Thiết kế phanh dùng Dầu Từ Trường

Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT
---o0o---

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---o0o---

ĐỀ CƯƠNG
ĐỒ ÁN TỔNG HỢP ĐỘNG LỰC

Họ và tên sinh viên : Trần Thiện Dương
Phan Thế Khải
Nguyễn Văn Bình
Nguyễn Tấn Ninh
Đào Đinh Sữu
Nguyễn Nhật Tứ
Lớp

: 15ĐL2, 15ĐL3

Ngành

: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô

Cán bộ hướng dẫn : ThS. Hoàng Thắng

1. Tên đề tài: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THIẾT BỊ HỖ TRỢ KHỚP GỐI SỬ
DỤNG DẦU TỪ TRƯỜNG

2. Ngày giao đồ án: 02/2018

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

Ngày nộp đồ án: 06/2018

1


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

3. Kế hoạch thực hiện.
Số lần
thông Nội dung công việc
đồ án
1
Gặp gỡ giáo viên hướng dẫn và
khảo sát đề tài
2
Thu tập tài liệu
3
Mô phỏng kết cấu bằng phần
mềm solidwords
4
Giải thích nguyên lí hoạt động
5
Gia công và lắp ráp
6
Vận hành và kiểm tra kết quả

7
Nộp bài thuyết minh, bản vẻ

Thời gian bắt
đầu
01/02/2018

Thời gian kết
thúc
01/02/2018

10/2/2018
01/03/2018

25/2/2018
20/03/2018

21/03/2018
11/04/2018
15/05/2018
03/06/2018

10/04/2018
10/05/2018
02/06/2018
14/06/2108

Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

2


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này cũng là lúc chúng em gần kết thúc thời gian
học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Đà Nẵng. Khoảng thời gian học tập và
nghiên cứu tại Trường đã giúp cho chúng em hiểu và yêu quý nơi đây nhiều hơn. Nhà
trường và Thầy Cô không những truyền đạt những kiến thức chuyên môn mà còn giáo
dục cho chúng em về lý tưởng, đạo đức trong cuộc sống. Đây là những hành trang không
thể thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp sau này. Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến 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 thời
gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh
được những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các
Thầy Cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình, phục vụ tốt
hơn công tác thực tế sau này.
Cuối cùng, nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng Thắng và các
Thầy Cô trong khoa Cơ khí đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và định hướng
đúng đắn của các Thầy đã giúp nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

3

Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1. TÓM TẮT
Tổn thương khớp gối có thể gặp ở người già, người bị dị tật bẩm sinh hoặc những
người bị tổn thương do tai nạn hoặc làm việc với cường độ cao. Khớp gối yếu khiến việc
di chuyển và vận động gặp khiều khó khăn. Vì vậy chúng ta cần có một thiết bị hỗ trợ để
làm tăng khả năng chịu đựng của cơ thể, giúp cải thiện và phục hồi khả năng làm việc
của các bộ phận bị yếu do tai nạn hoặc do bẩm sinh.
Các thiết bị hỗ trợ lực, phục hồi chức năng cho cơ thể người ngày càng được quan
tâm và phát triển. Hiện nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về các thiết bị phục hồi chức
năng... được công bố. Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu chế tạo phanh từ
trường 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 cần
tới 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 về
chăm sóc sức khỏe được tìm hiểu sâu trong tâm trí con người, việc con người quan tâm
không chỉ là một cuộc sống lâu dài mà còn là một cuộc sống khỏe mạnh. Trong những
năm gần đây, số lượng đột quỵ hoặc chấn thương não và tủy sống đã tăng lên dần dần, số
lượng bệnh nhân bị bất tiện trong chuyển động chân cũng dần dần tăng lên. Tất cả đều
phụ thuộc vào công nghệ.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

