Mô phỏng, đánh giá hiệu quả dập tắt dao động của giảm chấn từ trường trên mô hình hệ thống treo ¼

Bài báo tập trung phân tích và so sánh đặc tính làm việc của giảm chấn từ trường đối với hai mô hình tham số Dahl và Bou-wen. Việc xác định các thông số mô phỏng trên hai mô hình Dahl và Bouwen được thực hiện thủ công, đánh giá tính chính xác các thông số này bằng cách so sánh với thực nghiệm xác định đặc tính của giảm chấn trên thiết bị đo chuyên dụng.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ DẬP TẮT DAO ĐỘNG CỦA GIẢM CHẤN TỪ TRƯỜNG TRÊN MƠ HÌNH HỆ THỐNG TREO ¼ SIMULATING AND EVALUATING THE OSCILLATION KILLER EFFICIENCY OF THE MAGNETO-RHEOLOGICAL DAMPERS IN THE QUARTER-CAR MODEL NGUYỄN TRUNG KIÊN1,2,*, ĐÀM HỒNG PHÚC1, LẠI NĂNG VŨ3 Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Cục Xe máy, Bộ Quốc phòng *Email liên hệ: kien.nguyentrungspkt@gmail.com Tóm tắt Bài báo tập trung phân tích so sánh đặc tính làm việc giảm chấn từ trường hai mơ hình tham số Dahl Bou-wen Việc xác định thông số mô hai mơ hình Dahl Bouwen thực thủ cơng, đánh giá tính xác thơng số cách so sánh với thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn thiết bị đo chuyên dụng Ngồi ra, báo cịn đánh giá hiệu dập tắt dao động giảm chấn từ trường mơ hình hệ thống treo ¼ sử dụng đầu vào mấp mơ mặt đường dạng bậc Từ đó, nhóm tác giả đưa mơ hình tham số sử dụng mô hoạt động hệ thống treo sử dụng giảm chấn từ trường Từ khóa: Giảm chấn từ trường, mơ hình Dahl, mơ hình Bou-wen, hệ thống treo ¼ Abstract This paper analyzes and compares the features of magnetic dampers using Dahl and Bouc-Wen models The simulated parametric identification of the Dahl and Bouc-Wen is made manually The accuracy of these parameters is evaluated by comparing with the experiment data In addition, the paper evaluates the oscillation killer efficiency of the magnetic damper in the ¼ suspension system model with step input Then, the parametric model in the simulation of suspension system using magneto-rheological dampers will be demonstrated Keywords: Magneto-rheological dampers, Dahl model, Bouc-Wen model, quarter-car model Mở đầu Một số vật liệu thơng minh có khả chuyển từ thể lỏng sang thể rắn gần đặt gần nam châm Chất lỏng Magneto Rheological (MR) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) loại chất lỏng lưu biến đặc tính kiểm sốt cách thay đổi từ tính kích thích bên ngồi Việc phát chất lỏng MR công nhận Rabinow (1948) Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ Các hạt chất lỏng MR có phạm vi từ 3÷5 micron, hạt từ tính (chủ yếu sắt) lơ lửng chất lỏng dầu khoáng, dầu tổng hợp, nước etylen glycol, Chất lỏng đóng vai trị mơi trường phân tán, đảm bảo đồng hạt chất lỏng Các chất phụ gia (bao gồm chất ổn định chất hoạt động bề mặt) sử dụng chất lỏng MR để ngăn chặn lắng xuống tác dụng trọng trường thúc đẩy ổn định hạt, chất ổn định để giữ hạt lơ lửng chất lỏng Khi khơng có từ trường xun qua chất lỏng MR, hạt màu phân tán ngẫu nhiên môi trường (Hình 1a) Khi có từ trường, hạt bắt đầu chuyển động để tự xếp dọc theo đường từ thơng Hình 1b Hình 1c cho thấy hình thành chuỗi kim loại, tạo độ nhớt lớn (Ashwani Mangal, 2010a) Vì thay đổi gần xảy lập tức, nên chất lỏng MR giải pháp hiệu cho ứng dụng điều khiển theo thời gian thực, như: giảm chấn, phanh, ly hợp, giá đỡ động cơ,… Hình Minh họa hoạt động chất lỏng MR Việc nghiên cứu hoạt động giảm chấn MR thực chất quan sát vòng từ trễ vật liệu từ tính, từ hóa chất lỏng lưu biến từ tính Trong nghiên cứu [1-5], chất lỏng MR sử dụng thiết kế giảm chấn, nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu mơ hình tham số biểu diễn