Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử dụng lưu chất mrf

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN LÊ QUÝ KHANH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG THIẾT BỊ THẮNG LƯỠNG HƯỚNG
MỚI SỬ DỤNG LƯU CHẤT MRF

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học:

TS. Nguyễn Phương Bắc

Người phản biện 1:

TS. Nguyễn Vũ Anh Duy

Người phản biện 2:

TS. Lê Thanh Danh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 10 tháng 03 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 PGS.TS. Nguyễn Quốc Hung

Chủ tịch hội đồng

2 TS. Nguyễn Vũ Anh Duy

Phản biện 1

3 TS. Lê Thanh Danh

Phản biện 2

4 TS. Nguyễn Hữu Thọ

Ủy viên

5 TS. Phạm Trần Bích Thuận

Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Lê Quý Khanh

MSHV: 15001381

Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1983

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử dụng
lưu chất MRF.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử dụng
lưu chất MRF. Các nội dung chính bao gồm:
- Tìm hiểu về thành phần, ngun lý hoạt đợng của lưu chất từ biến MRF;
- Tìm hiểu một số ứng dụng của lưu chất từ biến MRF;

- Mơ hình hóa, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử
dụng lưu chất từ biến MRF;
- Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo Quyết định số 1756/QĐ-ĐHCN ngày
27/3/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2018
V. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Phương Bắc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng 03 năm 2018
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Phương Bắc
TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn Thạc sĩ mợt cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ lực cố gắng
hết sức của bản thân cịn có sự hướng dẫn nhiệt tình của q Thầy Cơ, cũng như sự
đợng viên ủng hợ của gia đình và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập, nghiên
cứu và thực hiện luận văn. Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời
cám ơn tới:
- TS. Nguyễn Phương Bắc lòng tri ân sâu sắc nhất; trong khoảng thời gian làm luận
văn tuy không nhiều nhưng những kiến thức quý báu của thầy đã giúp chúng tơi
hồn thành luận văn Thạc sĩ.
- Q Thầy Cơ trong khoa Cơng nghệ Cơ khí – Trường Đại học Cơng nghiệp
TP.HCM đã hết lịng giúp đỡ để chúng tơi hồn thành luận văn này.
- Các anh lớp CHCK5A, CHCK5B đã cùng tôi sát cánh trong suốt khóa học Thạc sĩ
tại trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM, khoảng thời gian tuy không dài nhưng
cũng để lại nhiều kỉ niệm khơng thể phai mờ.

Xin kính chúc q Thầy Cô, đồng nghiệp, cùng các bạn học viên sức khỏe, hạnh
phúc và thành công trong công tác và trong cuộc sống.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong nghiên cứu này, mục đích ta tìm hiểu về đặc điểm, ứng dụng của lưu chất từ
biến MRF, đặc điểm của thắng MR brake cổ điển và thắng MR brake lưỡng hướng.
Bằng việc giải bài tốn tối ưu hóa kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn thông
qua phần mềm ANSYS MAXWELL, kết quả là khối lượng nhỏ nhất, kích thước
của phanh và moment phanh đã đạt được theo yêu cầu như mục tiêu trong đề tài
nghiên cứu từ đó thiết kế và chế tạo thực nghiệm, mơ hình hố hệ thống thiết bị
thắng lưỡng hướng mới sử dung lưu chất MRF kết hợp cơ cấu trục cacdan cho việc
thực hiện một chuyển động quay 1 bậc tự do (1-DOF) qua tiến hành thực nghiệm
kiểm chứng kết quả.
Với đề tài: “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng
mới sử dụng lưu chất MRF” có thể phát triển ứng dụng này vào lĩnh vực công
nghiệp và lĩnh vực y tế ….

ii


ABSTRACT
In this study, the purpose of this study is to investigate the characteristics,
applications of magneto rheological fluids, the characteristics of classic MR brakes,
and MR braking. By solving the optimization problem associated with the Finite
Element Method through ANSYS MAXWELL software, the result is the smallest
weight, brake size and brake torque achieved as required in the target. Researched
from the design and experimental design, the new winch modeling system utilizes

the MRF storage, which combines the crankshaft structure for the realization of a
single (one - DOF) through experimental results verification.

