Hibrit yapılı bir manyetoreolojik frenin sayısal yöntemlerle tasarımı ve deneysel incelenmesi
Numerical design and experimental evaluation of a hybrid magnetorheological brake
Yazar: KASIM ENES KALIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YİĞİT TAŞCIOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
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

Abstract:
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.