A0423 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
NGUYEN KHOA DE
THIET KE, TOI UU, CHE TAO VA DANH
Trang 2CONG TRINH ĐƯỢC HOAN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
(Ghi rõ họ, tên, hoc hajn, học vị và chữ ky) Al > sake Mg tating Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Cơng nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015 _N =
Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : Mu (âœc (hhg
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 | TS Nguyễn Hùng Chủ tịch
2_ | PGS.TS Nguyễn Tân Tiên Phản biện 1
3 | TS V6 Hoang Duy Phản biện 2
4_ 1 TS Võ Tường Quân Uy viên
5_ | TS Võ Đình tùng Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu cĩ)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
ao
ic Xi ree Ly :
Trang 3LOI CAM ON
Tơi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cơ trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tơi trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu tại trường để tơi cĩ thể hồn thành khĩa học
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng — người thầy đã giúp đỡ tơi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn này
Tơi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các anh chị lớp 13SCĐ11 đã cùng tơi gắn bĩ trong suốt khĩa học tại trường, khoảng thời gian tuy khơng dài nhưng cĩ rất nhiều kỷ niệm gắn bĩ cùng nhau
Và cuối cùng tơi xin gởi lời cám ơn tới những người đã giúp đỡ tơi trong quá trình thực hiện luận văn mà tơi chưa nêu tên ở đây, sự giúp đỡ của họ dù ít hay nhiều cũng đĩng gĩp một phần vào kết quả thực hiện đề tài tốt nghiệp nay
Trang 4TOM TAT
Trong phan nghién ciru nay, mét đề xuất được đưa ra là sử dụng hệ thống giảm
xĩc dùng lưu chất điện- từ biến (MRF) đã và được thiết kế tối ưu nhằm giảm bớt sự
rung động của máy giặt trong quá trình hoạt động
Do đĩ để cho việc thiết kế được tối ưu nhằm hạn chế sự rung động và tiếng
ồn của máy giặt trong quá trình hoạt động, nguyên nhân thường là do khối lượng khơng cân bằng của quần áo và một số cấu hình của hệ thống giảm xĩc được đề xuất và xem xét và phương án tốt nhất để giảm bớt sự rung động cho máy giặt là sử
dụng hệ thống giảm chấn dùng lưu chất điện — từ biến MRF được tính tốn, thiết kế
Phương án nầy dựa trên mơ hình dẻo Bingham của MRF cĩ tác dụng làm giảm rung động và tiếng ồn rất tốt khi máy giặt hoạt động
Mục tiêu tối ưu hĩa là để giảm thiểu lực ma sát khi khơng cĩ từ trường tác
dụng cho bộ giảm chấn MREF là nhỏ nhất trong và khi giá trị lực ma sát khi cĩ tác
dụng của từ trường vào lưu chất MRF là lớn nhất Để cĩ được những giải pháp tối
ưu, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tích hợp với một cơng cụ tối ưu
hĩa được sử dụng để cĩ được kích thước hình học tối ưu của hệ thống giảm chấn
MRE được sử dụng Giải pháp tối ưu của hệ thống giảm chắn và những tính năng sẽ được trình bày trong nghiên cứu nay
Trang 5Abstract
In this research, a magnetorheological fluid (MRF) based damper to attenuate
vibration due to unbalanced laundry mass from of a front loaded washing machine is proposed and optimally designed Firstly, rigid vibration mode of the washing machine due to an unbalanced mass is analyzed and an optimal positioning of the suppression system for the washing machine is figured out In order to attenuate vibration from the washing machine, several configurations of MR damper are proposed considering available space and the required damping force of the system Based on the Bingham rheological model of MRF, damping force of the proposed MR dampers are then derived An optimal design problem for the proposed MR brake is constructed considering the zero-field friction force and the maximum damping force of the MR dampers The optimization objective is to minimize the
zero-field friction force of the MR dampers while the maximum value of damping
force is kept being greater than a required value An optimization procedure based on finite element analysis (FEA) integrated with an optimization tool is employed to obtain optimal geometric dimensions of the MR dampers featuring different types of MRF Optimal solutions of the MR dampers are then presented and the optimized damper is figured out In addition, performance characteristics of the optimized MR damper are evaluated by experirment
Trang 6MUC LUC I8 8n Trang | I0 00 Trang 2 ¡1.8 Ơ Trang 3 ADSUract vo Trang 4 h0 1111117 Trang 5 Danh mục các từ VẾt tắt ¿ác Sc t2 222 22 H271 rxe Trang 6 Danh mục các bảng . 5 5 Sàn s41 1 12 1 213 tà ri Trang 7 Danh mục các hình ảnh . 12H12 01 mg ren Trang 7
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU
Pa ch Trang 9 1.2 Tính cấp thiết của để tài cccccicerriierriirrrirrriirrrrirrie Trang 14 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài -c-ccntieerieerrrrerrre Trang l6
1.4 Nội dung nghiên cứu . 5c S+S tren re Trang l6
1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài ccc-csecerriee Trang 16
1.5.1 Phương pháp luận .-ằseieeằeeeiee Trang l6 1.5.2 Phương pháp nghiên cứm .- se rehHirririrre Trang 17
CHƯƠNG II : TONG QUAN VE LUU CHAT TU BIEN
2.1 Nguyên lý hoạt động của MRE se niHeeee Trang 18 2.2 Thành phần của MRE . 5s cS<cnerrerrirrirrirrrrrrriee Trang 19 2.3 Mơ hình tốn học của MF che Trang 19 2.3.1 Mơ hình dẻo Bingham ccckeherreerre Trang 20 2.3.2 Mơ hình nhựa Herschel-Bulkley -. - -<‹+ +-<++ Trang 21 2.4 Ứng dụng .-.c TT TS n nh nhe nhàn Trang 22
P Ngon Trang 23
QA.2 Gidm CHAN nh hố Trang 25
2.4.3 Khối gá động cơ . cssccnsrrtirirriiieriirriiriirrrieieg Trang 26
2.4.4 Hệ thống Haptic_ -ccccreerreree Trang 28 , Đà Trang 29
Trang 7CHUONG II: THIET KE VA TINH TOAN BO GIAM CHAN SU DỤNG LƯU CHAT MRF CHO MAY GIAT CUA TRUOC
3.1 Hệ thống giảm chấn của máy giặt cửa trước - Trang 30 3.2 Phân tích các dao động cho máy giặt Trang 31 3.3 Các phương án thiết kế bộ giảm chắn lưu chất điện từ biến cho máy giặt
ði8§ 1 Trang 34
3.3.1 Dùng giảm chắn kiểu Van ( Plow mode ) - Trang 34