Through the topic with title is: "Designing and manufacturing test equipment for
win-win systems using magneto rheological fluids", this application can be
developed in the field of industry and the health sector.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Nguyễn Phương Bắc. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong
luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình
thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi
nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Nguyễn Lê Quý Khanh

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ ii
ABSTRACT ............................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC

...............................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... iix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................x
MỞ ĐẦU

.............................................................................................................11

1. Đặt vấn đề .............................................................................................................14
2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................14
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................11
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..........................................................14
4.1 Phương pháp luận .............................................................................................14
4.2 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................14
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..................................................................................14
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU .......................................................................................14
1.1 Lưu chất từ biến MRF ........................................................................................14
1.1.1 Giới thiệu lưu chất từ biến MRF ...................................................................14
1.1.2 Thành phần của lưu chất từ biến MRF ..........................................................14
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến MRF ...........................................14
1.1.4 Tḥc tính của lưu chất từ biến MRF ...........................................................14
1.1.4.1 Độ nhớt ....................................................................................................14
1.1.4.2 Ứng suất chảy dẻo ...................................................................................14
1.1.4.3 Từ tính của lưu chất MRF .......................................................................14
1.1.4.4 Độ bền và hiện tượng In use thickening .................................................14
1.1.5 Mơ hình tốn học của lưu chất MRF ............................................................14
1.1.5.1 Mơ hình chảy dẻo Bingham ....................................................................14
1.1.5.2 Mơ hình Herhel-Bulkley .........................................................................14
v

1.2 Một số ứng cơ bản của lưu chất từ biến MRF ...................................................21
1.3 Đặc điểm lưu chất từ biến MR brake cổ điển ....................................................23
1.4 Đặc điểm phanh MRF lưỡng hướng....................................................................26
CHƯƠNG 2 MR BRAKE LƯỠNG HƯỚNG MỚI ................................................29
2.1 Giới thiệu mô hình thiết bị thắng lưỡng hướng ...................................................29
2.1.1 Lựa chọn lưu chất MRF ................................................................................29
2.1.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo phanh ...................................................................32
2.2 Tính tốn moment phanh của thiết bị thắng ........................................................33
2.3 Phương pháp giải bài toán tối ưu.........................................................................34
2.3.1 Phương pháp giải tích ...................................................................................34
2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................................36
2.3.3 Kết quả từ phần mềm Ansys Maxwell ..........................................................36
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THIẾT BỊ
THẮNG LƯỠNG HƯỚNG MỚI ỨNG DỤNG MR BRAKE .................................43
3.1 Mô tả thiết bị .......................................................................................................43
3.2 Sơ đồ ....................................................................................................................44
3.3 Mơ hình hóa .........................................................................................................44
3.3.1 Mơ hình hóa phanh ........................................................................................44
3.3.2 Thiết kế và chế tạo cơ cấu thiết bị thắng lưỡng hướng ................................48
3.4 Kết quả thực nghiệm ...........................................................................................50
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................56
1 Kết luận ..................................................................................................................56
2 Đề xuất ...................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................58
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................60

