Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (Mr Fluid)

1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề: Ngày nay với điều kiện cơ sở vật chất ngày một được nâng cao, trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các nhà nghiên cứu luôn tìm tòi và sáng tạo ra những vật chất có tính hữu dụng với công nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói riêng và nhu cầu cuộc sống nói chung. Đặc biệt là với lĩnh vực máy móc công nghiệp, chúng ngày được cải tiến để hoàn thiện hơn và giải quyết được các bài toán nhược điểm của hệ thống. Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ là một vấn đề quan trọng bậc nhất, có ảnh hưởng quan trọng và quyết định đến tất cả các cơ cấu khác. Chính vì vậy mà việc cải tiến các cơ cấu truyền động luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Có rất nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động bằng xích, truyền động bằng đai, truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng các khớp đặc biệt…. Mỗi loại truyền động đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn cơ cấu truyền động cho phù hợp. Được phát hiện từ cuối những năm 1940 bởi Jacob Rabinow, Lưu chất từ biến (MRF) một loại lưu chất thông minh đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990, MRF mới được chính thức đưa vào nghiên cứu và phát triển. Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh, khớp nối ly hợp, van… Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thiết bị sử dụng lưu chất từ biến, từ đó hiệu suất của các thiết bị được tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy tiềm năng cũng như tính ứng dụng của lưu chất từ biến là rất lớn và cần được phát triển nhiều hơn nữa. 2 1.2. Tính cấp thiết của đề tài: Nhìn chung, các cơ cấu trên thực tế đều có một điểm chung quan trọng đó chính là điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải. Điều đó cho thấy, việc điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải luôn là một vấn đề được quan tâm hàng đầu trong nền công nghiệp hiện nay. Với vai trò quan trọng đó, hàng loạt các cơ cấu truyền động đã ra đời như cơ cấu hộp số (truyền động bằng bánh răng), cơ cấu xích, cơ cấu đai,… với các t số truyền cố định, điều này đng nghĩa với việc điều khiển vô cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa, trong truyền động gặp phải vấn đề về ma sát, gây ra độ mài mòn cao, cộng với việc các cơ cấu trên có cấu tạo từ những chi tiết tương đối lớn nên việc lp đặt vào các hệ thống nh gặp nhiều hạn chế. Vấn đề điều khiển tốc độ đầu ra của tải giờ đây được đặt ra là vấn đề giải quyết bài toán ma sát, bài toán t lệ truyền nhằm điều khiển được vô cấp tốc độ, độ ổn định, độ chính xác và hiệu suất hoạt động cao nhất. Với đặc tính của lưu chất từ biến, khi không có từ trường tác động, nó gần như là một chất lng, ảnh hưởng của nó tới việc truyền động của nó là khá nh; nhưng khi có từ trường tác động vào, nó gần như hóa rn, mức độ hóa rn phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng với tốc độ rất nhanh (ch khoảng 10ms), thì việc khống chế hay nói khác hơn là điều khiển tốc độ trục tải hoạt động với tốc độ đặt có độ ổn định cùng với hiệu suất cao là một hy vọng mới cho việc điều khiển t lệ truyền của bộ ly hợp như mong muốn. Vậy với các đặc tính ưu việt đó của lưu chất từ biến, liệu nó có thật sự đáp ứng được bài toán điều khiển tốc độ đầu ra của bộ ly hợp hay không? Để giải quyết câu hi này, đòi hi cần phải dựa trên các nghiên cứu trước đây về các ứng dụng của lưu chất từ biến, từ đó có những nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm để đưa ra những đánh giá thiết thực về cơ cấu truyền động dùng lưu chất từ biến, ch số ma sát, độ mài mòn, kiểm soát t lệ truyền động, nâng cao momen tải là những vấn đề quan trọng cần được lưu tâm, nghiên cứu và phát triển sâu rộng. 3 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nm bt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến. Thiết kế, tối ưu và chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ra của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Ổn định hệ thống. 