THIẾT kế, CHẾ tạo và ĐÁNH GIÁ PHANH lưu CHẤT điện từ BIẾN để ỨNG DỤNG TRONG hệ THỐNG THÍ NGHIỆM đo và điều KHIỂN DAO ĐỘNG XOẮN

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ PHANH LƯU CHẤT ĐIỆN - TỪ BIẾN
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
DAO ĐỘNG XOẮN
DESIGN, MANUFACTURE AND EVALUATE ON MAGNETO-RHEOLOGICAL
BRAKE FOR USING IN EXPERIMENT OF MEASURED AND CONTROLLED OF
OSCILLATION SYSTEM
Lăng Văn Thắng1a; Nguyễn Quốc Hưng1b; Lê Đại Hiệp2c; Nguyễn Hoàng Tú2d
1
Khoa Công Nghệ Cơ Khí, Trường ĐH Công Nghiệp TP HCM
2
Nhóm Nghiên cứu Khoa học trẻ - Khoa Cơ Khí, Trường ĐH Công Nghiệp TP HCM
a
,
c
, d
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, một cơ cấu phanh sử dụng lưu chất điện - từ biến
(magnetorheological fluid brake: MRB) với các tính năng vượt trội so với các MRB truyền
thống sẽ được phát triển nhằm sử dụng trong hệ thống thí nghiệm đo và điều khiển dao động
xoắn. Trước tiên, cấu trúc của MRB sẽ được thiết kế với các cuộn dây đặt ở hai bên vỏ của
MRB để làm giảm hiệu ứng thắt cổ chai của đường sức từ, từ đó sẽ tăng mô men hãm và giảm
khối lượng của MR. Sau đó, các kích thước cơ bản của MRB được tối ưu dựa vào phương pháp
phần tử hữu hạn và mô hình đàn dẻo Bringham của lưu chất điện - từ biến (magnetorheological
fluid: MRF). Bài toán tối ưu sẽ xác định kích thước và hình dạng của MRF sao cho khối lượng
của phanh là nhỏ nhất với ràng buộc mô men hãm lớn nhất là 10Nm. Từ kết quả tối ưu, MRB sẽ
được thiết kế chi tiết và mô hình thực của MRB sẽ được chế tạo để thực hiện thí nghiệm đánh
giá các đặc tính của phanh. Dựa vào các đặc tính của phanh, nhóm nghiên cứu sẽ hướng đến
thiết kế bộ điều khiển mô men hãm của MRB để đáp ứng theo một quy luật mô men bất kỳ cho
trước trong khoảng giới hạn mô men hãm cho phép. Từ những kết quả đạt được, nhóm nghiên

cứu sẽ phát triển nghiên cứu này để sử dụng trong thí nghiệm đo và điều khiển dao động xoắn.
Từ khóa: lưu chất điện từ biến, phanh lưu chất điện - từ biến, hiệu ứng thắt cổ chai
đường sức từ, tối ưu hoá phanh lưu chất điện từ biến
ABSTRACT
In this study, a novel magneto-rheological brake with high braking force than the
traditional one is investigated and developed for using in experiment of measured and
controlled of oscillation system. Firstly, the proposed configuration will be introducted with
the coils are placed on the side housings of the brake. This results in many advantages such as
reducing ‘bottle-neck’ problem of magnetic flux and an increasing braking torque. The initial
geometric dimensions of MRB are then determined based on the Binghamplastic rheological
model of magneto-rheological fluid (MRF). The objective function of the optimization
problem is to determine the demensions and shape of MRB to maximize the braking torque
and minimise the mass while the torque ratio (the ratio of maximum braking torque and the
zero-field friction torque) is constrained to be a value of 10 Nm. Based on the optimal resuts,
MRB is designed and manufactured to determine its characteristics. From this result, torque
controller is designed to respond with a given rule constrained in a specific torque. This study
will be applied into an experiment of measured and controlled of oscillation system.
Keywords: magneto-rheological fluids (MRF), magneto-rheological brake (MRB),
bottleneck effect of magnetic flux, optimal design of MR brake

