BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC 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 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 CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: PGS.TS Trần Thu Hà TS Nguyễn Viễn Quốc TS Võ Tường Quân TS Nguyễn Duy Anh TS Nguyễn Thanh Phương Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM CÔNG NGHỆ TP.HCM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC PHÒNG QLKH – ĐTSĐH TP.HCM, Ngày Tháng Năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phòng Cún Pẩu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/09/1988 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Cơ – Điện Tử MSHV: 1241840011 I- Tên đề tài: Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến hình dạng khác vỏ phanh II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu phanh lưu chất từ biến - Xây dựng giải toán tối ưu xét đến hình dạng khác vỏ phanh - Tổng hợp kết tối ưu thực nghiệm kiểm chứng III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013 V- Cán hướng dẫn: GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS.Nguyễn Quốc Hưng, số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Phòng Cún Pẩu LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM tận tình dạy, truyền đạt, giúp trang bị kiến thức vô quý báu để hoàn thành khóa học Tôi xin gửi đếnTS Nguyễn Quốc Hưng lòng tri ân sâu sắc nhất; khoảng thời gian làm luận văn không nhiều kiến thức quý báu thầy giúp em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh chị lớp 12SCD11 sát cánh suốt khóa học Thạc Sỹ trường, khoảng thời gian không dài để lại nhiều kỉ niệm phai mờ Phòng Cún Pẩu TÓM TẮT Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến (MRB), hình dạng vỏ phanh ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính hoạt động phanh Trong nghiên cứu này, hình dạng khác vỏ phanh hình chữ nhật, hình đa giác, spline xét đến tìm hình dạng thích hợp Trong nghiên cứu này, sau phần giới thiệu lưu chất từ biến ứng dụng, MRB với hình dạng khác vỏ phanh giới thiệu momen phanh xác tính toán dựa thuộc tính Bingham lưu chất từ biến Từ toán thiết kế tối ưu MRB với hình dạng khác vỏ phanh thực Bài toán tối ưu nhằm tìm giá trị kích thước tối ưu phanh cho phanh tạo lực phanh theo yêu cầu khối lượng phanh nhỏ Công cụ tối ưu kết hợp với phương pháp phân tử hữu hạn sử dụng để tìm kết tối ưu MRB Từ kết đạt được, hình dạng thích hợp vỏ phanh xác định dựa khối lượng giảm phanh 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 MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục từ viết tắt .vii Danh mục bảng viii Danh mục hình ảnh ix CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN 2.1 Lịch sử nghiên cứu 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Ứng dụng 2.3.1 Phanh ly hợp 2.3.2 Giảm chấn .8 2.3.3 Khối gá động 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 10 3.3 Mô hình Herchel-Berkerly .15 CHƯƠNG 4: PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN 4.1 Các dạng vỏ phanh 16 4.2 Mô hình toán phanh lưu chất từ biến .20 4.3 Các phương pháp giải toàn từ trường phanh 24 4.3.1 Phương pháp giải tích 24 4.