Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (mr fluid)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
------------------------------------

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP
DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG
LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
------------------------------------

TRẦN UY NGHI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LY HỢP
DÙNG BỘ TRUYỀN ĐỘNG
LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MR FLUID)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN QUỐC HƯNG

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Quốc Hưng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP. HCM
ngày 10 tháng 05 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1. ……………………………………………………………
2. ……………………………………………………………
3. ……………………………………………………………
4. ……………………………………………………………
5. ……………………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

CƠNG NGHỆ TP. HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

TRẦN UY NGHI

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

16/03/1989

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1241840008

I- Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (MR Fluid)
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Nghiên cứu các đặc tính của lưu chất từ biến

-

Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến

-

Nghiên cứu điều khiển bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến

-

Thực nghiệm và đánh giá kết quả

III- Ngày giao nhiệm vụ: ...........................................................................................
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ...............................................................................
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Hưng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Quốc Hưng


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Trần Uy Nghi


ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo
Sau Đại Học, Khoa Cơ Khí – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Cơng Nghệ TPHCM
đã cho tơi có điều kiện được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc
với thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi chân thành cám ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Hưng đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tôi chân thành cám ơn các quý thầy đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi
những kiến thức q báu trong khóa học vừa qua.
Mặc dù tơi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tơi kính mong nhận được
sự thơng cảm và tận tình chỉ bảo thêm của q thầy cơ và các bạn đồng nghiệp.


iii

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, một bộ ly hợp sử dụng bộ truyền động lưu chất từ biến
được đưa ra xem xét và thực hiện. Đầu tiên, kết cấu của bộ ly hợp dùng lưu chất từ
biến được đưa ra xem xét. Bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến được xem xét và phân tích
dựa trên tính chất lưu biến đàn dẻo Bingham của lưu chất từ biến. Sau đó, việc thiết
kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến được nghiên cứu để tìm ra kích thước hình
học tối ưu của bộ ly hợp để có thể truyền tải được momen xoắn theo yêu cầu với trọng
lượng của kết cấu là nhỏ nhất. Tiếp đó, bộ ly hợp mẫu dùng lưu chất từ biến được chế
tạo và các đặc tính đặc trưng của nó được mang ra thí nghiệm khảo sát. Từ đó một hệ
thống điều khiển tốc độ trục tải dùng bộ ly hợp lưu chất từ biến được thiết kế và chế
tạo. Tiếp theo, bộ điều khiển được thiết kế để điều khiển tốc độ đầu ra của hệ thống.
Để đánh giá hiệu suất của hệ thống, kết quả thí nghiệm của hệ thống được ghi nhận
và trình bày với các cuộc thảo luận.


iv

ABSTRACT
In this research, a new method to control speed of driven shaft using
magnetorheological (MR) clutch is proposed and realized. Firstly, the configuration
of a driven shaft speed control using MR clutch is proposed. The MR clutch
configuration is then proposed and analyzed based on Bingham-plastic rheological
model of MR fluid. An optimal designed of the MR clutch is then studied to find out
the optimal geometric dimensions of the clutch that can transform a required torque
with minimum mass. A prototype of the optimized MR clutch is then manufactured
and its performance characteristics are experimental investigated. A driven shaft
speed control system featuring the optimized MR clutch is design and manufactured
and a controller is then designed to control the output speed of the system. In order
to evaluate the effectiveness of the proposed driven shaft speed control system,
experimental results of the system are obtained and presented with discussions.

v

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt........................................................................................... vii
Danh mục các bảng .................................................................................................viii
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh ......................................................... ix
Chương 1: Giới thiệu ............................................................................................... 01
1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 01
1.2. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 02
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ....................................................................... 03
1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài....................................................................... 03
1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ................................................................ 03
1.5.1. Phương pháp luận....................................................................................... 03
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 04
1.6. Kết cấu luận văn .............................................................................................. 04
Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp ......................................................................... 05
2.1. Khái quát về ly hợp ......................................................................................... 05
2.2. Cơ sở tính tốn của MRF ................................................................................ 08
2.3. Các kiểu hoạt động của lưu chất từ biến (MRF) ............................................. 14
2.4. Các vấn đề cần giải quyết................................................................................ 17
Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến ............................................... 19
3.1. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 19
3.2. Tính tốn ly hợp .............................................................................................. 20
3.2.1. Tính tốn momen truyền động ................................................................... 20
3.2.2. Thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến ......................................... 21