3.3.2 Dùng giảm chắn kiểu Trượt ( Shear mode ) Trang 36
3.4 Tính tốn lực giảm chắn lưu chất điện từ biến Trang 40 CHƯƠNG 4 : THIET KE TOI UU
4.1 Bài tốn t6i UU oc ececcsseescesscsscssecssesessucssesssessecsecseasecseessecsesneenseaes Trang 43
' 141.8 nh Trang 49 4.3 Kết luận . -52-5227+22t2 EE2EErrErererirrerrrrrrkeeriee Trang 52
CHƯƠNG 5 : THUC NGHIEM VA DANH GIA KET QUÁ
5.1 Thí nghiệm đánh giá lực giam chAn eccseseceeecseeesseteesneessees Trang 53 a Sơ đồ thực nghiệm 5c tre Trang 53 8.4.0 Trang 54
5.2 Thí nghiệm đánh giá hệ thống giảm chắn trên máy giặt Trang 55
a Sơ đồ thí nghiệm - - cctsrerirrrirrrieriierierreerrrer Trang 55 b Kết quả thí nghiệm 6552 >tnreeverkkerrrerrerrkerrker Trang 58
CHƯƠNG 6 : KÉT LUẬN VÀ HUONG PHAT TRIEN
{5 na Trang 61
so g0 8n Trang 61 IV 180i90997),/0.9.7 00 Trang 62 DANH MỤC CÁC TU VIET TAT
MRE : Lưu chất từ biến
MRV : Van giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến
FEA : Phan tích phần tử hữu hạn
FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn
Trang 8DANH MUC CAC BANG
Bang 1: Đặc tính lưu biến của lưu chất điện từ biến
Bảng 2: Tính chất lưu biến của lưu chất MRF
Bảng 3:Thơng số tối ưu sự dịch chuyến đối với giảm xĩc dùng lưu chất MR khơng dùng ống phi từ tính Bảng 4: Hệ số tính năng giảm chận của máy giặt theo số liệu thực nghiệm DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu diễn bộ phận giảm xĩc của máy giặt cửa trước dạng 2 bộ giảm rung Hình 1.2: Biểu diễn bộ phận giảm xĩc của máy giặt cửa trước đạng 3 bộ giảm rung Hình 1.3: Biểu diễn bộ phận giảm xĩc của máy giặt cửa trước dạng 3 bộ giảm rung
Hình 1.4: Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt Hình 2.1: Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường
Hình 2.2: Biểu đố tương quan giữa chất lỏng newton và dẻo Bingham Hình 2.3a: Kiểu Van (flow mode)
Hình 2.3b: Kiểu Trượt (shear mode)
Hình 2.3c: Kiểu Nén (squeeze mode)
Hình 2.4: Cấu tạo cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến
Hình 2.5: Cấu tạo cơ bản của ly hợp sử dụng lưu chất điện từ biến
Hình 2.6 Cấu tạo cơ bản của giảm chân sử dụng lưu chất điện từ biến
Hình 2.7 Câu tạo cơ cấu gá động cơ Hình 2.8 Câu tạo găng tay MR Hình 2.9: Cau tao van MR
Hình 3.1: Sơ đồ 3D của máy giặt cửa trước Hình 3.2: Giảm chấn kiểu van dùng lưu chất MR
Hình 3.3 : Bộ giảm chấn kiểu trượt cho máy giặt
Hình 3.4: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chắn kiểu trượt một cuộn dây
Trang 9Hình 3.5: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chắn kiểu trượt hai cuộn dây
Hình 3.6: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chấn kiểu trượt ba cuộn dây
Hình 3.8 hiệu suất ứng suất của lưu chất MR như chức năng của cường độ từ trường
Hình 4.1: Sơ đồ tính tốn động lực học của máy giặt Hình 4.2: Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt Hình 4.3: Đặc tính từ của thép silicon và lưu chất MRF
Hình 4.4: Mơ hình phần tử hữu hạn đối với giảm kiểu trượt
Hình 4.5 Mơ hình phần tử hữu hạn đối với giảm xĩc MR khơng dùng ống
phi từ tính
Hình 4.6 Lực giảm chắn và năng lượng tiêu thụ so với bộ giảm chan MR
được đề xuất tối ưu hĩa
Hình 5.1a: Giảm chắn được chế tạo
Hình 5.Ib: Thí nghiệm đánh giá lực giảm chắn của giảm chấn được chế
tạo
Hình 5.2: Thử nghiệm phản ứng bước của giảm chấn MR
Hình 5.3: Vị trí đặt cảm biến Phía trên ( A1), đặt bên hơng khung máy
(A2) và đo dao động trong lồng giặt (A3)
Hình 5.4: Bộ điều khiển NicRio và hệ thống thu thập dữ liệu
Trang 10CHUONG I : GIỚI THIEU 1.1 Dat van dé
Từ năm 1911 chiếc máy giặt chạy điện đầu tiên được ra đời tại Mỹ Tại Việt
Nam khoảng vào năm 2001 những chiếc máy giặt đầu tiên đã được sản xuất và ra đời Ngày nay máy giặt đã trở nên thơng dụng khơng chỉ được sử dụng frong các gia đình hiện đại mà máy giặt đã trở thành một trong những vật dụng thiết yếu của nhiều gia đình ở Việt Nam, máy giặt thực sự giúp giải phĩng mọi người khỏi cơng việc giặt giũ hàng ngày, nĩ giảm tải gánh nặng cơng việc nhà cho mọi người và nhất là bảo vệ sức khỏe cho gia đình, giúp cuộc sống khơng chỉ tiện nghỉ hơn mà cịn nâng cao sức khỏe cộng đồng tạo cho mọi người cĩ nhiều thời gian tận hưởng cuộc
sống
Đề đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường máy giặt, các nhà sản xuất trong và ngồi nước đã khơng ngừng cải tiến và đưa ra nhiều sản phẩm mới Trên thị trường hiện nay cĩ hai loại máy giặt cơ bản: máy giặt cửa trên hay cịn gọi là máy giặt lồng đứng, lồng giặt được đặt đứng, loại nầy cửa được thiết kế nằm ở phía trên Máy giặt cửa trước hay cịn gọi là máy giặt lồng ngang, lồng giặt được đặt nằm ngang, cửa được thiết kế ở phía trước của máy giặt
Nguyên lý hoạt động chung của tất cả máy giặt là xoay đảo quan áo liên tục trong hỗn hợp chất tây Lúc này, bề mặt quần áo được ma sát với nhau, giả lập thành động tác chà quần áo như khi giặt tay, giúp loại bỏ các vết bẩn Trong quá trình hoạt động máy giặt thường bị rung động điều nầy thường xảy Ta nhất là trong giai đoạn sấy khơ, bởi vì lồng quay được quay với tốc độ tương đối cao làm cho trọng lượng những bộ quản áo bị ép và bên trong tắm chặn của lồng quay và chúng cĩ thể trở thành một khối lượng lớn khơng cân bằng Đặc biệt, trong máy giặt cửa trước được thiết kế với lồng giặt nằm ngang so với trục của máy giặt do đĩ khi bị ảnh hưởng của trọng lực cộng thêm khối lượng khơng cân bằng của quần áo làm cho dao động xay ra dé dang hơn so với máy giặt cửa trên, quần áo là một khối khơng định hình nên việc xoay đảo trong quá trình giặt của dịng máy này thường
Trang 11khơng hồn hảo, khơng đều gây ra độ ồn và độ rung cao tạo cảm giác khĩ chịu cho người khi sử dụng
Nguyên nhân chính là do máy giặt đang sử dụng thuộc đời quá củ, khơng
được trang bị hệ thống giảm rung, hoặc nếu cĩ thì hệ thống giảm rung hoạt động kém hiệu quả cộng thêm khối lượng khơng cân bằng của quần áo làm cho dao động xảy ra dễ dàng hơn gây ra rung động khi máy hoạt động Một phần là do vận tốc