4

Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 có
được phục hồi chức năng hiệu quả và lấy lại hành động, đó là động lực và mục tiêu của
nghiên 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 kích
thích bên ngoài và có khả năng thích nghi với thay đổi các điều kiện bên ngoài. Khái
niệm một vật liệu thông minh được lấy cảm hứng ban đầu từ các quan sát của các hệ
thống 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 những
thay đổi về môi trường và thể hiện chức năng của chúng theo một cách kết hợp. Trong
một cách rộng rãi hơn, các vật liệu thông minh là những tính năng kết hợp các chức năng
của cảm biến, phân tích, ra quyết định và hoạt động khi kết hợp với các thuộc tính có thể
kiểm soát của vật liệu. Các kích thích bên ngoài được cảm nhận có thể dẫn đến việc thay
đổi điều kiện môi trường của một vật liệu, ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, từ
trường ... Phản ứng với sự thay đổi môi trường sẽ liên quan đến sự biến đổi của một hoặc
nhiều tính chất của vật liệu như kích thước, hình dạng, cấu trúc, màu sắc, sự từ hoá, tính
dẫn điện, … vv
Hiện nay, các vật liệu thông minh được sử dụng dưới dạng một thành phần tạo nên
một phần của hệ thống thông minh - chúng được thiết kế đặc biệt để phản ứng với kích
thích bên ngoài theo các quy định. Các hệ thống thông minh sử dụng các đặc tính riêng
biệt của vật liệu thông minh và sử dụng chúng theo cách mà các chức năng cảm nhận và
phản ứng có thể thông qua phản hồi giữa đầu vào và đầu ra hoặc được liên kết với các
module xử lý thông tin và ra quyết định. Điều này đã tạo cơ sở cho adaptronics, một thuật
ngữ toàn diện mới cho một loạt các công nghệ được biết đến như là các vật liệu thông
minh, 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 năng
của một mạch điều chỉnh thông thường đã tồn tại và ít nhất một phần tử được áp dụng
theo cách đa chức năng như thể hiện trong hình 1.1.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

5


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Hình 1.1. Hệ thống vật liệu thông minh

Nguồn gốc của adaptronics có thể tìm thấy trong các ngành khoa học vật liệu, tự
động 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 đầu
những 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 học
khi 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 chúng
tương tự nhau, tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu
dựa 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 chất
hoạt 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. Khi
tiếp 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 đổi
đáng kể tùy thuộc vào thành phần của chất lỏng, kích thước, hình dạng và lực của từ
trường. Ví dụ, các nhà nghiên cứu của MIT bắt đầu với các hạt sắt hình cầu chúng có thể
trượt qua nhau, ngay cả khi có từ trường. Điều này giới hạn độ cứng của chúng, vì vậy
các nhà khoa học đang nghiên cứu các hình dạng hạt khác có thể hiệu quả hơn. Với sự
kết hợp đúng mật độ, hình dạng hạt và cường độ từ trường, chất lỏng MR có thể thay đổi
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

6


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

7


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Hiện nay MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thế
giới, 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

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

8


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 một
lực phanh được tạo ra do người lái xe mà lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc đó bánh xe sẽ bị
hãm chặt hay bó cứng lại. Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nên các bánh xe sẽ bị
trượt trên đường, điều này làm mất khả năng điều khiển của lái xe, và xe có thể trượt về
phía trước một khoảng cách không xác định hoặc có thể xảy ra bất kỳ chuyện gì không

biết trước do mất điều khiển xe.
Hiện nay, hệ thống phanh ABS đã cải thiện được sự cố trên, các má phanh sẽ liên
tục hoạt động để sinh ra một một lực bám cần thiết giúp các bánh xe vẫn chuyển động
được 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 trụ
phanh 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 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 nhiệm vụ kiểm soát tốc độ bánh xe (không cho bánh xe trượt trên
mặt đường khi bắt đầu chuyển động).
Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hiện nay hoàn toàn có thể đáp ứng tương tự
như hệ thống ABS. Nhờ vào khả năng hoàn toàn điều khiển được với thời gian đáp ứng
nhanh, khi kết hợp với các loại cảm biến vận tốc... ta hoàn toàn có thể điều khiển phanh
nhấp 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 có
thể 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
do ma sát.
Dễ dàng điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thông qua sợi dây điện.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

9


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường
•
•

Thời gian đáp ứng nhanh : 20 ms
Bộ ly hợp MR cũng được nghiên cứu chế tạo dựa trên những ưu điểm trên của
MRB.

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 máy
móc khác nó có tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng như dập tắt dao dộng. Hầu hết các
loại giảm chấn thông thường đều có độ cứng không thay đổi, vì vậy nếu mật độ nhấp nhô
của mặt đường trùng với tần số dao dộng của thiết bị giảm chấn hoặc độ nhấp nhô mặt
đường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm đi đáng kể hoặc thậm chí là vô hiệu
hóa.
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 điều
khiển được. MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn. Nó có khả
năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm cho
dao động được dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm thấy
thoải mái nhất.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

10


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Về mặt kết cấu, giảm chấn sử dụng MRF có cấu tạo hoàn toàn khác so với các loại
giảm chấn thông thường khi nó hoàn toàn không sử dụng lò xo mà vẫn đảm bảo đầy đủ
về tính năng hoạt động.

