Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

TÓM TẮT Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến MRB, hình dạng của vỏ phanh ảnh hưởng rất ñáng kể ñến ñặc tính hoạt ñộng của phanh.. Trong nghiên cứu này, sau phần giới thiệu về lưu chất t

-

PHÒNG CÚN PẨU

THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ðẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU

CỦA VỎ PHANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – ðiện Tử

Mã số ngành: 60520114

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

-

PHÒNG CÚN PẨU

THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN XÉT ðẾN CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU

CỦA VỎ PHANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Cơ – ðiện Tử

Mã số ngành: 60520114

TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường ðại học Kỹ thuật Công nghệ

4 TS Nguyễn Duy Anh

5 TS Nguyễn Thanh Phương

Xác nhận của Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá Luận sau khi Luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV

PHÒNG QLKH – ðTSðH

TP.HCM, Ngày Tháng Năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 28/09/1988 Nơi sinh: ðồng Nai

I- Tên ñề tài:

Thiết kế tối ưu phanh lưu chất từ biến xét ñến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu về phanh lưu chất từ biến

- Xây dựng và giải bài toán tối ưu xét ñến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

- Tổng hợp kết quả tối ưu và thực nghiệm kiểm chứng

III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013

V- Cán bộ hướng dẫn: GVC, TS Nguyễn Quốc Hưng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn Quốc Hưng, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện Luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Phòng Cún Pẩu

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường ðại Học Công Nghệ TP.HCM ñã tận tình chỉ dạy, truyền ñạt, giúp tôi trang bị những kiến thức vô cùng quý báu ñể tôi có thể hoàn thành khóa học

Tôi xin gửi ñếnTS Nguyễn Quốc Hưng lòng tri ân sâu sắc nhất; khoảng thời gian làm luận văn tuy không nhiều nhưng những kiến thức quý báu của thầy ñã giúp em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn ñến các anh chị lớp 12SCD11 ñã cùng tôi sát cánh trong suốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không dài nhưng cũng ñể lại nhiều kỉ niệm không thể phai mờ

TÓM TẮT

Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến (MRB), hình dạng của vỏ phanh ảnh hưởng rất ñáng kể ñến ñặc tính hoạt ñộng của phanh Trong nghiên cứu này, các hình dạng khác nhau của vỏ phanh như hình chữ nhật, hình ña giác, spline sẽ ñược xét ñến và tìm

ra hình dạng thích hợp nhất Trong nghiên cứu này, sau phần giới thiệu về lưu chất từ biến và ứng dụng, các MRB với hình dạng khác nhau của vỏ phanh ñược giới thiệu và momen phanh ñược xác tính toán dựa trên thuộc tính Bingham của lưu chất từ biến Từ

ñó bài toán thiết kế tối ưu MRB với các hình dạng khác nhau của vỏ phanh sẽ ñược thực hiện Bài toán tối ưu nhằm tìm ra giá trị kích thước tối ưu của phanh sao cho phanh có thể tạo ra lực phanh theo yêu cầu trong khi khối lượng phanh là nhỏ nhất Công cụ tối ưu kết hợp với phương pháp phân tử hữu hạn ñược sử dụng ñể tìm ra kết quả tối ưu của MRB Từ kết quả ñạt ñược, hình dạng thích hợp nhất của vỏ phanh sẽ ñược xác ñịnh dựa trên khối lượng giảm ñi của phanh

ABSTRACT

In design of magneto-rheological brake (MRB), it is well-known that the shape of the brake envelope significantly affects to performance characteristics of the brake In this study, different shapes of MR brake envelop such as rectangular, polygon, spline shape of the envelope are considered and from which the most suitable shape is identified The MRBs with different shapes of the envelope are introduced followed by the derivation of the braking torque based on Bingham-plastic behavior of the magneto-rheological fluid (MRF) Optimal design of the MRB with different shapes of the envelope is then performed The optimization problem is to find optimal value of significant geometric dimensions of the MRBs that can produce a certain required braking torque while their mass is minimized A finite element analysis integrated with

an optimization tool is employed to obtain optimal solutions of the MRBs From the results, the most suitable shape of the brake envelope is identified and discussed with the reduction of mass

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình ảnh ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 ðặt vấn ñề 1

