Đồ án tốt nghiệp thiết kế, chế tạo và thử nghiệm phanh mrf có roto hình răng sử dụng 2 cuộn dây

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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHANH MRF CÓ ROTO

HÌNH RĂNG SỬ DỤNG 2 CUỘN DÂY

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN QUỐC HƯNG

TH.S NGUYỄN VĂN BIÊN Sinh viên thực hiện: ĐỖ SƠN TÙNG

LÊ VĂN DIỄN

LÊ VĂN KHẢI TRẦN THÀNH PHÁT

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHANH MRF CÓ ROTO

HÌNH RĂNG SỬ DỤNG 2 CUỘN DÂY

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN QUỐC HƯNG

TH.S NGUYỄN VĂN BIÊN Sinh viên thực hiện: ĐỖ SƠN TÙNG

LÊ VĂN DIỄN

LÊ VĂN KHẢI TRẦN THÀNH PHÁT TRẦN MINH TIẾN PHAN TƯỜNG XUÂN

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

Tp HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2023

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ tên SV 1: Đỗ Sơn Tùng MSSV: 18061971 Lớp: DHCK14A

Họ tên SV 2: Lê Văn Diễn MSSV: 18026491 Lớp: DHCK14A

Họ tên SV 3: Lê Văn Khải MSSV: 18033151 Lớp: DHCK14A

Họ tên SV 4: Trần Thành Phát MSSV: 18026541 Lớp: DHCK14A

Họ tên SV 5: Phan Tường Xuân MSSV: 18032861 Lớp: DHCK14A

Họ tên SV 6: Trần Minh Tiến MSSV: 17040891 Lớp: DHCT13B

1 Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm phanh MRF có roto hình răng

sử dụng 2 cuộn dây

2 Nhiệm vụ:

- Khái quát về MRF và khả năng ứng dụng trong thực tế

- Tìm hiểu về phanh MRF 2 cuộn dây

- Chế tạo phanh MRF 2 cuộn dây

- Thử nghiệm momen phanh

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

4 Ngày kiểm tra giữa kỳ (50%):

5 Ngày hoàn thành:

6 Giáo viên hướng dẫn: 1 PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng

2 ThS Nguyễn Văn Biên

Lời mở đầu

Ngành 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 khí của nước ta trong những năm qua đã đạt được nhữngthành tựu to lớn như sản xuất, lắp ráp được những máy móc, trang thiết bị phục vụsản xuất, nhờ có cơ khí các công việc được hỗ trợ một cách tối đa, thuận tiện và antoàn hơn cho người sử dụng

Trước sự không ngừng phát triển của ngành công nghiệp Việt Nam nóichung, và ngành công nghệ kĩ thuật cơ khí nói riêng, chúng ta phải đẩy mạnhnghiên cứu, cải tiến, đưa ra những phương án thiết kế, chế tạo ra những sản phẩmmới, đáp ứng được những nhu cầu cấp thiết của thị trường, và góp phần vào sựnghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Sau thời gian học tập tại Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM chúng em

đã được nhận đề tài đề tài tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo phanh MRF có roto hìnhrăng sử dụng 2 cuộn dây” dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Quốc Hưng,Ths Nguyễn Văn Biên

Hiện nay rất nhiều thiết bị đang sử dụng phanh để giảm tốc độ theo yêu cầunhư các phương tiện giao thông, băng tải, đa số các thiết bị phanh hiện nay đều

sử dụng cơ học, cần không gian lắp đặt lớn Đề tài nghiên cứu phanh MRF, dựavào đặc tính của MRF để thay đổi độ nhớt, tạo ra ma sát để giảm tốc độ

Đề tài này là lần đầu tiên nhóm chúng em nghiên cứu và thực hiện, do đó có thể

có thiếu sót trong quá trình thực hiện Kính mong quý thầy cô thông cảm và góp ý

để chúng em có thể hoàn thiện đề tài một cách tốt nhấtNội dung đề tài gồm 5chương:

- Chương 1: Tổng quan về phanh MRF

- Chương 2: Cơ sở về phanh MRF

- Chương 3: Chế tạo phanh MRF

- Chương 4: Tối ưu phanh MRF

- Chương 5: Chế tạo mô hình thực nghiệm và thử nghiệm momen của phanhMRF 2 cuộn dây