Hình 2.2. Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng chất lỏng MRF

2.1.3. Khối gá động cơ
Cơ cấu gá động cơ (engine mount) là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu
thủy…nó dùng để gá đặt động cơ trên khung xe và đảm bảo cho động cơ và các bộ phận
truyền động (động cơ – hộp số – trục cát đăng) trên xe hoạt động ổn định. Cơ cấu gá
động cơ còn được sử dụng để giảm những rung động từ động cơ truyền tới khung xe nhờ
đó người ngồi trong xe cảm thấy thoải mái hơn. Nhiều kiểu cơ cấu gá động cơ đã được
nghiên cứu và phát triển, trong đó một số kiểu đã được đưa vào sản xuất và cung cấp trên
thị 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), chủ
động (acitve mount) và bán chủ động (semi-active mount). Loại cơ cấu gá động cơ
thường hay sử dụng là cơ cấu động cơ gá bằng vật liệu cao su (rubber mount) loại này đã
được sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước, ưu điểm của loại này là có hệ số giảm
chấn thấp, hoạt động hiệu quả ở tần số hoạt động cao nhưng không hoạt động tốt trong
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

11

Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

những tần số cộng hưởng. Để giải quyết những hạn chế này một số cơ cấu gá động cơ
thủy lực sử dụng quán tính do dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoan đàn hồi (làm bằng
cao su). Độ cứng động lực của cơ cấu giá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại không
giảm được những rung động ngoài dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su đặc biệt là
vùng 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 thể
dùng các thuật toán điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn trong một dãi tần số
rộng, nhưng không được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá
thành cao. Những hạn chế có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơ
bán chủ động. Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một hệ
thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn. Vì vậy cơ cấu gá bán chủ động có thể hoạt động
như 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 vào
khả năng có thể điều khiển được, MRF hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu trong việc
điều 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 ta
đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

12


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Ngày nay haptics được ứng dụng khá rộng rãi nhất là trong lĩnh vực y học điều này
giúp 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 thống
phản hồi xúc giác.
Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chóng được nghiên cứu và ứng
dụng vào trong lĩnh vực, cụ thể là găng tay MRF. Thực chất của găng tay MRF là sự kết
hợp giữa các MRF lại với nhau, nó làm cản trở chuyển động của các ngón tay tương ứng
với lực phản hồi thực tế [1]. Từ đó người đeo găng tay có thể cảm giác được như đang
trực tiếp thao tác.

Hình 2.4. Găng tay MR

2.1.5. Van
Một ứng dụng khác của MRF là van MR. Van MR có tác dụng tương tự như các
loại van khác, tuy nhiên về mặt kết cấu thì nó đơn giản và dễ dàng điều khiển hơn.
Ban đầu khi chưa có tác dụng của từ trường, dòng lưu chất chảy vào van theo ngõ
vào inlet, đi ngang qua các khe và ra ngoài theo ngõ ra outlet. Khi có từ trường tác động
dòng lưu chất xung quanh cuộn dây bị từ hóa và trở nên liên kết lại với nhau chỉ khi áp
suất của dòng lưu chất đủ lớn để thắng lực liên kết này thì dòng lưu chất mới có thể đi
qua van được và khi từ trường đủ lớn thì lưu chất xung quanh cuộn dây sẽ hóa rắn, dòng
lưu chất không thể đi qua van.
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

13

Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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

Hình 2.5. Cấu tạo van MR

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

14


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 một
phần quan trọng trong việc chế tạo thiết bị. Khi có từ trường tác động MRF thể hiện tính
chất phi tuyến. Một loạt các mô hình phi tuyến đã được sử dụng để mô tả MRF, bao gồm
các mô hình nhựa Bingham, mô hình biviscous, mô hình Herschel-Bulkley và mô hình
nhựa 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 toán
của 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 đàn
hồi cho đến khi tốc độ cắt lớn hơn giá trị giới hạn τy trong khi nó di chuyển như một chất
lỏng Newton khi vượt qua giá trị giới hạn. Mô hình nhựa Bingham được thể hiện trong
hình 3 thể hiện những tính chất của MRF phụ thuộc vào ứng suất.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

15


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 trong
việc 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 hai
cuộn dây, hai trục quay, một vỏ bọc bên ngoài, và chất lỏng MR lấp đầy khoảng cách
giữa 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 là
khác 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 một

stator (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 cầm
một chiều trong các ứng dụng. Hơn nữa, hai rotor được cố định vào các trục tương ứng
của chúng, được truyền từ nguồn bi-output lái xe để chúng xoay ngược với nhau. Điều
này 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.