1.2 Tính cấp thiết của ñề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài 1

1.4 Nội dung nghiên cứu của ñề tài 1

1.5 Phương pháp nghiên cứu của ñề tài 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT TỪ BIẾN 4

2.1 Lịch sử nghiên cứu 4

2.2 Nguyên lý hoạt ñộng 5

2.3 Ứng dụng 6

2.3.1 Phanh ly hợp 6

2.3.2 Giảm chấn 8

2.3.3 Khối gá ñộng cơ 9

2.3.4 Haptics 11

2.3.5 Valve 12

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯU CHẤT TỪ BIẾN 14

3.1 Giới thiệu chung 14

3.2 Mô hình Bingham 14

3.3 Mô hình Herchel-Berkerly 15

CHƯƠNG 4: PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN 16

4.1 Các dạng vỏ phanh 16

4.2 Mô hình toán của phanh lưu chất từ biến 20

4.3 Các phương pháp giải bài toàn từ trường của phanh 24

4.3.1 Phương pháp giải tích 24

4.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 26

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TỐI ƯU PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA VỎ PHANH 31

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49

6.1 Mô hình thực nghiệm 49

6.2 Kết quả thí nghiệm 53

6.3 Nhận xét và ñánh giá kết quả 53

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5 1 ðặc tính từ các bộ phận của phanh 35 Bảng 5 2Tính chất lưu biến của lưu chất từ biến 36

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Liên kết giữa các hạt thay ñổi theo từ trường 6

Hình 2.2 Cấu tạo cơ bản của MRB 8

Hình 2.3 Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến 9

Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu gá ñộng cơ 11

Hình 2.5 Găng tay MR 12

Hình 2.6 Cấu tạo van MR 13

Hình 3.1 Biểu ñồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham 15

Hình 4.1 Kết cấu MRB dạng ñĩa 16

Hình 4.2 Kết cấu MRB dạng tang trống 17

Hình 4.3 Kết cấu MRB dạng kết hợp 18

Hình 4.4 MRB dạng kết hợp với 2 cuộn dây 19

Hình 4.5 MRB dạng kết hợp có 2 cuộn dây với rotor dạng chữ T 19

Hình 4.6 phần tử MRF trong khe lưu chất 20

Hình 4.7 ðường cong B-H của thép silic và MRF 26

Hình 4.8 Lưu ñồ thiết kế tối ưu thiết bị MRF sử dụng FEM 28

Hình 5.1 MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật 31

Hình 5.1MRB biên dạng vỏ ña giác 5 cạnh 32

Hình 5.3 MRB biên dạng vỏ ña giác 7 cạnh 33

Hình 5.4 MRB biên dạng vỏ spline 34

Hình 5.5 Mô hình FEM ñể giải bài toán từ trường của MRB 37

Hình 5.6 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình chữ nhật 39

Hình 5.7 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình ña giác 5 cạnh 41

Hình 5.8 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ hình ña giác 7 cạnh 43

Hình 5.9 Kết quả tối ưu của MRB biên dạng vỏ Spline 45

Hình 5.10 Tương quan giữa khối lượng và momen phanh sử dụng chất lưu MRF-132-DG 46

Hình 5.11 Tương quan giữa khối lượng và momen phanh sử dụng

chất lưu MRF-140-DG 47

Hình 6.1 Bản vẽ Phanh biên dạng vỏ Spline 49

Hình 6.2 Bản vẽ MRB biên dạng vỏ Spline 50

Hình 6.3 Mô hình thí nghiệm phanh MR tại phòng thí nghiệm SSSLab 51

Hình 6.4 Sơ ñồ nguyên lý mạch nguồn cấp dòng 0 – 2,5A 52

Hình 6.5 Kết quả thực nghiệm ño momen phanh 53

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 ðặt vấn ñề

ðược phát hiện lần ñầu tiên vào những năm 40 của thế kỉ 20, tuy nhiên cho ñến ñầu những năm 1990, MRF mới chính thức ñược ñưa vào nghiên cứu và phát triển Ngày nay, cụm từ “Lưu chất thông minh” (Smart fluid) ñã không còn xa lạ ñối với các nhà khoa học khi nó ngày càng ñược nghiên cứu và ứng dụng nhiều Khi nói ñến lưu chất thông minh, ta thường nhắc ñến lưu chất MR và lưu chất ER; mặc dù cách thức hoạt ñộng của chúng tương tự nhau; tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng tương ñối nhiều hơn như giảm chấn, phanh, khớp nối li hợp[1,2]…

