Potencijali iskorišćenja magnetoreološke kočnice kod poljoprivrednih traktora.

Magnetorheological brake utilization potential in agricultural tractors.

Poznić, A., Časnji, F., Stojić, B.1

Rezime

Konstantno povećavanje brzina kretanja traktora otvara pitanje unapređenja njihovog što efikasnijeg usporavanja. Stalni razvoj i napredak u oblastima udobnosti, bezbednosti i energetske efikasnosti poljoprivredne mehanizacije doveli su do stvaranja sistema poput magnetoreološke kočnice. Magnetoreološke kočnice su vrste kočnih sistema koje koriste magnetoreološku tečnost kao medijum pri prenosu kočnog momenta. Ovi sistemi imaju mogućnost preciznog upravljanja nivoa kočne sile električnim putem, ne zahtevaju posebna podešavanja niti periodična održavanja. Većina dosadašnjih rešenja magnetoreoloških kočnica, kako teoretskih tako i praktičnih, iskorišćenje magnetnog polja bazira na oblasti unutar namotaja elektromagneta, čime se postiže samo delimičan stepen iskorišćenja. U ovom radu je predložena nova konstrukcija magnetoreološke kočnice sa većim stepenom iskorišćenja uticaja magnetnog polja na magnetoreološku tečnost. U radu je data teoretska osnova za proračun kočnog momenta kao i osnovni konstrukcioni parametri.

Ključne reči: poljoprivredni traktor, magnetoreološka tečnost, kočnica, kočioni moment, konstrukcija

Summary

Constantly increasing of tractor speed raises the question of their efficient stopping process improvement. Permanent development and progress in areas of comfort, safety and energy efficiency in agricultural machines led to creation of systems such as magnetorheological brakes. Magnetorheological brakes are type of braking systems which utilize magnetorheological fluid as a medium in brake torque transfer. These systems have possibility of precisely handling the braking force electrically, do not require special adjustments neither periodical maintenance. Most present day magnetorheological solutions, both theoretical and practical, utilize magnetic field influence only in the area inside the coil, which provides only partial efficiency. A new magnetorheological fluid brake construction is proposed in this paper, with more efficient usage of magnetic field influence on magnetorheological fluid. Theoretical braking torque fundamentals as well as basic construction parameters are presented in this paper.

Keywords: agricultural tractor, magnetorheological fluid, brake, braking torque, construction

1 MSc Aleksandar Poznić, prof. dr Ferenc Časnji, Mr Boris Stojić, Fakultet tehničkih nauka Novi Sad, alpoznic@uns.ac.rs

Uvod

Tendencije u razvoju poljoprivrednih traktora karakterišu stalni porast snage i transportnih brzina, ali i zahtevi za unapređenjem efikasnosti poljoprivrednih proizvodnih procesa, poboljšanjem zaštite poljoprivrednog zemljišta i povećanjem energetske efikasnosti. Ove težnje ogledaju se u inovativnim konceptima savremenih traktora, čiji je razvoj fokusiran na kontinualno usavršavanje pojedinih komponenata i sistema.

Konstantan rad na usavršavanju i inovacijama doveo je do značajnog udela visokotehnoloških sistema i komponenata na savremenim traktorima. Shodno postojećem trendu, svrsishodno je sprovođenje daljih istraživanja u pravcu uvođenja novih sistema i koncepata u funkciji unapređenja efekata rada traktora.

Jedan od relativno novih i, kada je reč o primeni na traktorima, nedovoljno istraženih pravaca predstavlja aplikacija inteligentnih materijala. Nove perspektive razvoja, otvaraju se proširivanjem prostora za inovacije zahvaljujući mogućnosti delovanja elektronskim putem na karakteristike ovih materijala. Jedan od inteligentnih materijala kojem se sve više i više pronalazi primena je i magnetoreološka (MR) tečnost.

MR tečnosti se sastoje od svega tri komponente: feromagnetnih (magnetizable particles) čestica, tečnosti nosioca i aditiva.

Promenom intenziteta magnetnog fluksa koji deluje na MR tečnost menjaju se njene reološke i tribološke osobine. Tako se, promenom intenziteta električne struje koja pobuđuje elektromagnet može upravljati viskozitetom MR tečnosti što ima višestruke aplikacije u tehničkim sistemima.

