Thiết kế phanh dùng Dầu Từ Trường

Phản ứng với sự thay đổi môi trường sẽ liên quan đến sự biến đổi của một hoặcnhiều tính chất của vật liệu như kích thước, hình dạng, cấu trúc, màu sắc, sự từ hoá, tínhdẫn điện, … vv Hiện

Nguyễn Tấn Ninh Đào Đinh Sữu Nguyễn Nhật Tứ

3 Kế hoạch thực hiện.

Số lần

thông

đồ án Nội dung công việc Thời gian bắt đầu Thời gian kết thúc

1 Gặp gỡ giáo viên hướng dẫn và

6 Vận hành và kiểm tra kết quả 15/05/2018 02/06/2018

7 Nộp bài thuyết minh, bản vẻ 03/06/2018 14/06/2108

LỜI CẢM ƠN

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này cũng là lúc chúng em gần kết thúc thời gianhọc tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Đà Nẵng Khoảng thời gian học tập vànghiên cứu tại Trường đã giúp cho chúng em hiểu và yêu quý nơi đây nhiều hơn Nhàtrường và Thầy Cô không những truyền đạt những kiến thức chuyên môn mà còn giáodục cho chúng em về lý tưởng, đạo đức trong cuộc sống Đây là những hành trang khôngthể thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp sau này Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắcđến tất cả các Quý Thầy Cô đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt chúng em đến ngày hôm nay để

có thể vững bước trên con đường học tập và làm việc sau này

Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành những năm tháng miệt mài học tập

Và đồ án này cũng đánh dấu sự trưởng thành trên con đường học tập Với điều kiện thờigian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránhđược những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của cácThầy Cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình, phục vụ tốthơn công tác thực tế sau này

Cuối cùng, nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng Thắng và cácThầy Cô trong khoa Cơ khí đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và định hướngđúng đắn của các Thầy đã giúp nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án

Các thiết bị hỗ trợ lực, phục hồi chức năng cho cơ thể người ngày càng được quantâm và phát triển Hiện nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về các thiết bị phục hồi chứcnăng được công bố Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu chế tạo phanh từtrường để kết hợp hỗ trợ cho khớp gối với mục tiêu không làm cản trở các chuyển động

tự nhiên của cơ thể Giúp họ dễ dàng hơn trong các thao tác khi di chuyển mà không cầntới sự giúp đỡ của người khác

1.2 ĐỘNG LỰC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong xu hướng xã hội hiện nay, ngày càng có nhiều kiến thức và kinh nghiệm vềchăm sóc sức khỏe được tìm hiểu sâu trong tâm trí con người, việc con người quan tâmkhông chỉ là một cuộc sống lâu dài mà còn là một cuộc sống khỏe mạnh Trong nhữngnăm gần đây, số lượng đột quỵ hoặc chấn thương não và tủy sống đã tăng lên dần dần, sốlượng bệnh nhân bị bất tiện trong chuyển động chân cũng dần dần tăng lên Tất cả đềuphụ thuộc vào công nghệ

Những người bị bất tiện về di chuyển thường gặp phải dáng đi bất thường khi đi bộ

do cơ yếu, chẳng hạn như đi chậm hoặc thường xuyên ngã Đối với những bệnh nhân cần

hỗ trợ đi lại, sự phát triển của một hỗ trợ đi bộ đầu gối thực tế cho phép bệnh nhân để cóđược phục hồi chức năng hiệu quả và lấy lại hành động, đó là động lực và mục tiêu củanghiên cứu này

1.3 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU THÔNG MINH

Theo định nghĩa, các vật liệu thông minh là những chất có thể nhận biết các kíchthích bên ngoài và có khả năng thích nghi với thay đổi các điều kiện bên ngoài Kháiniệm một vật liệu thông minh được lấy cảm hứng ban đầu từ các quan sát của các hệthống tự nhiên có thể cảm nhận được những thay đổi và thích ứng cho phù hợp Takagi(1996) đã xác định các vật liệu thông minh là những vật có khả năng ứng phó với nhữngthay đổi về môi trường và thể hiện chức năng của chúng theo một cách kết hợp Trongmột cách rộng rãi hơn, các vật liệu thông minh là những tính năng kết hợp các chức năngcủa cảm biến, phân tích, ra quyết định và hoạt động khi kết hợp với các thuộc tính có thểkiểm soát của vật liệu Các kích thích bên ngoài được cảm nhận có thể dẫn đến việc thayđổi điều kiện môi trường của một vật liệu, ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, từtrường Phản ứng với sự thay đổi môi trường sẽ liên quan đến sự biến đổi của một hoặcnhiều tính chất của vật liệu như kích thước, hình dạng, cấu trúc, màu sắc, sự từ hoá, tínhdẫn điện, … vv

Hiện nay, các vật liệu thông minh được sử dụng dưới dạng một thành phần tạo nênmột phần của hệ thống thông minh - chúng được thiết kế đặc biệt để phản ứng với kíchthích bên ngoài theo các quy định Các hệ thống thông minh sử dụng các đặc tính riêngbiệt của vật liệu thông minh và sử dụng chúng theo cách mà các chức năng cảm nhận vàphản ứng có thể thông qua phản hồi giữa đầu vào và đầu ra hoặc được liên kết với cácmodule xử lý thông tin và ra quyết định Điều này đã tạo cơ sở cho adaptronics, một thuậtngữ toàn diện mới cho một loạt các công nghệ được biết đến như là các vật liệu thôngminh, cấu trúc thông minh, các hệ thống thích nghi, vv

