Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (Mr Fluid)

1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề:
Ngày nay với điều kiện cơ sở vật chất ngày một được nâng cao, trình độ
khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các nhà nghiên cứu luôn tìm tòi và sáng tạo ra
những vật chất có tính hữu dụng với công nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói
riêng và nhu cầu cuộc sống nói chung. Đặc biệt là với lĩnh vực máy móc công
nghiệp, chúng ngày được cải tiến để hoàn thiện hơn và giải quyết được các bài toán
nhược điểm của hệ thống.
Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ là một vấn đề quan trọng bậc nhất,
có ảnh hưởng quan trọng và quyết định đến tất cả các cơ cấu khác. Chính vì vậy mà
việc cải tiến các cơ cấu truyền động luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Có rất
nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động bằng xích, truyền động bằng đai,
truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng các khớp đặc biệt…. Mỗi loại truyền
động đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn cơ cấu
truyền động cho phù hợp.
Được phát hiện từ cuối những năm 1940 bởi Jacob Rabinow, Lưu chất từ
biến (MRF) một loại lưu chất thông minh đã thu hút được nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990, MRF mới được chính
thức đưa vào nghiên cứu và phát triển. Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các
lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn
nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh, khớp nối
ly hợp, van…
Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thiết bị sử dụng
lưu chất từ biến, từ đó hiệu suất của các thiết bị được tăng lên đáng kể. Điều này
cho thấy tiềm năng cũng như tính ứng dụng của lưu chất từ biến là rất lớn và cần
được phát triển nhiều hơn nữa.

2

1.2. Tính cấp thiết của đề tài:
Nhìn chung, các cơ cấu trên thực tế đều có một điểm chung quan trọng đó
chính là điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải. Điều đó cho thấy,
việc điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải luôn là một vấn đề được
quan tâm hàng đầu trong nền công nghiệp hiện nay.
Với vai trò quan trọng đó, hàng loạt các cơ cấu truyền động đã ra đời như cơ
cấu hộp số (truyền động bằng bánh răng), cơ cấu xích, cơ cấu đai,… với các t số
truyền cố định, điều này đng nghĩa với việc điều khiển vô cấp tốc độ trục tải gặp
nhiều khó khăn. Hơn nữa, trong truyền động gặp phải vấn đề về ma sát, gây ra độ
mài mòn cao, cộng với việc các cơ cấu trên có cấu tạo từ những chi tiết tương đối
lớn nên việc lp đặt vào các hệ thống nh gặp nhiều hạn chế.
Vấn đề điều khiển tốc độ đầu ra của tải giờ đây được đặt ra là vấn đề giải
quyết bài toán ma sát, bài toán t lệ truyền nhằm điều khiển được vô cấp tốc độ, độ
ổn định, độ chính xác và hiệu suất hoạt động cao nhất. Với đặc tính của lưu chất từ
biến, khi không có từ trường tác động, nó gần như là một chất lng, ảnh hưởng của
nó tới việc truyền động của nó là khá nh; nhưng khi có từ trường tác động vào, nó
gần như hóa rn, mức độ hóa rn phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng với
tốc độ rất nhanh (ch khoảng 10ms), thì việc khống chế hay nói khác hơn là điều
khiển tốc độ trục tải hoạt động với tốc độ đặt có độ ổn định cùng với hiệu suất cao
là một hy vọng mới cho việc điều khiển t lệ truyền của bộ ly hợp như mong muốn.
Vậy với các đặc tính ưu việt đó của lưu chất từ biến, liệu nó có thật sự đáp ứng
được bài toán điều khiển tốc độ đầu ra của bộ ly hợp hay không?
Để giải quyết câu hi này, đòi hi cần phải dựa trên các nghiên cứu trước
đây về các ứng dụng của lưu chất từ biến, từ đó có những nghiên cứu tính toán, thiết
kế, chế tạo và thực nghiệm để đưa ra những đánh giá thiết thực về cơ cấu truyền
động dùng lưu chất từ biến, ch số ma sát, độ mài mòn, kiểm soát t lệ truyền động,
nâng cao momen tải là những vấn đề quan trọng cần được lưu tâm, nghiên cứu và
phát triển sâu rộng.