của máy giặt khi hoạt động được quay với tốc độ rất cao cĩ thẻ lên đến 1500 v/p, thơng thường trong quá trình giặt tốc độ quay của lồng giặt tăng từ 0 đến khoảng 1500 vịng/phút với phạm vi vận tốc này rat dé gây ra rung động và tạo tiếng ồn rất lớn cho nên bộ phận giảm xĩc phải được thiết kế và chế tạo phải cĩ tính năng thích
ứng tốt với khả năng rung động của hệ thống máy khi hoạt động
Bộ phận treo của máy giặt lồng ngang thơng thường bao gồm 2 lị xo đàn hồi
Trang 12Trong một số trường hợp đẻ thuận lợi trong việc giảm rung động theo phương
dọc 3 hoặc 4 bộ giảm xĩc được sử dụng như hình 1.2 thể hiện máy giặt lồng ngang
Trang 13
Hình 1.3 Biếu diễn bộ phận giãm xĩc của máy giặt cửa trước dạng 4 bộ
giảm rung
Lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, khi hệ số suy giảm của hệ thống treo
tăng thì biên độ dịch chuyển của vùng cộng hưởng trong tần số thấp cĩ giảm, nhưng ở vùng cộng hưởng tần số cao lại tăng lên đáng kể Ngược lại khi hệ số suy giảm
của hệ thống treo giảm, xác suất xuất hiện cộng hưởng ở tần số thấp (100-200v/p)
tăng cao và đây là nhược điểm của hệ thống giảm chấn thụ động trong máy giặt Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt được thẻ hiện trong hình 1.4 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số suy giảm (TR) vào tần số dao động của máy giặt He so truyen luc (TR) 0 10 20 30 40
Tan so rung dong [Hz]
Hình 1.4 Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt
Trang 14Do vậy để giải quyết vẫn đề rung động và giảm tiếng ồn cho máy giặt cửa trước cần phải cĩ một hệ thống giảm chấn loại mới cĩ khả năng khắc phục những yếu điểm trên để giảm rung động và tiếng ồn khi máy giặt hoạt động.Trong phần nghiên cứu này một đề mới xuất được đưa ra là thiết kế hệ thống giảm chan str dùng lưu chất điện từ biến MRF cho máy giặt cửa trước
Lưu chat tir bién (MRF) là một dạng của lưu chất thơng minh, bao gồm Hydrocarbon tổng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hạt từ tính
Thêm vào đĩ, để loại bỏ sự kết tủa của các hạt cĩ khối lượng lớn khi MRE ở trạng
thái lỏng, chất hoạt tính bề mặt, hạt nano hạt nano từ hĩa, hoặc những hạt được phủ từ tính sẽ được thêm vào Sự kết tủa sẽ làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động cua MRF
Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do và chất lỏng biểu hiện
thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi cĩ tác dụng của tử trường ngồi, lưu chất khơng cịn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyến sang thuộc tính dạng đàn đẻo với ứng suất chảy đẻo (yield stress) phụ thuộc vào độ lớn từ trường tác dụng Lúc này, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và cĩ khả năng chống phá vỡ liên kết Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngồi đưa vào
Cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của MRE như mật độ,
kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dịng chất lỏng mang hạt tải
điện, chất phụ da, nhiệt độ và từ trường đặt vào Sự liên quan của các yếu tố này rất phức tạp và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp để cải thiện tính chất của dịng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp Để hoạt động tốt, MRE phải cĩ
độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà khơng ảnh hưởng đến từ trường bên
ngồi và cĩ thể đạt được ứng suất tối đa khi cĩ đủ từ trường tác động
Thơng thường để làm tăng ứng suất của MRE, người ta thường tăng các thành phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngồi Tuy nhiên, trong tính tốn thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRE ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nĩ
Trang 151.2 Tính cấp thiết của đề tài :
Hệ thống giảm xĩc (hay cịn gọi là hệ thống giảm chấn) là một thiết bị được
thiết kế để làm êm dịu những rung động hoặc những va đập và để làm tiêu tan năng lượng động lực Hệ thơng giảm xĩc thường được sử dụng trong những kết cầu cĩ sự rung động chăng hạn như xe máy, ơ tơ, bộ phận hạ cánh cho máy bay và một phần của hệ thống đở trong các nhà máy cơng nghiệp, loại giảm xĩc lớn đơi khi được sử
dụng trong kỹ thuật kết cấu để tăng thêm bền vững và giảm bớt thiệt hại từ chan
động và những thiên tai khác
Do nhu cầu của xã hội ngày nay càng phát triển địi hỏi những máy mĩc thiết bị ngày càng hiện đại nhằm thích nghỉ với nhu cầu sử đụng của mọi người tốt hơn do đĩ trên thế giới nĩi chung và ở Việt Nam nĩi riêng nhiều loại máy, thiết bị hiện
đại đã được thiết kế và ra đời như các loại máy giặt và một số các thiết bị khác như
bộ phận giảm chắn trong ơ tơ, các máy mĩc cĩ sự rung động khi hoạt động
Mục đích lớn nhất của các loại máy nây là làm sao giải quyết được bài tốn tối ưu cho hệ thống rung động chẳng hạn như bộ phận giảm chấn trong xe ơ tơ phải cĩ
khả năng tùy biến được độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhơ của mặt
đường làm cho dao động được đập tắt nhanh nhát, hiệu quả nhất mà người ngồi trên
xe vẫn cảm thấy thoải mái nhất Trong máy giặt khi máy hoạt động cũng phải cĩ hệ
thống giảm chấn loại mới cĩ khả năng tùy chỉnh được lực giảm chấn tùy thuộc vào
tốc độ quay của lồng giặt nhằm thay thế cho hệ thống giảm chấn thụ động cũ hoạt
động kém hiệu quả do độ cứng và hệ số suy giảm khơng thể điều chỉnh, để vừa cĩ
khả năng chống cộng hưởng ở tần số thấp lại vừa cĩ khả năng cách rung ở tần số
cao
Để giải quyết vấn đề này một đề xuất được đưa ra là sử dụng hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất MRF để kiểm sốt sự rung động trong máy giặt Việc thiết kế hệ thống giảm chấn cĩ khả năng điều chỉnh được độ rung động sử dụng lưu chất MRF cho máy giặt cửa trước trở nên rất cần thiết và rất cĩ ích cho xu
thế hiện đại hĩa máy mĩc thiết bị ngày nay, nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu sử dụng
Trang 16của mọi người trong xã hội vì nĩ cĩ thể bù đắp những khuyết điểm của hệ thống giảm chắn thơng thường
Mặc dù trên thế giới đã cĩ rất nhiều cơng trình nghiên cứu về hệ thống giảm chắn cho máy giặt cửa trước sử dụng lưu chất MRE Tuy nhiên, ở Việt Nam do cịn hạn chế về mặt tiếp cận và đây là cơng nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước chưa cĩ hoặc đã cĩ nhưng chưa được phổ biến, chỉ cĩ một số ít tác giả nghiên cứu
