Lời mở đầuNgành công nghiệp cơ khí là một trong những ngành công nghiệp lâu đời ởnước ta, có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế, xã hội, ngànhcông nghệ kĩ thuật cơ kh
Tổng quan về phanh MRF
Lý do chọn đề tài
Xã hội hiện nay phát triển nhanh chóng với sự ra đời của nhiều công nghệ mới, giúp cải thiện cuộc sống và bảo vệ con người Phương tiện giao thông đóng vai trò thiết yếu trong đời sống hàng ngày, và việc đảm bảo an toàn khi sử dụng chúng là rất quan trọng Các thiết kế cơ khí, đặc biệt là hệ thống phanh, được cải tiến liên tục để giảm tốc độ di chuyển và bảo vệ người tham gia giao thông, khẳng định vai trò quan trọng của phanh trong tất cả các loại phương tiện hiện nay.
Các loại phanh xe như phanh đĩa, phanh tang trống, phanh khí nén và phanh điện từ được phát triển để phục vụ các mục đích khác nhau Để đáp ứng nhu cầu về phanh xe, một loại phanh thông minh sử dụng chất lỏng MRF đã ra đời Chất lỏng này khi tiếp xúc với từ trường sẽ trở nên sệt lại và hóa rắn, cho phép phanh lưu chất từ biến MRF tạo ra momen phanh lớn với cường độ dòng điện nhỏ và thời gian phanh cực nhanh Đặc biệt, phanh này hoạt động độc lập với các hệ thống khác trong phương tiện giao thông, vì vậy nhóm nghiên cứu đã quyết định thiết kế và chế tạo phanh lưu chất từ biến (MRB).
Sự cần thiết của nghiên cứu
Hiện nay đã có nhiều loại phanh đang được sừ dụng tuy nhiên chúng đều có những mặt hạn chế khác nhau như:
Phanh đĩa có thiết kế hở, dễ tiếp xúc với các vật thể bên ngoài, dẫn đến tình trạng ma sát thường xuyên với đĩa phanh Điều này làm giảm hiệu quả phanh theo thời gian sử dụng.
Phanh khí nén yêu cầu không gian rộng để lắp đặt, thường được sử dụng trên xe cỡ lớn Để khắc phục những hạn chế này, việc nghiên cứu phát triển loại phanh đa dụng hơn là cần thiết Do đó, nghiên cứu về phanh lưu chất từ biến (MRB) trở thành một giải pháp quan trọng.
Nội dung 1: Tổng hợp và phân tích có nghiên cứu có liên quan đến phanh lưu chất từ biến MRB
Trong quá trình trao đổi nhóm, chúng tôi đã thống nhất áp dụng phương pháp kế thừa để phát triển thiết kế phanh MRB Nhóm đã lựa chọn nghiên cứu và thiết kế phanh với roto hình răng, sử dụng hai cuộn dây để tối ưu hóa hiệu suất.
Nội dung 2: Xây dựng mô hình toán học để tính toán thiết kê tối ưu các thông số chi tiết của phanh
Dụa trên mô hình dẻo Bingham, có thể tính toán gần đúng được các thông số của phanh
Nội dung 3: Mô phỏng và tính toán tối ưu
Phần mềm Ansys hỗ trợ tính toán cường độ từ trường, đồng thời tối ưu hóa các thông số của chi tiết phanh Mục tiêu là đảm bảo đáp ứng momen phanh 10Nm với khối lượng và công suất phanh nhỏ nhất.
Qua thực nghiệm và kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã so sánh và thống kê các mô hình tính toán, từ đó đưa ra những kết quả gần đúng nhất với thực tế.
Mục tiêu
2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến
Lưu chất MRF (Magneto rheological fluid) được phát hiện vào cuối những năm 1940 bởi Jacorb Rabinow, là một loại chất lỏng nhớt chứa các hạt từ tính Khi không có từ trường (B=0), MRF hoạt động như một chất lỏng Newton, nhưng khi tiếp xúc với từ trường (B # 0), các hạt từ tính sẽ xếp thẳng hàng theo đường sức từ, khiến lưu chất hóa rắn Với những đặc tính đặc biệt này, MRF hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
2.2 Thành phần của lưu chất từ biến MRF
Lưu chất từ biến bao gồm 3 thành phần chính: các hạt từ tính, chất lỏng nền và chất phụ gia
- Các hạt từ tính (1): bao gồm các hạt có kích thước micromet như: sắt từ, sắt cacbonyl,… Chúng thường chiếm khoảng 20-40% tổng khối lượng của lưu chất.
Chất lỏng nền là dung môi chứa các hạt sắt từ, được lựa chọn dựa trên độ nhớt, nhiệt độ làm việc và các yêu cầu khác Thực tế, chất lỏng này thường là dầu, bao gồm dầu khoáng và dầu tổng hợp, với mỗi loại dầu phục vụ cho những mục đích sử dụng khác nhau.
Chất phụ gia bao gồm các hạt không mang từ tính, có vai trò quan trọng trong việc duy trì ma sát giữa các hạt kim loại Chúng giúp ngăn chặn quá trình oxi hóa, từ đó kiểm soát độ nhớt hiệu quả.
Cơ sở về lưu chất MRF
Giới thiệu về lưu chất từ biến
Lưu chất MRF (Magneto rheological fluid) được phát hiện vào cuối những năm 1940 bởi Jacorb Rabinow, là một loại chất lỏng nhớt chứa các hạt từ tính trong chất lỏng nền Khi không có từ trường (B=0), MRF hoạt động như chất lỏng Newton, nhưng khi có từ trường (B # 0), các hạt từ tính sẽ xếp thẳng hàng theo đường sức từ, khiến lưu chất này hóa rắn Với những đặc tính đặc biệt, MRF hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
Thành phần của lưu chất từ biến MRF
Lưu chất từ biến bao gồm 3 thành phần chính: các hạt từ tính, chất lỏng nền và chất phụ gia
- Các hạt từ tính (1): bao gồm các hạt có kích thước micromet như: sắt từ, sắt cacbonyl,… Chúng thường chiếm khoảng 20-40% tổng khối lượng của lưu chất.
Chất lỏng nền là dung môi chứa các hạt sắt từ, được lựa chọn dựa trên độ nhớt, nhiệt độ làm việc và các yêu cầu khác Thông thường, chất lỏng này là dầu, bao gồm dầu khoáng và dầu tổng hợp, với mỗi loại dầu phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau.
Chất phụ gia bao gồm các hạt không mang từ tính, có vai trò quan trọng trong việc duy trì ma sát giữa các hạt kim loại Chúng giúp ngăn chặn quá trình oxi hóa, từ đó kiểm soát độ nhớt hiệu quả.