Thuật ngữ adaptronics chỉ định một hệ thống, trong đó tất cả các yếu tố chức năngcủa một mạch điều chỉnh thông thường đã tồn tại và ít nhất một phần tử được áp dụngtheo cách đa chức năng như thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Hệ thống vật liệu thông minh

Nguồn gốc của adaptronics có thể tìm thấy trong các ngành khoa học vật liệu, tựđộng hóa và kiểm soát cũng như khoa học máy tính

Được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 40 của thế kỉ 20, tuy nhiên cho đến đầunhững năm 1990, MRF mới chính thức được đưa vào nghiên cứu và phát triển Ngày nay,cụm từ “Lưu chất thông minh” (Smart fluid) đã không còn xa lạ đối với các nhà khoa họckhi nó ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng nhiều Khi nói đến lưu chất thông minh,

ta thường nhắc đến lưu chất MR và lưu chất ER, mặc dù cách thức hoạt động của chúngtương tự nhau, tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấudựa trên MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng tương đối nhiều hơn như giảm chấn,phanh, khớp nối li hợp vv

1.4 CHẤT LỎNG MR VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

Chất lỏng MR là các loại dầu được chứa đầy các hạt sắt Thông thường các chấthoạt động bề mặt bao quanh các hạt để bảo vệ chúng và giúp giữ chúng trong chất lỏng,các hạt sắt chứa từ 20 đến 40 phần trăm thể tích chất lỏng Các hạt nhỏ, đo được từ 3 đến

10 micron Tuy nhiên, chúng có tác động mạnh mẽ đến tính nhất quán của chất lỏng Khitiếp xúc với từ trường, các hạt sắp xếp, làm cứng chất lỏng lên rất nhiều Thuật ngữ

"magnetorheological" xuất phát từ hiệu ứng này

Quá trình làm cứng mất khoảng hai mươi phần nghìn giây Hiệu quả có thể thay đổiđáng kể tùy thuộc vào thành phần của chất lỏng, kích thước, hình dạng và lực của từtrường Ví dụ, các nhà nghiên cứu của MIT bắt đầu với các hạt sắt hình cầu chúng có thểtrượt qua nhau, ngay cả khi có từ trường Điều này giới hạn độ cứng của chúng, vì vậycác nhà khoa học đang nghiên cứu các hình dạng hạt khác có thể hiệu quả hơn Với sựkết hợp đúng mật độ, hình dạng hạt và cường độ từ trường, chất lỏng MR có thể thay đổi

từ chất lỏng sang chất rắn Giống như chất lỏng dày đặc Khi chuyển đổi, điện từ sẽ bắtđầu di chuyển qua các mạch, tạo ra một từ trường trong quá trình này, chúng sẽ làm chodầu cứng lại ngay lập tức Lật ngược trở lại vị trí tắt sẽ làm ngừng lại, và chất lỏng trởnên linh hoạt như ban đầu.

(a) Khi không có (b) Sau khi thêm từ

từ trường trường Hình 1.2 Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường

Hình 1.3 Hình ảnh từ thực tế

Hiện nay MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thếgiới, trong các ứng dụng, MRF thường được ứng dụng dưới ba dạng chính: Dòng chảy(flow mode), trượt (shear mode) và nén (spueeze mode).

Hình 1.4 Các chế độ hoạt động của MRF

Chương 2 ỨNG DỤNG CỦA LƯU CHẤT TỪ BIẾN

2.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG LƯU CHẤT THÔNG MINH

2.1.1 Phanh, li hợp

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

và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan đến phanh sẽ được giảm thiểu hoàn toàn Khi mộtlực phanh được tạo ra do người lái xe mà lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc đó bánh xe sẽ bịhãm chặt hay bó cứng lại Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nên các bánh xe sẽ bịtrượt trên đường, điều này làm mất khả năng điều khiển của lái xe, và xe có thể trượt vềphía trước một khoảng cách không xác định hoặc có thể xảy ra bất kỳ chuyện gì khôngbiết trước do mất điều khiển xe

Hiện nay, hệ thống phanh ABS đã cải thiện được sự cố trên, các má phanh sẽ liêntục hoạt động để sinh ra một một lực bám cần thiết giúp các bánh xe vẫn chuyển độngđược mà không bị bó cứng như hệ thống phanh thông thường điều này cũng làm cho vò

xe không bị mài mòn xuống mặt đường

Hệ thống phanh ABS bao gồm từ 1 đến 4 thiết bị cảm biến vận tốc được gắn trên trụphanh ở các bánh xe, hệ thống bơm và kiểm soát dầu thủy lực, hệ thống điều khiển điện

tử Các xe hiện nay đang được gắn một trong hai hệ thống phanh phổ biến là loại 1 cảmứng vận tốc hoặc 4 cảm ứng vận tốc Loại có 4 cảm ứng vận tốc ngoài việc chống bócứng bánh xe nó còn nhiệm vụ kiểm soát tốc độ bánh xe (không cho bánh xe trượt trênmặt đường khi bắt đầu chuyển động)

Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể đáp ứng tương tựnhư hệ thống ABS Nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiển được với thời gian đáp ứngnhanh, khi kết hợp với các loại cảm biến vận tốc ta hoàn toàn có thể điều khiển phanhnhấp nhả như những gì hệ thống ABS có thể làm

Ngoài ra, MRB còn có nhiều ưu điểm khác:

• Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng điện tối đa 3A thì MRB đã cóthể đạt được yêu cầu phanh hoàn toàn

• Thiết kế và kết cấu khá đơn giản

• Không cần hệ thống thủy lực đồng 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

• Thời gian đáp ứng nhanh : 20 ms

• Bộ ly hợp MR cũng được nghiên cứu chế tạo dựa trên những ưu điểm trên củaMRB

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của MRB

2.1.2 Giảm chấn

Giảm chấn (damper) là một bộ phận không thể thiếu trong ô tô cũng như nhiều máymóc khác nó có tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng như dập tắt dao dộng Hầu hết cácloại giảm chấn thông thường đều có độ cứng không thay đổi, vì vậy nếu mật độ nhấp nhôcủa mặt đường trùng với tần số dao dộng của thiết bị giảm chấn hoặc độ nhấp nhô mặtđường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm đi đáng kể hoặc thậm chí là vô hiệuhóa

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

có thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chấn thông thường, với khả năng điềukhiển được MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn Nó có khảnăng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm chodao động được dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm thấythoải mái nhất

Về mặt kết cấu, giảm chấn sử dụng MRF có cấu tạo hoàn toàn khác so với các loạigiảm chấn thông thường khi nó hoàn toàn không sử dụng lò xo mà vẫn đảm bảo đầy đủ

đó người ngồi trong xe cảm thấy thoải mái hơn Nhiều kiểu cơ cấu gá động cơ đã đượcnghiên cứu và phát triển, trong đó một số kiểu đã được đưa vào sản xuất và cung cấp trênthị trường

Việc phân loại gá động cơ có thể dựa vào tác động của nguồn năng lượng bên ngoài

về cơ bản cơ cấu gá động cơ có thể chia làm ba loại: Loại thụ động (passive mount), chủđộng (acitve mount) và bán chủ động (semi-active mount) Loại cơ cấu gá động cơthường hay sử dụng là cơ cấu động cơ gá bằng vật liệu cao su (rubber mount) loại này đã

những tần số cộng hưởng Để giải quyết những hạn chế này một số cơ cấu gá động cơthủy lực sử dụng quán tính do dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoan đàn hồi (làm bằngcao su) Độ cứng động lực của cơ cấu giá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại khônggiảm được những rung động ngoài dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su đặc biệt làvùng có tần số cao.

Để cải thiện hoạt động cơ cấu gá động cơ dạng chủ động được phát triển và đã được

sử dụng trên thị trường Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác động từ bên ngoài và có thểdùng các thuật toán điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn trong một dãi tần sốrộng, nhưng không được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giáthành cao Những hạn chế có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơbán chủ động Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một hệthống tự động điều chỉnh lực giảm chấn Vì vậy cơ cấu gá bán chủ động có thể hoạt độngnhư mong muốn mà không cần nguồn năng lượng lớn cũng kết cấu không quá phức tạp

và giá thành vừa phải

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về động cơ bán chủ động sử dụng MRF Nhờ vàokhả năng có thể điều khiển được, MRF hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu trong việcđiều chỉnh lực giảm chấn trong cơ cấu gá

Hình 2.3 Cấu tạo cơ cấu gá động cơ

2.1.4 Haptics

Haptics là một thuật ngữ có nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác Nó giúp

ta có thể cảm như mình đang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì đó mặc dù chúng tađang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera

Ngày nay haptics được ứng dụng khá rộng rãi nhất là trong lĩnh vực y học điều nàygiúp cho một bác sĩ có thể thực hiện được những ca mổ quan trọng từ xa Mặc dù không

có mặt trong phòng mổ nhưng vẫn có thể cảm giác được lực cắt, lực cầm…bằng hệ thốngphản hồi xúc giác

Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chóng được nghiên cứu và ứngdụng vào trong lĩnh vực, cụ thể là găng tay MRF Thực chất của găng tay MRF là sự kếthợp giữa các MRF lại với nhau, nó làm cản trở chuyển động của các ngón tay tương ứngvới lực phản hồi thực tế [1] Từ đó người đeo găng tay có thể cảm giác được như đangtrực tiếp thao tác

Phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cách đưa từ trường vào ta có thể điều chỉnhvan theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào.

