Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo hệ thống phản hồi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất từ biến

Từ nhu cầu đó, kết hợp với quá trình học tập tại trường được thay cô hỗ trợ vì kiến thức do dé nhóm đã chọn đề tài: “ Thiết kế - chế tạo hệ thống phản hỏi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất

BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP HCM

THIET KE - CHE TAO HE THONG PHAN HOI

LUC 3 CHIEU BANG PHANH LUU CHAT TU

BIEN

Giảng viên hướng dẫn: TS DIỆP BẢO TRÍ

Sinh viên thực hiện NGUYÊN ĐỒ TRÍ DŨNG

TRẢN TRUNG KIÊN NGUYEN XUAN NGOC LONG NGUYEN QUANG LUAN

NGUYEN DINH TY

TP.H6 Chi Minh, tháng 06 năm 2023

BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP HCM

THIET KE - CHE TAO HE THONG PHAN HOI

LUC 3 CHIEU BANG PHANH LUU CHAT TU

BIEN

Giảng viên hướng dẫn: TS DIỆP BẢO TRÍ

NGUYEN DO TRi DUNG TRAN TRUNG KIEN NGUYEN XUAN NGOC LONG NGUYEN QUANG LUAN NGUYEN ĐÌNH TỶ

Sinh viên thực hiện:

TP.Hồ Chí Minh,ngày tháng 06 năm 2023

DAI HOC CONG NGHIEP CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET

Doc lap — Tw do — Hanh phuc

s-n 1p HCM, ngày 0 tháng 06 năm 2023

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP

Họ tên SV 4: Nguyễn Quang Luận MSSV: Lớp: DHCT14BTT

Họ tên SV 5: Nguyễn Đình Tỷ MSSV: Lớp: DHCT15ATT

1.Tên đề tài: Thiết kế - chế tạo hệ thống phản hồi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất

từ biến

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

- Tính toán thiết kế phanh

- Tối ưu hóa phanh để momen theo yêu câu với khối lượng nhỏ nhất

- Chế tạo mô hình

- Kết quả thực nghiệm phanh

3 Ngày p1ao nhiệm vụ luận van:

4 Ngày kiểm tra giữa kỳ (50%):

5 Ngày hoàn thành:

6 Giáo viên hướng dẫn: TS Diệp Bảo

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA

LOI MI DAU

Trong thời đại công nghệ 4.0, co thé thấy rằng chính sách và chủ trương của nhả

nước ta là đây mạnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa nhằm hướng đưa nước ta thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại Chính vì thể, các ngành nghề phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa được quan tâm một cách tích cực Trong

đó ngành cơ khí là một trong những ngành đóng vai trò mũi nhọn giúp tạo ra nhiều máy móc, sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của con và xã hội, đi đôi với đó là đòi

hỏi kỹ sư cơ khí và cán bộ cơ khí phải có kiến thức đồng thời vận dụng những kiến

thức đã học để giải quyết vấn đề cụ thể như sản xuất và sửa chữa Ngành cơ khí chế tao may la nganh chế tạo ra các loại máy móc vả thiết bị có thể coi như đây là nền tảng của công cuộc cách mạng 4.0

Hiện nay việc ứng dụng điều khiến từ xa đóng vai trò quan trọng và cần thiết điển hình như các loại robot chuyên dụng phục vy trong cdc môi trường độc hại hay thời tiết khắc nghiệt đối với con người Từ nhu cầu đó, kết hợp với quá trình học tập tại trường được thay cô hỗ trợ vì kiến thức do dé nhóm đã chọn đề tài: “ Thiết kế -

chế tạo hệ thống phản hỏi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất từ biến “

Trong thực tế đã xuất hiện hệ thống điều khiển từ xa cơ bản bao gồm hai cơ cấu chính là cơ cấu chủ động và cơ cấu bị động Tuy nhiên, hệ thống đó cần nhiều hạn chế như thiếu đi thông tin phản hồi ở khâu cuối của hệ thông bị động, chẳng hạn như lực tác động mong muốn Điều đó dẫn đến việc điều khiển sẽ bị giảm đi độ chính xác và tính linh hoạt của hệ thống Do đó chúng em thực hiện đề tài này nhằm khắc phục những nhược điểm trên

Vì đây là lần đầu chúng em thực hiện nên khó tránh những sai sót, cũng như

trình độ kỹ thuật và kinh nghiệm còn hạn chế Kính mong quý thầy cô thông cảm và

đóng góp ý kiến giúp tụi em có thế hoàn thiện đề tài

LOI CAM ON

Đề nhóm chúng em thực hiện hoàn thành đề tài một cách hoàn thiện nhất, bên cạnh

sự nỗ lực học tập và cô găng của mỗi cá nhân đồng thời là sự kết hợp làm việc nhóm, còn có sự giúp đỡ và hướng dẫn thiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như những lời động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè trong suốt thời gian chúng em học tập, nghiên cứu và tiến hành thực hiện đồ án Với lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc,

nhóm chúng em xin bày tó lời cảm ơn tới:

TS Diệp Bảo Trí, thầy đã tận tình chỉ dẫn các kết cấu và giải thích cơ sở lý thuyết, đồng thời giúp đỡ chúng em cách tính toán và chế tạo mô hình thực nghiệm MRE, giải đáp các thắc mắc của chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Anh Lê Hải Zy Zy, đã nhiệt tình hướng dẫn nhóm thiết kế mô hình 3D, sử

dụng ANSYS để thực hiện tính lực ma sát và tối ưu hóa mô hình và tiến hành chạy thực nghiệm phanh MRF, dưới sự dưới sự chỉ dẫn nhiệt tình của TS Diệp Báo Trí