102


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1. GIỚI THIỆU
Lưu chất điện - từ biến là một dung môi có chứa các hạt vật liệu từ tính, có khả năng
chuyển đổi tính chất lưu biến khá nhanh và mạnh dưới tác động của từ trường ngoài. Vì vậy
mà lưu chất điện - từ biến có nhiều tiềm năng trong các ứng dụng như chế tạo ly hợp, phanh,
van, bộ giảm chấn, hệ thống Haptic trong các robot [1,2]. Gần đây, phanh lưu chất điện - từ
biến đã được phát triển và nghiên cứu khá nhiều. Nhiều tác giả tập trung vào nghiên cứu tối

ưu để tăng mô men hãm, đồng thời giảm kích thước và khối lượng của MRB [3-6]. MRB đã
được chế tạo với nhiều dạng cấu tạo khác nhau như: dạng đĩa [3-6], dạng tang trống [7, 8],
dạng kết hợp có đĩa quay hình chữ T (kết hợp giữa dạng đĩa và tang trống) [9]. Tác giả
Nguyễn Quốc Hưng và các cộng sự đã nghiên cứu thiết kế tối ưu cho một số loại phanh lưu
chất điện - từ biến [10]. Mục tiêu của quá trình thiết kế tối ưu là tối đa hóa mô men hãm với
kích thước nhất định. Từ kết quả tối ưu có thể giúp các nhà sử dụng có nhiều phương án hơn
để lựa chọn loại MRB thích hợp vào từng ứng dụng cụ thể. Gần đây, tác giả Nguyễn Quốc
Hưng và các cộng sự đã thực hiện tối ưu các kiểu đường biên dạng ngoài của vỏ phanh dạng
đĩa [11]. Từ nghiên cứu này, kết quả tối ưu cho thấy biên dạng phanh có đường biện dạng đa
giác và đường cong liên tục có khối lượng nhỏ hơn đáng kể so với các dạng đường biên dạng
khác khi cho cùng mô men hãm.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu nhằm thiết kế tối ưu cho các dạng cấu trúc MRB khác
nhau, nhưng trong các cấu trúc này, cuộn dây được đặt trên đầu vỏ của MRB, điều này dẫn
đến hiện tượng đường sức từ bị thắt cổ chai, và kết quả là làm giảm hiệu suất cũng như tăng
kích thước và khối lượng của MRB. Vì vậy, nghiên cứu này sẽ đề suất một dạng cấu tạo mới
cho MRB, đó là đặt cuộn dây ở hai bên vỏ của MRB. Kiểu cấu tạo này sẽ làm giảm hiệu ứng
thắt cổ chai của đường sức từ, đồng thời số cuộn dây cũng có thể tăng thêm vào để tăng mô
men hãm của MRB. Từ mô hình đề xuất, mô men hãm và các kích thước cơ bản của MRB sẽ
được xác định và thiết kế tối ưu dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình đàn dẻo
Bringham của lưu chất điện - từ biến. Bài toán tối ưu sẽ xác định kích thước và hình dạng
của MRF sao cho khối lượng của phanh là nhỏ nhất với ràng buộc mô men hãm lớn nhất
là 10Nm. Từ kết quả tối ưu, MRB sẽ được thiết kế chi tiết và mô hình thực của MRB sẽ
được chế tạo để thực hiện thí nghiệm đánh giá các đặc tính hoạt động. Dựa vào các đặc
tính này, nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế bộ điều khiển mô men hãm của MRB để đáp ứng theo
một quy luật mô men bất kỳ cho trước trong khoảng giới hạn mô men hãm cho phép. Từ
những kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển nghiên cứu này để sử dụng trong thí
nghiệm đo và điều khiển dao động xoắn.
L
wc
hc do

Từ thông
d

td

Ro R

th

Rs
Trục quay

Vòng đệm
Lưu chất

Đĩa quay

Cuộn dây
Vỏ ngoài

Hình 1. Cấu tạo MRB dạng đĩa truyền thống
103


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. CẤU TẠO MRB CÓ CUỘN DÂY ĐẶT HAI BÊN
Trong phần này, nhóm tác giả sẽ giới thiệu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của MRB
có cuộn dây đặt hai bên, sau đó mô men hãm sẽ được phân tích tính toán dựa trên đặc tính đàn
dẻo Bringham. Hình 2 dưới đây biểu diễn sơ đồ cấu tạo của MRB do nhóm tác giả đề xuất.

