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研究生:楊紹韡
研究生(外文):Shao-Wei Yang
論文名稱:磁流變制動器效能分析
論文名稱(外文):The performance analysis of a magneto-rheological brake
指導教授:許政行許政行引用關係
指導教授(外文):Cheng-Hsing Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:田口方法磁流變流體
外文關鍵詞:Magneto-Rheological FluidTaguchi Method
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本研究採用磁流變流體(Magneto-rheological fluid,MRF)作為磁流變制動器之介質,藉由外加磁場改變其黏滯力,以增加工作表面積之剪力達到快速提升整體煞車力,並探討因其黏度導致的溫度變化。
  本文首先釐清最佳制動力的條件與最佳制動力僅為特定車軸幾何尺寸和重量的函數。經由理論求解出最佳制動力正比於磁石長度的四次方,並推導動量方程式之解析解來驗證模擬之可靠性,配合田口方法搭配ANSYS Fluent做模擬分析,找出提升制動力矩及降低工作流體溫度之最佳因子組合。
  多次實驗中,煞車未作動之條件下流體最小升溫的最佳因子組合為A2B3C3D3,測得模擬穩態溫度約為315K。
  在多次實驗中最大制動力矩之最佳因子組合為A1B3C1D1,測得模擬制動力矩約為269 N-m。
  在所有實驗中以間隙大小與磁石長度對整體的影響力最具貢獻。模擬也針對最終最佳組合進行煞車時的溫升變化及釋放煞車後的溫降變化,得出在溫升限制之上限情況下,每一煞車循環之最大週期為21.4秒,而在週期中第3.6秒為最高溫之上限。




In order to raise the brake forces, this research takes Magneto- rheological fluid (MRF) as the media of magneto-rheological brake. The varying of its viscosity by adding magnetic field will make shear force raise by working area adding, which will make brake forces raise faster, and investigate the varying of temperature by its viscosity.

In the beginning, the optimal condition of braking force is just particular vehicles function of geometry size and weight. By theory, the optimal of braking force and magnet length to the fourth power are directly proportional, and deriving an exact solution from momentum equations verifies the reliability of the simulation. By using Taguchi method and ANSYS Fluent to simulate and analyze, the optimal factors of the raising of the braking torque, and the reducing of the temperature of the working fluid (MRF).

Considering the cases of the brake without undoing, we obtained a minimum fluid temperature rising, and this optimal factors combination was A2B3C3D3, and it was shown that the minimum temperature under steady state was 315 K.

For the cases of maximum torque, the obtained result was A1B3C1D1, and it was shown that the maximum torque was 269 N-m.

For all cases of experiments, it was found that the most influential contributions among the all factors were gap and magnet length. The simulation of the temperature from braking to release braking by using the final optimal factors combination got a maximum period, which is a cycle by each brake is 21.4 seconds with temperature raising, which is at the top of temperature limit, and at three-point-sixth second in the period has upper limit of temperature.




