành vi của chất lỏng được quan sát Do đó, giá trị hệ

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 27 MSHV:16748 số αf sẽ gần 0,5 trong MRF Xác nhận thử nghiệm các mẫu của Ferrotec APG 2115 FF và Lord MRF-122-2ED MRF đƣợc đặc trƣng bằng cách sử dụng Anton Paar Physical MCR

Hình 2.8 Sơ đồ ứng suất cắt so với tốc độ cắt đối với Lord MRF-122-2ED ở 25 ◦C ở từ trường 0 mT (a), 173 mT (b), 432 mT (c),và 1296 mT (d)

Mô hình Newton cho FF trong các từ trường được mô hình hóa, hình 2.8 minh họa sự hồi quy đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng điều chỉnh thu đƣợc với mô hình Newton cho các kết quả thu được cho FF ở các từ trường 0, 173, 432 và 802 mT

Các kết quả đƣợc trình bày trong hình 2.8 chỉ ra rằng hành vi của FF đƣợc mô hình

Newton bắt đúng theo toàn bộ phạm vi từ trường Sự thay đổi của độ nhớt như thu đƣợc từ việc điều chỉnh các kết quả cho một FF với mô hình Newton tại các từ trường khác nhau đã được mô hình hóa bằng mô hình từ hóa được đề xuất Khoảng xấp xỉ hệ số αf của FF đến 0, độ nhớt của FF có thể được xác định bằng phương trình đơn giản hóa sau đây: μ = μ∞ + (μ0 - μ∞) e − α S Điều chỉnh độ nhớt tham số (hình 2.9) đạt đƣợc bằng cách sử dụng các giá trị sau: μ 0 = 1.168 Pa s, μ∞ = 1.381 Pa s và αS = 9.7 T − 1

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 28 MSHV:16748 Hình 2.9 Biến động trong ứng suất (Pa) của MRF-122-2ED tại 25 ◦C tùy thuộc vào từ trường được áp dụng (T) sử dụng Bingham

Mô hình dọc theo toàn bộ phạm vi từ trường được phân tích Do đó, việc đưa mô hình từ hóa vào mô hình đề xuất cho phép mở rộng tính hợp lệ của mô hình Newton vào phạm vi từ trường mong muốn

Hình 2.10 Sự thay đổi độ nhớt (Pa s) của MRF-122-2ED ở 25 ◦C tùy thuộc vào từ trường áp dụng (T) trong mô hình Bingham [17]

Mặc dù sự không nhất quán thể hiện trong hình 10 giữa mô hình Bingham và kết quả thử nghiệm ở mức cắt thấp, mô hình Bingham xấp xỉ đại diện cho hoạt động chung của chất lỏng MR Hai tham số đƣợc sử dụng trong mô hình Bingham, τy và μ, đƣợc điều chỉnh theo mô hình từ hóa đƣợc đề xuất Xem xét α f = 0,5 trên MRF, các mô hình từ hóa

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 29 MSHV:16748 Hình 2.11 Sơ đồ ứng suất cắt so với tốc độ cắt đối với Lord MRF-122-2ED ở

25 ◦C ở từ trường 0 mT (a), 173 mT (b), 432 mT (c),và 1296 mT (d) [8]

 Các tính chất lưu biến của MRF thay đổi tùy thuộc vào từ trường tác dụng và được tính theo phương trình: [8]

CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

Chế tạo cơ cấu phản hồi lực

- Đĩa mỏng 5 mm lắp trông không gian hẹp,để đảm bảo đĩa đúng yêu cầu kỹ thuật về kích thước,độ đồng tâm,đô đảo mặt đầu phải chính xác

- Là thiết bị truyền chuyển động quay và lắp trực tiếp đĩa quay trên trục đĩa cũng có yêu cầu về độ chính xác khi gia công,nhƣ độ nhẵn bóng bề mặt,độ đồng tâm,độ vuông góc ở các vị trí lắp ghép nhƣ ổ bi và phốt