L

L

th

do
wc

do

δ

wc

δ1

hc

hc1

δ2 R o R

Ro R
td

d

td
d

th
Rs

Trục quay

h c2
Rs

Vòng đệm

Trục quay

Lưu chất

Vòng đệm
Lưu chất

Đĩa quay

Đĩa quay

Cuộn dây

Cuộn dây

Vỏ ngoài

Vỏ ngoài

a) 2 cuộn dây

b) 4 cuộn dây

Hình 2. Cấu tạo MRB dạng đĩa có cuộn dây đặt hai bên
Như trên hình, cấu tạo của MRB dạng đĩa gồm đĩa quay, trục quay, vỏ phanh, cuộn dây,
lưu chất điện - từ biến, bạc đạn và vòng đệm để ngăn lưu chất điện - từ biến rò rỉ. Đĩa quay
làm từ thép từ tính và đóng vai trò như roto. Đĩa quay được gắn chặt vào trục làm từ vật liệu
thép không có từ tính. Vỏ phanh chế tạo từ thép có từ tính cao để tăng khả năng truyền dẫn từ
của cuộn dây đến lưu chất điện - từ biến. Nguyên lý hoạt động của MRB này dựa vào đặc tính
của lưu chất điện - từ biến, khi cấp nguồn điện cho cuộn dây, từ trường của cuộn dây sẽ đi qua
lưu chất điện - từ biến nằm giữa đĩa quay và vỏ của MRB và làm lưu chất điện - từ biến bị
đông đặc lại. Mô men hãm tạo ra từ ma sát giữa đĩa quay và lưu chất điện - từ biến có thể điều
khiển bằng cách điều khiển độ đông đặc (độ nhớt) của lưu chất điện - từ biến để làm đĩa quay
quay chậm lại hoặc dừng hẳn.
Trong trường hợp đó thì mô men hãm sinh ra khi cấp nguồn và mô men khi chưa cấp
nguồn (do độ nhớt của lưu chất, ma sát vòng đệm, vòng bi…) sẽ được tính như sau
=
Td
Td 0
=

πµe Ro4
d

[1 − (

πµ0 Ro4
d

4πτ ye 3
Rs 4
ΩRo
) ]Ω +
( Ro − Rs3 ) + 2π Ro2td (τ ya + µ a
) + 2Tor
Ro
3
do

[1 − (

4πτ y 0 3
Rs 4
ΩRo
) ]Ω +
( Ro − Rs3 ) + 2π Ro2td (τ y 0 + µ0
) + 2Tor
3
Ro
do

(1)
(2)

Trong đó, R s và R o là bán kính trong và ngoài của đĩa quay, d là kích thước khe lưu chất
ở trên đỉnh đĩa, d o là kích thướng khe lưu chất hai bên má đĩa, t d là chiều dày của đĩa, Ω là
vận tốc góc của đĩa, µ e và µ a là độ nhớt trung bình của lưu chất ở mặt đầu và hai bên má đĩa,
τ ye và τ ye là ứng suất chảy dẻo trung bình của lưu chất ở mặt đầu và hai bên má đĩa. τ y0 và µ 0
là độ nhớt và ứng suất chảy dẻo của lưu chất khi không có từ trường chạy qua, T or là mô men

do ma sát giữa trục và vòng đệm. Các đặc tính τ ye , τ ya, µ e và µ a của lưu chất sẽ thay đổi đáng
kể và phụ thuộc vào cường độ điện trường ngoài tác động vào lưu chất. Mô men T or do ma sát
giữa trục và vòng đệm được tính gần đúng như sau [12]
=
Tor ( f c Lc + f h Ar ) Rs