摘要 ............ I
ABSTRACT ............ II
誌謝 ............ III
目錄 ............ IV
圖目錄 ............ VIII
表目錄 ............ XI
符號說明 ............ XIII
第一章 緒論 ............ 1
  1.1 研究動機 ............ 1
  1.2 文獻回顧 ............ 2
第二章 制動器介紹與煞車基本原理 ............ 4
  2.1 制動器介紹 ............ 4
  2.2 煞車基本原理與運動分析 ............ 5
    2.2.1 車輛靜態負載 ............ 5
    2.2.2 車輛動態負載 ............ 6
    2.3.3 最佳制動力 ............ 8
第三章 磁流變液簡介與磁流變制動
    器設計原理及理論推導 ............ 12
  3.1 磁流變液簡介 ............ 12
    3.1.1 磁流變液體的組成 ............ 13
    3.1.2 磁流變液體的性質 ............ 14
    3.1.3 賓漢流體 ............ 18
  3.2 制動器設計原理 ............ 20
    3.2.1 黏度對壁面所產生的力矩 ............ 21
  3.3 統御方程與理論推導 ............ 25
    3.3.1 連續方程式 ............ 25
    3.3.1動量方程式 ............ 26
第四章 數值模擬與田口方法 ............ 30
  4.1 使用軟體介紹 ............ 30
    4.1.1 PTC Creo ............ 30
    4.1.2 ANSYS Fluent ............ 30
  4.2 模擬分析流程 ............ 33
  4.3 數值模擬 ............ 34
    4.3.1 模型簡介 ............ 34
    4.3.2 網格建立 ............ 36
      4.3.2.1 網格獨立性分析 ............ 37
    4.3.3 收斂條件 ............ 38
    4.3.4 統御方程式 ............ 39
  4.4 田口法 ............ 41
  4.4.1 田口方法之實驗計畫流程 ............ 42
  4.4.2 因子的種類 ............ 44
  4.4.3 雜訊訊號比 ............ 45
  4.4.4 田口兩階段最佳化 ............ 46
  4.4.5 田口式直交表 ............ 47
    4.4.5.1 直交表之原理 ............ 48
  4.4.6 變異分析 ............ 50
    4.4.6.1 田口實驗流程 ............ 54
    4.4.6.2 控制因子 ............ 56
    4.4.6.3 雜訊因子 ............ 58
    4.4.6.4 最佳化參數 ............ 59
第五章 分析結果與討論 ............ 60
  5.1 各控制因子對提升制動力矩效益比較........... 60
    5.1.1 實驗紀錄表 ............ 60
    5.1.2 S/N比反應表及反應圖 ............ 61
    5.1.3品質特性變異數分析 ............ 62
    5.1.4原設計與最佳因子組合之制動
     力矩比較 ............ 62
    5.1.5 確認實驗 ............ 63
  5.2 各控制因子對降低行車間未加磁場時
   的工作流體溫度效益比較 ............ 64
    5.2.1 實驗紀錄表 ............ 64
    5.2.2 S/N比反應表及反應圖 ............ 65
    5.2.3品質特性變異數分析 ............ 66
    5.2.4原設計與最佳因子組合之穩態
     溫度比較 ............ 66
    5.2.5 確認實驗 ............ 67
  5.3 制動力矩與行駛之穩態溫度數據統整........... 67
  5.4 暫態分析 ............ 72
    5.4.1 流體溫升分析 ............ 72
    5.4.2 流體降溫分析 ............ 74
第六章 結論與未來展望 ............ 75
  6.1 結論 ............ 75
  6.2 未來展望 ............ 76
參考文獻 ............ 77
附圖 ............ 79
附件 ............ 85
圖目錄
圖2.1車軸靜態負載受力圖 ............ 5
圖2.2車輛減速時受力圖 ............ 7
圖2.3空載及滿載之車軸動態負載 ............ 8
圖2.4動態制動力曲線圖 ............ 11
圖3.1磁流變流體構造示意圖 ............ 13
圖3.2磁性粒子在無磁場下之排列 ............ 15
圖3.3磁性粒子在加磁場下的排列方式應用 ............ 15
圖3.4不同流體的剪應力與剪應變之關係 ............ 17
圖3.5不同磁場大小時,應力與應變之關係 ............ 17
