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

VĂN ĐÌNH KHANH

PHÁT TRIỂN PHANH CHẤT LƯU BIẾN TỪ
CĨ ROTO HÌNH CHỮ I

Chun ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chun ngành: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NGÀY 21 THÁNG 08 NĂM 2022


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . tháng . . . năm . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. ......................................................................... - Phản biện 1
3. ......................................................................... - Phản biện 2
4. ......................................................................... - Ủy viên
5. ......................................................................... - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Văn Đình Khanh

MSHV: 20001051

Ngày, tháng, năm sinh: 10/01/1995

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Phát triển phanh chất lưu biến từ có Roto hình chữ I
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Tính tốn, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm phanh chất lưu biến từ có rơ
to hình chữ I với hai cuộn dây quấn hai bên.
Nội dụng:
+ Tổng quan về phanh chất lưu biến từ
+ Đề xuất cấu hình phanh chất lưu biến từ có rơ to hình chữ I

+ Thiết kế tối ưu xét đến mơ men phanh và khối lượng
+ Thiết kế chi tiết phanh
+ Chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng với kết quả tính tốn
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/1/2022
III. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/7/2022
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA/VIỆN………………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học và rèn luyện tại trường Đại học Cơng nghiệp Tp. Hồ Chí
Minh em xin gửi lời cám ơn chân thành đến quý thầy cơ đã tận tình hướng dẫn và
truyền đạt cho em những kiến thức quý giá và đặc biệt giúp em hồn thành khóa
học này.
Để có thể hồn thành luận văn này không thể thiếu sự quan tâm giúp đỡ và hỗ trợ
tận tình tạo điều kiện tối đa của thầy PGS.TS.Nguyễn Quốc Hưng dánh cho em. Em
xin gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc nhất.Cám ơn thầy đã hướng dẫn và hỗ trợ em
trong suốt quá trình thực hiện đến hoàn thành luận văn này .Em cũng xin gửi lời
cám ơn đến các anh,các bạn học viên lớp CHCK10A đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong
quá trình học tập, nghiêm cứu và đặc biệt là hoàn thành luận văn này. Em xin kính

chúc q thầy cơ, cùng các bạn học viên sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong
cơng tác và trong c̣c sống.
Xin cám ơn gia đình, bạn bè những người đã luôn ủng hộ, động viên và tạo điều
kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Kết quả của luận văn này là thành quả nỗ lực, tìm tịi, học hỏi trong suốt thời gian
qua của em. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thơng cảm và chỉ bảo tận tình của q Thầy
Cơ.
Văn Đình Khanh

i


TÓM TẮT
Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu thơng minh vào trong các lĩnh vực
sản x́t nói chung và tự đợng hóa nói riêng đang được đẩy mạnh. Hiện nay có rất
nhiều vật liệu thơng minh được ứng dụng mạnh mẽ như Piezo, Electrorheological
Fluid (ERF), Shape Memory Alloy (SMA) và Magneto-Rheological Fluid (MRF).
Chất lưu biến từ (MRF) là vật liệu thông minh được ứng dụng rộng rãi cho cơ cấu
phanh, ly hợp vì chúng có ưu điểm như đáp ứng nhanh, lực và mô men tạo ra đáp
ứng được yêu cầu. Tuy nhiên, trong các cơ cấu phanh sử dụng MRF vẫn cịn mợt số
tồn tại như kết cấu khá cồng kềnh, tiêu thụ năng lượng còn cao. Vì vậy trong luận
văn này tập trung nghiên cứu và phát triển một cơ cấu phanh dùng chất lưu biến từ
(MRB) mới cơ kích thước nhỏ hơn với roto có hình dạng phức tạp (hình chữ I) để
làm tăng thêm diện tích tiếp xúc giữa roto và chất lưu biến từ. Luận văn bao gồm
các nợi dung chính sau:
✓ Phát triển MRB mới với roto biên dạng phức tạp nhằm tăng mô men lớn nhất
với khối lượng phanh nhỏ nhất.
✓ Tối ưu hóa các thơng số hình học của MRB đề xuất bằng phương pháp
Gradient Descent trong Workbench.

✓ Thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm cho MRB đề xuất.
✓ Thiết lập hệ thống thí nghiệm để đánh giá khả năng của MRB đã đề xuất.

ii


ABSTRACT
Nowadays, the research and application of smart materials in the fields of
manufacturing in general and automation in particular is being promoted. Currently,
there are many smart materials with strong application such as Piezo,
Electrorheological Fluid (ERF), Shape Memory Alloy (SMA) and MagnetoRheological Fluid (MRF). Magnetic rheological fluid (MRF) is a smart material that
is widely applied to brake and clutch mechanisms because they have advantages
such as fast response, and the force and torque generated can meet the requirements.
However, in the brake mechanisms using MRF, there are still some shortcomings
such as quite bulky structure and high energy consumption. Therefore, this thesis
focuses on researching and developing a new magnetic rheological brake (MRB)
brake with a smaller size with a complex shaped rotor (I-shaped) to increase the
contact area. contact between the rotor and the magnetic rheology. The thesis
includes the following main topics:
• Development of new MRB with complex profile rotor to maximize torque
with minimal braking weight.
• Optimizing geometrical parameters of the proposed MRB using the Gradient
Descent method in Workbench.
• Design and manufacture experimental models for the proposed MRB.
• Set up an experimental system to evaluate the ability of the proposed MRB.