Nguyên lý hoạt động
Khi dòng điện ngược chiều được cấp cho cuộn dây, từ trường được tạo ra và các đường sức từ xuyên qua ống dẫn MRF giữa vỏ và roto hình răng Từ trường cảm ứng này làm thay đổi ứng suất của MRF từ trạng thái lỏng sang trạng thái sệt trong các khe hở MRF Bằng cách kiểm soát cường độ dòng điện từ 0 đến 3A, chúng ta có thể điều chỉnh mô men phanh MR sinh ra trong quá trình hoạt động.
H5nh 2.2 Không có từ trường H5nh 2.3 Có từ trường
Thuộc tính của lưu chất
MRF là một chất lỏng thay đổi khi đặt từ trường tác dụng vào và nó hoạt động như một chất lỏng newton theo mô hình dẻo Bingham [1]:
: độ nhớt sau chất dẻo
: : tốc độ cắt cảu lưu chất
Các tham số như độ nhớt sau năng suất, hệ số nhất quán và chỉ số hành vi dòng chảy của MRF thường được coi là hằng số và không phụ thuộc vào từ trường Tuy nhiên, thực tế cho thấy từ trường có ảnh hưởng nhất định đến các thông số này Các tính chất lưu biến của MRF có thể được tính gần đúng theo một phương trình liên quan đến từ trường.
: thông số lưu biến trong môi trường không có từ trường
: thụng số lưu biến trong điều kiện bóo hũa ( τ ∞ , à ∞ , K ∞ , n ∞ ¿
: chỉ số của tham số Y
BAng 2.1 Thông số của MRF phổ biến
MRF-122-2ED MRF-132DG MRF-140CG
Mụ hỡnh Bingham à 0 = 0.075 pa s à ∞ = 2.8 pa s α sà = 4.5 T − 1 τ y0 = 12 pa τ y ∞ = 25200 pa α s t y = 2.9 T − 1 à 0 = 0.1 pa s à ∞ = 3.8 pa s α sà = 4.5 T − 1 τ y0 = 15 pa τ y ∞ = 40000 pa α s t y = 2.9 T − 1 à 0 = 0.29 pa s à ∞ = 4.4 pa s α sà = 5 T − 1 τ y0 = 25 pa τ y ∞ = 52000 pa α s t y = 3 T − 1
Ứng dụng của lưu chất MRF
MRF, với các tính chất đặc biệt, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay Nó thường được sử dụng trong bốn dạng chính: nén (squeeze mode), trượt (shear mode), thắt (pinch mode) và dòng chảy (flow mode).
Chế độ van là một phương pháp phổ biến, điều chỉnh độ nhớt của MRF khi tác động từ trường vuông góc với dòng chảy Khi từ trường thay đổi cường độ, MRF sẽ đông lại, tạo ra ma sát với bề mặt tiếp xúc, khiến dòng chảy chậm lại hoặc dừng hẳn Chế độ này thường được ứng dụng trong các bộ giảm chấn và van.
H5nh 2.4 Mô h5nh phanh sử dụng MRF
Chế độ trượt của MRF hoạt động bằng cách đặt nó giữa hai tấm, một tấm chuyển động và một tấm đứng yên Khi thay đổi các giá trị từ trường vuông góc với dòng chảy, MRF bắt đầu đông lại, làm tăng độ nhớt và tạo ra ma sát với bề mặt tiếp xúc, từ đó giảm tốc độ dòng chảy Chế độ này thường được ứng dụng trong các hệ thống phanh và ly hợp.
H5nh 2.5 Mô h5nh dòng chAy
Chế độ nén của MRF chưa được nghiên cứu phổ biến, trong đó MRF được đặt giữa hai tấm di chuyển (hoặc một tấm đứng yên) Từ trường được đặt vuông góc với dòng chảy MRF và song song với lực tác dụng Dưới ảnh hưởng của từ trường, độ nhớt của MRF thay đổi, trở nên cứng hơn, dẫn đến sự dịch chuyển của hai tấm và hạn chế chuyển động của dòng chảy MRF.
Các nghiên cứu về phanh MRF
Nghiên cứu của Q.H.Nguyen và S.B.Choi đã phát triển một loại phanh mới cho xe khách tầm trung, đạt momen phanh trung bình 1025 Nm ở tốc độ 100 km/h, đồng thời giảm khối lượng tối ưu xuống chỉ còn 41 kg Thiết kế tối ưu này của phanh MR có khả năng thay thế cho loại đĩa thủy lực truyền thống.
H5nh 2.7 Cấu h5nh phanh MRF
Nghiên cứu của Q.H.Nguyen, V.T.Lang và S.B.Choi cho thấy rằng, khi mô-men xoắn phanh yêu cầu nhỏ hơn 15Nm, phanh MRB dạng đĩa là lựa chọn tối ưu Ngược lại, khi mô-men xoắn phanh vượt quá 15Nm, phanh MRF dạng chữ T có kích thước nhỏ gọn hơn, tuy nhiên, mức tiêu thụ năng lượng của nó cao khoảng 150% so với loại đĩa, trong khi mô-men xoắn phanh tối đa không vượt quá 110% so với phanh đĩa.
H5nh 2.8 Cấu h5nh phanh MRF có dạng chữ T
THIẾT KẾ PHANH MRF
Tính toán phanh MRF
Để xây dựng mô hình toán học cho mô-men xoắn phanh của phanh MR, trước tiên cần xem xét một phần tử vòng nhỏ của MRF trong một rãnh nghiêng Mô-men xoắn ma sát tác động lên phần tử này có thể được xác định thông qua một công thức cụ thể.
R1 là bán kính thứ nhất của đầu rãnh nghiêng r là bán kính của phần tử vòng r= R 1 +lsinφ l là chiều dài rãnh nghiêng
Vận tốc qua ống MRF được cho là thay đổi theo cách tuyến tính, trong khi ứng suất lưu biến của MRF được mô tả bằng mô hình Bingham Ứng suất cắt của MRF được tính theo công thức τ = τ y + μ rΩ d, trong đó τ là ứng suất cắt tác dụng lên MRF trong rãnh nghiêng, φ là góc giữa rãnh nghiêng và trục dẫn, Ω là vận tốc góc của đĩa, d là kích thước khe hở MRF, và τ y cùng μ lần lượt là ứng suất và độ nhớt sau năng suất của MRF.
H5nh 3.11 Phần tử vòng h5nh khuyên của chất lỏng MRF
Từ (1) và (2) ta có công thức sau:
Phương trình (3) được áp dụng để tính toán mô-men xoắn cảm ứng trong rãnh nghiêng của MRF Từ phương trình này, mô-men phanh của khe hở được xác định từ giá trị φ = 0 đến φ.