圖3.6磁性粒子受不同磁力作用下之結晶圖 ............ 20
圖3.7流體受力圖 ............ 21
圖3.8(a)制動器示意圖 ............ 22
圖3.8(b)制動器幾何尺寸 ............ 22
圖3.9座標系 ............ 25
圖3.10壓力理論值與模擬值比較 ............ 29
圖4.1模擬分析流程 ............ 33
圖4.2 ANSYS Design Modeler後製模型 ............ 35
圖4.3 ANSYS Meshing內四種網格圖示 ............ 36
圖4.4壓力與疊代次數之收斂曲線 ............ 38
圖4.5溫度與疊代次數之收斂曲線 ............ 39
圖4.6田口實驗流程 ............ 43
圖4.7田口參數圖 ............ 44
圖4.8兩階段設計最佳化 ............ 47
圖5.1 制動力矩望大特性S/N比反應圖 ............ 61
圖5.2 工作流體溫度望小特性S/N比反應圖 ............ 65
圖5.3 流體間隙為0.9mm的穩態溫度分布 ............ 70
圖5.4流體間隙為1.35mm的穩態溫度分布 ............ 70
圖5.5流體間隙為3.9mm的穩態溫度分布 ............ 70
圖5.6 制動力矩望大特性因子貢獻率圖 ............ 71
圖5.7 穩態溫度望小特性因子貢獻率圖 ............ 71
圖5.8 等速情況下煞車60秒內的溫度隨時間變化示意圖.... 73
圖5.9 等速情況下煞車3.6秒內的溫度隨時間變化示意圖... 73
圖5.10 流體溫升溫降示意圖 ............ 74
附圖(一) 等速下煞車第0秒時之溫度分布 ............ 79
附圖(二) 等速下煞車第1秒時之溫度分布 ............ 79
附圖(三) 等速下煞車第2秒時之溫度分布 ............ 79
附圖(四) 等速下煞車第3秒時之溫度分布 ............ 80
附圖(五) 等速下煞車第4秒時之溫度分布 ............ 80
附圖(六) 等速下煞車第5秒時之溫度分布 ............ 80
附圖(七) 等速下煞車第6秒時之溫度分布 ............ 81
附圖(八) 等速下煞車第7秒時之溫度分布 ............ 81
附圖(九) 等速下煞車第8秒時之溫度分布 ............ 81
附圖(十) 等速下煞車第9秒時之溫度分布 ............ 82
附圖(十一) 等速下煞車第10秒時之溫度分布............ 82
附圖(十二) 等速下煞車第15秒時之溫度分布............ 82
附圖(十三) 等速下煞車第20秒時之溫度分布............ 83
附圖(十四) 等速下煞車第30秒時之溫度分布............ 83
附圖(十五) 等速下煞車第40秒時之溫度分布............ 83
附圖(十六) 等速下煞車第50秒時之溫度分布............ 84
附圖(十七) 等速下煞車第60秒時之溫度分布............ 84
表目錄
表4.1磁流變煞車器之CAD模型 ............ 34
表4.2磁流變煞車器之規格表 ............ 35
表4.3網格獨立性 ............ 37
表4.4 OA(8,4,2,3) 直交表 ............ 49
表4.5 L_9 (3^4)直交表 ............ 49
表4.6可控因子水準表 ............ 54
表4.7雜訊因子水準表 ............ 55
表4.8控制因子及不可控因子之配置表 ............ 55
表4.9流體空間之間隙大小 ............ 56
表4.10不同尺寸之磁石長度大小 ............ 57
表4.11材料性質表 ............ 58
表5.1 制動力矩實驗數據表 ............ 60
表5.2制動力矩望大特性S/N比反應表 ............ 61
表5.3 制動力矩望大特性最佳因子組合 ............ 61
表5.4 制動力矩望大特性變異數分析表 ............ 62
表5.5 制動力矩望大特性因子貢獻度表 ............ 62
表5.6 制動力矩望大特性S/N比變異數分析 ............ 63
表5.7 制動力矩望大特性確認實驗 ............ 63
表5.8工作流體最大溫度實驗數據表 ............ 64
表5.9工作流體溫度望小特性S/N比反應表 ............ 65
表5.10 工作流體溫度望小特性最佳因子組合............ 65
表5.11 工作流體溫度望小特性變異數分析表............ 66
表5.12 工作流體溫度望小特性因子貢獻度表............ 66
表5.13 工作流體溫度望小特性確認實驗 ............ 67
表5.14 原始設計與最佳因子設計組合差異表............ 68
表 5.15 力矩與溫度下之S/N比最佳因子組合........... 68
表5.16 結構材料性質表 ............ 69





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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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