Zastosowania urządzeń obrotowych z cieczą magnetoreologiczną

W pracy [31] zaprezentowano sprzęgło magnetoreologiczne o konstrukcji wielotarczowej (rys. 2.11). Jednym z elementów obrotowych jest wał, na którym osadzone są tarcze poprzez łącznik aluminiowy. Korpus stanowi drugi element obrotowy lub jest mocowany do podłoża w przypadku zastosowań w roli hamulca. Wewnątrz jest do niego przymocowany poprzez drugi łącznik aluminiowy zestaw tarcz współpracujących z tarczami zamocowanymi do wału wejściowego. Pomiędzy nimi znajduje się ciecz MR. Obwód magnetyczny posiada dwa źródła strumienia magnetycznego: cewkę zasilaną prądem oraz magnes trwały. Dzięki zastosowaniu stałego źródła pola magnetycznego, sprzęgło wytwarza moment bez zasilania cewki. Odpowiednie ukształtowanie obwodu magnetycznego sprawia, iż zasilenie cewki prądem płynącym w jednym kierunku powoduje zwiększenie wytwarzanego momentu, natomiast w drugim niwelację pola magnetycznego w szczelinach z cieczą MR, redukując w ten sposób wytwarzany moment do wartości bliskiej zeru. Według

28 obliczeń autorów, sprzęgło wytwarza moment obrotowy równy 8,5 Nm w stanie bezprądowym. Dla prądu 0,725 A, generowany moment przekracza wartość 14 Nm. Według obliczeń autorów pracy [31], dla prądu -0,725 A, urządzenie wytwarza najmniejszą wartość momentu sprzęgającego równą 4∙10^-4 Nm.

Podobne rozwiązanie, ale bez magnesu trwałego, zaproponowano w pracy [28]

(rys. 2.12). W tym przypadku skoncentrowano się na minimalizacji wymiarów zewnętrznych sprzęgła przy zachowaniu założonych wartości wytwarzanego momentu. Zastosowano zmniejszenie grubości szczelin pomiędzy tarczami do 50 mikrometrów (w większości przypadków szczelina ta zawiera się w przedziale 0,3 ÷ 1,0 mm.). Dodatkowo, cewkę wytwarzającą pole magnetyczne umieszczono blisko osi obrotu. Rozwiązanie to pozwoliło zwiększyć średnicę tarcz bez zmiany zewnętrznych wymiarów sprzęgła. Uzyskano maksymalny moment równy 6 Nm dla średnicy sprzęgła równej 52 mm i masy 237 g.

Cewka Korpus

Przestrzeń wypełniona cieczą MR

Wał wyjściowy Wał wejściowy

Szczelina 50 µm

Rys. 2.12. Kompaktowe wielotarczowe sprzęgło MR Cewka Korpus

Łącznik

aluminiowy Przestrzeń wypełniona

cieczą MR

N S

Wał

Rys. 2.11. Sprzęgło MR o konstrukcji wielotarczowej

29 Jednym z kierunków badań nad zastosowaniami cieczy MR są hamulce samochodowe [23, 47, 49]. Hamulec zaprezentowany w pracy [23] (rys.2.13) składa się z obrotowego wału, do którego przymocowane są za pomocą łącznika dwie tarcze zanurzone w cieczy MR i poruszające się względem nieruchomych powierzchni korpusu (środkowej nieruchomej tarczy i ścian bocznych). Cewka umieszczona jest wewnątrz korpusu na zewnętrznym promieniu w stosunku do tarcz. Wykonane zarówno analityczne jak i eksperymentalne badania, potwierdziły zalety hamulca z cieczą MR w stosunku do jego hydraulicznego odpowiednika.

Główną zaletą była szybkość sterowania wynosząca kilkanaście milisekund (dla układu hydraulicznego to ok. 200-300 ms.), Ponadto, układ charakteryzowała mniejsza liczba elementów, brak mechanicznych regulacji i nastaw oraz możliwość implementacji takich systemów jak ABS (ang. Anti-Lock Braking System) czy VSC (ang. Vehicle Stability Control) poprzez prostą implementację odpowiedniego programu. Badany w omawianej pracy hamulec wytwarzał niestety za mały moment hamujący w porównaniu z jego hydraulicznym odpowiednikiem.

Przekazywanie momentu napędowego na koła pojazdu zostało zaproponowane i opatentowane przez Erica A. Bansbach [75] (rys.2.14). Przedstawił on układ przekazywania mocy za pomocą sprzęgła MR. Zaproponowane sprzęgło było typu tarczowego. Wał wejściowy sprzęgła MR połączono ze źródłem momentu. Wał wyjściowy połączono z kołami pojazdu za pomocą elementów pośrednich (m.in. przekładnię, mechanizm różnicowy). Sterowanie wartością napięcia cewki sprzęgła MR (źródło pola magnetycznego) odbywało się na podstawie takich sygnałów jak, prędkość jednego z wałów sprzęgła MR, wartości momentu przekazywanego do sprzęgła, pozycje dźwigni przyspieszenia i hamulca oraz prędkości pojazdu.