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn .26 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49 6.1 Mô hình thực nghiệm .49 6.2 Kết thí nghiệm 53 6.3 Nhận xét đánh giá kết 53 KẾT LUẬN .54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 60 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường độ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ hình đa giác cạnh 61 Cuối cùng, biên dạng vỏ phanh Spline, trình hội tụ xảy vòng lặp thứ 27 kết tối ưu sau (mm): wc=5.8, hc=2.5, th1=4.67, th2=5.63, th3=6, th4=2.4, ths=2.1, th6=5, th7=3.8, R1=56.6, R2=53.5, R3=47.4, R4=24.3, R6=53.5 R7=34.2 Với khối lượng tối ưu 1.029kg, kết đạt gần tương đương với phanh biên dạng đa giác đoạn Nguyên nhân điểm chọn gần tương đương với biên dạng đa giác đoạn Hình 5.9 cho thấy trình thay đổi biến thiết kế trình tối ưu thay đổi khối lượng phanh tương ứng với vòng lặp cuối hội tụ vòng lặp thứ 27 Hình 5.9c thể phân bố từ trường phanh đồng đều, điều giúp cho phanh hoạt động hiệu 62 (a) Biến thiết kế (b) Momen khối lượng phanh (c) Cường độ từ trường sau tối ưu Hình Kết tối ưu MRB biên dạng vỏ Spline 63 Ngoài xem xét giá trị tối ưu, ta thấy giá trị khối lượng tối ưu với M ass of the M R B (kg) giá trị tối đa momen phanh có mối liên hệ hàm phụ thuộc Rectangular 7-seg polygon 5-seg polygon spline 10 15 20 25 30 Braking Torque (Nm) (a) Tương quan khối lượng phanh momen phanh Mass reduction (%) 18 5-seg polygon 7-seg polygon spline 16 14 12 10 10 15 20 25 30 Braking Torque (Nm) (b) Tương quan khối lượng giảm momen phanh Hình 10 Tương quan khối lượng momen phanh sử dụng chất lưu MRF-132-DG 64 M ass of the M R B (kg) 2.5 Rectangular 7-seg polygon 5-seg polygon spline 2.0 1.5 1.0 0.5 10 15 20 25 30 Braking Torque (Nm) (a) Tương quan khối lượng phanh momen phanh Mass reduction (%) 18 5-seg polygon 7-seg polygon spline 16 14 12 10 10 15 20 25 30 Braking Torque (Nm) (b) Tương quan khối lượng giảm momen phanh Hình 11 Tương quan khối lượng momen phanh sử dụng chất lưu MRF-140-DG Từ kết tối ưu cho thấy biên dạng hình chữ nhật phanh ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính MRB khối lượng MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật thông thường giảm đáng kể thay phanh có vỏ dạng đa giác cạnh Đồng thời , sử dụng vỏ phanh đa giác nhiều cạnh dễ dàng việc 65 thiết kế diện tích mặt cắt mạch từ phanh chí khối lượng phanh giảm Tuy nhiên đến mức khối lượng phanh đạt mức bão hòa Ta dễ dàng thấy điều khối lượng giảm phanh dạng đa giác đoạn giảm không 2.4% so với phanh dạng đa giác cạnh khối lượng phanh dạng Spline phanh dạng đa giác đoạn gần tương đương chi phí chế tạo khác xa hoàn toàn Vì chi phí chế tạo số lượng cạnh định dạng vỏ phanh chọn sử dụng 66 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 6.1 Mô hình thực nghiệm Trong trình thực nghiệm, MRB có biên dạng vỏ khác chế tạo nhằm mục đích thực nghiệm Hình Bản vẽ Phanh biên dạng vỏ Spline 67 (1), (3) Screw (2) Bearing cap (4), (5) MRF filling (6, (10), (11) Housing (7) Disc (8) Bobbin (9) Bold (12) Bearings (13) Shaf (14) O-rings Hình Bản vẽ MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật Trong trình thực nghiệm, điều kiện vật chất thiếu nhiều nên thực lấy kết chỗ Phanh chế tạo chỗ sau gửi qua phòng thí nghiệm SSSLab,Department of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402751, KOREA để lấy kết momen phanh Mục đích việc thí nghiệm xem phanh có khả tạo lực phanh 10Nm không Mô hình thí nghiệm SSSLab gồm có phần chính: - Motor sử dụng có khả tạo momen lớn 10Nm - Torque sensor có tác dụng đo momen phản hồi - Phanh lưu chất từ biến 68 Hình Mô hình thí nghiệm phanh MR phòng thí nghiệm SSSLab MRB sau chế tạo, kiểm tra chỗ mặt tính hoạt động, khả tạo momen phanh MRB trước gửi qua phòng thí