Thiết kế, tối ưu, chế tạo và đánh giá cơ cấu giảm xóc dùng lưu chất điện từ biến (mr damper) cho máy giặt cửa trước

TOM TAT Trong phan nghién ciru nay, mét đề xuất được đưa ra là sử dụng hệ thống giảm xóc dùng lưu chất điện- từ biến MRF đã và được thiết kế tối ưu nhằm giảm bớt sự rung động của máy gi

THIET KE, TOI UU, CHE TAO VA DANH

GIA CO CAU GIAM XOC DUNG LUU CHAT DIEN — TU BIEN (MR DAMPER ) CHO MAY

CONG TRINH ĐƯỢC HOAN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

(Ghi rõ họ, tên, hoc hajn, học vị và chữ ky)

Al >

sake Mg tating Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM

ngày 28 tháng 03 năm 2015

_N =

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : Mu (âœc (hhg

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

1 | TS Nguyễn Hùng Chủ tịch

2_ | PGS.TS Nguyễn Tân Tiên Phản biện 1

3 | TS V6 Hoang Duy Phản biện 2

4_ 1 TS Võ Tường Quân Uy viên

5_ | TS Võ Đình tùng Ủy viên, Thư ký

LOI CAM ON

Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên

cứu tại trường để tôi có thể hoàn thành khóa học

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng — người thầy đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các anh chị lớp 13SCĐ11 đã cùng tôi gắn bó trong suốt khóa học tại trường, khoảng thời gian tuy không dài nhưng có rất nhiều

kỷ niệm gắn bó cùng nhau

Và cuối cùng tôi xin gởi lời cám ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn mà tôi chưa nêu tên ở đây, sự giúp đỡ của họ dù ít hay nhiều cũng đóng góp một phần vào kết quả thực hiện đề tài tốt nghiệp nay

Trang 2

TOM TAT

Trong phan nghién ciru nay, mét đề xuất được đưa ra là sử dụng hệ thống giảm

xóc dùng lưu chất điện- từ biến (MRF) đã và được thiết kế tối ưu nhằm giảm bớt sự

rung động của máy giặt trong quá trình hoạt động

Do đó để cho việc thiết kế được tối ưu nhằm hạn chế sự rung động và tiếng

ồn của máy giặt trong quá trình hoạt động, nguyên nhân thường là do khối lượng không cân bằng của quần áo và một số cấu hình của hệ thống giảm xóc được đề xuất và xem xét và phương án tốt nhất để giảm bớt sự rung động cho máy giặt là sử

dụng hệ thống giảm chấn dùng lưu chất điện — từ biến MRF được tính toán, thiết kế

Phương án nầy dựa trên mô hình dẻo Bingham của MRF có tác dụng làm giảm rung động và tiếng ồn rất tốt khi máy giặt hoạt động

Mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu lực ma sát khi không có từ trường tác

dụng cho bộ giảm chấn MREF là nhỏ nhất trong và khi giá trị lực ma sát khi có tác

dụng của từ trường vào lưu chất MRF là lớn nhất Để có được những giải pháp tối

ưu, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tích hợp với một công cụ tối ưu

hóa được sử dụng để có được kích thước hình học tối ưu của hệ thống giảm chấn

MRE được sử dụng Giải pháp tối ưu của hệ thống giảm chắn và những tính năng sẽ được trình bày trong nghiên cứu nay

Trang 3

Abstract

In this research, a magnetorheological fluid (MRF) based damper to attenuate

vibration due to unbalanced laundry mass from of a front loaded washing machine

is proposed and optimally designed Firstly, rigid vibration mode of the washing machine due to an unbalanced mass is analyzed and an optimal positioning of the suppression system for the washing machine is figured out In order to attenuate vibration from the washing machine, several configurations of MR damper are proposed considering available space and the required damping force of the system Based on the Bingham rheological model of MRF, damping force of the proposed

MR dampers are then derived An optimal design problem for the proposed MR brake is constructed considering the zero-field friction force and the maximum damping force of the MR dampers The optimization objective is to minimize the

zero-field friction force of the MR dampers while the maximum value of damping

force is kept being greater than a required value An optimization procedure based

on finite element analysis (FEA) integrated with an optimization tool is employed to obtain optimal geometric dimensions of the MR dampers featuring different types

of MRF Optimal solutions of the MR dampers are then presented and the optimized damper is figured out In addition, performance characteristics of the optimized MR damper are evaluated by experirment

Trang4

MUC LUC

I8 8n Trang | I0 00 Trang 2

ADSUract vo Trang 4 h0 1111117 Trang 5 Danh mục các từ VẾt tắt ¿ác Sc t2 222 22 H271 rxe Trang 6 Danh mục các bảng . 5 5 Sàn s41 1 12 1 213 tà ri Trang 7 Danh mục các hình ảnh . 12H12 01 mg ren Trang 7

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

Pa ch Trang 9 1.2 Tính cấp thiết của để tài cccccicerriierriirrrirrriirrrrirrie Trang 14 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài -c-ccntieerieerrrrerrre Trang l6

