Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (Mr Fluid)

Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh

Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ là một vấn đề quan trọng bậc nhất,

có ảnh hưởng quan trọng và quyết định đến tất cả các cơ cấu khác Chính vì vậy mà việc cải tiến các cơ cấu truyền động luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm Có rất nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động bằng xích, truyền động bằng đai, truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng các khớp đặc biệt… Mỗi loại truyền động đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn cơ cấu truyền động cho phù hợp

Được phát hiện từ cuối những năm 1940 bởi Jacob Rabinow, Lưu chất từ biến (MRF) một loại lưu chất thông minh đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990, MRF mới được chính thức đưa vào nghiên cứu và phát triển Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh, khớp nối

ly hợp, van…

Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thiết bị sử dụng lưu chất từ biến, từ đó hiệu suất của các thiết bị được tăng lên đáng kể Điều này cho thấy tiềm năng cũng như tính ứng dụng của lưu chất từ biến là rất lớn và cần được phát triển nhiều hơn nữa

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

Nhìn chung, các cơ cấu trên thực tế đều có một điểm chung quan trọng đó chính là điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải Điều đó cho thấy, việc điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải luôn là một vấn đề được quan tâm hàng đầu trong nền công nghiệp hiện nay

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

Vấn đề điều khiển tốc độ đầu ra của tải giờ đây được đặt ra là vấn đề giải quyết bài toán ma sát, bài toán tỷ lệ truyền nhằm điều khiển được vô cấp tốc độ, độ

ổn định, độ chính xác và hiệu suất hoạt động cao nhất Với đặc tính của lưu chất từ biến, khi không có từ trường tác động, nó gần như là một chất lỏng, ảnh hưởng của

nó tới việc truyền động của nó là khá nhỏ; nhưng khi có từ trường tác động vào, nó gần như hóa rắn, mức độ hóa rắn phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng với tốc độ rất nhanh (chỉ khoảng 10ms), thì việc khống chế hay nói khác hơn là điều khiển tốc độ trục tải hoạt động với tốc độ đặt có độ ổn định cùng với hiệu suất cao

là một hy vọng mới cho việc điều khiển tỷ lệ truyền của bộ ly hợp như mong muốn Vậy với các đặc tính ưu việt đó của lưu chất từ biến, liệu nó có thật sự đáp ứng được bài toán điều khiển tốc độ đầu ra của bộ ly hợp hay không?

Để giải quyết câu hỏi này, đòi hỏi cần phải dựa trên các nghiên cứu trước đây về các ứng dụng của lưu chất từ biến, từ đó có những nghiên cứu tính toán, thiết

kế, chế tạo và thực nghiệm để đưa ra những đánh giá thiết thực về cơ cấu truyền động dùng lưu chất từ biến, chỉ số ma sát, độ mài mòn, kiểm soát tỷ lệ truyền động, nâng cao momen tải là những vấn đề quan trọng cần được lưu tâm, nghiên cứu và phát triển sâu rộng

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nắm bắt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến

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

Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ra của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến

Ổn định hệ thống

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu về các đặc tính và nguyên lý của lưu chất từ biến

Nghiên cứu, thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp

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

1.5.1 Phương pháp luận:

Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết

Nghiên cứu chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo ra một loại ly hợp mới có độ chính xác và ồn định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống được giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và

độ rắn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một tỷ lệ truyền phù hợp Để thực hiện nghiên cứu này cần thực hiện:

Tổng hợp các nghiên cứu có sẵn trong nước và ngoài nước

Phân tích và tính toán hệ thống

Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống

Thực nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên:

Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ

biến vào các cơ cấu máy móc trong công nghiệp

Phương pháp thu thập thông tin đã có làm nền tảng cho nghiên cứu Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến

Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến

Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến

Phân tích tính toán lý thuyết về hệ thống

Thiết kế dựa trên tính toán

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

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

Phân tích tính toán lý thuyết điều khiển hệ thống

Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính toán lý thuyết

Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm

Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Phương pháp phân tích hệ thống

Phương pháp đánh giá kết quả đạt được

1.6 Kết cấu luận văn:

Kết cấu luận văn gồm 6 chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến

Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp lưu chất từ biến

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ly hợp MR

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ LY HỢP

2.1 Khái quát về ly hợp:

Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách dứt khoát động cơ ra khỏi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một tỷ số truyền xác định bởi 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,… nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đổi tốc độ trục tải theo mong muốn Điều này dẫn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn 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 tính của ly hợp với hộp số

vô cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vẫn giữ được momen xoắn đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp

Nói rõ hơn về thành phần chính của bộ ly hợp – lưu chất thông minh – lưu chất từ biến Lưu chất từ biến (MRF) là một chất lỏng thể keo có các hạt từ hóa đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron) Nói chung, lưu chất từ biến bao gồm dầu, thường là dầu khoáng sản hoặc silicone cơ sở, có tỷ lệ các hạt từ hóa khác nhau đã được phủ một chất liệu chống đông tụ Ở trạng thái chưa hoạt động, lưu chất từ biến thể hiện định luật chất lưu Newton Khi tiếp xúc với từ trường, các hạt từ hóa được phân tán trong chất lỏng tạo thành lưỡng cực từ Những lưỡng cực

từ xếp thành hàng theo đường của từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái nhanh chóng, mạnh mẽ, và đồng thời cũng hồi phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi không còn chịu tác động của từ trường

