Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo cho máy giặt cửa trước dùng vật liệu thông minh

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO KHOA HỌC TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN
CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo cho máy giặt
cửa trước dùng vật liệu thông minh
Mã số đề tài: 171.1011
Chủ nhiệm đề tài: Bùi Quốc Duy
Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Cơ khí

TP Hồ Chí Minh, 12/2018


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Cơng Nghiệp
Tp.HCM, Phịng Quản lý Khoa học và Hợp tác quốc tế, Khoa Cơng nghệ Cơ khí đã
tạo điều kiện cho chúng tơi hồn thành đề tài này.
Xin được gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Nguyễn Hoài Sơn, PGS. TS. Nguyễn
Xuân Hùng, TS. Nguyễn Sỹ Dũng, TS. Châu Minh Quang, ThS. Diệp Bảo Trí và các
cộng sự đã có những ý kiến đóng góp rất bổ ích và giúp đỡ cho chúng tơi rất nhiều
để hồn thành các nội dung được giao.
Và lời cuối cùng, chúng tôi thật sự cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã luôn
động viên, chia sẻ và hỗ trợ chúng tôi đạt được kết quả mong muốn.

i


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG
1.1. Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo cho máy giặt cửa
trước dùng vật liệu thông minh
1.2. Mã số: 171.1011
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
Họ và tên
(học hàm, học vị)

Đơn vị cơng tác

Vai trị thực
hiện đề tài

1 NCS. ThS. Bùi Quốc Duy

Khoa Cơng nghệ Cơ khí, ĐH Công
Nghiệp Tp.HCM

Chủ nhiệm

PGS. TS. Nguyễn Quốc
Hưng

Khoa Công nghệ Cơ khí, ĐH Cơng
Nghiệp Tp.HCM

Thành viên

3 ThS. Hồng Long Vương

Khoa Cơng nghệ Cơ khí, ĐH Cơng
Nghiệp Tp.HCM

Thành viên

4 ThS. Lê Duy Tuấn

Khoa Cơng nghệ Cơ khí, ĐH Cơng
Nghiệp Tp.HCM

Thành viên

TT

2

5 Lê Đại Hiệp

Nhóm nghiên cứu Cơ điện tử, Khoa Cơng
Thành viên
Nghệ Cơ Khí, ĐH Cơng Nghiệp Tp.HCM

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng Nghiệp

Tp.HCM
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 3 năm 2018
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 9 năm 2018
1.5.3. Thực hiện thực tế:

từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 9 năm 2018

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
Sử dụng bài báo Scopus thay thế bài báo ISI cho sản phẩm dạng IV của đề tài.
Đã được Ban Giám Hiệu và Hội đồng khoa học phê duyệt.
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài:. 70 triệu đồng.

ii


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

PHẦN II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Đặt vấn đề
Như chúng ta đã biết, rung động của máy giặt là một trong những vấn đề thử
thách cần quan tâm. Rung động của máy giặt chủ yếu do khối lượng mất cân bằng
của quần áo trong quá trình giặt gây ra. Điều này xảy ra hầu như thường xun ở giai
đoạn vắt-sấy, vì khi đó trống giặt quay với tốc độ tương đối cao khiến cho quần áo bị
ép chặt vào thành trong của trống quay và trở thành một khối lượng mất cân bằng
lớn. Đặc biệt, trong máy giặt cửa trước (máy giặt ngang), khối lượng mất cân bằng
của quần áo càng dễ xuất hiện và rất nghiêm trọng do tác dụng của trọng lực. Rung
động do lực mất cân bằng từ máy giặt truyền sang nền nhà gây ra rung động và tiếng

ồn, khiến người sử dụng không thoải mái và làm máy giặt nhanh hỏng.
Có nhiều nghiên cứu về hệ thống treo cho máy giặt và thông thường được chia
thành hai phương pháp tiếp cận. Phương pháp thứ nhất dựa trên việc kiểm soát khối
lượng cân bằng thùng giặt để loại bỏ nguồn gốc rung động. Phương pháp này có thể
khử tốt rung động của máy giặt, tuy nhiên kết cấu trống giặt phức tạp, chi phí sản
xuất và bảo trì cao. Ở phương pháp tiếp cận thứ hai, rung động của máy giặt được
loại bỏ bằng cách sử dụng hệ thống giảm chấn. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong
quá trình vắt, máy giặt thường chịu cộng hưởng cơ sở ở tần số khá thấp, khoảng 100200 vòng/phút. Cộng hưởng cơ sở xuất hiện là do dạng thức rung động cứng của hệ
thống trống giặt. Để khử tốt dạng thức rung động này, cần một lực giảm chấn khoảng
100N. Khi trống giặt quay với tốc độ cao, thường trên 1000 vịng/phút, khung vỏ của
máy có thể chịu cộng hưởng gây ra tiếng ồn và rung động truyền sang nền nhà. Trong
hệ thống giảm chấn thông thường, bộ giảm chấn bị động (hệ số giảm chấn không đổi)
được sử dụng để hạn chế cộng hưởng của trống giặt ở tần số thấp. Bởi vì khơng thể
kiểm sốt hệ số giảm chấn, lực truyền từ trống giặt sang khung máy và gây ra rung
động nghiêm trọng hơn cho máy giặt ở tần số cao. Do đó, để hạn chế cộng hưởng cho
máy giặt ở tần số thấp một cách hiệu quả đồng thời rung động của máy giặt ở tần số
cao vẫn được cách ly tốt, cần sử dụng hệ thống giảm chấn bán chủ động với hệ số
giảm chấn có thể thay đổi được.