- Chương 6: Kết luận và khiến nghị

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện đề tài, có rất nhiều khó khăn nhưng với sự nổ lựccủa tất cả thành viên, nhóm đã hoàn thành đề tài Và chúng em xin gửi lời cảm ơntrân thành đến sự hướng dẫn tận tình của quý Thầy Cô Nhóm chúng em xin gửi lờicảm ơn chân thành nhất tới:

Thầy Nguyễn Quốc Hưng, người đã theo dõi và góp ý cho nhóm trong suốtquá trình thực hiện đề tài

Thầy Nguyễn Văn Biên, người đã giải đáp đáp và giúp em chúng em rấtnhiều trong quá trình gia công, cũng như tạo điều kiện cho chúng em sử mượnphòng thực hành cơ điện nhằm hỗ trợ quá trình lắp đặt thiết bị

Lê Hải Zy Zy, người hướng dẫn thực nghiệm, tính toán momen và hướng

dẫn đo các thông số chính xác và dẫn nhóm em nghiên cứu đúng hướng

Nhóm em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Bộ, người đã tạođiều kiện cho chúng em mượn bộ nguồn cấp cho hệ thống phanh MRF nhằm hoànthành đề tài

Ngoài ra chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô trong khoa trongsuốt quãng thời gian học tập tại trường, quý thầy cô đã giúp chúng em trau dồi kiếnthức qua từng ngày để đến ngày hôm nay

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và bạn đọc!

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 01 năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 1

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 2

Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 01 năm 2023 Cán bộ phản biện

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 3

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về phanh MRF 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Sự cần thiết của nghiên cứu 1

1.3 Mục tiêu 1

Chương 2: Cơ sở về lưu chất MRF 3

2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến 3

2.2 Thành phần của lưu chất từ biến MRF 3

2.3 Nguyên lý hoạt động 4

2.4 Thuộc tính của lưu chất 4

2.5 Ứng dụng của lưu chất MRF 5

2.6 Các nghiên cứu về phanh MRF 7

Chương 3: THIẾT KẾ PHANH MRF 9

3.1 Cấu hình và nguyên lý làm việc của phanh MRF: 9

3.2 Tính toán phanh MRF 9

3.3 Phương pháp giải toán từ trường 12

3.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 12

3.4 Phân tích mạch từ: 13

Chương 4: TỐI ƯU PHANH MRF 16

4.1 Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho phanh MRF 16

4.1.1 Phương pháp vận hành của thuật toán MOGA: 18

4.2 Kết quả tối ưu của thiết bị phanh MRF 21

4.3 Kết quả phanh sau khi tối ưu 22

4.4 So sánh với phanh MRF 1 cuộn dây 24

4.4.1 Tối ưu hóa phanh MRF 1 cuộn dây 24

4.4.2 So sánh với phanh MRF 2 cuộn dây 28

5.1 Lựa chọn thiết bị 33

5.2 Các chi tiết gia công và mô hình 3D MRF 38

5.3 Sản phẩm sau chế tạo và lắp đặt chuẩn bị thực nghiệm: 44

5.3.1 Các chi tiết phanh sau gia công: 44

5.3.2 Các chi tiết và lắp đặt đồ gá nhằm tiến hành thực nghiệm 45

5.4 Thực nghiệm và kết quả: 51

Chương 6: Kết luận và kiến nghị 58

6.1 Kết luận 58

6.2 Ưu điểm và nhược điểm 58

6.2.1 Ưu điểm 58

6.2.2 Nhược điểm 58

6.3 Kiến nghị 58

Mục lục hình ảnh

Hình 2.1 Thành phần MRF 3

Hình 2.2 Không có từ trường 4

Hình 2.3 Có từ trường 4

Hình 2.4 Mô hình phanh sử dụng MRF 6

Hình 2.5 Mô hình dòng chảy 6

Hình 2.6 Mô hình nén 7

Hình 2.7 Cấu hình phanh MRF 8

Hình 2.8 Cấu hình phanh MRF có dạng chữ T 8

Hình 3.1 Cấu hình phanh MRF 2 cuộn dây 9

Hình 3.2 Thông số phanh MRB có roto hình răng 9

Hình 3.3 Phần tử vòng hình khuyên của chất lỏng MRF 10

Hình 3.4 Mô hình phần tử hữu hạn của phanh MRF với biến thiết kế ngẫu nhiên 14 Hình 3.5 Đường sức từ của phanh MRF 2 cuộn dây với biến thiết kế ngẫu nhiên 14 Hình 3.6 Mật độ từ trường của phanh MRF với các biến thiết kế ngẫu nhiên 15