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Ngun lí hoạt đợng của MRF ...................................................................15
Hình 1.2 Đợ nhớt của lưu chất (Pa.s) ........................................................................16
Hình 1.3 Đường cong B-H của MRF ........................................................................17
Hình 1.4 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và chảy dẻo Bingham...........19
Hình 1.5 Phanh lưu chất từ biến truyền thống ..........................................................21
Hình 1.6 Mơ hình giảm chấn MRF ...........................................................................22
Hình 1.7 Khối gá đợng cơ có dùng MRF ..................................................................22
Hình 1.8 Cấu tạo van MRF .......................................................................................23
Hình 1.9 Kết cấu MRB dạng đĩa ...............................................................................23
Hình 1.10 Phanh dạng tang trống ..............................................................................24
Hình 1.11 Phanh dạng kết hợp ..................................................................................24
Hình 1.12 MRB dạng kết hợp có 2 c̣n dây ...........................................................25
Hình 1.13 MRB dạng kết hợp có 2 c̣n dây với rotor dạng chữ T .........................25
Hình 1.14 MRB có 1 c̣n dây quấn mỗi bên vỏ ......................................................26
Hình 1.15 Mặt cắt thiết bị thắng lưỡng hướng kiểu cũ .............................................26
Hình 1.16 MR brake lưỡng hướng kiểu cũ ...............................................................27
Hình 1.17 Sơ đồ phân bố góc quay theo hệ trục tọa đợ (o,x,y,z) ..............................27
Hình 2.1 Mơ hình thiết bị thắng lưỡng hướng mới ...................................................29
Hình 2.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và trượt dẻo Bingham ..........31
Hình 2.3 Đường cong B-H của MRF 132-DG ..........................................................32
Hình 2.4 Đường cong B-H của thép C45 ..................................................................33
Hình 2.5 Mô phỏng thiết kế MRF trên phần mềm ansys maxwell ...........................36
Hình 2.6 Mơ phỏng từ trường thắng MRF ................................................................37
Hình 2.7 Thơng số thiết kế trên phần mềm ansys maxwell ......................................37
Hình 2.8 Lưu đồ thiết kế tối ưu thiết kế MRF sử dụng FEM ...................................38
Hình 2.9 Cấu hình phanh MRF được đề x́t ...........................................................41
Hình 2.10 Hợi tụ khối lượng phanh sử dụng FEA ....................................................41
Hình 3.1 Mơ hình tổng thể thiết bị thắng lưỡng hướng mới .....................................43

vii


Hình 3.2 Mặt cắt thiết bị thắng lưỡng hướng mới ....................................................43
Hình 3.3 Thiết bị thắng lưỡng hướng sử dụng lưu chất MRF .................................44
Hình 3.4 Tổng thể thắng MR brake ..........................................................................44
Hình 3.5 Cấu tạo má phanh 1 ....................................................................................45
Hình 3.6 Cấu tạo má phanh 2 ....................................................................................45
Hình 3.7 Đĩa phanh ...................................................................................................46
Hình 3.8 Trục phanh .................................................................................................46
Hình 3.9 Trục dẫn đợng ............................................................................................47
Hình 3.10 Bánh răng dẫn đợng .................................................................................47
Hình 3.11 Trục bánh răng dẫn đợng .........................................................................47
Hình 3.12 Chi tiết ma phanh, đĩa phanh ...................................................................48
Hình 3.13 C̣n dây ..................................................................................................49
Hình 3.14 Các chi tiết phanh MRF đã được lắp ghép ...............................................49
Hình 3.15 Tồn bợ thiết bị sau khi lắp ghép thành mơ hình thắng lưỡng hướng .....49
Hình 3.16 Mơ men phanh MRF khi chưa cấp dịng ..................................................50
Hình 3.17 Thời gian đáp ứng nấc của MRB theo cường độ dịng điện ....................51
Hình 3.18 Thiết bị đo thực nghiệm ...........................................................................52
Hình 3.19 Kết quả mơ phỏng ảo ...............................................................................53
Hình 3.20 Kết quả thử nghiệm mơ men trên từng góc quay .....................................54
Hình 3.21 Thể hiện giá trị mơ men thực nghiệm ......................................................55
Hình 3.22 Mặt cắt thiết bị thắng lưỡng hướng mới ..................................................56
Hình 3.23 Thiết bị thắng lưỡng hướng 2 bậc tư do ...................................................57
Hình 3.24 Mơ hình thực tế thiết bị thắng lưỡng hướng 2 bậc tư do .........................57

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của MRF ...................................................................30
Bảng 2.1 Các thơng số tḥc tính của MRF 132-DG ...............................................30
Bảng 2.2 Bảng thông số lưu biến của MRF ..............................................................32
Bảng 2.3 Các thông số thiết kế chế tạo thắng lưỡng hướng .....................................42