3

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nm bt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ
biến.
Thiết kế, tối ưu và chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ra của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Ổn định hệ thống.
1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu về các đặc tính và nguyên lý của lưu chất từ biến.
Nghiên cứu, thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp.
Thực nghiệm, nhận xét và đánh giá bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
1.5.1. Phương pháp luận:
Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tc và cách thức hoạt động khoa
học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học.
Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tc và
phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết.
Nghiên cứu chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo ra một loại ly
hợp mới có độ chính xác và n định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống được
giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và
độ rn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một t lệ truyền phù hợp. Để thực hiện
nghiên cứu này cần thực hiện:
Tổng hợp các nghiên cứu có sẵn trong nước và ngoài nước.
Phân tích và tính toán hệ thống.
Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.
Thực nghiệm, hiệu chnh và đánh giá kết quả.
4

1.5.2. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên:
Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ
biến vào các cơ cấu máy móc trong công nghiệp.
Phương pháp thu thập thông tin đã có làm nền tảng cho nghiên cứu.
Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng
dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến.
Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến
Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến.
Phân tích tính toán lý thuyết về hệ thống.
Thiết kế dựa trên tính toán.
Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống.
Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước điều khiển tự động và điều
khiển hiện đại.
Phân tích tính toán lý thuyết điều khiển hệ thống.
Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính toán lý thuyết.
Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.
Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Phương pháp phân tích hệ thống.
Phương pháp đánh giá kết quả đạt được.
1.6. Kết cấu luận văn:
Kết cấu luận văn gm 6 chương.
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp lưu chất từ biến.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ly hợp MR.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm.
Chương 6: Kết luận.
5

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ B LY HP

2.1. Khái quát về ly hp:
Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách
dứt khoát động cơ ra khi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay
đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một t số truyền xác định bởi hộp số. Có nhiều
loại ly hợp như: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, ly hợp nam châm điện, ly hợp liên
hợp,… nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đổi
tốc độ trục tải theo mong muốn. Điều này dn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức
tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô
cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các vấn đề trên cùng với sự phát
triển của lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu
chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số
vô cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vn giữ
được momen xon đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp.
Nói r hơn về thành phần chính của bộ ly hợp – lưu chất thông minh – lưu
chất từ biến. Lưu chất từ biến (MRF) là một chất lng thể keo có các hạt từ hóa
đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron). Nói chung, lưu chất từ biến
bao gm dầu, thường là dầu khoáng sản hoặc silicone cơ sở, có t lệ các hạt từ hóa
khác nhau đã được phủ một chất liệu chống đông tụ. Ở trạng thái chưa hoạt động,
lưu chất từ biến thể hiện định luật chất lưu Newton. Khi tiếp xúc với từ trường, các
hạt từ hóa được phân tán trong chất lng tạo thành lưỡng cực từ. Những lưỡng cực
từ xếp thành hàng theo đường của từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái
nhanh chóng, mạnh mẽ, và đng thời cũng hi phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi
không còn chịu tác động của từ trường.
6


(a) không có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0)

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến
Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF (electrical-
rheological fluid) và lưu chất st, thiết bị MR có năng suất cao hơn nhiều khi được
kích hoạt. Với ưu điểm này, gần đây đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế tối ưu của
các thiết bị sử dụng MRF như phanh MR, giảm chấn MR, cơ cấu gá động cơ dùng
MR, gang tay MR, van điều tiết MR,….

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến
Cuộn dây
Lưu chất t biến
V
T trưng
Đa
7


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



Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ Hình 2.5: Găng tay MR
Piston th ni
Bung cha gas
Đưng dn piston
Dng lưu cht MR
V gim chn
V piston
Li piston
Mch t
Cun dây

Lưu cht MR
Trc piston
8


Hình 2.6: Cấu tạo van MR

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống dử dụng
MRF có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc thiết kế tối ưu mạch từ của hệ
thống.

2.2. Cơ s tính toán của MRF [5]:
- T tính của MRF [5]:
Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử
dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH. Dưới ảnh hưởng
của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính
của các hạt trong MRF. Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi vô
số các dãy hạt được sp xếp theo một đường thng tương ứng với hướng của từ
trường như biểu diễn trong hình 2.2.

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu
Các ht
Lực
Dng t trưng
Li
Nắp đầu van
V van
Cun dây
Cng vào
Cng ra

Dng MRF
9


Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần
nhau trong một chuỗi và tăng cùng một t lệ khi MRF biến đổi. Trong thực tế, kết
cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết chặt chẽ nhiều
khối cầu với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ. Dưới ứng suất, các liên kết này
có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ. Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu
phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vn có thể cho thấy
được ứng suất chảy diễn ra như thế nào. Các phương trình chuyển động của mỗi hạt
theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF. Tại một từ
trường rất thấp, lực từ F
ij
được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương
tác từng cặp với nhau, momen lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách
xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng
của từ trường.

