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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.25 MB, 20 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM </b>
<b>--- </b>

<b>TRẦN UY NGHI </b>

<b>NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP </b>

<b>DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG </b>

<b>LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID) </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM </b>
<b>--- </b>

<b>TRẦN UY NGHI </b>

<b>NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP </b>

<b>DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG </b>

<b>LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID) </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

<b>CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI </b>
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM </b>

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).

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
CƠNG NGHỆ TP. HCM <b>Độc lập – Tự do – Hạnh phúc</b>

<b>PHÒNG QLKH – ĐTSĐH </b>

<i>TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2014 </i>
<b> </b>

<b>NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

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

Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (MR Fluid)
<b>II- Nhiệm vụ và nội dung: </b>

- 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

<b>III- Ngày giao nhiệm vụ: ... </b>
<b>IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ... </b>
<b>V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Hưng </b>

<b>CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH </b>
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tơi 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

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 Cơng Nghệ TPHCM
đã cho tơi 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 tơi 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

<b>TĨM TẮT </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

<b>ABSTRACT </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

<b>MỤC LỤC </b>

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 tốn ly hợp ... 20

3.2.1. Tính tốn momen truyền động ... 20

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

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

4.1. Cơ sở tính tốn bài tốn 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 mơ hình để khảo sát ... 28

5.1.1. Khảo sát ban đầu ... 28

5.1.2. Khảo sát tại phịng 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

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

<b>DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

<b>DANH MỤC CÁC BẢNG </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

<b>DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH </b>

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 ch̃i 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 thơng 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: Mơ hình dùng ở phịng thí nghiệm SSSLap ... 29

Hình 5.2: Đáp ứng điều khiển ổn định tốc độ của hệ thống ly hợp thơng 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

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

CHƯƠNG 1

<b>GIỚI THIỆU </b>

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 ln tìm tịi 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 cơng
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…

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

<b>1.2. Tính cấp thiết của đề tài: </b>

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 trị 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 khơng 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?

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

<b>1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: </b>

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.

<b>1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài: </b>

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.
<b>1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài: </b>

<b>1.5.1. Phương pháp luận: </b>

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 ờn 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 lịng 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 ngồi nước.
Phân tích và tính tốn hệ thống.

Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

<b>1.5.2. Phương pháp nghiên cứu: </b>

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

<b>Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ </b>
biến vào các cơ cấu máy móc trong cơng nghiệp.

Phương pháp thu thập thơng 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.

<b>Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến </b>
Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến.

Phân tích tính tốn lý thuyết về hệ thống.
Thiết kế dựa trên tính tốn.

<b>Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống. </b>

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

Phân tích tính tốn lý thuyết điều khiển hệ thống.
Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính tốn lý thuyết.
Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.

<b>Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. </b>
Phương pháp phân tích hệ thống.

Phương pháp đánh giá kết quả đạt được.
<b>1.6. Kết cấu luận văn: </b>

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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

CHƯƠNG 2

<b>TỔNG QUAN VỀ BỘ LY HỢP </b>

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 vơ
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
vơ 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.

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

<i><b>(a) khơng có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0) </b></i>
<i><b>Hình 2.1: Ngun lý hoạt động của lưu chất từ biến </b></i>

Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF
(electrical-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
MR, gang tay MR, van điều tiết MR,….

<i><b>Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến </b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

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

</div>