iii


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

2. Mục tiêu
Mục tiêu tổng quát
Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo cho máy giặt cửa trước dùng vật liệu
thông minh

Mục tiêu cụ thể
 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo giảm chấn vật liệu thông minh cho máy giặt cửa
trước xét đến các yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.
 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm đánh giá đặc tính kỹ thuật của giảm chấn.
 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm điều khiển dao động của máy giặt.
 Thực nghiệm đánh giá sản phẩm.
3. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp kế thừa và tham kiến chuyên gia
 Phương pháp phân tích, phản biện
 Phương pháp mơ hình hóa dùng giải tích và tính tốn số
 Phương pháp thống kê kinh nghiệm, thử sai
 Phương pháp thực nghiệm
4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Trong đề tài này, chúng tôi đã thực hiện được các công việc sau:
 Thiết kế tối ưu giảm chấn MRF dựa trên lực giảm chấn cần thiết, lực ma sát
khơng tải, kích thước, khả năng chế tạo và chi phí. Hai giảm chấn mẫu đã được
chế tạo và đánh giá thực nghiệm.
 Thiết kế giảm chấn SMA dựa trên việc nghiên cứu mơ hình cấu trúc SMA ứng
dụng vào trường hợp lò xo SMA - được xem như thanh thẳng. Hai giảm chấn
mẫu đã được chế tạo và đánh giá thực nghiệm.
 Thiết kế và chế tạo hệ thống kiểm tra đặc tính kỹ thuật của giám chấn bán chủ
động để đánh giá hiệu quả hoạt động của giảm chấn vật liệu thông minh.

iv


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển rung động cho máy giặt cửa trước và bộ
điều khiển PID được sử dụng để điều khiển lực giảm chấn cần thiết theo các
khối lượng quần áo giặt khác nhau. Sau đó giảm chấn mẫu vật liệu thông minh
đã được lắp đặt vào máy giặt cửa trước và được điều khiển theo phương thức
On-Off để đánh giá hiệu quả hoạt động.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
 Hai giảm chấn MRF nhỏ gọn, lực giảm chấn cực đại đạt đến 80N, lực ma sát
không tải nhỏ hơn 20N. Kết quả khá tương đồng với mơ hình lý thuyết dựa
trên FEA và đạt yêu cầu đặt ra.
 Hai giảm chấn SMA nhỏ gọn, lực giảm chấn cực đại đạt trên 80N, lực ma sát
không tải nhỏ hơn 10N, thời gian đáp ứng khoảng 28 giây. Kết quả khá phù
hợp với mơ hình tính tốn dựa trên mơ hình cấu trúc SMA ứng dụng vào trường
hợp lò xo SMA và đạt yêu cầu đặt ra.
 Hệ thống kiểm tra đặc tính kỹ thuật của giám chấn bán chủ động đạt yêu cầu
đặt ra, có thể đo được lực giảm chấn thay đổi từ 0 đến 120 N, độ chính xác 1,2
N, hành trình chuyển động 80 mm và tần số dao động 5 Hz.
 Hệ thống điều khiển rung động cho máy giặt cửa trước đạt yêu cầu đặt ra, loại
máy giặt 7 kg, tốc độ quay của trống giặt thay đổi từ 0 đến 1000 vòng/phút và
giao tiếp bằng máy tính. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển lực
giảm chấn cần thiết theo các khối lượng quần áo giặt khác nhau. Kết quả cho
thấy rung động theo các hướng của máy giặt sử dụng giảm chấn vật liệu thông
minh được giảm đáng kể so với kiểu truyền thống, ngoại trừ rung động trên
trục z khi trống giặt quay hơn 900 vòng/phút. Kết quả cũng chỉ ra khả năng
giảm rung theo phương x và y ở tần số cao của giảm chấn SMA tốt hơn một ít
so với giảm chấn MRF, tuy nhiên thời gian đáp ứng chậm hơn.
6. Tóm tắt kết quả
Đề tài tập trung vào thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo vật liệu thông
minh cho máy giặt cửa trước để khử rung động do khối lượng mất cân bằng xuất hiện

