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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
-------------------------

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


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
-------------------------

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


HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUỐC HƯNG

CÔNG TRÌNH ðƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
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
TP. HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội ñồng ñánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Trần Thu Hà
2. TS. Nguyễn Viễn Quốc
3. TS. Võ Tường Quân
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


TRƯỜNG ðẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ðỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

CÔNG NGHỆ TP.HCM
PHÒNG QLKH – ðTSðH

TP.HCM, Ngày

Tháng

Năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phòng Cún Pẩu

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 28/09/1988

Nơi sinh: ðồng Nai

Chuyên ngành: Cơ – ðiện Tử

MSHV: 1241840011

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)


i

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


ii

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.
Phòng Cún Pẩu


iii

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.

iv

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


v

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


vi

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


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MRF

Lưu chất từ biến

MRB

Phanh lưu chất từ biến

FEA

Phân tích phần tử hữu hạn

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5. 1 ðặc tính từ các bộ phận của phanh ........................................................ 35
Bảng 5. 2 Tính chất lưu biến của lưu chất từ biến .................................................. 36


ix

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


x

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


1

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
1.4. Nội dung nghiên cứu của ñề tài
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


2

- 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


3

+ 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


4

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.


5

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.


6

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


7

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.


8

-

Thời gian ñáp ứng nhanh: 20ms

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

Magnetic Flux

Rotary Disk
Shaft

Stationary Housing

MRF

Magnetic Coil

Hình 2. 2 Cấu tạo cơ bản của MRB [9]
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


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.

Piston

Inner Piston

Outer Piston
Housing
Coil
Magnetic Circuit
MR Fluid Flow
MR Fluid
Piston Guide
Floating Piston
Gas Chamber

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


10

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.


11

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
hệ thống phản hồi xúc giác.
Nhờ vào khả năng ñáp ứng nhanh, MRF ñã nhanh chóng ñược nghiên cứu và ứng
dụng vào trong lĩnh vực này, cụ thể là găng tay MR [4]. Thực chất của găng tay MR là
sự kết hợp giữa các MRB lại với nhau, nó làm cản chuyển ñộng của các ngón tay tương