Mgr inż. Adam ROSIAKOWSKI
BADANIA ZASTOSOWANIA PRZEKŁADNI Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ DO STEROWANIA PRĘDKOŚCIĄ
OBROTOWĄ ZESPOŁU NAPĘDOWEGO
Praca doktorska
wykonana
w Zakładzie Urządzeń Mechatronicznych Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej
pod kierunkiem
Prof. dr hab. inż. Andrzeja MILECKIEGO
Poznań 2016
2 Podziękowanie
Mojej Żonie Gabrysi,
za cierpliwość, wyrozumiałość oraz wsparcie.
Mojemu Promotorowi,
prof. dr hab. inż. Andrzejowi MILECKIEMU,
za prowadzenie moich działań naukowo – badawczych we właściwym kierunku.
3 SPIS TREŚCI
Zestawienie ważniejszych oznaczeń ... 5
1. WSTĘP ... 7
2. DOTYCHCZASOWY STAN WIEDZY... 9
2.1. Wprowadzenie ... 9
2.2. Ciecze magnetoreologiczne ... 10
2.2.1. Wstęp ... 10
2.2.2. Opis cieczy magnetoreologicznej ... 11
2.2.3. Zastosowania cieczy magnetoreologicznej ... 21
2.3. Zastosowania cieczy magnetoreologicznej w urządzeniach obrotowych sterowanych elektrycznie ... 24
2.3.1. Konstrukcja i zasada działania urządzeń obrotowych z cieczą magnetoreologiczną ... 24
2.3.2. Zastosowania urządzeń obrotowych z cieczą magnetoreologiczną ... 27
2.4. Podsumowanie ... 31
3. SPRECYZOWANIE TEMATU PRACY ... 33
3.1. Wprowadzenie ... 33
3.2. Zastosowanie przekładni z cieczą MR do regulacji prędkości obrotowej ... 34
3.3. Cele i teza pracy ... 37
4. PODSTAWOWE ZALEŻNOŚCI OPISUJĄCE PRZEKŁADNIĘ Z CIECZĄ MR ... 39
5. BADANIA TEORETYCZNE I SYMULACYJNE ... 47
5.1. Modele teoretyczne przekładni z cieczą MR ... 47
5.2. Badania symulacyjne pracy przekładni MR ... 51
5.3. Model stanowiska symulującego pracę przekładni MR w warunkach występowania obciążenia ... 53
5.4. Badania symulacyjne uwzględniające różne warunki pracy ... 61
5.4.1. Badania symulacyjne pracy przekładni MR w roli bezpiecznika mechanicznego w układzie napęd-obciążenie ... 61
5.4.2. Symulacyjne badania regulacji prędkości obrotowej ... 65
5.4.3. Symulacyjne badania wpływu zmian prędkości na wale wejściowym na proces regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego ... 69
5.5. Wnioski ... 71
6. BADANIA DOŚWIADCZALNE ... 73
6.1. Wstęp ... 73
6.2. Stanowisko badawcze ... 73
6.2.1. Podstawowe elementy stanowiska ... 73
6.2.2. Układ stanowiska do badań eksperymentalnych przekładni ... 77
6.3. Badania możliwości zastosowania przekładni z cieczą MR jako sprzęgła bezpieczeństwa ... 80
4 6.4. Badania możliwości regulacji prędkości obrotowej za pomocą przekładni
z cieczą MR ... 84
6.4.1. Wstęp ... 84
6.4.2. Badania eksperymentalne regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego ... 86
6.4.3. Badania eksperymentalne regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego dla zmiennej wartości obciążenia i stałej wartości prędkości programowej ... 90
6.4.4. Badania eksperymentalne regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego dla stałej wartości obciążenia i zmiennej wartości prędkości programowej ... 93
6.4.5. Badania eksperymentalne wpływu zmian prędkości na wale wejściowym przekładni MR na proces regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego ... 96
6.5. Podsumowanie wyników badań doświadczalnych ... 97
7. WNIOSKI ... 99
7.1. Wnioski ogóle ... 99
7.2. Wnioski dotyczące kierunków dalszych badań ... 100
LITERATURA ... 101
ZAŁĄCZNIK 1. Wydruk programu sterowania ... 110
5 Zestawienie ważniejszych oznaczeń
A – pole powierzchni elementów współpracujących ze sobą poprzez ciecz MR poddaną działaniu pola magnetycznego [m2]
B – indukcja magnetyczna [T]
F – siła [N]
HG – moduł sprężystości postaciowej cieczy magnetoreologicznej (zależny od wartości natężenia pola magnetycznego H) [Pa]
g – grubość szczeliny z cieczą MR (odległość pomiędzy poruszającymi się powierzchniami walcowymi przekładni MR) [m]
H – natężenie pola magnetycznego [A/m2]
I – masowy moment bezwładności (oznaczany również przez J) [kg·m2] i – natężenie prądu [A]
M – moment obrotowy [Nm]
MH– moment obrotowy powodowany oddziaływaniem pola magnetycznego (oznaczany również przez M(H)) [Nm]
Mobc – moment obciążenia (oznaczany również przez Mobc) [Nm]
M– moment powodowany lepkością cieczy przy braku pola magnetycznego [Nm]
MMR– całkowity moment przenoszony przez przekładnię MR [Nm]
nwy – prędkość obrotowa wału wyjściowego przekładni MR (zmienna oznaczana również n_wy) [obr./min.]
nwy – prędkość obrotowa wału wejściowego przekładni MR (zmienna oznaczana również przez n_we) [obr./min.]
npr – wartość zadana (żądana) prędkości obrotowej wału wyjściowego (wielkość oznaczana również przez n_pr) [obr./min.]
n – różnica prędkości obrotowych pomiędzy wałem wejściowym a wyjściowym przekładni MR [obr./min.]
R – średni promień szczeliny z cieczą MR [m]
u – napięcie [V]
6 Ws– współczynnik sterowania [-]
γ – gradient przemieszczenia [-]
– szybkość ścinania (oznaczana również przez dγ/dy) [1/s]
µ – lepkość dynamiczna cieczy [Pa·s]
p – lepkość pozorna cieczy [Pa·s]
– naprężenie styczne [Pa]
– naprężenia styczne wynikające z oddziaływań lepkich cieczy [Pa]
B0 – naprężenie styczne przy braku pola magnetycznego [Pa]
B0 – naprężenie styczne wywołane działaniem pola magnetycznego (oznaczane również przezB) [Pa]
– różnica prędkości kątowych pomiędzy wałem wejściowym a wyjściowym przekładni MR [rad/s]
1 – prędkość kątowa wału wejściowego przekładni MR [rad/s]
2 – prędkość kątowa wału wyjściowego przekładni MR [rad/s]
pr – wartość zadana (żądana) prędkość kątowej wału wyjściowego [rad/s]
– różnica pomiędzy pr a 2
7 1. WSTĘP
W wielu urządzeniach technicznych konieczne jest zmienianie i regulacja prędkości obrotowej różnych elementów wirujących. W maszynach technologicznych, najczęściej zmieniane są parametry zasilania silnika napędowego takie jak wartość napięcia elektrycznego lub jego częstotliwość, dzięki czemu zmienia się prędkość na jego wyjściu.
W urządzeniach zautomatyzowanych wymaga to zwykle zastosowania skomplikowanego układu sterowania, co nie zawsze jest korzystne albo akceptowalne. Dodatkowo, używane są często także przekładnie mechaniczne o stałym przełożeniu, np. zębate, paskowe albo łańcuchowe. Do zmiany prędkości obrotowej w pojazdach albo maszynach roboczych, w których stosowane są silniki spalinowe, obok bezpośredniej zmiany prędkości obrotowej silnika uzyskiwanej dzięki zmianie głównie ilości doprowadzanego do silnika paliwa, stosowana jest także pośrednia regulacja prędkości obrotowej zespołu napędowego poprzez przekładnie zębatą. Jest to skrzynia biegów jedno- lub częściej wielostopniowa, umożliwiająca dostosowanie prędkości na wyjściu do aktualnych potrzeb napędzanego pojazdu. Stosowanie skrzyni biegów w układach napęd-obciążenie obarczone jest jednak szeregiem wad. Najważniejsze z nich to złożoność konstrukcji, drgania, zużycie, straty a także znaczny koszt. Często zachodzi także konieczność zastosowania jednego lub kilku sprzęgieł umożliwiających rozłączenie napędu i obciążenia w celu zmiany przełożenia.
Niekiedy stosuje się sprzęgła, które zabezpieczają układ przed przeciążeniami lub sytuacjami awaryjnymi. Prawie zawsze konieczne jest również zastosowanie ręcznego albo automatycznego układu umożliwiającego zmianę przełożenia, co wprowadza dodatkowe komplikacje. Nie mniej ważny jest także fakt, iż każda zmiana przełożenia wymaga czasu związanego z procesem rozłączenia napędu z obciążeniem, zmiany przełożenia oraz ponownym dołączeniem napędu. Jak wynika z powyższego, omawiane rozwiązanie z przekładnią jest obarczone istotnymi wadami.
Proces regulacji prędkości może odbywać się też poprzez zastosowanie odpowiednich hamulców oraz innych układów obciążenia, które są włączane albo wyłączane w zależności od tego, czy prędkość na wyjściu jest zbyt duża czy też zbyt mała. Z tego rodzaju sterowaniem mamy do czynienia np. w samochodach, kiedy to kierowca obok pedałów przyspieszenia i sprzęgła do regulacji prędkości używa także hamulca. Proces zadawania sygnału do hamulców może się odbywać na drodze mechanicznej albo elektrycznej.
W układach zautomatyzowanych wymaga się aby hamulec był sterowany elektrycznie.
8 Podstawową wadą tej metody zmian prędkości są straty energii kinetycznej pojazdu, która jest zamieniana na ciepło i zużycie hamulców.
W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabierają tzw. „materiały inteligentne”
[94]. Należą do nich m. in. stopy z pamięcią kształtu, piezoelektryki czy też materiały magnetostrykcyjne. Z punktu widzenia regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego, interesującą grupę materiałów stanowią ciecze, których właściwości ulegają zmianie w polu elektrycznym lub magnetycznym [38, 103]. Są to odpowiednio ciecze elektroreologiczne (ang. Electrorheological Fluids), ciecze ferromagnetyczne (ang. Ferrofluids) oraz ciecze magnetoreologiczne (ang. Magnetorheological Fluids – MRF). Ostanie z wymienionych stwarzają największy potencjał ze względu na prostotę sterowania, stosunkowo dużą zmianę parametrów mechanicznych, dobrą trwałość i możliwość implementacji w takich urządzeniach jak sprzęgła i hamulce. Ciecze magnetoreologiczne (MR) zmieniają swoje naprężenie graniczne oraz lepkość pozorną pod wpływem pola magnetycznego w czasie rzędu kilkunastu milisekund, a zmiana lepkości jest zależna od zmiany indukcji pola magnetycznego i jest całkowicie odwracalna i powtarzalna. Z tego też względu należy się spodziewać, iż sprzęgła z cieczą MR umieszczone w układzie napęd – obciążenie mogą w niedalekiej przyszłości z powodzeniem zostać zastosowane do regulacji prędkości obrotowej zespołów napędowych.
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań związanych z zastosowaniem sprzęgła z cieczą magnetoreologiczną, pracującego w roli przekładni umożliwiającej regulację prędkości obrotowej zespołu napędowego. Zaprezentowano dotychczasowy stan wiedzy dotyczący cieczy magnetoreologicznych oraz ich zastosowań. Omówiono podstawowe zależności opisujące przedmiotową ciecz oraz jej pracę w urządzeniach obrotowych.
Zbudowano modele symulacyjne w środowisku MATLAB – SIMULINK i wykonano z ich użyciem symulacje pracy przekładni z cieczą MR w układzie napęd – obciążenie dla różnych warunków. Zbudowano stanowisko badawcze, a następnie wykonano badania eksperymentalne, poczynając od identyfikacji wybranych parametrów przekładni MR a kończąc na badaniach, w których przekładnia z cieczą MR umożliwiała regulację prędkości obrotowej zespołu napędowego.
9 2. DOTYCHCZASOWY STAN WIEDZY
2.1. Wprowadzenie
Ciecze sterowalne, zmieniające swoje właściwości pod wpływem pola elektrycznego albo magnetycznego znane są już od kilkudziesięciu lat. W ostatnich kilkunastu latach prowadzone były liczne badania zarówno związane z cieczami elektroreologicznymi [11, 48, 58], jak i cieczami sterowanymi polem magnetycznym [3, 12, 26, 34, 50, 70]. Na rynku pojawiły się komercyjne zastosowania cieczy magnetoreologicznych [2, 15, 37, 55], związane głównie z liniowymi tłumikami drgań [17, 36], w tym z amortyzatorami samochodowymi [1, 6, 20, 38, 97]. Właściwości cieczy MR umożliwiają zastosowanie ich także w urządzeniach obrotowych, takich jak hamulce i sprzęgła. W ostatnich kilkunastu latach przeprowadzono wiele badań dotyczących takich właśnie zastosowań [10, 23, 29, 61, 63, 68, 75]. W literaturze brak jednak doniesień na temat kompleksowych badań dotyczących zastosowania obrotowego urządzenia z cieczą magnetoreologiczną w układzie napęd- obciążenie. Dobre wyniki przeprowadzonych w różnych ośrodkach badań oraz prób zastosowań cieczy MR, a także coraz lepsza jakość tych cieczy oferowanych na rynku [25, 97, 98] stwarza realne możliwości rozszerzenia ich zastosowań w urządzeniach obrotowych w tym przekładniach z cieczą magnetoreologiczną.
Przekładnia jest to urządzenie służące do przenoszenia ruchu z elementu napędowego (czynnego) na element napędzany (bierny). Następuje przy tym zmiana parametrów ruchu takich jak prędkość oraz siła albo moment siły. Przekładnia może zmniejszać wartość prędkości na wyjściu w stosunku do prędkości na wejściu (reduktor), przenosić ruch bez zmiany wartości prędkości lub zwiększać wartość prędkości na wyjściu przekładni (multiplikator).
W większości przypadków, przekładnia zamienia ruch obrotowy na ruch obrotowy [4, 45, 110]. Wyróżnia się również przekładnie zamieniające ruch obrotowy na liniowy i odwrotnie a nawet ruch liniowy na ruch liniowy. Przekładnie, w zależności od medium przenoszącego moment można podzielić na mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne i elektryczne (indukcyjne) [45, 110]. Jeżeli zastosowanym medium będzie ciecz magnetoreologiczna, to przekładnię taką można nazwać przekładnią magnetoreologiczną.
Przekładnie mechaniczne składają się z elementów sztywnych i/lub podatnych wykonanych z ciał stałych stanowiących mechaniczne połączenie pomiędzy członem czynnym a członem biernym. Do tej grupy zaliczane są przekładnie zębate, cięgnowe (pasowe, łańcuchowe) oraz cierne. Najbardziej popularne są przekładnie zębate ze względu na
10 dużą sprawność i niezawodność. Są one niestety stosunkowo drogie. W tej grupie przekładni przełożenie jest stałe za wyjątkiem przekładni ciernych, które umożliwiają stosowanie zmiennego przełożenia. Powoduje to jednak szybkie zużycie elementów ciernych i problemy z odprowadzaniem ciepła. Przekładnie hydrauliczne charakteryzuje zmienne przełożenie oraz odporność na przeciążenia ze względu na brak mechanicznego połączenia. Przekazują one energię mechaniczną z wejścia na wyjście z pośrednią zamianą na energię hydrauliczną.
Stosowana jest w większości automatycznych skrzyń biegów. Sprawność przekładni hydraulicznych jest mniejsza od sprawności przekładni zębatych i cięgnowych. Przekładnia pneumatyczna z kolei jako napęd używa sprężarki, która pompuje powietrze. Przekładnie elektryczne składają się z prądnicy, silnika elektrycznego oraz układu regulacji. Są one powszechnie stosowane w lokomotywach spalinowych.
Przekładnia magnetoreologiczna jest urządzeniem, w którym łącznikiem pomiędzy członem napędzającym a członem napędzanym jest ciecz magnetoreologiczna. Zakłada się, że taka przekładnia umożliwiać może zmianę przełożenia pomiędzy wałem napędzającym a wałem napędzanym w określonym dla danego urządzenia przedziale. Dodatkowo, podobnie jak przekładnia hydrauliczna, przekładnia magnetoreologiczna jest odporna na przeciążenia ze względu na brak mechanicznego połączenia pomiędzy wejściem a wyjściem przekładni.
Może być stosowana jako reduktor bez możliwości zmiany kierunku obrotu. Taka przekładnia może stanowić nowe urządzenie o parametrach dotąd przypisywanych kilku urządzeniom z osobna.
2.2. Ciecze magnetoreologiczne 2.2.1. Wstęp
Za twórcę cieczy magnetoreologicznej uważa się Jacoba Rabinowa z US National Bureau of Standards, który na przełomie lat 40-tych i 50-tych ubiegłego wieku opatentował jej potencjalne zastosowania [85, 86, 87]. Niestety prace te pozostawały jedynie na etapie badań laboratoryjnych. Było to związane z szybką utratą początkowych właściwości cieczy MR oraz z brakiem możliwości płynnej regulacji jej reologicznych parametrów. Dopiero koniec ubiegłego wieku, a więc zaledwie kilkanaście ostatnich lat zaczął obfitować w liczne próby zastosowania. Stało się to możliwe dzięki dynamicznemu rozwojowi elektroniki oraz pracami nad samymi cieczami MR, prowadzącymi do znacznej poprawy ich żywotności.
W ostatnich kilkudziesięciu latach prowadzone są na świecie liczne badania nad rozwojem grup substancji, których właściwości mogą być zmieniane za pomocą sygnałów
11 zewnętrznych. Do grupy tej należą materiały z pamięcią kształtu, materiały elektrostrykcyjne oraz piezoelektryki [94]. Do tej grupy materiałów należą również ciecze sterowalne. Wśród nich wyróżniamy ciecze elektro-reologiczne, ferromagnetyczne i magnetoreologiczne [38].
Wszystkie z nich zaliczane są do nienewtonowskich cieczy plastyczno-lepkich, których właściwości można zmieniać za pomocą pola elektrostatycznego lub magnetycznego. Ciecze ERF zmieniają granicę plastyczności w obecności pola elektrostatycznego. Ich wadą są duże wartości napięć elektrycznych wymagane do uzyskania użytecznych parametrów. Dla wywołania użytecznych zmian, natężenia pól elektrostatycznych muszą osiągać wartości do kilkunastu kilowolt na milimetr. Ponadto, ciecz ERF charakteryzuje wrażliwość na zanieczyszczenia. Naprężenia styczne cieczy ERF, według [66], mogą osiągać wartości powyżej 100 kPa. Niemniej jednak, naprężenia styczne komercyjnie dostępnych cieczy ERF nie przekraczają 5 kPa. Ciecze FF osiągają naprężenia styczne rzędu tylko 5 kPa. W ich przypadku nie ma jednak konieczności stosowania wysokonapięciowych układów zasilania, co znacząco upraszcza sterowanie. Największym zainteresowaniem zarówno badawczym, jak i komercyjnym cieszą się w ostatnich latach ciecze magnetoreologiczne. Po pierwsze, jest to związane ze zdecydowanie wyższymi wartościami naprężeń stycznych możliwych do uzyskania, sięgających do 100 kPa. Po drugie, ich właściwości są sterowane za pomocą pola magnetycznego, do którego wytworzenia można zastosować standardowe niskonapięciowe zasilacze prądu stałego. Ciecze te są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia niż ich elektryczne odpowiedniki, a technologia ich wytwarzania jest już bardzo dobrze opanowana. Z tego też względu liczba prac badawczych związanych zarówno z samymi cieczami magnetoreologicznymi jak i z ich zastosowaniami utrzymuje się od kilkunastu lat na wysokim poziomie. Jako materiały o parametrach regulowanych za pomocą sygnałów elektrycznych dają wiele możliwości ich zastosowań w technice.
2.2.2. Opis cieczy magnetoreologicznej
Ciecz magnetoreologiczna jest koloidalną zawiesiną cząstek ferromagnetycznych powleczonych środkiem powierzchniowo czynnym w cieczy nośnej. Ferromagnetyczne drobiny mogą być wykonane z żelaza, kobaltu, niklu, ich stopów oraz tlenków. Najczęściej jest to jednak tzw. żelazo karbonylowe. Wymiary drobin ferromagnetycznych mieszczą się w przedziale 0,1-10 m. Producenci komercyjni, tacy jak Lord Corporation czy BASF do produkcji większości swoich cieczy wykorzystują właśnie żelazo karbonylowe [98].
Charakteryzuje się ono niemal stuprocentową zawartością żelaza (97-99,5%), a tym samym dużymi wartościami indukcji nasycenia, która może przekroczyć 2,1 T, co stanowi niezwykle
12 pożądany parametr tego składnika cieczy MR. Dodatkowo, w procesie wytwarzania uzyskuje się dużą dokładność wymiarową cząstek. Można zwiększyć wartości indukcji nasycenia cząstek ferromagnetycznych do poziomu 2,4 T stosując inne domieszki stopowe w postaci np. kobaltu. Prowadzi to jednak do znacznego podniesienia kosztów produkcji cieczy MR.
W praktyce nie stosuje się tego typu rozwiązań, gdyż wzrost ceny jest niewspółmiernie większy w stosunku do profitów z tym związanych. Ciecz nośna stanowi drugi składnik opisywanej cieczy. Najczęściej stanowią ją oleje węglowodorowe syntetyczne lub mineralne.
W zależności jednak od potrzeb (konkretnego zastosowania) może to być również nafta, woda, glikol czy nawet substancje żelowe [38, 97, 98]. Ciecz nośna jest niemagnetyczna i nie przewodzi prądu elektrycznego. Substancja powierzchniowo czynna stanowi trzeci podstawowy składnik cieczy MR. Powleka ona cząsteczki ferromagnetyczne. Jej zadaniem jest zapobieganie tworzeniu się aglomeratów i grupowaniu się cząstek na dnie naczynia (proces sedymentacji). W rzeczywistości trzeci składnik można przedstawić jako grupę dodatków mających poprawić również inne właściwości cieczy MR, takie jak żywotność czy właściwości smarne. Ciecz magnetoreologiczna jest więc, najogólniej rzecz biorąc, mieszaniną trzech składników: cieczy nośnej, cząstek ferromagnetycznych oraz szeregu dodatków.
Przy braku zewnętrznego pola magnetycznego ciecz magnetoreologiczna zachowuje się podobnie jak ciecz newtonowska, a jej lepkość jest zbliżona do lepkości cieczy nośnej.
Każda cząsteczka ferromagnetyczna stanowi pojedynczą domenę magnetyczną, lecz są one zorientowane przypadkowo (rys. 2.1.a) stąd wypadkowy wektor indukcji magnetycznej jest równy zero. W momencie pojawienia się zewnętrznego pola magnetycznego wektory pojedynczych domen magnetycznych zaczynają ustawiać się zgodnie z kierunkiem linii sił pola magnetycznego. Zgodność jest tym większa im wyższa jest wartość natężenia
a) b)
Rys. 2.1. Ciecz MR: a) przy braku zewnętrznego pola magnetycznego, b) w obecności zewnętrznego pola magnetycznego
13 zewnętrznego pola. Fizycznie objawia się to poprzez zmianę tzw. pozornej lepkości cieczy MR, mierzonej jako stosunek naprężeń stycznych i szybkości ścinania. Zjawisko to tłumaczy się za pomocą teorii łańcuchów [93]. Według niej, w polu magnetycznym cząsteczki ferromagnetyczne zaczynają ustawiać się wzdłuż linii sił tego pola (rys. 2.1.b). Tworzą się tzw. łańcuchy (nieregularne kolumny tworzone z cząstek ferromagnetycznych). Powoduje to utrudnienie w przepływie cieczy lub jej przemieszczaniu się w jakikolwiek inny sposób.
Dzięki temu, zewnętrznie uzyskujemy wzrost pozornej lepkości cieczy MR, którą możemy regulować poprzez zmianę wartości natężenia pola magnetycznego. To z kolei można sterować za pomocą prostych, niskonapięciowych sygnałów elektrycznych dostarczanych do cewki wytwarzającej pole magnetyczne.
Pierwsze komercyjne zastosowania cieczy MR, które miały miejsce w latach 90-tych ubiegłego wieku, ujawniły problem związany z szybką utratą ich początkowych właściwości (ang. In-Use-Thickening – gęstnienie w trakcie użytkowania) [8]. Okazało się, iż takie parametry cieczy jak wysokie naprężenie styczne czy ograniczenie procesu sedymentacji nie stanowiły panaceum na komercyjny sukces. Ciecz dość szybko zmieniała się w bezużyteczną i praktycznie nie dającą się sterować pastę. Nad rozwiązaniem tego problemu pracowała przez kilka lat specjalnie do tego celu powołana przez firmę Lord Corporation grupa badawcza.
Wykonywano badania na odpowiednio przygotowanym stanowisku, na którym ciecz MR pracowała w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Ciecz poddawana była ścinaniu w liniowym tłumiku firmy Lord Corporation typ RD-1005, w którym prąd wytwarzający pole magnetyczne miał stałą wartość 1 A. Ruch tłoka odbywał się w całym możliwym zakresie z częstotliwością 1 Hz. W określonych odstępach mierzonych w cyklach pracy wykonywano pomiary siły wytwarzanej przez tłumik w stanie bezprądowym dla prędkości tłoka równej 80 mm/s. Początkowo, po 600 000 cykli ciecz stawała się bezużyteczna. Siła wytwarzana przez tłumik w czasie pomiarów wzrosła o 250%. Po dwóch latach badań uzyskano ciecz, która nie wykazywała wyraźnych symptomów „In-use-thickening” po 2 milionach cykli.
Obecnie stosowane ciecze wytrzymują ponad 10 milionów cykli bez widocznych oznak utraty przez ciecz MR swych pierwotnych parametrów.
14 Tabela 2.1. Zestawienie parametrów wybranych komercyjnych cieczy MR
Rodzaj cieczy MR
Rodzaj cieczy nośnej
Zawartość cząstek ferromang.
(wagowo) [%]
Gęstość [g/cm3]
Dopuszczalne temp. pracy
[ºC]
Max.
naprężenia styczne
[kPa]
Rekomendowany tryb pracy
Temperatura zapłonu
[ºC]
Lepkość [Pa∙s]
(przy braku zewnętrznego pola
magnetycznego) MRF-122EG
(Lord Corp.)
olej
węglowodorowy 72 2,28÷2,42 -40 do +130 ~28 zaworowy lub
sprzęgłowy >150 0,042+/-0,020 (dla 500÷800 [1/s]) MRF-132DG
(Lord Corp.)
olej
węglowodorowy 80,98 2,98÷3,18 -40 do +130 ~48 zaworowy lub
sprzęgłowy >150 0,092+/-0,015 (dla 500÷800 [1/s]) MRF-140CG
(Lord Corp.)
olej
węglowodorowy 85,44 3,54÷3,74 -40 do +130 ~ 60 zaworowy lub
sprzęgłowy >150 0,28+/-0,070 (dla 500÷800 [1/s]) MRF-241ES
(Lord Corp.) woda 85 3,8÷3,92 -10 do +70 ~70 zaworowy lub
sprzęgłowy >93 0,130+/-0,030 (dla 500÷800 [1/s]) MRF-336AG
(Lord Corp.)
ciecz na bazie
silikonów 82,02 3,32÷3,44 -40 do +150 ~52 zaworowy lub
sprzęgłowy >150 0,115+/-0,015 (dla 500÷800 [1/s])
2040 (BASF) olej węglowodorowy
brak danych
2,47
(dla 25ºC) brak danych ~38 zaworowy 160 brak danych
5030 (BASF) olej węglowodorowy
brak danych
4,12
(dla 25ºC) brak danych ~70 sprzęgłowy 143,5 brak danych
15 Zestawienie komercyjnie oferowanych cieczy MR przez dwóch w zasadzie jedynych producentów tj. Lord Corporation oraz BASF przedstawiono w tabeli 2.1 [97, 98]. Obydwie firmy oferują także produkcję cieczy na specjalne zamówienie dopasowując parametry wyprodukowanej cieczy do potrzeb i miejsca jej stosowania (tryb pracy, intensywność stosowania w okresie pracy, interakcja z różnymi metalami, tworzywami sztucznymi, możliwości zanieczyszczenia itd.). Oprócz wyżej wspomnianych firm, na mniejszą skalę ciecz MR produkują jeszcze takie firmy jak Bayer AG (Niemcy), RWE (Niemcy), DEA Mineraloel AG (Niemcy), Bridgestone Corporation (Japonia), Nippon Shokubai Corporation Ltd. (Japonia), ER Fluid Developments Ltd. (Wielka Brytania). Uogólniając, gęstość cieczy MR zawiera się w przedziale 2,28-4,12 g/cm3, zawartość cząstek ferromagnetycznych (wagowo) do 90%, naprężenia styczne mogą dochodzić nawet do 100 kPa przy natężeniach pola magnetycznego dochodzących do 250 kA/m, a zakres temperatur pracy wynosi od – 40 do 150 stopni Celsjusza [38, 44, 97, 98]. Należy przy tym zaznaczyć, iż temperatura (dla
dodatnich temperatur) nie wpływa znacząco na lepkość cieczy, co zostało zobrazowane na rys. 2.2 dla przykładowej cieczy typu MFR-132LD firmy Lord Corporation. Zmiany lepkości stanowią niewielką część naprężeń maksymalnych możliwych do uzyskania w cieczy, w porównaniu z wartościami naprężeń, jakie można uzyskać w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Wpływ temperatury może powodować zaledwie kilku procentowe zmiany tych naprężeń. Wachlarz komercyjnie dostępnych cieczy umożliwia wybór cieczy o
Rys. 2.2. Zależność lepkości dynamicznej od temperatury [95]
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
-50 0 50 100 150
µ [Pa·s]
t [°C]
16 parametrach odpowiadających wymaganiom użytkownika wliczając w to przewidywany tryb pracy cieczy.
Reologiczne zachowanie się cieczy MR opisywane jest najczęściej za pomocą modelu Binghama. Model mechaniczny stanowi odpowiednio skonfigurowany układ trzech elementów: tłumika liniowego, sprężyny oraz suwaka. W ten sposób modelowane jest zachowanie się cieczy MR w różnych warunkach pracy.
Model Binghama przedstawia prostą reprezentację cieczy MR, która dobrze opisuje jej zachowanie. Model ten jest powszechnie stosowany do analizy pracy urządzeń korzystających z unikalnych właściwości cieczy MR [25, 38, 71, 97].
Mechanicznie model Binghama przedstawia układ połączonych ze sobą trzech prostych ciał reologicznych. Połączone równolegle hydrauliczny tłumik liniowy i suwak łączą się w szereg ze sprężyną (rys. 2.3). Każdy z tych elementów reprezentuje inny typ zjawiska zachodzącego w cieczy MR podczas jej pracy. Sprężyna modeluje sprężyste odkształcenia cieczy MR dla sił mniejszych od granicy plastyczności. Suwak, modelujący tarcie statyczne (kulombowskie) przedstawia reakcję cieczy na działanie pola magnetycznego. Wyznacza on granicę plastyczności, która jest tym większa, im wyższą wartość ma natężenie pola magnetycznego. Suwak utrzymuje tłumik w niezmienionej pozycji do momentu przekroczenia granicy plastyczności określonej przez suwak (tarcie statyczne), a dokładnie przez indukcję magnetyczną. Dopiero po przekroczeniu tej granicy rozpoczyna się przepływ lub ścinanie cieczy. Tłumik modeluje odkształcenie, wywołane przez opory przepływu. Wartość jego siły tłumienia zależy od lepkości cieczy przy braku zewnętrznego pola magnetycznego. Podczas analiz cieczy MR, zamiast sił wygodniej jest posługiwać się naprężeniem oraz odkształceniem zamiast przemieszczenia. Model Binghama opisuje wtedy następująca zależność:
B 0(B) (2.1)
Rys. 2.3. Mechaniczny model Binghama
F
F
17 gdzie: τ – wynikowe naprężenie styczne, B 0(B) – naprężenie styczne powodowane polem magnetycznym (granica plastyczności), τµ– naprężenie styczne powodowane lepkością cieczy MR, 𝜇 – lepkość dynamiczna cieczy, d / dy– szybkość ścinania.
Przebieg zmian wartości naprężeń stycznych cieczy magnetoreologicznej w zależności od szybkości ścinania dla różnych wartości indukcji pola magnetycznego B według zależności (2.1) zobrazowano na rys. 2.4. Do opisu cieczy MR mogą służyć również inne modele opisane m. in. w pracach [44, 92]. Ze względu jednak na prostotę zapisu a zarazem bardzo dobre odzwierciedlenie właściwości i zachowania się cieczy MR, niemalże we wszystkich badaniach dotyczących modelowania tych cieczy oraz ich implementacji praktycznych, stosowany jest model Binghama [25, 28, 38, 97]. Taki też model zostanie zastosowany do analiz teoretycznych związanych z tematyką niniejszej pracy. Podczas analizy pracy cieczy MR należy również pamiętać, iż lepkość dynamiczna cieczy zależy od szybkości ścinania, co dla przykładowej cieczy MR zostało zobrazowane na rys. 2.5. Jak można zauważyć, zmiany lepkości są szczególnie duże i mają istotne znaczenie dla niewielkich szybkości ścinania.
Rys. 2.4. Zmiany naprężenia stycznego cieczy magnetoreologicznej
dγ/dy [1/s]
τ [Pa]
B0=0 [T]
B1>B0
B2>B1 B3>B2
18 Ważnym parametrem cieczy MR jest współczynnik sterowania lub współczynnik kontroli Ws [95]. Określa on, ile razy wartość naprężeń stycznych wygenerowanych w wyniku działania pola magnetyczngo jest większa od tych, spowodowanych przez lepkość cieczy.
Matematycznie możemy to zapisać następująco:
B
B
WS B 0
0
0 (2.2)
Podczas analizy przepływu cieczy MR używa się pojęcia lepkości pozornej µp zwanej również lepkością efektywną. Zgodnie z modelem Binghama możemy ją zdefiniować następująco:
B B
p
0
0 (2.3)
Przebieg zmian lepkości pozornej w zależności od szybkości ścinania, według zależności (2.3), przedstawiono na rysunku 2.6. Biorąc pod uwagę przebieg 2.5, zależność (2.3) należy zapisać w postaci:
Rys. 2.5. Zależność lepkości dynamicznej cieczy MR od szybkości ścinania [97]
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
μ [Pa∙s]
dγ/dy [1/s]
19
p 0 B (2.4)
Ciecz magnetoreologiczna może pracować w jednym z czterech trybów pracy:
sprzęgłowym, zaworowym, ściskającym albo zaworowym odwrotnym. Każdy z nich znajduje zastosowanie w innych urządzeniach ze względu na warunki pracy, ilość pochłanianej energii i inne aspekty. Najczęściej stosowanymi są tryby zaworowy oraz ścinający.
Rysunek 2.7.a obrazuje ścinający tryb pracy cieczy MR (ang. direct shear mode).
Pomiędzy dwoma poruszającymi się względem siebie płaszczyznami znajduje się przedmiotowa ciecz MR. Przy braku pola magnetycznego jedynymi oporami ruchu są opory lepkie cieczy. W momencie pojawienia się indukcji magnetycznej następuje wzrost lepkości pozornej, proporcjonalny do jej wartości. Opory ruchu mogą wzrosnąć nawet kilkadziesiąt razy a zmiany następują w kilka milisekund. Tryb ścinający znajduje zastosowanie w sprzęgłach, hamulcach obrotowych i wahadłowych oraz w obrotowych tłumikach drgań i pochłaniaczach energii.
Bardzo ważnym trybem pracy cieczy MR jest tryb zaworowy (ang. pressure driven flow mode) (rys. 2.7.b). Ciecz MR przepływa pomiędzy dwoma nieruchomymi powierzchniami. Dzięki zmianom indukcji magnetycznej zmienia się naprężenie styczne w cieczy, dzięki czemu można wpływać na opory przepływu, a tym samym na wartość
Rys. 2.6. Lepkość pozorna cieczy magnetoreologicznej 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
70 270 470 670 870 1070 1270 1470
μp
dγ/dy B1
B2 B3 B4
20 spadku ciśnienia na kontrolowanej polem magnetycznym szczelinie. Obwód magnetyczny projektowany jest tak, aby linie sił jego pola przebiegały prostopadle do kierunku przepływu cieczy. Tryb zaworowy znalazł zastosowanie w takich urządzeniach jak liniowe tłumiki drgań, amortyzatory samochodowe, amortyzatory siedzisk samochodów ciężarowych i maszyn roboczych oraz liniowe pochłaniacze energii o dowolnym zastosowaniu.
Na rysunku 2.7.c przedstawiono tryb ściskający (ang. squeeze film mode). Ciecz MR umieszczona jest pomiędzy dwoma powierzchniami. Linie sił zewnętrznego pola magnetycznego skierowane są prostopadle do tych powierzchni. Jeśli na powierzchnie te działają siły zewnętrzne, skierowane do nich prostopadle, to przemieszczaniu się tych powierzchni przeciwdziałają siły wywołane obecnością cieczy MR znajdującej się w polu magnetycznym. Ich wartość zależy od indukcji magnetycznej występującej w cieczy MR.
W tym trybie pracy, przemieszczenie płyt jest niewielkie (nie przekraczające 1 mm) natomiast generowane siły oporu są duże. Tryb ściskający znalazł zastosowanie w elementach zawieszenia silników umożliwiając kontrolowane tłumienie drgań pochodzących np. od jednostki napędowej.
a) b)
c) d)
Rys. 2.7. Tryby pracy cieczy MR: a) sprzęgłowy, b) zaworowy, c) ściskający, d) zaworowy odwrotny
21 Czwarty tryb pracy zwany trybem zaworowym odwrotnym (ang. magnetic gradient pinch mode) pokazano na rysunku 2.7.d. Różni się on od trybu zaworowego rozkładem pola magnetycznego w rejonie szczeliny z cieczą MR. Został on po raz pierwszy zaprezentowany w 2008 roku na konferencji poświęconej cieczom elektro- i magnetoreologicznym w Dreźnie [17]. W chwili obecnej pozostaje on na etapie badań oraz poszukiwań jego potencjalnych zastosowań.
2.2.3. Zastosowania cieczy magnetoreologicznej
Ciecz zmieniająca za pomocą pola magnetycznego konsystencję z ciekłej do prawie stałej w przeciągu kilku milisekund, w której procesy te są całkowicie powtarzalne i odwracalne, może być zastosowana w wielu urządzeniach technicznych. Prace nad zastosowaniami cieczy magnetoreologicznej prowadzone są już od ponad 20. lat, co potwierdzają liczne publikacje i patenty [76, 77, 78, 82, 83, 84, 88, 89, 91]. Ze względu na swoje właściwości reologiczne zmieniane polem magnetycznym, ciecze te wydają się być bardzo interesujące do wielu zastosowań. Dotychczas wykonano prototypy wielu urządzeń tłumiących drgania, rozpraszających energię oraz hamujących ruch. Przemysł samochodowy, inżynieria budowli, przemysł militarny, optyczny czy poligraficzny to tylko niektóre obszary potencjalnych wdrożeń i zastosowań cieczy MR [19, 51, 52, 96, 107].
Pierwszym komercyjnym urządzeniem z cieczą MR był tłumik liniowy, stosowany w systemie tłumienia drgań foteli samochodów ciężarowych oraz ciężkich pojazdów
Rys. 2.8. Tłumik z cieczą MR w systemie redukcji drgań siedziska [32]
22 terenowych, np. maszyn rolniczych [97]. W skład systemu, oprócz wspomnianego tłumika, wchodzi czujnik pomiaru pozycji siedziska, układ sterowania oraz przełącznik, który zmienia tryb pracy w zależności od rodzaju nawierzchni, po której porusza się pojazd (rys. 2.8).
Korekta siły tłumienia może odbywać się co 2 ms. Prosty system zawierający zaledwie kilka elementów umożliwia obniżenie drgań przenoszonych z drogi na kierowcę/operatora nawet o 40% w porównaniu z wcześniej stosowanymi systemami [32], co w znacznym stopniu zwiększa komfort pracy i zmniejsza ryzyko powikłań zdrowotnych wywołanych długotrwałym narażeniem kierowcy na drgania. Tłumik liniowy z cieczą MR w tym zastosowaniu wymiernie wpływa na obniżenie drgań siedziska oraz poprawę komfortu kierowcy/operatora.
Jednym z najważniejszych zastosowań cieczy MR są amortyzatory samochodowe, które są obecnie z powodzeniem stosowane w wielu dostępnych na rynku modelach samochodów osobowych wyższej klasy [57, 67, 108]. W klasycznym amortyzatorze zwykły olej zastąpiono cieczą MR. Tłok został zmodyfikowany w taki sposób, aby pomieścił cewkę wytwarzającą pole magnetyczne oraz utworzył drogę dla strumienia magnetycznego zamykającego się przez szczelinę umożliwiającą przepływ cieczy z jednej strony tłoka na drugą. Uzyskano dzięki temu możliwość zmiany lepkości cieczy przepływającej w czasie ruchu tłoka przez tą szczelinę. Pojazd może więc posiadać miękkie lub sztywne zawieszenie w zależności od predyspozycji kierowcy. Bez względu na tryb pracy, w zależności od warunków na drodze, kultury jazdy i stanu nawierzchni układ może zmieniać siłę tłumienia nawet 1000 razy na sekundę [111]. Stosując odpowiednie algorytmy sterowania można zdecydowanie zwiększyć przyczepność kół do nawierzchni. Lepsza przyczepność podczas jazdy oznacza nie tylko poprawę komfortu, ale przede wszystkim poprawę bezpieczeństwa.
Firmą, która była prekursorem w produkcji amortyzatorów z cieczą MR była Delphi Corporation. Obecnie, głównym producentem amortyzatorów z cieczą MR jest firma Beijing West Industries [108], która kilka lat temu przejęła firmę Delphi Corporation. Tego typu amortyzatory są stosowane między innymi w Audi TT, Audi R8, Buick Lucerne, Ferrari 599GTB, Cadillac DTS, SRX, STS i Chevrolet Corvette [97, 100, 106, 111].
Tłumiki liniowe próbowano również zastosować do tłumienia drgań sejsmicznych [41, 71] i drgań lin mostów wiszących [32, 62] oraz do pochłaniania energii odrzutu podczas strzału z broni [20]. W pierwszym przypadku, badano zastosowanie tłumików o bardzo dużej sile tłumienia. Umożliwiają one rozpraszanie energii wstrząsów sejsmicznych, zarówno pierwotnych jak i wtórnych, zwiększając tym samym wytrzymałość budynków w rejonach podatnych na trzęsienia ziemi. Zadaniem tłumików lin mostów wiszących jest przede
23 wszystkim minimalizowanie skutków drgań i przemieszczeń wywołanych silnymi wiatrami.
Zwykle każda lina mostu wyposażona jest w osobny tłumik MR. Siła tłumienia może być zmieniana w sposób ciągły dostosowując parametry tłumika do aktualnie panujących warunków atmosferycznych. Zbadano, iż sprawność amortyzatorów z cieczą MR jest kilkukrotnie większa w porównaniu z ich wiskotycznymi odpowiednikami [62]. Z kolei tłumiki stosowane w broni palnej poddawane są dużym obciążeniom impulsowym w bardzo krótkim czasie. W pracy [20] przedstawiono wyniki testów, podczas których siła działająca na tłumik osiągała wartość 8000 N w czasie 10 ms. Rezultaty pokazały, iż zastosowany system z tłumikiem MR oraz systemem sterowania umożliwiał zmniejszenie początkowego uderzenia (maksymalnej wartości siły) oraz zapewniał kontrolowane rozproszenie energii odrzutu i w rezultacie skrócenie drogi odrzutu o ok. 50%.
Firma Delphi (obecnie BWI Group) opracowała sterowalne zawieszenie do zastosowań w transporcie szynowym [109]. Ciecz MR umieszczona została w szczelnej gumowej przestrzeni mocowania. Pole magnetyczne wytwarzano za pomocą cewki powodując zmianę lepkości cieczy a tym samym zmianę sztywności samego zawieszenia.
Dzięki możliwości zmiany sztywności w czasie rzeczywistym system pozwalał reagować na dowolny stan dynamiczny dostrajając się do dowolnej częstotliwości drgań. Dzięki temu, jedno urządzenie pozwalało na minimalizację miedzy innymi drgań przenoszonych na pojazd, szarpnięć związanych z ruszaniem, zatrzymywaniem, drgań pochodzących od zespołu napędowego oraz związanego z tymi zjawiskami hałasu. System stwarza więc potencjalne możliwości zastosowań tłumienia drgań nie tylko w transporcie kolejowym, lecz również w zawieszeniu silników samochodowych, transporcie lądowym jak i lotniczym.
Wymienione wyżej zastosowania cieczy MR są głównymi lecz nie jedynymi kierunkami ich implementacji. Urządzenia z cieczą MR, ze względu na doskonałe właściwości tłumiące drgania oraz wrażliwość na działanie pola magnetycznego, próbuje się zastosować w takich dziedzinach jak robotyka, budownictwo, lotnictwo, urządzenia gospodarstwa domowego, transport, urządzenia sportowe, medycyna, przemysł hydrauliczny czy poligraficzny [32]. Tłumienie drgań pralek, regulacja siły obciążenia urządzeń treningowych (np. rowery stacjonarne), tłumienie drgań kół przednich samolotów, polerowanie powierzchni, niwelacja drgań silników skokowych, poprawa pracy głośników, uszczelnienia, systemy dotykowe typu haptic, czy też nowoczesne metody zwalczania chorób nowotworowych to tylko niektóre z potencjalnych, już badanych zastosowań [32, 41, 97, 102]. Prowadzone są również badania nad zastosowaniami cieczy MR w elastomerach, materiałach kompozytowych oraz substancjach spienionych i gąbczastych, nasyconych tą
24 cieczą [9, 13]. Osobną grupę urządzeń stanowią sprzęgła i hamulce obrotowe z cieczą MR.
Ponieważ właśnie rozwiązania podobne do sprzęgieł MR stanowią główny przedmiot niniejszej pracy, grupie tej został poświęcony następny podrozdział. Podsumowując można stwierdzić, że ciecze MR mają potencjalne zastosowanie wszędzie tam, gdzie jest potrzeba wyhamowania poruszających się elementów a w szczególności tam gdzie występują drgania oraz tam, gdzie reakcja cieczy na pole magnetyczne może przynieść wymierne korzyści.
2.3. Zastosowania cieczy magnetoreologicznych w urządzeniach obrotowych sterowanych elektrycznie
Urządzenia obrotowe z cieczą MR można podzielić na sprzęgła, hamulce i przekładnie.
Stanowią one jedno z ciekawych kierunków zastosowań cieczy MR. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat można było zauważyć zdecydowany wzrost zainteresowania tego typu urządzeniami, co potwierdzają liczne publikacje i patenty w tym zakresie [14, 37, 79, 80, 90].
Wciąż jednak brak produkowanych na większą skalę urządzeń tego typu, dlatego też konieczne jest prowadzenie badań, które mogą przyczynić się do komercjalizacji np. przekładni obrotowych z cieczą MR.
2.3.1. Konstrukcja i zasada działania urządzeń obrotowych z cieczą magnetoreologiczną Konstrukcje i zasady działania sprzęgieł, hamulców i przekładni obrotowych z cieczą MR mogą być bardzo podobne. Należy zaznaczyć, że o ile konstrukcje i wyniki badań sprzęgieł i hamulców są dość powszechnie publikowane [24, 27, 30, 33, 42, 54, 56, 65, 73], to żadna prace dotycząca przekładniami MR i ich sterowania nie została znaleziona przez autora.
Sprzęgło jest to urządzenie służące do łączenia wałów oraz przenoszenia momentu obrotowego z jednego wału na drugi [46]. Składa się z członu wejściowego (napędowego), członu wyjściowego (napędzanego) oraz łącznika, który w tym przypadku stanowi ciecz MR.
Sprzęgło z cieczą MR jest więc urządzeniem, w którym obydwa człony połączone z wałami mogą swobodnie się poruszać zarówno względem nieruchomego podłoża (obudowy, korpusu itp.) jak i względem siebie. W przypadku hamulców nie mamy obrotowego wału wyjściowego (napędzanego). Zamiast tego człon wyjściowy połączony jest zwykle sztywno z korpusem. Obracający się człon wejściowy jest w razie potrzeby hamowany względem nieruchomego członu wyjściowego. Hamulec może więc służyć do wytracania prędkości obrotowej, całkowitego zatrzymania wału lub redukcji drgań na wale. Zasada wytwarzania momentu w obu przypadkach jest taka sama. Dlatego praktycznie większość budowanych i badanych sprzęgieł z cieczą MR można zastosować jako hamulec łącząc wał wyjściowy
25 z nieruchomym korpusem. W podobny sposób można zaimplementować hamulec do roli sprzęgła łącząc jego korpus z wałem wyjściowym. Bardzo podobnie może być skonstruowana przekładnia z cieczą MR. Jedyne różnice pomiędzy omawianymi tutaj urządzeniami dotyczą wymaganych parametrów, takich jak: prędkości wałów, różnicy między prędkością wejściową a wyjściową, moment hamujący, moc maksymalna pochłaniana chwilowa i średnia oraz energia cieplna jaką należy odprowadzić do otoczenia. W omawianych urządzeniach, wartość przenoszonego momentu może być regulowana za pomocą prądu płynącego przez cewkę wytwarzającą pole magnetyczne w obwodzie magnetycznym urządzenia. W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych, cewka może być umieszczona w zewnętrznej obudowie urządzenia i stanowić niezależny element w stosunku do członu wejściowego i wyjściowego lub może zostać umieszczona w jednym z nich. W tym drugim przypadku uproszczeniu ulega konstrukcja, staje się ona bardziej zwarta. W przypadku hamulców cewka jest umieszczana w nieruchomej obudowie, co upraszcza problem jej zasilania. W sprzęgłach, jeśli cewka jest wbudowana w jeden z ruchomych elementów, zasilanie elektryczne następuje poprzez układ pierścieni ślizgowych i szczotek, co stanowi pewien problem eksploatacyjny. Sprzęgła i hamulce z cieczą magnetoreologiczną są obecnie projektowane i budowane w jednej z dwóch podstawowych konfiguracji: tarczowej [31, 23, 28] lub walcowej [22, 42]. Brak jednak doniesień o ich produkcji przemysłowej i ofercie rynkowej. Ponieważ, jak przedstawiono wyżej, konstrukcje sprzęgieł i hamulców są podobne, poszczególne konfiguracje zostaną przedstawione tylko na przykładzie sprzęgieł.
Ideę konstrukcji tarczowej prezentuje rysunek 2.9. Sprzęgło składa się z dwóch tarcz połączonych odpowiednio z wałem wejściowym i wyjściowym, cieczy MR stanowiącej łącznik pomiędzy tarczami, cewki oraz korpusu stanowiącego jednocześnie drogę dla strumienia magnetycznego (zaznaczonego na rysunku linią przerywaną). Ciecz MR umieszczona jest pomiędzy tarczami. Podczas pracy, gdy cewka nie jest zasilana, moment z tarczy napędowej przenoszony jest na tarczę napędzaną tylko w wyniku występowania lepkości cieczy MR. Wartość przenoszonego momentu jest
Cewka Korpus
Uszczelnienie
Wał wejściowy z tarczą
Wał wyjściowy z tarczą
ωwe ωwy
Rys. 2.9. Koncepcja tarczowego sprzęgła MR
26 zależna głównie od wymiarów sprzęgła, tj. odległości między tarczami, powierzchni tarcz, temperatury, lepkości cieczy w stanie niewzbudzonym oraz od różnicy prędkości między tarczami. Ze względu na to, iż ciecz MR w takim stanie traktowana jest jak ciecz newtonowska, w określonym urządzeniu głównym parametrem wpływającym na wartość przenoszonego momentu jest różnica prędkości kątowych tarcz (wałów). Po włączeniu zasilania cewki napięciem elektrycznym, w obwodzie magnetycznym sprzęgła pojawia się prąd a wraz z nim strumień magnetyczny zamykający się przez szczelinę pomiędzy wirującymi tarczami, wypełnioną cieczą MR, w wyniku czego ciecz ta zmienia swoje parametry. Można powiedzieć, że „pojawia się” granica płynięcia wynikająca z występowania granicy naprężenia stycznego τ0(B), zależna od wartości indukcji magnetycznej w szczelinie, a tym samym od wartości płynącego przez cewkę prądu. Dla naprężeń mniejszych od granicy płynięcia τ0(B), ciecz zachowuje się prawie tak jak ciało stałe i uzyskuje się prawie pełną synchronizację wałów. Po przekroczeniu granicy płynięcia, czyli zwiększeniu momentu oporu ruchu, wartość przenoszonego momentu dalej wzrasta ale odbywa się to kosztem rosnącej różnicy prędkości pomiędzy tarczami. Wartość momentu przenoszonego przez sprzęgło MR w wyniku oddziaływania pola magnetycznego na ciecz MR, może być nawet kilkadziesiąt razy większa od wartości momentu obrotowego, które sprzęgło jest w stanie przenieść tylko w wyniku lepkiego oddziaływania cieczy na tarcze [95], co można wyrazić za pomocą wcześniej wspomnianego współczynnika kontroli Ws.
Konstrukcję walcowego sprzęgła MR pokazano na rysunku 2.10. W tym rozwiązaniu, sprzęgło zbudowane jest z dwóch elementów, współpracujących ze sobą za pośrednictwem
Wał wyjściowy Wirnik Wał wejściowy
z korpusem
Uszczelnienie Ciecz MR
Cewka
ωwe ωwy
Rys. 2.10. Koncepcja walcowego sprzęgła MR
27 powierzchni cylindrycznych, cieczy MR umieszczonej pomiędzy tymi powierzchniami, cewki wytwarzającej pole magnetyczne oraz korpusu stanowiącego jednocześnie drogę dla strumienia magnetycznego. Każdy z cylindrycznych elementów połączony jest odpowiednio z wałem wejściowym i wyjściowym. Moment wytwarzany jest na stałym promieniu.
Podobnie jak w przypadku rozwiązania tarczowego, w stanie beznapięciowym, generowany moment pochodzi tylko od lepkich oddziaływań pomiędzy cieczą a współpracującymi z nią powierzchniami i zależy głównie od różnicy prędkości pomiędzy wirującymi członami sprzęgła. W chwili pojawienia się pola magnetycznego następuje wzrost lepkości pozornej, pojawia się granica płynięcia, której wartość zależy od prądu płynącego w cewce. Dalszy wzrost wartości przenoszonego momentu jest możliwy poprzez zastosowanie rozwiązań wielocylindrycznych albo wielotarczowych. Uzyskujemy w ten sposób stosunkowo duży wzrost wartości przenoszonego momentu w porównaniu do wzrostu wymiarów. Wadą tego typu rozwiązań jest wzrost komplikacji konstrukcji.
Każda z wyżej omówionych konstrukcji ma swoje wady i zalety. Sprzęgło walcowe umożliwia wytworzenie porównywalnych momentów do sprzęgła tarczowego dla mniejszych rozmiarów promieniowych ale większych wymiarów osiowych urządzenia. Różnice widoczne są również w budowie obwodu magnetycznego. Mnogość rozwiązań pokazuje jednak, iż jest możliwe zaprojektowanie i implementacja sprzęgła do określonego zadania, maszyny, napędu itp. Niewątpliwą zaletą wszystkich rozwiązań jest elastyczne, regulowane przenoszenie momentu z wału wejściowego na wyjściowy.
2.3.2. 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.
Cewka
Korpus
Przestrzeń wypełniona cieczą MR
Łącznik korpusu
Łącznik wału
Wał
Rys. 2.13. Hamulec z cieczą MR [23]
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).