v

Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

trong lồng giặt. Trước tiên, hệ thống treo sử dụng vật liệu thông minh MRF và SMA
được đề xuất dựa trên các yêu cầu về lực giảm chấn cực đại, lực ma sát không tải,
khả năng chế tạo, không gian lắp đặt và chi phí. Thiết kế chi tiết của giảm chấn sau
đó được trình bày và giảm chấn mẫu được chế tạo. Một hệ thống kiểm tra đặc tính
giảm chấn được thiết kế và chế tạo để đánh giá hiệu quả hoạt động của giảm chấn.
Kết quả thực nghiệm cho thấy giảm chấn mẫu có sự phù hợp tương đối tốt so với mơ
phỏng lý thuyết. Sau đó một hệ thống điều khiển rung động cho máy giặt cửa trước
được thiết kế, chế tạo và giảm chấn mẫu được lắp đặt vào để thử nghiệm đánh giá.
Kết quả cho thấy rung động theo các hướng của máy giặt sử dụng giảm chấn vật liệu
thông minh được giảm đáng kể so với kiểu truyền thống, ngoại trừ rung động trên
trục z khi trống giặt quay hơn 900 vòng/phút. Ở phần nghiên cứu tiếp theo của đề tài,
giảm chấn vật liệu thông minh tự cấp năng lượng sẽ được nghiên cứu, một thuật toán
điều khiển tốt hơn sẽ được phát triển và hệ thống treo sẽ được nghiên cứu bố trí để
khử tốt rung động ở cả ba phương.
This paper focused on the design, manufacturing and control of a suspension
system for front-loaded washing machines to eliminate vibration due to an
unbalanced laundry mass occurring in the washing drum. Firstly, a suppression
system for washing machines featuring smart material dampers was proposed
considering required damping force, off-state friction force, manufacturing, available
space and cost of the system. Detailed designs of the proposed dampers were then
conducted and prototype dampers were manufactured. A damper assessment system
was designed, manufactured to test performance of the prototype dampers. From the
results, it was shown that there was a good correlation between experimental results
and theoretic modeling. A vibration control system for front-loaded washing

machines was then designed, manufactured and the prototype dampers were applied
to the suspension system for evaluation. It was observed that the vibration in all
directions of the washing machine featuring smart material dampers was well
suppressed in comparison with that using conventional dampers, except the vibration
in z-direction at the drum speed of above 900 rpm. It is finally remarked that as the

vi


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

second phase of this research, a self-powered smart material dampers will be
investigated, a better control algorithm will be developed and the dampers of
suspension system will be employed to appropriate positions in the washing machine
to well eliminate vibration in all directions.
PHẦN III. SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI
3.1. Kết quả nghiên cứu

TT

Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật
Đăng ký

Đạt được

1

Giảm chấn vật liệu thông 2 giảm chấn nhỏ gọn, Fd 2 giảm chấn nhỏ gọn, Fd
minh
đến 80N, F0 < 20N
đến 80N, F0 < 20N

2

Hệ thống thí nghiệm Đo lực 0-120N, độ Đo lực 0-120N, độ
kiểm tra đặc tính kỹ thuật chính xác 1.2N, hành chính xác 1.2N, hành
của giảm chấn
trình 80mm, tần số 5Hz trình 80mm, tần số 5Hz

3

Hệ thống thí nghiệm Máy giặt 7-10kg, tốc độ Máy giặt 7kg, tốc độ 0điều khiển rung động 0-1000 vòng/phút, điều 1000 vòng/phút, điều
cho máy giặt
khiển bằng máy tính
khiển bằng máy tính

4

Tập bản vẽ

5

Sơ đồ thí nghiệm kiểm 1 sơ đồ đánh giá được 1 sơ đồ đánh giá được
tra đặc tính kỹ thuật của đặc tính kỹ thuật của đặc tính kỹ thuật của
giảm chấn

giảm chấn
giảm chấn

6

Sơ đồ thí nghiệm điều 1 sơ đồ đánh giá được 1 sơ đồ đánh giá được
khiển rung động cho khả năng điều khiển dao khả năng điều khiển dao
máy giặt
động của máy giặt
động của máy giặt

7

1 chuyên đề NCS

NCS bảo vệ thành công
1 chuyền đề và đứng tên
chính trong tất cả các
cơng bố khoa học

