Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (MR Fluid) - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

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 [r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG

LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG

LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM

Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Quốc Hưng

Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 10 tháng 05 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1 ……… ……… ……… ………

5 ………

Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CÔNG NGHỆ TP HCM Độc lập – Tự – Hạnh phúc

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

TP HCM, ngày … tháng… năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN UY NGHI Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1989 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840008

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế ly hợp dùng truyền động lưu chất từ biến (MR Fluid) II- Nhiệm vụ nội dung:

- Nghiên cứu đặc tính lưu chất từ biến

- Nghiên cứu thiết kế ly hợp dùng truyền động lưu chất từ biến - Nghiên cứu điều khiển ly hợp dùng truyền động lưu chất từ biến - Thực nghiệm đánh giá kết

III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Hưng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác

Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc

Học viên thực Luận văn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tơi xin chân thành cảm ơn Phịng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Cơ Khí – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Cơng Nghệ TPHCM cho tơi có điều kiện học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật làm việc với thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng thực đề tài luận văn tốt nghiệp

Tôi chân thành cám ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng tận tình hướng dẫn, bảo cho tơi suốt thời gian thực đề tài

Tôi chân thành cám ơn quý thầy tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức q báu khóa học vừa qua

TÓM TẮT

ABSTRACT

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh mục từ viết tắt vii

Danh mục bảng viii

Danh mục biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh ix

Chương 1: Giới thiệu 01

1.1 Đặt vấn đề 01

1.2 Tính cấp thiết đề tài 02

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 03

1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài 03

1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 03

1.5.1 Phương pháp luận 03

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 04

1.6 Kết cấu luận văn 04

Chương 2: Tổng quan ly hợp 05

2.1 Khái quát ly hợp 05

2.2 Cơ sở tính toán MRF 08

2.3 Các kiểu hoạt động lưu chất từ biến (MRF) 14

2.4 Các vấn đề cần giải 17

Chương 3: Thiết kế ly hợp dùng lưu chất từ biến 19

3.1 Nguyên lý hoạt động 19

3.2 Tính tốn ly hợp 20

3.2.1 Tính tốn momen truyền động 20

3.2.2 Thiết kế tối ưu ly hợp dùng lưu chất từ biến 21

4.1 Cơ sở tính toán toán điều khiển 24

4.2 Thí nghiệm xác định momen truyền động 25

Chương 5: Kết thực nghiệm 28

5.1 Kết sử dụng mơ hình để khảo sát 28

5.1.1 Khảo sát ban đầu 28

5.1.2 Khảo sát phịng thí nghiệm SSSLap 28

5.2 Nhận xét đánh giá kết thực nghiệm 29

Chương 6: Kết luận 32

6.1 Kết luận 32

6.2 Hướng phát triển 32

Tài liệu tham khảo 33 Phụ lục 1: Các vẽ thiết kế ly hợp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động lưu chất từ biến

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến

Hình 2.3:.Cấu tạo giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

Hình 2.4: Cấu tạo cấu gá động

Hình 2.5: Găng tay MR

Hình 2.6: Cấu tạo van MR

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin ch̃i hạt hình cầu

Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian 12

Hình 2.9: Nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến 13

Hình 2.10: Chế độ van ứng dụng MR 15

Hình 2.11: Chế độ cắt MRF 16

Hình 2.12: Chế độ nén MRF 17

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động ly hợp dùng lưu chất từ biến 19

Hình 3.2: Lời giải tối ưu ly hợp MR thơng thường 23

Hình 4.1: Thiết lập thử nghiệm để kiểm tra momen truyền động ly hợp 25

Hình 4.2: Momen truyền động ly hợp 25

Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ đầu ly hợp 27

Hình 5.1: Mơ hình dùng ở phịng thí nghiệm SSSLap 29

Hình 5.2: Đáp ứng điều khiển ởn định tốc độ hệ thống ly hợp thông qua điều khiển PID 30

Hình 5.3a: Đáp ứng điều khiển tốc độ hệ thống ly hợp thông qua điều khiển PID ở tần số Hz 30

CHƯƠNG

GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề:

Ngày với điều kiện sở vật chất ngày nâng cao, trình độ khoa học kỹ thuật ngày tiến bộ, nhà nghiên cứu ln tìm tịi sáng tạo vật chất có tính hữu dụng với công nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói riêng nhu cầu sống nói chung Đặc biệt với lĩnh vực máy móc cơng nghiệp, chúng ngày cải tiến để hoàn thiện giải toán nhược điểm hệ thống

Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ vấn đề quan trọng bậc nhất, có ảnh hưởng quan trọng định đến tất cấu khác Chính mà việc cải tiến cấu truyền động nhà nghiên cứu quan tâm Có nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động xích, truyền động đai, truyền động bánh răng, truyền động khớp đặc biệt… Mỗi loại truyền động có ưu nhược điểm riêng, tùy vào ứng dụng cụ thể mà chọn cấu truyền động cho phù hợp

Được phát từ cuối năm 1940 Jacob Rabinow, Lưu chất từ biến (MRF) loại lưu chất thông minh thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Tuy nhiên đầu năm 1990, MRF thức đưa vào nghiên cứu phát triển Mặc dù cách thức hoạt động tương tự lưu chất thông minh khác nhiên nhờ vào khả chịu ứng suất chảy cao nên cấu dựa MRF nghiên cứu giảm chấn, phanh, khớp nối ly hợp, van…

1.2 Tính cấp thiết đề tài:

Nhìn chung, cấu thực tế có điểm chung quan trọng điều khiển tốc độ momen đầu trục tải Điều cho thấy, việc điều khiển tốc độ momen đầu trục tải vấn đề quan tâm hàng đầu cơng nghiệp

Với vai trị quan trọng đó, hàng loạt cấu truyền động đời cấu hộp số (truyền động bánh răng), cấu xích, cấu đai,… với tỷ số truyền cố định, điều đồng nghĩa với việc điều khiển vô cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn Hơn nữa, truyền động gặp phải vấn đề ma sát, gây độ mài mịn cao, cộng với việc cấu có cấu tạo từ chi tiết tương đối lớn nên việc lắp đặt vào hệ thống nhỏ gặp nhiều hạn chế

Vấn đề điều khiển tốc độ đầu tải đặt vấn đề giải toán ma sát, toán tỷ lệ truyền nhằm điều khiển vô cấp tốc độ, độ ổn định, độ xác hiệu suất hoạt động cao Với đặc tính lưu chất từ biến, khơng có từ trường tác động, gần chất lỏng, ảnh hưởng tới việc truyền động nhỏ; có từ trường tác động vào, gần hóa rắn, mức độ hóa rắn phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng với tốc độ nhanh (chỉ khoảng 10ms), việc khống chế hay nói khác điều khiển tốc độ trục tải hoạt động với tốc độ đặt có độ ổn định với hiệu suất cao hy vọng cho việc điều khiển tỷ lệ truyền ly hợp mong muốn Vậy với đặc tính ưu việt lưu chất từ biến, liệu có thật đáp ứng toán điều khiển tốc độ đầu ly hợp hay không?

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài:

Nắm bắt đặc tính nguyên lý hoạt động lưu chất từ biến

Thiết kế, tối ưu chế tạo ly hợp dùng lưu chất từ biến

Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ly hợp dùng lưu chất từ biến Ổn định hệ thống

1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài:

Nghiên cứu đặc tính nguyên lý lưu chất từ biến Nghiên cứu, thiết kế tối ưu ly hợp dùng lưu chất từ biến Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID cho ly hợp

Thực nghiệm, nhận xét đánh giá ly hợp dùng lưu chất từ biến 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài:

1.5.1 Phương pháp luận:

Phương pháp nghiên cứu nguyên tắc cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa sở chứng minh khoa học Điều có nghĩa rằng, nghiên cứu khoa học cần phải có nguyên tắc phương pháp cụ thể, mà dựa theo vấn đề giải

Nghiên cứu chế tạo ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo loại ly hợp có độ xác ờn định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống giảm đến mức thấp dựa vào mối quan hệ độ biến thiên từ trường độ rắn lịng lưu chất từ biến, từ tạo tỷ lệ truyền phù hợp Để thực nghiên cứu cần thực hiện:

Tổng hợp nghiên cứu có sẵn nước ngồi nước Phân tích tính tốn hệ thống

Thiết kế tối ưu hóa hệ thống

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp thực để đạt mục tiêu trên:

Nội dung 1: Khảo sát đánh giá nhu cầu việc ứng dụng lưu chất từ biến vào cấu máy móc cơng nghiệp

Phương pháp thu thập thông tin có làm tảng cho nghiên cứu Tìm hiểu báo nước nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến

Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế ly hợp dùng lưu chất từ biến Phương pháp tổng hợp nghiên cứu trước lưu chất từ biến

Phân tích tính tốn lý thuyết hệ thống Thiết kế dựa tính tốn

Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống

Phương pháp tổng hợp nghiên cứu trước điều khiển tự động điều khiển đại

Phân tích tính tốn lý thuyết điều khiển hệ thống Thiết kế điều khiển dựa tính toán lý thuyết Kiểm nghiệm thực nghiệm

Nội dung 4: Thực nghiệm đánh giá kết Phương pháp phân tích hệ thống

Phương pháp đánh giá kết đạt 1.6 Kết cấu luận văn:

Kết cấu luận văn gồm chương Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan ly hợp dùng lưu chất từ biến Chương 3: Thiết kế ly hợp lưu chất từ biến

Chương 4: Thiết kế điều khiển ly hợp MR Chương 5: Kết thực nghiệm

CHƯƠNG

TỔNG QUAN VỀ BỘ LY HỢP

2.1 Khái quát ly hợp:

Ly hợp phận trung gian nằm động hộp số, với nhiệm vụ tách dứt khoát động khỏi hệ thống kết nối êm dịu động với hộp số để thay đổi tốc độ đầu trục tải theo tỷ số truyền xác định 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,… nhìn chung ly hợp phải kết nối với hộp số để thay đổi tốc độ trục tải theo mong muốn Điều dẫn đến việc kết cấu hệ thống phức tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập vấn đề điều khiển vơ cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn Trên sở vấn đề với phát triển lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, ly hợp dùng truyền động lưu chất từ biến nghiên cứu phát triển, kết hợp đặc tính ly hợp với hộp số vơ cấp nhằm tối ưu kích thước khối lượng hệ thống mà vẫn giữ momen xoắn đạt giá trị yêu cầu với thay đổi tốc độ trục tải vô cấp

(a) khơng có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0) Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động lưu chất từ biến

Mặc dù hoạt động tương tự lưu chất điện biến ERF (electrical-rheological fluid) lưu chất sắt, thiết bị MR có suất cao nhiều kích hoạt Với ưu điểm này, gần có nhiều nghiên cứu thiết kế tối ưu thiết bị sử dụng MRF phanh MR, giảm chấn MR, cấu gá động dùng MR, gang tay MR, van điều tiết MR,…

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến

Cuộn dây Lưu chất từ biến Vỏ Từ trường

Hình 2.3: Cấu tạo giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

Hình 2.4: Cấu tạo cấu gá động Hình 2.5: Găng tay MR

Piston thả nởi Buồng chứa gas

Đường dẫn piston Dòng lưu chất MR

Vỏ giảm chấn Vỏ piston Lõi piston

Mạch từ Cuộn dây

Lưu chất MR