Chương 4: Điều khiển ly hợp MR............................................................................ 24


vi

4.1. Cơ sở tính tốn bài tốn điều khiển ................................................................. 24
4.2. Thí nghiệm xác định momen truyền động ...................................................... 25
Chương 5: Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 28
5.1. Kết quả sử dụng mơ hình để khảo sát ............................................................. 28
5.1.1. Khảo sát ban đầu ........................................................................................ 28
5.1.2. Khảo sát tại phịng thí nghiệm SSSLap ..................................................... 28
5.2. Nhận xét đánh giá kết quả thực nghiệm .......................................................... 29
Chương 6: Kết luận .................................................................................................. 32
6.1. Kết luận ........................................................................................................... 32
6.2. Hướng phát triển ............................................................................................. 32
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 33
Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết kế bộ ly hợp
Phụ lục 2: Chương trình tính tốn tối ưu bộ ly hợp dùng phần mềm ANSYS


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MRF .... Magnetorheological fluids....... Lưu chất từ biến
MRB .... Magnetorheological Brake ...... Phanh lưu chất từ biến
FEA ..... Finite Element Analysis .......... Phân tích phần tử hữu hạn
FEM ..... Finite Element Method ............ Phương pháp phần tử hữu hạn
ABS ..... Anti-lock Braking System ....... Hệ thống chống bó cứng phanh

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Kích thước hình học tối ưu hóa của bộ ly hợp MR ................................. 23


ix

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến ................................................. 6
Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến ............................................................... 6
Hình 2.3:.Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến............................ 7
Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ. ........................................................................ 7
Hình 2.5: Găng tay MR .............................................................................................. 7
Hình 2.6: Cấu tạo van MR ......................................................................................... 8
Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu ....................... 8
Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian .............................. 12
Hình 2.9: Nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến .................................... 13
Hình 2.10: Chế độ van trong ứng dụng MR............................................................. 15
Hình 2.11: Chế độ cắt của MRF............................................................................... 16
Hình 2.12: Chế độ nén của MRF ............................................................................. 17
Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến ............................ 19
Hình 3.2: Lời giải tối ưu của ly hợp MR thơng thường ........................................... 23
Hình 4.1: Thiết lập thử nghiệm để kiểm tra momen truyền động của ly hợp .......... 25
Hình 4.2: Momen truyền động của ly hợp ............................................................... 25
Hình 4.3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tốc độ đầu ra bộ ly hợp ................... 27
Hình 5.1: Mơ hình dùng ở phịng thí nghiệm SSSLap ............................................. 29
Hình 5.2: Đáp ứng điều khiển ổn định tốc độ của hệ thống ly hợp thơng qua bộ điều
khiển PID.................................................................................................................. 30
Hình 5.3a: Đáp ứng điều khiển tốc độ của hệ thống ly hợp thông qua bộ điều khiển

PID ở tần số 1 Hz ..................................................................................................... 30
Hình 5.3b: Đáp ứng điều khiển tốc độ của hệ thống ly hợp thông qua bộ điều khiển
PID ở tần số 3 Hz ..................................................................................................... 31


1

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề:
Ngày nay với điều kiện cơ sở vật chất ngày một được nâng cao, trình độ
khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các nhà nghiên cứu ln tìm tịi và sáng tạo ra
những vật chất có tính hữu dụng với cơng nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói
riêng và nhu cầu cuộc sống nói chung. Đặc biệt là với lĩnh vực máy móc cơng
nghiệp, chúng ngày được cải tiến để hồn thiện hơn và giải quyết được các bài toán
nhược điểm của hệ thống.
Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ là một vấn đề quan trọng bậc nhất,
có ảnh hưởng quan trọng và quyết định đến tất cả các cơ cấu khác. Chính vì vậy mà
việc cải tiến các cơ cấu truyền động luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Có rất
nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động bằng xích, truyền động bằng đai,
truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng các khớp đặc biệt…. Mỗi loại truyền
động đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn cơ cấu
truyền động cho phù hợp.
Được phát hiện từ cuối những năm 1940 bởi Jacob Rabinow, Lưu chất từ
biến (MRF) một loại lưu chất thông minh đã thu hút được nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990, MRF mới được chính
thức đưa vào nghiên cứu và phát triển. Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các
lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn
nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh, khớp nối

ly hợp, van…
Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thiết bị sử dụng
lưu chất từ biến, từ đó hiệu suất của các thiết bị được tăng lên đáng kể. Điều này
cho thấy tiềm năng cũng như tính ứng dụng của lưu chất từ biến là rất lớn và cần
được phát triển nhiều hơn nữa.


2

1.2. Tính cấp thiết của đề tài:
Nhìn chung, các cơ cấu trên thực tế đều có một điểm chung quan trọng đó
chính là điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải. Điều đó cho thấy,
việc điều khiển tốc độ cũng như momen đầu ra của trục tải luôn là một vấn đề được
quan tâm hàng đầu trong nền cơng nghiệp hiện nay.
Với vai trị quan trọng đó, hàng loạt các cơ cấu truyền động đã ra đời như cơ
cấu hộp số (truyền động bằng bánh răng), cơ cấu xích, cơ cấu đai,… với các tỷ số
truyền cố định, điều này đồng nghĩa với việc điều khiển vơ cấp tốc độ trục tải gặp
nhiều khó khăn. Hơn nữa, trong truyền động gặp phải vấn đề về ma sát, gây ra độ
mài mòn cao, cộng với việc các cơ cấu trên có cấu tạo từ những chi tiết tương đối
lớn nên việc lắp đặt vào các hệ thống nhỏ gặp nhiều hạn chế.
Vấn đề điều khiển tốc độ đầu ra của tải giờ đây được đặt ra là vấn đề giải
quyết bài toán ma sát, bài toán tỷ lệ truyền nhằm điều khiển được vô cấp tốc độ, độ
ổn định, độ chính xác và hiệu suất hoạt động cao nhất. Với đặc tính của lưu chất từ
biến, khi khơng có từ trường tác động, nó gần như là một chất lỏng, ảnh hưởng của
nó tới việc truyền động của nó là khá nhỏ; nhưng khi có từ trường tác động vào, nó
gần như hóa rắn, mức độ hóa rắn phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng với
tốc độ rất nhanh (chỉ khoảng 10ms), thì việc khống chế hay nói khác hơn là điều
khiển tốc độ trục tải hoạt động với tốc độ đặt có độ ổn định cùng với hiệu suất cao
là một hy vọng mới cho việc điều khiển tỷ lệ truyền của bộ ly hợp như mong muốn.
Vậy với các đặc tính ưu việt đó của lưu chất từ biến, liệu nó có thật sự đáp ứng

được bài toán điều khiển tốc độ đầu ra của bộ ly hợp hay không?
Để giải quyết câu hỏi này, đòi hỏi cần phải dựa trên các nghiên cứu trước
đây về các ứng dụng của lưu chất từ biến, từ đó có những nghiên cứu tính tốn, thiết
kế, chế tạo và thực nghiệm để đưa ra những đánh giá thiết thực về cơ cấu truyền
động dùng lưu chất từ biến, chỉ số ma sát, độ mài mòn, kiểm soát tỷ lệ truyền động,
nâng cao momen tải là những vấn đề quan trọng cần được lưu tâm, nghiên cứu và
phát triển sâu rộng.


3

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nắm bắt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ
biến.
Thiết kế, tối ưu và chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ra của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Ổn định hệ thống.
1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu về các đặc tính và nguyên lý của lưu chất từ biến.
Nghiên cứu, thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp.
Thực nghiệm, nhận xét và đánh giá bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
1.5.1. Phương pháp luận:
Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa
học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học.
Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và
phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết.
Nghiên cứu chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo ra một loại ly
hợp mới có độ chính xác và ờn định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống được

giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và
độ rắn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một tỷ lệ truyền phù hợp. Để thực hiện
nghiên cứu này cần thực hiện:
Tổng hợp các nghiên cứu có sẵn trong nước và ngồi nước.
Phân tích và tính tốn hệ thống.
Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.
Thực nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả.


4

1.5.2. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên:
Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ
biến vào các cơ cấu máy móc trong cơng nghiệp.
Phương pháp thu thập thơng tin đã có làm nền tảng cho nghiên cứu.
Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng
dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến.
Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến
Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến.
Phân tích tính tốn lý thuyết về hệ thống.
Thiết kế dựa trên tính tốn.
Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống.
Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước điều khiển tự động và điều
khiển hiện đại.
Phân tích tính tốn lý thuyết điều khiển hệ thống.
Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính tốn lý thuyết.
Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.
Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Phương pháp phân tích hệ thống.

Phương pháp đánh giá kết quả đạt được.
1.6. Kết cấu luận văn:
Kết cấu luận văn gồm 6 chương.
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp lưu chất từ biến.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ly hợp MR.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm.
Chương 6: Kết luận.