Hình 4.1 Quy trình giải bài toán tối ưu của phanh MRF trên phần mền ANSYS Workbench 16

Hình 4.2 Sơ đồ giải thuật tối ưu hóa theo phương pháp MOGA 18

Hình 4.3 Mục tiêu tối ưu hóa 19

Hình 4.4 Khoảng chạy của các biến thiết kế 19

Hình 4.5 cập nhật các thông số đầu vào 20

Hình 4.6 Kết quả tối ưu 21

Hình 4.7 Kết quả sau khi chạy tối ưu 21

Hình 4.8 Bảng kết quả của hàm mục tiêu 22

Hình 4.9 Đường sức từ của phanh MRF 2 cuộn dây sau tối ưu 22

Hình 4.10 Mật độ từ trường của phanh MRF 2 cuộn dây sau tối ưu 23

Hình 4.11 Mục tiêu tối ưu của phanh MRF 1 cuộn dây 25

Hình 4.12 Giới hạn chạy của biến thiết kế phanh 1 cuộn dây 25

Hình 4.13 Cập nhật thông số đầu vào của phanh 1 cuộn dây 26

Hình 4.14 Các kết quả tối ưu nhất sau khi chạy tối ưu 27

Hình 4.15 Đường sức từ của phanh MRF 1 cuộn dây 28

Hình 4.16 Mật độ từ trường của phanh MRF 1 cuộn dây sau tối ưu 28

Hình 4.17 So sánh kết quả tối ưu của 2 loại phanh MRF 29

Hình 4.18 So sánh đường sức từ của 2 phanh MRF 30

Hình 4.19 So sánh mật độ từ trường của 2 phanh MRF 32

Hình 5.3 Cảm biến momen Lorenz D-2553 36

Hình 5.4 Cảm biến D-2553 37

Hình 5.5 Cổng kết nối 37

Hình 5.6 Bộ khuếch đại tín hiệu 38

Hình 5.7 Thiết kế của phanh MRF 2 cuộn dây (1) 39

Hình 5.8 Thiết kế của phanh MRF 2 cuộn dây (2) 39

Hình 5.9 Mô hình và bản vẽ của trục phanh 41

Hình 5.10 Mô hình và bản vẽ của vỏ ngoài 1 42

Hình 5.11 Mô hình và bản vẽ của vỏ ngoài 2 43

Hình 5.12 Mô hình và bản vẽ của vỏ chứa MRF 44

Hình 5.13 Các chi tiết của phanh MRF 2 cuộn dây 45

Hình 5.14 Gá phanh 46

Hình 5.15 Gá cảm biến 47

Hình 5.16 Mô hình gá động cơ 48

Hình 5.17 Mô hình đế gá 49

Hình 5.18 Mô hình gá phanh qua thiết kế 3D 50

Hình 5.19 Mô hình thực nghiệm thực tế của nhóm 51

Hình 5.20 Mô hình kết nối điều khiển động cơ 52

Hình 5.21 set up tiến hành thực nghiệm 52

Hình 5.22 Thiết lập chân tín hiệu của card NI 54

Hình 5.23 Cài đặt thông số cho card 54

Hình 5.24 Xây dựng hệ code xử lý xuất nhập dữ liệu cảm biến bằng LabVIEW 55

Hình 5.25 Kết quả đo momen phanh MRF tương ứng với mức dòng điện khác nhau 56

Mục lục bảng

Bảng 2.1 Thông số của MRF phổ biến 5

Bảng 3.1 Bảng các chi tiết phanh MRF 9

Bảng 3.2 Biến thiết kế của phanh MRF 13

Bảng 4.1 Các phương pháp tối ưu hóa 17

Bảng 4.2 Bảng tóm tắt kết quả tối ưu 24

Bảng 5.1 Thông số bộ động cơ servo 86HBM80 và driver servo HBS86H 34

Bảng 5.2 Các chi tiết phanh MRF 2 cuộn dây 45

Bảng 5.3 Các chi tiết trong thiết bị gá 51

Bảng 5.4 Các dụng cụ hỗ trợ tiến hành thực nghiệm 52

Chương 1: Tổng quan về phanh MRF

1.1 Lý do chọn đề tài