(a) không có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0)

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến

Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF rheological fluid) và lưu chất sắt, thiết bị MR có năng suất cao hơn nhiều khi được kích hoạt Với ưu điểm này, gần đây đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế tối ưu của các thiết bị sử dụng MRF như phanh MR, giảm chấn MR, cơ cấu gá động cơ dùng

(electrical-MR, gang tay (electrical-MR, van điều tiết (electrical-MR,…

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến

Đĩa

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

Piston thả nổi

Buồng chứa gas

Đường dẫn piston Dòng lưu chất MR

Vỏ giảm chấn Vỏ piston Lõi piston

Mạch từ

Cuộn dây

Lưu chất MR

Trục piston

Hình 2.6: Cấu tạo van MR

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống dử dụng MRF có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc thiết kế tối ưu mạch từ của hệ thống

2.2 Cơ sở tính toán của MRF [5]:

- Từ tính của MRF [5]:

Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH Dưới ảnh hưởng của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính của các hạt trong MRF Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi vô

số các dãy hạt được sắp xếp theo một đường thẳng tương ứng với hướng của từ

trường như biểu diễn trong hình 2.2

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu

Các hạt Lực

Dòng từ trường

Lõi

Nắp đầu van Võ van Cuộn dây

Cổng vào Dòng MRF Cổng ra

Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần nhau trong một chuỗi và tăng cùng một tỷ lệ khi MRF biến đổi Trong thực tế, kết cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết chặt chẽ nhiều khối cầu với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ Dưới ứng suất, các liên kết này

có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vẫn có thể cho thấy được ứng suất chảy diễn ra như thế nào Các phương trình chuyển động của mỗi hạt theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF Tại một từ

trường rất thấp, lực từ F ij được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương tác từng cặp với nhau, momen lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng của từ trường

Trong đó F ij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μ p là độ dẫn từ của hạt, μ 0 là

độ dẫn từ của chân không, r ij là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được

gây ra bởi các hạt trong MRF

3 0

Trong đó μ f là độ dẫn từ riêng của chất lỏng nền

Ở từ trường cao, độ lớn của momen lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa Trong trường hợp này, momen lực từ được tính bởi:

1 2.5

r

Trong đó: η r là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan

Việc thêm các hạt rắn vào dung dịch sẽ làm tăng sốlượng của các hạt và do

đó làm tăng tỷ lệ khối lượng của các hạt Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ

nhớt tăng lên Sook cho rằng nồng độ tối đa của các hạt ϕ max nên được kết hợp trong mối liên quan giữa độ nhớt và nồng độ

Tuy nhiên những công thức này không xét đến hình dạng và độ cứng của hạt

Do đó, Toda và Furuse mở rộng công thức để cho thấy kích thước của các hạt ảnh hưởng đến độ nhớt như thế nào

1 0.5 (1 )

Trong đó K là hệ số hiệu chỉnh, có thể phụ thuộc vào kích thước và mật độ

của các hạt Độ nhớt của chất lỏng có thể được tăng lên với việc bổ sung của các hạt rắn Tuy nhiên, cùng lúc đó, tính chất của chất lỏng sẽ thay đổi

Tổng quát, ứng suất cắt τ tăng với tốc độ cắt dy/du có thể được đặc trưng bởi

mối quan hệ

( )n

y

du dy

Trong đó, n là hệ số mũ, τ y là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động lực Trong đó, τ y, η và n là hằng số, τ y là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động Chất lỏng Newton xảy ra khi các dòng chất lỏng không có ứng suất chảy hoặc τ y bằng 0

và n bằng 1 Độ nhớt của chất lỏng Newton không phụ thuộc vào thời gian và tốc độ cắt Hình 2.8 cho thấy việc phân loại chất lỏng dựa trên tính chất lưu biến Như thể

hiện trong hình, tính chất của chất lỏng có thể được chia thành chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton như chất lỏng dẻo Bingham, chất lỏng giãn dẻo và chất lỏng giãn nở được Chất lỏng được cho là dẻo khi ứng suất cắt phải đạt một giá trị tối thiểu nào đó trước khi nó bắt đầu tuôn chảy tương ứng với tốc độ cắt Nếu vật liệu

là chất lỏng dẻo Bingham thì n = 1 Chất lỏng giả dẻo hoặc chất lỏng trượt dính

mỏng có độ nhớt động lực giảm khi tốc độ cắt cao Chất lỏng trượt đọng dày hoặc chất lỏng giãn nở thì ngược lại, độ nhớt động học tăng khi tốc độ cắt tăng Chất lỏng

trượt đọng dày n>1, chất lỏng trượt dính mỏng n<1

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

- Các mô hình toán học của MRF:

Mô hình toán học của MRF đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các thiết bị sử dụng MRF MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác động Đã có nhiều mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF, bao gồm các mô hình dẻo Bingham, mô hình biviscous, mô hình dẻo Herschel-Bulkley, và mô hình dẻo Eyring Trong các mô hình trên thì hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mô hình dẻo Bingham và mô hình dẻo Herschel-Bulkley được trình bày một cách tóm tắt như sau:

Mô hình dẻo Bingham:

Mô hình toán học của chất lỏng dẻo Bingham có thể được biểu thị bằng công thức sau:

Chất lỏng Newton

Chất lỏng giãn nở được

Tốc độ cắt

Chất lỏng giả dẻo Đường chảy dẻo của chất lỏng giả dẻo

η là độ nhớt của chất dẻo khi không có từ trường

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

Sự đơn giản của mô hình hai tham số này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ER và MRF

Mô hình dẻo Herschel-Bulkley:

Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ bị trượt dày hay trượt mỏng, đặc biệt là khi MRF chịu tốc độ cắt cao, mô hình dẻo này sẽ cho kết quả tốt hơn Trong trường hợp này, chất lỏng dẻo Herschel-Bulkley được biểu thị bằng phương trình sau:

đàn-Các thông số này được thiết lập khi không có từ trường tác động Trong thực

tế, các thông số này bị ảnh hưởng bởi từ trường Zubieta đã đề xuất một mô hình dẻo cho MRF dựa trên mô hình chất lỏng dẻo Bingham kết hợp với chất lỏng dẻo Herschel-Bulkley Các mô hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu

Trong các mô hình trên, các thông số τ y , µ, K, m là các đại lượng phụ thuộc vào từ

trường tác dụng Để xác định các đại lượng này theo từ trường tác dụng, Zubieta đã

đề xuất tính toán theo công thức sau:

2 0

( )(2 B SY B SY)

Trong đó Y là viết tắt của một thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy,

độ nhớt, thông số độ đặc, hệ số chất lỏng Giá trị của tham số Y có xu hướng từ zero

đến giá trị bão hòa, SY là hệ số momen bão hòa của Y, B là mật độ từ trường tác dụng Các giá trị của Y 0 , Y được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng phương pháp xấp xỉ đường cong

2.3 Các kiều hoạt động của lưu chất từ biến (MRF) [5]:

- Kiểu van:

Hình 2.10a cho thấy sơ đồ hiển thị kiểu van đã được sử dụng trong nhiều thiết bị MR nơi dòng chảy của lưu chất từ biến giữa hai tấm hoặc trong một ống dẫn được tạo ra bởi sự chênh lệch về áp suất giữa đầu vào và đầu ra Từ trường áp dụng vuông góc với dòng chảy, được dùng cho việc thay đổi các thuộc tính lưu biến của lưu chất từ biến để kiểm soát dòng chảy Vì vậy, sự gia tăng ứng suất chảy dẻo hoặc

độ nhớt làm thay đổi profile vận tốc của chất lỏng trong khoảng giữa hai tấm Profin

vận tốc điển hình đối với chất lỏng Bingham được minh họa trong hình 2.10b

Ở đây, n=1/m, u 1 và u 3 là profin vận tốc của dòng chất lỏng trong vùng tiếp

giáp với vách ống, và u 2 là profin vận tốc của vùng lõi của dòng chảy hoặc khoảng đầu ống, trong vùng này chất lỏng chưa chảy dẽo  là độ dày vùng chưa chảy dẻo

và là một thông số quan trọng của dòng chảy

- Kiểu cắt:

Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lỏng là hoạt động theo kiểu cắt đối với dòng lưu chất từ biến (MRF) nằm giữa hai mặt, qua đó một mặt trượt hoặc quay so với mặt khác, với từ trường tác dụng thẳng đứng đến hướng

của chuyển động của những mặt cắt này Hình 2.11 trình bày khái niệm hoạt động

của lưu chất từ biến theo kiểu cắt

Hình 2.11: Chế độ cắt của MRF

Hoạt động theo kiểu cắt đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đặc biệt là trong công nghệ giảm chấn MR Masri và cộng sự đã đề xuất một đường cong kỹ thuật phù hợp, đại diện cho các thành phần khôi phục phi tuyến của một thiết bị ER để mô tả các hoạt động của ER dưới tải tĩnh và tải động trên một phạm vi rộng các lĩnh vực điện Spencer và cộng sự đã phát triển một mô hình dựa trên mô hình trễ Bouc-Wen cải tiến để đại diện cho giảm chấn MR Hơn nữa, Wereley và các cộng sự đã đề xuất một cách tiếp cận không chiều để mô hình hóa các loại van điều tiết cắt (hoạt động theo kiểu cắt tuyến tính, trống quay, và van điều tiết đĩa quay) Trong nghiên cứu, mô hình dẻo Bingham, mô hình biviscous, và các mô hình Herschel-Bulkley

Tấm cố định

Đường từ thông

MRF

Tấm di động