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

MRB

Magneto Rheological Brake

Phanh lưu chất từ biến

MRF

Magneto Rheological Fluid

Lưu chất từ biến

x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Như chúng ta đã biết công nghiệp hóa hiện đại hóa ln là đề tài cho sự phát triển
của các nước trên thế giới. Công nghiệp hóa bao giờ cũng gắn liền với cơ khí hóa.
Do đó, Ngành kỹ thuật cơ khí là mợt trong những nghành mũi nhọn không kém
phần quan trọng. Đặc biệt là đối với nước ta, mợt nước đang trong q trình hội
nhập thế giới, tiếp thu và vận dụng những thành tựu khoa học - kỹ thuật tiên tiến,
hiện đại nhằm đưa đất nước tiến lên theo con đường công nghiệp hóa và hiện đại
hóa.
Để đáp ứng yêu cầu của thời đại, cũng như củng cố lại kiến thức đã học và tăng
cường khả năng tư duy sáng tạo trong ngành kỹ thuật cơ khí nên chúng em đã chọn
đề tài “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới
sử dụng lưu chất MRF”.
Đây là đề tài nghiên cứu, tìm hiểu về lưu chất MRF và các thiết bị thắng MR brake
sau đó đề xuất mợt mơ hình phanh lưỡng hướng mới sử dụng lưu chất MRF và sau
đó tiến hành tối ưu hóa kích thước bằng phần mềm ansys Maxwell để thiết kế và
chế tạo mơ hình hóa và thực nghiệm kiểm chứng kết quả.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu đề tài là tối ưu hóa, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống thiết bị thắng
lưỡng hướng mới sử dụng lưu chất MRF.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: các tài liệu, cơng trình nghiên cứu về lưu chất MRF, các

nghiên cứu về MR Brake, các tài liệu và thiết bị, mơ hình có liên quan.
Phạm vi nghiên cứu: trên cơ sở kế thừa các kết quả đã nghiên cứu, tiếp tục tính
tốn, lựa chọn cấu hình phanh, tối ưu hóa, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống
thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử dụng lưu chất MRF. Từ đó, đưa ra kết luận và đề
xuất cho hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới ứng dụng vào lĩnh vực y tế, công
nghiệp ….

11


4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Phương pháp luận
Trong nghiên cứu này, tiến hành tiếp cận theo phương pháp lý thuyết kết hợp với
yêu cầu thực tiễn để đưa ra đề xuất cấu hình phanh MRF lưỡng hướng mới. Từ đó,
tiến hành kiểm chứng bằng mơ hình dựa trên tính tốn tối ưu hóa (kết quả từ phần
mềm Ansys Maxwell) để đi đến kiểm chứng bằng thực nghiệm nhằm so sánh và
đánh giá tính năng và hiệu quả của phanh MRF lưỡng hướng mới. Phương pháp
luận được thực hiện theo sơ đồ sau:
Cơ sở lý thuyết

Đề xuất cấu hình phanh
MRF thế hệ mới

Yêu cầu thực tiễn

Tối ưu hóa từ kết quả ansys
maxwell
Kiểm chứng thực nghiệm

So sánh và đánh giá

phanh MRF lưỡng hướng mới

4.2 Phương pháp nghiên cứu
Phân tích lý thuyết: Phân tích phương pháp luận từ các cơng trình khoa học liên
quan được cơng bố trong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, các kỹ yếu hội
nghị khoa học trong nước và quốc tế, trên các luận văn thạc sĩ và các tài liệu liên
quan. Chọn lựa và phát triển các công cụ hiện đại phù hợp với vấn đề cần giải quyết
để xây dựng cơ sở lý thuyết và đề xuất phương pháp thực hiện đề tài.
Phân tích thực nghiệm: Giải pháp được đề x́t phải có tính ứng dụng trong thực tế
và tiến hành thực nghiệm trên mơ hình hệ thống haptic 1 bậc tự do ứng dụng MR
brake lưỡng hướng mới từ đó dựa trên các số liệu đo đạc từ mơ hình thực nhằm
kiểm chứng kết quả tính tốn, đánh giá đợ chính xác cũng như khả năng ứng dụng
của giải pháp vào các lĩnh vực y tế, công nghiệp.