1.2 Tính cấp thiết của ñề tài

Phanh lưu chất từ biến ñã và ñang dần dần ñược nghiên cứu và ứng dụng rộng rải ñặc biệc trong lĩnh vực ô tô Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu trên phanh lưu chất từ biến ñều tập trung vào phanh có biên dạng mặt cắt hình chữ nhật Vậy, câu hỏi ñược ñặt ra là liệu có phải hình dáng hiện tại của vỏ phanh là tối ưu nhất hay không?

ðể trả lời câu hỏi trên, ñề tài sẽ xét ñến một số biên dạng khác nhau của vỏ phanh như poligon, spline, từ ñó tìm ra thiết kế tối ưu nhất của vỏ phanh mà vẫn ñảm bảo tính năng hoạt ñộng của phanh

Việc xác ñịnh hình dạng nào của vỏ phanh là tối ưu hơn sẽ ñược dựa trên khối lượng tối ưu của phanh ứng với lực phanh tương ứng

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài

Thiết kế tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến xét ñến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

ðề xuất hình dạng tối ưu cho vỏ phanh

Với mục tiêu ñã ñặt ra, ñề tài sẽ tập trung vào một số nội dung sau:

- Tìm hiểu về phanh lưu chất từ biến

- Xây dựng bài toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến với các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

- Giải bài toán tối ưu dựa trên công cụ tối ưu của phương pháp phần tử hữu hạn

- Tổng hợp kết quả tối ưu

- Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

1.5 Phương pháp nghiên cứu của ñề tài

1.5.1 Phương pháp luận

Thiết kế tối ưu hóa phanh lưu chất từ biến xét ñến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh là nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng vỏ phanh ñến khả năng hãm mô men của phanh lưu chất từ biến

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng ñể ñạt ñược mục tiêu ñã ñề ra:

- Nội dung 1: Tìm hiểu các loại phanh lưu chất từ biến

+ Thu thập các tài liệu nghiên cứu liên quan ñến MRB

+ Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước liên quan ñến MRB

- Nội dung 2: Xây dựng bài toán tối ưu thiết kế phanh lưu chất từ biến với các hình dạng khác nhau của vỏ phanh

+ Dựa trên những tài liệu thu thập ñược, lần lược xây dựng bài toán thiết kế phanh với các hình dạng vỏ phanh khác nhau ñược ñề xuất là hình chữ nhật, hình ña giác và spline

- Nội dung 3: Giải bài toán tối ưu

+ Bài toán ñược giải dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn từ ñó xác ñịnh hình dạng nào sẽ tạo ra mô men hãm tối ưu nhất

- Nội dung 4: Tổng hợp kết quả tối ưu

+ So sánh các kết quả thu ñược dựa trên mô men hãm và khối lượng tối thiểu có thể ñạt ñược của từng kiểu vỏ phanh

- Nội dung 5: Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

+ Kết quả tối ưu ñược kiểm chứng thực nghiệm chế tạo ñối với hình dạng vỏ phanh tối ưu nhất sau ño sẽ kiểm chứng lại momen phanh có ñạt yêu cầu ñề ra hay không + Sơ ñồ thử nghiệm gồm có các bộ phận chính : ñộng cơ ñể tạo ra momen quay, bộ cảm biến ño momen và phanh lưu chất từ biến

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN

2.1 Lịch sử nghiên cứu

2.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới ñã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan ñến lưu chất từ biến

- Kerem Karakoc, Edward J Park *, Afzal Suleman(2008) với bài báo “Design

considerations for an automotive magnetorheological brake”ñã nghiên cứu thiết kế

MRB sử dụng cho ô tô

- Park, E.J., L Falcao da Luz, and A Suleman(2008) với bài báo

“Multidisciplinary Design Optimization of an Automotive Magnetorheological Brake”

cũng tập trung vào MRB sử dụng trong ô tô

- Lai C Y and Liao W H 2002 Vibration control of a suspension system via a

magnetorheological damper Journal of Vibration and Control 8 527-547

- Kim K D and Jeon D Y (1999) với bài báo “Vibration suppression in an MR fluid damper suspension” ñã nghiên cứu ứng dụng lưu chất MR cho hệ thống treo của ô

tô

- Han Y M, Nam M H, Lee H G and Choi S B (2002) với bài báo “Vibration control

evaluation of a commercial vehicle featuring MR seat damper” ñăng trên Journal of