Kod poljoprivrednih traktora jedna od mogućih primena MR tečnosti može biti razvoj kočnog sistema baziranog na eksploataciji njihovih svojstava. Ovaj pristup može dovesti do značajnih unapređenja kočnog sistema. Mogućnost precizne regulacije kočnog momenta na pojedinim točkovima putem elektronskog upravljanja pojednostavljuje optimalnu raspodelu kočnih sila po točkovima. Ovim putem može se ostvariti značajan doprinos dinamičkim performansama vozila, što je od značaja imajući u vidu stalni trend za povećanjem brzina kretanja i zastupljenost savremenih traktora u javnom saobraćaju. Sledeća važna osobina ovog koncepta je gotovo potpuno odsustvo habanja, što produžava životni vek i smanjuje potrebu za intervencijama na održavanju traktora. Takođe, ovaj koncept karakteriše rad bez generisanja buke i vibracija koje mogu nastati kod konvencionalnih frikcionih kočnica, što pozitivno utiče na poboljšanje uslova rada rukovaoca.

Cilj ovog rada je da prikaže trenutno stanje i pravce razvoja kočnih MR sistema, mogućnost primene kod poljoprivrednih traktora kao i da predloži novi pravac u dizajnu MR kočnica. Povećanjem stepena iskorišćenja uticaja magnetnog polja na MR tečnost povećala bi se i efikasnost pri kočenju a samim tim i rezultati rada poljoprivrednih traktora a time i njihova sveukupna energetska efikasnost.

Materijal i metod rada

U radu je prikazano trenutno stanje razvoja MR kočnica i njihova konstrukcija. Takođe prikazana je nova konstrukcija MR kočnice sa većim stepenom iskorišćenja uticaja magnetnog polja na MR tečnost unutar kočnice. Analizirana je mogućnost primene jednog ovakvog sistema kod poljoprivrednih traktora i to ne samo na nivou kočenja točkova, već uopšteno gledano izjednačavanja brzina bilo koja dva vratila u sistemu pogona. Korišćene su informacije i podaci publikovani u stručnoj literaturi vezane za posmatrane sisteme i njihove karakteristike.

Princip rada MR tečnosti

MR tečnosti predstavljaju vrstu pametnih struktura, koji reaguju na specifičan način kada se izlože dejstvu magnetnog polja. Reološke i tribološke osobine MR tačnosti se mogu precizno menjati primenom spoljnog izvora - magnetnog polja. Feromagnetne čestice bi trebalo da budu veličina od 1 do 10 μm, mada se u praksi mogu pronaći MR tečnosti sa drugačijim granulometrijskim sastavom.

Feromagnetne čestice imaju zaperminski udeo, u MR tečnosti, 20% do 45%. Pravilan izbor i odnos ovih komponenti je od najvećeg značaja jer se na taj način definišu mikroskopske karakteristike fluida kao što su npr. viskoznost u „OFF-state“ stanju, napon tečenja, otpornost ka saturaciji, temperaturni opseg itd (More T. A., 2009).

Tečnost nosioc je obično određena vrsta ulja, sintetičko ili mineralno ali u obzir mogu doći i voda, kerozin pa čak i petrolej sve u zavisnosti od namene. Aditivi imaju posebnu ulogu u celom sistemu a to je da se spreči pojava sleganje feromagnetnih čestica kao i da se održi isti nivo disperzivnosti nakon prestanka delovanja magnetnog polja.

Uticaj magnetnog polja na MR tačnost čini da čestice formiraju lančaste strukture paralelne sa linijama magnetnog polja, slika 1. Na ovaj način čestice stvaraju otpor kretanju, (Everet O. E, and Faramarz G, 2003.) Drugim rečima, moguće je kontrolisati viskozitet MR tečnosti a samim tim i otpore unutar uređaja koji koristi MR tečnost, menjajući struju elektromagneta.

Sl. 1 Lančasta struktura u MR tečnosti (More T. A., 2009).Fig. 1 Chain-like structure formation in MR fluid (More T. A., 2009).

Svi uređaji koji korste MR tečnost kako bi imali promenljiv odziv na spoljašnje uticaje, rade u jednom od tri moguća režima ili njihovoj kombinaciji: tečni mod (Flow mode), smicajni mod (Shear mode), mod stiska (Squeeze mode), (Guglielmino E. et al. 2008).

MR kočnice rade u smicajnom modu, što podrazumeva da se MR tečnost nalazi između dve površine koje mogu da se pomeraju relativno jedna u odnosu na drugu, slika 2. Kada nepostoji dejstvo magnetnog polja, MR tečnost se ponaša kao Njutnovski fluid prema Huang J. et. al. 2002, odakle se vrlo jednostavno može postaviti da je napon smicanja:

•γη=τ (1)

τ - tangencijalni napon [Pa], η - dinamička viskoznost [Pa s], •γ - gradijent brzine [

s

1]. Kada se na

MR tečnost primeni magnetno polje njeno stanje se može opisati Bingamovim (Binghnam) modelom tj. Bingamovom plastikom kao:

•B γη+τ=τ (2)

Bτ - napon tečenja [Pa]. Variranjem intenziteta struje u namotajima, varira se i napon tečenja što na kraju dovodi do promene u otporima koji vladaju unutar kočnice.