Từ (3), (4), (5) ta có công thức tổng momen phanh của MRB được tính bằng: ¦ (6)
: momen ma sát do MRF sinh ra trong rãnh nghiêng
: momen ma sát do MRF sinh ra trong rãnh nghiêng
: momen ma sát do MRF trong ống hình khuyên A tác dụng lên mặt trục của đĩa
: bán kính của điểm J như trong hình 5 l: chiều dài của rãnh nghiêng
∅: góc của rãnh nghiêng là chiều cao răng
: ứng suất chảy của MRF trong khe hở
: độ nhớt sau chảy tương ứng
: momen ma sát của phớt môi
: momen ma sát của ổ bi
Momen xoắn ma sát vòng phớt được chọn xấp xỉ [20], [21]
(10) : momen xoắn ma sát (ounce-inch)
: đường kính trục (inch) Ω: tốc độ quay của trục phanh ( vòng / phút)
Nghiên cứu này xác định các đặc tính lưu biến của MRF, bao gồm ứng suất chảy cảm ứng τy và độ nhớt sau chảy dẻo, thông qua các hàm mật độ từ thụng tác dụng qua ống MRF dựa trên kết quả thực nghiệm.
Phương pháp giải toán từ trường
B: là mật độ từ trường
: độ nhớt sau năng suất của MRF ở trường áp dụng bằng không
: tại trường ứng dụng bão hòa tương ứng
: tương ứng là chỉ số thời điểm bão hòa của ứng suất
Trong nghiên cứu này, MRF132-DG do tập đoàn Lord sản xuất được sử dụng có đặc tính lưu biến được xác định từ thực nghiệm như sau: ;
3.3 Phương pháp giAi toán từ trường
3.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép giải quyết các bài toán từ trường bằng cách chia chi tiết thành các phần nhỏ có diện tích và chiều dài đồng nhất Để đạt được độ chính xác cao trong tính toán, việc chia nhỏ chi tiết là rất quan trọng Tuy nhiên, để tối ưu hóa giải pháp, cần kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn với các công cụ tối ưu hóa Trong báo cáo này, mạch từ của phanh MRF sẽ được phân tích bằng phần mềm ANSYS, sử dụng các phần tử đối xứng trục 2 chiều để mô hình hóa cụm phanh Hình dạng của bộ truyền động MRF liên tục thay đổi trong quá trình tối ưu hóa, do đó kích thước lưới sẽ được xác định theo số phần tử trên đường thay vì kích thước phần tử Mật độ từ thông dọc theo khe hở MRF được tính toán bằng cách phân tích mật độ thông lượng và lấy giá trị trung bình qua khe hở, từ đó cho phép đánh giá hiệu suất hoạt động của mạch từ.
Phân tích mạch từ
Phân tích hiệu suất của thiết bị chắn dầu MRF được thực hiện bằng phần mềm ANSYS APDL, sử dụng phần tử đối xứng trục (PLANE 13) Quy trình phân tích này được hoàn thành theo các bước được mô tả trong hình minh họa.
BAng 3.3 Biến thiết kế của phanh MRF
Thông số kích thước Loại Giá trị (m)
Khoảng cách giữa 2 đĩa B Thiết kế mm
Khoảng cách giữa khe MRF với cuộn dây
Bề dày giữa vỏ và khe MRF Thiết kế mm
Bề rộng cuốn dây lõi 1 Thiết kế mm
Bề dày cuốn dây lõi 2 Thiết kế mm
Bề dày vỏ ngoài Thiết kế mm
Chiều cao đỉnh răng Thiết kế mm
Bề dày cuốn cuộn dây 1 Thiết kế mm
Bề dày cuốn cuộn dây 2 Thiết kế mm
Bề dày đỉnh răng tại vị trí Thiết kế mm Đường kính trong của vỏ tới đỉnh răng
Thiết kế mm khoảng cách từ tâm trục tới đường kính trong của vỏ
H5nh 3.12 Mô h5nh phần tử hữu hạn của phanh MRF với biến thiết kế ngẫu nhiên
H5nh 3.14 Mật độ từ trường của phanh MRF với các biến thiết kế ngẫu nhiên
TỐI ƯU PHANH MRF
Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho phanh MRF
H5nh 4.15 Quy tr5nh giAi bài toán tối ưu của phanh MRF trên phần mền ANSYS
Trong nghiên cứu này, tối ưu hóa đa mục tiêu (MOGA) cho phanh MRF với roto hình răng sử dụng 2 cuộn dây được thực hiện dựa trên các yếu tố quan trọng như công suất tiêu thụ, khối lượng và moment Mục tiêu chính của bài toán là giảm thiểu công suất tiêu thụ (PP min), giảm khối lượng (M min) và đảm bảo moment đạt tối thiểu 10 Nm Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho phanh MRF được xây dựng để đạt được các yêu cầu này.
- Giá trị ràng buộc: nhắc về momen ma sát, ăn mòn, Từ đó, theo kinh nghệm nhóm đã chọn khe hở
Sau khi thiết lập code tính toán và mô phỏng được thực hiện trong ANSYS
Trong nghiên cứu này, công cụ tối ưu hóa thiết kế trong ANSYS Workbench được sử dụng để giải quyết hàm mục tiêu đề xuất (OBJ) Công cụ này cập nhật các biến thiết kế thông qua một thuật toán, sau đó sử dụng những cập nhật này để chạy chương trình ANSYS APDL tại mỗi lần lặp Các biến thứ nguyên và đại lượng vật lý không đổi được giữ nguyên, trong khi các tham số hiệu suất do ANSYS APDL tạo ra sau mỗi lần tính toán được lưu trữ ANSYS Workbench sau đó áp dụng thuật toán tối ưu hóa để đánh giá và xác định các biến thiết kế tốt nhất cùng với giá trị OBJ tối thiểu Nghiên cứu này giới thiệu 6 phương pháp tối ưu trong ANSYS Workbench, bao gồm 3 phương pháp cho bài toán đơn mục tiêu và 3 phương pháp cho bài toán đa mục tiêu.
BAng 4.4 Các phương pháp tối ưu hóa
Phương pháp Mục tiêu đơn Đa mục tiêu
Sàng lọc là một phương pháp tối ưu hóa hiệu quả, sử dụng cách tiếp cận đơn giản thông qua việc lấy mẫu và phân loại Phương pháp này cho phép áp dụng nhiều mục tiêu và ràng buộc, đồng thời có thể linh hoạt với mọi tham số đầu vào.
NLPQL là một thuật toán lập trình phi tuyến sử dụng phương pháp Lagrangian bậc hai, phù hợp cho việc tối ưu hóa cục bộ với mục tiêu duy nhất và nhiều ràng buộc Thuật toán này dựa trên độ dốc và giúp xác định phạm vi của không gian thiết kế từ điểm khởi đầu đã được thiết lập.
MISQL, viết tắt của phương pháp lập trình bậc hai tuần tự số nguyên hỗn hợp, là một kỹ thuật dùng để giải quyết quy hoạch phi tuyến hỗn số nguyên Phương pháp này chuyển đổi quy hoạch bậc hai liên hợp, giả định rằng các biến nguyên ảnh hưởng một cách trơn tru đến hàm mô hình, với giá trị hàm thay đổi không đáng kể khi một biến nguyên được điều chỉnh MISQL cho phép tối ưu hóa với một mục tiêu duy nhất và nhiều ràng buộc, trong đó việc xác định điểm bắt đầu là cần thiết để xác định khu vực của không gian thiết kế cần khám phá.
MOGA, hay còn gọi là Thuật toán di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm), là một phương pháp tiên tiến dựa trên các khái niệm tinh hoa đã được điều chỉnh Phương pháp này hỗ trợ việc giải quyết nhiều mục tiêu và ràng buộc, nhằm tìm kiếm các giải pháp tối ưu toàn cục hiệu quả.
Phương pháp Adaptive Multiple – Obj (Đa mục tiêu thích ứng) là một biến thể của thuật toán di truyền NSGA-II, được phát triển dựa trên các khái niệm về chủ nghĩa tinh hoa có kiểm soát Phương pháp này hỗ trợ giải quyết nhiều mục tiêu và ràng buộc, giúp tìm kiếm các kết quả tối ưu toàn cục một cách hiệu quả.
Phương pháp Adaptive Single – Obj (Đơn mục tiêu thích ứng) là một thuật toán dựa trên gradient, giúp đạt được kết quả tối ưu toàn cầu với một mục tiêu duy nhất và nhiều ràng buộc Thuật toán này cung cấp một giải pháp rõ ràng và hiệu quả cho các bài toán tối ưu hóa phức tạp.
Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tối ưu hóa nhằm giảm khối lượng và công suất tiêu thụ của hệ thống phanh, đồng thời đảm bảo mô men phanh MRF đạt tối thiểu 10 Nm Các biến này được xác định với các mục tiêu và ràng buộc cụ thể.
H5nh 4.17 Mục tiêu tối ưu hóa
Sau khi thiết lập các hàm mục tiêu, nhóm tiến hành xác định các giới hạn trên và dưới cho các biến thiết kế Mối quan hệ giữa các tham số sẽ hạn chế các tham số khác nhằm tránh tình trạng chồng chéo kích thước Các điều kiện thiết lập trong nghiên cứu này được trình bày như sau:
H5nh 4.18 KhoAng chạy của các biến thiết kế
4.2 Kết quA tối ưu của thiết bị phanh MRF
Các kết quả tối ưu hóa của phanh MRF được đề xuất sau khi tối ưu sẽ được thảo luận trong phần này.
Sau khi tối ưu hóa, ANSYS Workbench sẽ đưa ra 3 kết quả tối ưu tốt nhất
H5nh 4.19 Kết quA sau khi chạy tối ưu
Sau khi phân tích ba kết quả tối ưu, "Candidate Point 1" nổi bật là lựa chọn tối ưu nhất Mục tiêu chính của quá trình tối ưu hóa là đạt được công suất tiêu thụ tối thiểu (Pp), khối lượng tối thiểu (m) và momen ≥ 10 Nm (Mm).
“Candidate Point 1” đạt công suất làm việc tối ưu với momen vượt 10 Nm và khối lượng lý tưởng so với hai candidate point khác Do đó, nhóm đã quyết định chọn “Candidate Point 1” là lựa chọn tối ưu nhất.
H5nh 4.20 BAng kết quA của hàm mục tiêu
H5nh 4.21 Đường sức từ của phanh MRF 2 cuộn dây sau tối ưu
Dựa vào hình 4.9, ta nhận thấy rằng đường sức từ của phanh MRF phân bố không đồng đều giữa các bộ phận Cụ thể, tại đoạn rãnh nghiêng từ trục động cơ đến hết chiều dài cuộn dây thứ nhất, đường sức từ b1 phân bố tương đối đồng đều Tuy nhiên, từ đoạn rãnh nghiêng h đến hết chiều dài cuộn dây thứ hai, đường sức từ b2 lại tập trung dày đặc, cho thấy rằng tại đoạn này, từ trường của phanh tập trung lớn, tạo ra lực từ lớp và gây ra áp lực lớn hơn tại đoạn rãnh nghiêng h so với các vị trí khác trong phanh MRF.
H5nh 4.22 Mật độ từ trường của phanh MRF 2 cuộn dây sau tối ưu
Mật độ từ trường trong phanh MRF với 2 cuộn dây dao động từ 0,1975.10 đến 2.55916, cho thấy giá trị nhỏ nhất và lớn nhất Dọc theo khe hở -15 chứa lưu chất MRF, mật độ từ trường gần như đồng nhất, cho thấy từ trường không ảnh hưởng nhiều đến khe chứa lưu chất Tuy nhiên, tại đoạn thẳng h giữa hai cuộn dây, đường sức từ rất dày đặc, chứng tỏ lực từ tại đây mạnh hơn so với các vị trí khác của phanh MRF 2 cuộn dây, gây áp lực lớn lên khu vực này.
BAng 4.5 BAng tóm tắt kết quA tối ưu
Loại thiết bị Biến thiết kế Kết quả
Công suất tiêu thụ PP 33.394 W
4.4 So sánh với phanh MRF 1 cuộn dây
4.4.1 Tối ưu hóa phanh MRF 1 cuộn dây Để so sánh với phanh MRF, nhóm đã chọn các mục tiêu tối ưu như đối với phanh MRF 2 cuộn dây đó là: công suất tiêu thụ, khối lượng, momen Các bước tối ưu đối với bài toán phanh MRF 1 cuộn dây cũng tương đồng với bài toán tối ưu 2 cuộn dây.
So sánh với phanh MRF 1 cuộn dây
4.4.1 Tối ưu hóa phanh MRF 1 cuộn dây Để so sánh với phanh MRF, nhóm đã chọn các mục tiêu tối ưu như đối với phanh MRF 2 cuộn dây đó là: công suất tiêu thụ, khối lượng, momen Các bước tối ưu đối với bài toán phanh MRF 1 cuộn dây cũng tương đồng với bài toán tối ưu 2 cuộn dây.
Bài toán tối ưu hóa cuộn dây phanh MRF 1 cuộn được thực hiện với các kích thước quan trọng như khoảng cách giữa 2 đĩa (B), khoảng cách giữa khe MRF và cuộn dây (T w), cùng với các bề dày khác như giữa vỏ và khe MRF (T o), bề dày cuốn dây lõi 1 (W c 1), bề dày vỏ ngoài (T h), chiều cao đỉnh răng (h h), và các bề dày cuốn dây (H b 1, H b 2, H b 4) Đặc biệt, nhóm chọn kích thước khe hở MRF (d) là 0,8 mm Mục tiêu tối ưu hóa của nhóm là giảm khối lượng và công suất tiêu thụ của phanh, đồng thời đảm bảo mô men phanh MRF đạt 10Nm, các biến này cũng được áp dụng cho phanh 1 cuộn dây.
H5nh 4.23 Mục tiêu tối ưu của phanh MRF 1 cuộn dây
Sau khi xác định các thông số mục tiêu tối ưu, nhóm nghiên cứu sẽ thiết lập các giới hạn trên và dưới cho các biến thiết kế Mối quan hệ giữa các tham số sẽ hạn chế các tham số khác nhằm ngăn chặn sự chồng chéo về kích thước Các điều kiện thiết lập trong nghiên cứu này được trình bày rõ ràng.
H5nh 4.24 Giới hạn chạy của biến thiết kế phanh 1 cuộn dây
Với các cài đặt đã được thiết lập, bạn có thể tiến hành tối ưu hóa Để bắt đầu quá trình này, hãy quay lại tab “Project” và nhấp chuột phải vào mục “Optimization”.
“Update” như với phanh MRF 2 cuộn dây.
H5nh 4.25 Cập nhật thông số đầu vào của phanh 1 cuộn dây
Sau khi nhấn “Cập nhật”, phần mềm sẽ tiến hành tính toán và cung cấp các thông số tối ưu Thời gian tối ưu hóa có thể kéo dài hoặc nhanh chóng tùy thuộc vào các yếu tố như số lần lặp tối đa, phạm vi điều kiện biên và số lượng điểm thiết kế.
Khi quá trình tối ưu hóa kết thúc, ta có thể kiểm tra các kết quả tối ưu ở bảng
Trong phần kết quả, các kết quả tối ưu chủ yếu được thể hiện trong mục “Tradeoff” Sau khi phần mềm hoàn tất quá trình tính toán, nó sẽ cung cấp 3 kết quả tối ưu nhất, tương ứng với “Candidate Point 1 (2,3)”.
H5nh 4.26 Các kết quA tối ưu nhất sau khi chạy tối ưu
Sau khi phân tích ba kết quả tối ưu, "Candidate Point 1" nổi bật như kết quả tối ưu nhất Mục tiêu chính của quá trình tối ưu hóa là giảm thiểu công suất tiêu thụ (P p), khối lượng (m) và đảm bảo momen đạt tối thiểu 10 Nm (M m).
“Candidate Point 1” có công suất tiêu thụ ở mức trung bình, momen > 10 Nm và khối lượng nằm ở mức tốt nhất so với “Candidate point 2” và “Candidate Point 3”.
Vì vậy nhóm đã chọn “Candidate Point 1” là kết quả tối ưu sẽ được mang đi so sánh với kết quả của phanh MRF 2 cuộn dây.
H5nh 4.27 Đường sức từ của phanh MRF 1 cuộn dây
H5nh 4.28 Mật độ từ trường của phanh MRF 1 cuộn dây sau tối ưu
4.4.2 So sánh với phanh MRF 2 cuộn dây
Từ bảng tối ưu hóa của 2 phanh MRF ra ta có thể rút ra kết luận như sau
H5nh 4.29 So sánh kết quA tối ưu của 2 loại phanh MRF
Trong cùng một điều kiện với mục tiêu tối ưu hóa công suất tiêu thụ, khối lượng và momen, hai loại phanh MRF đã cho ra các kết quả khác nhau Cụ thể, công suất tiêu thụ của phanh MRF 2 cuộn dây là 46.558 W, thấp hơn 5.019 W so với phanh MRF 1 cuộn dây có công suất 51.577 W Tuy nhiên, khối lượng của phanh 2 cuộn dây nặng hơn một chút, đạt 1.5417 kg, so với 1.3745 kg của phanh 1 cuộn dây, chênh lệch 0.1672 kg Ngoài ra, momen của phanh 2 cuộn dây cũng thấp hơn, với giá trị 10.054 Nm so với 10.908 Nm của phanh 1 cuộn dây, chênh lệch 0.854 Nm Từ các kết quả này, có thể kết luận rằng phanh MRF 2 cuộn dây tối ưu hơn so với phanh MRF 1 cuộn dây trong điều kiện làm việc tương tự.
2 cuộn dây sẽ đem đến công suất làm việc tốt hơn hẳn so với phanh một cuộn dây.
Hình ảnh cho thấy sự phân bố đường sức từ của hai loại phanh MRF có nhiều điểm tương đồng nhưng cũng tồn tại những khác biệt rõ rệt Cả hai loại phanh đều có đường sức từ tập trung dày đặc ở phần má ngoài của cuộn dây đồng Tuy nhiên, phanh hai cuộn dây có đường sức từ dày hơn ở khoảng dài rãnh nghiêng h, trong khi phanh một cuộn dây lại tập trung từ thông dày đặc ở bên trong đĩa phanh, cụ thể là ở khoảng cách h giữa hai rãnh nghiêng Điều này dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong lực từ phân bố của hai loại phanh MRF Để chứng minh sự khác biệt này, chúng ta sẽ so sánh mật độ từ trường của hai phanh MRF qua hình ảnh dưới đây.
H5nh 4.31 So sánh mật độ từ trường của 2 phanh MRF
Mật độ từ trường của phanh MRF 2 cuộn dây chủ yếu tập trung ở khoảng giữa hai cuộn dây và khoảng cách từ vỏ phanh đến rãnh nghiêng h Ngược lại, phanh MRF 1 cuộn dây cho thấy mật độ từ trường phân bố đều ở hầu hết các vị trí của phanh.
Chương 5: CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THỬNGHIỆM MOMEN CỦA PHANH MRF 2 CUỘN DÂY
Lựa chọn thiết bị
Bộ AC servo bao gồm motor servo và driver servo Thông số chính của 1 bộ servo bao gồm:
- Đối với động cơ servo thì các thông số chính bao gồm: công suất, tốc độ, lực torque,
- Đối với driver servo đó là các thông số liên quan đến đến chế độ điều khiển, vận tốc hay torque, khả năng nhận lệnh từ xung,
Với các mục tiêu của đề tài, nhóm đã chọn động cơ servo 86HBM80 và driver servo HBS86H Leadshine.
H5nh 5.32 Bộ động cơ 86HBM80 và driver servo HBS86H
Lí do chọn động cơ Servo:
- Độ chính xác và độ phản hồi cao
- Trạng thái làm việc với momen xoắn tốc độ cao tốt
- Khả năng hoạt động ổn định
BAng 5.6 Thông số bộ động cơ servo 86HBM80 và driver servo HBS86H Động cơ servo 86HBM80 Driver servo HBS86H
Momen xoắn: 8.5 Nm (85 kg/cm)
Chiều dài trục đầu ra: 28 mm
Trục trước đường kính 14 mm
Kháng mỗi pha: 0,44 Ω (± 10%) Điện áp cuộn dây: 2,6 V (liên tục)
Cảm kháng mỗi giai đoạn: 3.73 mH (±
Chiều dài cầu trước 40 mm
DSP 32-bit sử dụng thuật toán điều khiển vector, kết hợp với ưu điểm của ổ đĩa servo không chổi than, cho phép điều khiển chính xác và hiệu quả Hệ thống hỗ trợ các lệnh đầu vào như bước/hướng hoặc quay theo chiều kim đồng hồ (CW) và ngược chiều kim đồng hồ (CCW).