Intelligent Material Systems and Structures 13 (9) 575-579 ñã nghiên cứu ứng dụng

lưu chất MR cho hệ thống giảm rung ñộng của ghế lái

- Ngoài ra có một số nghiên cứu về hệ thống gá ñộng cơ dùng lưu chất MR như + York D, Wang X J and Gordaninejad F A 2011 New Magnetorheological Mount

for Vibration Control, Journal of Vibrations and Acoustics 133 (3)

+ Ahn Y K, Ahmadian M and Morishita S 1999 On the Design and Development

of a Magnetorheological Mount Veh Syst Dyn 32 199–216

2.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Do còn hạn chế về mặt tiếp cận và ứng dụng công nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước còn hạn chế, chỉ có một số ít tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này như là sự khởi ñầu về nghiên cứu MRF trong nước

- Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Ngọc ðiệp, Nguyễn Viễn Quốc, Lăng văn Thắng

ñã có bài viết “Thiết kế tối ưu cơ cấu gá ñộng cơ có lực nhớt lớn dùng lưu chất từ

biến”, ñã nghiên cứu về ứng dụng MRFtrong cơ cấu gá ñộng cơ Bài nghiên cứu “Thiết

kế tối ưu phanh lưu chất từ biến không dùng ống cách từ” ñã tối ưu hóa kích thước của

phanh

Ngoài ra các tác giả trên cũng có nhiều nghiên cứu chung với các tác giả nước ngoài khác liên quan ñến lưu chất từ biến như bài báo: Selection of magnetorheological brake types via optimal design considering maximum torque and constrained volume, Smart Mater Struct 21(1), 2012, pp 015012 do hai tác giả Q H Nguyen and S B Choi ñã ñề cập ñến việc chọn lựa phanh lưu chất từ biến bằng việc tối ưu thiết kế xét ñến mô men cực ñại và thể tích cho trước…

2.2 Nguyên lý hoạt ñộng

Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thông minh, bao gồm Hydrocarbon tổng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hạt từ tính Thêm vào ñó, ñể loại bỏ sự kết tủa của các hạt có khối lượng lớn khi MRF ở trạng thái lỏng, chất hoạt tính bề mặt, hạt nano, hạt nano từ hóa, hoặc những hạt ñược phủ từ tính

sẽ ñược thêm vào Sự kết tủa sẽ làm ảnh hưởng lớn ñến ñặc tính hoạt ñộng của MRF

Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển ñộng tự do và chất lỏng biểu hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi có tác dụng của từ trường ngoài, lưu chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của ñường sức từ và có khả năng chống phá vỡ liên kết ðộ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào ñộ lớn của từ trường ngoài ñưa vào

Hình 2 1 Liên kết giữa các hạt thay ñổi theo từ trường

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến các tính chất lưu biến của MRF như mật ñộ, kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, ñặc tính của dòng chất lỏng mang hạt tải ñiện, chất thêm vào, nhiệt ñộ và từ trường ñặt vào…Sự liên quan của các yếu tố này rất phức tạp

và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp ñể cải thiện tính chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp ðể hoạt ñộng tốt, MRF phải có ñộ nhớt và ñộ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng ñến từ trường bên ngoài và có thể ñạt ñược ứng suất tối ña khi có ñủ từ trường tác ñộng

Thông thường ñể làm tăng ứng suất của MRF, người ta thường tăng các thành phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường ñộ của từ trường bên ngoài Tuy nhiên,

trong tính toán thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRF ảnh

hưởng ñáng kể ñến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó

2.3 Ứng dụng

Hiện nay, MRF ñã và ñang ñược nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới; Trong các ứng dụng, MRF thường ñược ứng dụng dưới ba dạng chính: dòng chảy (flow mode), trượt (shear mode) và nén (squeeze mode)