22
5 7 5
0
31
5( ) 2( )
4
ij ij
ij ij ij
p ij ij ij
rr
F m mr mr m

r r r
 

  



(2.1)
Trong đó F
ij
là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μ
p
là độ dn từ của hạt, μ
0
là
độ dn từ của chân không, r
ij
là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được
gây ra bởi các hạt trong MRF

3
0
4
f
m a H
  

(2.2)
Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được
tính bởi:

2
fp
fp






(2.3)
Trong đó μ
f
là độ dn từ riêng của chất lng nền.
Ở từ trường cao, độ lớn của momen lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ
độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa. Trong trường hợp này, momen lực từ
được tính bởi:
10


3
4
3
ss
m a M


(2.4)
Trong đó μ
s

M
s
là từ hóa bão hòa của các hạt, đó là khoảng 1,7 x 106A/m cho
khối và 0.48x106A/m cho oxit st từ.

- Tính chất lưu biến:
Lưu biến học là một ngành của cơ học thực hiện việc nghiên cứu các biến
dạng của vật liệu. Lưu biến học là một lĩnh vực liên ngành và được sử dụng để mô
tả các đặc tính của nhiều loại vật liệu như dầu m, thực phẩm, mực in, polymer, đất
sét, bê tông, nhựa đường, …. Các thông số và đại lượng của lưu biến có thể được
dùng để xác định ảnh hưởng của vật liệu phi Newton, vật liệu đàn hi như là một
hàm của thời gian, độ ổn định của hàm khi dòng chất lng đứng yên hoặc trong suốt
quá trình lưu chuyển, và độ nhớt khi không trượt hoặc độ nhớt tối đa của dòng chất
lng để ngăn chặn sự kết tủa. Công thức độ nhớt dựa trên cơ sở lý thuyết thủy lực
động học cho sự phân tán loãng của những hạt hình cầu được tìm ra bởi Einstein
cách đây khoảng 100 năm. Được suy ra từ:

1 2.5
r


(2.5)
Trong đó: η
r
là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan.
Việc thêm các hạt rn vào dung dịch sẽ làm tăng số lượng của các hạt và do
đó làm tăng t lệ khối lượng của các hạt. Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ
nhớt tăng lên. Sook cho rằng nng độ tối đa của các hạt ϕ
max
nên được kết hợp trong

mối liên quan giữa độ nhớt và nng độ.

max
2.5
(1 )
r






(2.6)
Tuy nhiên những công thức này không xét đến hình dạng và độ cứng của hạt.
Do đó, Toda và Furuse mở rộng công thức để cho thấy kích thước của các hạt ảnh
hưởng đến độ nhớt như thế nào.
11


3
1 0.5
(1 )
r






(2.7)

3
1 0.5
(1 ) (1 )
r
 

 



(2.8)
Trong đó K là hệ số hiệu chnh, có thể phụ thuộc vào kích thước và mật độ
của các hạt. Độ nhớt của chất lng có thể được tăng lên với việc bổ sung của các hạt
rn. Tuy nhiên, cùng lúc đó, tính chất của chất lng sẽ thay đổi.
Tổng quát, ứng suất ct τ tăng với tốc độ ct dy/du có thể được đặc trưng bởi
mối quan hệ

()
n
y
du
dy
  

(2.9)
Trong đó, n là hệ số mũ, τ
y
là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động lực.
Trong đó, τ

y,
η v n là hằng số, τ
y
là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động. Chất
lng Newton xảy ra khi các dòng chất lng không có ứng suất chảy hoặc τ
y
bằng 0
và n bằng 1. Độ nhớt của chất lng Newton không phụ thuộc vào thời gian và tốc độ
ct. Hình 2.8 cho thấy việc phân loại chất lng dựa trên tính chất lưu biến. Như thể
hiện trong hình, tính chất của chất lng có thể được chia thành chất lng Newton và
chất lng phi Newton như chất lng do Bingham, chất lng giãn do và chất lng
giãn nở được. Chất lng được cho là do khi ứng suất ct phải đạt một giá trị tối
thiểu nào đó trước khi nó bt đầu tuôn chảy tương ứng với tốc độ ct. Nếu vật liệu
là chất lng do Bingham thì n = 1. Chất lng giả do hoặc chất lng trượt dính
mng có độ nhớt động lực giảm khi tốc độ ct cao. Chất lng trượt đọng dày hoặc
chất lng giãn nở thì ngược lại, độ nhớt động học tăng khi tốc độ ct tăng. Chất lng
trượt đọng dày n>1, chất lng trượt dính mng n<1.
12


Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian.

