Chương 3 GIẢM CHẤN SMA
3.3 Mơ hình hóa giảm chấn SMA
3.3.1 Đặc tính lị xo SMA
Hình 3.2 mơ tả hệ thống thí nghiệm xác định đặc tính của lị xo SMA. Hai miếng lót cách nhiệt được sử dụng để ngăn sự tiếp xúc trực tiếp giữa lò xo SMA và các bộ phận kế cận. Bộ cấp nguồn một chiều cung cấp cho lò xo một dòng điện đủ lớn để quá trình chuyển pha Austenite xảy ra hoàn toàn. Dữ liệu lực và nhiệt độ được đo bởi cảm biến lực và cảm biến nhiệt độ, sau đó gửi đến máy tính thơng qua hệ thống DAQ. Trong nghiên cứu này, ba mẫu lò xo SMA sản xuất bởi SAES® Getters Group (SmartFlex ® SMA spring) được tiến hành thử nghiệm. Kích thước hình học của các lị xo được cho trong Bảng 3.1.
Ứng xử thực nghiệm lực – nhiệt độ – thời gian của ba mẫu lị xo SMA được trình bày trong Hình 3.3. Từ hình vẽ, có thể thấy lực phát động của lị xo SMA tăng theo
Chương 3: Giảm chấn SMA
thái ổn định, lực phát động cực đại của ba lò xo lần lượt xấp xỉ 8,3, 13,8 và 28,1 N. Ba lò xo hầu như đạt trạng thái bão hòa lực tại các thời điểm đáp ứng 20, 26 và 53 giây, cho thấy nhiệt độ kết thúc chuyển pha Austenite tương ứng của ba lò xo là khoảng 50, 60 và 80°C. Từ các kết quả, có thể nhận thấy đáp ứng của lị xo phát động SMA khá chậm, chủ yếu do thời gian chuyển pha của vật liệu SMA và đáp ứng nhất thời theo thời gian của nhiệt độ kích thích. Lị xo 1 thể hiện khả năng đáp ứng nhanh nhất nhưng lực phát động thấp nhất, cịn lị xo 3 thì ngược lại. Xét về yếu tố kích cỡ giảm chấn, lò xo 2 là sự lựa chọn tốt nhất. Từ các dữ liệu phân tích, q trình thiết kế giảm chấn SMA được tiến hành.
3.3.2 Thiết kế giảm chấn SMA
Trong phần này, giảm chấn SMA được thiết kế dựa trên mơ hình cân bằng lực và phương trình động lực học của khối lồng giặt đã trình bày ở Mục 2.3 (Chương 2).
Hình 3.2: Hệ thống thí nghiệm xác định đặc tính lị xo SMA. Bảng 3.1: Kích thước hình học của các mẫu thử lị xo SMA.
Lị xo Đường kính danh nghĩa Đường kính dây Chiều dài
1 9 0,8 15
2 6 1,2 20
Chương 3: Giảm chấn SMA
Hình 3.4 minh họa hệ lực cân bằng tác động lên các bộ phận của giảm chấn khi lị xo SMA được kích hoạt.
Lị xo SMA được cấp nhiệt sẽ tạo ra lực FSMA đẩy bộ phát động sang phải làm cho bốn miếng nêm dịch chuyển ra ngoài. Với thiết kế ống trục được bôi trơn ở bề mặt trụ trong, lực ma sát giữa bộ phát động và ống trục rất bé nên có thể bỏ qua. Tại vị trí tiếp xúc giữa bốn miếng nêm và bộ phát động, lực FSMA cân bằng với lực Fspr của lò xo hồi phục và tổng lực do bốn miếng nêm tác động lên bộ phát động Fw.
Phương trình cân bằng theo phương dọc trục
sin 0
SMA spr w
F −F −F = (3.1)
trong đó α là góc cơn của miếng nêm. Lực Fspr của lị xo hồi phục được tính bởi
tg w spr spr spr spr F k k = = (3.2)
với kspr và ∆spr lần lượt là độ cứng và chuyển vị của lò xo hồi phục, ∆w là chuyển vị
Chương 3: Giảm chấn SMA
của vỏ hộp, phản lực FN được sinh ra tác động ngược lại bốn miếng nêm. Bỏ qua lực ma sát rất bé giữa bốn miếng nêm và ống trục, phương trình cân bằng tại vị trí tiếp xúc giữa bốn miếng nêm và vỏ hộp theo phương hướng kính được thiết lập
cos 0
N w
F −F = (3.3)
Lực ma sát giữa bốn miếng nêm và vỏ hộp được xác định
f N
F =F (3.4)
với µ là hệ số ma sát giữa vật liệu làm miếng nêm và vật liệu làm vỏ hộp. Lực ma sát này cũng chính là lực giảm chấn kích hoạt của giảm chấn SMA. Kết hợp các phương trình (3.1 – 3.4), lực giảm chấn Fd được tính tốn ctg tg w d SMA spr F F k = − (3.5)
Trong nghiên cứu này, bốn miếng nêm và vỏ hộp được làm bằng thép C45 thương mại có hệ số ma sát µ là 0,65, góc cơn của miếng nêm α là 10°, độ cứng lò xo hồi phục kspr là 5 N/mm và khe hở ban đầu giữa các miếng nêm và vỏ hộp có bề dày 0,2 mm. Từ quan điểm cân bằng giữa các yếu tố lực phát động, thời gian chuyển trạng thái và kích cỡ giảm chấn, lị xo SMA 2 được chọn cho thiết kế. Để đạt được lực giảm chấn cần thiết Fr là 80 N ở tần số cộng hưởng (Mục 2.5, Chương 2), cần sử dụng hai lị xo SMA. Khi đó lực giảm chấn kích hoạt có thể đạt đến 80,8 N.
Chương 3: Giảm chấn SMA