12


5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hiện nay có nhiều loại thiết bị thắng rất cồng kềnh và phức tạp, khơng linh hoạt và
khơng được hiệu quả. Vì vậy câu hỏi đặt ra thiết bị nào có thể làm nổi bật lên các
tính năng: Thời gian đáp ứng lực và phản hồi tín lực nhanh, để giải quyết câu hỏi
này, vật liệu thông minh đặt biệt là lưu chất từ biến MRF có đầy đủ các tính năng đó
và rất an toàn khi sử dụng. Dựa trên các nghiên cứu trước đây về các ứng dụng của
lưu chất từ biến MRF, từ đó tơi đã “nghiên cứu tính tốn, thiết kế và chế tạo thử
nghiệm hệ thống thiết bị thắng lưỡng hướng mới sử dụng lưu chất MRF” dự
kiến hệ thống thiết bị thắng này ứng dụng làm phanh và giảm chấn trên ô tô, xe
máy, các thiết bị thắng trong máy công nghiệp và y tế.

13

CHƯƠNG 1
1.1

GIỚI THIỆU

Lưu chất từ biến MRF

1.1.1 Giới thiệu lưu chất từ biến MRF
Lưu chất từ biến là một loại lưu chất thông minh được phát hiện ra năm 1940 bởi
J.Rabinow. Tuy nhiên, đến năm 1990, sau khi cải thiện và phát triển thì MRF mới
được ứng dụng và phát triển mạnh mẽ. MRF gồm 3 thành phần chính: các hạt từ
tính (chiếm từ 20-45%), chất lỏng nền và tổng hợp các chất phụ gia. Tổng hợp các
thành phần này tạo thành mợt hỗn hợp đồng nhất mà nó quyết định đến ứng suất
chảy dẻo lớn nhất, phạm vi nhiệt độ hoạt động, độ từ thẩm,...
1.1.2 Thành phần của lưu chất từ biến MRF
Lưu chất từ biến gồm 3 thành phần chính : Các hạt từ tính ( Chiếm mợt phần nhỏ
khối lượng từ 20-45%), chất vận chuyển và tổng hợp các chất phụ gia. Tổng hợp
các phần này tạo thành mợt hỗn hợp đồng nhất mà nó quyết đinh đến ứng suất chảy
dẻo lớn nhất, phạm vi nhiệt độ hoạt đợng, đợ từ thẩm…. Điều này giải thích cho
việc có nhiều loại lưu chất MR khác nhau
Các hạt từ tính: các hạt từ tính được chọn là các hạt sắt cacbonyl vì có đợ bão hịa từ
cao. Các hạt sắt cacbonyl thu được do sự phân hủy sắt pentacacbonyl Fe(CO)5 dẫn
đến các hạt từ có hình dạng hình cầu đường kính từ 1-10 µm. Các hạt hình cầu làm
cho nó ít bị mài mịn hơn, cứng hơn, và bên hơn. Đặc biệt, các hạt này được phủ
một lớp da bên ngồi chứa đến 97.8 % là kim loại.Q trình xử lí để lấy được các
hạt sắt cacbonyl này khác tốn kém nên người ta đang nghiên cứu các công nghệ xử
lí khác ít tốn kém hơn, như kĩ thuật xử lí nước atomization.
Chất lỏng nền: chất lỏng nền được lựa chọn dựa vào đợ nhớt của nó, nhiệt đợ hoạt
đợng, khả năng tương thích với các thành phần khác của lưu chất. Thường thì chất

lỏng nềnlà dầu hidrocacbon, dầu khoáng sản, dầu tổng hợp.. nhờ bền, dễ kiếm vá
sự sẵn có của các chất phụ gia. Ở đây, thơng thường, thì dầu silicon được dùng
trong lưu chất từ biến vì đợ nhớt cũng như khả năng tương thích với thành phần
khác.

14


Các chất phụ gia: các chất phụ gia có nhiều công thức, tỉ lệ pha trộn khác nhau
thường độc quyền cho từng loại lưu chất. Nhìn chung, các chất phụ gia đều có chức
năng giải quyết các vấn đề như sự lắng đọng, kết tụ, ngăn chặn oxi hóa, giảm đợ
mài mịn của các hạt sắt từ.
1.1.3 Ngun lý hoạt động của lưu chất từ biến MRF
Ở trạng thái bình thường khi khơng có từ trường đi qua lưu chất, các hạt sắt từ trong
lưu chất chuyển động tự do và biểu hiện tḥc tính Newton như các chất lỏng khác.
Ở trạng thái có tác dụng của từ trường bên ngoài các hạt sắt từ trong lưu chất sẽ gắn
kết, sắp xếp lại với nhau theo hình dạng các đường sức từ có khả năng chống phá vỡ
lien kết. Đợ bền của các liên kết phụ thuộc vào độ lớn của từ trường bên ngồi đưa
vào.