NCS bảo vệ thành cơng
chuyền đề 1 và đứng tên
chính trong 2 công bố
khoa học

8

Bài báo khoa học

1 bài báo Scopus

1 bài báo Scopus

3 tập bản vẽ thể hiện 3 tập bản vẽ thể hiện
yêu cầu kỹ thuật
yêu cầu kỹ thuật

vii


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

PHẦN IV. TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN VÀ ĐÀO TẠO
CỦA ĐỀ TÀI
TT

Sản phẩm

1

Bài báo cơng bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ
thống ISI/Scopus

2

Sách chuyên khảo được xuất bản hoặc ký hợp đồng
xuất bản

3

Đăng ký sở hữu trí tuệ

4

Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus

5

Số lượng bài báo trên các tạp chí khoa học của Trường,
tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia hoặc báo cáo
khoa học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế

6

Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt
hàng của đơn vị sử dụng

7

Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch
định chính sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN

8

Đào tạo/hỗ trợ đào tạo NCS

9

Đào tạo thạc sĩ

Số lượng
đăng ký

Số lượng
đã hồn
thành

1

1

1

1

PHẦN V. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ

TT

Nội dung chi

A

Chi phí trực tiếp

1

Th khốn chun môn

2

Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

3

Thiết bị, dụng cụ

4

Công tác phí

5

Dịch vụ th ngồi

viii

Kinh phí
được
duyệt
(triệu
đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu
đồng)

34

34

34.5

34.5

Ghi chú


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

6

Hội nghị, Hội thảo, kiểm tra tiến độ,
nghiệm thu

7

In ấn, Văn phòng phẩm

8

Chi phí khác

B

Chi phí gián tiếp

1

Quản lý phí

2

Chi phí điện, nước
Tổng số

1.5

1.5

70

70

PHẦN VI. KIẾN NGHỊ
 Sản phẩm của đề tài này xin được giao cho Khoa Cơng nghệ Cơ khí quản lý,
khai thác và áp dụng tại Phịng thí nghiệm cơ học vật liệu để hỗ trợ cho việc
học tập của sinh viên và nghiên cứu khoa học của giảng viên.
 Chuyển tài sản này vào tài sản cố định của nhà trường năm 2018.
PHẦN VII. PHỤ LỤC
Bài báo Scopus: D. Q. Bui, V. L. Hoang, H. D. Le and H. Q. Nguyen. Design and
evaluation of a shear-mode MR damper for suspension system of front-loading
washing machines. Proceedings of the International Conference on Advances in
Computational Mechanics 2017. ACOME 2017. Lecture Notes in Mechanical
Engineering. Springer, Singapore, 2018.

TPHCM, ngày …… tháng …… năm 20……
Đơn vị chủ trì đề tài

Chủ nhiệm đề tài

Phịng QLKH & HTQT

ix


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

MỤC LỤC
TRANG TỰA

TRANG

Lời cảm ơn .............................................................................................................. i
Phần I. Thông tin chung ......................................................................................... ii
Phần II. Kết quả nghiên cứu .................................................................................. iii
Phần III. Sản phẩm, công bố và kết quả đào tạo của đề tài.................................. vii
Phần IV. Tổng hợp kết quả các sản phẩm KH&CN và đào tạo của đề
tài ......................................................................................................................... viii
Phần V. Tình hình sử dụng kinh phí ................................................................... viii
Phần VI. Kiến nghị ................................................................................................ ix
Phần VII. Phụ lục .................................................................................................. ix
Mục lục................................................................................................................... x
Danh sách các hình............................................................................................... xii

Danh sách các bảng ............................................................................................. xiv
Danh sách các từ viết tắt ...................................................................................... xv
Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu .................................................................................................. 1
1.1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................... 1
1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................ 1
1.1.3 Lưu chất từ biến (MRF)...................................................................... 5
1.1.4 Hợp kim nhớ hình (SMA) .................................................................. 7
1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài .................................................................... 8
1.3 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 9
1.4 Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu ......................................... 9
1.5 Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 9
1.6 Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 10

x


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Chương 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY GIẶT
CỬA TRƯỚC ..................................................................................................... 11
2.1 Phương trình động lực học của máy giặt ................................................ 11
2.2 Phương trình truyền lực từ khối lồng giặt sang thùng máy .................... 12
2.3 Lực giảm chấn cần thiết Fre ..................................................................... 13
Chương 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH
GIÁ TÍNH NĂNG GIẢM CHẤN MRF ........................................................... 15
3.1 Cấu hình giảm chấn MRF ....................................................................... 15
3.2 Thiết kế tối ưu giảm chấn MRF .............................................................. 16

3.3 Kết quả thiết kế tối ưu ............................................................................. 18
3.4 Chế tạo và thực nghiệm đánh giá giảm chấn MRF ................................. 19
Chương 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH
GIÁ TÍNH NĂNG GIẢM CHẤN SMA ........................................................... 22
4.1 Cấu hình giảm chấn SMA ....................................................................... 22
4.2 Thiết kế giảm chấn SMA ........................................................................ 23
4.3 Chế tạo và thực nghiệm đánh giá giảm chấn SMA ................................ 29
Chương 5. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN RUNG ĐỘNG CHO MÁY GIẶT CỬA
TRƯỚC DÙNG VẬT LIỆU THÔNG MINH .................................................. 31
5.1 Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển rung động cho máy
giặt cửa trước .......................................................................................... 31
5.2 Thử nghiệm hệ thống điều khiển rung động ........................................... 33
Chương 6. KẾT LUẬN ...................................................................................... 40
6.1 Kết luận ................................................................................................... 40
6.2 Hướng phát triển ..................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 42

xi


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Hệ thống giảm rung cho máy giặt cửa trước ......................................... 2
Hình 1.2: Đặc tính giảm cộng hưởng và cách rung của hệ thống
giảm chấn bán chủ động......................................................................................... 3
Hình 1.3: Giảm chấn ma sát dùng bọt xốp MR của cơng ty Lord ........................ 4
Hình 1.4: Biến thiên ứng suất trượt và độ nhớt biểu kiến theo biến
dạng trượt của MRF dưới tác dụng của các từ trường khác nhau .......................... 6
Hình 1.5: Các kiểu hoạt động của MRF ................................................................ 7
Hình 1.6: Dữ liệu ứng suất – biến dạng – nhiệt độ thể hiện hiệu quả
nhớ hình của NiTi SMA ......................................................................................... 8
Hình 2.1: Sơ đồ 2D đơn giản của máy giặt cửa trước ......................................... 11
Hình 2.2: Sự truyền lực từ khối lồng giặt sang thùng máy ................................. 13
Hình 3.1: Thiết kế 2D của giảm chấn MRF ........................................................ 15
Hình 3.2: Mật độ từ thơng trong giảm chấn MRF............................................... 19
Hình 3.3: Giảm chấn MRF mẫu cho máy giặt cửa trước .................................... 19
Hình 3.4: Hệ thống thí nghiệm kiểm tra đặc tính kỹ thuật của giảm
chấn kiểu trượt...................................................................................................... 20
Hình 3.5: Kết quả thực nghiệm của giảm chấn MRF .......................................... 21
Hình 4.1: Thiết kế 2D của giảm chấn SMA ........................................................ 22
Hình 4.2: Hệ lực cân bằng của giảm chấn SMA ................................................. 23
Hình 4.3: Sơ đồ phân bố ứng suất trong thanh trịn ............................................ 27
Hình 4.4: Giảm chấn SMA mẫu và các bộ phận của giảm chấn ......................... 29
Hình 4.5: Kết quả thực nghiệm của giảm chấn MRF .......................................... 29
Hình 5.1: Sơ đồ thí nghiệm điều khiển rung động cho máy giặt cửa
trước ..................................................................................................................... 31
Hình 5.2: Sơ đồ khối mơ hình điều khiển giảm chấn MRF ................................ 32

xii


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Hình 5.3: Biểu đồ hoạt động của giảm chấn trong máy giặt cửa trước ............... 33
Hình 5.4: Chỉ số rung động theo phương x của máy giặt.................................... 34
Hình 5.5: Chỉ số rung động theo phương y của máy giặt.................................... 35
Hình 5.6: Chỉ số rung động theo phương z của máy giặt .................................... 36

xiii


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Thuộc tính lưu biến của MRF 132-DG ............................................... 17
Bảng 3.2: Các thông số thiết kế tối ưu của giảm chấn MRF ............................... 18

xiv


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
MR: từ biến
MRF: lưu chất từ biến
ERF: lưu chất điện biến
FF: lưu chất sắt
SMA: hợp kim nhớ hình
FEA: phân tích phần tử hữu hạn
PID: bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

xv


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
1.1.1

Đặt vấn đề

Như chúng ta đã biết, rung động của máy giặt là một trong những vấn đề thử
thách cần quan tâm. Rung động của máy giặt chủ yếu do khối lượng mất cân bằng
của quần áo trong quá trình giặt gây ra. Điều này xảy ra hầu như thường xun ở giai
đoạn vắt-sấy, vì khi đó trống giặt quay với tốc độ tương đối cao khiến cho quần áo bị
ép chặt vào thành trong của trống quay và trở thành một khối lượng mất cân bằng
lớn. Đặc biệt, trong máy giặt cửa trước (máy giặt ngang), khối lượng mất cân bằng

của quần áo càng dễ xuất hiện và rất nghiêm trọng do tác dụng của trọng lực. Rung
động do lực mất cân bằng từ máy giặt truyền sang nền nhà gây ra rung động và tiếng
ồn, khiến người sử dụng không thoải mái và làm máy giặt nhanh hỏng.
1.1.2

Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước

Nghiên cứu ngồi nước
Có nhiều nghiên cứu về hệ thống treo cho máy giặt và thông thường được chia
thành hai phương pháp tiếp cận. Phương pháp thứ nhất dựa trên việc kiểm soát khối
lượng cân bằng thùng giặt để loại bỏ nguồn gốc rung động [1]. Phương pháp này có
thể khử tốt rung động của máy giặt, tuy nhiên kết cấu trống giặt phức tạp, chi phí sản
xuất và bảo trì cao. Ở phương pháp tiếp cận thứ hai, rung động của máy giặt được
loại bỏ bằng cách sử dụng hệ thống giảm chấn [2]. Hình 1 biểu diễn một hệ thống
giảm chấn điển hình cho máy giặt cửa trước.

1


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Hình 1.1: Hệ thống giảm rung cho máy giặt cửa trước
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong quá trình vắt, máy giặt thường chịu cộng hưởng
cơ sở ở tần số khá thấp, khoảng 100-200 vòng/phút [1-3]. Cộng hưởng cơ sở xuất
hiện là do dạng thức rung động cứng của hệ thống trống giặt. Để khử tốt dạng thức
rung động này, cần một lực giảm chấn khoảng 100N. Khi trống giặt quay với tốc độ
cao, thường trên 1000 vòng/phút, khung vỏ của máy có thể chịu cộng hưởng gây ra
tiếng ồn và rung động truyền sang nền nhà. Trong hệ thống giảm chấn thông thường,

bộ giảm chấn bị động (hệ số giảm chấn không đổi) được sử dụng để hạn chế cộng
hưởng của trống giặt ở tần số thấp. Bởi vì khơng thể kiểm soát hệ số giảm chấn, lực
truyền từ trống giặt sang khung máy và gây ra rung động nghiêm trọng hơn cho máy
giặt ở tần số cao. Do đó, để hạn chế cộng hưởng cho máy giặt ở tần số thấp một cách
hiệu quả đồng thời rung động của máy giặt ở tần số cao vẫn được cách ly tốt, cần sử
dụng hệ thống giảm chấn bán chủ động với hệ số giảm chấn có thể thay đổi được.
Hình 2 mơ tả đặc tính giảm cộng hưởng ở tần số thấp và cách rung ở tần số cao của
hệ thống giảm chấn bán chủ động dùng cho máy giặt.

2


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Hình 1.2: Đặc tính giảm cộng hưởng và cách rung của hệ thống giảm rung bán chủ
động
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về hệ thống giảm rung bán chủ động cho máy
giặt cửa trước sử dụng lưu chất từ biến (MRF) [4-8]. Michael và các cộng sự [4] đã
nghiên cứu chế tạo cảm biến bán chủ động có lực giảm chấn thấp dùng cho máy giặt.
Trong giảm chấn này, một ống xốp có chứa dung dịch MRF được sử dụng để thay
đổi lực giảm chấn. Giảm chấn có thể đạt lực giảm chấn 100N, giá thành tương đối rẻ.
Sau đó, Cristiano và các cộng sự [5], đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng giảm
chấn ống xốp MRF có thể giảm rung cho máy giặt cửa trước khá tốt. Tuy nhiên độ
bền của ống xốp, lực giảm chấn khi không tác động khá lớn là trở ngại chính của loại
giảm chấn này. Aydar và các cộng sự [6] đã thiết kế, chế tạo giảm chấn dạng van cho
máy giặt của trước. Khả năng chống cộng hưởng của giảm chấn này rất tốt nhưng khả
năng cách rung không cao do lực giảm chấn khi không tác động khá lớn (khoảng
50N). Nguyen và các cộng sự [7] đã thiết kế tối ưu giảm chấn MRF dạng trượt cho

máy giặt cửa trước. Kết quả tối ưu và mô phỏng cho thấy, đây là loại giảm chấn rất
có nhiều tiềm năng. Nguyen và các cộng sự [8] đã thiết kế tối ưu và chế tạo giảm
chấn loại van cho máy giặt cửa trước. Thực nghiệm cho thấy lực giảm chấn có thể
đạt 157N trong khi đó lực khơng tác động khoảng 18N. Gần đây, Nguyen và các cộng
sự [9] đã phát triển một loại giảm chấn mới sử dụng bộ phát động hợp kim nhớ hình
(SMA). Lực giảm chấn khơng tải khi thực nghiệm rất nhỏ, cho thấy một giải pháp