1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu về các đặc tính và nguyên lý của lưu chất từ biến. Nghiên cứu, thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp. Thực nghiệm, nhận xét và đánh giá bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. 1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài: 1.5.1. Phương pháp luận: Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học. Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tc và phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết. Nghiên cứu chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo ra một loại ly hợp mới có độ chính xác và n định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống được giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và độ rn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một t lệ truyền phù hợp. Để thực hiện nghiên cứu này cần thực hiện: Tổng hợp các nghiên cứu có sẵn trong nước và ngoài nước. Phân tích và tính toán hệ thống. Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống. Thực nghiệm, hiệu chnh và đánh giá kết quả. 4 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên: Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ biến vào các cơ cấu máy móc trong công nghiệp. Phương pháp thu thập thông tin đã có làm nền tảng cho nghiên cứu. Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến. Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến. Phân tích tính toán lý thuyết về hệ thống. Thiết kế dựa trên tính toán. Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống. Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước điều khiển tự động và điều khiển hiện đại. Phân tích tính toán lý thuyết điều khiển hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính toán lý thuyết. Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Phương pháp phân tích hệ thống. Phương pháp đánh giá kết quả đạt được. 1.6. Kết cấu luận văn: Kết cấu luận văn gm 6 chương. Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp lưu chất từ biến. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ly hợp MR. Chương 5: Kết quả thực nghiệm. Chương 6: Kết luận. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ B LY HP 2.1. Khái quát về ly hp: Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách dứt khoát động cơ ra khi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một t số truyền xác định bởi hộp số. Có nhiều loại ly hợp như: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, ly hợp nam châm điện, ly hợp liên hợp,… nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đổi tốc độ trục tải theo mong muốn. Điều này dn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các vấn đề trên cùng với sự phát triển của lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số vô cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vn giữ được momen xon đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp. Nói r hơn về thành phần chính của bộ ly hợp – lưu chất thông minh – lưu chất từ biến. Lưu chất từ biến (MRF) là một chất lng thể keo có các hạt từ hóa đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron). Nói chung, lưu chất từ biến bao gm dầu, thường là dầu khoáng sản hoặc silicone cơ sở, có t lệ các hạt từ hóa khác nhau đã được phủ một chất liệu chống đông tụ. Ở trạng thái chưa hoạt động, lưu chất từ biến thể hiện định luật chất lưu Newton. Khi tiếp xúc với từ trường, các hạt từ hóa được phân tán trong chất lng tạo thành lưỡng cực từ. Những lưỡng cực từ xếp thành hàng theo đường của từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái nhanh chóng, mạnh mẽ, và đng thời cũng hi phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi không còn chịu tác động của từ trường. 6 (a) không có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0) Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF (electrical- rheological fluid) và lưu chất st, thiết bị MR có năng suất cao hơn nhiều khi được kích hoạt. Với ưu điểm này, gần đây đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế tối ưu của các thiết bị sử dụng MRF như phanh MR, giảm chấn MR, cơ cấu gá động cơ dùng MR, gang tay MR, van điều tiết MR,…. Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến Cuộn dây Lưu chất t biến V T trưng Đa 7 Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ Hình 2.5: Găng tay MR Piston th ni Bung cha gas Đưng dn piston Dng lưu cht MR V gim chn V piston Li piston Mch t Cun dây Lưu cht MR Trc piston 8 Hình 2.6: Cấu tạo van MR Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống dử dụng MRF có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc thiết kế tối ưu mạch từ của hệ thống. 2.2. Cơ s tính toán của MRF [5]: - T tính của MRF [5]: Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH. Dưới ảnh hưởng của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính của các hạt trong MRF. Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi vô số các dãy hạt được sp xếp theo một đường thng tương ứng với hướng của từ trường như biểu diễn trong hình 2.2. Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu Các ht Lực Dng t trưng Li Nắp đầu van V van Cun dây Cng vào Cng ra Dng MRF 9 Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần nhau trong một chuỗi và tăng cùng một t lệ khi MRF biến đổi. Trong thực tế, kết cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết chặt chẽ nhiều khối cầu với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ. Dưới ứng suất, các liên kết này có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ. Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vn có thể cho thấy được ứng suất chảy diễn ra như thế nào. Các phương trình chuyển động của mỗi hạt theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF. Tại một từ trường rất thấp, lực từ F ij được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương tác từng cặp với nhau, momen lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng của từ trường. 22 5 7 5 0 31 5( ) 2( ) 4 ij ij ij ij ij p ij ij ij rr F m mr mr m r r r          (2.1) Trong đó F ij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μ p là độ dn từ của hạt, μ 0 là độ dn từ của chân không, r ij là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được gây ra bởi các hạt trong MRF 3 0 4 f m a H     (2.2) Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được tính bởi: 2 fp fp       (2.3) Trong đó μ f là độ dn từ riêng của chất lng nền. Ở từ trường cao, độ lớn của momen lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa. Trong trường hợp này, momen lực từ được tính bởi: 10 3 4 3 ss m a M   (2.4) Trong đó μ s M s là từ hóa bão hòa của các hạt, đó là khoảng 1,7 x 106A/m cho khối và 0.48x106A/m cho oxit st từ. - Tính chất lưu biến: Lưu biến học là một ngành của cơ học thực hiện việc nghiên cứu các biến dạng của vật liệu. Lưu biến học là một lĩnh vực liên ngành và được sử dụng để mô tả các đặc tính của nhiều loại vật liệu như dầu m, thực phẩm, mực in, polymer, đất sét, bê tông, nhựa đường, …. Các thông số và đại lượng của lưu biến có thể được dùng để xác định ảnh hưởng của vật liệu phi Newton, vật liệu đàn hi như là một hàm của thời gian, độ ổn định của hàm khi dòng chất lng đứng yên hoặc trong suốt quá trình lưu chuyển, và độ nhớt khi không trượt hoặc độ nhớt tối đa của dòng chất lng để ngăn chặn sự kết tủa. Công thức độ nhớt dựa trên cơ sở lý thuyết thủy lực động học cho sự phân tán loãng của những hạt hình cầu được tìm ra bởi Einstein cách đây khoảng 100 năm. Được suy ra từ: 1 2.5 r   (2.5) Trong đó: η r là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan. Việc thêm các hạt rn vào dung dịch sẽ làm tăng số lượng của các hạt và do đó làm tăng t lệ khối lượng của các hạt. Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ nhớt tăng lên. Sook cho rằng nng độ tối đa của các hạt ϕ max nên được kết hợp trong mối liên quan giữa độ nhớt và nng độ. max 2.5 (1 ) r       (2.6) Tuy nhiên những công thức này không xét đến hình dạng và độ cứng của hạt. Do đó, Toda và Furuse mở rộng công thức để cho thấy kích thước của các hạt ảnh hưởng đến độ nhớt như thế nào. [...]