Sl. 2. Smicajni mod MR tečnosti (Guglielmino E. et al. 2008)

Fig. 2. MR fluid in Shear mode (Guglielmino E. et al. 2008)

Dosadašnje konstrukcije MR kočnica

Dosadašnji pravci razvoja MR kočnica doveli su do situacije da imamo pet glavnih oblika MR kočnica: doboš kočnica, obrnuti doboš kočnica, disk kočnica, kočnica sa T rotorom i multidisk kočnica, (More T. A., 2009).

Svaki od predhodno navedenih tipova MR kočnica u prvi plan ističe jednu osobinu po kojoj je karakteristična. U nastavku teksta će se postaviti opis karakteristika MR kočnica.

a) b) c) d)

e)

Sl. 3. a) MR doboš kočnica, b) MR kočnica sa obrnutim dobošem, c) T rotor MR kočnica, d) MR disk kočnica, e) Multi disk MR kočnica, (More T. A., 2009).

Fig. 3. a) MR drum brake, b) MR inverted drum brake, c) T shape MR brake, d) MR disk brake, e) multiple disks MR brake, (More T. A., 2009).

Na prvom mestu su doboš i obrnuti doboš, u nastavku teksta samo doboš kočnice, pored disk kočnica, najjednostavnije za proizvodnju. Rotor ima cilindrični oblik a magnetno polje deluje u radijalnom pravcu, slika 3 a) i b). Karakteristika doboš dizajna je velika inercija. Inercija se može smanjiti tako što će delovi koji su najmanje izloženi magnetnom polju biti drugačije konstruisani. MR kočnica sa T rotorom (presek rotora podseća na slovo T, vidi sliku 3 c), u daljem tekstu samo T rotor), je mnogo kompaktnija od MR kočnice sa dobošem ali je sa druge strane i mnogo kompleksnija za izradu. MR disk kočnica ( u nastavku teksta disk kočnica), je dizajn koji se najviše opisuje u literaturi. Ovaj tip kočnice je vrlo jednostavan za proizvodnju i daje relativno dobar odnos težine i kompaktnosti. Rotor je oblika diska i magnetno polje deluje u aksijalnom pravcu na disk, normalno na njegovu površinu, slika 3 d). Postoje pojedine varijacije na osnovni dizajn. Da bi se povećala kompaktnost MR disk kočnice se mogu postaviti dodatni diskovi paralelno sa postojećim diskom na vratilo, čime dobija poslednji tip MR kočnica, multi disk MR kočnica. Ukoliko se ovo učini, potrebno je postaviti i diskove koji imaju ulogu statora i koji će se nalaziti između novih rotora. Ovakav dizajn je jako popularan ukoliko imamo zahteve za velikim momentom a malom masom u ograničenim gabaritima. Jednačine kojima se opisuje ovaj konkretan dizajn su iste kao i jednačine za MR disk kočnicu.

Svaki od predhodno navedenih i opisanih tipova MR kočnice uticaj magnetnog polja koncentriše na MR tečnost koja se nalazi unutar namotaja elektromagneta. Na ovaj način, samo deo elektromagnetne sile biva iskorišćen i to isključivo deo koji se nalazi unutar namotaja, dok deo koji se širi od namotaja ka okolini biva u potpunosti neiskorišćen. U nastavku ovog rada predložena je jedna od mogućih konstrukcija koja svojim dizajnom omogućava iskorišćenje uticaja magnetnog polja na MR tečnost i sa spoljašnje strane namotaja elektromagneta.