hoạt động giảm chấn MR Trong nghiên cứu [7], mơ hình giảm chấn MR mơ thơng qua mơ hình Bouc223 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Wen kết hợp với điều khiển PID tự điều chỉnh cho mơ hình hệ thống treo tích cực Các nghiên cứu chưa có thực nghiệm xác định tính xác mơ hình mơ phỏng, xác định tham số vòng trễ phức tạp, cần thêm nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm việc xác định đặc tính giảm chấn MR Trong báo này, chúng tơi đưa hai mơ hình tham số mơ giảm chấn MR, việc thử nghiệm đánh giá thơng số vịng lặp trễ thực thiết bị xác định đặc tính giảm chấn, đối tượng sử dụng giảm chấn MR hệ thống treo trước, sử dụng ô tô Honda Acurra 2011 tập đồn BWI sản xuất Ngồi ra, nhóm tác giả lựa chọn mơ hình giảm chấn MR mơ so sánh hiệu dập tắt giảm chấn MR mơ hình hệ thống treo ¼ tác dụng dịng điện điều khiển khác Mơ hình giảm chấn MR Vận tốc y xác định theo công thức: y= a z + c0 x + k ( x - y c0 + c1 Mối quan hệ tham số a, c0, c1 điện áp điều khiển u tuyến tính: ì a = a a + abu ï íc0 = c0 a + c0b u ïc = c +c u ỵ 1a 1b (3) Biến z xác định: z = -g x - y z z n -1 -b x - y z + A x - y n Bảng Thơng số mơ hình Bouc-Wen Tham số k0 A;b;g;n I 2.1 Mơ hình giảm chấn MR theo Bouc-Wen Giảm chấn MR theo Bouc-Wen tổ hợp bao gồm: phần tử lò xo (độ cứng k1), giảm chấn thụ động (hệ số cản giảm chấn c1) mơ hình tham số trễ BoucWen, mơ hình tham số trễ Bouc-Wen lại bao gồm phần tử tương tự nhỏ như: lò xo (độ cứng k0), giảm chấn thụ động (hệ số cản giảm chấn c0) vịng lặp Bouc-Wen Sơ đồ biểu diễn mơ hình giảm chấn MR theo Bouc-Wen biểu thị Hình (2) C0a;C0b;a0a;a0b Giá trị 300 1;0;1;2 0.25 4400; 442; 10872; 9616 Đơn vị N/m A 2.2 Mơ hình giảm chấn MR theo Dahl Mơ hình giảm chấn MR theo Dahl Dahl đề xuất độc lập để mô tả diễn biến ma sát Bouc (1971) xây dựng để thể hiện tượng trễ Mơ hình Dahl sử dụng nghiên cứu dựa mô hình đề xuất Aguirre et al (2008) Mơ hình Dahl thể Hình Hình Mơ hình Dahl Lực giảm chấn bị ảnh hưởng tham số hình dạng vịng lặp trễ (K, Kwa, K wb) hệ số trễ động (w) Phương trình (4) (5) mơ tả mơ hình Dahl: Hình Mơ hình Bouc-Wen Phương trình xác định lực giảm chấn sau: F = c1 y + k1 (x - x0 ) (1) Với x: Dịch chuyển giảm chấn; y: Dịch chuyển giảm chấn theo vòng lặp Bouc-Wen; k1: Đại diện cho độ cứng tích (phần tử khí); c0 c1 đại diện cho giảm chấn tương ứng quan sát mức vận tốc cao thấp, k0 biểu thị kiểm soát độ cứng vận tốc lớn x0 dịch chuyển piston ảnh hưởng tích năng, giá trị vòng lặp trễ:g,b,A,n 224 f (t ) = k x [v(t )]x(t ) + kw[v(t)]w(t ) (4) w(t ) = r[v(t )] x(t ) - x(t ) w(t ) (5) Trong đó: f(t): Lực giảm chấn; x(t ) : Vận tốc piston; v(t): Dịng điện điều khiển; w: Mơ tả diễn biến phi tuyến giảm chấn; (t): Thời gian; hệ số ma sát nhớt Kx, hệ số ma sát khô Kw tham số r phụ thuộc SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 vào dịng điện Khi dịch chuyển đủ lớn w(t ) » , (4) trở thành: k k (6) Bảng Tham số mơ hình Dahl Tham số Giá trị Đơn vị Dòng điện điều khiển: i Tham số trễ: k, kwa, kwb, r 5; 80; 80; 1500 A Mơ hình tốn học hệ thống treo ¼ 3.1 Mơ hình hệ thống treo ¼ a) Thụ động f: Lực điều khiển Giá trị thơng số mơ hình ¼ thể Bảng Bảng Thông số hệ thống treo ¼ Tham số ms mu ks kt cs Giá trị 450 48 28500 293900 2700 Đơn vị kg kg N/m N/m Ns/m 3.2 Mơ hình hóa hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR Sơ đồ hệ thống treo ¼ có trang bị giảm chấn MR thể Hình Trên mơ hình phần tử giảm chấn thụ động thay giảm chấn MR hệ số cản giảm chấn cs Vì vậy, lúc hệ thống treo cịn thông số ks fMR (fMR: Lực đầu giảm chấn MR) b) Bán thụ động Hình Mơ hình hệ thống treo ¼ Mơ hình hệ thống treo ¼ thụ động bán tích cực thể