Xã hội hiện nay đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng, các công nghệmới được phát minh ra để phục vụ đời sống con người, giúp các công việc đượcgiải quyết nhanh chóng và bảo vệ con người được an toàn trong mọi hoàn cảnh.Phương tiện giao thông là một công cụ không thể thiếu trong cuộc sống hiện nay,

để đảm bảo an toàn khi sử dụng các phương tiện này các thiết kế cơ khí luôn đượcthực hiện nhằm đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông, trong đó phanh là mộtthiết bị cơ học có chức năng làm giảm tốc độ di chuyển cho người tham gia là một

bộ phận rất quan trọng của tất cả các loại phương tiện hiện nay

Các loại phanh xe được thiết kế với các mục đích sử dụng khác nhau đã rađời: phanh đĩa, phanh tang trống, phanh khí nén, phanh điện từ, Năm bắt đượcnhu cầu cần thiết của phanh xe một loại phanh thông minh hơn được sử dụng từMRF: một chất lỏng thông minh, khi tiếp xúc với từ trường chất lỏng dần sệt lại vàhóa rắn, phanh lưu chất từ biến MRF có thể đáp ứng momen phanh lớn theo yêucầu, sử dụng cường độ dòng điện nhỏ để kích hoạt, thời gian phanh cực nhanh,hoạt động độc lập với các hệ thống khác trong phương tiện giao thông Với tínhchất đặc biệt này nhóm đã quyết định nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phanh lưuchất từ biến (MRB)

1.2 Sự cần thiết của nghiên cứu

Hiện nay đã có nhiều loại phanh đang được sừ dụng tuy nhiên chúng đều cónhững mặt hạn chế khác nhau như:

Phanh đĩa: có thiết kế hở, dễ tiếp xúc với các vật thể bên ngoài, thường xuyên masát với đĩa phanh nên giảm hiệu quả trong thời gian dài sử dụng

Phanh khí nén: cần một không gian rộng để chứa hệ thống này, thường được sửdụng trên các loại xe cỡ lớn

Để khắc phục các tình trạn này việc nghiên cứu một loại phanh đa dụng hơn

là điều cần thiết Nghiên cứu loại phanh lưu chất từ biến (MRB) là rất cần thiếtnhằm đảm bảo phanh được sử dụng dễ dàng hơn, dễ lắp đặt, hiệu quả với khi với

Nội dung 1: Tổng hợp và phân tích có nghiên cứu có liên quan đến phanh lưu chất

từ biến MRB

Qua quá trình trao đổi nhóm đã thống nhất sử dụng phương pháp kế thừa, đề

ra các phương án thiết kế nhóm đã chọn nghiên cứu và thiết kế phanh MRB có rotohình răng sử dụng 2 cuộn dây

Nội dung 2: Xây dựng mô hình toán học để tính toán thiết kê tối ưu cácthông số chi tiết của phanh

Dụa trên mô hình dẻo Bingham, có thể tính toán gần đúng được các thông số củaphanh

Nội dung 3: Mô phỏng và tính toán tối ưu

Với sự hỗ trợ của phần mềm ansys cường độ từ trường được tính toán ra, các thông

số của các chi tiết của phanh cũng được phân mềm tính toán tối ưu để đảm bảođược yêu cầu đáp ứng momen phanh 10Nm với khối lượng và công suất phanh lànhỏ nhất

Nội dung 4: Thực nghiệm

Qua thực nghiệm, kiểm chứng, so sánh và thống kê, trên các mô hình tính toán vàchạy thử nhóm đưa ra các kết quả gần đúng nhất với thực tế.

