Hibrit yapılı bir manyetoreolojik frenin sayısal yöntemlerle tasarımı ve deneysel incelenmesi

Abstract

Manyetoreolojik akışkanlar manyetik alana duyarlı reolojik özelliklere sahiptir. Bu özellikleri sebebiyle manyetoreolojik akışkanlar "akıllı" malzeme olarak sınıflandırılır. Hızlı tepki süresi, yüksek akma gerilmesi gibi çekici özellikleri sayesinde manyetoreolojik akışkanlı cihazlar benzer akıllı malzemelere üstünlük göstererek kullanım yoğunluğu açısından öne çıkmaktadır. Manyetoreolojik akışkanlar kullanılarak titreşim sönümleme ve fren uygulamaları için birçok damper ve fren tasarlanmıştır. Literatürdeki fren tasarımları önceleri otomotiv ve motosikletler için olsa da günümüzdeki birçok çalışma haptik uygulamalar için yüksek tork yoğunluğuna sahip manyetoreolojik fren tasarımına yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada yüksek tork yoğunluğuna ulaşmak için H-tipi manyetoreolojik fren önerilmiştir. Önerilen frenin değerlendirilmesi için haptik sistemlere indirgenebilecek boyutlar seçilmiştir. Bu sebeple frenin çapı ve uzunluğu kısıtlanmıştır. Karşılaştırma yapmak için belirtilen boyutlarda literatürde iyi sonuçlarıyla bilinen kampana ve T-tipi fren seçilmiştir. Kampana, T-tipi ve H-tipi frene Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemiyle optimizasyon çalışması yapılmıştır. Frenlere uygulanan kısıtları yönetmek için gradyan temelli kısıt yönetme yöntemi kullanılmıştır. Frenlerin manyetik devresi hem iteratif formülasyon hem de sonlu elemanlar yaklaşımı kullanılarak çözülmüştür. İki yaklaşım karşılaştırılmış; sonlu elemanlar yaklaşımının sonuçlarının daha güvenilir olduğu belirlenmiştir. Frenleme torku Bingham plastik modeli kullanılarak türetilmiştir. Optimum tasarımların karşılaştırılması sonucu H-tipi MR frenin kampana tipine göre %22, T-tipine göre %13 daha yüksek tork yoğunluğuna sahip olduğu açığa çıkmıştır. Ayrıca, önerilen frenin kampana tipine göre %60, T-tipine göre %18 fazla tork ürettiği gösterilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucu sonlu elemanlar yaklaşımı doğrulanmış, frenin histerisiz davranışı hakkında çıkarımlar yapılmıştır. Prototip H-tipi frenin zaman sabitinin 1.5 A basamak girişinde 69 ms olduğu saptanmıştır. Frenin bobinine sinüzoidal uyartı verilmiş; frenin birinci derece sistemler gibi davrandığı gösterilmiştir

Magnetorheological fluids exhibit magnetically sensitive rheological behavior. Thus, they are classified as "smart" materials. Magnetorheological fluid devices have attractive properties such as fast response time, higher yield stress, and relatively low power consumption. Magnetorheological devices distinguish among similar smart materials, as its properties are superior. Magnetorheological devices include dampers and brakes. Initially, magnetorheological brakes are developed for automotive and motorcycles. Recent studies focuses on increasing torque density in haptic systems. In this study, H-shaped MR brake is proposed to achieve higher torque density. Proposed brake is compared to drum and T-shaped MR brakes. All brakes are designed parametrically. Parametric designs are optimized using Particle Swarm Optimization. Gradient-based constraint handling method is used to handle constraints. Magnetic analysis is conducted using both developed iterative formulation and finite element approaches. Two approaches are compared, latter of which is shown to be the method of choice. Braking torques are deducted analytically using Bingham plastic model. Comparison of the optimum designs show that the torque density of H-shaped MR brake is 22% higher than drum type and 13% higher than T-shaped MR brake. Also, H-shaped MR brake generates 60% more braking torque than the drum type and 18% more than T-shaped MR brake. Experimental study validates the finite element approach while deductions are made about hysteresis characteristics. Time constant of the proposed brake is found to be 69 ms in response to 1.5 A step input. Sinusiodal excitation to the coil of the brake shows that proposed brake can be modeled as first order systems.