Hình Các phương trình chuyển động hệ thống thể theo công thức (7) (8) a Hệ thống treo thụ động ìms z s + cs ( zs - zu ) + ks ( zs - zu ) = (7) í ỵmu zu - cs ( zs - zu ) - k s ( zs - zu ) + ku zu = ku r b Hệ thống treo bán tích cực ìms zs + cs ( zs - zu ) + ks ( z s - zu ) = f (8) í ỵmu zu - cs ( zs - zu ) - k s ( zs - zu ) + ku zu = - f + ku r Trong đó: zs , zs , zs : Dịch chuyển, vận tốc gia tốc khối lượng treo; zu , zu , zu : Dịch chuyển, vận tốc gia tốc khối lượng không treo; ks,ku: Độ cứng phần tử lò xo độ cứng lốp; cs: hệ số cản giảm chấn; r: Biên dạng mặt đường; SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Mơ hình hệ thống treo ¼ với giảm chấn MR Từ phương trình (8) kết hợp với giảm chấn MR ta có phương trình sau: ìms zs = -ks ( z s - zu ) - f MR (9) í ỵmu zu = ks ( z s - zu ) - kt ( zu - zr ) + f MR Trong đó: fMR: Lực giảm chấn MR sinh Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR 4.1 Sơ đồ thiết bị Thiết bị thí nghiệm chế tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thiết bị hoạt động đảm bảo độ xác, êm tin cậy Hình dáng tổng thể thiết bị biểu thị Hình 225 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 4.2 Kết thực nghiệm Thực nghiệm xác định lực cản giảm chấn với đầu vào dao động hình sin biên độ 5cm, pha dao động 2p Dao động tạo cấu trục khuỷ - Hình Thiết bị thí nghiệm động lực học giảm chấn Động cơ; Bộ piston xylanh; Giảm chấn MR; truyền Việc xác định chuyển vị vận tốc dao động thông qua Encoder, lực giảm chấn đo Loadcell Kết nối đo máy tính qua cổng USB, giao diện hiển thị đặc tính: F-t, F-v, F-x Kết lưu dạng file excel Kết đo thực nghiệm thể Hình Nhận xét: Ở chu kì dao động, biên độ lực giảm chấn tăng theo giá trị dịng diện kích thích, dịng điện tăng từ 0,1A lên 1A lực giảm chấn từ 200N lên 380N, điều cho thấy ảnh hưởng dòng điện đến đặc tính làm việc giảm chấn giá trị dòng điện khác Khi tăng dòng điện kích thích lực trạng thái trả giảm chấn tăng mạnh với độ biến thiên lớn, chu kì nén, lực thay đổi phạm vi nhỏ (từ -207N đến -234N) Điều cho thấy dịng điện có ảnh hưởng lớn đến q trình trả giảm chấn Hộp giảm tốc; 5.Trục khuỷu; Cảm biến lực loadcell; Hộp điều khiển; Encoder; Công tắc nguồn; 10 Bộ cấp nguồn a) F-t a) F-t b) F-v Hình Đặc tính giảm chấn mơ thực nghiệm dịng điện điều khiển 0,25V b) F-v Mô hệ thống treo ¼ có trang bị giảm chấn MR 5.1 Đánh giá mô với thực nghiệm Mô thực nghiệm sử dụng tín hiệu giả lập đầu vào dạng hình sin, biên độ 5cm, tần số 2p Kết so sánh mơ với thí nghiệm dịng điện điều khiển 0,25A biểu thị Hình c) F-x Hình Đặc tính lực ứng với dịng điện cấp khác 226 Kết đồ thị cho thấy, đặc tính giảm chấn theo mơ hình Bouc-Wen cho kết gần với thực nghiệm so với mô hình Dahl Vì vậy, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 nghiên cứu giảm chấn MR, nên sử dụng mơ hình tham số Bouc-Wen, thông số mô mô hình Bouc-Wen theo Bảng tương đối phù hợp 5.2 Mơ hoạt động hệ thống treo ¼ có trang bị giảm chấn MR Bảng Phương án mô hệ thống treo với giảm chấn MR Phương án Đầu vào Dịng điện Tiêu chí (A) đánh giá Nhấp nhô Biên độ, tần mặt đường 10 số dao động xung vuông thân xe xung vuông để xem xét phản ứng hệ thống treo đến dao động thân xe tác dụng dòng điện cấp vào giảm chấn MR khác Tiêu chí đánh giá biên độ dao động lớn thân xe Kết mô trình bày Hình Đặc tính F-v, F-x thể Hình 10 Nhận xét: Hiệu dập tắt dao động thân xe có dịng điện điều khiển vào giảm chấn cao hẳn so với khơng điều khiển (thụ động) Ứng với dịng điện điều khiển nhỏ biên độ dao động giảm nhiều tần số dao động lớn, tăng dịng điện điều khiển khả dập tắt dao động cao, mặt biên độ tần số Mặt khác, khơng cấp dịng điện cho