- Các mô hnh toán hc của MRF:
Mô hình toán học của MRF đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của
các thiết bị sử dụng MRF. MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác
động. Đã có nhiều mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF,
bao gm các mô hình do Bingham, mô hình biviscous, mô hình do Herschel-
Bulkley, và mô hình do Eyring. Trong các mô hình trên thì hai mô hình được sử
dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mô hình do Bingham và mô hình do Herschel-
Bulkley được trình bày một cách tóm tt như sau:

Mô hnh do Bingham:
Mô hình toán học của chất lng do Bingham có thể được biểu thị bằng công
thức sau:

( )sgn( )
y
H
   

(2.10)
Trong đó:
τ là ứng suất ct trong chất lng.
τ
y
là ứng suất chảy
Ứng sut cắt
Cht lng do
Bingham
Cht lng Newton
Cht lng giãn nở được
Tốc đ cắt
Cht lng
gi do
Đưng chy do ca
cht lng gi do
13

η là độ nhớt của chất do khi không có từ trường
sgn là hàm dấu.
Đó là một dạng chất lng khi tốc độ ct thấp, ứng suất chảy đạt giá trị cực

đại, ảnh hưởng của độ nhớt đàn hi ch tác động đến dòng lưu chất khi mà ứng suất
ct lớn hơn giá trị tới hạn τ
y
nào đó. Từ đó, chất lng do Bingham hoạt động như
một chất lng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn. Mô hình do Bingham được thể
hiện trong hình 2.9 thể hiện những tính chất MRF phụ thuộc vào ứng suất ct và tốc
độ ct.

Hình 2.9: Nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến.

Sự đơn giản của mô hình hai tham số này đã dn đến việc sử dụng rộng rãi
trong việc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ER và MRF.
Mô hnh do Herschel-Bulkley:
Trong trường hợp này, chất lng sẽ bị trượt dày hay trượt mng, đặc biệt là
khi MRF chịu tốc độ ct cao, mô hình do này sẽ cho kết quả tốt hơn. Trong trường
hợp này, chất lng do Herschel-Bulkley được biểu thị bằng phương trình sau:

1/
( ( )sgn( ) )sgn( )
m
y
HK
    

(2.11)
Trong đó: K là thông số đặc trưng, m là hệ số chất lng của MRF, m>1 là
chất lng trượt mng, m<1 là chất lng trượt dày. Chú ý rằng khi m=1, mô hình do
Herschel-Bulkley giống như mô hình do Bingham.
Ứng sut cắt (


)
Tốc đ cắt (

)
Cht lng Newton
Ứng sut chy
(

y
)
Cht lng đàn-
do Bing ham
Cht lng do
Herschel-Bulkley
14

Các thông số này được thiết lập khi không có từ trường tác động. Trong thực
tế, các thông số này bị ảnh hưởng bởi từ trường. Zubieta đã đề xuất một mô hình
do cho MRF dựa trên mô hình chất lng do Bingham kết hợp với chất lng do
Herschel-Bulkley. Các mô hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu.
Trong các mô hình trên, các thông số τ
y
, µ, K, m là các đại lượng phụ thuộc vào từ
trường tác dụng. Để xác định các đại lượng này theo từ trường tác dụng, Zubieta đã
đề xuất tính toán theo công thức sau:

2
0
( )(2 )
SY SY

BB
Y Y Y Y e e



   
(2.12)
Trong đó Y là viết tt của một thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy,
độ nhớt, thông số độ đặc, hệ số chất lng. Giá trị của tham số Y có xu hướng từ zero
đến giá trị bão hòa,

SY
là hệ số momen bão hòa của Y, B là mật độ từ trường tác
dụng. Các giá trị của Y
0
, Y

được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng phương
pháp xấp x đường cong.

2.3. Các kiều hot động của lưu chất t biến (MRF) [5]:
- Kiu van:
Hình 2.10a cho thấy sơ đ hiển thị kiểu van đã được sử dụng trong nhiều
thiết bị MR nơi dòng chảy của lưu chất từ biến giữa hai tấm hoặc trong một ống dn
được tạo ra bởi sự chênh lệch về áp suất giữa đầu vào và đầu ra. Từ trường áp dụng
vuông góc với dòng chảy, được dùng cho việc thay đổi các thuộc tính lưu biến của
lưu chất từ biến để kiểm soát dòng chảy. Vì vậy, sự gia tăng ứng suất chảy do hoặc
độ nhớt làm thay đổi profile vận tốc của chất lng trong khoảng giữa hai tấm. Profin
vận tốc điển hình đối với chất lng Bingham được minh họa trong hình 2.10b.
15

Hình 2.10: Chế độ van trong ứng dụng MR
Profin tốc độ của MRF giữa hai tấm song song có thể được đại diện bởi các
mối quan hệ sau đây:

1/ 1 1/ 1 1/
1
1/ 1 1/
2
1/ 1 1/ 1 1/
3
2
( ) ( ) [( ) ( ) ]
1 2 2
( ) ( ) ( )
12
2
( ) ( ) [( ) ( ) ]
1 2 2
n n n
nn
n n n
n P d y
uy
n KL
n P d
uy
n KL
n P d y

uy
n KL






  





  


(2.13)
Ở đây, n=1/m, u
1
và u
3
là profin vận tốc của dòng chất lng trong vùng tiếp
giáp với vách ống, và u
2
là profin vận tốc của vùng li của dòng chảy hoặc khoảng
đầu ống, trong vùng này chất lng chưa chảy dẽo.

là độ dày vùng chưa chảy do
và là một thông số quan trọng của dòng chảy.

