Thiết kế và lập quy trình công nghệ chế tạo phanh lưu chất từ biến có cuộn dây nằm hai bên

Thiết kế và lập quy trình công nghệ chế tạo phanh lưu chất từ biến có cuộn dây nằm hai bên

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

CÓ CUỘN DÂY NẰM HAI BÊN

Giảng viên hướng dẫn: Ts NGUYỄN QUỐC HƯNG

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2014

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

TPHCM

KHOA CƠ KHÍ

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-TP Hồ Chí Minh ngày… Tháng….năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH (Bản nhiệm vụ được đóng vào trang nhất của LV) 1 - Tên đề tài: Thiết kế và lập quy trình công nghệ chế tạo phanh lưu chất từ biến có cuộn dây nằm hai bên 2 - Nhiệm vụ: (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

3 - Ngày giao nhiệm vụ ĐACN :

4 - Ngày kiểm tra giữa kỳ (50%) :

5 - Ngày hoàn thành :

6 - Giáo viên hướng dẫn Phần hướng dẫn

Ngày… tháng… năm2014

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CƠ KHÍ

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH

(Nộp kèm theo báo cáo đồ án)

Tên đề tài:Thiết kế và lập quy trình công nghệ chế tạo phanh lưu chất từ biến

có cuộn dây nằm hai bên

Tuần /

Nhận xét của GVHD/ Duyệt

BÁO CÁO GIỮA KỲ

GIÁO VIÊN HƯỚNGDẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết công nghiệp hóa hiện đại hóa luôn là đề tài cho

sự phát triển của các nước trên thế giới Công nghiệp hóa bao giờ cũng gắnliền với cơ khí hóa Do đó, Nghành Cơ Khí Chế Tạo Máy là một trong nhữngnghành mũi nhọn không kém phần quan trọng

Đặc biệt là đối với nước ta: một nước đang trong quá trình hội nhập,tiếp thu và vận dụng những thành tựu khoa học - kỹ thuật tiên tiến, hiện đạinhằm đưa đất nước tiến lên theo con đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa

Để đáp ứng yêu cầu của thời đại, cũng như củng cố lại kiến thức đãhọc và tăng cường khả năng tư duy sáng tạo trong nghành chế tạo máy nên

nhóm chúng em đã nhận được đề tài: “THIẾT KẾ VÀ LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN CÓ CUỘN DÂY NẰM HAI BÊN”.

Đây là đề tài nghiên cứu chế tạo một mô hình hệ thống phanh lưuchất từ biến Khả năng phanh của hệ thống là dựa vào lưu chất, và ứng dụngcủa hệ thống trong thực tế rất cao

Do đó, việc thiết kế và chế tạo phải đảm bảo tối ưu hóa và khả nănglàm việc tốt của hệ thống là yêu cầu đặt lên hàng đầu

Chúng em cũng xin trích một số đoạn trong “ LUẬN VĂN THẠC

SĨ” “thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau

của vỏ phanh” của tác giả PHÒNG CÚN PẦU mà chưa hỏi ý kiến tác giả,

chúng em thành thật xin lỗi vì sự bất tiện này

Tuy nhiên do thời gian có hạn đây cũng là lần đầu thực hiện đồ ánthiết kế và lập quy trình công nghệ chế tạo do chưa có kinh nghiệm thực tếnên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình tinh toán thiết kế và tracứu các số liệu và quá trình gia công lắp ráp Kính mong sự thông cảm củaquí thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án hoàn thiện hơn

Nhóm sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án chuyên ngành một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nổ lực cổ gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy

Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và đồng nghiệp trong suốtthời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện đồ án Với lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc, nhóm chúng em xin bày tỏ lời cám ơn tới:

TS Nguyễn Quốc Hưng, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều

kiện tốt nhất cho nhóm chúng em hoàn đồ án chuyên ngành này Xin gởi lờitri ân nhất của em đối vói những điều mà Thầy đã dành cho nhóm chúng em

Các Thầy Cô trong khoa Chế Tạo Máy đã hết lòng giúp đỡ để

chúng em hoàn đồ án này

Gia đình, đồng nghiệp những người đã không ngừng động viên, hỗtrợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng trong suốt thời gian học tập vàthực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm2014 Nhóm sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2014 Giáo viên hướng dẫn

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

2.2 Ứng dụng của MRF trong chế tạo phanh lưu chất từ biến (MRB) 6

Chương 1 :

GIỚI THIỆU VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

1.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến.

Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng chất lỏng nhớt và có chứa các hạt từ vớiđường kính 20-50 microns.Trong MRF bao gồm dầu, thường là khoáng sản hoặc hỗnhợp silicone, và tỷ lệ khác nhau của các hạt từ đã được phủ một vật liệu chống đông.Khi hoạt động, MRF làm việc tuân theo chất lưu Newton Khi tiếp xúc với từ trường,các hạt từ được phân tán trong lưu chất tạo thành lưỡng cực từ Những lưỡng cực từnày sắp xếp cùng dòng với từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái nhanhchóng, mạnh mẽ, và hồi phục nhanh Vì vậy, MRF có tiềm năng lớn trong nhiều ứngdụng như bộ ly hợp, phanh, van và robot Đã có nhiều các nhà nghiên cứu về pháttriển của phanh MRF trong nhiều ứng dụng

1.2 Mục tiêu của đồ án.

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

1.3 Nội dung nghiên cứu của đồ án.

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

- Xây dựng bài toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến với các hình dạngkhác 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

1.4 Thành phần của MRF.

MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ hoặc các chất có từ tính và các phụ giakhác không mang từ tính Trong thực tế, các hạt mang từ tính của MRF là : sắt, hợpkim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, sắt cacbua, sắt cacbonyl, niken và coban Trong số này,

các hạt thường được sử dụng cho MRF là sắt cacbonyl Các ứng suất tối đa có thểgây ra bởi MR chủ yếu được xác định bởi độ kháng từ thấp nhất và mức độ bão hòacao nhất của từ tính các hạt phân tán Do đó, trong thực tế, vật liệu từ -bột sắtcacbonyl đựơc sử dụng chính cho hầu hết các MRF Ngoài ra hợp kim Pe-Co và hợpkim Fe-Ni cũng có thể được sử dụng Ngược lại, một số các vật liệu sắt từ như Mn-

Zn ferrite, Ni-Zn ferrite và ferrites gốm có từ tính bão hòa thấp và do đó được ápdụng trong các ứng dụng có ứng suất thấp Hạt MR thường có kích thước từ 0,1 đến10µm Trong MRF khối lựơng các hạt từ chỉ chiếm một phần nhỏ khối lượng của lưuchất và không ảnh hưởng tới lưu chất

Ngoài ra các chất lỏng được sử dụng trong MRF là : dầu silicon, dầu khoáng,dầu parafin, copolyme silicone, dầu trăng, dầu thủy lực, dầu biến áp, dẫn xuấthalogen hóa chất lỏng hữu cơ, diesters, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước vàcác loại dầu hydrocarbon tổng hợp

Hình 1.1 Trình bày sơ đồ biến dạng afin của một chuỗi hạt hình cầu

Các chuỗi được coi là biến dạng với cùng một khoảng cách giữa bất kỳ hai phần

tử kế cận trong chuỗi đó và tăng ở mức tương tự với sự biến dạng khi MRF đượcbiến dạng Mô hình này là các chuỗi hạt từ khá đơn giản, trong trường hợp thực tế nó

là các dạng hình trụ Dưới tác dụng ứng suất cắt, các hợp chất có thể biến dạng vàcuối cùng phá vỡ Mặc dù các hạt phát triền thành cấu trúc phức tạp khác nhau trongcác điều kiện khác nhau, mô hình chuẩn vẫn có thể được sử dụng để dự đoán ứngsuất của MRF Các phương trình chuyển động của mỗi hạt theo từ trường là cần thiết

để đánh giá hiệu suất của MRF Tại một từ trường rất thấp, từ lực căng Fij được xemnhư điểm lưỡng cực tương tự như sự tương tác song song, momen lưỡng cực từ gây

ra bởi các hạt khác và các bức tường xung quanh cho một vừng không từ trường vàvùng bị cô lập trong một từ trường đều đuợc tính bởi:π

độ dẫn từ ở chân không, μ ij là vị trí từ hạt j tới I và m là momen lưỡng cực từ gây ra

ĐƯỜNG TỪ THÔNG LỰC

HẠT

trong các hạt trong các hạt trong MRF ở từ trường đều được xác định:

Ứng dụng MRF chế tạo phanh và ly hợp: MRF dùng chế tạo phanh lưu chất từbiến (MRB) Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể đápứng tương tự như hệ thống ABS trên xe ô tô Nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiểnđược với thời gian đáp ứng nhanh, khi kết hợp với các loại cảm biến vận tốc… tahoàn toàn có thể điều khiển phanh nhấp nhả như những gì hệ thống ABS có thể làm.Ứng dụng MRF chế tạo bộ phận giảm chấn: MRF đã được nghiên cứu và ứngdụng trong thiết kế giảm chấn Nó có khả năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụthuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm cho dao động được dập tắt nhanh nhất,hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm thấy thoải mái nhất Về mặt kết cấu,

giảm chấn sử dụng MRF có cấu tạo hoàn toàn khác so với các loại giảm chấn thôngthường khi nó hoàn toàn không sử dụng lò xo mà vẫn đảm bảo đầy đủ về tính nănghoạt động.

Ứng dụng MRF chế tạo khối gá động cơ: Gần đây đã có nhiều nghiên cứu vềdạng gá động cơ bán chủ động sử dụng MRF Nhờ vào khả năng điều khiển được,MRF có thể hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu trong việc điều chỉnh lực giảm chấntrong cơ cấu gá

từ tính sẽ được thêm vào Sự kết tủa sẽ làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt độngcủa MRF

Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do và chất lỏng biểu hiệnthuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi có tác dụngcủa từ trường ngoài, lưu chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyểnsang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhautheo dạng của đường sức từ và có khả năng chống phá vỡ liên kết Độ bền vững củaliên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài đưa vào

Hình 2.1: Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất từ biến của MRF như mật độ, kíchthước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dòng chất lỏng mang hạt tải điện, chấtthêm vào, nhiệt độ và từ trường đặt vào…Sự liên quan của các yếu tố này rất phứctạp và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp để cải thiện tính chất củadòng 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 ngoài và có thểđạt 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 thànhphần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngoài Tuynhiên, trong tính toán thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRFảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó

(trích luận văn thạc sĩ của PHÒNG CÚN PẦU, bắt đầu từ “ nguyên lý hoạt động …”)

2.2 Ứng dụng của MRF trong chế tạo phanh lưu chất từ biến (MRB).

Phanh là một bộ phận cốt yếu trong ô tô, nếu hệ thống phanh được sử dụng kịpthời 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 đóbánh xe sẽ bị hãm chặt hay bó cứng lại Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nêncác 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 được hoặc có thểxảy 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 sẽliên tục hoạt động để sinh ra một lực bám cần thiết giúp các bánh xe vẫn chuyểnđộng được mà không bị bó cứng như hệ thống phanh thông thường điều này cũnglàm 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 gắntrên trụ phanh ở các bánh xe, hệ thống bơm và kiểm soát dầu thủy lực, hệ thống điềukhiển 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 ngoàiviệc chống bó cứng bánh xe nó còn có nhiệm vụ kiểm soát tốc độ bánh xe (khôngcho bánh xe trượt trên mặt đường khi bắt đầu chuyển động)

Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể đáp ứngtương tự như hệ thống ABS Nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiển được với thờigian đáp ứng nhanh, khi kết hợp với các loại cảm biến vận tốc… ta hoàn toàn có thểđiều khiển phanh nhấp nhả như những gì hệ thống ABS có thể làm

Ngoài ra, MRB còn có nhiều ưu điểm khác:

- Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng điện tối đa 3A thì MRB

đã có thể đạt được yêu cầu phanh hoàn toàn

- Thiết kế và kết cấu khá đơn giản

- Không cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc không có ống dẫn thủylực nên sẽ không chiếm dụng khoảng không nhiều

- Không có ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ không có sựhao mòn do ma sát

- Dễ dàng điều khiển, đặc biệt chỉ cẩn phanh thông qua sợi dây điện

- Thời gian đáp ứng nhanh: 20ms

Bộ ly hợp MR cũng được nghiên cứu chế tạo dựa trên những ưu điểm trên củaMRB

(trích luận văn thạc sĩ của PHÒNG CÚN PẦU, bắt đầu từ “ phanh , ly hợp

…”)

Có nhiều loại phanh lưu chất từ biến (MRB) như: MRB dạng đĩa, MRB dạng

Cuộn dâyThân cố định

Hình 2.2: Cấu tạo của phanh lưu chất từ biến có cuộn dây nằm 2 bên.