(3)
104


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Với L c là chu vi của vòng đệm, f c là hệ số ma sát trượt trên trục quay do lực nén tác
động của vòng đệm, L c =2πR s , lực ma sát này phụ thuộc vào độ nén và độ cứng của vật liệu
làm vòng đệm, f h là lực ma sát của vòng đệm do áp lực của lưu chất tác động, và A r diện tích
mặt cắt của vòng đệm. Trong trường hợp này, lực ma sát do áp lực tác động của lưu chất lên
vòng đệm là tương đối nhỏ nên có thể bỏ qua, f h ≅ 0. Tương tự, áp lực của lưu chất trong
khoang lưu chất là khá nhỏ nên cũng không cần phải tạo lực nén lớn lên vòng đệm. Nghiên
cứu này sẽ sử dụng loại vòng đệm cao su có độ cứng là 70 IRHD, như vậy có thể tính được hệ
số ma sát trượt gần bằng 125N/m.
3. THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO MRB
Trong quá trình thiết kế MRB, chúng ta cần xem xét hai thông số quan trọng, đó là mô
men hãm và khối lượng. Vì vậy, khối lượng của MRB sẽ được tính toán thiết kế sao cho càng
nhỏ càng tốt để giảm kích thước cũng như giá thành, và được tính bằng công thức sau
mb = Vd ρ d + Vh ρ h + Vs ρ s + VMR ρ MR + Vc ρc

(4)

Với V d , V h , V s ,V MR và V c lần lượt là thể tích của đĩa quay, vỏ ngoài, trục, lưu chất và
cuộn dây của phanh. Các thông số trên sẽ là những hàm để thực hiện tối ưu hóa thông qua các
kích thước hình dạng của MRB. Trong khi ρ d , ρ h , ρ s , ρ MR và ρ c là khối lượng riêng của lần

lượt các thành phần ở trên.
Như vậy, quá trình thiết kế tối ưu cho MRB có thể được tóm lược như sau: Tìm giá trị
tối ưu các kích thước quan trọng của MRB sao cho mô men hãm (tính theo phương trình
1) là lớn nhất với khối lượng của phanh là nhỏ nhất (tính theo phương trình 4).
Để tăng hiệu suất hoạt động của MRB, vỏ ngoài của phanh dùng thép silic có độ từ tính
cao. Cuộn dây sẽ cuốn từ dây đồng có đường kính 0,5mm. Quá trình tối ưu hóa sẽ được thực
hiện với dòng điện cung cấp cho các cuộn dây có giá trị lớn nhất 2,5A và sử dụng loại lưu
chất có số hiệu MRF132-DG của công ty Lord Corporation sản xuất. Tính chất lưu biến của
lưu chất được tính theo công thức sau:
Y =Y∞ + (Y0 − Y∞ )(2e − Bα SY − e −2 Bα SY )

(5)

Trong đó, đại diện cho các thông số lưu biến của lưu chất như ứng suất chảy, ứng suất
chảy dẻo, tính cứng của lưu chất và chỉ số dòng chảy. Giá trị của Y biến thiên từ giá trị Y 0 với
từ trường bằng không tới trạng thái bão hòa Y ∞ .. α SY là hệ số tại thời điểm bão hòa của Y. B là
mật độ từ trường tác động.
Bảng 1 và hình 3 liệt kê tính chất từ của một số vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết của
phanh, trong đó tính lưu biến của lưu chất được xác định bằng thực nghiệm và kết quả biểu
diễn dưới dạng đường cong thích hợp như sau: µ0 = 0.1 pa.s ; µ∞ = 3.8 pa.s ; α sµ = 4.5T −1 ; τ y 0 = 15 pa ;
τ y∞ = 40000 pa ; α st = 2.9T −1 .
y

Trước tiên, để tính toán ứng suất chảy từ phương trình 5, mật độ của từ trường chạy qua
lưu chất sẽ được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Hình 4 biểu diễn mô hình
phần tử hữu hạn để phân tích đường sức từ chạy trong MRB bằng phần mềm ANSYS với mô
hình 2D đối xứng.
Bảng 1. Tính chất từ của các chi tiết của phanh
Vật liệu
Độ từ thẩm

Mật độ từ thông bão hòa
Thép silic

B-H curve (Hình 3a)

Đồng

1

MRF132-DG

B-H curve (Hình 3b)

1.65 Tesla

Thép không từ tính

1

x
105

1.55 Tesla


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.0

Magnetic Flux Density, B[T]

Magnetic Flux Density, B[T]

1.5

1.0

0.5

0.0
0

2

4

6

8

10

1.5

1.0

0.5

0.0
0

Magnetic Field Intensity, H[kA/m]