a) Khi khơng có từ trường đi qua

b) Khi có từ trường đi qua

Hình 1.1 Ngun lí hoạt đợng của MRF
1.1.4 Thc tính của lưu chất từ biến MRF
1.1.4.1 Độ nhớt
Độ nhớt ở trạng thái khơng hoạt đợng của lưu chất từ biến đóng vai trị quan trong.
Nó quyết định đến vận tốc, moment nhỏ nhất của đầu ra khi khơng có tác đợng của
từ trường.. Ngồi ra nó cịn ảnh hưởng đến yếu tố nhiệt độ của thiết bị liên quan đến

lực và moment.
Độ nhớt của lưu chất từ biến chịu ảnh hưởng của 2 yếu tố: Độ nhớt của chất lỏng
nền và mật độ của các hạt từ nhỏ
Khi tăng mật độ các hạt từ lên, thì đợ nhớt của lưu chất cũng tăng lên

15


Ở nhiệt đợ phịng, đợ nhớt ở trạng thái khơng có từ trường vào khoảng 50 -200
mPas
1.1.4.2 Ứng suất chảy dẻo
Ứng suất chảy dẻo là yếu tố quan trọng nhất trong các tḥc tính của lưu chất từ
biến. Nó quyết định đến lực hoặc moment sinh ra lớn nhất khi có từ trường.
Các yếu tố quyết định ứng suất chảy dẻo lớn nhất khi có từ trường trong lưu chất
Vật liệu các hạt từ tính quyết định đến đợ bão hịa từ của hạt từ tính, nên nó quyết
định đến ứng suất chảy dẻo của lưu chất.
Mật độ các hạt từ quyết định đến ứng suất chảy dẻo của lưu chất. Tuy nhiên, mợt số
nhà nghiên cứu đã thí nghiệm và chỉ ra rằng khi tăng mật độ các hạt lên thì đợ nhớt
của lưu chất tăng lên nhanh hơn rất nhiều so với ứng suất chảy dẻo lớn nhất. Điều
này ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ giữa lực hoặc moment của thiết bị sinh ra ở trạng
thái có từ trường và khi khơng có từ trường.
Khi thay đổi mợt phần các hạt từ biến cho kích thước lớn hơn ta có thể đạt được
ứng suất chảy dẻo lớn nhất đồng thời giảm được độ nhớt.
Ứng suất chảy dẻo của lưu chất
100%
hạt lớn

100%
hạt nhỏ

Chiều tăng
mật đợ từ thơng
Hình 1.2 Đợ nhớt của lưu chất (Pa.s)
1.1.4.3 Từ tính của lưu chất MRF
Dưới tác dụng của từ trường, mọi vật liệu đều thể hiện khả năng phản ứng của mình
với từ trường bên ngồi. Vật liệu chống lại, khơng cho từ trường đi qua, gọi là vật
liệu kháng từ. Vật liệu có khả năng cho từ trường đi qua nhưng rất ít gọi là vật liệu
thuận từ. Vật liệu cho phép từ trường đi qua mạnh gọi là vật liệu sắt từ. Đặc trưng
cho khả năng phản ứng của vật liệu, người ta xét trên độ từ thẩm của vật liệu.

16


(µ).Vật liệu kháng từ có đợ từ thẩm nhỏ µ <1. Vật liệu thuận từ µ=1. Vật liệu sắt từ
µ>1. Để đơn giản, thông thường độ từ thẩm của vật liệu được đánh giá dựa trên mối
quan hệ giữa cường độ từ trường (H) và mật độ từ thông (B).