- Kiu cắt:
Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lng là hoạt động
theo kiểu ct đối với dòng lưu chất từ biến (MRF) nằm giữa hai mặt, qua đó một
mặt trượt hoặc quay so với mặt khác, với từ trường tác dụng thng đứng đến hướng
của chuyển động của những mặt ct này. Hình 2.11 trình bày khái niệm hoạt động
của lưu chất từ biến theo kiểu ct.
P
2
<P
1
P
1
Duct wall or fixed plate

Magnetic flux

MRF

Post-yield

Post-yield



d
(a) concept of valve mode

(b) velocity profile

y

Pre-yield (plug)

16


Hình 2.11: Chế độ cắt của MRF

Hoạt động theo kiểu ct đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đặc biệt là trong công
nghệ giảm chấn MR. Masri và cộng sự đã đề xuất một đường cong kỹ thuật phù
hợp, đại diện cho các thành phần khôi phục phi tuyến của một thiết bị ER để mô tả
các hoạt động của ER dưới tải tĩnh và tải động trên một phạm vi rộng các lĩnh vực
điện. Spencer và cộng sự đã phát triển một mô hình dựa trên mô hình trễ Bouc-Wen
cải tiến để đại diện cho giảm chấn MR. Hơn nữa, Wereley và các cộng sự đã đề
xuất một cách tiếp cận không chiều để mô hình hóa các loại van điều tiết ct (hoạt
động theo kiểu ct tuyến tính, trống quay, và van điều tiết đĩa quay). Trong nghiên
cứu, mô hình do Bingham, mô hình biviscous, và các mô hình Herschel-Bulkley
đã được xem xét.
Tính năng đặc biệt của hoạt động theo kiểu ct là đơn giản, đáp ứng nhanh,
giao diện năng lượng điện cơ học sử dụng từ trường đơn giản giữa đầu vào và đầu
ra, và khả năng điều khiển những tính năng làm cho công nghệ MRF được ứng
dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như bộ giảm xóc, phanh, bộ ly hợp và các thiết bị
đánh bóng.

Tm cố định

Đưng t thông

MRF

Tm di đng

17

- Kiu nén:
Kiểu làm việc thứ ba của lưu chất từ biến là hoạt động theo kiểu nén thể hiện
trong hình 2.12. Kiểu hoạt động này chưa được nghiên cứu rộng rãi. Trong kiểu
họat động này, lực tác dụng lên các tấm cùng hướng với từ trường để giảm hoặc mở
rộng khoảng cách giữa các tấm song song gây ra sự kéo, nén. Trong kiểu nén, lưu
chất từ biến phải chịu tác động của tải trọng động (luân phiên giữa sức căng và nén)
hoặc tĩnh (riêng sức căng hoặc nén). Khi từ trường tác động lên các hạt, chuỗi hạt
được hình thành giữa các vách trở nên cứng với những thay đổi nhanh chóng về độ
nhớt. Các chuyển vị trong chế độ nén rất nh (vài mm) nhưng yêu cầu lực lớn.

Hình 2.12: Chế độ nn của MRF

- Kết hp các kiu hot động:
Trong một số ứng dụng, việc kết hợp hai hay nhiều kiểu hoạt động của MRF
có thể tạo nên lực cản lớn hơn, tính năng tốt hơn và năng suất cao hơn. Ví dụ, bộ
giảm chấn có thể được xây dựng bằng việc kết hợp các chế độ khác nhau.

2.4. Các vấn đề cn gii quyết:
Như vậy, dựa trên các đặc tính của lưu chất từ biến, dựa trên các kiểu hoạt
động và các cơ sở tính toán đã được đề cập bên trên thì luận văn này được xây dựng
để giải quyết các vấn đề sau:
Tm

Đưng t thông

MRF

Lực tác dng

18

Thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến hoạt động theo
kiểu ct của lưu chất MR dựa trên mô hình nhựa do Bingham với đầu ra trục tải
của bộ ly hợp có momen truyền động ≥10Nm.
Thiết kế bộ điều khiển tốc độ đầu ra của trục tải.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả.