Hình 2.5 Cấu tạo van MR

Chương 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯU CHẤT TỪ BIẾN

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

MRF đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển của các thiết

bị MR Hơn nữa, mô hình chính xác có thể dự đoán hiệu suất của các thiết bị MR là mộtphần quan trọng trong việc chế tạo thiết bị Khi có từ trường tác động MRF thể hiện tínhchất phi tuyến Một loạt các mô hình phi tuyến đã được sử dụng để mô tả MRF, bao gồmcác mô hình nhựa Bingham, mô hình biviscous, mô hình Herschel-Bulkley và mô hìnhnhựa Erying Mặc dù đã có 1 số mô hình đã được phát triển và áp dụng cho MRF, nhưng

mô hình phổ biến nhất đã được sử dụng với độ chính xác và chi phí tính toán hợp lý là

mô hình nhựa Bingham Vì vậy, mô hình này được sử dụng rộng rãi trong mô hình toáncủa MRF

3.1.1 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 độ cắt và được hiển thị như sau:

(1)

: Ứng suất cắt trong chất lỏng

: Ứng suất chảy

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

Sgn: là hàm dấu Đó là chất lỏng ở trạng thái đứng im, ảnh hưởng bởi độ nhớt đànhồi cho đến khi tốc độ cắt lớn hơn giá trị giới hạn τy trong khi nó di chuyển như một chấtlỏng Newton khi vượt qua giá trị giới hạn Mô hình nhựa Bingham được thể hiện tronghình 3 thể hiện những tính chất của MRF phụ thuộc vào ứng suất

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

Sự đơn giản của mô hình hai tham số này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trongviệc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ERF và MRF

3.2 PHANH XOẮN HAI CHIỀU

3.2.1 Cấu hình và mô hình mômen xoắn

Cấu hình của phanh BMR được đề xuất được mô tả trong hình 3.2 Nó bao gồm haicuộn dây, hai trục quay, một vỏ bọc bên ngoài, và chất lỏng MR lấp đầy khoảng cáchgiữa các rotor và stator Để tránh hai từ trường can thiệp với nhau, một phân vùng không

từ được chèn vào vị trí trung tâm của vỏ Hai cường độ cung cấp cho các cuộn dây làkhác biệt do đó độ lớn hiện tại của các cuộn dây này có thể được điều khiển độc lập.Không giống như hệ thống phanh MR (thông thường) khác, chỉ có một rotor và mộtstator (vỏ), vỏ trong phanh này không cố định [3]

Thật vậy, nó được cố định vào một trục lái xe, có thể được kết nối với một tay cầmmột chiều trong các ứng dụng Hơn nữa, hai rotor được cố định vào các trục tương ứngcủa chúng, được truyền từ nguồn bi-output lái xe để chúng xoay ngược với nhau Điềunày đảm bảo rằng có tồn tại hai chuyển động cắt tương đối giữa các bề mặt của hai rotor

và vỏ bên ngoài ngay cả khi vỏ ở điểm dừng

Hình 3.2 Cấu hình phanh BMR đề xuất.

Khi cấp nguồn điện cho các cuộn dây, từ trường được tạo ra trong hai vùng riêngbiệt như trong hình 3.2 Do đó, sự rắn chắc của chất lỏng MR ở khoảng cách giữa cácrotor và vỏ bên ngoài xảy ra ngay lập tức Sự ma sát cắt giữa vỏ và rotor cung cấp mômen xoắn Chức năng của mô-men xoắn này có thể là điện trở do các sơ đồ áp dụng cácnguồn hiện tại vào các cuộn dây cũng như sự quay của vỏ Giả sử rằng vỏ ngoài là khôngchuyển động trong khi hai rotor xoay ngược với nhau Khi chỉ có cuộn dây 1 (hoặc 2)được kích thích, do sự rắn chắc của MR giữa bề mặt của rotor 1 (hoặc 2) và vỏ, vỏ ngoài

có xu hướng được kéo để xoay cùng với rotor 1 (hoặc 2) Các men xoắn phanh là men xoắn cần thiết để giữ cho vỏ vẫn đứng yên và có hướng ngược lại với rotor 1 (hoặc2) Tóm lại, hướng của mômen có thể thay đổi theo sơ đồ kích thích của cuộn 1 hoặc 2.Hơn nữa, trong trường hợp vỏ quay theo cùng hướng với rotor 1, nếu chỉ cuộn 1 đượckích thích, ứng suất năng suất trong chất lỏng MR giữa vỏ và rotor 1 là lực đẩy Nói cáchkhác, phanh BMR hoạt động như một ly hợp Nếu không, nếu chỉ có cuộn dây 2 đượckích thích trong khi vỏ và rotor 1 quay theo cùng hướng, mô-men xoắn được tạo ra làđiện trở và phanh hoạt động như một phanh bình thường

mô-Như đã thấy trong hình 3.2, tổng mô-men xoắn của phanh BMR được tạo ra từ banguồn: ma sát giữa các mặt cuối của rotor và vỏ; ma sát giữa các khuôn mặt hình khuyêncủa các rotor và vỏ; và ma sát khô phát sinh từ sơ đồ kín Mô-men xoắn gây ra từ cácnguồn này có thể được biểu diễn chi tiết như sau:

Τ = Τ − Τ1 2

(2)Trong đó T1 và T2 là các moment cảm ứng được sinh ra từ các rotor 1 và 2, tương ứng vớicác biểu thức được cho bởi:

T1 = Tai + Tei + T ,i 1,2fi = (3)

Trong đó Tfi mô men xoắn do ma sát khô giữa các bề mặt của trục của rotor và trục

của vỏ từ sơ đồ kín, có thể được xác định qua thử nghiệm; Tai và Tei là các mômen cảmứng truyền từ ma sát giữa MR ở bề mặt của rotor 1, 2 và các mặt của vỏ, tương ứng, có

độ lớn phụ thuộc vào tính chất của MR

Hình 3.3 Kích thước hình học đáng kể của phanh BMR

Về nguyên tắc, bằng cách áp dụng các nguồn dòng thích hợp cho các cuộn dây,tổng mô-men xoắn gây ra có thể được loại bỏ hoàn toàn Với các tham số hình học nhưtrong hình 3.3, các biểu thức cho các khối phụ thuộc vào Tai và Tei có thể được đưa radưới các dạng sau:

b 2 R

S2

D 2

D 2

T = π 2 ∫ r τ dr,i 1,2 =

(5) Trong đó, τai và τei là ứng suất cắt tác động lên MR ở bề mặt của rotor i (i = 1, 2) vàmặt của vỏ, tương ứng, giá trị của nó có thể được biểu diễn như sau:

τ = τ + Κγai yai ai (6)

τ = τ + Κγei yei ei (7)

Trong đó K được gọi là tính nhất quán; τyai và τyei là các ứng suất của chất lỏng MRtại bề mặt của rotor i (i = 1,2) và vỏ Sự biến đổi của các ứng suất năng suất này phụthuộc vào tính chất của chất lỏng MR, có sẵn từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất và độ lớncủa các dòng được áp dụng cho các cuộn dây Trong phương trình (6) và phương trình(7), γai và γei là tốc độ trượt của chất lỏng MR cở khoảng cách giữa các khuôn mặt hìnhkhuyên và mặt cuối có giá trị có thể được xác định là:

3.2.2 Mạch từ

Như đã đề cập, độ lớn của ứng suất năng suất của MR ở những vị trí khác nhautrong phanh BMR phụ thuộc vào từ trường được áp dụng cho chất lỏng MR Trong lýthuyết từ trường, có hai định luật cơ bản của từ trường và lưu lượng: Định luật Ampère

và Gauss Định luật Ampere quy định rằng tích phân dòng của từ trường về bất kỳ đườngdẫn khép kín bằng dòng điện trực tiếp được bao quanh bởi đường dẫn đó Nói cách khác,định luật Ampere có thể được biểu thị bằng phương trình sau:

MR, tất cả chúng ta cần là các thông số từ tính trong chất lỏng MR, từ đó, mô-men xoắnphanh có thể được tính toán Một đặc tính đáng kể khác là hình dạng đặc biệt của mặt cắtngang chất lỏng MR trong đó độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dài Bằng cách khai thác

các tính chất này, một phân tích mạch từ mới được đề xuất như sau [2] Hình 3.4 cho thấy

ba sự kết hợp có thể có mạch từ của một phần tử của phanh BMR, vị trí của các cuộn dâykhác nhau Trong cấu hình (a), các cuộn dây xác định vị trí một phần trong phần cuối của

vỏ trong khi chúng xác định vị trí hoàn toàn trong phần xuyên tâm và kết thúc của vỏtrong cấu hình (b) và (c) tương ứng

(a) Cuộn dây định vị một phần trong phần cuối của vỏ

(b) Cuộn dây nằm hoàn toàn ở các phần xuyên tâm của vỏ bọc

(c) Cuộn dây xác định vị trí hoàn toàn trong phần cuối của vỏ

Hình 3.4 Các mối liên hệ của mạch từ của phanh BMR.

Đáng chú ý là trong sự kết hợp (c), hầu hết các dòng lưu lượng trong vỏ thâm nhậpqua các yếu tố MR Do đó, mô men xoắn cảm ứng rất thấp trong trường hợp này Nóicách khác, trong một vấn đề tối ưu hóa kỹ thuật, giải pháp tối ưu không tồn tại với sự kếthợp (c) Do đó, trong vấn đề tối ưu hóa, trường hợp này có thể bị từ chối xem xét bằngcách thực thi ràng buộc sau đây:

h b ≤ R + tf (16)

Trong đó h là chiều cao của cuộn dây, và bR và tf là độ dày của các phần tử rotor và

MR, tương ứng Trong trường hợp cấu hình (a), thể tích được phân loại thành 11 phần tửnhư trong hình, trong khi các phần tử 8 và 11 là MR và các phần tử khác là vật liệu từtính Như thể hiện trong hình, thông lượng từ được coi là một đường khép kín thâm nhậpvào vị trí trung tâm của các mặt cắt ngang của tất cả các phần tử Vì vậy, Phương trình(15) có thể được điều chỉnh lại như sau:

B A = B A = = B A = Φ (17)

Trong đó Φ là thông lượng từ xâm nhập qua các mặt cắt ngang trung bình A1, A2,

…, A11 của các phần tử Mặt cắt ngang trung bình của một phần tử là thu được như mứctrung bình của các mặt cắt nhập và xuất của phần tử đó Các biểu thức cho các yếu tốtrong cấu hình (a) của phanh BMR được tính như sau:

INi OUT i

s2 R

D D

B1, B2, …, B11 là mật độ từ trên các mặt cắt ngang trung bình của các yếu tố Có

quan hệ không tuyến tính với từ trường tùy thuộc vào vật liệu Các mối quan hệ có thể

được diễn tả cho vật liệu thép và chất lỏng MR như sau:

H f (B)orB g (H) = = (Cho sắt ) (19)

H F = MR(B)orB g = MR(H) (Cho dầu từ trường ) (20)

Ngoài ra, từ hình 3.4 (a), bằng cách chọn con đường khép kín để trùng lặp với

đường dòng, phương trình (14) có thể được viết lại thành:

L h I

= +

I11 = tf

Bằng cách thay thế phương trình (17) bằng công thức (20) vào công thức (21), mật

độ từ của các nguyên tố chất lỏng MR (các phần tử 8 và 11) có thể thu được như sau:

Vì fs và fMR là các hàm riêng biệt đối với B, phương trình (23) và phương trình (24)

có thể được giải quyết một cách dễ dàng bằng phương pháp số Trong trường hợp mạch

từ thể hiện trong hình 3.4 (b), thể tích bị thay đổi vào 16 yếu tố, trong khi 11, 12, và 16 làyếu tố chất lỏng MR và còn lại là vật liệu từ tính [2] Như thể hiện trong hình, thônglượng từ được chia thành ba nhánh.Trong số đó, thông lượng III dự kiến sẽ là không đáng

kể bởi vì nó thấm qua thành phần chất lỏng MR, trong đó có độ thẩm thấu cao, khoảngcách xa hơn nhiều so với các thiết bị khác Vì thế, thông lượng III có thể được bỏ qua từviệc xem xét mà không ảnh hưởng đến kết quả đáng kể Từ hình 3.4 (b), công thức (15)được viết lại như sau:

(28)

Các mặt cắt ngang trung bình của các phần tử trong cấu hình (b) của phanh BMRđược tính như sau:

(29)

Trong đó :

Tương tự như vậy, phương trình (19), phương trình (20), cũng như phương trình(25) đến phương trình (27) đưa ra một giải pháp cho mật độ từ tính của các nguyên tốchất lỏng MR (các yếu tố 11, 12, và 16)

3.2.3 Thiết kế tối ưu

Một vấn đề thiết kế tối ưu với mục tiêu giảm thiểu trọng lượng của phanh BMRđược thực hiện trong phần này Một số yếu tố có ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết

kế như trọng lượng, năng lượng và mô men phanh, trong khi năng lượng bị bỏ qua vìphanh BMR dự kiến sẽ được áp dụng trong các ứng dụng năng lượng thấp, trọng lượng

và mô men phanh được coi là các yếu tố quan trọng Trong quá trình tối ưu hóa, mục tiêu

là để giảm thiểu trọng lượng của phanh BMR trong khi mômen hãm được tạo ra từ mỗirotor dự kiến không dưới 2 Nm [4] Hơn nữa, đối với việc phanh BMR được phát triểnthành công một số hạn chế hình học phải được đảm bảo Hình 3.3 minh họa cấu hình củamột phanh BMR với tất cả các kích thước hình học quan trọng Như thể hiện trong hìnhnày, các biến thiết kế (DVs) là chiều dài vỏ L1, chiều dài radial của các rotor L2, độ rộngxuyên tâm và trục của vỏ b1, b2, và chiều dài, chiều rộng và chiều cao của cuộn dây hc, bc ,

h Các kích thước khác được cố định cho tính khả thi của sản xuất Đối với các cuộn dâykhông được ra khỏi phạm vi của vỏ, chiều rộng của cuộn dây (bc) nhỏ hơn chiều rộngxuyên tâm của vỏ (b1) và chiều cao của cuộn dây phải nhỏ hơn chiều dài của vỏ (L1).Trong đó, vấn đề tối ưu hóa của một BMR phanh là để giảm thiểu trọng lượng của phanhBMR tùy thuộc vào:

Torque > 2Nm (for each rotor)

min DVi DViDVi i

Trong đó :

min DV max DV

Công cụ tối ưu hóa được sử dụng trong nghiên cứu này là thuật toán tối ưu hóa hạt(PSO) Thuật toán này, lần đầu tiên được được phát triển bởi Eberhart và Kennedy, đượclấy cảm hứng từ một quá trình tìm thức ăn của một đàn cá hoặc chim… lợi thế nổi bậtcủa PSO so với GA, cũng là một tối ưu hoá, là sự dễ dàng của phương trình Các thủ tụccủa PSO có thể được tóm tắt trong hai bước Thứ nhất, một loạt các hạt (hoặc các giảipháp) và vận tốc của chúng được tạo ra ngẫu nhiên, thứ hai, các hạt là "riêng" thông quatìm kiếm không gian bằng cách cập nhật vận tốc và vị trí của chúng bằng hai phươngtrình sau:

kể trong nói chung, nó thường được cho là 0.8

Được biết rằng PSO rất hiệu quả trong việc giải quyết tối ưu hóa không giới hạnvấn đề Tuy nhiên, để áp dụng thuật toán này để tối ưu thiết kế hiện tại, bao gồm nhiềuhạn chế, cần phải thông qua một phương pháp xử lý hạn chế Cho đến nay, phương phápsửa chữa là các phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Trong công trình của chúng tôi,phương pháp sửa chữa dựa trên gradient đề xuất trong tài liệu tham khảo, được chứngminh hiệu quả khi được tích hợp với GA trong việc giải quyết vấn đề tối ưu hóa kỹ thuật,được áp dụng cho các vấn đề thiết kế tối ưu, các bước cho phương pháp sửa chữa đượctóm tắt như sau:

Bước 1: Xác định các dẫn xuất của ràng buộc đối với các DV như:

(33)

Trong đó, g (DV) và h (DV) là các tập bất đẳng thức và các ràng buộc về bất đẳng

thức Đôi khi, trong một số ứng dụng, các dẫn xuất này không có khả năng thu được từphân tích thay vào đó, cách tiếp cận gần đây được sử dụng:

(34)

Trong đó e là một sự gia tăng nhỏ

Bước 2: Tính mức độ vi phạm ràng buộc bằng phương trình sau:

(35)

Bước 3: Thay đổi dung dịch ΔDV thu được dựa vào mối quan hệ sau:

(36) Bước 4: Cập nhật các giải pháp vector bằng phương trình sau:

DV DV (37)

Bước 5: Kiểm tra các vi phạm hạn chế của DVs Nếu bất kỳ sự cố nào vẫn còn tồn

tại, hãy lặp lại các bước từ 1 đến 4 Quá trình sửa chữa này phải được thực hiện tối đanăm lần Trong thời gian ngắn hạn, sơ đồ luồng cho thiết kế tối ưu của phanh BMR được

đề xuất trong công việc này được nêu chi tiết trong hình 3.5

3.2.4 Kết quả và thảo luận

Trong phần này, giải pháp được rút ra từ bài toán tối ưu hóa đã được phát triển trongphần trước Được thu thập và phân tích các tài liệu cho phanh BMR và các tính chất từ của chúng được liệt kê trong bảng 3.1 Như được hiển thị trong bảng, trục của các rotorđược làm bằng hợp kim đồng, đó là một vật liệu không từ tính điều này ngăn không chodòng chảy từ tính chảy vào vị trí không đáng kể và giúp tiết kiệm điện Tính chất từ củathép 1008 được thể hiện trong hình 3.6 bằng cách sử dụng phương pháp lắp đường cong,mối quan hệ giữa mật độ từ và cường độ từ thu được trong các dạng thức đa thức sauđây:

H (38)

Trong đó :

Các tính năng ứng suất từ tính và năng suất của chất lỏng MR được sử dụng, đó làMRF-132-DG loại từ Lord Corporation, cũng được đưa ra trong hình 3.7 và hình 3.8,tương ứng như đã đề cập trước đây, mối quan hệ của chúng được thể hiện:

Trong đó :

Ngoài ra và ngược lại :

(40)Trong đó :

(41)

Bảng 3.1: Vật liệu và tính chất từ của các chi tiết trong phanh BMR:

có thể chịu được với mức dự kiến là 1,5 A

Hình 3.6 Đường cong B-H của thép 1008 (From Nguyen, P.B; các vật liệu và kết cấu thông minh,

20-12- 2011)

Hình 3.7 Đường cong H-B của chất lỏng MR (From Nguyen, P.B; các vật liệu và kết

cấu thông minh, 20-12- 2011)

Hình 3.8 H- Đường cong của chất lỏng MR

Inc= 6(bc – tc) (hc – 2tc) (42)Hình 3.9 cho thấy giải pháp tối ưu của phanh BMR bằng cách sử dụng đề xuất,phân tích từ và thuật đoán PSO Nó được nhận thấy rằng tối ưu giải pháp xảy ra trongcấu hình (a) Mật độ từ trung bình của chất lỏng MR

Hình 3.9 Giải pháp thiết kế tối ưu sử dụng phân tích mạch từ được đề xuất

Bảng 3.2 Giá trị tối ưu của các tham số trong tối ưu hóa bằng cách sử dụng đề xuất Phân tích và

Thời gian tính toán < 3 phút > 8 giờ

Tại các phần tử 8 và 11 lần lượt là 0,3936 T và 0,6917 T Giá trị momen xoắn chomỗi rôto thu được từ quá trình tối ưu hóa là 2 Nm Tổng dòng điện ròng kết quả được ápdụng cho một cuộn dây phanh BMR là 234,42 A Giá trị tối ưu của các DV được đưa ratrong bảng 3.2 Như thể hiện trong hình 3.9, kích thước được sử dụng trong quy trìnhtối ưu hóa là 100 và mục tiêu gần như hội tụ ở hạt thứ 50 Đáng chú ý là bởi vì các hạtban đầu được chọn ngẫu nhiên, tốc độ hội tụ của mục tiêu không giống nhau cho mỗi lần

xử lý Tuy nhiên, mục tiêu luôn hội tụ với một giá trị tối ưu nhất định

Hình 3.10 Mật độ từ của phanh BRM với các DVs thu được (From Nguyen, P.B; các vật liệu và kết

cấu thông minh, 20-12- 2011)