nghiệm SSSlab Trong mô hình kiểm tra khả tạo momen phanh, MRB kết nối với động truyền động thông qua khớp nối, động sử dụng động AC 220V có công suất 90W tốc độ quay 1450 rpm Một mạch điện sử dụng để cấp dòng điện từ đến 2,5A cho cuộn dây nhằm tạo momen phanh Sơ đồ nguyên lý mạch điện thể hình 6.4 69 1N 4007 D 1 J2 V IN VO U T AD J B R ID G E + 220 ohm 0.5W L M /T O 1K5 J2 AC 220V U - 47m F 4700m F + 100nF 220 ohm 0.5W + 10m F + 100nF 4K7 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp dòng - 2,5A LED 70 6.2 Kết thí nghiệm Kết thí nghiệm cho thấy phanh đạt momen 10Nm khoảng thời gian 0.5s Với kết cho thấy, biên dạng vỏ phanh sau tối ưu giữ momen phanh cần thiết Braking Torque [Nm] 12 Rectangular 5-Seg-polygon Spline 10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Time [s] Hình Kết thực nghiệm đo momen phanh 6.3 Nhận xét đánh giá kết Kết thực nghiệm cho thấy qua trình tối ưu, khối lượng phanh giảm đáng kể, tính hoạt động phanh không bị ảnh hưởng mô hình hoàn toàn kết mô loại phanh biên dạng vỏ hình chữ nhật, đa giác Spline đạt giá trị momen phanh đề Về mặt khối lượng phanh, thực tế chế tạo có thêm số chi tiết bạc đạn phần để lắp bạc đạn (Hình 6.1 hình 6.2) nên khối lượng có thay đổi so với khối lượng mô vỏ phanh biên dạng Spline có khối lượng nhẹ với khối lượng 1,45kg biên dạng vỏ phanh khác có khối lượng thay đổi tương ứng chênh lệch khối lượng thể kết mô 71 KẾT LUẬN Qua phần nghiên cứu “ Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến hình dạng khác vỏ phanh” cho thấy thiết kế truyền thống vỏ phanh chưa phải tối ưu mà khối lượng phanh giảm đáng kể xét đến hình dạng khác vỏ phanh Điều góp phần qua trong việc ứng dụng MRB thiết bị có yêu cầu cao mặt khối lượng Trong thiết kế chế tạo có vô số yêu cầu khác đặt ra, thiết kế yêu cầu tối thiểu mặt kích thước, thiết kế khác lại yêu cầu khắc khe mặt khối lượng Các biên dạng vỏ phanh khác hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đặt momen phanh, thời gian đáp ứng, khối lượng kích thước lại khác nhiều Như vậy, việc xem xét sử dụng loại phanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, vị trí lắp đặt, chi phí gia công, khối lượng kích thước cho phép Ngoài nghiên cứu dừng lại tối ưu phanh dạng đĩa truyền thống loại phanh khác dạng tang trống, tang trống ngược, dạng chữ T… chưa thực được, biên dạng sau tối ưu theo biên dạng vỏ đạt kết tốt mặt khối lượng kích thước so với phanh dạng đĩa truyền thống Điều cần có thêm nghiên cứu tối ưu khác để chứng minh 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1[] Wang J and Meng G 2001 Magnetorheological fluid devices: principles, characteristics and applications in mechanical engineering Journal of Materials: Design and Applications 215 (3) 165-74 2[] Muhammad A, Yao X L and Deng J C 2006 Review of magnetorheological (MR) fluids and its applications in vibration control Journal of Marine Science and Application (3) 17-29 3[] Q H Nguyen, S B Choi, Optimal Design of Vehicle MR Damper Considering Damping Force and Dynamic Range, Smart Mater Struct 18 (2008), 1-10 4[] Q H Nguyen, P B Nguyen and S B Choi, Optimal design of a hybrid MR brake for haptic wrist application Proc SPIE 7977, USA, 2011 5[] Q H Nguyen, S B Choi and N M Wereley, Optimal design of magnetorheological valves via a finite element method considering control energy and a time constant Smart Mater Struct 17, 2008,1-12 6[] Phillips, R., Engineering Applications of Fluids with