jerzy bajkowski

Download Jerzy BAJKOWSKI

Post on 11-Jan-2017

216 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI LSKIEJ 2014

    Seria: TRANSPORT z. 82 Nr kol. 1903

    Jerzy BAJKOWSKI 1

    STANOWISKO BADAWCZO-DYDAKTYCZNE DO WYZNACZANIA

    PARAMETRW PRZEKADNI ZE SPRZGEM I HAMULCEM

    MAGNETOREOLOGICZNYM

    Streszczenie. W pracy zaprezentowano materia niezbdny do przeprowadzenia jednego

    z wicze laboratorium modelowania i badania maszyn, bdcego jednym z elementw

    nauczania przedmiotu podstawy konstrukcji maszyn. Do wykonania wiczenia wykorzystuje

    si stanowisko laboratoryjne powstae w zwizku z wykonywanym projektem badawczym.

    Studenci zapoznaj si z cieczami sterowanymi polem magnetycznym, poznaj budow

    i zasad pracy tumikw, sprzgie i hamulcw magnetoreologicznych oraz waciwoci

    wyrniajce te urzdzenia. Korzystajc ze stanowiska badawczego, samodzielnie wykonuj

    odpowiednie pomiary wartoci przenoszonego momentu si, przy rnych wartociach

    natenia pola magnetycznego. W kocowym sprawozdaniu, oprcz prezentacji otrzymanych

    rezultatw, studenci przeprowadzaj ich indywidualn analiz.

    Sowa kluczowe: tumik obrotowy, sprzgo, hamulec, ciecz magnetoreologiczna

    THE EXPERIMENTAL DIDACTIC STAND FOR DETERMINING THE

    PARAMETERS OF THE GEAR WITH MAGNETORHEOLOGICAL

    CLUTCH AND BRAKE

    Summary. In this paper the laboratory stand, designed to be used as a part of the

    Laboratory of Machine Design and Research which is part of the subject Fundamentals of

    Machine Design, is presented. Originally the laboratory stand was designed as an element of

    one of the research projects, and the adopted for didactic purposes. The students have the

    chance to get familiar with unique type of fluids controlled by the magnetic field and their

    application in the special purpose devices. The laboratory stand allows to conduct individual

    measurements of the torque, for different coil currents which generate the magnetic field. In

    the final report students provide the results with the individual analysis of the system

    parameters.

    Keywords: rotary damper, clutch, brake, magnetorheological fluid

    1 Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland,

    e-mail: jba@simr.pw.edu.pl.

  • J. Bajkowski 10

    1. GENEZA, PRZEDMIOT I CEL BADA

    W ramach jednego z projektw badawczych, jaki realizowano w Instytucie Podstaw

    Budowy Maszyn Politechniki Warszawskiej, zaistniaa konieczno skonstruowania

    obrotowych tumikw, sprzgie i hamulcw magnetoreologicznych, ktre charakteryzuj si

    rnicymi je od konstrukcji standardowych waciwociami i parametrami. Zbudowane

    stanowisko badawcze zostao wczone jako jedno z wicze dydaktycznych do realizacji

    zaj laboratorium modelowania i badania maszyn, w ramach kompleksowej realizacji bloku

    przedmiotowego podstawy konstrukcji maszyn, prowadzonego dla studentw studiw

    magisterskich.

    Celem wiczenia jest poznanie waciwoci, jakimi charakteryzuj si ciecze

    magnetoreologiczne (MR), budowy, zasady dziaania obrotowych sprzgie i hamulcw MR,

    a take warunkw pracy oraz metod wyznaczania parametrw ukadu napdowego ze

    wspominanym sprzgem. W ramach realizacji wiczenia studenci w bezporedni sposb

    przekonuj si o tym, e podstawowe wymagania, jakimi powinny charakteryzowa si

    sprzga, ksztatujce zazwyczaj warunki pracy ukadu napdowego, oraz sterowanie nimi,

    zarwno wartoci prdkoci obrotowej, jak i przenoszonego momentu, w atwy sposb mog

    by zrealizowane za pomoc konstrukcji wykorzystujcych ciecze sterowalne. W sprzgach

    magnetoreologicznych, zaliczanych do grupy sprzgie sterowanych elektromagnetycznie,

    rol cznika podatnego czci biernej i czynnej spenia ciecz o specjalnych waciwociach.