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

16


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 riêng
biệt như trong hình 3.2. Do đó, sự rắn chắc của chất lỏng MR ở khoảng cách giữa các
rotor và vỏ bên ngoài xảy ra ngay lập tức. Sự ma sát cắt giữa vỏ và rotor cung cấp mô
men xoắn. Chức năng của mô-men xoắn này có thể là điện trở do các sơ đồ áp dụng các
nguồn hiện tại vào các cuộn dây cũng như sự quay của vỏ. Giả sử rằng vỏ ngoài là không
chuyển 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 mô-men xoắn phanh là mômen xoắn cần thiết để giữ cho vỏ vẫn đứng yên và có hướng ngược lại với rotor 1 (hoặc
2). 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 được
kích thích, ứng suất năng suất trong chất lỏng MR giữa vỏ và rotor 1 là lực đẩy. Nói cách
khác, phanh BMR hoạt động như một ly hợp. Nếu không, nếu chỉ có cuộn dây 2 được
kích thích trong khi vỏ và rotor 1 quay theo cùng hướng, mô-men xoắn được tạo ra là
điện trở và phanh hoạt động như một phanh bình thường.

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

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

17


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Τ = Τ1 − Τ2

(2)

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

T1 = Tai + Tei + Tfi ,i = 1, 2

(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; T ai và Tei là các mômen cảm
ứng 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 như
trong hình 3.3, các biểu thức cho các khối phụ thuộc vào T ai và Tei có thể được đưa ra
dưới các dạng sau:

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

18


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường
b

DR 2 R
Tai = 2π(
) ∫ τai dz,i = 1, 2
2
0

(4)

DR

Tei = 2π

2

∫
D

r 2 τei dr,i = 1,2

S2

2

(5)

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

τai = τ yai + Κγ ai

(6)

τei = τ yei + Κγ ei

(7)

Trong đó K được gọi là tính nhất quán; τyai và τyei là các ứng suất của chất lỏng MR
tại bề mặt của rotor i (i = 1,2) và vỏ. Sự biến đổi của các ứng suất năng suất này phụ
thuộc vào tính chất của chất lỏng MR, có sẵn từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất và độ lớn
của 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 hình
khuyên và mặt cuối có giá trị có thể được xác định là:

γ ai =

γ ei =

D R Ωi − Ω c
2tf
r Ωi − Ω c
tf

,i = 1,2

,i = 1,2

(8)

(9)

Các giá trị của ứng suất năng suất τ yai và τyei không thay đổi đáng kể trong các bề
mặt cắt. Do đó, để đơn giản, các giá trị này có thể được coi là hằng số. vì vậy, phương
trình (10) và phương trình (11) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản như sau:

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

19


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

π2 D2R b R τ yai

Τai =

2

πΚD3R bR (Ωi − Ωc )
+
,i = 1,2
4tf

(12)

Τei =

π(D3R − D3s2 )τ yei
12

4
πΚ (D 4R − Ds2
).(Ωi − Ωc )
+
,i = 1,2
32tf

(13)
Đáng chú ý là mô-men xoắn gây ra bởi độ nhớt và ma sát khô là không phù hợp so
với do từ trường gây ra. Do đó, các thuật ngữ thứ hai ở phía bên tay phải của các phương
trình cũng như các ma sát ma sát khô có thể được bỏ qua trong quá trình thiết kế tối ưu.
3.2.2. Mạch từ
Như đã đề cập, độ lớn của ứng suất năng suất của MR ở những vị trí khác nhau
trong phanh BMR phụ thuộc vào từ trường được áp dụng cho chất lỏng MR. Trong lý
thuyết 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 đường
dẫn 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:

Ñ
∫c Η.dl = Ι nc

(14)

Trong đó Inc là tổng dòng điện xuyên qua bề mặt được bao quanh bởi đường cong C.
Định luật Gauss nói rằng đối với mỗi thể tích trong không gian, từ trường ra khỏi khối
lượng là chính xác giống như một khối lượng đi vào.Định luật này có thể được biểu diễn
dưới dạng phương trình là:

Ñ
∫ B.dA = 0
s

(15)

Trong đó B là mật độ từ và S là bề mặt khép kín bao quanh thể tích. Giải phương
trình (14) và phương trình (15) rắc rối vì sự phức tạp của bề mặt trong việc xem xét cũng
như sự biến đổi của các thông số từ tính trong các thiết bị. Tuy nhiên, trong một phanh
MR, tất cả chúng ta cần là các thông số từ tính trong chất lỏng MR, từ đó, mô-men xoắn
phanh có thể được tính toán. Một đặc tính đáng kể khác là hình dạng đặc biệt của mặt cắt
ngang chất lỏng MR trong đó độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dài. Bằng cách khai thác
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