3


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

mới đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa thí nghiệm kiểm chứng kết
quả trên máy giặt.
Mặc dù đã có một số nghiên cứu về giảm chấn bán chủ động cho máy giặt cửa trước,
nhưng việc nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống vẫn còn rất hạn chế. Hơn nữa,
chi phí của hệ thống giảm rung bán chủ động cho máy giặt chưa được xem xét nên
giá thành chế tạo còn cao. Điều này là trở ngại rất lớn cho việc ứng dụng hệ thống
giảm rung bán chủ động cho máy giặt. Hình 3 mơ tả một giảm chấn ma sát dùng bọt
xốp MR của công ty Lord. Với giá thành khá đắt (khoảng 300 USD), độ bền bọt xốp
chưa cao và lực giảm chấn khi không tải lớn nên sản phẩm chưa được ứng dụng rộng
rãi trên thị trường.

Hình 1.3: Giảm chấn ma sát dùng bọt xốp MR của công ty Lord
Do vậy, việc tiến hành nghiên cứu một cách đầy đủ, hệ thống và xét đến thiệu quả
kinh tế của hệ thống giảm rung bán chủ động cho máy giặt là điều rất cần thiết. Để
thực hiện điều này, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá các
hệ thống giảm rung bán chủ động khả dĩ cho máy giặt. Từ đó, đề xuất các cấu hình

hệ thống giảm rung bán chủ động cho máy giặt xem xét đến các yêu cầu cụ thể của
quá trình giặt và giá thành của hệ thống, chế tạo và thử nghiệm hệ thống giảm rung
bán chủ động trên máy giặt mẫu. Bộ giảm chấn ít tốn chi phí hơn giảm chấn của cơng
ty Lord và được kỳ vọng không đắt hơn nhiều so với giảm chấn thụ động đang có mặt
trên thị trường, nhưng hiệu quả về mặt kỹ thuật là rất lớn.

4


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Nghiên cứu trong nước
Do lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu thông minh còn rất mới ở Việt nam nên các
nghiên cứu về vật liệu và hệ thống thơng minh nói chung và giảm chấn dùng vật liệu
thơng minh nói riêng cịn rất ít. Chủ yếu các nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà
nghiên cứu trong nước được phối hợp và thực hiện nghiên cứu tại nước ngoài. Việc
nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống còn hạn chế, chưa có một mơ hình cụ thể,
chế tạo, thực nghiệm và đánh giá kết quả trên máy giặt thực.
1.1.3

Lưu chất từ biến (MRF)

Lưu chất từ biến (MRF) là một dạng chất lỏng khơng dính chứa các hạt từ hóa có
đường kính khoảng 20 – 50 μm. Thông thường, MRF là sự kết hợp của dầu khoáng
hoặc dầu silicon và các hạt sắt được phủ một lớp vật liệu chống đông. Khi chưa kích
hoạt, các hạt chuyển động tự do và MRF biểu hiện thuộc tính Newton. Dưới tác dụng
của từ trường, các hạt sắt tự sắp xếp dọc theo đường sức từ, độ nhớt biểu kiến tăng
đến điểm tới hạn và MRF trở thành một chất rắn đàn nhớt. Ứng suất chảy ở trạng thái

kích hoạt thay đổi phụ thuộc vào cường độ từ trường và có thể xuất hiện chỉ trong vài
mili giây.
Lưu chất này đã được tìm ra bởi Jacob Rabinow tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia
Hoa Kỳ vào những năm cuối của thập niên 1940. Vài năm sau đó, đã rộ lên một làn
sóng phấn khích về MRF nhưng cũng nhanh chóng biến mất. Chỉ đến đầu thập niên
1990, phong trào nghiên cứu về MRF mới tiếp tục trỗi dậy, dẫn đầu bởi Lord
Corporation. So với lưu chất điện biến (ERF) và lưu chất sắt (FF), MRF thể hiện sức
mạnh hơn hẳn khi được kích hoạt. Chính vì thế, MRF được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều thiết bị như giảm chấn, phanh, ly hợp, van…
Hình 1.4 thể hiện ứng xử liên tục của MRF dạng trượt và hình 1.5 là các kiểu
hoạt động khác nhau của thiết bị MRF.