    Ciecz ta zmienia swoje parametry lepkociowe pod wpywem pola magnetycznego,

    umoliwiajc sterownie sprzgem.

    2. CIECZ MAGNETOREOLOGICZNA

    Ciecze MR s zawiesin podatnych magnetycznie czstek elaza, tworzcych dipole

    magnetyczne, w niemagnetycznej cieczy nonej, ktr moe by olej syntetyczny

    hydrokarbonowy, silikonowy, a nawet woda. Przy braku zewntrznego pola magnetycznego,

    w tak zwanym stanie wyczonym, momenty magnetyczne zwizane z kad czstk cieczy

    s zorientowane przypadkowo i wypadkowy wektor magnetyczny ma warto zerow

    (rys. 1a). W tym stanie charakterystyka cieczy MR jest zbliona do cieczy newtonowskiej

    (rys. 2).

    W przypadku wystpienia pola magnetycznego ciecz przechodzi w stan aktywny. Dipole

    magnetyczne, znajdujce si w obszarze dziaania pola, ustawiaj si zgodnie z jego liniami

    si (rys. 1b). Czsteczki tworz struktury przypominajce acuchy. Rozerwanie takiej

    struktury wymaga uycia dodatkowych si, co objawia si jako wzrost pozornej lepkoci

    cieczy. Zmianie ulega naprenie styczne i pojawia si pozorna granica plastycznoci

    (rys. 2) [1]. Zanik pola magnetycznego powoduje powrt cieczy do stanu pierwotnego. Co

    wane, zmiany stanu jest bardzo szybkie (rzdu kilkunastu milisekund) i cakowicie

    odwracalne. Im wiksze natenie pola magnetycznego H (a tym samym indukcja B), tym

    wiksze jest naprenie acuchw utworzonych z czsteczek ferromagnetycznych i tym

    samym wiksza jest lepko cieczy. Jeli naprenia styczne w cieczy nie przekrocz

    napre granicznych 0(B), to ciecz nie pynie i zachowuje si jak ciao spryste. W stanie

    aktywnym ciecz MR ma charakterystyk pynu nienewtonowskiego.

  • Stanowisko badawczo-dydaktyczne do wyznaczania parametrw przekadni 11

    Rys. 1. Zachowanie si cieczy MR w stanie wyczonym (a) oraz acuchy czstek cieczy MR

    znajdujcej si w polu magnetycznym (b)

    Fig. 1. MR fluid in the off-state (a) and chains of particles in the on-state of the magnetic fluid (b)

    Podsumowujc, przedstawiona powyej specyficzna budowa cieczy umoliwia kontrolo-

    wanie jej waciwoci za pomoc zewntrznego pola magnetycznego, tak e charakterystyka

    naprenia stycznego w funkcji prdkoci cinania moe by liniowa (jak dla cieczy

    newtonowskiej) bd nieliniowa, np. opisana modelem Binghama [1, 2]:

    t

    Bd

    d0

    , (1)

    gdzie:

    naprenie styczne w cieczy,

    0(B) graniczna warto naprenia stycznego,

    lepko dynamiczna cieczy,

    odksztacenie postaciowe cieczy.