Các Thầy Cô trong khoa Cơ Khí đã hết lòng giúp đỡ để em hoàn thành đề tài này

Gia đình, bạn bè những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ vả tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài

NHAN XET CUA GIANG VIEN HUONG DAN

Tp Hé Chi Minh, ngay tháng 06 năm 2023

Giảng viên hướng dân

TS Diệp Bảo Tri

NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 1

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2023

Cán bộ phản biện

NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 2

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2023

Cán bộ phản biện

NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 3

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2023

Cán bộ phản biện

MUC LUC

LOT MI DAU Á., 1

9090 0.09) Ả 2 NHẬN XÉT CUA GIANG VIÊN HƯỚNG DẪN Đ-Ả 2-22 2222222121221111111 2121521121122 2e 3 NHẬN XÉT CUA GIẢNG VIÊN PHÁN BIỆN l 5 5 S2 Sx TH HH HH2 4 NHẬN XÉT CUA GIẢNG VIÊN PHÁN BIỆN 2 Q5 22T TH HH HH2 He 5 NHAN XET CUA GIẢNG VIÊN PHÁN BIỆN 3 Q2 ST Tn HH HH Hye 6

1.2 Sự cần thiét eta nghién eveus o.oo cece cece eee ee ee eeeee ents eeeeeeeeee cute ceceteeeeeeeeenenenteeeees 11

ee 12 1.4 NOi dung nghién CUus ccccccccceccce cece cece cece cececececeecececeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseannneeees 12

2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến MRE Q2 22 222222221212122221212121112212222 12 He 13 2.2 Các thành phần chính của MRE: - - ST SE S11 1215111111111111111T 521111 rxee 13

2.3 Nguyên lý hoạt động của MRE: - - HH HT ng ng TH ch nh HE 14 2.4 Cae dac tinh cia MRF? na e 15 3.1 Cấu tạo của phanh lưu chat tir biém MRE? ee ee ee eee ce 17 3.2 h0) 8/1).8 32v 8/) 071) 0/1030 1n e 17

3.3 Thiết kế tối ưu cho các phanh MRE: Q52 1 1 1 121212 E2E 5E HETE51510111 111111 re 19 S8 no na 19 3.3.2 Phương pháp tối ưu hóa: ĐÀ 2 2 222221222121 121125252822212121212121212111112121212 120212 xe 20 6Ö “cốc n6 na 22

4.1.1 Xác Định Dạng Sản XuẤt SG 1123 TT SE E51 5151111111 1111111112111 01T 1t 25 Mục Đích Xác Định Dạng Sản XuẤt - Sàn Sàn SH H111 kg rệt 25

4.1.2 Xác Định Các Thông Số Kỹ Thuật Của Chỉ Tiết - cece eee 27

4.1.3 Chọn Phôi Và Phương Pháp Chế Tạo Phôi 5-5 S22 SE SE HH rrrrey 27 I9): 0): 83): tidỐ 28 1.0 80/71, 0) 1 080, Na 28

4.1.4 Thiết Kế Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chỉ Tiết 25-55 SS nen rrreeces 31 Lập Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chỉ Tiết Trục: - 22 222222222222222222222222ce2 32 Thiết Kế Đồ Gá Cho Nguyên Công QÀ 2 0 SH SH T929 22 122211121 2112121222221212121222221 1 8 xe 57

Y Nghĩa Của Việc Thiết Kế Đồ Gá Ặ Q2 2S 2222221121 112121215222111 212252128212 2111 sec 57

Nguyên Lý Định Vị Và Kẹp Chặt Của Đồ Gá ĐQ Q20 2222222222 Hee 57

Nhiệm Vụ Chính Của Các Bộ Phận - cece cece ee eee ec ee ee ee HH HH Hư 61

Nguyên Lý Hoạt Động Của Đồ Gá ĐÀ S0 S22 T222 222212121212121212 22122128881 61

4.2.1 Thiết Kế Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chỉ Tiết 25-55 SS xe ne re srzeeees 64 0/118 19019 0.06 096 nNtmẮ% 64 5.1 Thiết lập mô hình thí nghiệm 5S S1 SE SE SE SE 51112511111111 2122 T5 93

5.2 Các bước lắp ráp và đo đạc phanh MRE: Q2 222 S2221212121212 525252112111 2212 2 se 96

5.2.1 Quấn dây và bơm MRE ẲẢ 222232122221 21 11212111 521282221212122122221212121212201 121102 xe 96

5.3 Kết qua thí nghiệm - 2-5 Sàn Tà TS HE TT T951 51111111011511151515 1211111111111 11111111, 100 5.4 Đánh giá và kết luận - - TT ST SE 1112111111111112121T2T5E 1251 E211 xe 104

DANH MUC HINH ANH Hình 1: Chất lỏng MRE 52 1 2E 1211127111211 1112111111121 12121112 ng 13 Hinh 2: Thành phần IMRE 2-2222 99EE22122215122112112712212211111211211 21122121 e6 13