về lĩnh vực này như là một sự khởi đầu cho việc tiếp cận ứng dụng hệ thống giảm
chân cho máy giặt dùng MRF ở Việt Nam và chủ yếu là các cơng trình nghiên cứu cĩ sự kết hợp với các chuyên gia nước ngồi như:
Quoc Hung Nguyen, Ngoc Diep Nguyen and Seung Bok Choi cac tac gia da cĩ bài viết “ Optimal design and performance evaluation of flow — mode MR damper for front — loaded washing machines” trén báo Asia Pacific Journal on Computation! Engineering Trong nghién ctru nay, mét co cấu giảm chắn kiểu van
đã được đề xuất cho máy giặt Các tác giả đã phân tích, tính tối ưu hĩa giảm chấn
này nhằm đạt được lực giảm chắn cực đại là 150Nm trong khi lực giảm chan khi khơng cĩ từ trường tác đụng là nhỏ nhất cĩ thể Kết quả nghiên cứu đã tạo ra một giảm chắn lưu chất điện từ biến cho máy giặt cĩ lực giảm chấn đạt đến 150N trong khi lực của giảm chắn khi khơng cĩ từ trường tác dụng là tương đối lớn
Một nghiên cứu khác cũng do nhĩm tác giả trên thực hiện và chủ yếu là ở ngồi nước như Quoc Hung Nguyen and Seung Bok Choi với bài viét “Optimal Design of Magnetorheological Fluid Based Dampers for Front Loaded Washing Machines” Trong nghiên cứu nầy, một cơ cầu giảm chấn kiểu trượt đã được đề
xuất cho máy giặt cửa trước, nhĩm tác giả đã đưa ra nhiều loại giảm chắn kiểu
trượt: loại 1 cuộn dây, 2 cuộn đây và 3 cuộn dây nhằm thay đổi độ lớn lực giảm chấn do từ trường tác động vào lưu chất MRF và đề xuất hệ thống giảm chắn MRF khơng đùng ống phi từ tính cho máy giặt của trước, theo các tác giả kiểu giảm chắn này khả năng tạo ra các tính năng tốt hon va dé chế tạo hơn Kết quả nghiên cứu đã
tạo ra một giảm chấn kiểu trượt cho máy giặt cửa trước dùng lưu chất MRF cĩ lực
Trang 17giảm chấn cực đại là 100N và lực giảm chấn khi khơng cĩ từ trường tác dụng là
9.6N và khơng dùng ống phi từ tính
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài :
Hiểu và phân tích được rung động cho hệ thống treo trong máy giặt
Nắm bắt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến
Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất điện - từ
biến cho hệ thống treo của máy giặt cửa trước 1.4 Nội dung nghiên cứu :
Với mục tiêu đã đặt ra, đề tài sẽ tập trung một số nội dung sau:
Tìm hiểu về rung động và hệ thống treo của máy giặt
Tìm hiểu các đặc tính và nguyên lý làm việc của lưu chất điện-từ biến
Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện-từ biến vào các cơ cấu máy mĩc trong cơng nghiệp
Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động cho máy giặt cửa trước
dùng lưu chất điện — từ biến
Tính tốn mơ hình hĩa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Thực nghiệm kiểm chứng kết quả
1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài : 1.5.1 Phương pháp luận
Các phương pháp sử dụng đề đạt được mục tiêu đã đề ra :
Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất điện - từ
biến nhằm tạo ra hệ thống giảm chấn mới đạt hiệu quả cao thay thế cho hệ thống giảm chắn cũ kém hiệu quả trong máy giặt cửa trước, dựa trên mối quan hệ giữa độ
biến thiên của từ trường và độ rắn lỏng của lưu chất điện - từ biến, từ đĩ tính tốn,
thiết kế tỳ lệ truyền phù hợp để nhằm đạt hiêu quả cao Để thực hiện nghiên cứu
này cần thực hiện
-Tổng hợp các nghiên cứu cĩ sẵn trong và ngồi nước
-Phân tích và tính tốn hệ thống dùng phần tử hữu hạn và giải tích -Thiết kế và chế tạo hệ thống
Trang 18-Thực nghiệm, kiểm chứng kết quả 1.5.2.Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được mục tiêu trên
Nội dung 1: Tìm hiểu các đặc tính và nguyên lý của lưu chất điện-từ biến -Thu thập thơng tin đã cĩ làm nền tảng cho nghiên cứu
-Tìm hiểu các bài báo trong và ngồi nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng
lưu chất thơng minh, lưu chất từ biến
Nội dung 2: Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện-từ biến vào các cơ cầu
máy mĩc, thiết bị
-Thu thập các tài liệu thơng tin đã cĩ làm nền tảng cho việc nghiên cứu
-Tìm hiểu các nghiên cứu trước đĩ trong và ngồi nước liên quan đến cơ cấu Nội dung 3: thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống giảm chắn bán chủ động sử dụng lưu chất điện-từ biến giảm chấn bán chủ động sử dụng lưu chat điện- từ biến
-Tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất điện - từ biến - Phân tích tính tốn lý thuyết về hệ thống
- Chế tạo dựa trên cơ sở đã được tính tốn
Nội dung 4 : Tính tốn, tối ưu hĩa bằng phương pháp PTHH
Bài tốn được giải dưa trên phần tử hữu hạn từ đĩ xác định loại nào cĩ cấu
hình tốt nhất về yêu cầu giảm rung tối ưu
Nội dung 5: thực nghiệm kiểm chứng kết quả
- Phương pháp phân tích hệ thống
- Đánh giá kết quả đạt được
Trang 19CHUONG II : TONG QUAN VE LUU CHAT TU BIEN
2.1 Nguyên lý hoạt động của MRE:
Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thơng minh, bao gồm
Hydrocarbon tơng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hat từ tính
Thêm vào đĩ, để loại bỏ sự kết tủa của các hạt cĩ khối lượng lớn khi MREF ở trạng
thái lỏng, chất hoạt tính bề mặt, hạt nano, hạt nano từ hĩa, hoặc những hạt được phủ
từ tính sẽ được thêm vào Sự kết tủa sẽ làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động
của MRE
Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do và chất lỏng biểu hiện
thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi cĩ tác
dụng của từ trường ngồi, hru chất khơng cịn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyền sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và cĩ khả năng chống phá vỡ liên kết Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngồi đưa vào
Hình 2.1 Liên kết giữa các hạt thay đối theo từ trường
Cĩ nhiều yếu tố ảnh hướng đến các tính chất lưu biến của MRF như mật độ,
kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dịng chất lỏng mang hạt tải
điện, chất thêm vào, nhiệt độ và từ trường đặt vào Sự liên quan của các yếu tố này