Chương 2: Cơ sở về lưu chất MRF

2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến

Lưu chất từ biến MRF ( Magneto rehelogical fuild ) được phát hiện vào cuốinhững năm 1940 bởi Jacorb Rabinow, đây là một dạng chất lỏng nhớt bao gồm cáchạt từ tính ở trong chất lỏng nền, khi ở trạng thái không có từ trường (B=0), MRFhoạt động như chất lỏng newton, khi tiếp xúc với từ trường ( B # 0 ), các hạt từtính xếp thẳng hàng với đường sức từ, làm cho lưu chất hóa rắn Với những thuộctính đặc biệt như vậy, hiện nay lưu chất MRF đang được ứng dụng rất nhiều trongđời 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 vàchất phụ gia

- Các hạt từ tính (1): bao gồm các hạt có kích thước micromet như: sắt từ, sắtcacbonyl,… Chúng thường chiếm khoảng 20-40% tổng khối lượng của lưuchất

- Chất lỏng nền (2): là dung môi chứ các hạt sắt từ, được chọn thông qua độnhớt,nhiệt độ làm việc và các yêu cầu khác Trong thực tế chất lỏng nàythường là dầu ( dầu khoáng, dầu tổng hợp,…), với các loại dầu khác nhau sẽ

có mục đích sử dụng khác nhau

- Chất phụ gia: gồm các hạt không mang từ tính, có chức năng duy trì ma sátgiữa các hạt kim loại ngăn chặn oxi hóa từ đó độ nhớt được kiểm soát

2.3 Nguyên lý hoạt động

Khi cấp dòng điện ngược chiều cho cuộn dây, từ trường được tạo ra và cácđường sức từ xuyên qua ống dẫn MRF giữa vỏ và roto hình răng Lúc này từtrường cảm ứng làm thay đổi ứng suất của MRF (từ trạng thái lỏng sang trạng tháisệt) trong các khe hở MRF Do đó bằng cách kiểm soát cường độ dòng điện (0 đến3A) cấp vào cuộn dây, điều đó cũng sẽ giúp kiểm soát được mô men phanh MRsinh ra trong quá trình hoạt động

H5nh 2.2 Không có từ trường H5nh 2.3 Có từ trường

2.4 Thuộc tính của lưu chất

MRF là một chất lỏng thay đổi khi đặt từ trường tác dụng vào và nó hoạtđộng như một chất lỏng newton theo mô hình dẻo Bingham [1]:

Trong đó:

: thông số lưu biến ( , , , )

: thông số lưu biến trong môi trường không có từ trường

: thông số lưu biến trong điều kiện bão hòa ( τ ∞ , µ ∞ , K ∞ , n ∞¿

- Chế độ van: được sử dụng phổ biến, bằng cách điều chỉnh độ nhớt của MRFkhi tác dụng từ trường theo phương vuông góc với dòng chảy, MRF đông lạitạo ra ma sát với bề mặt tiếp xúc, dòng chảy bị chậm lại hoặc dừng hẳn khithay đổi cường độ từ trường khác nhau, chế độ van thường được ứng dụngtrong các bộ giảm chấn hoặc van

H5nh 2.4 Mô h5nh phanh sử dụng MRF

- Chế độ trượt: MRF được đặt giữa 2 tấm, 1 tấm chuyển động và 1 tấm đứngyên, khi thay đổi các giá trị từ trường khác nhau lên phương vuông góc củadòng chayr, MRF bắt đầu đông lại, độ nhớt tăng, tạo ra ma sát với bề mặttiếp xúc và giảm tốc độ của dòng chảy, chế độ trượt thường được ứng dụngtrong phanh và ly hợp

H5nh 2.5 Mô h5nh dòng chAy

- Chế độ nén: không được nghiên cứu phổ biến, MRF được đặt trong 2 tấm cóthể di chuyển ( hoặc 1 tấm đứng yên ), từ trường được đặt vuông góc vớidòng chả MRF và các, đồng thời song song với lực tác dụng, dưới tác dụngcủa từ trường MRF thay đổi độ nhớt, trở nên cứng hơn dẫn đến sự dịchchuyển của 2 tấm làm hạn chế sự chuyển động của dòng chảy MRF