- Vỏ phanh yêu cầu độ chính xác gia công ở bộ phận lắp ghép, nhƣ độ nhẵn bóng bề mặt,độ đồng tâm,độ vuông góc ở các vị trí lắp ghép nhƣ ổ bi và phốt

- Vỏ phanh 2 yêu cầu kỹ thuật cũng tương tự như vỏ phanh 1 yêu cầu độ chính xác gia công ở bộ phận lắp ghép, nhƣ độ nhẵn bóng bề mặt,độ đồng tâm,độ vuông góc ở các vị trí lắp ghép nhƣ ổ bi và phốt

Kết cấu mô hình thực nghiệm

Hình 3.5 Cảm biến mô-men lực - Cảm biến đƣợc thiết kế đặt vị trí cách xa một khoảng cách nhất định so với MRF,bởi tác động của nhiễu nên quá trình thực nghiệm sẽ không còn chính xác

Hình 3.6 Mô hình tổng thể chế tạo sau thiết kế

Card giao tiếp Tay quay

Hình 3.7 Các thiết bị hỗ trợ kết nối máy tính

Mô-men xoắn đƣợc đo bằng cảm biến (model D2553) Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến mô-men xoắn sẽ đƣợc khuếch đại thông qua bộ khuếch đại điện áp DC Bộ điều khiển thiết bị đƣợc sử dụng để điều khiển dòng cho bộ truyền động BMR Hệ thống này đƣợc điều khiển trong thời gian thực bằng cách sử dụng thẻ NI 6221 với hộp công cụ nhắm mục tiêu Windows thời gian thực của Matlab Một PC đƣợc sử dụng để xử lý tất cả các hoạt động dữ liệu I / O cho toàn bộ hệ thống

Khi bật nguồn điện thì lưu chất chuyển pha lỏng sang pha rắn và bám chặt đĩa.Lúc này ta dùng tay quay tay quay tác dụng lực lên đĩa và đĩa tác dụng lực lên lưu chất MR,lưu chất MR tác dụng lực lên vỏ 2,vỏ 2 truyền lực lên trục,trục tác dụng lực lên cảm biến mô-men,cảm biến mô-men nhận tín hiệu và truyền vào máy

Cảm biến mô-men Bộ nguồn AC/DC MRF

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 47 MSHV:16748 tính thông qua card ID giao tiếp.Dùng phần mềm matlap mô phỏng các khối bằng simulink.

Quá trình thực nghiệm

-Đo điện trở bằng 13.2 Ohm

-Khi cấp dòng điện cho cuộn dây,từ trường sinh ra sẽ làm đông đặc lưu chất MRF có trong phanh,khi đó sẽ sinh ra lực phanh tác động lên loadcell sẽ chuyển đổi lực tính hiệu đó hành tín hiệu điện,giá trị điện áp ra này sẽ đƣợc truyền về cổng analog của thiết bị Giá trị mô-men đo đƣợc sẽ thể hiện trên màn hình máy tính Khối phân tích độn g học và mô phỏ ng bằn g sim uli nk tro ng matlab

Hình 3.8 Sơ đồ đo mô-men bộ phản hồi lực bằng Simulink

Hình 3.9 Mô phỏng mô-men trên matlab

Kết quả thực nghiệm

- Để so sánh kết quả tính toán mô phỏng thì ta dùng kết quả thực nghiệm,đánh giá bộ phản hồi lực ta tiến hành thí nghiệm mô hình.Theo tính toán lý thuyết từ phương trình (1.15)

- Mô phỏng tính toán lý thuyết với kích thước khe e=0.7 (mm) dòng điện 1.5 (A) thì ứng với 2.6 (N.m)

Hình 3.10 Phân bố mật độ từ trường + Thực nghiệm ứng với dòng điện 1.5 (A) thì giá trị momen tương ứng 2.8 (N.m)

- Mô phỏng tính toán lý thuyết với dòng điện 1 (A) thì ứng với 1.4 (N.m) + Thực nghiệm ứng với dòng điện 1 (A) thì giá trị momen tương ứng 1.5 (N.m)