500

1000

1500

2000

Magnetic Field Intensity, H[kA/m]

(b) Lưu chất MRF132-DG

(a) Thép Silic

Hình 3. Tính chất từ của vật liệu thép silic và lưu chất điện từ biến

(b) loại đề xuất 2 cuộn dây

(a) loại truyền thống

(c) loại đề xuất 4 cuộn dây
Hình 4. Mô hình phần tử hữu hạn của MRB
Trong quá trình tối ưu hóa, các biến thiết kế cho như trên hình 2 bao gồm: chiều cao h c
và chiều rộng w c của cuộn dây, bề dày của vỏ phanh t h , bán kính R o và bề dày t d của đĩa quay,
bán kính ngoài của vỏ phanh R, và vị trí đặt của cuộn dây trên hai bên vỏ phanh δ. Từ những
nghiên cứu trước đã chỉ rõ, chiều rộng của khe lưu chất càng nhỏ thì cho mô men hãm lớn và
khối lượng của phanh nhỏ. Vì vậy mà trong nghiên cứu này sẽ không đi tối ưu thông số này
và sẽ được chọn 1mm để vừa giúp dễ chế tạo và đạt mô men hãm lớn. Quá trình tối ưu hóa sẽ

sử dụng công cụ tối ưu trong phần mềm ANSYS dùng phương pháp hàm bậc nhất với thuật
toán steepest descent.
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này, các kết quả tối ưu sẽ được trình bày và đánh giá. Hình 5, 6 và 7 lần
lượt là kết quả tối ưu của MRB truyền thống, MRB do nhóm tác giả đề xuất với loại 2 cuộn
dây và 4 cuộn dây ở hai bên. Với giới hạn mô men hãm 10Nm và đặt độ hội tụ là 0,1%, thì có
thể thấy quá trình tối ưu hóa đã hội tụ sau 19 vòng lặp và kết quả như trên hình 5a và 5b với
các giá trị kích thước tối ưu cho loại MRB truyền thống như sau (mm): w c =6,4, h c =2,2, t h =6,
t d =4,2, R o =46 và R=55. Như vậy, với giá trị mô men hãm giới hạn là 10Nm thì khối lượng của
MRB khoảng 1,22 kg. Hình 5c cho thấy sự phân bố của từ thông trên diện tích mặt cắt của
MRB, với mật độ từ thông rất lớn tập trung trên hai đầu cuộn dây, đây còn được gọi là hiệu
ứng thắt cổ chai đường sức từ. Cùng một ràng buộc về mô men hãm 10Nm, đối với loại MRB
do nhóm tác giả đề xuất với 2 cuộn dây đặt hai bên vỏ phanh, có thể thấy kết quả hội tụ sau 29
vòng lặp và giá trị tối ưu các kích thước như trên hình 6a và 6b với các thông số như sau
106


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
(mm): w c =2, h c =6.8, t h =5,2, t d =7, R o =47, R=50 và δ=30 và khối lượng của phanh khoảng 1,1
kg. Kết quả mô phỏng trên hình 6c cho thấy phân bố từ thông trên diện tích mặt cắt của MRB
đồng đều hơn so với loại MRB truyền thống.
Hình 7 cho thấy kết quả tối ưu cho loại MRB với 4 cuộn dây đặt hai bên vỏ phanh. Kết
quả tối ưu hội tụ sau 27 vòng lặp và giá trị tối ưu của các kích thước như trên hình 7a và 7b
(mm): w c =2,4, h c1 =6,2, h c2 =6,5, t h =4,2, t d =4, R o =50, R=54 và δ 1 =3, δ 2 =13 và khối lượng của
phanh khoảng 0,82 kg. Phổ từ thông phân bố trên diện tích mặt cắt của phanh đồng đều hơn
so với hai trường hợp đã xét ở trên.
Hình 8 là kết quả tối ưu của MRB với các giá trị khối lượng ràng buộc theo mô men
hãm lớn nhất đạt được. Trong quá trình tối ưu hóa, kích thước của trục đã được thay đổi để
đảm bảo độ bền khi mô men hãm tăng lên, chi tiết các giá tri của trục được thay đổi theo mô
men hãm như sau: Bán kính trục Rs=6mm với giá trị mô men hãm 5Nm ≤ T d,max ≤ 10Nm;