1.4 Nội dung nghiên cứu . 5c S+S tren re Trang l6

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài ccc-csecerriee Trang 16

1.5.1 Phương pháp luận .-ằseieeằeeeiee Trang l6 1.5.2 Phương pháp nghiên cứm .- se rehHirririrre Trang 17

CHƯƠNG II : TONG QUAN VE LUU CHAT TU BIEN

2.1 Nguyên lý hoạt động của MRE se niHeeee Trang 18 2.2 Thành phần của MRE . 5s cS<cnerrerrirrirrirrrrrrriee Trang 19 2.3 Mô hình toán học của MF che Trang 19 2.3.1 Mô hình dẻo Bingham ccckeherreerre Trang 20 2.3.2 Mô hình nhựa Herschel-Bulkley -. - -<‹+ +-<++ Trang 21 2.4 Ứng dụng .-.c TT TS n nh nhe nhàn Trang 22

P Ngon Trang 23

QA.2 Gidm CHAN nh hố Trang 25

2.4.3 Khối gá động cơ . cssccnsrrtirirriiieriirriiriirrrieieg Trang 26

2.4.4 Hệ thống Haptic_ -ccccreerreree Trang 28 , Đà Trang 29

Trang 5

CHUONG II: THIET KE VA TINH TOAN BO GIAM CHAN SU DỤNG LƯU CHAT MRF CHO MAY GIAT CUA TRUOC

3.1 Hệ thống giảm chấn của máy giặt cửa trước - Trang 30 3.2 Phân tích các dao động cho máy giặt Trang 31 3.3 Các phương án thiết kế bộ giảm chắn lưu chất điện từ biến cho máy giặt

ði8§ 1 Trang 34

3.3.1 Dùng giảm chắn kiểu Van ( Plow mode ) - Trang 34

3.3.2 Dùng giảm chắn kiểu Trượt ( Shear mode ) Trang 36

3.4 Tính toán lực giảm chắn lưu chất điện từ biến Trang 40 CHƯƠNG 4 : THIET KE TOI UU

4.1 Bài toán t6i UU oc ececcsseescesscsscssecssesessucssesssessecsecseasecseessecsesneenseaes Trang 43

' 141.8 nh Trang 49 4.3 Kết luận . -52-5227+22t2 EE2EErrErererirrerrrrrrkeeriee Trang 52

CHƯƠNG 5 : THUC NGHIEM VA DANH GIA KET QUÁ

5.1 Thí nghiệm đánh giá lực giam chAn eccseseceeecseeesseteesneessees Trang 53

a Sơ đồ thực nghiệm 5c tre Trang 53 8.4.0 Trang 54

5.2 Thí nghiệm đánh giá hệ thống giảm chắn trên máy giặt Trang 55

a Sơ đồ thí nghiệm - - cctsrerirrrirrrieriierierreerrrer Trang 55

b Kết quả thí nghiệm 6552 >tnreeverkkerrrerrerrkerrker Trang 58

CHƯƠNG 6 : KÉT LUẬN VÀ HUONG PHAT TRIEN

{5 na Trang 61

so g0 8n Trang 61

IV 180i90997),/0.9.7 00 Trang 62 DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

MRE : Lưu chất từ biến

MRV : Van giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

FEA : Phan tích phần tử hữu hạn

FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn

Trang 6

DANH MUC CAC BANG

Bang 1: Đặc tính lưu biến của lưu chất điện từ biến

Bảng 2: Tính chất lưu biến của lưu chất MRF

Bảng 3:Thông số tối ưu sự dịch chuyến đối với giảm xóc dùng lưu chất

Hình 1.4: Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt

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

Hình 2.2: Biểu đố tương quan giữa chất lỏng newton và dẻo Bingham Hình 2.3a: Kiểu Van (flow mode)

Hình 2.3b: Kiểu Trượt (shear mode)

Hình 2.3c: Kiểu Nén (squeeze mode)

Hình 2.4: Cấu tạo cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.5: Cấu tạo cơ bản của ly hợp sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.6 Cấu tạo cơ bản của giảm chân sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.7 Câu tạo cơ cấu gá động cơ

Hình 2.8 Câu tạo găng tay MR

Hình 2.9: Cau tao van MR

Hình 3.1: Sơ đồ 3D của máy giặt cửa trước

Hình 3.2: Giảm chấn kiểu van dùng lưu chất MR

Hình 3.3 : Bộ giảm chấn kiểu trượt cho máy giặt

Hình 3.4: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chắn kiểu trượt một cuộn dây

Trang 7

Hình 3.5: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chắn kiểu trượt hai cuộn dây

Hình 3.6: Sơ đồ đơn giản của bộ giảm chấn kiểu trượt ba cuộn dây

Hình 3.8 hiệu suất ứng suất của lưu chất MR như chức năng của cường

độ từ trường

Hình 4.1: Sơ đồ tính toán động lực học của máy giặt

Hình 4.2: Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt

Hình 4.3: Đặc tính từ của thép silicon và lưu chất MRF

Hình 4.4: Mô hình phần tử hữu hạn đối với giảm kiểu trượt

Hình 4.5 Mô hình phần tử hữu hạn đối với giảm xóc MR không dùng ống

phi từ tính

Hình 4.6 Lực giảm chắn và năng lượng tiêu thụ so với bộ giảm chan MR

được đề xuất tối ưu hóa

Hình 5.1a: Giảm chắn được chế tạo

Hình 5.Ib: Thí nghiệm đánh giá lực giảm chắn của giảm chấn được chế

tạo

Hình 5.2: Thử nghiệm phản ứng bước của giảm chấn MR

Hình 5.3: Vị trí đặt cảm biến Phía trên ( A1), đặt bên hông khung máy

(A2) và đo dao động trong lồng giặt (A3)

Hình 5.4: Bộ điều khiển NicRio và hệ thống thu thập dữ liệu

Hình 5.5: Từ trường bên trong trống quay mô phỏng sự mất cân bằng của

CHUONG I : GIỚI THIEU 1.1 Dat van dé

Từ năm 1911 chiếc máy giặt chạy điện đầu tiên được ra đời tại Mỹ Tại Việt

Nam khoảng vào năm 2001 những chiếc máy giặt đầu tiên đã được sản xuất và ra đời Ngày nay máy giặt đã trở nên thông dụng không chỉ được sử dụng frong các gia đình hiện đại mà máy giặt đã trở thành một trong những vật dụng thiết yếu của nhiều gia đình ở Việt Nam, máy giặt thực sự giúp giải phóng mọi người khỏi công việc giặt giũ hàng ngày, nó giảm tải gánh nặng công việc nhà cho mọi người và nhất

là bảo vệ sức khỏe cho gia đình, giúp cuộc sống không chỉ tiện nghỉ hơn mà còn nâng cao sức khỏe cộng đồng tạo cho mọi người có nhiều thời gian tận hưởng cuộc

sống

Đề đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường máy giặt, các nhà sản xuất trong và ngoài nước đã không ngừng cải tiến và đưa ra nhiều sản phẩm mới Trên thị trường hiện nay có hai loại máy giặt cơ bản: máy giặt cửa trên hay còn gọi là máy giặt lồng đứng, lồng giặt được đặt đứng, loại nầy cửa được thiết kế nằm ở phía trên Máy giặt cửa trước hay còn gọi là máy giặt lồng ngang, lồng giặt được đặt nằm ngang, cửa được thiết kế ở phía trước của máy giặt

Nguyên lý hoạt động chung của tất cả máy giặt là xoay đảo quan áo liên tục trong hỗn hợp chất tây Lúc này, bề mặt quần áo được ma sát với nhau, giả lập thành động tác chà quần áo như khi giặt tay, giúp loại bỏ các vết bẩn Trong quá trình hoạt động máy giặt thường bị rung động điều nầy thường xảy Ta nhất là trong giai đoạn sấy khô, bởi vì lồng quay được quay với tốc độ tương đối cao làm cho trọng lượng những bộ quản áo bị ép và bên trong tắm chặn của lồng quay và chúng

có thể trở thành một khối lượng lớn không cân bằng Đặc biệt, trong máy giặt cửa trước được thiết kế với lồng giặt nằm ngang so với trục của máy giặt do đó khi bị ảnh hưởng của trọng lực cộng thêm khối lượng không cân bằng của quần áo làm cho dao động xay ra dé dang hơn so với máy giặt cửa trên, quần áo là một khối không định hình nên việc xoay đảo trong quá trình giặt của dòng máy này thường

Trang 9

không hoàn hảo, không đều gây ra độ ồn và độ rung cao tạo cảm giác khó chịu cho người khi sử dụng

Nguyên nhân chính là do máy giặt đang sử dụng thuộc đời quá củ, không

được trang bị hệ thống giảm rung, hoặc nếu có thì hệ thống giảm rung hoạt động kém hiệu quả cộng thêm khối lượng không cân bằng của quần áo làm cho dao động xảy ra dễ dàng hơn gây ra rung động khi máy hoạt động Một phần là do vận tốc

của máy giặt khi hoạt động được quay với tốc độ rất cao có thẻ lên đến 1500 v/p, thông thường trong quá trình giặt tốc độ quay của lồng giặt tăng từ 0 đến khoảng

1500 vòng/phút với phạm vi vận tốc này rat dé gây ra rung động và tạo tiếng ồn rất lớn cho nên bộ phận giảm xóc phải được thiết kế và chế tạo phải có tính năng thích

ứng tốt với khả năng rung động của hệ thống máy khi hoạt động

Bộ phận treo của máy giặt lồng ngang thông thường bao gồm 2 lò xo đàn hồi

và 2 bộ giảm rung (damper) được mô tả như hình 1.1

Trong một số trường hợp đẻ thuận lợi trong việc giảm rung động theo phương

dọc 3 hoặc 4 bộ giảm xóc được sử dụng như hình 1.2 thể hiện máy giặt lồng ngang

với 3 lò xo và 3 bộ giảm rung và hình 1.3 thể hiện máy giặt lồng ngang với 4 lò xo

Hình 1.3 Biếu diễn bộ phận giãm xóc của máy giặt cửa trước dạng 4 bộ

giảm rung

Lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, khi hệ số suy giảm của hệ thống treo

tăng thì biên độ dịch chuyển của vùng cộng hưởng trong tần số thấp có giảm, nhưng

ở vùng cộng hưởng tần số cao lại tăng lên đáng kể Ngược lại khi hệ số suy giảm

của hệ thống treo giảm, xác suất xuất hiện cộng hưởng ở tần số thấp (100-200v/p)

tăng cao và đây là nhược điểm của hệ thống giảm chấn thụ động trong máy giặt Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt được thẻ hiện trong hình 1.4 cho thấy

sự phụ thuộc của hệ số suy giảm (TR) vào tần số dao động của máy giặt

Tan so rung dong [Hz]

Hình 1.4 Đặc tính tần số của rung động trên máy giặt

Trang 12

Do vậy để giải quyết vẫn đề rung động và giảm tiếng ồn cho máy giặt cửa trước cần phải có một hệ thống giảm chấn loại mới có khả năng khắc phục những yếu điểm trên để giảm rung động và tiếng ồn khi máy giặt hoạt động.Trong phần nghiên cứu này một đề mới xuất được đưa ra là thiết kế hệ thống giảm chan str dùng lưu chất điện từ biến MRF cho máy giặt cửa trước

Lưu chat tir bién (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 lượng lớn khi MRE 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 cua 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 tử trường ngoài, lưu chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyến sang thuộc tính dạng đàn đẻo với ứng suất chảy đẻo (yield stress) phụ thuộc vào độ lớn từ trường tác dụng Lúc này, 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

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của MRE như mật độ,

kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dòng chất lỏng mang hạt tải

điện, chất phụ da, 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 để cải thiện tính chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp Để hoạt động tốt, MRE phải có

độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng đến từ trường bên

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 MRE, 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 MRE ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó

Trang 13

1.2 Tính cấp thiết của đề tài :

Hệ thống giảm xóc (hay còn gọi là hệ thống giảm chấn) là một thiết bị được

thiết kế để làm êm dịu những rung động hoặc những va đập và để làm tiêu tan năng lượng động lực Hệ thông giảm xóc thường được sử dụng trong những kết cầu có sự rung động chăng hạn như xe máy, ô tô, bộ phận hạ cánh cho máy bay và một phần của hệ thống đở trong các nhà máy công nghiệp, loại giảm xóc lớn đôi khi được sử

dụng trong kỹ thuật kết cấu để tăng thêm bền vững và giảm bớt thiệt hại từ chan

động và những thiên tai khác

Do nhu cầu của xã hội ngày nay càng phát triển đòi hỏi những máy móc thiết

bị ngày càng hiện đại nhằm thích nghỉ với nhu cầu sử đụng của mọi người tốt hơn

do đó trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng nhiều loại máy, thiết bị hiện

đại đã được thiết kế và ra đời như các loại máy giặt và một số các thiết bị khác như

bộ phận giảm chắn trong ô tô, các máy móc có sự rung động khi hoạt động

Mục đích lớn nhất của các loại máy nây là làm sao giải quyết được bài toán tối

ưu cho hệ thống rung động chẳng hạn như bộ phận giảm chấn trong xe ô tô phải có

khả năng tùy biến được độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt

đường làm cho dao động được đập tắt nhanh nhát, hiệu quả nhất mà người ngồi trên

xe vẫn cảm thấy thoải mái nhất Trong máy giặt khi máy hoạt động cũng phải có hệ

thống giảm chấn loại mới có khả năng tùy chỉnh được lực giảm chấn tùy thuộc vào

tốc độ quay của lồng giặt nhằm thay thế cho hệ thống giảm chấn thụ động cũ hoạt

động kém hiệu quả do độ cứng và hệ số suy giảm không thể điều chỉnh, để vừa có

khả năng chống cộng hưởng ở tần số thấp lại vừa có khả năng cách rung ở tần số

cao

Để giải quyết vấn đề này một đề xuất được đưa ra là sử dụng hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất MRF để kiểm soát sự rung động trong máy giặt Việc thiết kế hệ thống giảm chấn có khả năng điều chỉnh được độ rung động sử dụng lưu chất MRF cho máy giặt cửa trước trở nên rất cần thiết và rất có ích cho xu

thế hiện đại hóa máy móc thiết bị ngày nay, nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu sử dụng

Trang 14

của mọi người trong xã hội vì nó có thể bù đắp những khuyết điểm của hệ thống giảm chắn thông thường

Mặc dù trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống giảm chắn cho máy giặt cửa trước sử dụng lưu chất MRE Tuy nhiên, ở Việt Nam do còn hạn chế về mặt tiếp cận và đây là công nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước chưa có hoặc đã có nhưng chưa được phổ biến, chỉ có một số ít tác giả nghiên cứu

về lĩnh vực này như là một sự khởi đầu cho việc tiếp cận ứng dụng hệ thống giảm

chân cho máy giặt dùng MRF ở Việt Nam và chủ yếu là các công trình nghiên cứu

có sự kết hợp với các chuyên gia nước ngoài như:

Quoc Hung Nguyen, Ngoc Diep Nguyen and Seung Bok Choi cac tac gia da

có bài viết “ Optimal design and performance evaluation of flow — mode MR damper for front — loaded washing machines” trén báo Asia Pacific Journal on Computation! Engineering Trong nghién ctru nay, mét co cấu giảm chắn kiểu van

đã được đề xuất cho máy giặt Các tác giả đã phân tích, tính tối ưu hóa giảm chấn

này nhằm đạt được lực giảm chắn cực đại là 150Nm trong khi lực giảm chan khi không có từ trường tác đụng là nhỏ nhất có thể Kết quả nghiên cứu đã tạo ra một giảm chắn lưu chất điện từ biến cho máy giặt có lực giảm chấn đạt đến 150N trong khi lực của giảm chắn khi không có từ trường tác dụng là tương đối lớn

Một nghiên cứu khác cũng do nhóm tác giả trên thực hiện và chủ yếu là ở ngoài nước như Quoc Hung Nguyen and Seung Bok Choi với bài viét “Optimal Design of Magnetorheological Fluid Based Dampers for Front Loaded Washing Machines” Trong nghiên cứu nầy, một cơ cầu giảm chấn kiểu trượt đã được đề

xuất cho máy giặt cửa trước, nhóm tác giả đã đưa ra nhiều loại giảm chắn kiểu

trượt: loại 1 cuộn dây, 2 cuộn đây và 3 cuộn dây nhằm thay đổi độ lớn lực giảm chấn do từ trường tác động vào lưu chất MRF và đề xuất hệ thống giảm chắn MRF không đùng ống phi từ tính cho máy giặt của trước, theo các tác giả kiểu giảm chắn này khả năng tạo ra các tính năng tốt hon va dé chế tạo hơn Kết quả nghiên cứu đã

tạo ra một giảm chấn kiểu trượt cho máy giặt cửa trước dùng lưu chất MRF có lực

Trang 15

giảm chấn cực đại là 100N và lực giảm chấn khi không có từ trường tác dụng là

9.6N và không dùng ống phi từ tính

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài :

Hiểu và phân tích được rung động cho hệ thống treo trong máy giặt

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

Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất điện - từ

biến cho hệ thống treo của máy giặt cửa trước

1.4 Nội dung nghiên cứu :

Với mục tiêu đã đặt ra, đề tài sẽ tập trung một số nội dung sau:

Tìm hiểu về rung động và hệ thống treo của máy giặt

Tìm hiểu các đặc tính và nguyên lý làm việc của lưu chất điện-từ biến

Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện-từ biến vào các cơ cấu máy móc trong công nghiệp

Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động cho máy giặt cửa trước

dùng lưu chất điện — từ biến

Tính toán mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài :

1.5.1 Phương pháp luận

Các phương pháp sử dụng đề đạt được mục tiêu đã đề ra :

Thiết kế, chế tạo hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng lưu chất điện - từ

biến nhằm tạo ra hệ thống giảm chấn mới đạt hiệu quả cao thay thế cho hệ thống giảm chắn cũ kém hiệu quả trong máy giặt cửa trước, dựa trên mối quan hệ giữa độ

biến thiên của từ trường và độ rắn lỏng của lưu chất điện - từ biến, từ đó tính toán,

thiết kế tỳ lệ truyền phù hợp để nhằm đạt hiêu quả cao Để thực hiện nghiên cứu

này cần thực hiện

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

-Phân tích và tính toán hệ thống dùng phần tử hữu hạn và giải tích

-Thiết kế và chế tạo hệ thống

Trang 16

-Thực nghiệm, kiểm chứng kết quả

1.5.2.Phương pháp nghiên cứu

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

Nội dung 1: Tìm hiểu các đặc tính và nguyên lý của lưu chất điện-từ biến -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: Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện-từ biến vào các cơ cầu

máy móc, thiết bị

-Thu thập các tài liệu thông tin đã có làm nền tảng cho việc nghiên cứu

-Tìm hiểu các nghiên cứu trước đó trong và ngoài nước liên quan đến cơ cấu Nội dung 3: thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống giảm chắn bán chủ động sử dụng lưu chất điện-từ biến giảm chấn bán chủ động sử dụng lưu chat điện- từ biến

-Tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất điện - từ biến

- Phân tích tính toán lý thuyết về hệ thống

- Chế tạo dựa trên cơ sở đã được tính toán

Nội dung 4 : Tính toán, tối ưu hóa bằng phương pháp PTHH

Bài toán được giải dưa trên phần tử hữu hạn từ đó xác định loại nào có cấu

hình tốt nhất về yêu cầu giảm rung tối ưu

Nội dung 5: thực nghiệm kiểm chứng kết quả

- Phương pháp phân tích hệ thống

- Đánh giá kết quả đạt được

Trang I7

CHUONG II : TONG QUAN VE LUU CHAT TU BIEN

2.1 Nguyên lý hoạt động của MRE:

Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thông minh, bao gồm

Hydrocarbon tông hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hat từ tính

Thêm vào đó, để loại bỏ sự kết tủa của các hạt có khối lượng lớn khi MREF 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 MRE

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, hru chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyền 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 2.1 Liên kết giữa các hạt thay đối theo từ trường

Có nhiều yếu tố ảnh hướng 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 để cải thiện tính

chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp Để hoạt động tốt, MRF phải có

Trang I8

độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng đến từ trường bên ngoài và có thể đạt được ứng suất tôi đa khi có đủ từ trường tác động

Thông thường để làm tăng ứng suất của MRE, 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 MRE ảnh hưởng đáng kẻ đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó

2.2 Thành phần của MRF

MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ hoặc các chất có từ tính và các phụ gia

khác không mang từ tính Trong thực tế, các hạt mang từ tính của MRF là: sắt, hợp

kim 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 thể

gây ra bởi MR chủ yếu được xác định bởi độ kháng từ thấp nhất và mức độ bão hòa cao nhất của từ tính các hạt phân tán Do đó, trong thực tế, vật liệu từ (bột sắt

cacbonyl) đựơc sử dụng chính cho hầu hết các MRF Ngoài ra hợp kim Fe-Co và hợp kim Fe-Ni cũng có thể được sử dụng.Ngược lại, một số các vật liệu sắt từ như

Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite va ferrite gém có từ tính bão hòa thấp và do đó được áp

dụng trong các ứng dụng có ứng suất thấp Hạt MR thường có kích thước từ 0,1 đến

10um Trong MRF khối lương các hạt từ chỉ chiếm một phần nhỏ khối lượng của

lưu chất và không ảnh hưởng tới lưu chất

Các chất lỏng được sử dụng trong MRF là: dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, copolyme silicone, dầu thủy lực, đầu biến áp, dẫn xuất halogen, hóa chất lỏng hữu cơ, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước và các loại dầu hydrocarbon tông hợp

2.3 Mô hình toán học của MRE

Mô hình ứng xử lưu biến của MRE đóng vai trò quan trọng trong quá trình

nghiên cứu và phát triển của các thiết bị MRF, hơn nữa mô hình chính xác có thể dự đoán hiệu suất của các thiết bị MRF là một phan quan trong trong viéc ché tao ra

các thiết bị Khi cé tir trudng tac dong MRF thé hién tinh chất phi tuyến Một số các

mô hình phi tuyến đã được sử dụng để mô tả ứng xử MRF, bao gồm các mô hình

Trang 19

dẻo Bingham, mô hình dẻo biviscous, mô hình dẻo Herschel-Bulkley và mô hình dẻo Eyring Mặc dù đã có một số mô hình đã được phát triển và áp dụng cho MRE, nhưng hai mô hình phổ biến nhất đã được sử dụng rộng rãi với độ chính xác cao và chi phí tính toán hợp lý là mô hình déo Bingham và mô hình dẻo Herschel-Bulkley

Vì vậy hai mô hình nầy đã được sử dụng rộng rãi trong mô hình tính toán của MRE 2.3.1 Mô hình déo Bingham

Mô hình dẻo Bingham gồm phần tử dẻo cứng liên kết song song với các phần

tử chất nhớt Newton Loại nầy ứng suất trượt tỷ lệ thuận với tốc độ trượt và được

biểu thị như sau

Trong dé

z_ Ứng suất trượt trong chat lỏng

Ty Ung suat chay (yield stress)

7 DO nhot sau chay déo cia MRF (post-yield viscosity)

z Tốc độ trượt giữa các lớp lưu chat MRF (shear rate) Sng 1a ham dau Do là khi chất lỏng ở trạng thái đứng yên, ảnh hưởng bởi độ

nhớt đàn hồi cho tới khi tốc độ trượt lớn hơn giá trị tới hạn z,: Trong khi nó đi

chuyển như một chất long Newton khi vượt qua giá trị tới hạn

Mô hình dẻo Bingham được thể hiện ở hình 2.2 thể hiện sự tương quan giữa

chất lỏng Newton và đẻo Bingham Sự đơn giản của mô hình hai tham số nầy đã

dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ER và

MRF

Trang 20

Ứng suất trượt() Chất lưu trượt

Chất lỏng

Ứng suất chảy ( Ty) Newton

Tốc độ trượt (7 )

Hình 2.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lông Newton va déo Bingham

2.3.2 M6 hinh déo Herschel- Bulkley

Trong mô hình này chất lỏng sẽ bị trượt dầy hay trượt mỏng, đặc biệt khi chất lưu MRF chịu tốc độ trượt cao, mô hình này sẽ cho kết quả tốt hơn Trong trường hop nay sử dụng mô hình dẻo Herschel-Bulkley sẽ phù hợp hơn Mô hình dẻo

Herschel-Bulkley có thể được biểu điễn bằng công thức toán học sau

Trong đó

K_ Thông số độ đặc

m Hệ số chất lỏng của MRF Nếu m > ! ta có chất lỏng trượt mỏng,

nếu m < 1 ta có chất lỏng trượt dầy, khi m = 1 mô hình Herschel_

Bulkley sẽ giống như mô hình Bingham

Trong rất nhiều nghiên cứu, các thông số như ;;, K, m được xem như không phụ thuộc vào từ trường tác động Tuy nhiên, thực tế các thông số nầy bị tác động

bởi từ trường Zubieta đã đề xuất mô hình đẻo phụ thuộc vào từ trường cho MRF

dựa trên dẻo Bingham và sau đó mở rộng với mô hình dẻo Herschel-Bulkley Các

mô hình nay sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu

MRE Bè mặt hoặc vách cố định

(b) Kiểu trượt (shear mode)

Trang 22

(c) Kiểu nén (squeeze mode)

Hình 2.3 Các kiểu ứng đụng của lưu chất MRF

2.4.1 Phanh, ly hợp

Hình 2.4 thể hiện cầu tạo cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến

Khi không có từ trường tác động các hạt chuyên động tự do và chất lỏng thể

hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây, một mạch từ được tạo ra và từ trường chạy ngang khe

MRF trên mặt trụ và mặt đầu của trống phanh, khi đó 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 có tác dụng hãm trục của phanh lại, lúc đó bánh xe sẽ bị hãm chặt hay bó cứng lại Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ

trường ngoài đưa vào

So với hệ thống phanh cơ khí thủy lực truyền thống hệ thống phanh lưu chất

điện từ biến (MRB) hiện nay có tính năng ưu việt như:

-_ 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 cầu khá đơn giản

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

Trang 23

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

hao mòn do ma sát

- Dé dang điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thông qua sợi dây điện

-_ Thời gian đáp ứng nhanh: 20 ms

Hinh 2.4 Cau tao cơ bản của phanh sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.5 Thẻ hiện cấu tạo cơ bản của ly hợp sử dụng lưu chất điện từ biến

Nguyên lý họat động của ly hợp MREF cũng tương tự như phanh MRE Điểm

khác nhau cơ bản là vỏ ly hợp không có định mà nó có chuyển động quay

⁄2 PT F0

2.4.2 Giảm chấn

Giảm chấn (damper) là một bộ phận không thẻ thiếu trong ô tô cũng như nhiều

máy móc khác, nó có tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng như dập tắt dao động Hau hét các loại giảm chân thông thường đều có độ cứng không thay đổi, vì vậy nếu

mặt độ nhấp nhô của mặt đường trùng với tần số dao động của thiết bị giảm chấn

hoặc độ nhấp nhô mặt đường quá lớn thì hiệu qua của giảm chắn sẽ giảm đi đáng kế

hoặc thậm chí là vô hiệu

Việc thiết kế bộ giảm chân có khả năng điều chỉnh độ cứng trở nên cần thiết vì

nó có thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chắn thông thường, với khả năng

điều khiển được, MRE đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chan

Nó có khả năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc 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

Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất điện từ biến được giới thiệu ở

hình 2.6 Các piston bên ngoài và bên trong kết hợp với nhau để tạo thành cầu trúc van MR phân chia thể tích bên trong giảm chấn thành hai phần: phần trên và phần dưới Các phần này được chứa đầy chất lỏng MRE Theo nguyên tắc khi piston

được di chuyển từ phía trên xuống phía dưới sẽ tạo sự chênh lệch về thể tích giữa

phân trên và phần đưới Khi pittông di chuyển xuống phía dưới, phần dưới sẽ có thé tích nhỏ hơn ban đầu làm cho lưu lượng chất lỏng MRF từ phía dưới ép lên phía trên thông qua các ống hình khuyên, nhờ pittông buồng khí địch chuyển xuống phía dưới buồng khí nên đảm bảo được thể tích của phần dưới khi piftông di chuyển xuống

2.4.3 Khối gá động cơ

Khối gá động cơ (engine mount) được thể hiện ở hình 2.7 là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu thủy nó dùng để gá đặt động cơ trên khung xe và đảm bảo cho động cơ và các bộ phận truyền động (động cơ - hộp số - trục cát đăng) trên xe hoạt động ổn định Khối gá động cơ còn được sử dụng để giảm những rung động từ động cơ truyền tới khung xe nhờ đó mà người ngồi trong xe cảm thấy thỏa mái hơn Nhiều kiểu cơ cấu gá động cơ đã được nghiên cứu và phát triển, trong đó một số kiêu đã được đưa vào sản xuất và cung cấp trên thị trường

