Luận văn thạc sĩ: Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

Chia sẻ: Le Tan Kiep | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

118
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo luận văn thạc sĩ với chuyên đề "Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh", giúp các bạn bổ sung kiến thức và vận dụng vào bài luận văn cùng chủ đề của mình được tốt hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM ------------------------- PHÒNG CÚN PẨU THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ĐẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – Điện Tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM ------------------------- PHÒNG CÚN PẨU THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ĐẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – Điện Tử Mã số ngành: 60520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUỐC HƯNG
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………………………………………. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày …… tháng …… năm ……. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) 1. …………………………………………………………… 2. …………………………………………………………… 3. …………………………………………………………… 4. …………………………………………………………… 5. …………………………………………………………… Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đ ược s ửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐẠI HỌCCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCMĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC PHÒNG QLKH – ĐTSĐH TP.HCM, Ngày Tháng Năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: .................................................................Giới tính: ............................. Ngày, tháng, năm sinh: .......................................................Nơi sinh: ............................. Chuyên ngành: ....................................................................MSHV: .......................... I- Tên đề tài: II- Nhiệm vụ và nội dung: III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
6 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới s ự hướng d ẫn của TS.Nguyễn Quốc Hưng, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Phòng Cún Pẩu
7 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt, giúp tôi trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi có thể hoàn thành khóa học. Tôi xin gửi đếnTS. Nguyễn Quốc Hưng lòng tri ân sâu sắc nhất; khoảng thời gian làm luận văn tuy không nhiều nhưng những kiến thức quý báu của thầy đã giúp em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị lớp 12SCD11 đã cùng tôi sát cánh trong suốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không dài nhưng cũng để lại nhiều kỉ niệm không thể phai mờ. Phòng Cún Pẩu
8 TÓM TẮT Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến (MRB), hình dạng của vỏ phanh ảnh hưởng rất đáng kể đến đặc tính hoạt động của phanh. Trong nghiên cứu này, các hình dạng khác nhau của vỏ phanh như hình chữ nhật, hình đa giác, spline sẽ được xét đến và tìm ra hình dạng thích hợp nhất. Trong nghiên cứu này, sau phần giới thiệu về l ưu chất từ biến và ứng dụng, các MRB với hình dạng khác nhau của vỏ phanh được giới thiệu và momen phanh được xác tính toán dựa trên thuộc tính Bingham của lưu chất từ biến. Từ đó bài toán thiết kế tối ưu MRB với các hình dạng khác nhau của vỏ phanh sẽ được thực hiện. Bài toán tối ưu nhằm tìm ra giá trị kích thước tối ưu của phanh sao cho phanh có thể tạo ra lực phanh theo yêu cầu trong khi khối lượng phanh là nhỏ nhất. Công cụ tối ưu kết hợp với phương pháp phân tử hữu hạn được sử dụng để tìm ra kết quả tối ưu của MRB. Từ kết quả đạt được, hình dạng thích hợp nhất của vỏ phanh sẽ được xác định dựa trên khối lượng giảm đi của phanh.
9 ABSTRACT In design of magneto-rheological brake (MRB), it is well-known that the shape of the brake envelope significantly affects to performance characteristics of the brake. In this study, different shapes of MR brake envelop such as rectangular, polygon, spline shape of the envelope are considered and from which the most suitable shape is identified. The MRBs with different shapes of the envelope are introduced followed by the derivation of the braking torque based on Bingham-plastic behavior of the magneto-rheological fluid (MRF). Optimal design of the MRB with different shapes of the envelope is then performed. The optimization problem is to find optimal value of significant geometric dimensions of the MRBs that can produce a certain required braking torque while their mass is minimized. A finite element analysis integrated with an optimization tool is employed to obtain optimal solutions of the MRBs. From the results, the most suitable shape of the brake envelope is identified and discussed with the reduction of mass
10 MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục ........................................................................................................................v Danh mục các từ viết tắt...........................................................................................vii Danh mục các bảng ...................................................................................................vii Danh mục các hình ảnh ...........................................................................................viii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................1 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ....................................................................1 1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài ....................................................................1 1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài .............................................................2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN ......................................4 2.1. Lịch sử nghiên cứu .........................................................................................4 2.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................5 2.3. Ứng dụng.........................................................................................................6 2.3.1. Phanh ly hợp............................................................................................6 2.3.2. Giảm chấn..............................................................................................8 2.3.3. Khối gá động cơ.....................................................................................9 2.3.4. Haptics...................................................................................................11 2.3.5. Valve......................................................................................................12 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯU CHẤT TỪ BIẾN..........................14 3.1. Giới thiệu chung............................................................................................14 3.2. Mô hình Bingham...........................................................................................14
11 3.3. Mô hình Herchel-Berkerly.............................................................................15 CHƯƠNG 4: PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN VỚI CÁC HÌNH DẠNG VỎ PHANH ............................................................................................................................17 4.1. Các dạng vỏ phanh........................................................................................17 4.2. Mô hình toán của phanh lưu chất từ biến...................................................21 4.3. Các phương pháp giải bài toàn từ trường của phanh.................................25 4.3.1. Phương pháp giải tích..........................................................................25 4.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn...........................................................27 4.3.3. Các mô hình FEM để giải các phanh lưu chất từ biến trong nghiên cứu này sử dụng ANSYS.................................................................................................30 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH...........................................................31 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ................................46 6.1. Mô hình thực nghiệm....................................................................................46 6.2. Kết quả thí nghiệm.......................................................................................49 6.3. Nhận xét và đánh giá kết quả......................................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................51
12 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MRF Lưu chất từ biến MRB Phanh lưu chất từ biến FEA Phân tích phần tử hữu hạn FEM Phương pháp phần tử hữu hạn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 5. Đặc tính từ các bộ phận của phanh Bảng 5. Tính chất lưu biến của lưu chất từ biến
13 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường Hình 2.2 Cấu tạo cơ bản của MRB Hình 2.3Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến Hình 2.4Cấu tạo cơ cấu gá động cơ Hình 2.5 Găng tay MR Hình 2.6 Cấu tạo van MR Hình 3.1 Biểuđồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham Hình 4.1 Kết cấu MRB dạng đĩa Hình 4.2 Kết cấu MRB dạng tang trống Hình 4.3 Kết cấu MRB dạng kết hợp Hình 4.4 MRB dạng kết hợp với 2 cuộn dây Hình 4.5 MRB dạng kết hợp có 2 cuộn dây với rotor dạng chữ T Hình 4.6 phần tử MRF trong khe lưu chất Hình 4.7 Đường cong B-H của thép silic và MRF Hình 4.8 Lưu đồ thiết kế tối ưu thiết bị MRF sử dụng FEM Hình 4.9 Mô hình FEM để giải bài toán từ trường của MRB Hình 5.1 MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật Hình 5.1MRB biên dạng vỏ đa giác 5 cạnh Hình 5.3 MRB biên dạng vỏ đa giác 7 cạnh Hình 5.4 MRB biên dạng vỏ spline Hình 5.5 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật Hình 5.6 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình đa giác 5 cạnh Hình 5.7 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình đa giác 7 cạnh Hình 5.8 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ Spline Hình 5.9 Tương quan giữa khối lượng và momen phanh sử dụng chất lưu MRF-132-DG
14 Hình 5.10 Tương quan giữa khối lượng và momen phanh sử dụng chất lưu MRF-140- DG Hình 6.1 Bản vẽ Phanh biên dạng vỏ Spline Hình 6.2 Bản vẽ MRB biên dạng vỏ Spline Hình 6.3 Mô hình thí nghiệm phanh MR tại phòng thí nghiệm SSSLab Hình 6.4 Kết quả thực nghiệm đo momen phanh
15 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 40 của thế kỉ 20, tuy nhiên cho đ ến đầu những năm 1990, MRF mới chính thức được đưa vào nghiên cứu và phát triển. Ngày nay, cụm từ “Lưu chất thông minh” (Smart fluid) đã không còn xa lạ đối với các nhà khoa học khi nó ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Khi nói đến l ưu chất thông minh, ta thường nhắc đến lưu chất MR và lưu chất ER; mặc dù cách thức hoạt động của chúng tương tự nhau; tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng t ương đ ối nhiều hơn như giảm chấn, phanh, khớp nối li hợp[1,2]… 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Phanh lưu chất từ biến đã và đang dần dần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rải đặc biệc trong lĩnh vực ô tô. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu trên phanh lưu chất từ biến đều tập trung vào phanh có biên dạng mặt cắt hình chữ nhật. Vậy, câu hỏi được đặt ra là liệu có phải hình dáng hiện tại của vỏ phanh là tối ưu nhất hay không? Để trả lời câu hỏi trên, đề tài sẽ xét đến một số biên dạng khác nhau của vỏ phanh như poligon, spline, từ đó tìm ra thiết kế tối ưu nhất của vỏ phanh mà vẫn đảm bảo tính năng hoạt động của phanh. Việc xác định hình dạng nào của vỏ phanh là tối ưu hơn sẽ đ ược dựa trên kh ối lượng tối ưu của phanh ứng với lực phanh tương ứng. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Thiết kế tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh. Đề xuất hình dạng tối ưu cho vỏ phanh 1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài Với mục tiêu đã đặt ra, đề tài sẽ tập trung vào một số nội dung sau: - Tìm hiểu về phanh lưu chất từ biến
16 - Xây dựng bài toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến với các hình dạng khác nhau của vỏ phanh. - Giải bài toán tối ưu dựa trên công cụ tối ưu của phương pháp phần tử hữu hạn - Tổng hợp kết quả tối ưu - Thực nghiệm kiểm chứng kết quả 1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài 1.5.1 Phương pháp luận Thiết kế tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh là nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng vỏ phanh đ ến khả năng hãm mô men của phanh lưu chất từ biến 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng để đạt được mục tiêu đã đề ra: - Nội dung 1: Tìm hiểu các loại phanh lưu chất từ biến + Thu thập các tài liệu nghiên cứu liên quan đến MRB + Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước liên quan đến MRB - Nội dung 2: Xây dựng bài toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến v ới các hình dạng khác nhau của vỏ phanh + Dựa trên những tài liệu thu thập được, lần lược xây dựng bài toán thiết kế phanh với các hình dạng vỏ phanh khác nhau được đề xuất là hình chữ nhật, hình đa giác và spline - Nội dung 3: Giải bài toán tối ưu + Bài toán được giải dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn từ đó xác đ ịnh hình dạng nào sẽ tạo ra mô men hãm tối ưu nhất. - Nội dung 4: Tổng hợp kết quả tối ưu + So sánh các kết quả thu được dựa trên mô men hãm và khối l ượng tối thi ểu có thể đạt được của từng kiểu vỏ phanh - Nội dung 5: Thực nghiệm kiểm chứng kết quả