Hinh 3: Các trạng thái của MRE 002111211211 1211 111110111011 111 101111111111 1 1kg 14 Hinh 4: M6 hinh déo Bingham va Newton 0 2012212211221 1 1221121115111 x re 15 Hình 5: Cấu tạo phanh - c2 22122211211 111 122211011181 111111115111 1111111 11H Ha 16 Hình 6: Cầu tạo chỉ tiết và thành phần của 1 phanh MRE 2 c2 22c 18

Hình §: Kết quả tối ưu hóa - 2 22 2s 221 23127121211111271271211 1107211212112 2 re 21

Hinh 9: Đường từ thông trên phanh MIRLE - 2 2 2c 2222221111221 1 112111151 1121 xe 22

Hinh 10: Phân bố mật độ từ trường ở phanh MRF tai thời điểm tối ưu 23

In 0n: By 25

Hình 12: Thể tích trục -:-22222222211122111122111222111122.1112.T1112.111 1.11 de 25

Hình 13: Bản vẽ lồng phôi 52 + 1 E21 E21511211111111 1111112121121 1 1 tru 30

Hình 14: Đánh số bề mặt gia công -2 5 SS S12 1111211 112111121121121211 11 1 cty 30 s08 1.0 81 .a1 32 s0 83-0 02010888 e 37 Hinh 17: Nguyen cOng 3.0 a1 43 s83 <0 na 47 Hình 19: Sơ đồ định vị nguyên công 5 2 5 St SE 2212111121118 211211 re 57

Hinh 20: Đồ gá khoan lỗ 22 22 2 SE192E12512212711212112112111121111211 2112121121 ye6 62

Hình 21: Đánh số bề mặt của chỉ tiẾt ¿222 2221122211122 63

is 8/20) 30 /-(0voi tn 64 Hinh 23: Nguyên công 2 L0 201121121112 11121 101110111111111 111111111 HH Hy 67 s82 án icon -5Ả 73 s80 /1-i0vo 3 ằ 76

si 02.0)/30)/-i0vo n1 79 Hình 27: Các chỉ tiết của phanh MRE - 252 2S1SE12212712121112112121121 111 x2 92

Hình 28: Hình 3D của phanh MRE S2 2221121121111 11 11118111 14111211 811121 te 93

Hinh 29: Hình 3D của mô hình thi nghiệm 22 22 2222222122122 x22 94 Hinh 30: Bản vẽ của mô hình thí nghiệm 5 22 221222122212 222125 231215312 2zt2 94

Hình 31: Hoàn thành lắp ráp mô hình đo 2 1 522 SE92E21E7152322122222122E22 xe 96

Hình 32: Mô hình chạy thử nghiệm lực của phanh MRF khi cấp đòng điện 97 Hình 33: Biểu đồ thế hiện momen phanh l 2-52 1 E2 ££E£2E2E££ E251 2 e2 99 Hình 34: Biểu đồ thể hiện momen phanh 2 - c1 2121212 122111121 111522112 22xe2 100 Hình 35: Biểu đồ thể hiện momen phanh 3 -.- G1 2021212 12212112111 122211222 xe 101 Hinh 36: Mô hình hoàn thiện G11 n S11 n1 SH n S1 1n n1 SE 1111115511111 1 1111111 cz 102

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 1: Cấu tạo chức năng phanh MRE 521 S1 EEE215112112111121211 1211 x2 17 Bảng 2: Tiêu chuẩn xác định dang san KU Ate cocccccccccccescsvevsesssscecssvevssvsesecsesecstsecsses 27

Bang 3: Thanh phan co tinh của vật liệu C45 5 5s s9 SE22121112112111122 xe 27

Bảng 4: Cầu tạo của phanh s5 51 11111271112112121111121111212221 11211 x tru 94

Bảng 5: Thành phần mô hình thí nghiệm À 2-52 2 S3 E E2 SE12E12112512127122 22x 98

Chương 1: Tổng quan

1.1 Lý do chọn đề tài:

Tự động hóa là một khía cạnh quan trọng của Công nghiệp 4.0 giúp góp phần cải

thiện độ chính xác và năng suất Đề đánh giá hiệu quả và chính xác quá trình sản

xuất, cần xem xét một số tiêu chí như độ ôn định, thời gian đáp ứng, tiêu hao năng lượng, thân thiện với môi trường, chị phí và công nghệ

Nhu cầu sử dụng Công nghệ 4.0 trong môi trường làm việc độc hại như điện hạt

nhân, lò phản ứng hạt nhân, phòng thí nghiệm hóa chất độc hại, dây chuyền sản

xuất và chế biến thuốc trừ sâu, chữa chây, chống viêm, chống khủng bố, hầm mỏ, phẫu thuật y tế, v.v là rất cần thiết Đề giải quyết vấn đề này, hệ thống robot điều khiến từ xa đã được phát triển Một trone những hệ thống này là hệ thống chủ/tớ

Hệ thong giải quyết vấn đề phản hồi các tín hiệu như vị trí, lực và mô-men xoắn của các thành phần cuối cùng của hệ thống điều khiến thụ động đến người vận hành, nâng cao độ chính xác và sự linh hoạt của công việc

Hiện nay, việc sử dụng vật liệu thông minh và ứng dụng chúng đang phát triển rất

mạnh mẽ điển hình như Piezo, chất lỏng điện lưu biến (ERF), hợp kim nhớ hình

dang (SMA), chat long tir lwu bién (MRF) Ndi bat hơn cả là chất lỏng từ lưu biến (MRF) Vật liệu thông minh được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phản hỏi lực nhờ các ưu điểm như phản ứng nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp, tạo ra lực và mô- men xoắn lớn Tuy nhiên, hệ thống phản hồi lực sử đụng MRE vẫn có một số nhược điểm như cấu trúc quá lớn do cơ chế tác động đề xuất không được tối ưu hóa cùng với lực ma sát chưa được giải quyết

Vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu và phát triển các

cơ chế mới sử dụng các tính năng của MRF để tạo ra các mô men và lực điều khiển được, sau đó ứng dụng chúng trong các hệ phản hồi lực

1.2 Sự cần thiết của nghiên cứu:

Trong vai nam tro lai đây sự xuất hiện của các vật liệu thông minh đang ngày một

lớn mạnh

Nó đem lại nhiều tiện ích mà những vật liệu bình thường chưa thê thoả mãn Về cơ

bản, một hệ thống điều khiến từ xa bao gom một hệ điều khiến bị động và một hệ chủ động Trong hệ thống này vẫn đề quan trọng cần giải quyết đó là thiếu thông tin của các tín hiệu phản hồi như vị trí, lực, mô-men của các bộ phan tác động cudi của hệ điều khiển bị động cho người vận hành Việc thiếu thông tin này làm piảm tính chính xác và tính linh hoạt của hệ thống Vì trong đề tài nghiên cứu này tập

trung nghiên cứu tính đáp ứng của lưu chất từ biến, phát triển các cơ cấu tạo lực,

mô-men dựa trên lưu chất từ biến, đồng thời phát triển các cơ câu phản hồi lực dùng lưu chất từ biến Việc hoàn thành đề tài sẽ cung cấp hướng phát triển mới của phanh lưu chất từ biến MRE, để giúp con người để dàng làm việc trong các môi trường độc hại hay thời tiết khắc nghiệt

1.3 Mục tiêu:

Mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo hệ thống phản hồi lực 3 chiều ứng dụng phanh lưu chất từ biến MRE

Trong đó gồm các mục tiêu cụ thê sau:

- _ Tính toán thiết kế mô hình hệ thống haptic ứng dụng phanh MRF

- Tối ưu hóa phanh dé dat momen theo yéu cầu với khối lượng nhỏ nhất

- _ Chế tạo mô hình hệ thông haptic ứng dụng phanh MRF

- Lấy kết quả ổo từ việc thực nghiệm của mô hình

1.4 Nội dung nghiền cứu:

Nội dung 1: Tìm hiểu về các đặc tính của lưu chất từ biến MRE, ứng dụng các đặc

tính của MRF vào thiết kế phanh

Nội dung 2: Tính toán, tối ưu hóa phanh MRF

Nội dung 3: Tính toán, thiết kế mô hình 3d haptic ứng dụng phanh MRE

Nội dung 4: Chế tạo mô hình haptic ứng dụng phanh MRF

Nội dung 5: Thực nghiệm kiểm tra đánh giá mô hình

Chương 2: Cơ sở về lưu chất MRE

2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến MRE

Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng chất lóng nhớt và có chứa các hạt từ tính, thường xuất hiện trong một vài loại vật liệu thong minh MRF bao gồm chất lỏng cơ bản các hạt kim loại từ tính phân cực và chất ổn định hoặc chất hoạt động bề mặt Chất ồn định và chất hoạt động bề mặt được dùng để khắc phục sự lắng đọng của các hat tir tinh, vi vậy chúng ảnh hưởng khá lớn đến khả năng lưu biến của lưu chất

MR

Các đặc điểm từ tính của lưu chất MR (Magneto Rheological) bao gồm ứng suất,

độ nhớt và độ lắng đọng Các đặc điểm này phụ thuộc vào các tham số biến đổi khác nhau như tý trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mật độ các hạt từ tính, cường,

độ từ trường, nhiệt độ, tính chất của chất lỏng cơ bản và loại chất lóng hoạt động

bề mặt

Khi hoạt động, MRF lam viéc theo tinh Newton Khi tiếp xúc với tử trường, các hạt từ được phân tán trong lưu chất tạo thành lưỡng cực từ Những lưỡng cực từ này sắp xếp cùng dòng với từ thông và chúng có thể chuyên đôi trạng thái nhanh chóng, mạnh mẽ và hồi phục nhanh

Lưu chất được tìm ra bời Jacob Rabinow tại Cục Tiêu Chuẩn Quốc gia Hoa Ky vao

những năm cuôi của thập niên 1940 Vào đâu những năm thập niên 1990, phong

trào nghiên cứu vé MRF tréi day manh mé duoc dan dau béi Lord Corporation

Hinh 1: Chat long MRF

2.2 Cac thanh phan chinh cia MRF:

Thanh phan chính : hat tir tinh(1) , chat long nén(2) , chat phụ gia(3)

Hinh 2: Thanh phan MRF

Các hạt mang từ tính phù hợp để thêm vào như sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken và coban

Chất lỏng nền tạo thành pha liên tục cho MRE Chất lỏng nền thích hợp để cấu

thành MRE có thể kế đến như: đầu silicon, dầu khoáng, dầu paraffin, dau thuy luc

Chat lỏng nền là lưu chất không chịu ảnh hướng bởi từ tính va là nơi chứa các hạt từ

tính Chất lỏng nên là chất bôi trơn giúp giảm thiểu độ lắng đọng của các hạt tử tính

trong MRF đồng thời giúp quá trình chuyên đôi từ trạng thái lỏng sang trạng thái sệt

các hạt từ tính

chất lỏng nần

diễn ra trơn tru và nhanh chóng Đề có thể sử dụng tôi đa các điểm mạnh của lưu chất từ MRF thì chất lỏng nền không được có đô “ nhớt quá cao và nhiê 46 “ phải được duy trì ôn định Sự góp mă£ của các hạt tử tính làm cho lưu chất nền đăé“hơn