Hình 2.2 Trình bày một cấu hình điển hình của một kiều MRB dạng đĩa- Rotor củaphanh là một đĩa quay Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây thì trường được tạo ra vàlàm lưu chất đông cứng lại, làm ma sát trượt giữa đĩa và MR tăng lên cung cấp một lựcphanh đề làm đĩa chậm và dừng lại sau thời gian ngắn

2 3 Thiết kế tối ưu:

Trong thiết kế MRB điều trọng nhất cần được xem xét là mô-men xoắn phanh

tối đa và nó phải lớn hơn một giá trị cần thiết Bằng cách áp dụng các mô hình lưubiến Bingham mômen xoắn phanh có tải và không tải được xác định:

Trong đó R divà R do là bán kính trong và ngoài của đĩa, d là kích thước khoảng cách của khe chứa lưu chất MRF giữa thân và cạnh bên đĩa, d 0 là kích thước khoảng

cách chứa lưu chất MRF giữa đường kính ngoài đĩa và đường kính trong cuộn từ, t dlà

độ dày của đĩa, Ω là vận tốc góc của rotor, µ d là độ nhớt động học và τ yd là ứng suấtchảy của MRF trong khe, τ yo và µ o là ứng suất ban đầu và độ nhớt ban đàu của MRF,

và T or là mô-men xoắn do ma sát giữa trục và vòng chữ O-ring chú ý τ ydvà µ d phụthuộc và tích chất của chất lỏng và phụ thuộc vào mật độ từ thông đi qua khe chứaMRF

Mômen ma sát giữa O-ring và trục chính được xác định bởi công thức:

T¿ = (f c L c+f h A r)R s

Trong đó L c là chiều dài ma sát giữ o-ring và trục chính (L c =2t[Rs), fc là lực ma

sát do quá trình nén o-ring lên trục chính và phụ thuộc vào tỷ lệ nén và độ cứng củavật liệu o-ring,f h là lực ma sát do áp lực chất lỏng tác dụng lên trục chính và o- ring

và A r diện tích nhô ra của o-ring Lưu ý khi tiếp xúc, vận tốc góc của trục phanh là rấtnhỏ và áp lực MRF tác dụng lên o-ring cũng rất thấp do đó có thể được bỏ qua (f h

h=0) Và áp lực trong khe chứa MRF cùa phanh cũng rất nhỏ và cũng được bỏ

qua.Trong nghiên cứu này, 70-durometer cao su o-ring được sử dụng và lực nén của

o-ring được thiết lập bởi 10%.Trong trường hợp này hệ số f c là khoảng 125N/m

Một vấn đề khác cần được tính đến trong thiết kế của MRBs là khối lượng củachúng Khối lượng nên càng nhỏ càng tốt đẻ giảm kích thước MRB và chi phí chếtạo Và khối lượng được xác định như sau:

m b = V d P d+V h P h+V s P s+V MR P MR+V bob P bob+V c P c

Trong đó V d, V s , V h, V MR, V bob và V c thà thể tích tương ứng của đĩa, thân, trục,lưu chất, lõi và cuộn dây của phanh Các giá trị trên có được là do quá trình tính toánthiết kế tối ưu P d , P h, P s, P MR, P bob, P c là khối lượng riêng tương ứng

Trong việc tối ưu hóa, chiều cao cuộn dây h Ci , chiều rộng cuộn dây w c , độ dày

rãnh T h và bán kính ngoài của phanh R và bán kính đĩa phanh R o Lưu ý rằng các giátri tối ưu của chiều rộng khe chứa MRF, d, không bị ảnh hưởng bởi hình dạng vỏphanh được chọn theo kinh nghiệm là 0.8mm

Hình 2.3:Mật độ từ thông của phanh tối ưu .

Hình 2.4:Kích thước thiết kế tối ưu.

Hình 2.5: Momen và khối lượng của phanh.

Từ kết quả trên giá trị tối ưu của các biến thiết kế và khối lượng phanh đượccho như bảng sau:

wc=5,3,hc=3.7,thi=2.5,th1=3,th2=8.6,

th3=9,th4=5.8,th5=1.6,th6=0.75,d=1(Quấn qua ống cách từ dáy 0.5mm)

Ta có hình dạng phanh như sau: