Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (MR Fluid) - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

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 [r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP

DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP

DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật 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 bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Quốc Hưng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 10 tháng 05 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được 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 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN UY NGHI Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1989 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840008

I- Tên đề tài:

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

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu các đặc tính của lưu chất từ biến

- Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến

- Nghiên cứu điều khiển bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến

- Thực nghiệm và đánh giá kết quả

III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Hưng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Quốc Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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

Học viên thực hiện Luận văn

Trần Uy Nghi

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Cơ Khí – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Công Nghệ TPHCM

đã cho tôi có điều kiện được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc với thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi chân thành cám ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Tôi chân thành cám ơn các quý thầy đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong khóa học vừa qua

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi kính mong nhận được

sự thông cảm và tận tình chỉ bảo thêm của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, một bộ ly hợp sử dụng bộ truyền động lưu chất từ biến được đưa ra xem xét và thực hiện Đầu tiên, kết cấu của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến được đưa ra xem xét Bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến được xem xét và phân tích dựa trên tính chất lưu biến đàn dẻo Bingham của lưu chất từ biến Sau đó, việc thiết

kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến được nghiên cứu để tìm ra kích thước hình học tối ưu của bộ ly hợp để có thể truyền tải được momen xoắn theo yêu cầu với trọng lượng của kết cấu là nhỏ nhất Tiếp đó, bộ ly hợp mẫu dùng lưu chất từ biến được chế tạo và các đặc tính đặc trưng của nó được mang ra thí nghiệm khảo sát Từ đó một hệ thống điều khiển tốc độ trục tải dùng bộ ly hợp lưu chất từ biến được thiết kế và chế tạo Tiếp theo, bộ điều khiển được thiết kế để điều khiển tốc độ đầu ra của hệ thống Để đánh giá hiệu suất của hệ thống, kết quả thí nghiệm của hệ thống được ghi nhận

và trình bày với các cuộc thảo luận

ABSTRACT

In this research, a new method to control speed of driven shaft using magnetorheological (MR) clutch is proposed and realized Firstly, the configuration

of a driven shaft speed control using MR clutch is proposed The MR clutch configuration is then proposed and analyzed based on Bingham-plastic rheological model of MR fluid An optimal designed of the MR clutch is then studied to find out the optimal geometric dimensions of the clutch that can transform a required torque with minimum mass A prototype of the optimized MR clutch is then manufactured and its performance characteristics are experimental investigated A driven shaft speed control system featuring the optimized MR clutch is design and manufactured and a controller is then designed to control the output speed of the system In order

to evaluate the effectiveness of the proposed driven shaft speed control system, experimental results of the system are obtained and presented with discussions

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh ix

Chương 1: Giới thiệu 01

1.1 Đặt vấn đề 01

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 02

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 03

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 03

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 03

1.5.1 Phương pháp luận 03

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 04

1.6 Kết cấu luận văn 04

Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp 05

2.1 Khái quát về ly hợp 05

2.2 Cơ sở tính toán của MRF 08

2.3 Các kiểu hoạt động của lưu chất từ biến (MRF) 14

2.4 Các vấn đề cần giải quyết 17

Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến 19

3.1 Nguyên lý hoạt động 19

3.2 Tính toán ly hợp 20

3.2.1 Tính toán momen truyền động 20

3.2.2 Thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến 21

Chương 4: Điều khiển ly hợp MR 24

4.1 Cơ sở tính toán bài toán điều khiển 24

4.2 Thí nghiệm xác định momen truyền động 25

Chương 5: Kết quả thực nghiệm 28

5.1 Kết quả sử dụng mô hình để khảo sát 28

5.1.1 Khảo sát ban đầu 28

5.1.2 Khảo sát tại phòng thí nghiệm SSSLap 28

5.2 Nhận xét đánh giá kết quả thực nghiệm 29

Chương 6: Kết luận 32

6.1 Kết luận 32

6.2 Hướng phát triển 32

Tài liệu tham khảo 33 Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết kế bộ ly hợp

Phụ lục 2: Chương trình tính toán tối ưu bộ ly hợp dùng phần mềm ANSYS

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MRF Magnetorheological fluids Lưu chất từ biến

MRB Magnetorheological Brake Phanh lưu chất từ biến

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn ABS Anti-lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kích thước hình học tối ưu hóa của bộ ly hợp MR 23

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến 6

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến 6

Hình 2.3:.Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến 7

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ 7

Hình 2.5: Găng tay MR 7

Hình 2.6: Cấu tạo van MR 8

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu 8

Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian 12

Hình 2.9: Nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến 13

Hình 2.10: Chế độ van trong ứng dụng MR 15

Hình 2.11: Chế độ cắt của MRF 16

Hình 2.12: Chế độ nén của MRF 17

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến 19

Hình 3.2: Lời giải tối ưu của ly hợp MR thông thường 23

Hình 4.1: Thiết lập thử nghiệm để kiểm tra momen truyền động của ly hợp 25

Hình 4.2: Momen truyền động của ly hợp 25

Hình 4.3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tốc độ đầu ra bộ ly hợp 27

Hình 5.1: Mô hình dùng ở phòng thí nghiệm SSSLap 29

Hình 5.2: Đáp ứng điều khiển ổn định tốc độ của hệ thống ly hợp thông qua bộ điều khiển PID 30

Hình 5.3a: Đáp ứng điều khiển tốc độ của hệ thống ly hợp thông qua bộ điều khiển PID ở tần số 1 Hz 30

Hình 5.3b: Đáp ứng điều khiển tốc độ của hệ thống ly hợp thông qua bộ điều khiển PID ở tần số 3 Hz 31

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay với điều kiện cơ sở vật chất ngày một được nâng cao, trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các nhà nghiên cứu luôn tìm tòi và sáng tạo ra những vật chất có tính hữu dụng với công nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói riêng và nhu cầu cuộc sống nói chung Đặc biệt là với lĩnh vực máy móc công nghiệp, chúng ngày được cải tiến để hoàn thiện hơn và giải quyết được các bài toán nhược điểm của hệ thống

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