Mặc định tần số tối đa 200K; 500K (tùy chọn) Điện áp đầu vào: 20-70 VAC, hoặc 30-
100 VDC Tải dựa trên điều chỉnh tự động sản lượng hiện tại từ 0-8.2A
Mặc định độ phân giải vi bước 4000 (1/20); cấu hình phần mềm 200- 104,000 (tăng 200)
Hệ thống mở bước lặp được thiết kế để loại bỏ hiện tượng mất bước và đảm bảo đồng bộ hóa di chuyển giữa các ổ đĩa và động cơ Điều này giúp cho hoạt động của động cơ diễn ra trơn tru hơn, đồng thời giảm thiểu lượng nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành.
Phản ứng nhanh, không chậm trễ và không mất thời gian cài đặt.
Mô-men xoắn cao khi khởi động và khi ở tốc độ trung bình thấp, độ cứng cao ở trạng thái dừng.
Chi phí thấp hơn nhiều so với các hệ thống servo truyền thống
- 8 ngõ vào tương tự, độ phân giải 16 bit, tốc độ lấy mẫu 50 kS/s.
- Kênh ngõ ra tương tự, độ phân giải 16 bit, tốc độ 5kS/s/kênh.
- Nhỏ gọn và cấp nguồn qua cổng USB dễ dàng
- Dễ dàng kết nối với cảm biến và tín hiệu nhờ bộ đấu dây dạng bắt vít
- Tương thích với các phần mềm: ANSI C, C# NET, Visual Basic NET, LabView,
Cảm biến đo momen xoắn (Torque Sensor) là thiết bị chuyển đổi lực xoắn quanh trục thành tín hiệu điện đầu ra Momen xoắn thể hiện lực quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng đo lường và kiểm soát lực.
Cảm biến momen Lorenz D-2553 là thiết bị đo lực xoắn tĩnh tại một điểm cố định, được thiết kế đặc biệt để đo lực xoắn trên các trục không quay Sử dụng nguyên lý cầu Wheatstone, cảm biến này cung cấp tín hiệu đầu ra analog chưa được khuếch đại Đặc biệt, Lorenz D-2553 có khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ từ -30°C đến 120°C, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các trung tâm gia công tự động và các lĩnh vực cơ khí đặc biệt.
Ngoài ra, nhóm chọn cảm biến momen Lorenz D-2553 làm dụng cụ đo vì những ưu điểm sau đây:
- Chiều dài trục rất ngắn
- Xử lý và lắp ráp đơn giản
H5nh 5.34 CAm biến momen Lorenz D-2553
Cấu tạo của cảm biến momen Lorenz D-2553 chủ yếu gồm 2 thành phần:
Cổng 6 Tín hiệu điều khiển
Thông số cảm biến Lorenz D-2553:
- Sai số lặp lại tương đối ở vị trí lắp không thay đổi b′ ±0,02 % Mnom
- Giá trị đặc tính định mức C 1 ±0,1% mV/Vnom
- Phạm vi hoạt động của điện áp kích thích 2-12 VDC
- Kết nối điện Sê-ri 7 chân 7121
- Nhiệt độ tham chiếu T 23 °Cref
- Phạm vi nhiệt độ định mức -5 - 45°C
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động -15 - 55°C
- Hiệu ứng nhiệt độ trên tín hiệu 0 TK ±0,2 % M /10 K0 nom
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị đặc trưng TK ±0.1% Mnom/10 K
- Mô-men xoắn vận hành tối đa M (tĩnh) 150 % MG nom
- Giới hạn mô-men xoắn M (tĩnh) 200 % Mmax nom
- Lực kéo đứt M (tĩnh) >300 % MB nom
- Ứng suất dao động cho phép khi chịu momen xoắn M 70 (peak-to-peak)df
Bộ khuếch đại đi kèm với cảm biến momen D-2553 cho phép chuyển đổi tín hiệu từ 4-20mA sang điện áp tối đa 5V, đảm bảo card kỹ thuật số NI có thể đọc được tín hiệu Bộ khuếch đại này cung cấp đầu ra điện áp ±5V, ±10V, 0/4 20 mA, 10 ±10 mA hoặc 12 ±8 mA cho kết nối trực tiếp Ngoài ra, bộ khuếch đại đo lường cũng có sẵn dưới dạng bảng mạch không có vỏ, thuận tiện cho việc tích hợp vào nhiều loại cảm biến khác nhau.
H5nh 5.37 Bộ khuếch đại tín hiệu
5.2 Các chi tiết gia công và mô h5nh 3D MRF
Dựa trên kết quả kích thước thu được từ quá trình tối ưu hóa trên ANSYS WORKBENCH, thiết kế chi tiết của phanh MRF 2 cuộn dây được trình bày như hình dưới đây.
Bản vẽ chi tiết của phanh MRF 2 cuộn dây được hiển thị trong hình dưới đây.
H5nh 5.38 Thiết kế của phanh MRF 2 cuộn dây (1)
H5nh 5.39 Thiết kế của phanh MRF 2 cuộn dây (2)
Khi các chi tiết đã được gia công hoàn chỉnh, nhóm sẽ tiến hành lắp ráp phanh MRF 2 cuộn dây Đầu tiên, chi tiết trục phanh sẽ được kết nối với chi tiết đĩa phanh.
Sau khi tối ưu hóa 4 cuộn dây đồng, tiến hành lắp 1 cuộn dây nhỏ và 1 cuộn dây lớn vào vị trí cuộn dây đồng 1-2, sau đó gắn vỏ ngoài 1-2 vào các vỏ chứa MRF 1-2 và siết ốc cố định Tiếp theo, nhóm kiểm tra độ nhiễm từ của 2 má phanh để đảm bảo phanh MRF không bị nhiễm từ trước khi có dòng điện Khi 2 má phanh đạt yêu cầu, nhóm gắn chúng vào trục và đĩa phanh đã lắp ráp, siết ốc cố định chặt Cuối cùng, sau khi mô hình phanh MRF được hoàn thiện, nhóm tiến hành đổ lưu chất MRF vào phanh qua các con ốc siết cố định chi tiết với đĩa phanh.
Bản vẽ và mô hình trục
H5nh 5.40 Mô h5nh và bAn vẽ của trục phanh
Bản vẽ và mô hình vỏ ngoài 1
Bản vẽ và mô hình vỏ ngoài 2
H5nh 5.42 Mô h5nh và bAn vẽ của vỏ ngoài 2
Bản vẽ và mô hình vỏ chứa MRF 1 và 2
H5nh 5.43 Mô h5nh và bAn vẽ của vỏ chứa MRF 5.3 SAn phẩm sau chế tạo và lắp đặt chuẩn bị thực nghiệm:
5.3.1 Các chi tiết phanh sau gia công:
H5nh 5.44 Các chi tiết của phanh MRF 2 cuộn dây
BAng 5.7 Các chi tiết phanh MRF 2 cuộn dây
Sau khi thu thập các chi tiết của phanh, nhóm đã tiến hành lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh Tiếp theo, nhóm đã lắp đặt phanh để chuẩn bị cho quá trình thực nghiệm.