Nova konstrukcija

Postojeće konstrukcije MR kočnica, baziraju efekta magnetnog polja na MR tečnosti u oblasti unutar namotaja elektromagneta. Ovaj prilaz je dosta dobro razradjen u literaturi (More T. A. 2009, Huang J, et. al 2002, Nguyen Q.H, and Choi S. B, 2010) a postoji komercijalizacija (Carlson J. R. 2001). Novopredložena konstrukcija predstavlja korak napred kada je u pitanju pogled na osnovna konstruktivna pravila MR kočnica. Konstrukcija se sastoji od nekoliko ključnih delova koji su predstavljeni na slici 4 b). Kao i kod dosadašnjih rešenja i ovde imamo rotor (rotorska kola) i stator (kućište). Uloga kućišta je prvenstveno da zatvara konstrukciju, obezbeđuje prenos kočnog momenta i nosi namotaj elektromagneta. Rotorska kola se sastoje od nekoliko segmenata koja se preciznije mogu videti na slikama 4 a) i b). Zajednička karakteristika ove konstrukcije i svih predhodnih je glavno rotorsko kolo, koje je situirano tačno ispod namotaja. Ovo kolo je čvrstom vezom spojeno sa bočnim rotorskim kolom

koje je izmešteno u stranu i ima dvojaku ulogu, prva da prenosi deo kočnog momenta kao i glavno rotorsko kolo a druga, da podržava noseći deo. Ovakvom izvedbom dobijamo konstrukciju pomoću koje dobijamo još jedan rotor ali ovoga puta u spoljnoj oblasti namotaja elektromagneta, slika 4 a) i b).

a) b)

Sl. 4. Presek nove konstrukcije MR kočnice.

Ovakvim pristupom omgućava se iskorišćenje efekta magnetnog polja na MR tečnost u do sada nekorišćenom delu konstrukcije. Delovanje magnetnog polja je u ovoj oblasti bilo potpuno zanemareno i neistraživano. Ovakom praksom se gubilo na stepenu korisnosti MR kočnica i umanjenju mogućeg kočnog momenta. Ipak, kočni momenat, koji je moguće ostvariti ovakvom konstrukcijom, je funkcija nekoliko parametara što navodi na mogućnost dalje optimizacije sa ciljem još boljeg iskorišćenja.

Silnice magnetnog polja, prilikom uspostavljanja unutar materijala imaju praktično neometan pravac prostiranja. Jedini vid devijacije oblika silnica nastaje usled prelaska sa jedne vrste materijala na drugu. Pošto su i rotorska kola i kućište sačinjeni od vrlo sličnih materijala devijacija je vrlo mala – neznatna. Zapreminski udeo MR tečnosti u ukupnoj zapremini konstrukcije je svega nekoliko procenata, što doprinosi da devijacija oblika silnica i na ovom mestu može biti zanemariva. Odnos permeabilnosti materijala kočnice (čelika) i MR tečnosti je reda veličine 1000 ( MRČ μ1000≈μ ), (More T. A., 2009). U nastavku teksta je prikazan način dobijanja i konačna jednačina kočnog momenta

Kočni moment

Kočioni moment kod MR kočnica predstavlja zbir kočnih momenata razvijenih po radnim površinama između rotora i statora. Predloženo rešenje po konstrukciji je najsličnije MR disk i multidisk MR kočnici. Prvenstvena razlika između predhodno navedenih vrsta MR kočnica i ovde predložene konstrukcije je što se sada u obzir uzima i efekat magnetnog polja koje deluje sa spoljne strane namotaja. Jednačina kočnog momenta uzima u obzir promenu intenziteta magnetnog polja i njen uticaj na MR tečnost. Da bi smo olakšali postavljanje finalne jednačine, novu MR kočnicu ćemo podeliti na nekoliko delova. Prvo ćemo posmatrati bočne delove unutrašnjeg i delove spoljašnjeg rotorskog kola. Takođe je neophodno ovako dobijene prstenaste strukture podeliti na temene i bočne površine kako bi se mogle odrediti sile koje deluju po njima. U nastavku teksta su date notacije a značenje promenljivih je dato na slici 4. Elementarni moment dT po elementarnoj površini dA bočnog dela prstena je (Nguyen Q.H, Choi S. B, 2010.):

rdF=dT (3)

dAτr=dT (4)

A-površina, θ - ugao smicanja = π2

drτrπ2=T1

0

r

r

2∫ (5)

Elementarni moment dT po elementarnoj površini dA temenog dela prstena je:

∫d

0

2 dzτrπ2=T (6)

Ukoliko uzmeno u obzir da je vrednost d zanemariva u odnosu na prečnik rotora, za (6) se može reći da je zanemarivo i ne mora se posmatrati pri konačnoj vrednosti kočionog momenta na prstenu. Ukupan moment se sada može izraziti kao (5). Odavde se vidi da je kočioni moment u bočnom prstenu funkcija poluprečnika r i napona smicanja τ . Konačna notacija kočionog momenta u bočnom prstenu:

∫1

0

1

0

r

r

n2

r

rB

2 drd

ωrKrπ2+drτrπ2=T ∫ (9)