2.3 Nguyên lý hoạt động của MRFE:

Hinh 3: Cac trang thai cua MRF

Lưu chất từ biến là một loại chất lóng có khả năng thay đổi độ đặc của nó khi được đặt trong một trường từ Khi có tác dụng của từ trường, các hạt trong lưu chất từ sẽ cảm nhận được sự tác động từ trường từ, dẫn đến việc chúng sắp xếp theo hướng tương ứng với trường từ Khi từ trường được áp dụng, các hạt này tạo ra các chuỗi theo hướng của từ trường, làm cứng chất lỏng một cách hiệu quả Nhờ đó, độ đặc của lưu chất từ có thê được điều chỉnh tủy thuộc vào từ trường được áp dụng

Khi MRF ở trạng thái bình thường không có từ trường đi qua lưu chất thì các hạt sắt

từ trong lưu chất chuyên động tự do và được biểu diễn theo thuộc tính Newton như mọi các chất lỏng khác (Hình a)

Khi MRE ở trạng thái có tác dụng của từ trường bên ngoài thì các hạt từ tính sẽ gan kết và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng khác nhau tủy vào sự phân bô đường sức

từ mà chúng có khả năng chống phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất lỏng MRE sệt lại

(Hình b,c)

2.4 Các đặc tinh cua MRF:

Trong đỗ án này chất lỏng MRF là chất lỏng Newton nên bài toán ở đây dựa trên

m6 hinh chat long déo Bingham Chat long déo Bingham dic trung béi hai dai

15

lượng đó là giới hạn chay ty ( yield stress ) va d6 nhot a ( plastic viscosity ) Khi trạng thai binh thuong MRF sé là chất lỏng Newton sau khi có dòng điện chạy qua chất long sẽ từ từ cứng lại Phương trình thê hiện đặc tính lưu biến của MRF Ia:

Shear strain rate

Hinh 4: M6 hinh déo Bingham va Newton

Chương 3: Tính toán tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến MRE:

Hình 5: Cấu tạo phanh

3.1 Cấu tạo của phanh lưu chất từ biến MRE:

2 Thân phanh Chứa MRF cùng cuộn dây

3 Trục phanh Truyền chuyền động đến encoder

4 Đĩa Nhận lực ma sát từ lưu chất MRE

tốc độ, củng chiều Khi có một dòng điện đặt vào cuộn dây của phanh thì một từ trường tương ứng được tạo ra Ma sát siữa MRE và đĩa quay trên trục sẽ tạo ra một mô-men đâu ra làm cản trở chuyên động của trục

3.2 Mô hình toán học cua phanh MRF:

Từ mô hình dẻo Bingham cùng với công thức về đặc tính của MRE, ta có công thức tính mô men đầu ra của phanh MRE

Công thức tính mô men đầu ra của phanh MRE:

T,=2¿

Trong đó, T;; là momen ma sát gây ra trên đoạn khe hở L, T; là mô men ma sát

gây ra trên đoạn khe hở I¡ T, là mô men ma sát gây ra trên đoạn mặt trụ ngoài g1ữa đĩa và mặt trong vô phanh Ÿ; là mô men ma sát của lip-seal Bên cạnh đó, giả sử

mô men ma sát của ô lăn là không đáng kế trong cơ cầu phanh MRE

Các mô men ma sát thành phanh của phanh MRE ( T;„ T;, T, 7, ) được xác định theo công thức:

và mặt trục ngoài H;,„ tạ, #„ lần lượt là độ nhớt của MRF trong khe hở MRE đoạn

thẳng, đoạn nghiêng và mặt trục ngoài

Nguyên lý làm việc của phanh MRF: trục được dẫn động bởi hệ thống truyền lực bên ngoài làm cả trục quay cùng tốc độ, cùng chiều Đĩa được gắn cố định với trục

và quay củng tốc độ, củng chiều Khi có một dòng điện đặt vào cuộn dây của phanh thì một từ trường tương ứng được tạo ra Ma sát piữa MRF và đĩa quay trên trục sẽ tạo ra một mô-men đầu ra làm cản trở chuyên động của trục

3.3 Thiết kế tối ưu cho các phanh MRE:

3.3.1 Bài toán tối ưu hóa:

Có hai mục tiêu cầu thành nên bài toán tối ưu hóa của phanh MRF gồm: khối lượng

va momen sinh ra của phanh MRE Cần biết rằng, khi thiết kế cơ cầu phanh MRF,

khối lượng và momen phanh là hai mục tiêu quan trọng nhưng trái ngược nhau trong quá trinh tối ưu hóa Đề đạt được hai mục tiêu nêu trên, khối lượng phanh (m,

19

) được lấy làm mục tiêu chính của bải toán tối ưu hóa phanh MRF nảy, trong khi

momen phanh (T;) được giới hạn 6 gia tr bang hoặc lớn hơn momen mục tiéu (T;,) giúp đạt được lực phản hồi mong muốn