rất phức tạp và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp để cải thiện tính
chất của dịng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp Để hoạt động tốt, MRF phải cĩ
Trang 20độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà khơng ảnh hưởng đến từ trường bên ngồi và cĩ thể đạt được ứng suất tơi đa khi cĩ đủ từ trường tác động
Thơng thường để làm tăng ứng suất của MRE, người ta thường tăng các thành phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngồi Tuy nhiên, trong tính tốn thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRE ảnh hưởng đáng kẻ đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nĩ
2.2 Thành phần của MRF
MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ hoặc các chất cĩ từ tính và các phụ gia
khác khơng mang từ tính Trong thực tế, các hạt mang từ tính của MRF là: sắt, hợp
kim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, sắt cacbua, sắt cacbonyl, niken và coban, Trong số này,
các hạt thường được sử dụng cho MRF là sắt cacbonyl Các ứng suất tối đa cĩ thể
gây ra bởi MR chủ yếu được xác định bởi độ kháng từ thấp nhất và mức độ bão hịa cao nhất của từ tính các hạt phân tán Do đĩ, trong thực tế, vật liệu từ (bột sắt
cacbonyl) đựơc sử dụng chính cho hầu hết các MRF Ngồi ra hợp kim Fe-Co và hợp kim Fe-Ni cũng cĩ thể được sử dụng.Ngược lại, một số các vật liệu sắt từ như
Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite va ferrite gém cĩ từ tính bão hịa thấp và do đĩ được áp
dụng trong các ứng dụng cĩ ứng suất thấp Hạt MR thường cĩ kích thước từ 0,1 đến
10um Trong MRF khối lương các hạt từ chỉ chiếm một phần nhỏ khối lượng của
lưu chất và khơng ảnh hưởng tới lưu chất
Các chất lỏng được sử dụng trong MRF là: dầu silicon, dầu khống, dầu parafin, copolyme silicone, dầu thủy lực, đầu biến áp, dẫn xuất halogen, hĩa chất lỏng hữu cơ, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước và các loại dầu hydrocarbon tơng hợp
2.3 Mơ hình tốn học của MRE
Mơ hình ứng xử lưu biến của MRE đĩng vai trị quan trọng trong quá trình
nghiên cứu và phát triển của các thiết bị MRF, hơn nữa mơ hình chính xác cĩ thể dự đốn hiệu suất của các thiết bị MRF là một phan quan trong trong viéc ché tao ra
các thiết bị Khi cé tir trudng tac dong MRF thé hién tinh chất phi tuyến Một số các
mơ hình phi tuyến đã được sử dụng để mơ tả ứng xử MRF, bao gồm các mơ hình
Trang 21dẻo Bingham, mơ hình dẻo biviscous, mơ hình dẻo Herschel-Bulkley và mơ hình dẻo Eyring Mặc dù đã cĩ một số mơ hình đã được phát triển và áp dụng cho MRE, nhưng hai mơ hình phổ biến nhất đã được sử dụng rộng rãi với độ chính xác cao và chi phí tính tốn hợp lý là mơ hình déo Bingham và mơ hình dẻo Herschel-Bulkley Vì vậy hai mơ hình nầy đã được sử dụng rộng rãi trong mơ hình tính tốn của MRE
2.3.1 Mơ hình déo Bingham
Mơ hình dẻo Bingham gồm phần tử dẻo cứng liên kết song song với các phần
tử chất nhớt Newton Loại nầy ứng suất trượt tỷ lệ thuận với tốc độ trượt và được
biểu thị như sau
z =r,(H)sgn(7)+? (2.1)
Trong dé
z_ Ứng suất trượt trong chat lỏng
Ty Ung suat chay (yield stress)
7 DO nhot sau chay déo cia MRF (post-yield viscosity) z Tốc độ trượt giữa các lớp lưu chat MRF (shear rate)
Sng 1a ham dau Do là khi chất lỏng ở trạng thái đứng yên, ảnh hưởng bởi độ
nhớt đàn hồi cho tới khi tốc độ trượt lớn hơn giá trị tới hạn z,: Trong khi nĩ đi
chuyển như một chất long Newton khi vượt qua giá trị tới hạn
Mơ hình dẻo Bingham được thể hiện ở hình 2.2 thể hiện sự tương quan giữa
chất lỏng Newton và đẻo Bingham Sự đơn giản của mơ hình hai tham số nầy đã
dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ER và
MRF
Trang 22Ứng suất trượt() Chất lưu trượt
+ day , , Chat long déo he ae 3 Bingham — “sen mỏng Chất lỏng Ứng suất chảy ( Ty) Newton r Tốc độ trượt (7 )
Hình 2.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lơng Newton va déo Bingham
2.3.2 M6 hinh déo Herschel- Bulkley
Trong mơ hình này chất lỏng sẽ bị trượt dầy hay trượt mỏng, đặc biệt khi chất lưu MRF chịu tốc độ trượt cao, mơ hình này sẽ cho kết quả tốt hơn Trong trường hop nay sử dụng mơ hình dẻo Herschel-Bulkley sẽ phù hợp hơn Mơ hình dẻo
Herschel-Bulkley cĩ thể được biểu điễn bằng cơng thức tốn học sau
z=(Œ,(H)sgn)+ K|/| ”)sen(7) (2.2)
Trong đĩ
K_ Thơng số độ đặc
m Hệ số chất lỏng của MRF Nếu m > ! ta cĩ chất lỏng trượt mỏng,
nếu m < 1 ta cĩ chất lỏng trượt dầy, khi m = 1 mơ hình Herschel_
Bulkley sẽ giống như mơ hình Bingham
Trong rất nhiều nghiên cứu, các thơng số như ;;, K, m được xem như khơng phụ thuộc vào từ trường tác động Tuy nhiên, thực tế các thơng số nầy bị tác động
Trang 23dựa trên dẻo Bingham và sau đĩ mở rộng với mơ hình dẻo Herschel-Bulkley Các mơ hình nay sau đĩ được áp dụng trong một số nghiên cứu
2.4 Ứng dụng
Hiện nay, MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Trong các nghiên cứu, MRF thường được ứng dụng dưới ba dạng chính:
Trang 24Đường sức tir Vách MRF Lực tác dung
(c) Kiểu nén (squeeze mode)
Hình 2.3 Các kiểu ứng đụng của lưu chất MRF
2.4.1 Phanh, ly hợp
Hình 2.4 thể hiện cầu tạo cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến
Khi khơng cĩ từ trường tác động các hạt chuyên động tự do và chất lỏng thể
hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Khi cĩ một dịng điện chạy qua cuộn dây, một mạch từ được tạo ra và từ trường chạy ngang khe
MRF trên mặt trụ và mặt đầu của trống phanh, khi đĩ lưu chất khơng cịn tuân theo
thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên
trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và cĩ khả năng
chống phá vỡ liên kết cĩ tác dụng hãm trục của phanh lại, lúc đĩ bánh xe sẽ bị hãm chặt hay bĩ cứng lại Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ
trường ngồi đưa vào
So với hệ thống phanh cơ khí thủy lực truyền thống hệ thống phanh lưu chất
điện từ biến (MRB) hiện nay cĩ tính năng ưu việt như:
-_ Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dịng điện tối đa 3A thì MRB đã cĩ thể đạt được yêu cầu phanh hồn tồn
- _ Thiết kế và kết cầu khá đơn giản
- Khơng cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc khơng cĩ ống dẫn thủy lực nên sẽ khơng chiếm dụng khoảng khơng nhiều
Trang 25- Khơng cĩ ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ khơng cĩ sự
hao mịn do ma sát
- Dé dang điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thơng qua sợi dây điện
-_ Thời gian đáp ứng nhanh: 20 ms P GE) 2 4 NG SX yy S S SSS ` xxx ` YY 77 Me Zo CS ` Z Z Đ 25 ne YY yey — sss
Hinh 2.4 Cau tao cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến Hình 2.5 Thẻ hiện cấu tạo cơ bản của ly hợp sử dụng lưu chất điện từ biến
Nguyên lý họat động của ly hợp MREF cũng tương tự như phanh MRE Điểm
Trang 262.4.2 Giảm chấn
Giảm chấn (damper) là một bộ phận khơng thẻ thiếu trong ơ tơ cũng như nhiều
máy mĩc khác, nĩ cĩ tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng như dập tắt dao động Hau hét các loại giảm chân thơng thường đều cĩ độ cứng khơng thay đổi, vì vậy nếu
mặt độ nhấp nhơ của mặt đường trùng với tần số dao động của thiết bị giảm chấn
hoặc độ nhấp nhơ mặt đường quá lớn thì hiệu qua của giảm chắn sẽ giảm đi đáng kế
hoặc thậm chí là vơ hiệu
Việc thiết kế bộ giảm chân cĩ khả năng điều chỉnh độ cứng trở nên cần thiết vì nĩ cĩ thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chắn thơng thường, với khả năng
điều khiển được, MRE đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chan
Nĩ cĩ khả năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhơ của mặt đường làm cho dao động được dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi
Trang 27Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất điện từ biến được giới thiệu ở
hình 2.6 Các piston bên ngồi và bên trong kết hợp với nhau để tạo thành cầu trúc van MR phân chia thể tích bên trong giảm chấn thành hai phần: phần trên và phần dưới Các phần này được chứa đầy chất lỏng MRE Theo nguyên tắc khi piston
được di chuyển từ phía trên xuống phía dưới sẽ tạo sự chênh lệch về thể tích giữa
phân trên và phần đưới Khi pittơng di chuyển xuống phía dưới, phần dưới sẽ cĩ thé tích nhỏ hơn ban đầu làm cho lưu lượng chất lỏng MRF từ phía dưới ép lên phía trên thơng qua các ống hình khuyên, nhờ pittơng buồng khí địch chuyển xuống phía dưới buồng khí nên đảm bảo được thể tích của phần dưới khi piftơng di chuyển xuống
2.4.3 Khối gá động cơ
Khối gá động cơ (engine mount) được thể hiện ở hình 2.7 là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu thủy nĩ dùng để gá đặt động cơ trên khung xe và đảm bảo cho động cơ và các bộ phận truyền động (động cơ - hộp số - trục cát đăng) trên xe hoạt động ổn định Khối gá động cơ cịn được sử dụng để giảm những rung động từ động cơ truyền tới khung xe nhờ đĩ mà người ngồi trong xe cảm thấy thỏa mái hơn Nhiều kiểu cơ cấu gá động cơ đã được nghiên cứu và phát triển, trong đĩ một số kiêu đã được đưa vào sản xuất và cung cấp trên thị trường
Việc phân loại khối gá động cơ cĩ thể đựa vào tác động của nguồn năng lượng bên ngồi, về cơ bản, khối gá động cơ cĩ thể chia làm ba loại: loại thụ động
.(passive mount), ban chi déng (semi-active mount) va chu d6ng (active mount)
Loại cơ cầu gá động cơ thụ động thường hay sử dụng là cơ cấu gá bằng vật liệu cao
su (rubber mount), loai nay đã được sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước, ưu điểm của loại này là kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và dễ bảo trì thay thế Cơ
Trang 28su) Độ cứng động lực của cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại khơng giảm được những rung động ngồi dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su, đặc
biệt là vùng cĩ tần số cao
Để cải thiện hoạt động, khối gá động cơ dạng chủ động được phát triển và đã được sử dụng trên thị trường Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác động từ bên ngồi và cĩ thể dùng các thuật tốn điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn trong những trường hợp cĩ những dao động bất thường Hệ thống gá động cơ chủ động cĩ khả năng hoạt động tốt hơn trong một dải tần số rộng, nhưng nĩ khơng
được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá thành cao
Những hạn chế trên cĩ thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơ bán chủ động Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một hệ thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn Vì vay, co cau gá bán chủ động cĩ thể
hoạt động như mong muốn mà khơng cần nguồn năng lượng lớn cũng, kết cấu
Trang 29Gần đây đã cĩ nhiều nghiên cứu về dạng gá động cơ bán chủ động sử dụng
MRF Nhờ vào khả năng điều khiển được, MRF cĩ thể hồn tồn đáp ứng được yêu
cầu trong việc điều chỉnh lực giảm chắn trong cơ cau ga
2.4.4 Hé thong Haptic
Haptic là một thuật ngữ cĩ nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác Nĩ
giúp ta cĩ thể cảm nhận như mình đang trực tiếp cằm, nắm hay làm việc gì đĩ mặc
dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera
Ngày nay, Haptic đang được ứng dụng khá rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực y học Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chĩng được nghiên cứu và
ứng dụng vào trong lĩnh vực này, cụ thé là găng tay MRE được thé hiện ở hình 2.8
Thực chất của găng tay MRF là sự kết hợp giữa các MRB lại với nhau, nĩ làm cản
chuyển động của các ngĩn tay tương ứng với lực phản hồi thực tế Từ đĩ người đeo
găng tay cĩ thể cảm giác được như đang trực tiếp thao tác
Hình 2.8 Cấu tao gang tay MR
(http://research vancouver.wsu.edu/dr-hakan-gurocak/mr-glove)
Trang 302.4.5 Van
Một ứng dụng khác của MRE là van MR được thê hiện ở hình 2.9 Van MR cĩ
tác dụng tương tự các loại van khác, tuy nhiên về mặt kết cấu thì nĩ đơn giản và dễ
dàng điều khiển hơn
Nguyên lý hoạt động của van như sau, ban đầu khi chưa cĩ tác dụng của từ trường, dịng lưu chất chảy vào van theo ngõ vào inlet, đi ngang qua các khe và ra
ngồi theo ngõ ra outlet Khi cĩ từ trường tác động, dịng lưu chất xung quanh cuộn
đây bị từ hĩa và trở nên liên kết lại với nhau chỉ khi áp suất của dịng lưu chất đủ lớn đề thắng lực liên kết này thì dịng lưu chất mới cĩ thể đi qua van được và khi từ trường đủ lớn thì lưu chất xung quanh cuộn dây sẽ hĩa rắn, dịng lưu chất khơng thể đi qua van
Phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cách đưa từ trường vào ta cĩ thể điều
chỉnh van theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào
Ngõ vào Lỏi Dịng chảy Ngỏ ra
Vách van Cuộn cảm
Hình 2.9 Cấu tạo van MR
Trang 31CHUONG 3: THIET KE VA TINH TOAN BO GIAM CHAN SU DUNG LUU CHAT MRF CHO MAY GIAT CUA TRUOC
3.1 Hệ thống giảm chấn của máy giặt cửa trước: Lị xo Vả —_ Thùng giặt — / | Tréng quay Bo gidm xéc
Hinh 3.1 Sơ đồ 3D của máy giặt cửa trước
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong suốt quá trình quay máy giặt thường trải
qua giai đoạn cộng hưởng ở tần số khá thấp khoảng 100 — 200 vịng/ phút, các cộng hưởng này xuất hiện do chế độ dao động hệ cứng (rigid mode) của thùng quay máy giặt Khi lồng giặt quay ở tốc độ cao thường là trên 1000 vịng/phút các vách bên và
tắm phía sau của khung cĩ thể bị tác động của sự cộng hưởng gây ra tiếng ồn và sự
Trang 32rung động mạnh Trong hệ thống treo thơng thường một hệ thống treo thụ động (hệ số rung động khơng đổi) bao gồm 2 lị xo và 2 giảm chấn như hình 3.1 được sử dụng để làm giảm độ rung của thùng quay ở tần số thấp Tuy nhiên điều nầy làm tăng lực lan truyền từ thùng quay đến khung máy giặt và gây ra sự rung động nhiều hơn của máy giặt ở tần số cao Vì vậy để ngăn chặn cĩ hiệu quả sự rung động của máy giặt ở tần số thấp trong khi khả năng cách ly rung động của máy giặt ở tần số cao bị ảnh hưởng khơng đáng kế hệ thống treo bán chủ động như bộ giảm xĩc MRF nên được sử dụng
Hiện nay trên thế giới cĩ một số nghiên cứu và phát triển hệ thống giảm chấn bán chủ động sử dụng lưu chất điện - từ biến cho máy giặt, nhằm giảm rung động và giảm tiếng ồn cho máy giặt khi hoạt động chẳng hạn như Michael và David Carson đã phát minh ra hệ thống giảm xĩc cho máy giặt bằng cách sử dụng dung dịch bọt xốp MR, bộ giảm xĩc nầy cĩ đặc tính là giá thành thấp và lực giảm xĩc thấp và thích hợp cho hệ thống treo của máy giặt Tiếp theo nghiên cứu này, Cristiano đã đưa ra thử nghiệm về giảm xĩc MR, nĩ cĩ thể làm giảm được độ rung động cho máy giặt loại thùng quay ở tần số thấp Tuy nhiên sự hao mịn và độ bền của bọt xốp và lực ma sát cao khi khơng cĩ tác dụng của từ trường là một thách thức lớn Aydar đã nghiên cứu về thiết kế và ứng dụng cho bộ giảm chấn lưu chất MRF dé kiểm sốt sự rung động của máy giặt, tuy nhiên thiết kế tối ưu cho bộ giảm xĩc khơng được xem xét và lực ma sát khi khơng cĩ từ trường tác dụng là rất cao (lên đến 50N) điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng cách ly rung động của máy giặt ở tần số cao
Trong luận văn này, hai kiểu giảm chấn khác nhau (giảm chấn kiểu van và
giảm chấn dạng trượt) sẽ được xem xét tính tốn và tối ưu hĩa thiết kế Kết quả sau đĩ sẽ được so sánh để chọn ra loại phù hợp nhất cho máy giặt
3.2 Phân tích động lực học trống giặt:
Hình 3.2 mơ tả sơ đồ đơn giản hố để tính tốn động lực học của trống giặt
Trang 33
Hình 4.1 Sơ dé tinh tốn động lực học của máy giặt
Phương trình vi phân chuyên động của trống giặt được mơ tả bằng cơng thức sau:
mũi + củ[sin”(@+ ,)+sin?(ø~ Ø,)]+ laÄsin°(@+ ø,)+sin°(@—ø¿)]= F„@) — Q.1)
Trong đĩ:
m: là khối lượng của lồng giặt được treo bao gồm trồng quay, chỗ giặt quần áo, trục, phản lực, rotor và stator Đối với máy giặt thơng thường cĩ khối lượng này khoảng 40 kg
C : là hệ số chống rung của mỗi bộ giảm xĩc
K : Là hệ số độ cứng của lị xo trong phần nghiên cứu nầy được giả định là 8KN/m ø- là gĩc đang khảo sát dao động (phương u), u là sự dịch chuyển của trục theo hướng u #„ là lực tác động do khối lượng khơng cân bằng theo hướng u Ta cĩ F,,= Focosat =m, R,cosat (3.2)
Trong 46 m, va R, 1a khối lượng và bán kính của trục quay do khối lượng
khơng cân bằng tạo nên
Từ phương trình trên tần số cộng hưởng của bộ giảm xĩc điển hình được tính
tốn như sau :
0, =0,J1-£ (3.3)
Trang 34Với:
k[sin?(ø@+ø)+sin?(@—œ;)] _„ c[sin” (ø + ;) +sinˆ(ø— Ø1)
@œ =4 ——————^ˆvà¿=
m 2 fmk{sin? (9 + a) + sin’ (p-a)] (3.4)
Điều đĩ cho thấy tần số rung động và tần số tự nhiên của lồng giặt được treo
theo hướng u cĩ quan hệ với gĩc ø, nĩ gây ra tần số cộng hưởng khác nhau theo các hướng khác nhau của rung động, điều nầy làm rung động trở nên khốc liệt và khĩ
kiểm sốt hơn Trong thiết kế hệ thống treo cho bộ phận lồng giặt quần áo, đải tần
số cộng hưởng theo mọi hướng phải được tính tốn sao cho càng nhỏ càng tốt Từ các phương trình trên cĩ thể dễ dàng nhận thấy rằng, băng cách chọn :
œi+ œ;=90° và B)+f2=90°
Phương trình trên cĩ thể được đơn giản hĩa để mang lại kết quả sau:
mũ +củ + ku = F„ (3.5)
Trong trường hợp nay, tần số cộng hưởng khơng phụ thuộc vào phương hướng của sự rung động và được tính như sau :
k
ø=Ø,„|d—£”) với ®, - fF, be (3.6)
3.3 Các phương án thiết kế bộ giảm chấn sử dụng lưu chất điện từ biến cho
máy giặt cửa trước :
3.3.1 Dùng giảm chấn kiéu Van (flow mode )
Trang 35Truc pitton Pitton bén trong itton bén ngoai Vo ngoai Cuộn cảm Đường sức từ Dịng chất lưu ! MRF Dẫn hướng pitton { Pitton buồng khí Buơng khí Hình 3.2 Giảm chấn kiểu van dùng lưu chất MR Nguyên lý hoạt động :
Các piston bên ngồi và bên trong kết hợp với nhau để tạo thành cấu trúc
van MR phân chia thé tích bên trong giảm chắn thành hai phần: phần trên và phần
dưới Các phần này được chứa đây chất long MRF Khi piston di chuyển từ phía trên xuống phía dưới sẽ tạo sự chênh lệch về thẻ tích giữa phần trên và phần dưới
Theo nguyên tắc khi pittơng di chuyển xuống phía dưới, phần dưới sẽ cĩ thể tích
nhỏ hơn ban đầu làm cho lưu lượng chất lỏng MRF từ phía dưới ép lên phía trên
thơng qua các ống hình khuyên, nhờ pittơng buồng dịch chuyển xuống phía dưới
Trang 36buồng khí nên đảm bảo được thể tích của phần dưới khơng bị căng khi pittơng di
chuyển xuống