5


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Hình 1.4: Biến thiên ứng suất trượt và độ nhớt biểu kiến theo biến dạng trượt của
MRF dưới tác dụng của các từ trường khác nhau [19]: (a) định nghĩa miền trước và
sau khi chảy, (b) ứng xử sau khi chảy của lưu chất phi Newton
và (c) độ nhớt biểu kiến

6


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Hình 1.5: Các kiểu hoạt động của MRF: (a) kiểu dòng chảy, (b) kiểu trượt và (c)
kiểu nén [20-22]
1.1.4

Hợp kim nhớ hình (SMA)

Hợp kim nhớ hình (SMA) là một dạng vật liệu nhớ hình độc đáo với khả năng
phục hồi lại hình dạng gốc khi tăng nhiệt độ, nhờ vậy tạo ra một năng lượng phát
động lớn. Thêm vào đó, trong các điều kiện đặc biệt, SMA có thể hấp thụ và phát tán
năng lượng thơng qua q trình biến đổi hình dạng thuận nghịch dưới tác dụng của
tải trọng tuần hoàn. Do đặc tính độc đáo này, SMA được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp như hàng không, ôtô, y sinh, khai thác dầu…
Sự khám phá ra Martensite trong thép bởi Adolf Martens từ thập niên 1890 đã
làm tiền đề cho sự phát triển SMA sau này. Những năm sau đó hiện tượng biến đổi
Martensite được nghiên cứu rộng rãi và đến năm 1949, Kurdjumov và Khandros đã
xây dựng khái niệm về sự chuyển biến Martensite đàn nhiệt. Ngày này, SMA được
biết đến với một số dạng phổ biến như Cu-AL-Ni, Ni-Ti, Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al… Mặc
dù hợp kim Ni-Ti đắt tiền nhưng lại được ưa chuộng hơn do độ ổn định, khả năng

7


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

ứng dụng và biểu hiện cơ nhiệt vượt trội. SMA được ứng dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp tự động, hàng không vũ trụ, y sinh và máy móc.

Hình 1.6: Dữ liệu ứng suất – biến dạng – nhiệt độ thể hiện hiệu quả nhớ hình
của NiTi SMA [18]
Hình 1.6 mơ tả hiệu quả nhớ hình của NiTi SMA. Từ pha gốc Austenite A, làm
nguội SMA xuống dưới Mf gây ra sự chuyển biến về Martensite twinned B. Đặt vào
một ứng suất vượt quá σs, quá trình tái định hướng detwinning bắt đầu và kết thúc tại
σf. Sau đó vật liệu đàn hồi từ C về D và giữ ở trạng thái Detwinned Martensite. Dưới
tác dụng của nguồn nhiệt mà khơng có ứng suất, quá trình chuyển pha nghịch bắt đầu
khi nhiệt độ đạt mức As tại E và kết thúc ở Af tại F. Biến dạng dẻo không sinh ra
trong quá trình detwinning, hình dạng gốc của SMA được phục hồi tại A.
1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài
Các cơng trình khoa học trong và ngoài nước định hướng rất tốt cho sự phát triển
của đề tài. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về bộ giảm chấn vật liệu thông minh,
nhưng chỉ dừng lại ở việc thiết kế và đánh giá thực nghiệm qua một mẫu thử, chưa
thử nghiệm và đánh giá kết quả trên máy giặt thực.

8


Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

IUH

Chính vì thế, đề tài tập trung phát triển về thiết kế tối ưu và chế tạo hệ thống giảm
chấn cho máy giặt cửa trước, sử dụng hai loại vật liệu thông minh (MRF và SMA);
sau đó thiết kế hệ thống điều khiển giảm chấn và đánh giá hiệu quả hoạt động trên
máy giặt, tiến đến định hướng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
1.3 Tính cấp thiết của đề tài
Máy giặt hầu như là người bạn không thể thiếu của mọi nhà. Máy giặt giải phóng
con người khỏi việc giặt giũ hàng ngày và có thêm nhiều thời gian cho những hoạt
động khác. Tuy nhiên rung động trong quá trình giặt thường gây ra tiếng ồn khiến

người sử dụng cảm thấy khó chịu và làm giảm tuổi thọ của máy. Giải quyết vấn đề
rung động là bài tốn khó của các nhà khoa học. Trong các hệ thống giảm chấn thông
thường của máy giặt với hệ số giảm chấn không đổi, rung động chỉ được cách ly ở
tần số thấp, trong khi lực truyền từ trống giặt sang khung máy lại gây ra rung động
dữ dội hơn ở tần số cao. Do vậy, cần phát triển bộ giảm chấn bán chủ động sử dụng
vật liệu thông minh cho máy giặt cửa trước.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát
Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống treo cho máy giặt cửa trước dùng vật liệu
thông minh
Mục tiêu cụ thể
 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo giảm chấn vật liệu thông minh cho máy giặt cửa
trước xét đến các yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.
 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm đánh giá đặc tính kỹ thuật của giảm chấn.
 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm điều khiển dao động của máy giặt.
 Thực nghiệm đánh giá sản phẩm.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp kế thừa và tham kiến chuyên gia

9