H5nh 2.6 Mô h5nh nén

2.6 Các nghiên cứu về phanh MRF

- Q.H.Nguyen và S.B.Choi đã nghiên cứu loại phanh dành cho xe khách tầmtrung, với momen phanh trung bình đạt được là 1025 Nm với tốc độ trungbình là 100km/h và khối lượng tối ưu giảm xuống đáng kể chỉ còn 41 kg.Trong nghiên cứu này một thiết kế tối ưu của phanh MR cho một xe khách

cỡ trung có thể thay thế cho loại đĩa thủy lực [1]

H5nh 2.7 Cấu h5nh phanh MRF

- Q.H.Nguyen, V.T.Lang và S.B.Choi, trong nghiên cứu này đã chỉ ra rằngMRB dạng đĩa là sự lựa chọn tốt nhất khi mô-men xoắn phanh yêu cầu nhỏhơn 15Nm và khi momen xoắn phanh > 15Nm thì phanh MRF dạng chữ T

có kích thước nhỏ gọn nhất trong khi momen xoắn phanh tối đa của chúngkhông quá 110% so với loại đĩa nhưng mức tiêu thụ cao ( khoảng 150% ).[2]

H5nh 2.8 Cấu h5nh phanh MRF có dạng chữ T

3.1 Cấu h5nh và nguyên lý làm việc của phanh MRF:

Khi cấp dòng điện ngược chiều cho cuộn dây, từ trường được tạo ra và cácđường sức từ xuyên qua ống dẫn MRF giữa vỏ và roto hình răng Lúc này từtrường cảm ứng làm thay đổi ứng suất của MRF (từ trạng thái lỏng sang trạng tháisệt) trong các khe hở MRF Do đó bằng cách kiểm soát cường độ dòng điện (0 đến3A) cấp vào cuộn dây, điều đó cũng sẽ giúp kiểm soát được mô men phanh MRsinh ra trong quá trình hoạt động

H5nh 3.9 Cấu h5nh phanh MRF 2 cuộn dây H5nh 3.10 Thông số phanh MRB có roto h5nh

răng BAng 3.2 BAng các chi tiết phanh MRF

(1)Trong đó:

R1 là bán kính thứ nhất của đầu rãnh nghiêng

r là bán kính của phần tử vòng r =R1+lsinφ

l là chiều dài rãnh nghiêng

Người ta cho rằng vận tốc qua ống MRF thay đổi tuyến tính và ứng suất lưu

τ =τ y+μ rΩ

d =τy+ μ Ω (R1+lsinφ)

d (2)

Trong đó:

τ là ứng suất cắt tiếp tác dụng lên MRF trong rãnh nghiêng

φ là góc giữa rãnh nghiêng, ông dẫn trục và trục quay

= 90°

(4)

Từ (3), (4), (5) ta có công thức tổng momen phanh của MRB được tính bằng:

(7)(8) (9)

Trong đó:

: 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 củađĩa

: 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)

Trong nghiên cứu này, các đặc tính lưu biến của MRF bao gồm ứng xuấtchay cảm ứng τ y và độ nhớt sau chảy dẻo µ là các hàm của mật độ từ thông tácdụng qua ống MRF được xác định từ kết quả thực nghiệm:

(12)(13)

, : ứng xuất chảy của MRF khi từ trường bằng 0

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

ý là hình dạng của bộ truyền động MRF liên tục thay đổi trong quá trình tối ưuhóa Vì vậy, kích thước lưới được xác định bởi số phần tử trên đường sẽ phù hợphơn kích thước lưới được xác định bởi kích thước phần tử Vì mật độ từ thôngkhông đổi dọc theo chiều dài khe hở MRF, nên sử dụng giá trị trung bình Mật độ

từ thông trung bình qua khe hở MRF (B) được tính bằng cách phân tích mật độthông lượng dọc theo đoạn khe hở MRF hoạt động, sau đó chia cho chiều dài đoạntheo công thức như sau:

3.4 Phân tích mạch từ:

Việc phân tích hiệu suất của thiết bị chắn dầu MRF sử dụng phần mềmANSYS APDL sử dụng phần tử đối xứng trục (PLANE 13) để giảu quyết phân tích

h được hoàn thành bằng các quy trình được trình bày bởi hình sau:

BAng 3.3 Biến thiết kế của phanh MRF

Khoảng cách giữa khe MRF với

cuộn dây

Đường kính trong của vỏ tới đỉnh

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

Chương 4: TỐI ƯU PHANH MRF

4.1 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

Workbench

Trong phần này, bào toàn tối ưu đa mục tiêu (MOGA) của phanh MRF có rotohình răng sử dụng 2 cuộn dây được thực hiện trên các yếu tố quan trọng sau: côngsuất tiêu thụ, khối lượng, moment Do đó, mục tiêu của bài toán tối ưu hóa đa mụctiêu được đưa ra trong nghiên cứu này là công suất tiêu thụ nhỏ nhất (PP min¿, khốilượng nhỏ nhất (M min¿ và momen ≥ 10 Nm Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu chophanh MRF được xây dựng như sau:

nhắc về momen ma sát, ăn mòn, Từ đó, theo kinh nghệm nhóm đã chọn khe hở

MRF (d) là 0,8 mm

Sau khi thiết lập code tính toán và mô phỏng được thực hiện trong ANSYS

APDL Để giải quyết hàm mục tiêu đề xuất (OBJ), công cụ tối ưu hóa thiết kế

trong ANSYS Workbench được sử dụng trong nghiên cứu này Công cụ tối ưu hóa

thiết kế này cập nhật các biến thiết kế bằng cách sử dụng một thuật toán, sau đó lấy

những cập nhật này để chạy chương trình ANSYS APDL tại mỗi lần lặp lại Các

biến thứ nguyên không đổi cũng như các đại lượng vật lý không đổi khác được giữ

không đổi Từ các tham số hiệu suất do ANSYS APDL tạo ra sau mỗi lần tính toán

được lưu trữ ANSYS Workbench sau đó sử dụng thuật toán tối ưu hóa để đánh giá

và xác định các biến thiết kế tốt nhất cũng như giá trị OBJ tối thiểu Trong nghiên

cứu này, có 6 phương pháp tối ưu trong phần mềm ANSYS WORKBENCH, trong

đó có 3 phương pháp tối ưu để giải bài toán đơn mục tiêu và các phương pháp còn

lại là phương pháp tối ưu đa mục tiêu Có thể trình bày tóm tắt các phương pháp

tối ưu tích hợp sẵn của phần mềm như sau

BAng 4.4 Các phương pháp tối ưu hóa

đơn

Đa mụctiêu

Tìm kiếmđịaphương

- Screening (sàng lọc): phương pháp tối ưu hóa sàng lọc sử dụng cách tiếp

cận đơn giản dựa trên lấy mẫu và phân loại Có thể sử dụng nhiều mục tiêu

và ràng buộc, cùng với mọi tham số đầu vào trong phương pháp tối ưu hóa

này

- NLPQL: lập trình phi tuyến theo phương pháp larangian bậc hai, là một

thuật toán dựa trên độ dốc phù hợp cho tinh chỉnh cục bộ của một mục tiêu

với các tham số liên tục Nó cung cấp tối ưu hóa với một mục tiêu duy

nhất và nhiều ràng buộc Điểm khởi đầu đã được thiết lập để tìm ra phạm

vi của không gian thiết kế để khám phá

- MISQL: thuật ngữ này viết tắt của phương pháp lập trình bậc hai tuần tự

số nguyên hỗn hợp Phương pháp này dùng để giải quy hoạch phi tuyến

hỗn số nguyên bằng cách đổi quy hoạch bậc hai liên hợp, giả sử các biến

không đáng kể khi tăng giảm một biến nguyên, bậc hai nối tiếp xấp xỉđược sử dụng Ngoài ra, phương pháp này cung cấp tối ưu hóa với mộtmục tiêu duy nhất và nhiều ràng buộc Điểm bắt đầu là cần thiết để xácđịnh khu vực của không gian thiết kế để khám phá

- MOGA: phương pháp MOGA (Multi-Objective Genetic Alogirthm), dựatrên các khái niệm tinh hoa được điều chỉnh Nó hỗ trợ nhiều mục tiêu vàràng buộc để tìm ra giải pháp tối ưu toàn cục