Hình 3.12 Sự hội tụ của mục tiêu trong vấn đề tối ưu hóa sử dụng FEA

Để đánh giá tính chính xác của thiết kế tối ưu sử dụng từ tính được đề xuất phântích mạch, gói phần mềm Maxwell từ tập đoàn Ansoft được sử dụng để phân tích hiệusuất của phanh BMR Hình 3.10 cho thấy mật độ từ của phanh BMR với các DVs tối ưuthu được trước đây Nó được chỉ ra rằng mật độ từ tại các vị trí lỏng MR xấp xỉ giống vớimật độ từ quá trình tối ưu hóa Mô-men xoắn giá trị thu được từ phân tích phần tử hữuhạn (FEA) là 2,08 Nm, 4% là khác với so với thu được từ quá trình tối ưu hóa Ngoài ra,

để điều tra sự khác biệt hình học của thiết kế tối ưu được đề xuất với việc sử dụng FEA,một quy trình tối ưu hóa sử dụng FEA được thực hiện để so sánh Hình 3.11 cho thấy sơ

đồ cho quy trình tối ưu hóa này thông qua FEA Như trong hình 3.11, công cụ MaxwellFEA được sử dụng thay cho công cụ được đề xuất Giải pháp tối ưu cho quy trình nàyđược thể hiện trong hình 3.12 và bảng 3.2 Cần lưu ý rằng không có sự khác biệt đáng kể

về hình học giữa hai quy trình sử dụng phân tích mạch từ được đề xuất và FEA Do đó,

có thể kết luận rằng phân tích từ tính được đề xuất cũng như quy trình tối ưu hóa tươngứng có hiệu quả và chính xác đáng kể Hơn nữa, nó là đáng chú ý rằng thời gian tính toáncủa thiết kế tối ưu với các phân tích mạch từ tính được đề xuất là nhanh hơn đáng kể sovới sử dụng FEA Cụ thể, thời gian tính toán khi sử dụng phân tích mạch từ được đề xuấtchỉ khoảng 3 phút, trong khi phải mất hơn 8 giờ để giải quyết vấn đề tối ưu hóa bằngFEA Để xác nhận tính chính xác của thiết kế tối ưu với đề xuất phân tích mạch từ, mộtthí nghiệm với một phanh BMR được thực hiện được thực hiện

(a) Các thành phần của phanh BMR

(b) Thiết bị lắp ráp

Hình 3.13 Ảnh chụp phanh BMR được sản xuất với kích thước tối ưu

Kích thước hình học của phanh này thu được thông qua tối ưu quá trình thiết kế củacông trình này Để thuận tiện trong sản xuất, những kích thước được làm tròn với bước0,5 mm Tất cả các kích thước đáng kể cho chế tạo phanh được nêu trong bảng 3.2 Cácthành phần được sản xuất và lắp ráp thiết bị được thể hiện trong hình 3.13 Trong thửnghiệm, giá trị mô-men xoắn thu được nhờ vào một cảm biến mô-men xoắn kết nối vớitrục của vỏ Ngoài ra, hai trục rotor được truyền bởi động cơ DC điều khiển với vòng

được mô-men xoắn phanh tối đa theo một hướng, một cuộn dây được kích thích với giátrị hiện tại tối đa trong khi cuộn dây kia bị tắt.

Hình 3.14 Các giá trị mô-men xoắn thu được từ thử nghiệm và mô phỏng với phương pháp được đề xuất

Các giá trị mô-men xoắn thu được như trong hình 3.14 cho hai hướng được ổn địnhkhoảng 1,88 Nm và 1,92 Nm Nó được nhận ra rằng các giá trị này thấp hơn giá trị mongmuốn trong thiết kế tối ưu (2 Nm) Điều này có thể là do không hoàn hảo trong sản xuất

và lắp ráp cũng như ảnh hưởng của ma sát khô Tuy nhiên, sự khác biệt này không đángkể

3.3 PHANH MR XOẮN

3.3.1 Hệ thống điều khiển độ rung xoắn

Hình 3.15 cho thấy một cấu hình điều khiển độ rung xoắn của một vòng quay hệthống trục sử dụng bộ giảm chấn MR Một hệ thống trục (trục và các thành phần liênquan của nó) được điều khiển bởi một mô-men xoắn biến thiên TS Thời điểm quán tính

và độ cứng xoắn của hệ trục tương ứng là Jso và KS Bởi vì hệ thống trục không phải làhoàn toàn cứng cáp, nó sẽ rung về trục quay theo biến mô men xoắn TS, đặc biệt là ở tần

số cộng hưởng của nó Để giảm độ rung của hệ thống trục, bộ giảm sóc MR được gắnvào đầu trục Vỏ của phanh MR được cố định vào trục quay cùng với hệ thống trục Tổngthời điểm quán tính của hệ thống trục (kể cả vỏ phanh ME) được ký hiệu là JS Đĩa phanhđược đặt bên trong vỏ và quay tự do tương đối với vỏ, hoạt động như một bộ giảm rungđộng xoắn