2.3.1 Phanh, ly hợp

Phanh là một bộ phận cốt yếu trong ô tô, nếu hệ thống phanh ñược sử dụng kịp thời

và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan ñến phanh sẽ ñược giảm thiểu hoàn toàn Khi một lực phanh ñược tạo ra do người lái xe mà lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc ñó bánh

xe sẽ bị hãm chặt hay bó cứng lại Do xe ñang chuyển ñộng với vận tốc cao nên các bánh xe sẽ bị trượt trên ñường, ñiều này làm mất khả năng ñiểu khiển của lái xe, và xe

có thể trượt về phía trước một khoảng cách không xác ñịnh ñược hoặc có thể xảy ra bất

kỳ chuyện gì không biết trước do mất ñiều khiển xe

Hiện nay, hệ thống phanh ABS ñã cải thiện ñược sự cố trên, các má phanh sẽ liên tục hoạt ñộng ñể sinh ra một lực bám cần thiết giúp các bánh xe vẫn chuyển ñộng ñược

mà không bị bó cứng như hệ thống phanh thông thường ñiều này cũng làm cho vỏ xe không bị mài mòn xuống mặt ñường

Hệ thống phanh ABS bao gồm từ 1 ñến 4 thiết bị cảm biến vận tốc ñược gắn trên trụ phanh ở các bánh xe, hệ thống bơm và kiểm soát dầu thủy lực, hệ thống ñiều khiển ñiện tử Các xe hiện nay ñang ñược gắn một trong hai hệ thống phanh phổ biến là loại

1 cảm ứng vận tốc hoặc 4 cảm ứng vận tốc Loại có 4 cảm ứng vận tốc ngoài việc chống bó cứng bánh xe nó còn có nhiệm vụ kiểm soát tốc ñộ bánh xe (không cho bánh

xe trượt trên mặt ñường khi bắt ñầu chuyển ñộng)

Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể ñáp ứng tương

tự như hệ thống ABS Nhờ vào khả năng hoàn toàn ñiều khiển ñược với thời gian ñáp ứng nhanh, khi kết hợp với các loại cảm biến vận tốc… ta hoàn toàn có thể ñiều khiển phanh nhấp nhả như những gì hệ thống ABS có thể làm

Ngoài ra, MRB còn có nhiều ưu ñiểm khác:

- Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng ñiện tối ña 3A thì MRB

ñã có thể ñạt ñược yêu cầu phanh hoàn toàn

- Thiết kế và kết cấu khá ñơn giản

- Không cần hệ thống thủy lực ñồng nghĩa với việc không có ống dẫn thủy lực nên sẽ không chiếm dụng khoảng không nhiều

- Không có ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ không có sự hao mòn do ma sát

- Dễ dàng ñiều khiển, ñặc biệt chỉ cẩn phanh thông qua sợi dây ñiện

- Thời gian ñáp ứng nhanh: 20ms

Bộ ly hợp MR cũng ñược nghiên cứu chế tạo dựa trên những ưu ñiểm trên của MRB

2.3.2 Giảm chấn

Giảm chấn (damper) là một bộ phận không thể thiếu trong ô tô cũng như nhiều máy móc khác, nó có tác dụng bảo vệ bộ phận ñàn hồi cũng như dập tắt dao ñộng Hầu hết các loại giảm chấn thông thường ñều có ñộ cứng không thay ñổi, vì vậy nếu mặt ñộ nhấp nhô của mặt ñường trùng với tần số dao ñộng của thiết bị giảm chấn hoặc ñộ nhấp nhô mặt ñường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm ñi ñáng kể hoặc thậm chí là

vô hiệu

Việc thiết kế bộ giảm chấn có khả năng ñiều chỉnh ñộ cứng trở nên cần thiết vì nó

có thể bù ñắp những khuyết ñiểm của bộ giảm chấn thông thường, với khả năng ñiều

Magnetic Coil Stationary Housing

Magnetic Flux

MRF

Rotary Disk Shaft

Hình 2 2 Cấu tạo cơ bản của MRB [9]

khiển ñược, MRF ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn [3] Nó có khả năng tùy biến ñộ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào ñộ nhấp nhô của mặt ñường làm cho dao ñộng ñược dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm thấy thoải mái nhất