a Variable Yield Stress, PhD Thesis, Mechanical Engineering, U.C Berkeley, 1969 7[] J D Carlson and M R Jolly, MR fluid, foam and elastomer devices, Mechatronics 10 , 2000, 555–69 8[] O Ashour, A Craig, Magneto-Rheological Fluids: Materials, Characterization, and Devices, J Intell Mater Syst Struct 7, 1996, 123–130 9[] Rabinow J 1951 Magnetic fluid torque and force transmitting device US patent 2,575,360 10[] Liu B, Li W H, Kosasih P B and Zhang X Z 2006 Development of an MR-brake-based haptic device Smart Mater Struct 15 1960–9 11[] Huang J, Zhang J Q, Yang Y and Wei Y Q 2002 Analysis and design of a cylindrical magnetorheological fluid brake Journal of Materials Processing Technology, 129 559–562 12[] Smith A L, Ulicny J C and Kennedy L C 2007 Magnetorheological fluid fan drive for trucks Journal of Intelligent Material Systems and Structures 18 (12) 1131–1136 13[] Nguyen Q H and Choi S B 2012 Optimal design of a novel hybrid MR brake for motorcycles considering axial and radial magnetic flux Smart Materials and Structures 21 (5), doi:10.1088/0964-1726/21/5/055003 14[] Nguyen Q H and Choi S B, 2010, Optimal design of an automotive magnetorheological brake considering geometric dimensions and zero-field friction heat Smart Mater Struct 19 115024 15[] Brian E S 2005 Research for dynamic seal Friction modeling in linear motion hydraulic Piston applications Master of Science thesis, University of Texas at Arlington, USA 16[] D J Klingenberg, Magnetorheology: Applications and Challenges, AIChE Journal 47(2), 2001, 246-249 17[] Q H Nguyen, Y M Han, S B Choi and N M Wereley, Geometry optimization of MR valves constrained in a specific volume using the finite element method Smart Mater Struct 16, 2007, 2242-2252 18[] Q H Nguyen, S B Choi and N M Wereley, Optimal design of magnetorheological valves via a finite element method considering control energy and a time constant Smart Mater Struct 17, 2008,1-12 19[] Nguyen Q H and Choi S B 2012 Selection of magnetorheological brake types via optimal design considering maximum torque and constrained volume Smart Mater Struct 21(1) doi:10.1088/0964-1726/21/1/015012 20[] Nguyen Q H, Choi S B, Lee Y S and Han M S 2012 Optimal design of a new 3D haptic gripper for telemanipulation, featuring magnetorheological fluid brakes, doi:10.1088/09641726/22/1/015009 21[] Zubieta M, Eceolaza S, Elejabarrieta M J and Bou-Ali M M 2009 Magnetorheological fluids: characterization and modeling of magnetization Smart Materials and Structures 18 1-6 22[] Nguyen Q H, Han Y M, Choi S B and Wereley N M 2007 Geometry optimization of MR valves constrained in a specific volume using the finite element method Smart Materials and Structures 16 2242-2252 ... tài: Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến hình dạng khác vỏ phanh II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu phanh lưu chất từ biến - Xây dựng giải toán tối ưu xét đến hình dạng khác vỏ phanh. .. phanh lưu chất từ biến 16 - Xây dựng toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến với hình dạng khác vỏ phanh - Giải toán tối ưu dựa công cụ tối ưu phương pháp phần tử hữu hạn - Tổng hợp kết tối. .. phanh tương ứng 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Thiết kế tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến xét đến hình dạng khác vỏ phanh Đề xuất hình dạng tối ưu cho vỏ phanh 1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài Với mục