19


CHƯƠNG 3
THIT K B LY HP DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIN
3.1. Nguyên lý hot động:

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động bộ ly hp dùng lưu chất từ biến

Phần này giới thiệu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến và phân tích momen tải
dựa trên mô hình đàn-do Bingham của lưu chất từ biến. Hình 3.1 cho thấy được kết
cấu của hệ thống ly hợp dùng lưu chất từ biến. Như trong hình, ta thấy, đĩa ly hợp
chế tạo từ thép từ tính được cố định với trục dn chế tạo từ thép cách từ. Trục dn
được kết nối trực tiếp đến động cơ chính. Bộ phận đĩa ly hợp được lng vào trong
một cái v chế tạo từ thép từ tính. Phần v này lp cố định với trục bị dn chế tạo từ
thép cách từ. Cuộn dây được quấn trên một ống cách từ lp trong v của bộ ly hợp.
Khoảng không gian giữa phần đĩa ly hợp và phần v được lấp đầy bằng lưu chất từ
Cun dây

V cố
định
T trưng
MRF
Đĩa ly hợp
Trc dn
R
R
di
R
do
t
d
d

d
o
h
c
L
w
c
t
h
Trc bị dn
Ra ti
Truyền đng
t ĐC
20

biến. Để ngăn sự rò r của lưu chất từ biến khi nằm trong khoảng khe hở đó ta lp
vào một vòng cao su (o-ring). Khi cuộn dây được cấp điện, một vùng từ trường
được sinh ra và lưu chất từ biến ở khe hở giữa phần v và phần đĩa ly hợp sẽ tức
thời hóa rn. Khi đó, ta có thể điều khiển được momen cũng như t số truyền mà bộ
phận đĩa ly hợp (trục dn) tác động lên phần v (trục bị dn) thông qua độ hóa rn
của lưu chất từ biến.

3.2. Tính toán ly hp:
3.2.1. Tính toán momen truyền động:
Trong thiết kế của bộ ly hợp MR, việc thiết lập mối quan hệ giữa momen
truyền, các thông số hình học của cấu trúc ly hợp và ảnh hưởng của từ trường tác
động là quan trọng. Bằng cách giả thiết rằng lưu chất từ biến hoạt động dựa theo mô
hình lưu biến do Bingham và vận tốc sinh ra trong các ống dn MRF của bộ ly hợp
là tuyến tính, thì momen truyền động sinh ra và momen ở tráng thái ngt mạch được
xác định bởi công thức:
4
4 3 3 2
0
4
()
[1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( )
3
ye
do di i o do
i o do di do d y or
do o
R R R
T R R R t T
d R d


  
    

       
(3.1)
4
0
4 3 3 2
00
4
()
[1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( )
3
y
do di i o do
i o do di do d y or
do o
R R R
T R R R t T
d R d

  
    

       
(3.2)
Trong đó, R
di
và R
do

lần lượt là bán kính trong và bán kính ngoài của phần
đĩa, d là độ rộng của khe chứa MRF nằm giữa phần đĩa và phần v, d
0
là độ rộng
của khe chứa MRF tại mặt trụ ngoài của đĩa, t
d
là độ dày của đĩa, ω
i
và ω
o
lần lượt
là vận tốc gốc của trục dn và trục bị dn, τ
ye
là ứng suất trung bình của MRF trong
hai mặt đầu của ống dn, τ
y0
là ứng suất khi không có từ trường tác động và μ là hệ
số độ nhớt của MRF, T
or
là momen ma sát giữa trục và vòng chóng rò (o-ring). Lưu
ý rằng giá trị của τ
ye
phụ thuộc vào mật độ từ thông sinh ra trong ống dn MRF
trong khi độ nhớt sau chảy do được giả định là độc lập với từ trường. Momen ma
sát gây ra bởi vòng chống rò T
or
có thể được tính bằng công thức:

()
or c c h r s

T f L f A R
(3.3)
21

Trong đó, L
c
là chu vi trục, L
c
=2

R
s
, ƒ
c
là lực ma sát trên một đơn vị chiều
dài của chu vi trục do việc nén vòng chống rò (o-ring) gây ra, phụ thuộc vào t lệ
nén của vòng và độ cứng vật liệu chế tạo vòng, ƒ
h
là lực ma sát của vòng chống rò
do áp lực của lưu chất tác động lên một đơn vị diện tích của trục bị dn và A
r
là diện
tích của vòng chống rò. Cần lưu ý rằng, vận tốc góc của trục bị dn là rất nh và áp
lực do lưu chất tác động lên vòng chống rò là rất thấp, ƒ
h

