BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRẦN QUỐC KHẢI
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẬP XE ĐẠP
DÙNG PHANH MRF
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103
LUẬN VĂN THẠC SĨ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017
Cơng trình đƣợc hồn thành tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng
Ngƣời phản iện 1: .......................................................................................................
Ngƣời phản iện 2:........................................................................................................
Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 18 tháng 11 n m 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:
1. ...................................................................................................................................
2. ...................................................................................................................................
3. ...................................................................................................................................
4. ...................................................................................................................................
5. ...................................................................................................................................
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
BỘ CÔNG THƢƠNG
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Quốc Khải
MSHV: 15001371
Ngày, tháng, n m sinh: 03-12-1986
Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã chuyên ngành:60520103
I. TÊN ĐỀ TÀI:
“ Thiết kế, chế tạo hệ thống tập xe đạp dùng phanh MRF ”.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tập luyện xe đạp có thể điều chỉnh đƣợc
một số quá trình cơ ản trong đạp xe đạp nhƣ lên dốc và trên đƣờng trƣờng ứng
dụng phanh lƣu chất từ iến MRF. Các nội dung chính ao gồm:
Tìm hiểu về lƣu chất thông minh và các ứng dụng, đặc iệt là trong l nh vực phanh.
Nghiên cứu các kết cấu phanh MRF hiện nay, và đề xuất kết cấu phanh cho đề tài.
Tính tốn tối ƣu và thiết kế cơ cấu phanh đƣợc đề xuất.
Chế tạo thực nghiệm và đánh giá đặc tính phanh.
Thiết kế, chế tạo và đánh giá kết quả hệ thống đạp xe.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:Theo QĐ số 1756/QĐ–ĐHCN ngày 27/03/2017
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:27/9/2017
IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 20 17
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng
TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP.HCM đã
tận tình chỉ dạy, truyền đạt, giúp tôi trang ị những kiến thức vơ cùng q áu để tơi
có thể hồn thành khóa học.
Tơi xin gửi đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng lịng tri ân sâu sắc nhất; khoảng thời
gian làm luận v n tuy không nhiều nhƣng những kiến thức quý áu của thầy đã giúp
em hoàn thành luận v n Thạc s .
Tôi xin cảm ơn a mẹ tôi, những ngƣời đã ln ên tơi động viên và giúp tơi có
thêm động lực để hồn thành luận v n.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị lớp CHCK5A, CHCK5B đã cùng tơi
sát cánh trong suốt khóa học Thạc sỹ tại trƣờng, khoảng thời gian tuy không dài
nhƣng cũng để lại nhiều kỷ niệm không thể phai mờ.
Tp.HCM, ngày 20 tháng 10 n m 2017
Học viên thực hiện
Trần Quốc Khải
i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện nay trên thị trƣờng hệ thống tập xe đạp chủ yếu vẫn còn sử dụng hệ thống
phanh và trở lực ằng các miếng đệm ằng cao su. Những miếng đệm này thƣờng
gây ra tiếng rít khó chịu khi phanh, và khi phanh sẽ tạo ra một số lƣợng nhỏ ụi.
Ngoài ra một điều cũng quan trọng là khi ạn muốn điều chỉnh mức cƣờng độ tập
luyện cũng khơng thể vì việc điều chỉnh ằng núm vặn thƣờng cảm tính và khơng
chính xác.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một phanh lƣu chất từ iến đ a kép 2 cuộn
dây mỗi ên kết hợp với hệ thống tập xe đạp có thể điều chỉnh đƣợc một số quá
trình cơ ản trong đạp xe đạp nhƣ lên dốc và trên đƣờng trƣờng.Để kiểm soát trở
lực của hệ thống trong quá trình tập luyện giúp ngƣời tập có thể điều chỉnh chính
xác đƣợc mức độ tập luyện một cách dễ dàng.
Bằng dạng phanh này, thông qua ài toán tối ƣu kết hợp với phƣơng pháp phần tử
hữu hạn, phần mền ANSYS nhằm tìm ra kích thƣớc phanh tối ƣu theo yêu cầu sao
cho tạo ra lực phanh đạt theo yêu cầu của hệ thống trong khi khối lƣợng phanh là
nhỏ nhất. Từ kết quả đạt đƣợc, tiến hành thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá
hiệu quả hệ thống phanh dùng lƣu chất từ iến cho hệ thống tập xe đạp có thể sử
dụng rộng rãi trong thực tế.
ii
ABSTRACT
Currently, the bicycle training system mainly usesbrakingsystems and resistance
with rubber pads. These pads often cause annoyingcrashesduring braking time, and
the brake produces a small amount of dust. In addition, when you want to adjust the
intensity of exercise correctly, that is not possible because the adjustment by the
knob is often emotional and inaccurate.
In this study, we propose a dual-disc brakes with two coils on each side
whichcombined with cycling training system that can adjust some of the basic
cycling processes such as ramps and on-roads. In order to control the force of the
system during training, the practitioner can easily adjust the level of exercise.
In this form of braking, through the optimization of the finite element method,
ANSYS software aims to find the optimal brake size required to produce the
braking force required by the system, and Brake volume is minimal. From the
results achieved, the design, manufacture, testing and evaluation of the efficiency of
the braking system using magnetic fluid for bicycle training system can be widely
use in practice.
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của ản thân tôi dƣới sự hƣớng dẫn
của PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng, các số liệu, kết quả nêu trong luận v n là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai cơng ố trong ất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận v n này đã đƣợc cảm
ơn và các thơng tin trích dẫn trong luận v n đã đƣợc ghi nguồn tài liệu tham khảo
đúng quy định.
Học viên
Trần Quốc Khải
iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ ii
ABSTRACT .............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
MỤC LỤC...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................5
1.1
Lịch sử phát triển của xe đạp.........................................................................5
1.2
Tình hình nghiên cứu trên thế giới về các hệ thống tập xe đạp.....................6
1.3
Tình hình nghiên cứu về phanh MRF............................................................8
CHƢƠNG 2
PHANH LƢU CHẤT TỪ BIẾN DÙNG CHO HỆ THỐNG TẬP
XE ĐẠP……….. ......................................................................................................11
2.1
Lựa chọn cấu hình phanh MRF ...................................................................11
2.2
Lựa chọn lƣu chất MR .................................................................................14
2.3
Lựa chọn vật liệu làm vỏ và đ a phanh........................................................17
2.4
Tính tốn mơ men phanh .............................................................................18
CHƢƠNG 3
TÍNH TỐN TỐI ƢU VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU PHANH LƢU
CHẤT TỪ BIẾN .......................................................................................................25
3.1
Tính tốn moment phanh cần thiết ..............................................................25
3.2
Xác định kích thƣớc giới hạn của phanh .....................................................27
3.3
Bài toán thiết kế tối ƣu phanh......................................................................28
3.4
Phƣơng pháp giải ài toán tối ƣu phanh ......................................................29
3.4.1
Phƣơng pháp giải ài toán từ trƣờng của phanh ...................................29
3.4.2
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn ..............................................................30
3.5
Kết quả.........................................................................................................34
v
3.5.1
MRB đ a đơn với 1 cuộn dây ở mỗi ên vỏ..........................................34
3.5.2
MRB đ a đơn với 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ..........................................37
3.5.3
MRB đ a kép với 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ ..........................................39
CHƢƠNG 4
CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CỦA
PHANH MRF…........................................................................................................42
4.1
Bản vẽ thiết kế phanh ..................................................................................42
4.2
Mơ hình thí nghiệm .....................................................................................47
4.3
Kết quả thí nghiệm ......................................................................................48
4.4
Nhận xét và đánh giá kết quả ......................................................................48
4.4.1
Nhận xét ................................................................................................48
4.4.2
Nguyên nhân .........................................................................................49
CHƢƠNG 5
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG ĐẠP XE .....................................................................................................50
5.1
Thiết kế, chế tạo hệ thống tập đạp xe ..........................................................50
5.2
Điều khiển moment hệ thống đạp xe ...........................................................52
5.3
Điều khiển độ nghiêng xe............................................................................53
5.4
Kết quả thực nghiệm....................................................................................54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................57
PHỤ LỤC..................................................................................................................59
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................78
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Phanh và trở lực của hệ thống tập xe đạp .......................................................4
Hình 1.1 Xe Drais .......................................................................................................5
Hình 1.2 Xe đạp và các ộ phận của xe đạp ...............................................................6
Hình 1.3 Hệ thống xe đạp tập thể dục.........................................................................7
Hình 1.4 Mơ phỏng xe đạp tƣơng tác KAIST.............................................................7
Hình 1.5 Hệ thống tập xe đạp......................................................................................8
Hình 1.6 Cấu tạo van MRF .........................................................................................8
Hình 1.7 Mơ hình giảm chấn MR ...............................................................................9
Hình 1.8 Phanh MRF dạng đ a truyền thống ..............................................................9
Hình 2.1 Phanh MRF dạng tang trống ......................................................................11
Hình 2.2 Phanh MRF dạng kết hợp với 2 cuộn dây với roto hình chữ T .................12
Hình 2.3 Phanh MRF đ a kép 1 cuộn dây .................................................................12
Hình 2.4 Phanh MRF với cuộn dây ở hai ên vỏ......................................................13
Hình 2.5 Đề xuất cấu hình đ a kép với 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .............................14
Hình 2.6 Biểu đồ tƣơng quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham .................16
Hình 2.7 Đƣờng cong B-Hcủa MRF 132-DG...........................................................17
Hình 2.8 Đƣờng cong B-H của thép C45..................................................................18
Hình 2.9 Phần tử MRF trong khe lƣu chất................................................................19
Hình 2.10 MRB đ a đơn với 1 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .............................................22
Hình 2.11 MRB đ a đơn với 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .............................................22
Hình 2.12 MRB đ a kép với 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .............................................23
Hình 3.1 Kích thƣớc cơ sở an đầu của xe ...............................................................25
Hình 3.2 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ánh sau xe .........................................26
Hình 3.3 Vị trí lắp phanh MRF ở trục sau xe đạp.....................................................28
Hình 3.4 Lƣu đồ thiết kế tối ƣu thiết ị MRF sử dụng FEM ....................................31
Hình 3.5 MRB đ a đơn 1 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .....................................................36
Hình 3.6 MRB đ a đơn 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .....................................................38
Hình 3.7 MRB đ a kép 2 cuộn dây ở mỗi ên vỏ .....................................................40
Hình 4.1 Tổng thể cụm phanh...................................................................................42
Hình 4.2 Cấu tạo đ a phanh 01..................................................................................43
Hình 4.3 Cấu tạo đ a phanh 03..................................................................................44
Hình 4.4 Cấu tạo đ a phanh 02..................................................................................44
Hình 4.5 Cấu tạo trục phanh .....................................................................................45
Hình 4.6 Cấu tạo vỏ phanh 1.....................................................................................45
Hình 4.7 Cấu tạo vỏ phanh 2.....................................................................................46
Hình 4.8 Nắp đậy cuộn dây.......................................................................................46
vii
Hình 4.9 Mơ hình thí nghiệm kiểm tra moment phanh.............................................47
Hình 4.10 Sơ đồ đo moment của phanh ....................................................................47
Hình 4.11 Biểu đồ so sánh moment phanh ...............................................................48
Hình 4.12 Sai lệch kết quả thực tế và lý thuyết ........................................................48
Hình 5.1 Hệ thống tập xe đạp....................................................................................50
Hình 5.2 Khung xe đạp .............................................................................................51
Hình 5.3 Khung đỡ hệ thống đạp xe .........................................................................51
Hình 5.4 Cụm nâng hạ ..............................................................................................52
Hình 5.5 Mối quan hệ moment và dịng điện............................................................53
Hình 5.6 Sơ đồ điều khiển moment phanh................................................................53
Hình 5.7 Sơ đồ điều khiển độ nghiêng xe .................................................................54
Hình 5.8 Moment phanh theo thời gian ....................................................................54
Hình 5.9 Mơ hình hệ thống tập xe đạp......................................................................55
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của lƣu chất MRF – 132DG ........................................15
Bảng 2.2 Các thông số từ iến của lƣu chất MRF132-DG ......................................17
Bảng 3.1 Các thông số thiết kế MRB đ a đơn 1 cuộn dây mỗi ên vỏ .....................36
Bảng 3.2 Các thông số thiết kế MRB đ a đơn 2 cuộn dây mỗi ên vỏ .....................38
Bảng 3.3 Các thông số thiết kế MRB đ a kép 2 cuộn dây mỗi ên vỏ .....................40
ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FEA
Finite Element Analysis
Phân tích phần tử hữu hạn
FEM
Finite Element Method
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
MRB
Magneto Rheological Brake
Phanh lƣu chất từ iến
MRF
Magneto Rheological Fluid
Lƣu chất từ iến
x
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong ộn ề cuộc sống, công việc quá nhiều cuốn chúng ta vào những lo toan mà
quên mất đi những giá trị khác của cuộc sống. Và đến khi nhận ra thì sức khỏe đã
khơng cịn sung mãn. Để sức khỏe ln đƣợc đảm ảo thì việc tập thể dục đều đặn
là rất cần thiết.Vậy lợi ích của việc tập thể dục là gì? Khơng ao giờ là quá muộn để
ắt đầu tập thể dục, tập thể dục thƣờng xuyên giúp ạn: cơ thể s n chắc, trái tim
khỏe mạnh, t ng cƣờng sức đề kháng, giảm tress, giảm cholesterol xấu, t ng
cholesterol tốt…. Làm thế nào để ạn ắt đầu tập thể dục ? Đầu tiên ạn hãy ngh
về những gì ạn muốn làm và làm thế nào phù hợp với ạn khi ạn là một ngƣời
ận rộn, ạn khơng có thời gian để đi đến phịng tập và ngại ra đƣờng vì những vấn
đề thời tiết, khói ụi ơ nhiễm hay an tồn trên đƣờng. Và ạn muốn tập thể dục tại
nhà hay tại nơi làm việc. Một trong những phần phổ iến nhất của thiết ị tập thể dục
tại nhà là một hệ thống tập xe đạp sẽ đáp ứng đƣợc các yêu cầu đó của ạn.Tuy
nhiên một hệ thống tập xe đạp nào sẽ đáp ứng đƣợc các yêu cầu của ạn?
Trong q trình học tập và nghiên cứu em có cơ hội tìm hiểu về phanh MRF và các
ứng dụng của nó. Nhận thấy rằng phanh MRF có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ
thuật nhƣ: kết cấu đơn giản, khơng có ma sát giữa các ộ phận kim loại, dễ dàng
điều khiển….nhƣng hiện nay chƣa đƣợc ứng nhiều vào các thiết ị tập thể dục mà
cụ thể là các loại xe đạp thể dục. Từ đó vấn đề đặt ra là một hệ thống tập xe đạp kết
hợp phanh MRF là khả thi?
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tập luyện xe đạp có thể điều chỉnh đƣợc
một số q trình cơ ản trong đạp xe đạp nhƣ lên dốc và trên đƣờng trƣờng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Với mục tiêu đã đặt ra, đề tài sẽ tập trung vào một số nội dung sau:
1
Tìm hiểu về lƣu chất thơng minh và ứng dụng, đặc iệt là trong l nh vực phanh.
Nghiên cứu các kết cấu phanh MRF hiện nay, và đề xuất kết cấu phanh hợp lý
cho đề tài.
Tính tốn tối ƣu và thiết kế cơ cấu phanh.
Chế tạo và thực nghiệm đánh giá đặc tính của phanh.
Thiết kế chế tạo hệ thống đạp xe dùng phanh MRF.
Thực nghiệm hệ thống đạp xe và đánh giá kết quả.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phƣơng pháp luận
Thiết kế, chế tạo hệ thống tập xe đạp dùng phanh MRF nhằm tạo ra hệ thống đạp xe mới
đạt hiệu quả cao thay thế cho hệ thống đạp xe cũ kém hiệu quả ở các modul trƣớc đó.
Trong nghiên cứu này, tiến hành tiếp cận theo phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với
yêu cầu thực tiễn để đƣa ra đề xuất cấu hình phanh MRF thế hệ mới dùng cho hệ
thống tập xe đạp. Từ đó, tiến hành kiểm chứng ằng mơ phỏng dựa trên tính tốn lý thuyết
để đi đến kiểm chứng ằng thực nghiệm nhằm so sánh, đánh giá tính n ng và hiệu quả của
phanh MRF đƣợc đề xuất. Phƣơng pháp luận đƣợc thực hiện theo sơ đồ sau:
Cơ sở lý thuyết
Đề xuất cấu hình phanh MRF
thế hệ mới cho hệ thống tập xe
đạp
Kiểm chứng ằng mơ phỏng
dựa trên tính tốn lý thuyết
Kiểm chứng so sánh
ằngthực nghiệm
Thiết kế, chế tạo và điều khiển hệ thống tập
xe đạp dựa trên đặc tích thực nghiệm phanh
2
Yêu cầu thực tiễn
4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.2.1 Phân tích lý thuyết
Phân tích phƣơng pháp luận từ các cơng trình khoa học liên quan đƣợc công ố
trong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, các kỹ yếu hội nghị khoa học
trong nƣớc và quốc tế, trên các luận v n thạc s 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 phƣơng pháp thực hiện đề tài.
4.2.2 Phân tích thực nghiệm
Giải pháp đƣợc đề xuất phải có tính ứng dụng trong thực tế và tiến hành thí nghiệm
trên mơ hình thực trong phịng thí nghiệm và trên các tập số liệu đo đạc từ mơ hình
thực nhằm kiểm chứng, đánh giá độ chính xác cũng nhƣ khả n ng ứng dụng của giải
pháp đƣợc đề xuất trong phần lý thuyết.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Mặc dù đi xe đạp là một trong những hoạt động thể thao nổi tiếng trên thế giới và là
một ài tập tốt cho việc duy trì sức khỏe cơ thể, nhƣng nó vẫn chƣa phổ iến ở Việt
Nam. Bởi vì để đi xe đạp thì cần thiết phải có một khu vực rộng lớn. Do sự phổ iến
của xe máy và các loại phƣơng tiện xe cơ giới khác, nên việc sử dụng xe đạp là rất
hạn chế. Một mối quan tâm khác của xe đạp là vấn đề an toàn. Đây là một hoạt
động tốc độ cao và tƣơng đối nguy hiểm so với các hoạt động ngoài trời khác nhƣ đi
ộ đƣờng dài, cắm trại và câu cá. Vì vậy để đảm ảo an tồn trong q trình đi xe
đạp thì mọi thứ cần phải đƣợc chuẩn ị tốt.
Một xe đạp mô phỏng kết hợp thay đổi động n ng và tƣơng tác với ngƣời tập đã và
đang đƣợc phát triển,nhƣ thay đổi động n ng ao gồm các lực ma sát giữa mặt đất
và những chiếc xe đạp, tốc độ cƣỡi xe đạp khi lên dốc và xuống dốc.
Và với những điều trên một hệ thống tập xe đạp mơ phỏng đã đƣợc phát triển cho
mục đích tập thể dục và vui chơi giải trí, nhằm thúc đẩy các hoạt động đi xe đạp[1].
3
Hiện nay trên thị trƣờng hệ thống tập xe đạp chủ yếu vẫn còn sử dụng hệ thống
phanh và trở lực ằng các miếng đệm ằng cao su. Những miếng đệm này thƣờng
gây ra tiếng rít khó chịu khi phanh, và khi phanh sẽ tạo ra một số lƣợng nhỏ ụi.
Ngoài ra một điều cũng quan trọng là khi ạn muốn điều chỉnh mức cƣờng độ tập
luyện cũng không thể vì việc điều chỉnh ằng núm vặn thƣờng cảm tính và khơng
chính xác.
a) Phanh và trở lực hai ên
b) Phanh và trở lực ở giữa
c) Các chi tiết phanh và trở lực
Hình 1 Phanh và trở lực của hệ thống tập xe đạp
Mặc khác các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triển và đạt đƣợc những thành tựu
nhất định trong ứng dụng lƣu chất từ iến vào l nh vực cơ khí nhƣ sử dụng lƣu chất
MR trong thiết kế phanh, giảm chấn, li hợp[2][3]… Trong đó phanh lƣu chất từ
iến đã và đang dần dần đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi đặc iệt là trong ô
tô[4][5]. Nhƣng ứng dụng cho xe đạp thì chƣa đƣợc quan tâm thực hiện, nhận thấy
nhu cầu và khả n ng thành công nên em chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo
hệ thống tập xe đạp dùng phanh MRF”.
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Lịch sử phát triển của xe đạp
Xe đạp đƣợc iết đến nhƣ một trong những thành quả phát triển đầu tiên về khía
cạnh của sự thay đổi trong ngành chế tạo phƣơng tiện giao thông của cách mạng
công nghiệp diễn ra vào những n m đầu của thế kỷ 19 ở các nƣớc châu Âu nhƣ:
Anh, Pháp … N m 1817, nam tƣớc ngƣời Đức là Baron Karl von Drais đã phát
minh ra chiếc xe mang tên ông gọi là Draisienne (xe của Drais) đƣợc xem là tổ tiên
của xe đạp. Drais đã giới thiệu mơ hình xe này cho cơng chúng tại Mannheim vào
mùa hè 1817 và tại Paris n m 1818. Ngƣời lái ngồi dạng chân trên một khung gỗ
đƣợc hỗ trợ ởi hai ánh xe và đẩy chiếc xe ằng hai chân của mình trong khi chỉnh
hƣớng ằng ánh xe phía trƣớc[6].
Hình 1.1 Xe Drais
Vào n m 1865, hai anh em Michaux đã lắp cho xe của họ một chỗ để chân (pêđan),
mô phỏng tay quay của máy quay tay của họ.Pêđan ở ánh trƣớc khiến cho ánh
trƣớc có kích thƣớc lớn (lớn hơn ánh sau) để t ng quãng đƣờng đi trong mỗi vòng
đạp. Cải tiến này đã mang lại tên gọi mới cho thiết ị, bicycle (xe đạp). Trong
những n m 1890, xe đạp đã trở nên rất phổ iến, và các yếu tố cơ ản của xe đạp
hiện đại đều đã đƣợc đặt ra. Trong nửa đầu của thế kỷ 20, các hợp kim thép tốt hơn
cho các ống khung mỏng hơn khiến những chiếc xe đạp nhẹ hơn nhanh hơn và cƣỡi
5
mƣợt mà hơn. Từ thế kỷ 20 đến nay, xe đạp ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn về thiết
kế và chức n ng.
Hình 1.2 Xe đạp và các ộ phận của xe đạp
1.2
Tình hình nghiên cứu trên thế giới về các hệ thống tập xe đạp
Xe đạp ngày nay là một trong những phƣơng tiện đƣợc yêu thích nhất do chúng
không sinh ra những chất thải làm ô nhiễm không khí cũng nhƣ là một ài tập có tác
dụng tốt với sức khỏe con ngƣời. Đi xe đạp ao gồm đua xe đạp, đi xe đạp và đạp
xe leo núi, nó có rất nhiều lợi ích trong việc rèn luyện sức khỏe . T ng cƣờng tập
thể dục giúp giảm nguy cơ đau tim, giảm cân và giảm stress [7].
6
Hình 1.3 Hệ thống xe đạp tập thể dục
Về mơ phỏng xe đạp, có một số nghiên cứu và sản phẩm nhƣ công ty Honda Nhật
Bản đã phát triển một hệ thống đi xe thực tế ảo chủ yếu đƣợc sử dụng nhƣ một công
cụ để giáo dục cho sinh viên trong việc tìm hiểu cách để điều khiển xe và quy tắc
ứng xử giao thông trên đƣờng công cộng [8].
D. Kwon và các cộng sự đã phát triển một mơ phỏng xe đạp tƣơng tác KAIST có
thể mơ tả các vấn đề của xe đạp ao gồm ma sát trƣợt giữa ánh xe mà mặt đƣờng,
sức chống lƣợn và chuyển động nghiêng của ngƣời lái. Họ sử dụng một ộ phận
động cơ AC và một phanh lƣu chất từ iến (MR) để kiểm soát sự cản trở của hệ
thống. Hệ thống này có nhiều cơ cấu cùng hoạt động, nhƣng nó có một kích thƣớc
lớn và chi phí cao [9].
Hình 1.4 Mơ phỏng xe đạp tƣơng tác KAIST
7
Ngoài ra, một số sản phẩm chỉ sử dụng phanh điện cho các mơ hình máy tập thể dục
thể thao dành cho xe đạp. Ví dụ (Virtual Bike Training, Mỹ) [10], là một mô phỏng
xe đạp cho ngƣời khỏe mạnh hoặc vận động viên.
Hình 1.5 Hệ thống tập xe đạp
1.3
Tình hình nghiên cứu về phanh MRF
Đƣợc phát hiện lần đầu tiên vào những n m 1940 ởi J.Ra inow, tuy nhiên cho đến
đầu những n m 1990, MRF mới chính thức đƣợc đƣa vào nghiên cứu và phát triển.
Ngày nay, cụm từ “Lƣu chất thông minh” (Smart fluid) đã không cịn xa lạ đối với
các nhà khoa học khi nó ngày càng đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Khi nói
đến lƣu chất thơng minh, ta thƣờng nhắc đến lƣu chất MR và lƣu chất ER; mặc dù
cách thức hoạt động của chúng tƣơng tự nhau; tuy nhiên nhờ vào khả n ng chịu ứng
suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng
tƣơng đối nhiều hơn nhƣ giảm chấn, phanh, khớp nối li hợp[2][3]…
Van MRF: có tác dụng tƣơng tự các loại van khác, tuy nhiên về mặt kết cấu thì nó
đơn giản và dễ dàng điều khiển hơn.
Hình 1.6 Cấu tạo van MRF
8
Giảm chấn dùng lưu chất MRF: có khả n ng tùy iến độ cứng của giảm chấn phụ
thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đƣờng làm cho dao động đƣợc dập tắt nhanh nhất,
hiệu quả nhất mà ngƣời ngồi trên xe vẫn cảm thấy thoải mái nhất.
Hình 1.7 Mơ hình giảm chấn MR
Phanh lưu chất MRF: có thể đáp ứng tƣơng tự nhƣ hệ thống ABS nhờ vào khả n ng
hoàn toàn điều khiển đƣợc với thời gian đáp ứng nhanh, khi kết hợp với các loại
cảm iến vận tốc. Ngồi ra cịn có những ƣu điểm nhƣ: n ng lƣợng 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 é, dễ dàng điều khiển, thời gian đáp ứng nhanh.
Loại phanh này rất dễ sản xuất và kết cấu nhẹ, nhỏ gọn (hình 1.8). Rotor có dạng
đ a và từ trƣờng đƣợc ứng dụng theo hƣớng trục vng góc với mặt đ a.
Hình 1.8 Phanh MRF dạng đ a truyền thống
9
Trong số các thiết ị dựa trên MRF thì phanh lƣu chất từ iến (MRB) đƣợc quan
tâm và nghiên cứu nhất. Đã có nhiều nghiên cứu về phát triển, cải tiến MRB và ứng
dụng của nó trong cơng nghiệp. Ngày nay thì MRB cũng đã đƣợc thƣơng mại hóa.
Để cải thiện tính n ng của MRB, nhiều loại MRB đã đƣợc đề xuất và đánh giá nhƣ:
MRB loại đ a [11, 12], MRB kiểu trống [13,14], MRB loại kết hợp giữa kiểu đ a và
kiểu trống với những MRB có rotor hình chữ T [4].
Để đánh giá các đặc tính hoạt động của các loại MRB, Nguyễn Quốc Hƣng và các
cộng sự thực hiện nghiên cứu về thiết kế tối ƣu các loại MRB khác nhau để tối ƣu
hóa moment phanh với một khối lƣợng hạn chế [15].Từ kết quả tối ƣu, việc lựa
chọn các loại MRB đã đƣợc đề xuất. Sau đó, Nguyễn Quốc Hƣng và các cộng sự
đã nghiên cứu hình dạng tối ƣu của vỏ phanh MRB với các iên dạng hình chữ
nhật, iên dạng hình đa giác và iên dạng spline. Các kết quả cho thấy khối lƣợng
của các MRB giảm đáng kể với iên dạng đa giác và spline [16].
Gần đây hơn, Nguyễn Quốc Hƣng và các cộng sự đã đề xuất một cấu hình mới của
MRB, trong đó hai cuộn dây đƣợc đặt trực tiếp trên cả hai mặt vỏ của MRB[17].
Các kết quả mô phỏng cho thấy với một số nhƣợc điểm của MRB truyền thống, ví
dụ nhƣ vấn đề của dịng chảy từ, yêu cầu của cuộn quấn dây, khó kh n trong sản
xuất và ảo trì có thể đƣợc loại ỏ hoặc giảm thiểu.
10
CHƢƠNG 2
PHANH LƢU CHẤT TỪ BIẾN DÙNG CHO HỆ
THỐNG TẬP XE ĐẠP
…… …..
2.1 Lựa chọn cấu hình phanh MRF
Nhƣ đã trình ày trong phần trƣớc, đã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan đến
thiết kế, phát triển và ứng dụng phanh MRF cho các l nh vực khác nhau.
Phanh dạng đ a [11][12] : là loại phanh thông dụng nhất và cũng là dạng thiết kế
đầu tiên của phanh MRF.Cấu hình và nguyên lý hoạt động đã đƣợc trình ày ở
hình 1.8. Hiện nay thiết kế này là một trong những sản phẩm thƣơng mại có sẵn
do cơng ty Lord Corporation sản xuất.
Phanh dạng tang trống [13][14]: có thiết kế đơn giản và dễ dàng sản xuất. Roto có
dạng hình trụ và từ trƣờng đƣợc ứng dụng theo hƣớng xun tâm. Tuy nhiên nó
tạo ra momen qn tính khá lớn. Để khắc phục nhƣợc điểm đó, dạng tang trống
ngƣợc đã đƣợc thiết kế và giảm đáng kể momen quán tính.
Hình 2.1 Phanh MRF dạng tang trống
Phanh lƣu chất từ iến với rotor chữ T [4]: có cấu tạo nhỏ gọn hơn so với phanh
tang trống nhƣng phức tạp để sản xuất.
11
Hình 2.2 Phanh MRF dạng kết hợp với 2 cuộn dây với roto hình chữ T
Phanh nhiều đ a[18,19]: thiết kế này đã đƣợc đề xuất trong nhiều tài liệuvà đƣợc
sử dụng rất phổ iến trong nhiều ứng dụng yêu cầu moment cao trong một không
gian và trọng lƣợng ị hạn chế.
Hình 2.3 Phanh MRF đ a kép 1 cuộn dây
Phanh có cuộn dây ở hai bên [17, 20] : trong các nghiên cứu này các kết quả mô
phỏng cho thấy rằng với cấu hình này, một số nhƣợc điểm của MRB truyền thống
12