giảm chấn, lực giảm chấn không 0, lúc giảm chấn MR hoạt động giảm chấn thụ động Bởi vì, thực tế độ nhớt chất lỏng nguyên nhân gây hiệu ứng giảm chấn giảm chấn trạng thái tắt Nó tương đương với trạng thái điều khiển bị hỏng, cuộn dây điện từ hoạt động sai chức hệ thống làm việc khơng an tồn Kết luận Hình So sánh dịch chuyển thân xe a) F-x b) F-v Hình 10 Lực giảm chấn hệ thống treo ¼ Bài báo tập trung phân tích lý thuyết xây dựng mơ hình giảm chấn MR (tập trung vào mơ hình Bouc-Wen) mơ hình hệ thống treo ¼ có sử dụng giảm chấn MR, tiến hành xác định phù hợp thông số mô thông qua thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn MR hệ thống treo trước tơ Honda Acurra 2011 phịng thí nghiệm Mơ hoạt động hệ thống treo ¼ có giảm chấn MR với dòng điện điều khiển 5A 10A Việc đánh giá hiệu dập tắt dao động thông so sánh dịch chuyển thân xe (Hình 9) cho thấy ưu điểm vượt trội giảm chấn MR khả dập tắt dao động hệ thống treo Đồng thời, nhóm tác giả xây dựng đồ thị F-v, F-x nhằm mục đích quan sát đặc tính động lực học giảm chấn MR hệ thống treo ¼ Từ kết trên, người dùng kiểm soát lực giảm chấn giảm chấn MR cách thay đổi dòng điện cung cấp đầu vào cho cuộn dây từ Đây bước cần thiết nghiên cứu thuật toán phát triển điều khiển hệ thống treo bán tích cực có trang bị giảm chấn MR TÀI LIỆU THAM KHẢO Để đánh giá hoạt động hệ thống treo có trang bị giảm chấn MR, xây dựng phương án mô Bảng Trong phạm vi nghiên cứu sử dụng xung đầu vào tác động theo dạng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [1] Mitu A.M., Popeescu I., Sireteanu T., Mathematical modeling of semmi-active control with application to building seismic protection, BSG Proceedings, Vol.19, pp.88-99, 2012 227 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 [2] Sapinski B.,Magneto-rheological dampers in vibrational control of mechanical structures, Mechanics Vol.28, No1 pp/18-25, 2009 [3] Braz Cesar M., R Carneiro de Barros R., Properties and Numerical Modeling of MR dampers, 15 th international conference on experimental mechanics, Porto, Portugal, 2012 [4] Zhang H., et al., Study on the design, test and simulation of a MR damper with two-stage electromagnetic coil, www.paper.edu.cn - viewed on March 13, 2016, 2004 [7] Mat Hussin Ab Talib, Intan Z Mat Darus, 2013, Self-tuning PID Controller with MR damper And Hydraulic Actuator For Suspension System, Fifth International Conference on Computational Intelligence, Modeling and Simulation, IEEEComputer Society, DOI 10 1109/CIMSim.2013.27, pp 119-124 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 29/7/2021 09/8/2021 [5] Eshkabilov S., Grimheden M.,, Car seat damper controller design with magneto-rheological fluids, Int Conf., Nov.2015, Navoi, Uzbekistan, 2015 [6] Lee T.Y., Kawashima K., Chen P.C Experimental and Analytical Study on a Nonlinear Isolated Bridge under Semiactive Control, 14th World Conference on Earthquake Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China, 2008 228 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... giảm chấn MR) b) Bán thụ động Hình Mơ hình hệ thống treo ¼ Mơ hình hệ thống treo ¼ thụ động bán tích cực thể Hình Các phương trình chuyển động hệ thống thể theo công thức (7) (8) a Hệ thống treo. .. giảm chấn MR Sơ đồ hệ thống treo ¼ có trang bị giảm chấn MR thể Hình Trên mơ hình phần tử giảm chấn thụ động thay giảm chấn MR hệ số cản giảm chấn cs Vì vậy, lúc hệ thống treo cịn thơng số ks... giảm chấn MR hệ thống treo trước, sử dụng ô tô Honda Acurra 2011 tập đoàn BWI sản xuất Ngoài ra, nhóm tác giả lựa chọn mơ hình giảm chấn MR mô so sánh hiệu dập tắt giảm chấn MR mơ hình hệ thống treo