Smatra se da su linije magnetnog polja istog pravca i izuzev u oblasti unutar namotaja elektromagneta uniformnog rasprostiranja tako da se proračun kočionog momenta korišćen do sada može primeniti i na drugo rotorsko kolo. Dalje je neophodno sabrati šest momentnih jednačina bočnih površina na koje magnetno polje deljuje i formirati konačnu momentnu jednačinu. Naravno neophodno je voditi računa o radijusima koji se koriste. Konačni oblik momentne jednačine

∫∫∫

∫∫∫

c

d

c

d

3

2

3

2

1

0

1

0

r

r

nd2

d

r

rB

2d

r

r

nb2

b

r

rB

2b

r

r

na2

a

r

rB

2

drd

ωrKrπ2+drτrπ4+dr

d

ωrKrπ2+

+drτrπ4+drd

ωrKrπ2+drτrπ4=T

(10)

Razlika radijusa, rb i rc čine visinu nosećeg dela rotorskog kola. Pošto linije magnetnog polja, u blizini elektromagneta deluju radijalno, njihov je uticaj na MR tečnost na temenima rotora i na nosećem delu rotorskog kola zanemariv. Lančaste strukture unutar MR tečnosti prate linije magnetnog polja. Ipak zbog deformacije magnetnog polja, usled korišćenja materijala sa različitim magnetnim karakteristikama, lančaste strukture se ne formiraju idealno paralelno sa temenim površinama rotora i do određene mere doprinose ukupnom kočnom momentu. Optimizacijom oblika magnetnog polja, dimenzija i odnosa radijusa putem metode konačnih elemenata moguće je ostvariti još veći stepen iskorišćenja uticaja magnetnog polja na MR tečnost a samim tim i povećati sveukupni kočni moment.

Zaključak

U radu je predstavljen novi tip MR kočnice sa većim stepenom iskorišćenja uticaja magnetnog polja. Dati su osnovni pojmovi i relacije koje vladaju u MR tečnostima, kako u ON tako i u OFF stanju. Takođe su predstavljena dosadašnja rešenja kojima je ostvarivanje kočnog momenta bazirano na delovanju magnetnog polja unutar namotaja elektromagneta. Postavljena je konačna jednačina kočnog momenta nove konstrukcije iz koje se vidi da postoji veliki broj promenljivih parametara, kako geometrijskih tako i reoloških, preko kojih se u budućnosti može vršiti optimizacija oblika i stepena korisnosti MR kočnice.

Iz rada se vidi da postoje teoretske a detaljnijim proučavanjem literature da postoje i praktične osnove za dalje istraživanja u ovoj oblasti. Ipak glavni pravci istraživanja i primene ovakvog tipa kočnog sistema kod poljoprivrednih mašina moraju biti u smislu postizanja pouzdanosti rada sistema, povećanje energetske efikasnosti i detaljnija tehnoekonomska analiza za ceo životni vek kočnog sistema.

Zahvalnica

Ovo istraživanje je urađeno u okviru rada na projektu TR35041 "Istraživanje bezbednosti vozila kao dela kibernetskog sistema Vozač-Vozilo-Okruženje", finansiranog od strane Ministarstva za nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije.

Acknowledgment

This research was done as a part of project TR35041 "Investigation of the safety of the vehicle as part of cybernetic system: Driver-Vehicle-Environment", supported by Serbian Ministry of Science and Technological Development.

Literatura

More T. A. 2009 MR-fluid brake design and its application to a portable muscular rehabilitation device. Ph.D. diss, Active Structures Laboratory Department of Mechanical Engineering and Robotics, Universit´e Libre de Bruxelles.

Everet O. E, Faramarz G. 2003. A Magneto-Rheological Fluid Shock Absorber for an Off-Road Motorcycle. International Journal of Vehicle Design 33 (1/2/3): 139-152.

Guglielmino E, Sireteanu T, Stammers W. C, Ghita G, Giuclea M. 2008. Semi-active Suspension Control. Springer-Verlag London Limited. London. V. Britanija.

Huang J, Zhang J.Q, Yang Y, Wei Y.Q, 2002. Analysis and design of a cylindrical magneto-rheological fluid brake. Journal of Materials Processing Technology 129: 559–562.

Nguyen Q.H, Choi S. B, 2010. Optimal design of an automotive magnetorheological brake considering geometric dimensions and zero-field friction heat, Smart Materials and Structures,19: 1-12.

Carlson J. R. 2001. Magnetorheological brake with integrated flywheel. United States Patent No. US 6,186,290 B1.