Hình 3.12 Mô phỏng 1 (A) - Ứng với dòng điện 2 (A) thì giá trị momen tương ứng 4.2 (N.m) thực nghiệm,còn mô phỏng tính toán lý thuyết với dòng điện 2 (A) thì ứng với 4 (N.m)

 Kết quả thực nghiệm này xấp xỉ bằng với kết quả tính toán.Vì vậy MRB đƣợc thiết kế đảm bảo đáp ứng yêu cầu để điều khiển.Vậy ta chọn dòng 2 (A) khe e=0.7 (mm) tương ứng với mô-men 4 (N.m) trong mô phỏng tính toán và 4.2 (N.m) với thực nghiệm.

Nhận xét đánh giá kết quả

- Momen phanh phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt tiếp xúc giữa lưu chất và cường độ dòng điện đặt vào.Thời gian đáp ứng phanh khá nhanh,sai lệch giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm khoảng 5-10 % ứng với mức độ dòng điện khác nhau.

Nguyên nhân

- Do quá trình mô phỏng tính toán bỏ qua phần tiếp xúc theo hướng trục của đĩa vì bề mặt tiếp xúc nhỏ 5 mm nên không tính trong quá trình tính toán.Trong khi đó mô

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 53 MSHV:16748 hình thực nghiệm lại có momen chỗ này nên kết quả momen lực của mô hình lớn hơn quá trình mô phỏng tính toán

- Về mặt vật liệu gia công chưa đạt yêu cầu kích thước dẫn đến từ thông qua MRF yếu nên giảm momen sinh ra.Còn vật liệu C45 chƣa đảm bảo đầy đủ kỹ thuật thép C45 nên độ từ thẩm thấp

- Sai số trong quá trình lắp ráp và chế tạo,từ trường có sự tổn thất

Khi cho dòng điện vượt quá 2 (A) cơ cấu phản hồi lực nhiệt độ hơi nóng,ảnh hưởng độ chính xác lực vận hành thiết bị.

Mô hình trễ

Do đặc tính lưu chất phi tuyến nên có tính trễ,khi cho dòng điện tăng giảm đột ngột thì từ trường thay đổi đường đi,đường đi lưu chất từ biến không trùng đường về nên:

-Nhận dạng trễ bằng mô hình Preisach: Người ta biết rằng mô hình Preisach được xây dựng nhƣ một chồng chất của các toán tử trễ nhất đơn giản  (α, β) nhƣ trong hình 3.14a Mỗi toán tử này có thể đƣợc trình bày bằng một vòng tròn hình chữ nhật trên sơ đồ đầu vào-đầu ra như được mô tả trong hình 3.14b Số α và β tương ứng với giá trị chuyển đổi “lên” và “xuống” của đầu vào tương ứng Nó được giả định trong phần tiếp theo mà βα Các đầu ra của các toán tử trễ cơ bản ở trên có thể giả định chỉ có hai giá trị +1 và 0 và đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Khi đầu vào đƣợc tăng đơn điệu:[20]

Khi đầu vào giảm đơn điệu:

Hình 3.14 Sơ đồ khối của mô hình Preisach (a) và nhân tố trễ Preisach (b) [9]

Khi đầu vào thay đổi theo thời gian, mỗi hysteron β, α sẽ tạo ra một đầu ra theo định nghĩa trên Cùng với tập hợp hysteron β, α là hàm trọng số tùy ý  (α, β) mà nó gọi là hàm Preisach Sau đó, mô hình Preisach đƣợc thể hiện nhƣ sau:

Học viên: Trương Minh Hòa Trang 55 MSHV:16748 Hình 3.16: (a) Lịch sử thời gian của dòng đầu vào; (b) Phân chia mặt phẳng

Preisach Giả sử rằng tín hiệu đầu vào liên tục u (t) có hỗ trợ nhỏ gọn: βo