Rs=8mm với 10Nm < Td,max ≤ 20Nm; và Rs=10mm với 20Nm < Td,max ≤ 30Nm. Kết quả cho
thấy khối lượng của MRB do nhóm tác giả đề xuất có giá trị nhỏ hơn đáng kể khi cho cùng
một giá trị mô men hãm.
3.0

td

th

hc

Braking Torque

Mass of MRB

0.1xR

14

Mass of the MRB (kg)

2.5
8
6
4
2
0

12

2.0

10

1.5

8
6

1.0

Braking Torque (Nm)

wc
0.1xRO

10

4
2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.5

2

Iteration

4

6

8

10

12

Iteration

14

16

18

(b) Khối lượng và mô men hãm

(a) Biến thiết kế

(c) Kết quả tối ưu của mật độ từ thông
Hình 5. Kết quả tối ưu của MRB truyền thống
wc
0.1xRO

10

hc

th
0.1xR

3.0

td
δ
Mass of the MRB (kg)

2.5
8
6
4
2
0

.

Braking Torque

Mass of MRB

14
12

2.0

10

1.5

8
6

1.0

4
5

10

15

20

0.5

25

Iteration

(a) Biến thiết kế

5

10

15

20

Iteration

25

30

(b) Khối lượng và mô men hãm

(c) Mật độ từ thông
Hình 6. Kết quả tối ưu của MRB có 2 cuộn dây đặt hai bên
107

Braking Torque (Nm)

12

Design Variables [mm]

Design Variables [mm]

12


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.0

8

hc1
0.1xR0

δ1

hc2
0.1xR
0.1xδ2

6
4
2
0

5

10

15
Iteration

20

Mass of MRB

14
12

2.5

10
2.0
8
1.5
6
1.0

4

0.5

25

Braking Torque

Braking Torque (Nm)

wc

th
td

Mass of the MRB (kg)

Design Varibles [mm]

10

5

10

15
Iteration

20

25

2

(b) Khối lượng và mô men hãm

(a) Biến thiết kế

(c) Mật độ từ thông

Mass of the MRB (kg)

Hình 7. Kết quả tối ưu của MRB có 4 cuộn dây đặt hai bên
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

Conventional MRB
2 side coils MRB
4 side coils MRB

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50
Braking torque (Nm)

Hình 8. Kết quả tối ưu của MRB với khối lượng ràng buộc theo mô men hãm
5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Từ kết quả mô phỏng, nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo mô hình thực của MRB để
thực hiện thực nghiệm kiểm chứng. Hình 9 là bản vẽ thiết kế của MRB với các thông số kích
thước cho trên bảng 2.
Bảng 2: Các thông số cơ bản của MRB

Cuộn dây:
dày wc1 ≅wc2=2; cao hc1≅hc2=6.5;
Bán kính cuộn dây 1 và 2:
Rc1=23, Rc2=40; Số vòng quấn: 4*30
Vỏ phanh: R=53, th=3,7, L=13
Đĩa phanh: Rs=15, R0=46.5; td= 4
Khe lưu chất: 1 mm
108


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9. Mô hình thiết kế của MRB
Đĩa quay
Vỏ ngoài

Trục quay

Bạc đạn
Cuộn dây

Vòng đệm

Hình 10. Các chi tiết sau khi chế tạo của MRB

Hình 11. Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm
109


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Cảm biến mô men

Động cơ AC

MRB

Encoder

DSP

Hình 12. Mô hình lắp đặt thí nghiệm

8
Experiment

Braking torque (Nm)

6
4
2
0
0.5

1.0

1.5
2.0
Current (A)