- Adaptive Multiple – Obj (Đa mục tiêu thích ứng): phương pháp này là mộtbiến thể của NSGA-II (Thuật toán di truyền sắp xếp không thống trị - II)dựa trên các khái niệm chủ nghĩa tinh hoa có kiểm soát Nó hỗ trợ nhiềumục tiêu và ràng buộc để tìm ra kết quả tối ưu toàn cục

- Adaptive Single – Obj (Đơn mục tiêu thích ứng): phương pháp này là mộtthuật toán của phương pháp dựa trên gradient Nó có thể cung cấp một kếtquả hoàn toàn rõ ràng, toàn cầu và tối ưu Nó cung cấp tối ưu hóa với mộtmục tiêu duy nhất và nhiều ràng buộc để tìm ra kết quả tối ưu toàn cầu.4.1.1 Phương pháp vận hành của thuật toán MOGA:

Mục tiêu tối ưu hóa của nhóm là giảm khối lượng phanh và giảm công suấttiêu thụ của phanh, đồng thời mô men phanh MRF phải đạt được là ≥10 Nm Do

đó, các biến này được đặt ra với các mục tiêu và ràng buộc tương ứng

H5nh 4.17 Mục tiêu tối ưu hóa

Sau khi đã thiết lập các hàm mục tiêu, nhóm tiếp tục đặt các giới hạn trên vàgiới hạn dưới của các biến thiết kế Mối quan hệ tham số sau đó sẽ hạn chế cáctham số khác để ngăn các kích thước chồng chéo Trong nghiên cứu này, các điềukiện đặt được thể hiện 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 đượcthảo 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 xem xét 3 kết quả tối ưu, có thể thấy kết quả “Candidate Point 1” làkết quả tối ưu nhất Theo mục tiêu chính của quá trình tối ưu hóa là công suất tiêuthụ nhỏ nhất (P p), khối lượng nhỏ nhất (m) và momen ≥ 10 Nm (M m), ta có thể thấy

“Candidate Point 1” có công suất làm việc ở mức tốt nhất, momen > 10 Nm vàkhối lượng nằm ở mức tốt nhất so với 2 candidate point còn lại Vì vậy nhóm đãchọn “Candidate Point 1” là kết quả tối ưu

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

Từ hình 4.9 ta có thể đấy đường sức từ của phanh MRF phân bố không đồng đều ởcác bộ phân của phanh Ta có thể thấy, tại độ dài rãnh nghiêng từ trục động cơ đếnhết chiều dài đường kính của cuộn dây thứ 1 (hết độ dài rãnh nghiêng h ), đườngb1

sức từ của phanh phân bố tương đối đồng đều tại mọi điểm Tuy nhiên, từ độ dàirãnh nghiên h cho tới hết chiều dài đường kính cuộn dây 2 có thể thấy đường sứcb2

từ tập chung ở đây rất dày đặc Điều đó chứng tỏ ở đoạn độ dài này, từ trường củaphanh khi cấp vào sẽ tập trung lớn ở đây, gây ra lực từ lớp và tại đoạn rãnhnghiêng h sẽ chịu lực lớn hơn cho với các nơi khác trong phanh MRF.b2

H5nh 4.22 Mật độ từ trường của phanh MRF 2 cuộn dây sau tối ưu

Từ hai hình trên có thể thấy, mật độ từ trường trong phanh MRF 2 cuộn dây

có giá trị nhỏ nhất là 0,1975.10 và có giá trị lớn nhất là 2.55916 Dọc theo khe hở-15

chứa lưu chất MRF ta có thể thất mật độ từ trường gần như là bằng nhau điều đóchứng tỏ từ trường sẽ không gây ảnh hưởng nhiều đến khe chứa lưu chất Tuynhiên, tại khoảng cách giữa 2 cuộn dây cụ thể là đoạn thẳng h ta có thể thấyb2

đường sức từ ở đấy vô cùng dày đặc Điều đó chứng có, tại đoạn thẳng h sẽ tậpb2

trung lực từ lớn hơn so với các vị trí khác của phanh MRF 2 cuộn dây gây áp lựclớn đến khu vực này