5

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ LY HỢP
2.1. Khái quát về ly hợp:
Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách
dứt khoát động cơ ra khỏi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay
đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một tỷ số truyền xác định bởi hộp số. Có nhiều
loại ly hợp như: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, ly hợp nam châm điện, ly hợp liên
hợp,… nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đổi
tốc độ trục tải theo mong muốn. Điều này dẫn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức
tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô
cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các vấn đề trên cùng với sự phát
triển của lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu
chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số
vơ cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vẫn giữ
được momen xoắn đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vơ cấp.
Nói rõ hơn về thành phần chính của bộ ly hợp – lưu chất thông minh – lưu

chất từ biến. Lưu chất từ biến (MRF) là một chất lỏng thể keo có các hạt từ hóa
đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron). Nói chung, lưu chất từ biến
bao gờm dầu, thường là dầu khống sản hoặc silicone cơ sở, có tỷ lệ các hạt từ hóa
khác nhau đã được phủ một chất liệu chống đông tụ. Ở trạng thái chưa hoạt động,
lưu chất từ biến thể hiện định luật chất lưu Newton. Khi tiếp xúc với từ trường, các
hạt từ hóa được phân tán trong chất lỏng tạo thành lưỡng cực từ. Những lưỡng cực
từ xếp thành hàng theo đường của từ thơng và chúng có thể chuyển đổi trạng thái
nhanh chóng, mạnh mẽ, và đờng thời cũng hời phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi
khơng cịn chịu tác động của từ trường.


6

(a) khơng có từ trường (B=0)

(b) có từ trường (B≠0)

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến
Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF (electricalrheological fluid) và lưu chất sắt, thiết bị MR có năng suất cao hơn nhiều khi được
kích hoạt. Với ưu điểm này, gần đây đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế tối ưu của
các thiết bị sử dụng MRF như phanh MR, giảm chấn MR, cơ cấu gá động cơ dùng
MR, gang tay MR, van điều tiết MR,….

Cuộn dây

Lưu chất từ biến

Vỏ
Từ trường

Đĩa

Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến


7

Trục piston

Lõi piston
Vỏ piston
Vỏ giảm chấn
Cuộn dây
Mạch từ
Dòng lưu chất MR
Lưu chất MR
Đường dẫn piston
Piston thả nởi
B̀ng chứa gas

Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ

Hình 2.5: Găng tay MR


8

Cởng vào Lõi

Dòng MRF

Cởng ra

Nắp đầu van
C̣n dây

Võ van

Hình 2.6: Cấu tạo van MR
Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống dử dụng
MRF có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc thiết kế tối ưu mạch từ của hệ
thống.
2.2. Cơ sở tính tốn của MRF [5]:
- Từ tính của MRF [5]:
Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử
dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH. Dưới ảnh hưởng
của từ trường, một mơ hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đốn đặc tính
của các hạt trong MRF. Mơ hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi vơ
số các dãy hạt được sắp xếp theo một đường thẳng tương ứng với hướng của từ
trường như biểu diễn trong hình 2.2.
Lực

Các hạt
Dòng từ trường

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu

9

Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần
nhau trong một chuỗi và tăng cùng một tỷ lệ khi MRF biến đổi. Trong thực tế, kết
cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết chặt chẽ nhiều
khối cầu với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ. Dưới ứng suất, các liên kết này
có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ. Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu
phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vẫn có thể cho thấy
được ứng suất chảy diễn ra như thế nào. Các phương trình chuyển động của mỗi hạt
theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF. Tại một từ
trường rất thấp, lực từ Fij được tính bởi cơng thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương
tác từng cặp với nhau, momen lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách
xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc khơng từ tính dưới ảnh hưởng
của từ trường.

Fij 

 2 rij
r
1
2 ij
 m 5  5(mrij ) 7  2(mrij )m 5 
4 p 0  rij
rij
rij 
3

(2.1)

Trong đó Fij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μp là độ dẫn từ của hạt, μ0 là

độ dẫn từ của chân khơng, rij là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được
gây ra bởi các hạt trong MRF

m  4 f 0  a 3 H

(2.2)

Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được
tính bởi:



 f  p
 f  2 p

(2.3)

Trong đó μf là độ dẫn từ riêng của chất lỏng nền.
Ở từ trường cao, độ lớn của momen lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ
độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hịa. Trong trường hợp này, momen lực từ
được tính bởi:


10

4
m   a3 s M s
3

(2.4)

Trong đó μsMs là từ hóa bão hịa của các hạt, đó là khoảng 1,7 x 106A/m cho
khối và 0.48x106A/m cho oxit sắt từ.
- Tính chất lưu biến:
Lưu biến học là một ngành của cơ học thực hiện việc nghiên cứu các biến
dạng của vật liệu. Lưu biến học là một lĩnh vực liên ngành và được sử dụng để mơ
tả các đặc tính của nhiều loại vật liệu như dầu mỏ, thực phẩm, mực in, polymer, đất
sét, bê tông, nhựa đường, …. Các thơng số và đại lượng của lưu biến có thể được
dùng để xác định ảnh hưởng của vật liệu phi Newton, vật liệu đàn hồi như là một
hàm của thời gian, độ ổn định của hàm khi dòng chất lỏng đứng yên hoặc trong suốt
quá trình lưu chuyển, và độ nhớt khi không trượt hoặc độ nhớt tối đa của dịng chất
lỏng để ngăn chặn sự kết tủa. Cơng thức độ nhớt dựa trên cơ sở lý thuyết thủy lực
động học cho sự phân tán lỗng của những hạt hình cầu được tìm ra bởi Einstein
cách đây khoảng 100 năm. Được suy ra từ:

r  1  2.5

(2.5)

Trong đó: ηr là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan.
Việc thêm các hạt rắn vào dung dịch sẽ làm tăng số lượng của các hạt và do
đó làm tăng tỷ lệ khối lượng của các hạt. Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ
nhớt tăng lên. Sook cho rằng nồng độ tối đa của các hạt ϕmax nên được kết hợp trong
mối liên quan giữa độ nhớt và nồng độ.

r 


(1   )2.5

max

(2.6)

Tuy nhiên những cơng thức này khơng xét đến hình dạng và độ cứng của hạt.
Do đó, Toda và Furuse mở rộng cơng thức để cho thấy kích thước của các hạt ảnh
hưởng đến độ nhớt như thế nào.


11

1  0.5
(1   )3

(2.7)

1  0.5  
(1   )3 (1   )

(2.8)

r 

r 

Trong đó K là hệ số hiệu chỉnh, có thể phụ thuộc vào kích thước và mật độ
của các hạt. Độ nhớt của chất lỏng có thể được tăng lên với việc bổ sung của các hạt
rắn. Tuy nhiên, cùng lúc đó, tính chất của chất lỏng sẽ thay đổi.
Tổng quát, ứng suất cắt τ tăng với tốc độ cắt dy/du có thể được đặc trưng bởi
mối quan hệ

   y  (

du n
)
dy

(2.9)

Trong đó, n là hệ số mũ, τy là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động lực.
Trong đó, τy, η và n là hằng số, τy là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động. Chất
lỏng Newton xảy ra khi các dòng chất lỏng khơng có ứng suất chảy hoặc τy bằng 0
và n bằng 1. Độ nhớt của chất lỏng Newton không phụ thuộc vào thời gian và tốc độ
cắt. Hình 2.8 cho thấy việc phân loại chất lỏng dựa trên tính chất lưu biến. Như thể
hiện trong hình, tính chất của chất lỏng có thể được chia thành chất lỏng Newton và
chất lỏng phi Newton như chất lỏng dẻo Bingham, chất lỏng giãn dẻo và chất lỏng
giãn nở được. Chất lỏng được cho là dẻo khi ứng suất cắt phải đạt một giá trị tối
thiểu nào đó trước khi nó bắt đầu tuôn chảy tương ứng với tốc độ cắt. Nếu vật liệu
là chất lỏng dẻo Bingham thì n = 1. Chất lỏng giả dẻo hoặc chất lỏng trượt dính
mỏng có độ nhớt động lực giảm khi tốc độ cắt cao. Chất lỏng trượt đọng dày hoặc
chất lỏng giãn nở thì ngược lại, độ nhớt động học tăng khi tốc độ cắt tăng. Chất lỏng
trượt đọng dày n>1, chất lỏng trượt dính mỏng n<1.


12

Ứng suất cắt

Đường chảy dẻo của
chất lỏng giả dẻo

Chất lỏng dẻo
Bingham

Chất lỏng Newton
Chất lỏng
giả dẻo

Chất lỏng giãn nở được

Tốc độ cắt

Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian.
- Các mơ hình tốn học của MRF:
Mơ hình tốn học của MRF đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển của
các thiết bị sử dụng MRF. MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác
động. Đã có nhiều mơ hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF,
bao gồm các mơ hình dẻo Bingham, mơ hình biviscous, mơ hình dẻo HerschelBulkley, và mơ hình dẻo Eyring. Trong các mơ hình trên thì hai mơ hình được sử
dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mơ hình dẻo Bingham và mơ hình dẻo HerschelBulkley được trình bày một cách tóm tắt như sau:
Mơ hình dẻo Bingham:
Mơ hình tốn học của chất lỏng dẻo Bingham có thể được biểu thị bằng công
thức sau:

   y ( H )sgn( )  
Trong đó:
τ là ứng suất cắt trong chất lỏng.
τy là ứng suất chảy

(2.10)