5.3.2 Các chi tiết và lắp đặt đồ gá nhằm tiến hành thực nghiệm
5.3.2.1 Các chi tiết của đồ gá phanh
Bản vẽ và mô hình gá phanh
Bản vẽ và mô hình gá động cơ
Bản vẽ và mô hình đế gá
H5nh 5.48 Mô h5nh đế gá
5.3.2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm
Quá trình lắp ráp mô hình thực nghiệm:
- Bước 1: Lắp ráp mô hình thực nghiệm bao gồm đồ gá, động cơ, phanh MRF 2 cuộn dây, bơm lưu chất MRF vào mô hình phanh
- Bước 2: Lắp đặt cảm biến momen, gắn bộ điều khiển động cơ
- Bước 3: Cấp điện từ nguồn vào trong mô hình phanh MRF
Điều chỉnh cường độ dòng điện trên nguồn cấp từ 0.5 – 2A và duy trì trong 4 giây Nếu có hiện tượng từ xuất hiện trên bề mặt vỏ phanh trước khi cấp dòng điện, điều này cho thấy mô hình phanh đang bị hở và cần phải lắp ráp lại.
- Bước 5: Thu thập dữ liệu
Dưới đây là mô hình thực nghiệm của phanh MRF 2 cuộn dây do nhóm thực hiện.
H5nh 5.49 Mô h5nh gá phanh qua thiết kế 3D
BAng 5.8 Các chi tiết trong thiết bị gá
Dưới đây là hình ảnh mô hình thực nghiệm sau khi lắp ráp và chế tạp thực thế của nhóm.
H5nh 5.50 Mô h5nh thực nghiệm thực tế của nhóm
5.4 Thực nghiệm và kết quA:
Bộ driver và động cơ servo được điều khiển bằng laptop thông qua Arduino
H5nh 5.51 Mô h5nh kết nối điều khiển động cơ BAng 5.9 Các dụng cụ hỗ trợ tiến hành thực nghiệm
1 Nguồn cấp cho phanh MRF
3 Mô hình phanh và gá phanh
The StepperMotor is initialized with the parameters 'pul' and 'dir', and the distance per round is set to 1.0 With a microstepping value of 2 and a step angle of 1.8 degrees, the motor completes 200 steps per revolution This results in a calculation of steps per unit, derived from the formula (1 / disPerRound) * 360.0 * microStep / angleStep, which translates to steps per round or steps per millimeter In the setup function, the steps per unit are configured for the stepper motor, and the speed is set to 2.0 meters per second, with the starting direction established as LOW A delay of 3000 milliseconds is introduced before the motor begins its operation.
} void loop() { target = 99999; //(so vong quay cua dong co) stepper.moveTo(target); delay(1000);
5.4.2 Thu thập và xử lý dữ liệu momen
- Bước 1: kết nối card NI vào laptop
- Bước 2: khởi động phần mềm labView
- Bước 3: Gọi card NI trong bộ công cụ của LabView
- Bước 4: Xây dựng code xuất và ghi dữ liệu
- Bước 5: Thiết kế bảng hiển thị trong labView bằng dạng sóng
- Bước 6: Chạy chương trình và ghi kết quả
H5nh 5.53 Thiết lập chân tín hiệu của card NI
H5nh 5.55 Xây dựng hệ code xử lý xuất nhập dữ liệu cAm biến bằng LabVIEW
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm đo momen của phanh trong quá trình hoạt động Đầu tiên, nhóm sử dụng phần mềm Arduino để lập trình cho động cơ chạy với tốc độ 120 vòng/phút Sau đó, chương trình đo momen được thiết lập trên phần mềm NI Labview và thực hiện thí nghiệm Động cơ bắt đầu quay với vận tốc 120 vòng/phút, truyền chuyển động qua khớp nối tới phanh MRF 2 cuộn dây Dữ liệu đo được từ laptop sẽ được ghi lại khi điện được cấp vào phanh MRF 2 cuộn dây Lưu ý rằng vỏ phanh không được cố định vào đồ gá Khi cấp điện, từ trường sẽ khiến chất lỏng MRF chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, tạo ra lực ma sát lên đĩa phanh và vỏ phanh Cảm biến mô men tĩnh sẽ giúp xác định chính xác mô men của phanh MRF 2 cuộn dây trong nghiên cứu này.
H5nh 5.56 Kết quA đo momen phanh MRF tương ứng với mức dòng điện khác nhau
Trong quá trình thực nghiệm, nhóm đã tiến hành thử nghiệm với các cường độ dòng điện khác nhau trong cùng một khoảng thời gian để chứng minh mối quan hệ giữa momen và cường độ dòng điện Kết quả thu được cho thấy sự phụ thuộc của momen vào cường độ dòng điện là rõ ràng.
Khi chưa cấp dòng điện, momen của phanh MRF 2 cuộn dây ổn định ở mức 0.5 Nm Tuy nhiên, khi dòng điện được cấp, momen của phanh tăng mạnh từ 0.5 Nm lên khoảng 2 Nm trong khoảng thời gian từ 0.5 giây đến 1 giây, sau đó duy trì ổn định ở mức này.
Lần thứ ba, momen của phanh MRF 2 cuộn dây đạt khoảng 0.5 Nm và duy trì ổn định Sau đó, nhóm đã cấp dòng điện, dẫn đến sự gia tăng momen phanh từ 0.5 Nm lên khoảng 5 Nm.
Nm trong khoảng thời gian từ 0.5s tới 1s và duy trì ổn định momen ở mức đấy.
Sản phẩm sau chế tạo và lắp đặt chuẩn bị thực nghiệm
H5nh 5.43 Mô h5nh và bAn vẽ của vỏ chứa MRF 5.3 SAn phẩm sau chế tạo và lắp đặt chuẩn bị thực nghiệm:
5.3.1 Các chi tiết phanh sau gia công:
H5nh 5.44 Các chi tiết của phanh MRF 2 cuộn dây
BAng 5.7 Các chi tiết phanh MRF 2 cuộn dây
Sau khi thu thập các chi tiết của phanh, nhóm đã tiến hành lắp ráp chúng thành một sản phẩm hoàn chỉnh Sau khi hoàn tất, nhóm tiếp tục lắp đặt phanh để chuẩn bị cho các bước thực nghiệm tiếp theo.