2.3.3 Khối gá ñộng cơ

Cơ cấu gá ñộng cơ (engine mount) là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu thủy…nó dùng ñể gá ñặt ñộng cơ trên khung xe và ñảm bảo cho ñộng cơ và các bộ phận truyền ñộng (ñộng cơ - hộp số - trục cát ñăng) trên xe hoạt ñộng ổn ñịnh Cơ cấu

gá ñộng cơ còn ñược sử dụng ñể giảm những rung ñộng từ ñộng cơ truyền tới khung xe nhờ ñó mà người ngồi trong xe cảm thấy thỏa mái hơn Nhiều kiểu cơ cấu gá ñộng cơ

Floating Piston Gas Chamber

Piston Guide

MR Fluid Flow

Housing Outer Piston Inner Piston

Magnetic Circuit Coil

MR Fluid

Piston

Hình 2 3Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

ñã ñược nghiên cứu và phát triển, trong ñó một số kiểu ñã ñược ñưa vào sản xuất và cung cấp trên thị trường

Việc phân loại gá ñộng cơ có thể dựa vào tác ñộng của nguồn năng lượng bên ngoài, về cơ bản, cơ cấu gá ñộng cơ có thể chia làm ba loại: loại thụ ñộng (passive mount), chủ ñộng (active mount) và bán chủ ñộng (semi-active mount) Loại cơ cấu gá ñộng cơ thụ ñộng thường hay sử dụng là cơ cấu gá bằng vật liệu cao su (rubber mount), loại này ñã ñược sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước, ưu ñiểm của loại này là kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và dễ bảo trì thay thế Cơ cấu gá ñộng cơ bằng cao su

có hệ số giảm chấn thấp, hoạt ñộng hiệu quả ở tần số hoạt ñộng cao nhưng không hoạt ñộng tốt trong những tần số cộng hưởng ðể giải quyết những hạn chế này, môt số cơ cấu gá ñộng cơ bằng thủy lực (hydraulic mount) ñược phát triển và ứng dụng trong một

số dòng xe Gá ñộng cơ thủy lực sử dụng quán tính do dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoang ñàn hồi (làm bằng cao su) ðộ cứng ñộng lực của cơ cấu gá ñộng cơ bằng thủy lực cao nhưng lại không giảm ñược những rung ñộng ngoài dải cộng hưởng như

cơ cấu gá bằng cao su, ñặc biệt là vùng có tần số cao

ðể cải thiện hoạt ñộng, cơ cấu gá ñộng cơ dạng chủ ñộng ñược phát triển và ñã ñược

sử dụng trên thị trường Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác ñộng từ bên ngoài và có thể dùng các thuật toán ñiều khiển ñể hệ thống gá hoạt ñộng tốt hơn trong những trường hợp có những dao ñộng bất thường Hệ thống gá ñộng cơ chủ ñộng có khả năng hoạt ñộng tốt hơn trong một dải tần số rộng, nhưng nó không ñược sử dụng rộng rãi vì

cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá thành cao Những hạn chế trên có thể ñược giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá ñộng cơ bán chủ ñộng Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị ñộng tích hợp với một hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh lực gảm chấn Vì vậy, cơ cấu gá bán chủ ñộng có thể hoạt ñộng như mong muốn mà không cần nguồn năng lượng lớn cũng, kết cấu không quá phức tạp và giá thành vừa phải

Gần ñây ñã có nhiều nghiên cứu về dạng gá ñộng cơ bán chủ ñộng sử dụng MRF Nhờ vào khả năng ñiều khiển ñược, MRF có thể hoàn toàn ñáp ứng ñược yêu cầu trong việc ñiều chỉnh lực giảm chấn trong cơ cấu gá

Hình 2 4 Cấu tạo cơ cấu gá ñộng cơ

2.3.4 Haptics

Haptics là một thuật ngữ có nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác Nó giúp ta có thể cảm nhận như mình ñang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì ñó mặc dù chúng ta ñang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera

Ngày nay Haptics ñang ñược ứng dụng khá rộng rãi nhất là trong lĩnh vực y học, ñiều này giúp cho một bác sĩ có thể thực hiện những ca mổ quan trọng từ xa Mặc dù không có mặt trong phòng mổ nhưng vẫn có thể cảm giác ñược lực cắt, lực cầm…bằng

ứng với lực phản hồi thực tế Từ ñó người ñeo găng tay có thể cảm giác ñược như ñang trực tiếp thao tác

Hình 2.5 Găng tay MR (http://research.vancouver.wsu.edu/dr-hakan-gurocak/mr-glove)

Phụ thuộc vào ñộ lớn của từ trường và cách ñưa từ trường vào ta có thể ñiều chỉnh van theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào

Core

Head Cover Valve Housing Coil

Hình 2 6 Cấu tạo van MR

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯU CHẤT TỪ BIẾN

3.1 Giới thiệu chung

MRF ựóng vai trò quan trọng trong trong quá trình nghiên cứu và phát triển của các thiết bị MR Hơn nữa, mô hình chắnh xác có thể dự ựoán hiệu suất của các thiết bị MR

là một phần quan trọng trong việc chế tạo ra các thiết bị Khi có từ trường tác ựộng MRF thể hiện tắnh chất phi tuyến Một loạt các mô hình phi tuyến ựã ựược sử dụng ựể

mô tả MRF, bao gồm các mô hình nhựa Bingham, mô hình biviscous, mô hình Herschel-Bulkley và mô hình nhựa Erying Mặc dù ựã có một số mô hình ựã ựược phát triển và áp dụng cho MRF, hai mô hình phổ biến nhất ựã ựược sử dụng rộng rãi với ựộ chắnh xác và chi phắ tắnh toán hợp lý là mô hình nhựa Bingham và mô hình nhựa Herschel-Bulkley Vì vậy, hai mô hình này ựược sử dụng rộng rãi trong mô hình toán của MRF

3.2 Mô hình Bingham

Mô hình nhựa Bingham gồm phần tử nhựa cứng liên kết song song với các phần tử chất nhớt Newton Loại này thì ứng suất cắt tỉ lệ thuận với tốc ựộ cắt và ựược biểu thị như sau [6,7]:

(1): Ứng suất cắt trong chất lỏng

: Ứng suất chảy

: độ nhớt của chất dẻo khi không có từ trường (ựộ nhớt sau chảy dẽo)

Sgn: là hàm dấu đó là chất lỏng ở trạng thái ựứng im, ảnh hưởng bởi ựộ nhớt ựàn hồi cho ựến khi tốc ựộ cắt lớn hơn giá trị tới hạn trong khi nó di chuyển như một chất lỏng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn Mô hình nhựa Bingham ựược thể hiện trong hình 3 thể hiện những tắnh chất MRF phụ thuộc vào ứng suất

Hình 3 1 Biểuñồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham

Sự ñơn giản của mô hình hai tham số này ñã dẫn ñến việc sử dụng rộng rãi trong việc ñiều khiển chất lưu, ñặc biệt là ERF và MRF

3.3 Mô hình Herchel- Bulkley

Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ bị trượt dày hay trượt mỏng, ñặc biệc là khi MRF chịu tốc ñộc cắt cao, cấu tạo này sẽ cho kết quả tốt hơn Trong trường hợp này nhựa Herschel-Bulkley là phù hợp và ñược biểu thị như sau [8]:

(2)K: là thông số ñộ ñặc

1/

( ( )sgn( )y H K m) sgn( )

τ τ= γ& + γ& γ&

CHƯƠNG 4: PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN

4.1 Các dạng phanh

Trên thực tế, ñã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan ñến hình dạng MRB nhằm mục ñích tối ưu hóa hoạt ñộng của phanh, trong ñó tập trung chủ yếu trong việc tối tưu hình dạng ñĩa quay

- Phanh dạng ñĩa [9,10]là loại phanh thông dụng nhất và cũng là dạng thiết kế ñầu tiên của MRB ðây là loại phanh chuẩn ñược tung ra thị trường

+ Ưu ñiểm của loại phanh này là dễ chế tạo và ñạt ñược nhiều kết quả tối ưu về trọng lượng cũng như kích thước

- + Tuy nhiên, ứng dụng này lại không thích hợp trong trường hợp vị trí lắp ñặt của MRB có dạng hình trụ dài và nhỏ