... dụng và áp lực của vòng được thiết lập là 10% Trong trường hợp này, hệ số ƒc vào khoảng 125N/m 3.2.2 Thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến: Trong thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến, bên cạnh momen truyền động, một vấn đề khác rất quan trọng cần được quan tâm đến đó chính là khối lượng của bộ ly hợp Rõ ràng cho thấy khối lượng của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến là càng nhỏ càng tốt,... Phần này giới thiệu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến và phân tích momen tải dựa trên mô hình đàn-dẻo Bingham của lưu chất từ biến Hình 3.1 cho thấy được kết cấu của hệ thống ly hợp dùng lưu chất từ biến Như trong hình, ta thấy, đĩa ly hợp chế tạo từ thép từ tính được cố định với trục dẫn chế tạo từ thép cách từ Trục dẫn được kết nối trực tiếp đến động cơ chính Bộ phận đĩa ly hợp được lồng vào trong... lượng của đĩa ly hợp, vỏ ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn dây, và cuộn dây của bộ ly hợp Các thông số này là các chức năng quan trọng của kích thước hình học của kết cấu bộ ly hợp, chúng thay đổi suốt quá trình tối ưu hóa ρd, ρh, ρs, ρMR, ρbob, và ρc lần lượt là khối lượng riêng của đĩa ly hợp, vỏ ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn dây, và cuộn dây của bộ ly hợp Từ đó, việc... thống ly hợp thông qua bộ điều khiển PID 32 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 6.1 Kết luận: Dựa trên các kết quả tính toán, thiết kế và thực nghiệm, luận văn này đã giải quết được các vấn đề sau: Thiết kế được bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến để đầu ra trục tải đạt được trị số momen xoắn ≥ 10Nm với kích thước cũng như khối lượng của bộ ly hợp là nhỏ nhất Điều khiển được hệ thống ly hợp dùng bộ truyền. .. của bộ ly hợp có momen truyền động ≥10Nm Thiết kế bộ điều khiển tốc độ đầu ra của trục tải Thực nghiệm và đánh giá kết quả 19 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ LY HỢP DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN 3.1 Nguyên lý hoạt động: L wc do hc Từ trường td Rdo Đĩa ly hợp d th Trục dẫn Truyền động từ ĐC R Ra tải Rdi Võ cố định Trục bị dẫn MRF Cuộn dây Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. .. sinh ra và lưu chất từ biến ở khe hở giữa phần vỏ và phần đĩa ly hợp sẽ tức thời hóa rắn Khi đó, ta có thể điều khiển được momen cũng như tỷ số truyền mà bộ phận đĩa ly hợp (trục dẫn) tác động lên phần vỏ (trục bị dẫn) thông qua độ hóa rắn của lưu chất từ biến 3.2 Tính toán ly hợp: 3.2.1 Tính toán momen truyền động: Trong thiết kế của bộ ly hợp MR, việc thiết lập mối quan hệ giữa momen truyền, ... Ví dụ, bộ giảm chấn có thể được xây dựng bằng việc kết hợp các chế độ khác nhau 2.4 Các vấn đề cần giải quyết: Như vậy, dựa trên các đặc tính của lưu chất từ biến, dựa trên các kiểu hoạt động và các cơ sở tính toán đã được đề cập bên trên thì luận văn này được xây dựng để giải quyết các vấn đề sau: 18 Thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến hoạt động theo kiểu cắt của lưu chất MR... dày th của vỏ ly hợp, bán kính Rdo của đĩa ly hợp, bán kính ngoài R của bộ ly hợp, độ dày td của đĩa ly hợp, được xem là các biến thiết kế Cần lưu ý rằng, các giá trị kích thước độ dày khe chứa lưu chất càng nhỏ thì lực hãm càng cao và khối lượng của bộ ly hợp thu được càng nhỏ Vì thế, trong nghiên cứu này, độ dày của khe chứa MRF không được xem như biến thiết kế mà được thực nghiệm thiết lập là 0.8mm... vỏ ly hợp Khảo sát sự ảnh hưởng của ma sát của ứng suất chảy tác động lên các cơ cấu trong bộ ly hợp Từ đó có nhận xét và đánh giá về các tính chất đã nêu của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến 5.1 Kết quả sử dụng mô hình để khảo sát: 5.1.1 Khảo sát ban đầu: Động cơ và hệ thống cấp điện cho cổ góp được giữ cố định Hai vòng bạc đạn bi được lắp vào trục truyền động nhằm cách ly trục dẫn và vỏ ly. .. chế tạo từ thép từ tính Phần vỏ này lắp cố định với trục bị dẫn chế tạo từ thép cách từ Cuộn dây được quấn trên một ống cách từ lắp trong vỏ của bộ ly hợp Khoảng không gian giữa phần đĩa ly hợp và phần vỏ được lấp đầy bằng lưu chất từ 20 biến Để ngăn sự rò rỉ của lưu chất từ biến khi nằm trong khoảng khe hở đó ta lắp vào một vòng cao su (o-ring) Khi cuộn dây được cấp điện, một vùng từ trường . vực ứng dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến. Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến. Phân. tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp. Thực nghiệm, nhận xét và đánh giá bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. 1.5. Phương pháp nghiên cứu. cùng với sự phát triển của lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số vô cấp nhằm