B  H
Trong đó:
B: Mật đợ từ thơng (T)
H: Cường đợ từ trường (A/m)
: Độ từ thẩm của vật liệu
Tuy nhiên, bằng các thực nghiệm, từ tính của vật liệu được thể hiện bằng mối quan
hệ giữa cường độ từ trường (H) và mật độ từ thông (B) đặc trưng bằng đường cong
B-H.
Tương tự từ tính của MRF cũng được thể hiện bằng đường cong B-H như hình 1.3
2.0
1.5
1.0
0.5

0.0

0

400

800

1200

1600

2000

Hình 1.3 Đường cong B-H của MRF
Từ đồ thị trên ta cũng có thể nhận ra rằng, một yếu tố không kém phần quan trọng
khi nói về từ tính của lưu chất MRF đó chính là đợ bão hịa từ. Đợ bão hịa từ là khả
năng từ hóa cực đại của lưu chất. Khi lưu chất đã bão hịa từ, thì lúc đó, cho dù
cường đợ từ trường có tăng lên bao nhiêu lần nữa thì mật đợ từ thơng vẫn chỉ là mợt
giá trị cực đại lúc đã bão hịa. Thơng thường lưu chất MRF 132DG có đợ bão hịa từ
là 1.65 T.
Từ tính MRF chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như mật đợ các hạt sắc từ, khả năng
từ hóa của các hạt sắt từ, nhiệt độ…

17


1.1.4.4 Độ bền và hiện tượng In use thickening
Lưu chất sau một thời gian dài hoạt động, chịu ứng suất cao, tỉ lệ cắt cao thì đợ nhớt
ở trạng thái khơng có từ trường sẽ tăng lên, và sau mợt thời gian thì tạo thành mợt

lớp dày và lưu chất hồn tồn mất đi những đặc tính ban đầu. Sở dĩ xảy ra hiện
tượng này là sau một thời gian hoạt động, các lớp vỏ của các hạt từ bị vỡ ra tạo
thành nhiều mảnh nhỏ. Giải pháp cho tình trạng này là sử dụng các hạt có đợ cứng
cao, thay đổi chất phụ gia sao để chống mài mòn, chống ma sát.
1.1.5 Mơ hình tốn học của lưu chất MRF
Mơ hình tốn học của MRF đóng vai trị quan trọng trong trong quá trình nghiên
cứu và phát triển của các thiết bị MR. Hơn nữa, mơ hình chính xác có thể dự đốn
hiệu śt của các thiết bị MR là một phần quan trọng trong việc chế tạo ra các thiết
bị. Khi có từ trường tác đợng MRF thể hiện tính chất phi tuyến. Mợt loạt các mơ
hình phi tuyến đã được sử dụng để mô tả ứng xử của MRF, bao gồm các mơ hình
chảy dẻo Bingham, mơ hình hai đợ nhớt, mơ hình Herschel-Bulkley và mơ hình
chảy dẻo Erying. Mặc dù đã có mợt số mơ hình đã được phát triển và áp dụng cho
MRF, hai mô hình phổ biến nhất đã được sử dụng rợng rãi với đợ chính xác và chi
phí tính tốn hợp lý là mơ hình chảy dẻo Bingham và mơ hình chảy dẻo HerschelBulkley. Vì vậy, hai mơ hình này được sử dụng rợng rãi trong mơ hình tốn của
MRF.
1.1.5.1 Mơ hình chảy dẻo Bingham
Mơ hình chảy dẻo Bingham gồm phần tử rắn 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 biểu
thị như sau [1, 2]:
ττ

.

 



.

H sgn  γ   η γ

y

: Ứng suất cắt trong chất lỏng.

 y : Ứng suất chảy

 : Độ nhớt sau chảy dẻo.
.

λ : Tốc độ trượt của lưu chất.

18

(1-1)


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 tới hạn  y trong khi nó di chuyển như mợt
chất lỏng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn.
Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và trượt dẻo Bingham [3] được thể hiện
trong hình 1.4 thể hiện những tính chất MRF phụ tḥc vào ứng śt.