    Rys. 2. Zaleno naprenia stycznego od prdkoci cinania przy braku pola magnetycznego (stan

    nieaktywny) lub w polu magnetycznym (stan aktywny)

    Fig. 2. Yield stress over shear rate with no magnetic field and some magnetic field applied (on-state)

    Na rys. 3a przedstawiono tzw. wiskoelastoplastyczny model mechaniczny ciaa

    Binghama. Dla niewielkich wartoci napre model ten odwzorowuje waciwoci ciaa

    staego, natomiast dla duych napre zachowuje si jak ciecz. Powsta on w wyniku

    poczenia trzech cia doskonaych: poczonego rwnolegle ciaa Newtona (tumik

    wiskotyczny) z ciaem St. Venanta (suwak bez histerezy) oraz szeregowo poczonego z nimi

    ciaa Hookea (spryna) [1]. W modelu tym zakada si, e prd zasilajcy cewk jest stay.

    Charakterystyk takiego ciaa przedstawiono na rys. 3b. Jest ona rozdzielona na dwa obszary

  • J. Bajkowski 12

    przez warto granicy plastycznoci. Jeeli warto przyoonej siy F nie przekracza wartoci

    siy tarcia suchego w suwaku, wwczas rozciganiu ulega jedynie spryna.

    Rys. 3. Model Binghama cieczy MR (a) i jego przykadowa charakterystyka (b)

    Fig. 3. Bingham model of the MR fluid (a) and typical characteristic (b)

    Dla niewielkich wartoci napre model ten zachowuje si jak ciao stae (spryste).

    Opis matematyczny napre stycznych tego modelu przedstawia wwczas zaleno (2).

    Przy dostatecznie duej wartoci siy F, przekraczajcej warto si tarcia statycznego,

    elementy poczone rwnolegle rwnie ulegaj odksztaceniu. Prdko odksztacania

    suwaka jest proporcjonalna do wartoci przyoonej siy. Pojawia si granica plastycznoci

    0B, model zaczyna pyn, obowizuje wwczas rwnanie (3). Reologiczne rwnania stanu dla modelu Binghama mona zapisa nastpujco:

    (2)

    (3)

    gdzie:

    G modu Kirchhoffa [Pa] (modu sprystoci postaciowej),

    gradient przesunicia (miara odksztacenia postaciowego pynu),

    h wysoko prostopadociennego wycinka cieczy cinanej pod wpywem naprenia

    stycznego,

    l przesunicie grnej paszczyzny wycinka cieczy cinanej pod wpywem siy stycznej dF,

    prdko odksztacania [1/s],

    naprenie styczne [Pa],

    0B graniczne naprenie styczne indukowane przez pole magnetyczne,

    B indukcja magnetyczna [T],

    p lepko plastyczna pozorna [Pas = Ns/m2].

    3. BUDOWA I ZASADA DZIAANIA SPRZGA MAGNETOREOLOGICZNEGO

    Ciecz magnetoreologiczna znalaza zastosowania przede wszystkim w tumikach drga

    i hamulcach, ze wzgldu na moliwo uzyskania duych napre stycznych w cieczy.

    Konstrukcje sprzgie i hamulcw obrotowych pozwalaj na wypenienie ciecz przestrzeni

  • Stanowisko badawczo-dydaktyczne do wyznaczania parametrw przekadni 13

    pomidzy obudow a wirnikiem. Sprzga MR s urzdzeniami, ktrych budowa jest podobna

    do hamulcw MR. Hamulce MR, zasilane przez piercienie lizgowe bd przez transforma-

    tor obrotowy, mog by wykorzystywane jako sprzga magnetoreologiczne (rys. 4) [2, 3].

    a) b)

    Rys. 4. Hamulec obrotowy z ciecz MR (a) oraz sprzgo z ciecz MR (b): 1 cewka, 2 ciecz MR,

    3 wa, 4 wirnik, 5 obudowa [2]

    Fig. 4. Brake with MR fluid (a) and clutch with MR fluid (b): 1 coil, 2 MR fluid, 3 shaft, 4

    rotor, 5 housing [2]

    W rozpatrywanym hamulcu/sprzgle rdem