2.5

3.0

Hình 13. Kết quả mô men hãm với các dòng điện cung cấp cho các cuộn dây
Trong quá trình chế tạo MRB, nhóm tác giả đã gặp khó khăn khi tìm kiếm vật liệu thép
silic để chế tạo vỏ phanh, do đó nhóm tác giả đã dùng vật liệu thép CT3 thay thế để chế tạo vỏ
của MRB. Kết quả thí nghiệm trên hình 13 cho thấy, giá trị mô men hãm thực tế đo được của
MRB khoảng 5Nm với dòng cung cấp 2,5A.
KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề xuất và đưa ra một cấu tạo MRB có các cuộn
dây đặt ở bên vỏ của MRB, kết quả tính toán mô phỏng cho thấy tính năng vượt trội so với
MRB truyền thống. Quá trình tối ưu hóa đã sử dụng công cụ tối ưu trong phần mềm ANSYS
với hàm bậc nhất và thuật toán steepest descent. Bài toán tối ưu đã được thực hiện thông qua
việc xác định các kích thước quan trọng có ảnh hưởng tới đặc tính của MRB để đánh giá và so
sánh đặc tính của MRB truyền thống và MRB của nhóm tác giả đề xuất. Những kết quả tối ưu
cho thấy, từ thông trên MRB do nhóm tác giả đề xuất phân bố đều hơn, từ đó giảm hiệu ứng
thắt cổ chai đường sức từ và tăng mô men hãm, đồng thời giảm khối lượng của MRB. Nhóm
tác giả đã chế tạo MRB dùng thép CT3 có độ dẫn từ thấp để chế tạo vỏ ngoài của MRB. Kết
quả thí nghiệm đã cho mô men hãm khoảng 5Nm khi cung cấp dòng điện 2,5A trên các cuộn
dây. Hướng phát triển của đề tài trong thời gian tới sẽ dùng vật liệu thép silic để chế tạo vỏ
của MRB, từ đó có thể thực hiện các thí nghiệm để đánh giá chính xác hơn đặc tính của MRB.
Sau đó, dựa vào các đặc tính của MRB, nhóm tác giả sẽ thiết kế và thi công bộ điều khiển để
điều khiển mô men hãm của MRB trong ứng dụng đo và điều khiển mô men xoắn.
110


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wang, J. and Meng, G., “Magnetorheological fluid devices: principles, characteristics

and applications in mechanical engineering” Journal of Materials: Design and
Applications 215 (3), pp. 165-74 (2001).
[2] Muhammad, A., Yao, X. L. and Deng, J. C., “Review of magnetorheological (MR) fluids
and its applications in vibration control”, Journal of Marine Science and Application 5
(3), pp. 17-29 (2006).
[3] Rabinow, J., “Magnetic fluid torque and force transmitting device”, US patent 2,575,360
(1951).
[4] An, J., and Kwon, D., S., “Modeling of a magnetorheological actuator including magnetic
hysteresis”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 14 (9), pp. 541–550
(2003).
[5] Park, E. J., Stoikov, D., Luz, L. F. and Suleman, A., “ A performance evaluation of an
automotive magnetorheological brake design with a sliding mode controller”,
Mechatronics 160, pp.405–16 (2006).
[6] Liu, B., Li, W. H., Kosasih, P. B. and Zhang, X. Z., “ Development of an MR-brakebased haptic device”, Smart Mater. Struct. 15, pp. 1960–9 (2006)
[7] Huang, J., Zhang, J. Q., Yang, Y. and Wei, Y. Q., “Analysis and design of a cylindrical
magnetorheological fluid brake”, Journal of Materials Processing Technology 129,
pp.559–562 (2002).
[8] Smith, A. L., Ulicny, J. C. and Kennedy, L. C., “Magnetorheological fluid fan drive for
trucks”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 18 (12), pp.1131–1136
(2007).
[9] Nguyen, Q. H. and Choi, S. B., “ Optimal design of a novel hybrid MR brake for
motorcycles considering axial and radial magnetic flux”, Smart Materials and Structures
21 (5), doi:10.1088/0964-1726/21/5/055003 (2010)
[10] Nguyen, Q. H. and Choi, S. B., “Selection of magnetorheological brake types via optimal
design considering maximum torque and constrained volume”, Smart Mater. Struct. 21(1)
doi:10.1088/0964-1726/21/1/015012 (2012)
[11] Nguyen, Q. H., Lang V. T. Nguyen, N. D., Choi S. B., “Geometric optimal design of MR
brake considering different shapes of the brake envelope”, Smart Matter. Struct. 23(1),
(2014).
[12] Brian E S, “Research for dynamic seal Friction modeling in linear motion hydraulic

Piston applications”. Master of Science thesis, University of Texas at Arlington, USA
(2005).

111