Khi khơng cĩ từ trường các hạt chuyển động tự đo và chất lỏng MRF thể hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác, lưu chất MRF dễ dàng chuyển động qua các khe nên chênh lệch áp suất giữa buồng trên và buồng
dưới nhỏ, do vậy lực giảm chấn nhỏ Tuy nhiên khi cĩ dịng điện đặt vào cuộn dây,
từ trường trong giảm chắn sẽ được tạo ra khi đĩ lưu chất khơng cịn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và cĩ khả năng chống phá vỡ liên kết Mức độ di chuyển bị cản trở gây ra chệch lệch về áp suất lớn tạo ra lực giảm chắn lớn qua khe hở của chất lỏng Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngồi đưa vào
Ưu và nhược điểm của hệ thống giảm chỗn kiểu van :
Ưu điểm:
Cĩ thể tạo ra lực giảm chân lớn
Kết cấu gọn nhẹ
Nhược điểm :
Lực giảm chắn khi khơng cĩ từ trường tác dụng lớn do tổn thất áp xuất dịng chảy qua van MRF lớn Điều này làm giảm khả năng cách rung ở tần số cao
Lưu chất MRF sử dụng nhiều hơn cho nên giá thành cao Độ trẻ lớn do áp xuất trong buồng lưu chất MRE cao
Hơn nữa khi sử dụng phương pháp van, áp suất rất cao được tạo ra ở phía trên và phía dưới buồng MRF gây nên lực ma sát tăng trong vịng đệm của bộ giảm xĩc để gây rị rĩ MRE Vì vậy phương pháp nảy chỉ nên được sử dụng khi cần lực giảm chấn cao và cĩ sự va đập như bộ giảm chắn trong kỹ thuật ơ tơ hoặc trong hệ
thơng bảo vệ địa chấn
3.3.2 Dùng bộ giảm chắn kiểu trượt (Shear mode ) Nguyên lý hoạt động:
Trang 37lới trước Wisen | Vỏ giảmchến
Hình 3.3 Bộ giảm chấn kiểu trượt cho máy giặt
Hình 3.3 Trình bày nguyên lý họat động của giảm chấn kiểu trượt dùng cho
máy giặt được sử dụng trong nghiên cứu này
Khi khơng cĩ từ trường tác động các hạt chuyển động tự do và chất lỏng thé
hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi cĩ dịng diện đặt vào cuộn dây, từ trường trong giảm chấn sẽ được tạo ra, khi đĩ lưu
chất khơng cịn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính
Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và cĩ khả năng chống phá vỡ liên kết Mức độ di chuyển của trục
pittơng bị cản trở do lưu chất nằm phía trong cia Idi bị đơng đặc do tác động của từ
trường, tạo ra lực giảm chắn lớn cho hệ thống
Ưu điểm:
Luu chat MRF sir dung it hon cho nên giá thành thấp
Trang 38Lực giảm chắn khi khơng cĩ từ trường tác dụng là nhỏ do lực ma sát giữa
chất lỏng MRE và vỏ giảm chấn nhỏ hơn so với lực do chênh lệch áp suất gây ra
trong trường hợp giảm chắn kiểu van Nhược điểm:
Lực giảm chấn được tạo ra tương đối nhỏ
Kết cấu, tiết diện tương đối lớn
Vì khả năng rung động trong máy giặt tương đối nhỏ cho nên khơng cần sử dụng bộ giảm chắn kiểu van chỉ thích hơp cho mức rung động lớn thường được sử dụng trong kỹ thuật kết cấu để tăng thêm độ bền vững Hơn nữa khi sử dụng phương pháp van độ trễ của giảm chấn lớn do áp xuất trong buồng lưu chất MRF cao, khi áp suất cao được tạo ra ở phía trên và phía dưới buồng MRF gây nên lực ma sát tăng trong vịng đệm của bộ giảm xĩc, dé gây rị rĩ lưu chất MRF, đồng thời bộ giảm chấn kiểu trượt sử dụng lưu chất MRF ít hơn nên giá thành thấp và đây cũng chính là ưu điểm của bộ giảm chấn kiểu trượt
Do đĩ với những ưu điểm đã nêu trên nên chọn bộ giảm chấn kiểu trượt là thích hợp để thiết kế bộ giảm chấn cho máy giặt Vì vậy trong phần nghiên cứu nầy
chỉ tập trung tính tốn và thiết kế bộ giảm chắn kiểu trượt dùng lưu chất điện từ
biển cho máy giặt cửa trước
Thơng thường cuộn dây được quấn trên một ống cách từ được thể hiện ở hình
3.4a, đây là cấu hình phổ biến nhất của bộ giảm chấn kiểu trượt, tuy nhiên về mặt
chế tạo thì rất khĩ để tạo ra một giảm chấn sử dụng lưu chất chính xác và đặc biệt là khi lắp ống cách từ vào vỏ hộp Trong những nghiên cứu gần đây TS Nguyễn Quốc Hưng và những cộng sự đã đề xuất hệ thống giảm chấn MRF khơng dùng ống phi từ tính cho máy giặt của trước Theo các tác giả, kiểu giảm chắn này khả năng tạo ra
các tính năng tốt hơn và dễ chế tạo hơn
Do đĩ, để thuận tiện cho việc chế tạo và giảm chỉ phí cho giảm chấn dùng lưu chất điện từ biến, một cấu trúc mới mả mà khơng dùng ống phi từ tính được sử dụng thể hiện ở hình 3.4b Theo cấu trúc này cuộn đây được cuốn trực tiếp trong ống hình trịn xoay trên vỏ Kích thước và hình dạng của cuộn dây trong ống trịn
Trang 39xoay nay được thiét ké sao cho cé tiét diện đặc biệt để cĩ diện tích mặt cắt rất nhỏ mà gần như ngăn cản các từ thơng đi qua nĩ
SOMA AOC RAT AAAS, vi NÊN SRN Vach Cuộn cảm Đường sức từ CÁ ics oy ving KIS
(b) Quan day khéng ding ống phi từ tính
Hình 3.4 Sơ đồ đơn gián của bộ giảm chấn kiểu trượt một cuộn đây
Đặc biệt khi chiều dài của phần thân lớn hơn so với đường kính ngồi của hệ
thống giảm chắn và đẻ làm tăng lực tác dụng của từ trường tác động vào lưu chất
MRF, tạo nên khả năng chống phá vở liên kết của các hạt, cho ra lực giảm chấn lớn
hơn , một cấu hình với hai cuộn dây được đề nghị sử dụng như hình 3.5 biểu điển sơ
đồ đơn giản của bộ giảm chắn kiểu trượt 2 cuộn dây
Hình 3.5a thể hiện giảm chấn kiểu trượt hai cuộn dây được quấn trên ống phi từ tính và hình 3.5b thể hiện giảm chắn kiểu trượt hai cuộn dây mà khơng dùng ống dây phi từ tính
Trang 40aN, WE NG : A Cưc ngồi ` ng Cực trong Mặt phẳng đối xứng (a) Quan dây trên ống phi từ tính MRF ` xi Đường suc WS EES SSR ERY tir Truc BS 3N) Mặt phẳng đối xứng
(b) Quần dây khơng dùng ống phi từ tính
Hình 3.5 Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chấn kiểu trượt hai cuộn dây
Khi quần dây trên ống phi từ tính kiểu trượt hai cuộn dây, mật độ từ trường
tăng lên đáng kể Cần lưu ý rằng trong thiết kế tối ưu cho bộ giảm chấn MR với
nhiều lỏi, phải bố trí sao cho các lỏi phải đối xứng qua mặt phẳng đối xứng được thê hiện như trên hình vẽ
Tương tự như trên, để tăng mật độ từ trường qua khe hở MRF một cấu hình
với ba cuộn dây thể hiện sự trượt của bộ giảm chắn cĩ thể được sử dụng như hình
3.6 thể hiện sơ đồ đơn giản của bộ giảm chấn kiểu trượt ba cuộn dây Khi thiết kế
chế tạo kiểu 3 cuộn dây thì mật độ từ trường sẽ tăng lên rất lớn tạo nên độ bền vững