17 + Kết quả tối ưu được kiểm chứng thực nghiệm chế tạo đối với hình dạng vỏ phanh tối ưu nhất sau đo sẽ kiểm chứng lại momen phanh có đạt yêu cầu đ ề ra hay không. + Sơ đồ thử nghiệm gồm có các bộ phận chính : động cơ để tạo ra momen quay, bộ cảm biến đo momen và phanh lưu chất từ biến
18 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN 2.1. Lịch sử nghiên cứu 2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay trên thế giới đã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan đến lưu chất t ừ biến - Kerem Karakoc, Edward J. Park *, Afzal Suleman(2008) với bài báo “Design considerations for an automotive magnetorheological brake”đã nghiên cứu thiết kế MRB sử dụng cho ô tô. - Park, E.J., L. Falcao da Luz, and A. Suleman(2008) với bài báo “Multidisciplinary Design Optimization of an Automotive Magnetorheological Brake” cũng tập trung vào MRB sử dụng trong ô tô 2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Do còn hạn chế về mặt tiếp cận và ứng dụng công nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước còn hạn chế, chỉ có một số ít tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này như là sự khởi đầu về nghiên cứu MRF trong nước. - Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Ngọc Điệp, Nguyễn Viễn Quốc, Lăng văn Thắng đã có bài viết “Thiết kế tối ưu cơ cấu gá động cơ có lực nhớt lớn dùng lưu chất từ biến”, đã nghiên cứu về ứng dụng MRFtrong cơ cấu gá động cơ. Bài nghiên cứu “Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến không dùng ống cách từ” đã tối ưu hóa kích thước của phanh. Ngoài ra các tác giả trên cũng có nhiều nghiên cứu chung với các tác giả nước ngoài khác liên quan đến lưu chất từ biến như bài báo: Selection of magnetorheological brake types via optimal design considering maximum torque and constrained volume, Smart Mater. Struct. 21(1), 2012, pp. 015012 do hai tác giả Q. H. Nguyen and S. B. Choi đã đề cập đến việc chọn lựa phanh lưu chất từ biến bằng việc tối ưu thiết kế xét đến mô men cực đại và thể tích cho trước…
19 2.2. Nguyên lý hoạt động Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thông minh, bao gồm Hydrocarbon tổng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hạt từ tính. Thêm vào đó, để loại bỏ sự kết tủa của các hạt có khối l ượng lớn khi MRF ở trạng thái lỏng, chất hoạt tính bề mặt, hạt nano, hạt nano từ hóa, 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 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 có tác dụng của từ trường ngoài, lưu chất không còn 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 có khả năng chống phá vỡ liên kết. Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài đưa vào. Hình 2. Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của MRF như mật độ, kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dòng 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 đ ể cải thiện tính chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp. Để hoạt động tốt, MRF phải có độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng đến từ trường bên
20 ngoài và có thể đạt được ứng suất tối đa khi có đủ từ trường tác động. Thông thường để làm tăng ứng suất của MRF, người ta thường tăng các thành phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngoài. Tuy nhiên, trong tính toán thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRF ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó. 2.3. Ứng dụng Hiện nay, MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới; Trong các ứng dụng, MRF thường được ứng dụng dưới ba dạng chính: dòng chảy (flow mode), trượt (shear mode) và nén (squeeze mode). 2.3.1. Phanh, ly hợp Phanh là một bộ phận cốt yếu trong ô tô, nếu hệ thống phanh đ ược sử dụng kịp thời và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan đến phanh sẽ được giảm thiểu hoàn toàn. Khi một lực phanh được tạo ra do người lái xe mà lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc đó bánh xe sẽ bị hãm chặt hay bó cứng lại. Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nên các bánh xe sẽ bị trượt trên đường, điều này làm mất khả năng điểu khiển của lái xe, và xe có thể trượt về phía trước một khoảng cách không xác định đ ược hoặc có th ể xảy ra bất kỳ chuyện gì không biết trước do mất điều khiển xe. Hiện nay, hệ thống phanh ABS đã cải thiện được sự cố trên, các má phanh sẽ liên tục hoạt động để sinh ra một lực bám cần thiết giúp các bánh xe vẫn chuyển động được mà không bị bó cứng như hệ thống phanh thông thường điều này cũng làm cho vỏ xe không bị mài mòn xuống mặt đường. Hệ thống phanh ABS bao gồm từ 1 đến 4 thiết bị cảm biến vận tốc được gắn trên trụ phanh ở các bánh xe, hệ thống bơm và kiểm soát dầu thủy lực, hệ thống điều khiển điện tử. Các xe hiện nay đang được gắn một trong hai hệ thống phanh phổ biến là loại 1 cảm ứng vận tốc hoặc 4 cảm ứng vận tốc. Loại có 4 cảm ứng vận tốc ngoài việc chống bó cứng bánh xe nó còn có nhiệm vụ kiểm soát tốc đ ộ bánh xe (không cho bánh xe trượt trên mặt đường khi bắt đầu chuyển động).