5.3.2 Các chi tiết và lắp đặt đồ gá nhằm tiến hành thực nghiệm
5.3.2.1 Các chi tiết của đồ gá phanh
Bản vẽ và mô hình gá phanh
Bản vẽ và mô hình gá động cơ
Bản vẽ và mô hình đế gá
H5nh 5.48 Mô h5nh đế gá
5.3.2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm
Quá trình lắp ráp mô hình thực nghiệm:
- Bước 1: Lắp ráp mô hình thực nghiệm bao gồm đồ gá, động cơ, phanh MRF 2 cuộn dây, bơm lưu chất MRF vào mô hình phanh
- Bước 2: Lắp đặt cảm biến momen, gắn bộ điều khiển động cơ
- Bước 3: Cấp điện từ nguồn vào trong mô hình phanh MRF
Bước 4: Điều chỉnh cường độ dòng điện trên nguồn cấp từ 0.5 – 2A và duy trì mức này trong 4 giây Nếu xuất hiện từ trên bề mặt vỏ phanh trước khi cấp dòng điện, điều này cho thấy mô hình phanh đang bị hở và cần được lắp ráp lại.
- Bước 5: Thu thập dữ liệu
Dưới đây là mô hình thực nghiệm của phanh MRF 2 cuộn dây do nhóm thực hiện.
H5nh 5.49 Mô h5nh gá phanh qua thiết kế 3D
BAng 5.8 Các chi tiết trong thiết bị gá
Dưới đây là hình ảnh mô hình thực nghiệm sau khi lắp ráp và chế tạp thực thế của nhóm.
H5nh 5.50 Mô h5nh thực nghiệm thực tế của nhóm
Thực nghiệm và kết quả
Bộ driver và động cơ servo được điều khiển bằng laptop thông qua Arduino
H5nh 5.51 Mô h5nh kết nối điều khiển động cơ BAng 5.9 Các dụng cụ hỗ trợ tiến hành thực nghiệm
1 Nguồn cấp cho phanh MRF
3 Mô hình phanh và gá phanh
In this code snippet, a StepperMotor object is initialized with specific parameters for controlling a stepper motor's movement The motor has a defined distance per revolution of 1.0, operates with a microstepping setting of 2, and features a step angle of 1.8 degrees, resulting in 200 steps per revolution The calculation for steps per unit is performed, which translates to steps per round or steps per millimeter In the setup function, the steps per unit are set for the stepper motor, along with a speed of 2.0 meters per second, and the initial direction is configured to LOW, followed by a 3-second delay.
} void loop() { target = 99999; //(so vong quay cua dong co) stepper.moveTo(target); delay(1000);
5.4.2 Thu thập và xử lý dữ liệu momen
- Bước 1: kết nối card NI vào laptop
- Bước 2: khởi động phần mềm labView
- Bước 3: Gọi card NI trong bộ công cụ của LabView
- Bước 4: Xây dựng code xuất và ghi dữ liệu
- Bước 5: Thiết kế bảng hiển thị trong labView bằng dạng sóng
- Bước 6: Chạy chương trình và ghi kết quả
H5nh 5.53 Thiết lập chân tín hiệu của card NI
H5nh 5.55 Xây dựng hệ code xử lý xuất nhập dữ liệu cAm biến bằng LabVIEW
Sau khi hoàn tất chuẩn bị, nhóm tiến hành thực nghiệm đo mô men của phanh trong quá trình làm việc Đầu tiên, nhóm sử dụng phần mềm Arduino để lập trình cho động cơ hoạt động với tốc độ 120 vòng/phút, sau đó thiết lập chương trình đo mô men trên phần mềm NI Labview Khi xuất mã từ Arduino, động cơ sẽ quay với tốc độ đã định, truyền chuyển động qua khớp nối tới phanh MRF 2 cuộn dây Dữ liệu đo được sẽ được đọc từ laptop, sau đó cấp điện từ nguồn vào phanh MRF 2 cuộn dây Lưu ý rằng vỏ phanh không được cố định vào đồ gá Khi điện được cấp vào cuộn dây, từ trường sẽ làm cho chất lỏng MRF chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, tạo ra lực ma sát lên đĩa phanh và vỏ phanh Đồng thời, vỏ phanh sẽ truyền qua cảm biến mô men tĩnh để xác định chính xác mô men của phanh MRF 2 cuộn dây trong nghiên cứu này.
H5nh 5.56 Kết quA đo momen phanh MRF tương ứng với mức dòng điện khác nhau
Trong quá trình thực nghiệm, nhóm đã tiến hành khảo sát mối quan hệ giữa momen và cường độ dòng điện bằng cách áp dụng các cường độ khác nhau trong cùng một khoảng thời gian Kết quả thu được cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt của momen vào cường độ dòng điện.
Khi chưa cấp dòng điện, momen của phanh MRF với 2 cuộn dây ổn định ở mức khoảng 0.5 Nm Sau khi cấp dòng điện, momen của phanh tăng mạnh từ 0.5 Nm lên khoảng 2 Nm trong khoảng thời gian từ 0.5 giây đến 1 giây và duy trì ổn định ở mức này.
Lần thứ ba, momen của phanh MRF 2 cuộn dây dao động ổn định ở mức khoảng 0.5 Nm Sau đó, nhóm đã cấp dòng điện, dẫn đến sự gia tăng đột biến của momen phanh từ 0.5 Nm lên khoảng 5 Nm.
Nm trong khoảng thời gian từ 0.5s tới 1s và duy trì ổn định momen ở mức đấy.
Lần thứ tư, momen của phanh MRF 2 cuộn dây dao động ổn định ở mức khoảng 0.5 Nm Tuy nhiên, sau đó, giá trị momen này đã tăng vọt lên khoảng 7.5 Nm khi nhóm cấp dòng điện có giá trị được điều chỉnh.
Nm trong khoảng thời gian từ 0.5s tới 1s và duy trì ổn định momen ở mức đấy.
Cuối cùng, nhóm cấp dòng điện đã quan sát thấy giá trị momen của phanh MRF thay đổi từ 0.5 lên 9 Nm và duy trì ổn định ở mức này.
Sau 5 lần thử nghiệm với các giá trị cường độ dòng điện thay đổi tăng dần như thế, nhóm đã rút ra kết luận rằng nếu cường độ dòng điện cấp vào phanh MRF tăng thì giá trị momen của phanh sẽ đồng thời tăng theo, và cường độ dòng điện với momen của phanh có mối quan hệ tỉ lệ thuận đối với nhau.
Kết quả thực nghiệm cho thấy momen đo được dao động ở mức khoảng 9 Nm, thấp hơn so với giá trị tối ưu là 10.504 Nm Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch này là do số vòng quấn của cuộn dây đồng không đạt yêu cầu và độ từ thấm của vật liệu không đồng nhất Hơn nữa, quy trình lắp ráp và chế tạo chưa được thực hiện với độ chính xác cao Những yếu tố này đã ảnh hưởng đến momen phanh trong quá trình thực nghiệm, khiến nó thấp hơn so với giá trị tối ưu.
Nhận xét sau quá trình thực nghiệm:
Phanh MRF 2 cuộn dây hoạt động ổn định với nhiều mức cường độ dòng điện khác nhau, cho thấy hiệu suất cao trong quá trình thực nghiệm Với công suất tiêu thụ thấp, phanh này vẫn cung cấp momen phanh lớn, giúp tiết kiệm tài nguyên đáng kể trong thời gian dài sử dụng.