0, ta có thể b qua. Cũng
cần lưu ý rằng áp lực sinh ra trong ống MRF của phần bị dn là rất nh, do đó,
không cần thiết nén kín vòng chống rò (o-ring) với lực lớn. Trong nghiên cứu này,
vòng chống rò cao su có độ cứng 70-durometer được sử dụng và áp lực của vòng

được thiết lập là 10%. Trong trường hợp này, hệ số ƒ
c
vào khoảng 125N/m.
3.2.2. Thiết kế ti ưu bộ ly hp dng lưu chất t biến:
Trong thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến, bên cạnh momen truyền
động, một vấn đề khác rất quan trọng cần được quan tâm đến đó chính là khối lượng
của bộ ly hợp. R ràng cho thấy khối lượng của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến là
càng nh càng tốt, điều đó sẽ làm giảm kích thước cũng như chi phí chế tạo bộ ly
hợp. Ngoài ra, việc bộ ly hợp có kích thước nh hơn và khối lượng nh hơn có thể
dn đến việc giảm lực quán tính, từ đó tạo điều kiện cho việc kiểm soát tốc độ của
trục điều khiển dễ dàng hơn. Nói chung, khối lượng bộ ly hợp có thể được tính xấp
x bởi công thức:

b d d h h s s MR MR bob bob c c
m V V V V V V
     
     
(3.4)
Trong đó, Vd, Vh, Vs, V
MR
, V
bob
và Vc lần lượt là khối lượng của đĩa ly hợp,
v ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn dây, và cuộn dây của bộ ly hợp. Các
thông số này là các chức năng quan trọng của kích thước hình học của kết cấu bộ ly
hợp, chúng thay đổi suốt quá trình tối ưu hóa. ρ
d
, ρ
h
, ρ

s
, ρ
MR
, ρ
bob
, và ρ
c
lần lượt là
khối lượng riêng của đĩa ly hợp, v ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn
dây, và cuộn dây của bộ ly hợp.
Từ đó, việc giải quyết vấn đề thiết kế tối ưu hóa bộ ly hợp dùng lưu chất từ
biến trong nghiên cứu này có thể được tóm tt như sau: Tìm giá trị kích thước tối ưu
22

trong cơ cấu ly hợp MR để momen truyền động tối đa của nó xác định bởi phương
trình (3.1):
4
4 3 3 2
0
4
()
[1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( )
3
ye
do di i o do
i o do di do d y or
do o
R R R
T R R R t T
d R d


  
    

       

lớn hơn một momen xon cần thiết, và mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu khối
lượng của bộ ly hợp MR xác định bởi phương trình (3.4):
b d d h h s s MR MR bob bob c c
m V V V V V V
     
     

Giả thiết rằng, thép silicon được dùng để chế tạo các thành phần của bộ ly
hợp MR như v và đĩa ly hợp. Cuộn dây có kích thước 21-gage (đường kính =
0.511mm). Trong quá trình tối ưu hóa, dòng điện tối đa 2.5A được cấp cho cuộn
dây. Trong nghiên cứu này, chúng ta sử dụng lưu chất từ biến MRF132-DG được
sản xuất bởi công ty Lord Corporation. Độ nhớt sau chảy do của MRF132-DG là
η=0.1 Pa-s, ứng suất chảy do của lưu chất từ biến có thể tính xấp x bằng công
thức:
23
0 1 2 3
()
y mr mr mr mr
H c c H c H c H

   
(3.5)
Trong phương trình (3.5), đơn vị của ứng suất chảy do là kPa trong khi đó
mật độ từ trường là kA/m. p dụng phương pháp xấp x đường cong bậc hai, các hệ

số trong phương trình đã được xác định tương ứng là 0.015, 0.30858, 2.83544E-4, -
5.34429E-6, và 9.20846E-9.
Trong tối ưu hóa, chiều cao h
c
của cuộn dây, chiều rộng w
c
của cuộn dây, độ
dày t
h
của v ly hợp, bán kính R
do
của đĩa ly hợp, bán kính ngoài R của bộ ly hợp,
độ dày t
d
của đĩa ly hợp, được xem là các biến thiết kế. Cần lưu ý rằng, các giá trị
kích thước độ dày khe chứa lưu chất càng nh thì lực hãm càng cao và khối lượng
của bộ ly hợp thu được càng nh. Vì thế, trong nghiên cứu này, độ dày của khe
chứa MRF không được xem như biến thiết kế mà được thực nghiệm thiết lập là
0.8mm. Để có được lời giải tối ưu, ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích
hợp với một công cụ tối ưu hóa. Trong nghiên cứu này, phương pháp tối ưu bậc
nhất của công cụ tối ưu hóa ANSYS được sử dụng.
23