30 Sprzęgło z cieczą MR może być użyte także do napędu wentylatorów, co zaproponowano w pracach [21, 64, 70, 81]. Obciążenie w tym przypadku nie jest w żaden sposób przypadkowe i jest zależne od prędkości obrotowej. Poprzez zastosowanie takiego rozwiązania przy napędzie wentylatorów układu chłodzącego silnika samochodu ciężarowego, można precyzyjnie wpływać na temperaturę silnika, a tym samym utrzymywać ją na poziomie zapewniającym najbardziej ekonomiczną pracę. Prowadzi to do kilkuprocentowych oszczędności w zużyciu paliwa [7, 70], co w przypadku samochodów ciężarowych, pracujących niemal w sposób ciągły, przynosi wymierne korzyści.

Zastosowanie takiego rozwiązania w samochodzie ciężarowym firmy General Motors zmniejszyło zużycie paliwa o 2,5% [7, 25].

W pracy [9] przedstawiono zbudowany tarczowy hamulec obrotowy, w którym zastosowano piankę z tworzywa sztucznego nasączoną cieczą MR. Zaletą takiego rozwiązania jest brak konieczności zapobiegania wyciekom, niewielkie ilości zastosowanej cieczy oraz łatwa

możliwość zwiększenia

Rys. 2.15. Hamulec MR o konstrukcji walcowej [61]

Rys. 2.14. Przekazywanie momentu napędowego na koła pojazdu wg Erica A. Bansbach

31 maksymalnych momentów obrotowych poprzez zwiększenie średnicy tarczy. Niestety nie zamieszczono jakichkolwiek wyników badań takiego hamulca.

Do celów związanych z redukcją drgań skrętnych oraz hamowania wału obrotowego zaproponowano i przebadano zastosowanie hamulca MR przedstawionego np. na rys. 2.15.

[61]. Został on zbudowany i zbadany na Politechnice Poznańskiej. Charakteryzuje się on walcową konstrukcją. Cewka umieszczona jest w

stojanie hamulca. Urządzenie jest w stanie wygenerować moment oporowy dochodzący do 28 Nm przy zewnętrznej średnicy równej 140 mm.

Hamulec z cieczą MR może być również stosowany jako element sprzężenia zwrotnego w joystickach [35] (rys.2.16). Dzięki temu, operator może odczuwać rzeczywisty opór napotykany np.

przez sterowane siłowniki wykonawcze.

W pracy [10] zaprezentowano implementację sprzęgła MR w stawie kolanowym protezy kończyny dolnej (rys. 2.17). Dzięki możliwości elastycznego dostosowania przenoszonego momentu do aktualnych warunków podłoża czy

dynamiki poruszania się, uzyskano zdecydowaną poprawę parametrów protezy w porównaniu z jej poprzednią wersją (wyposażoną tylko w silnik prądu stałego).

Rys. 2.16. Hamulec MR w układzie sprzężenia zwrotnego [35]

Rys. 2.17. Sprzęgło MR w stawie kolanowym protezy kończyny dolnej [10]

32 2.4. Podsumowanie

Ciecze magnetoreologiczne otworzyły już od kilkudziesięciu lat szeroki wachlarz możliwości ich potencjalnych zastosowań. Dzięki zmianie lepkości pozornej cieczy za pomocą pola magnetycznego zachodzącej w przeciągu kilkunastu milisekund, urządzenia korzystające

z unikalnych właściwości cieczy MR są ciągłym przedmiotem badań i prac rozwojowych.

Amortyzatory siedziska samochodów ciężarowych oraz amortyzatory kół samochodowych zapoczątkowały komercyjny sukces cieczy MR. W przypadku sprzęgieł i hamulców z cieczą MR, liczba opisanych rozwiązań konstrukcyjnych nie jest duża. W publikacjach można znaleźć różne rozwiązania, począwszy od układów jednotarczowych i jednowalcowych poprzez rozwiązania związane ze sposobem wytworzenia i dystrybucji strumienia magnetycznego w obwodzie, a na układach wielotarczowych i wielowalcowych o różnych gabarytach skończywszy. Jeśli chodzi o zastosowania, zdecydowany prym wiodą w tym zakresie amortyzatory liniowe z cieczą MR. Niestety przeprowadzone dotychczas na świecie badania i opisujące je publikacje związane ze sprzęgłami MR skupione były na prezentacji głównie samych konstrukcji, prostej identyfikacji ich właściwości, prezentacji rozkładu pola magnetycznego i podstawowych charakterystyk. Jedynymi jak dotąd komercyjnymi zastosowaniami sprzęgieł MR to protezy kończyn oraz regulacja prędkości obrotowej wentylatora silnika spalinowego samochodu ciężarowego.

Należy podkreślić, że w dostępnych autorowi publikacjach brak było prezentacji badań sprzęgła w układzie napęd-obciążenie, z możliwością regulacji prędkości obrotowej i momentu przy zmiennych warunkach obciążenia. Jest to układ, w którym sprzęgło pełni w zasadzie rolę przekładni o płynnie regulowanym za pośrednictwem sygnału elektrycznego przełożeniu. Regulacja ta odbywa się poprzez zmianę wartości momentu obrotowego przekazywanego od silnika napędzającego do odbiornika. Problematyka ta nie była jak dotychczas przedmiotem badań i dlatego postanowiono podjąć ją w niniejszej pracy. Wydaje się, że uzyskanie pozytywnych wyników w tym zakresie może zaowocować praktycznymi zastosowaniami systemu: napęd o nieregulowanej prędkości obrotowej – regulowana przekładania z cieczą magnetoreologiczną – odbiornik (napędzany podzespół, pojazd, maszyna).

33 3. SPRECYZOWANIE TEMATU PRACY

3.1. Wprowadzenie

Generalnie połączenia wałów mogą być sztywne, samonastawne, podatne lub włączalne (sterowalne) [46]. Podczas łączenia napędu z obciążeniem najczęściej stosowane są połączenia podatne lub włączalne. Pierwsze z nich realizowane są z wykorzystaniem sprzęgieł przeciążeniowych, które umożliwiają zabezpieczenie określonych elementów maszyny przed przeciążeniami. Drugie z kolei pozwalają na stosunkowo łagodne łączenie i rozłączanie wałów. Sprzęgło z cieczą MR łączy funkcje połączenia podatnego i włączalnego. Dodatkowo, dzięki elastycznemu połączeniu członu wejściowego z wyjściowym poprzez ciecz MR, umożliwia ono łagodne uruchomienie (rozpędzanie) zespołu roboczego o dużej bezwładności. Dzięki prostemu rozłączeniu i ponownym połączeniu napędu z obciążeniem możliwe jest przełączenie obciążenia na inną prędkość obrotową. Odbywa się to za pomocą przekładni o zmienianym krokowo przełożeniu, jak ma to miejsce w przypadku samochodów, w których stosowane jest sprzęgło oraz kilkubiegowa przekładnia – skrzynia biegów. W celu zapewnienia połączenia podatnego, włączalnego oraz przełożenia (zazwyczaj o kilku określonych wartościach) należałoby zainstalować trzy urządzenia: sprzęgło podatne, sprzęgło sterowalne (włączane/wyłączane) oraz przekładnię.

Podczas badań zaplanowanych w niniejszej pracy podjęta zostanie próba zastąpienia wszystkich trzech wyżej wspomnianych urządzeń jednym: przekładnią magnetoreologiczną (przekładnią MR). Oprócz zadań połączenia podatnego oraz włączalnego, badane urządzenie będzie miało również możliwość regulacji prędkości obrotowej napędu w określonym przedziale. Badania właśnie tej możliwości stanowi główny cel niniejszej pracy. Zakłada się, że urządzenie z cieczą MR będzie pełniło rolę przekładni, której przełożenie nie będzie sztywno ustalane na wybranych poziomach, lecz będzie zmieniane płynnie w określonym przedziale. Dzięki jego zastosowaniu nastąpi nie tylko zastąpienie trzech urządzeń jednym, ale również poprawa parametrów realizowanych zadań związanych z regulacją prędkości wału napędowego. Tym samym będąca przedmiotem niniejszej pracy, przekładnia z cieczą magnetoreologiczną zastąpi przekładnię o kilku określonych nastawach (przełożeniach), przekładnią o płynnym przełożeniu w określonym przedziale. Zastąpi również sprzęgła podatne i przełączające.

Mimo, iż w literaturze tematyka sprzęgieł magnetoreologicznych oraz przekazu momentu obrotowego za ich pośrednictwem jest prezentowana już od kilkunastu lat, to zgodnie z wykonanym przeglądem literatury oraz z wiedzą autora, zagadnienia dotyczące

34 regulacji prędkości obrotowej za pośrednictwem obrotowych urządzeń (sprzęgieł albo przekładni) z cieczą magnetoreologiczną w warunkach zmiennego obciążenia, nie były nigdzie przedmiotem wnikliwych badań. Jak dotąd, nie spotkano się również z próbą zastosowania urządzenia obrotowego z cieczą MR jako przekładni, umożliwiającej płynną regulację prędkości zespołu napędowego.

Tematyka pracy doktorskiej jest związana z wieloletnimi pracami naukowo-badawczymi zastosowań cieczy magnetoreologicznych oraz metod ich sterowania prowadzonymi w Politechnice Poznańskiej. Zadaniem niniejszej pracy jest poszerzenie podjętych wcześniej kierunków badań o zagadnienia regulacji prędkości obrotowej za pośrednictwem sprzęgła MR oraz możliwości zastosowania tego urządzenia w roli przekładni o płynnej regulacji przełożenia w określonym zakresie.