- Phanh dạng tang trống [11,12]: Dạng phanh này có thể khắc phục ñược nhược ñiểm của loại phanh trên vì lực phanh ñược tạo ra trên bề mặt trụ của tang trống tuy nhiên nó tạo ra momen quán tính khá lớn ðể khắc phục nhược ñiểm ñó, dạng tang trống ngược ñã ñược thiết kế và giảm ñáng kể momen quán tính

-Hình 4 2 Kết cấu MRB dạng tang trống

- Phanh dạng kết hợp [13]: Loại phanh này kết hợp ñược ưu ñiểm của cả hai loại phanh trên, ñồng thời khắc phục ñược nhược ñiểm chúng, ñây là sự kết hợp giữa: phanh dạng ñĩa và phanh dạng tang trống, phanh dạng ñĩa và phanh dạng tang trống ngược Thực tế nghiên cứu cho thấy, phanh dạng kết hợp mang lại hiệu quả tối ưu hơn so với các dạng khác

(b) MRB dạng tang trống ngược (a) MRB dạng tang trống

Hình 4 3 Kết cấu MRB dạng kết hợp Nhằm tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất của phanh, một số dạng phanh khác dựa trên cơ

sở phanh dạng kết hợp cũng ñược nghiên cứu ñến: Phanh dạng kết hợp với hai cuộn dây và phanh dạng kết hợp với phần rotor dạng hình chữ T

Hình 4 4 MRB dạng kết hợp với 2 cuộn dây

-Hình 4 5 MRB dạng kết hợp có 2 cuộn dây với rotor dạng chữ T

4.2 Mô hình toán của phanh lưu chất từ biến

Trong thiết kế MRB, việc tính toán momen hãm của phanh là cực kì quan trọng vì

nó quyết ñịnh tính hiệu quả của phanh và thông thường giá trị ñó phải lớn hơn giá trị quy ñịnh cho trước

Momen phanh của MRB dạng ñĩa bao gồm các lực: lực ma sát giữa lưu chất với các mặt tiếp xúc của ñĩa và lực ma sát giữa lưu chất với mặt trụ viền ngoài của ñĩa

ðối với lực ma sát giữa lưu chất với các mặt tiếp xúc của ñĩa quay; xét một phần tử vòng tròn nhỏ của MRF trong khe lưu chất giữa phần ñĩa và phần vỏ phanh như trên hình 4.14 Lực ma sát tức thời tác dụng lên phần tử này ñược tính theo công thức [14]

(3)

Trong ñó:

r là bán kính của ñĩa quay

là ứng suất tác dụng lên ñĩa

là ứng suất tác dụng lên vỏ phanh

τzθ

Hình 4 6 phần tử MRF trong khe lưu chất

Momen tạo ra từ MRF trong khe lưu chất tác dụng lên một mặt của ñĩa khi ñó ñược tính theo công thức:

(4)

ðối với phanh dạng ñĩa, kích thước khe (d) là rất nhỏ so với bán kính của ñĩa và

ứng suất cũng rất nhỏ so với ứng suất Vì vậy, phương trình (5) có thể viết lại như sau:

(5)

ðể ñơn giản hóa việc phân tích momen của MRB dạng ñĩa, các giả thiết sau ñược

sử dụng: 1) Dòng lưu chất không bị nén và chuyển ñộng ổn ñịnh theo lớp 2) Bỏ qua tác dụng của trong lực và lực ly tâm ñối với các phần tử lưu chất chuyển ñộng 3) Không có vận tốc hướng tâm và hướng kính 4) Chất lưu ñược xem như tiếp xúc hoàn toàn với ñĩa và không bị trượt 5) Vì khe lưu chất là rất nhỏ, nên dòng lưu chất ñược xem như cấp ñầy hoàn toàn Và hệ số θz ñược bỏ qua

Sử dụng các giả thiết trên, tốc ñộ trượt của lưu chất trong khe có thể ñược tính như sau:

Trong ñó Ω vận tốc góc của ñĩa

Mô hình Herschel-Bulkley của MRF theo hướng θz ñược biểu diễn toán học bởi

phương trình

(7) Trong ñó ứng suất trượt tác dụng lên chất lưu, là ứng suất chảy dẻo của MRF,

số mũ n là chỉ số trạng thái của lưu chất and K là ñộ sệt của lưu chất , K, n là thuộc

r d