Trong hình 3.2 cho thấy lời giải tối ưu của ly hợp MR được đề xuất. Momen
hãm ràng buộc phải lớn hơn 10Nm và tốc độ hội tụ được thiết lập là 0.1%. Chương
trình tính toán bằng phần ANSYS được trình bày trong phần phụ lục 1.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
2

4
6
8
10
w
c
h
c
t
h
t
d
0.1xR
do
0.1xR


Design Variables [mm]
Iteration
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Transmitting Torque (
Nm
)
Mass of MR Clutch

Mass of the MRB (
kg
)
Iteration
4
6
8
10
12
14
Transmitting Torque

(a) bin thit k (b) khối lượng và momen tác đng
Hình 3.2: Lời giải ti ưu của ly hp MR thông thường
Cần lưu ý rằng bán kính trục trong trường hợp này được thiết lập là Rs =
6mm ứng với sức chịu đựng của trục. Như thể hiện trong hình, tối ưu hóa được hội
tụ sau 21 lần lặp. Kết quả tối ưu tại lần lập thứ 21 là (mm): w
c
=5.7, h
c
=2.7, t
h
=5.9,
t
d
=4, R
do
=50 và R=59.5. Tại thời điểm tối ưu, momen xon truyền động có thể đạt

đến 10kN như đã đặt ra và khối lượng tối thiểu là 1.34kg. Từ giải pháp tối ưu, kích
thước hình học tối ưu của bộ ly hợp MR có thể được tóm tt trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Kch thước hình hc ti ưu hóa của bộ ly hp MR
Name
Value
Name
Value
Bán knh trc dn
R
s
=6mm
Chiều cao cun dây
h
c
=2.7mm
Bán knh đĩa quay
R
do
=50mm
Chiều rng cun dây
w
c
=5.7mm
Đ dày đĩa quay
t
d
=4mm
Đ dày v
h
h

=5.9mm
Kch thưc khe MR
d, d
o
=0.8mm
Bán knh ngoài
R=59.5mm

Với các kích thước đã được tính toán như trên, bản vẽ thiết kế chi tiết của bộ
ly hợp đã được xây dựng và trình bày trong phần phụ lục 2.
24

CHƯƠNG 4
ĐIỀU KHIN LY HP MR

4.1. Cơ s tính toán bài toán điều khin:
Trong phần này, phương trình chuyển động của trục bị dn được thiết lập.
Trong hình 3.1, phương trình điều khiển cho các chuyển động của trục bị dn có thể
được viết như sau:

fl
J T T T

  
(4.1)
Trong đó, J là momen quán tính khối quay của trục bị dn, bao gm cả ly
hợp MR và tải, T
ƒ
là momen ma sát tác động lên trục bị dn, T là momen xon
truyền động của ly hợp MR, T

i
là lực tải, và ω là vận tốc góc của trục.
Kết hợp phương trình (3.2) và phương trình (3.3) ta được phương trình
chuyển động sau:

y fc f l
J C T T T T

    
(4.2)
Trong đó, hệ số độ nhớt C, momen ứng suất chảy do (momen xon điều
khiển được) T
y
và momen ma sát ly hợp T
ƒc
tương ứng được xác định bằng công
thức:

4
42
0
0
[1 ( ) ] 2
do di do
do d
do o
R R R
C R t
d R d



  
,
33
4
()
3
ye
y do di
T R R


(4.3)

4
42
0
00
[1 ( ) ] 2 ( )
do di i do
fc i do d y or
do o
R R R
T R t T
d R d
 
   
    
(4.4)
25

4.2. Thí nghim xác định momen truyền động:


Hình 4.1: Thiết lập thử nghim để kiểm tra momen truyền động của ly hp

0 1 2 3
0
2
4
6
8
10
12
Experiment
Curve Fitting


Yield stress Torque (Nm)
Applied Current (A)
T
y
=10.13-10.05e
-(I+2.02)/0.75

Hình 4.2: Mô men truyền động của ly hp

Hình 4.1 mô tả các thiết lập thử nghiệm để kiểm tra hiệu suất của ly hợp MR.
Trong hình, một động cơ được nối với bộ ly hợp điều khiển bằng máy tính được sử
dụng để quay trục dn của ly hợp MR với một tốc độ góc không đổi là 30

vòng/phút. V của bộ ly hợp được giữ cố định vào bàn thí nghiệm. Trong trường
hợp này, bộ ly hợp MR hoạt động như một phanh MR. Momen xon được tạo ra bởi
ly hợp MR được đo bằng một cảm biến momen xon. Tín hiệu đầu ra từ bộ cảm
biến momen xon sau đó được gửi đến máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D. Khi