20


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

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 dây
khác 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 vỏ
trong 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

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

21


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

(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 nhập
qua các yếu tố MR. Do đó, mô men xoắn cảm ứng rất thấp trong trường hợp này. Nói
cách khác, trong một vấn đề tối ưu hóa kỹ thuật, giải pháp tối ưu không tồn tại với sự kết
hợp (c). Do đó, trong vấn đề tối ưu hóa, trường hợp này có thể bị từ chối xem xét bằng
cách thực thi ràng buộc sau đây:

h ≤ bR + t f

(16)

Trong đó h là chiều cao của cuộn dây, và b R 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 tử
như trong hình, trong khi các phần tử 8 và 11 là MR và các phần tử khác là vật liệu từ
tính. Như thể hiện trong hình, thông lượng từ được coi là một đường khép kín thâm nhập
vào 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:

B1A1 = B2 A 2 = .. = B11A11 = Φ

(17)

Trong đó Φ là thông lượng từ xâm nhập qua các mặt cắt ngang trung bình A 1, A2,
…, A11 của các phần tử. . Mặt cắt ngang trung bình của một phần tử là thu được như mức
trung bình của các mặt cắt nhập và xuất của phần tử đó. Các biểu thức cho các yếu tố
trong cấu hình (a) của phanh BMR được tính như sau:

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

22


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

Ai =

A INi + A OUT
,i = 1......11
2

(18)

Trong đó :

A IN1 = πDR h
A OUT1 = A IN2 = π(D R + 2bc)h

Dc 2 (D R + 2bc) 2
= π[
−
]
4
4

A OUT2 = A IN3 = A OUT3 = A IN4

A OUT4 = A IN6 = π(DR = 2 bc)(L1 − h − h c )
A OUT5 = A IN6 = πD R (L1 − h − h c )

A OUT6 = A IN7

D R 2 Ds2 2
= π(
−
)
4
4

(D R − 2t f ) 2 DS22
A OUT7 = A IN8 = A OUT8 = A IN9 = A OUT9 = A IN10 = π[
−

]
4
4
A OUT10 = A IN11 = π(D R − 2t f ) h

A OUT11 = A IN11 = πDg h
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 = fs (B)orB = gs (H)
H = FMR (B)orB = g MR (H)

(Cho sắt )

(19)

(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:

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

23


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường
11

∑ Hk lk = Inc
k =1

I1 = bc
b − bc h
I2 = 1
+
2
2
I3 = h c
L − h c − h b1 − bc
I4 = 1
+
2
2
I5 = b c
L − hc − h
L +t
I6 = 2 f + 1
2
2
I8 = t f
I9 = L1 − h − b 2 − t f
h L
I10 = + 2
2 2
I11 = t f

(21)

(22)

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:
11

∑

k =11,k ≠8,11

11

∑

k =1,k ≠8,11

A8
A
B8 )l k + ∑ f MR ( 8 B8 )lk = I nc
Ak
Ak
k =8,11

(23)

A11
A
B11 )l k + ∑ f MR ( 11 B11 )l k = I nc
Ak
Ak

k =8,11

(24)

fs (

fs (

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 là
yếu tố chất lỏng MR và còn lại là vật liệu từ tính [2]. Như thể hiện trong hình, thông
lượng từ được chia thành ba nhánh.Trong số đó, thông lượng III dự kiến sẽ là không đáng
SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

24


Đề tài: Thiết kế mô hình thiết bị hỗ trợ khớp gối sử dụng dầu từ trường

kể bởi vì nó thấm qua thành phần chất lỏng MR, trong đó có độ thẩm thấu cao, khoảng
cách xa hơn nhiều so với các thiết bị khác. Vì thế, thông lượng III có thể được bỏ qua từ
việc xem xét mà không ảnh hưởng đến kết quả đáng kể. Từ hình 3.4 (b), công thức (15)
được viết lại như sau:
(25)
(26)
Ngoài ra, từ hình 2.3(b), công thức (7.13) có thể được viết lại thành:
(27)
Các biểu thức cho chiều dài của thông lượng từ của các phần tử trong cấu hình (b)
của phanh BMR, bao gồm tổng dòng điện được cho là :

(28)

SVTH: Dương, Khải, Bình, Ninh, Sữu, Tứ

25