Khối lượng của BMRA có thể xác định gần đúng như sau:

my = Vạipg+~ VaPatVsPs t+ Vine Pmt Ve Pe

Trong đó V„,V,„V, V„Ý, tương ứng các thê tích hình học của đĩa, vỏ phanh, trục, lưu chất MR và cuộn dây, các thông số đ, h, s, mr, c là các khối lượng riêng tương ứng với các thể tích hình học trong công thức Trong quá trình tính toán tối ưu thì các kích thước hình học quan trọng như chiều cao của cuộn day (h,), chiéu rộng của cuộn dây (w,), bán kính ngoài đĩa (R¿), bán kính trong của đĩa (R„), vị trí của các

cuộn đây trên vỏ (R„), độ dày của đĩa (f;), bề dày của vỏ hình trụ (fo), bề dày bên

ngoài của vỏ (f„) được chọn làm biên thiết kê

3.3.2 Phương pháp tối ưu hóa:

Trong đề tài này công cụ tối ưu hóa thiết kế trong ANSYS Workbench được áp dụng Công cụ tối ưu hóa thiết kế này sử dụng các thuật toán đề thay đổi các biến thiết kế

và sử dụng chúng để chạy chương trình ANSYS APDL tại mỗi lần lặp lại Mục tiêu

của việc tôi ưu hóa là khối lượng phanh MRE và ràng buộc momen phanh phải lớn

hơn 5Nm Do đó, hai tham số này được đặt ra với các mục tiêu và ràng buộc tương ứng của chúng trong mục tiêu và phần ràng buộc

Trong đề tài này, dựa trên các thuộc tính thé hiện trong hình Phương pháp NLPQL

là được chọn để thực hiện tối ưu hóa vì nó cung cấp giải quyết bài toán đơn mục tiêu và các mỗi quan hệ tham số

Phương pháp NLPQL: là một phương pháp lập trình bậc hai tuần tự để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa bị ràng buộc phi tuyến tính với các hàm ràng buộc và mục tiêu Tại mỗi lần lặp, tìm kiếm hướng giải quyết của bài toán con lập trình bậc hai Mục tiêu của việc tối ưu hóa là khối lượng phanh MRE và ràng buộc momen phanh phải lớn hơn SNm

20

Thực hiện quá trình tối ưu hoa trén ANSYS WORKBENCH

Chọn tham số đầu vào và đầu ra trong

| mu | ô trạng thái APDL Đây, Thực hiện tổi

ưu hóa các giá trị chọn làm tham số Thực hiện tối ưu hóa đầu vào, giá trị đầu ra bao gồm các

tham số hiệu suất và “OB.!“

Xác định hàm “OB.ƒ trong chương trình ANSYS PDLL để

các phương pháp tối ưu hóa

Tải tệp †xt vào ô trạng thái

3.3.3: Kết quả tối ưu hóa:

f Schematic E ›timizatio

1 = Optimization Study

2 Goal, Minimize P11 (Default importance)

3 P12>=5 Strict Constraint, P12 values greater than or equals to 5 (Default importance)

The NLPQL method (Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian) is a gradient-based

5 ia SN [pct pct pipette Parameters The starting point must be specified to eet ide

determine the region of the design space to explore

Hình 8: Két qua toi uu hoa

Từ Hình 3.4, ta thây rằng tối ưu hóa được hội tụ ở vòng lặp thử 66 tại đó khối lượng của phanh là 0,679kg và mô-men xoắn dau ra là 5,0021 Nm, gan bang voi yêu câu

22

Hình 9: Đường từ thông trên phanh MRF

Hình 3.5 cho thấy đường sức từ của phanh tạo ra những đường cong khép kín

không đồng đều và đối xứng với nhau bới đĩa phanh

Phía bên phải đường sức từ dày đặc hơn so với phía còn lại, có hình những vòng tròn khép kín có tâm tại đầu phía bên phải là do nguồn điện được cấp tại đây và những đường sức từ khép kín sẽ lớn dần và tâm sẽ di chuyên dần về phía bên trái.Thể hiện rõ sự không đồng đều

23

Hình 10: Phân bố mật độ từ trường ở phanh MRF tai thời điểm tôi ưu

Hình 3.6 cho thấy cường độ từ trường trong phanh có giá trị lớn nhất là 2.4681, giá

trị nhỏ nhất là 0,457.10'” Mật độ từ thông ở hai đầu cuộn dây dày đặc có thế thất

lực từ tập trung ở đây lớn hơn so với các vị trí khác và gây áp lực lớn hơn lên vị trí này Tại các khe hở chứa MRE có thê thấy rằng cường độ từ trường có giá trị xấp xỉ nhau nên k gây ảnh hướng nhiều đến khe chứa lưu chất

24

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4.1 Trục

4.1.1 Xác Định Dạng Sản Xuất

Mục Đích Xác Định Dạng Sản Xuất

® Mục đích: Xác định số sản phẩm sản xuất hằng năm để nhằm xác định dạng sản xuất và từ đó đề ra phương án sử dụng thiết bị công nghệ (chuyên dụng hay vạn năng) và thiết kế đồ gá phù hợp với quy trình sản xuất

N: Số chỉ tiết sản xuất trong 1 năm

N;: Số sản phâm sản xuất trong 1 năm, N,=10000

y: Trọng lượng riêng của vật liệu, ythépC 45:y=7.85¿)

25

BM Simm rma vor Ý

Thư, Ẩ§WNGiMfnoose9Wume - Men

*_mign Sưhdqhen le A44 Marte.”