Hình 1.4 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và trượt dẻo Bingham
Sự đơn giản của mơ 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
1.1.5.2 Mơ hình Herchel- Bulkley
Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ bị trượt dày hay trượt mỏng, đặc biệc là khi
MRF chịu tốc độ cắt cao, cấu tạo này sẽ cho kết quả tốt hơn. Trong trường hợp này
mơ hình nhớt dẻo Herschel-Bulkley là phù hợp và được biểu thị như sau:

  ( y ( H )sgn( )  K 

1/ m

)sgn( )

(1-2)

K: là thông số độ đặc
m: là hệ số chất lỏng của MRF
m>1: chất lỏng trượt mỏng, m<1: chất lỏng trượt dày, m=1 Mơ hình HerschelBulkley giống như mơ hình Bingham.
Trong rất nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, các thông số K,µ, là hằng số Nhưng thực
tế, các thơng số này bị ảnh hưởng bởi từ trường. Zubieta đã đề xuất chảy dẻo cho

19


MRF dựa trên mơ hình chảy dẻo Bingham là căn bản kết hợp với mơ hình nhớt dẻo
Herschel-Bulkley. Các mơ hình này sau đó được áp dụng trong mợt số nghiên cứu.
Tính chất lưu biến của MRF phụ tḥc vào từ trường và có thể được ước tính bằng
cơng thức sau [4]:

Y  Y  (Y0  Y )(2e BSY  e2 BSY )

(1-3)

Trong đó Y là viết tắt của một thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy, độ
nhớt, thông số độ đặc, hệ số chất lỏng. Giá trị của tham số Y có xu hướng từ khơng
đến giá trị bão hịa là hệ số mơmen bão hịa của Y. B là mật đợ từ trường được đặt
vào. Các giá trị của Y0, được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng phương pháp

điều chỉnh đường cong phù hợp..Các thơng số cơ bản của mơ hình Bingham,
Herschel-Bulkey của MRF dựa trên thực nghiệm được trình bày trong bảng thông
số cơ bản [4].
Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của lưu chất MRF

20


1.2 Một số ứng dụng cơ bản của lưu chất từ biến MRF
Một số ứng dụng cơ bản của MRF [5], [6], [7], [8]:
Phanh lưu chất từ biến (MRB): 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. Ngồi ra cịn có những ưu điểm như: năng lượng vận
hành thấp, thiết kế và kết cấu khá đơn giản, khơng chiếm dụng khoảng khơng nhiều,
khơng có sự hao mòn do ma sát bé, dễ dàng điều khiển, thời gian đáp ứng nhanh
(20ms). Hình 1.5 mơ tả ngun lý làm việc của phanh MRF thường được sử dụng
trong các nghiên cứu trước đây. Khi cấp dịng cho c̣n dây sẽ sinh ra từ trường đi
qua khe lưu chất, làm cho MRF kết chặt lại với nhau để hãm đĩa phanh [9], [10].

Hình 1.5 Phanh lưu chất từ biến truyền thống
Bợ phận giảm chấn dùng MRF: có tác dụng bảo vệ bộ phận đàn hồi cũng như dập
tắt dao đợng, khơng sử dụng lị xo mà vẫn đảm bảo đầy đủ về tính năng hoạt đợng.
Hình 1.6 mơ tả nguyên lý hoạt động của giảm chất MRF: khi cấp dịng cho c̣n
dây sẽ sinh ra từ trường đi qua khe lưu chất, làm cho MRF kết chặt lại với nhau để
cản trở sự chuyển động của piston nhằm dập tắt dao động.

21


Hình 1.6 Mơ hình giảm chấn MRF

Ứng dụng MRF chế tạo khối gá động cơ: dùng để gá đặt động cơ trên khung xe để
đảm bảo cho động cơ và các bộ phận truyền trên xe hoạt động ổn định, vì có thể
hồn tồn đáp ứng được u cầu trong việc điều chỉnh lực giảm chấn trong cơ cấu
gá. Hình 1.7 mô tả nguyên lý làm việc của khối gá động cơ MRF: khi từ trường đi
qua khe lưu chất, làm cho MRF kết chặt lại với nhau để giảm rung đợng của đợng
cơ lên khung xe.

Hình 1.7 Khối gá đợng cơ dùng MRF
Ứng dụng của MRF là van: có tác dụng tương tự các loại van khác, tuy nhiên về
mặt kết cấu thì nó đơn giản và dễ dàng điều khiển hơn. Hình 1.8 mơ tác ngun lý

22