Việc phân loại khối gá động cơ có thể đựa vào tác động của nguồn năng lượng bên ngoài, về cơ bản, khối gá động cơ có thể chia làm ba loại: loại thụ động

.(passive mount), ban chi déng (semi-active mount) va chu d6ng (active mount)

Loại cơ cầu gá động cơ thụ động thường hay sử dụng là cơ cấu gá bằng vật liệu cao

su (rubber mount), loai nay đã được sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước,

ưu điểm của loại này là kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và dễ bảo trì thay thế Cơ

cầu gá động cơ bằng cao su có hệ số giảm chấn thấp, hoạt động hiệu quả ở tần số hoạt động cao nhưng không hoạt động tốt trong những tần số cộng hưởng Đề giải quyết những hạn chế này, môt số cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực (hydraulic mount) được phát triển và ứng dụng trong một số dòng xe Gá động cơ thủy lực sử dụng quán tính do dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoang đàn hồi (làm bằng cao

Trang 26

su) Độ cứng động lực của cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại không giảm được những rung động ngoài dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su, đặc

biệt là vùng có tần số cao

Để cải thiện hoạt động, khối gá động cơ dạng chủ động được phát triển và đã được sử dụng trên thị trường Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác động từ bên ngoài và có thể dùng các thuật toán điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn trong những trường hợp có những dao động bất thường Hệ thống gá động cơ chủ động có khả năng hoạt động tốt hơn trong một dải tần số rộng, nhưng nó không

được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá thành cao

Những hạn chế trên có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơ bán chủ động Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một

hệ thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn Vì vay, co cau gá bán chủ động có thể

hoạt động như mong muốn mà không cần nguồn năng lượng lớn cũng, kết cấu

không quá phức tạp và giá thành vừa phải

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về dạng 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 chắn trong cơ cau ga

2.4.4 Hé thong Haptic

Haptic là một thuật ngữ có nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác Nó

giúp ta có thể cảm nhận như mình đang trực tiếp cằm, nắm hay làm việc gì đó mặc

dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera

Ngày nay, Haptic đang được ứng dụng khá rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực y học Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chóng được nghiên cứu và

ứng dụng vào trong lĩnh vực này, cụ thé là găng tay MRE được thé hiện ở hình 2.8

Thực chất của găng tay MRF là sự kết hợp giữa các MRB lại với nhau, nó làm cản

chuyển động của các ngón tay tương ứng với lực phản hồi thực tế Từ đó người đeo

găng tay có thể cảm giác được như đang trực tiếp thao tác

Hình 2.8 Cấu tao gang tay MR (http://research vancouver.wsu.edu/dr-hakan-gurocak/mr-glove)

Trang 28

2.4.5 Van

Một ứng dụng khác của MRE là van MR được thê hiện ở hình 2.9 Van MR có

tác dụng tương tự các loại van khác, tuy nhiên về mặt kết cấu thì nó đơn giản và dễ

dàng điều khiển hơn

Nguyên lý hoạt động của van như sau, ban đầu khi chưa có tác dụng của từ trường, dòng lưu chất chảy vào van theo ngõ vào inlet, đi ngang qua các khe và ra

ngoài theo ngõ ra outlet Khi có từ trường tác động, dòng lưu chất xung quanh cuộn

đây bị từ hóa và trở nên liên kết lại với nhau chỉ khi áp suất của dòng lưu chất đủ lớn đề thắng lực liên kết này thì dòng lưu chất mới có thể đi qua van được và khi từ trường đủ lớn thì lưu chất xung quanh cuộn dây sẽ hóa rắn, dòng lưu chất không thể

đi qua van

Phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cách đưa từ trường vào ta có thể điều

chỉnh van theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào

Ngõ vào Lỏi Dòng chảy Ngỏ ra

Vách van Cuộn cảm

Hình 2.9 Cấu tạo van MR

Trang 29

CHUONG 3: THIET KE VA TINH TOAN BO GIAM CHAN

SU DUNG LUU CHAT MRF CHO MAY GIAT CUA TRUOC

3.1 Hệ thống giảm chấn của máy giặt cửa trước:

Hinh 3.1 Sơ đồ 3D của máy giặt cửa trước

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong suốt quá trình quay máy giặt thường trải

qua giai đoạn cộng hưởng ở tần số khá thấp khoảng 100 — 200 vòng/ phút, các cộng hưởng này xuất hiện do chế độ dao động hệ cứng (rigid mode) của thùng quay máy giặt Khi lồng giặt quay ở tốc độ cao thường là trên 1000 vòng/phút các vách bên và

tắm phía sau của khung có thể bị tác động của sự cộng hưởng gây ra tiếng ồn và sự

Trang 30