Xác định thê tích của chỉ tiết

Dạng sản xuất Q - Trọng lượng chi tiết

¿200 Kg | 4— 200 Kg | 64 Kg Sản lượng hàng năm của chỉ tiết (chiếc)

Hàng loạt nhỏ 55—10 10-200 100—500 Hàng loạt vừa 100— 300 200—500 500— 7500 Hàng loạt lớn 300— 1000 500— 1000 5000— 50000 Hàng khối ¿1000 ¿5000 ¿50000

Bảng 2: Tiêu chuẩn xác định dang san xuat

Với Q=0.025 KG<4 KG, N=11960( chiếc! năm)

= Dạng sản xuất hàng loạt lớn

4.1.2 Xác Định Các Thông Số Kỹ Thuật Của Chỉ Tiết

@ Phân tích điều kiện làm việc của chỉ tiết:

Công dung: Chi tiết dùng đề liên kết nối với đĩa bên trong phanh MRB nhận chuyển

động xoay tròn trong quá trình vận hành

4.1.3 Chọn Phôi Và Phương Pháp Chế Tạo Phôi

Chọn Vật Liệu: thép C 45

27

Mac Ham lượng của các nguyên tố, %

thép | Cacbon Silic Mangan | Phot-pho | Lưu huỳnh | Crom | niken

Không lớn hon

Bảng 3: Thành phần cơ tính của vật liệu C45 Chọn Phôi:

Có rất nhiều dạng phôi khác nhau như: Phôi rèn, phôi dập, phôi cán nhưng đối

với sản xuất hàng loạt lớn vả phù hợp kích thước chỉ tiệt đã cho vả vật liệu là thép

€ 45 thì ta có 1 phương pháp khả thi nhất đó là phôi đúc

Phương pháp chế tạo phôi

s% Phương pháp dập

Uu Diém:

@ Nang suất cao, độ chính xác cao

® Gia công được các chỉ tiết có hình dáng phức tạp

@ San pham có độ bóng, độ chính xác cao

Nhược Điểm:

@ Lòng khuôn dập khó chế tạo, gia thanh ché tao cao

Phương pháp đúc trong khuôn kim loại

Uu Diém:

@ khuôn đúc được sử dụng lại nhiều lần, tiết kiệm được chỉ phí sản xuất trong sản xuất hàng loạt và hàng loạt lớn

® Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kê Điều này sẽ làm giảm khối

lượng gia công cơ khí

@ Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ bền ở lớp bề mặt tiếp

giáp với khuôn kim loại

® Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích thước đậu ngót và phế

phẩm đúc

@ Nang cao nang suat sản xuat

® Tiết kiệm diện tích nhà xướng do không cần chế tạo hỗn hợp làm khuôn và

quá trình làm khuôn

28

® Duc được cả hợp kim đen, màu và chỉ tiết phức tạp

® Chi phi công cụ thấp nhất

Nhược điểm:

® Độ chính xác của đúc khuôn cát thấp hơn so với các phương pháp đúc khác

@ Dung sai kích thước lớn

® Trọng lượng đúc tăng nhiều hơn so với trọng lượng vật cần đúc

@ Gia thanh ré, nang suất cao

® Phù hợp với phôi có hình dáng đơn giản, kích thước đường kính thay đổi

Với chỉ tiết dạng trục và đạng sản xuất hàng loạt lớn, kích thước trung bình:

Ta chọn phương pháp đúc trong khuôn kim loại các ưu điểm sau đây:

Năng suất cao, giá thành hợp lý

Luong du dé lai cho quá trình øia công nhỏ, ít tốn nguyên liệu

Phôi đúc khi đúc ra đạt cấp chính xác kích thước ¿ 15

s* Quy trình đúc trong khuôn kim loại:

Làm Sạch Khuôn Kim => Sây Khuôn Lõi

rót kim loại vào sơn phủ mặt bằng dầu thực vật

Lập Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chỉ Tiết Trục:

$ Nguyên công chuẩn bị:

Chuẩn bị phôi

Kiểm tra phôi, các bề mặt của phôi sau khi cán có vết nứt, độ cong, làm sạch bề mặt phôi loại bỏ các ba vớ Tiên hành quy trình công nghệ g1a công

Phương án 1:

® Nguyên công 7: Vạt mặt, khoan tâm dau bé mat sé 1

@ Neuyén céng 2: Tién (tho, tinh) bề mặt số 4

® Nguyên công 3: Tiện (thô, tính) bề mặt số 3

® Nguyên công 2: Tiện (thô, tính) bề mặt số 2

® Nguyên công 5: Trở đầu, vạt mặt khoan tâm đầu 7

® Nguyên công 6: Tiện (thô, tính) bề mặt số 5

® Nguyên công 7: Tiện (thô, tính) bề mặt số 6

32

® Nguyên công 8: Khoan 4 lỗ mặt 8

® Nguyên công 9: Kiêm tra

Phương án 2:

® Nguyên công ï: Vạt mặt, khoan tâm 2 đầu bề mặt số l và 7

® Nguyên công 2: Tién (thé, ban tinh, tinh) bề mặt số 4

® Nguyên công 3: Tiện (thô, bán tính, tĩnh) bề mặt số 3 và mặt số 5

® Nguyên công 4: Tiện (thô, bán tính, tĩnh) bề mặt số 2 và mặt số 6

® Nguyên công 5: Khoan lỗ 4 mặt 8

® Nguyên công 6: Kiêm tra

s% Lựa chọn phương án gia công:

Cả nhóm quyết định chọn phương án 2 đề thực hiện quy trình công nghệ với các ly

do sau đây:

Trong 2 phương án được đề ra như trên thì ở phương án 1 thực hiện qua 9 nguyên công mà độ đồng tâm trục không đáp ứng được cho điều kiện làm việc Còn ở

phương án 2 thực hiện qua 6 nguyên công giúp tối ưu hóa thời gian gia công, do đó

khi áp dụng phương án 2 trong trường hợp sai lệch sẽ tiết kiệm thời gian, chỉ phí

nhân công hơn ở phương án 1

Do chỉ tiết là đạng trục việc sử dụng chống tâm 2 đầu đề gia công được sử dụng

rộng rãi ngoài thực tế,đồng thời độ đồng tâm giữa các bậc được tôi ưu hóa hơn

phương án ]

s* Kết Luận:

Chọn phương án 2 để thực hiện quy trình công nghệ gia công chỉ tiết

33

$ Nguyên công I: Vạt mặt, khoan tâm 2 đầu (bề mặt số 1 và 7)

ĐÔ ÁN CÔNG NGHẸ CHÉ TẠO MAY

Hinh 15: Nguyén céng 1

“ Quy trình công nghệ:

Bước I: Tiến hành tiện vạt mặt đầu (bề mặt số 1)

Bước 2: Tiến hành khoan tâm (bề mặt số 1) để tạo chuân định vị cho những nguyên công sau

Bước 3: Đảo đầu lặp lại quy trình của bude 1 va 2

Chuẩn: Bề mặt Ø 18+0.5 làm chuẩn thô

Định vị: Dùng mâm cặp 3 chấu, kẹp dải khống chế 4 bậc tự đo

Kẹp chặt: Lực kẹp từ 3 chấu của mâm cặp, mâm cặp kẹp vào 1 đầu trục Ø54

Chọn máy:

Ta chon may tiện vạn năng T616 của Việt Nam do nhà máy cơ khí Hà Nội sản xuất

có các thông sô sau: [Tra bảng 5.4 trang 415 tài liệu

(7)]

34

Dung dịch bôi trơn, làm nguội : nước làm nguội, phụ gia chống rỉ

$ Tính toán chế độ cắt cho nguyên công 1: Dùng phương pháp tra bảng

@ Dối với bước vạt mặt đầu:

1 Tính chiều dải cắt theo công thức sau:

L=bL„+yY.+y„ [Trang 189 tài liệu (7)]

Trong đó:

L„: Chiều dài gia cong của chi tiét: L,=2mm,

y„: Chiều dai vao cat (mm),y.=l1mm [Tra bang 2.60 trang 191 tài liệu (7)]

y„: Chiều đài vào ra (khoảng thoát) của dao (mm): y„=3mm,

[Tra bảng 2.61 trang 191 tài liệu (7)|

<> L=L„+y,+y„=2+1+3=6(mm)

2 Bước tiến dao

Chọn bước tiễn đao khi tiện ngoài và mặt đầu cho thép và gang:

[Tra theo bảng 2.62/192 tài liệu (7)]

Tiện bán tính: Š, = 0.6mm

Tính bước tiến dao theo công thức sau: Š,= Š, Xk [Trang 190 tài liệu (7)]

Trong đó:

S,: Bước tiễn dao tra được theo bảng

k: Hệ số điều chỉnh tùy theo điều kiện gia công, k=0.75

[Trang 190 tài liệu (7)|

35

= Tién thd: $,=0.6 x 0.75=0.45( vong/ phit)

3 Tinh van tốc cắt và số vòng quay trục chính

Ta có: ø = =12.56

Theo bảng 4.7 [6] ứng với@=1.26 ta thấy giá trị g”=12.64gần với 12.56 nhất

Đối với tiện: n„=12.56 x 44=552.64 ( vòng! phút)

Tra lực cắt: P,=270 [Tra theo bang 2.76 trang 196 tài liệu (7)|

Tính lực cắt: P,=P„* k„,x kạ; [Trang 190 tài liệu (7)]

6>3.6> 3.15 (Thoa điều kiện)

7 Thoi gian co ban _ L

[Trang 191 tai ligu (7)]

6

¿———PD_——— ~0.024Í phú

“gp x 550.64 7 02024 ( phiit)

@ Đối với khoan tâm

1 Tính chiêu dai gia công theo công thức:

Lự„=LÙ,+y+L, [Trang 221 tai liệu (7)]

Trong do:

L,: Chiéu dai cat, mm L.=10mm

y: Chiều dài vào, ra của dụng cụ, y=5mm

[Tra theo bảng 2.99 trang 212 tải liệu (7)|

L,: Chiều dài thêm dùng trong trường hợp kết cấu cần thêm chiều dài, L„=0

= L„=L,+*y+L,=15|mm|

2 Chọn bước tiến dao vong So:

Ta có: %=0.28(mm/vòng) [Tra theo bảng 2.100 trang 213 tài liệu (7)]

Số cấp tốc độ của trục chính: z=12

Phạm vi tốc độ của trục chính: 44 —1980 vòng / phút

Phạm vi bước tiến: bước tiến ngang 0.041 —2.47 (mm/ vòng)

Chọn S)=0.3(mm/vong)

3 Tra tuổi bền của dụng cu

Ta có: T p=200( phút) [Tra theo bảng 2.105 trang 215 tài liệu (7)]

37