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS. Nguyễn Quốc Hưng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung
thực, không sao chép từ bất kỳ mợt nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc
tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham
khảo đúng quy định.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Văn Đình Khanh

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
TÓM TẮT ................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................x
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ....................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề .......................................................................................................1

1.1.1

Lý do chọn đề tài .............................................................................................1

1.1.2


Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................2

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................3

1.3.1

Đối tượng nghiên cứu......................................................................................3

1.3.2

Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................3

1.4

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................3

1.4.1

Cách tiếp cận ...................................................................................................3

1.4.2

Phương pháp nghiên cứu.................................................................................4


1.4.3

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...........................................4

1.5

Giới thiệu MRF ...............................................................................................4

1.5.1

Thành phần chính của MRF ............................................................................5

1.5.2

Các đặc tính cơ bản của MRF .........................................................................7

1.5.3

Các chế độ làm việc của MRF ........................................................................8

1.5.4

Các loại phanh MRF .....................................................................................10

1.5.5

Tình hình nghiên cứu ....................................................................................16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................17

2.1

Các mơ hình tính tốn lưu chất từ biến.........................................................17

2.2

Tính toán moment phanh ...............................................................................20

2.2.1

Ma sát trong rãnh đầu ....................................................................................20

v


2.2.2

Ma sát trong rãnh nghiêng.............................................................................24

2.3

Cơ sở giải bài toán từ tính của MRF ............................................................25

2.3.1

Cơ sở phương pháp giải tốn tối ưu hóa .......................................................25

2.3.2

Các phương pháp tối ưu phổ biến nhất .........................................................26


2.3.3

Phương pháp giải tích ...................................................................................28

2.3.4

Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................................29

CHƯƠNG 3 PHANH LƯU CHẤT MRF CĨ ROTO HÌNH CHỮ I................31
3.1

Cấuu hình và nguyên lý làm việc của phanh lưu biến từ có rơtơ chữ I ........31

3.1.1

Cấu hình của phanh .......................................................................................31

3.1.2

Ngun Lý hoạt đợng của phanh ..................................................................31

3.2

Tính tốn moment phanh ...............................................................................32

3.3

Áp dụn ANSYS trong tính tốn từ trường của phanh ....................................34


3.4

Thiết kế tối ưu phanh MRF ...........................................................................36

3.4.1

Bài toán tối ưu hóa ........................................................................................36

3.4.2

Cách giải bài tốn tối ưu hóa trên phềm ANSYS Workbench......................37

3.4.3 Kết quả tối ưu hóa phanh MRF có roto hình chữ I và phanh MRF có roto
hình răng ....................................................................................................................40
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ CHẾ TẠO PHANH CHỮ I ..............50
4.1

Thiết kế chi tiết phanh ...................................................................................50

4.1.1

Bản vẽ chi tiết các bộ phận của phanh ..........................................................51

4.1.2

phụ kiện cho phanh MRF ..............................................................................53

4.2

Mơ hình thí nghiệm phanh MRB ...................................................................55


4.2.1

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm ............................................................................55

4.2.2

Lựa chọn thiết bị ...........................................................................................56

4.3

Lắp ráp phanh và hồn thiện mơ hình ..........................................................62

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ PHANH LƯU CHẤT MRF .......64
5.1

Mơ hình thí nghiệm .......................................................................................64

5.2

Thí nghiệm kiểm tra mơ men của phanh .......................................................65

5.3

Thí nghiệm kiểm tra mơ men phanh theo cường độ dịng điện tác dụng ......65

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................68

vi



6.1

Kết luận .........................................................................................................68

6.2

Hạn chế .........................................................................................................68

6.3

Kiến nghị .......................................................................................................68

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các trạng thái của MRF [30]........................................................................5
Hình 1.2 Thành phần của MRF [2] ............................................................................6
Hình 1.3 Chế đợ dịng chảy của MRF [30] .................................................................9
Hình 1.4: Chế đợ cắt của MRF [30] ............................................................................9
Hình 1.5: Chế đợ nén của MRF [30] .........................................................................10
Hình 1.6 Kết cấu MRB dạng đĩa truyền thống [31] ..................................................11
Hình 1.7 Phanh dạng tang trống [31] ........................................................................12
Hình 1.8 Phanh dạng kết hợp [31] ............................................................................12
Hình 1.9 MRB dạng kết hợp với 2 c̣n dây [31].....................................................13
Hình 1.10 MRB dạng kết hợp có 2 c̣n dây với rotor dạng chữ T [31] ..................13
Hình 1.11 MRB có 1 mợt c̣n dây nằm mỗi bên vỏ [31] ........................................14
Hình 1.12 Phanh lưu chất từ biến có 2 c̣n dây nằm mỗi bên vỏ [31]....................15
Hình 1.13 MRF với đĩa hình răng [30] .....................................................................16

Hình 2.1 Mơ hình lưu chất Newton và Bingham [5] ................................................17
Hình 2.2 phần tử MRF trong khe lưu chất ................................................................20
Hình 2.3 Phần tử tính tốn MRF. ..............................................................................25
Hình 2.4 Sơ đồ giải thuật GA [30] ............................................................................27
Hình 3.1 Cấu hình MRB được đề xuất......................................................................31
Hình 3.2 Cấu hình MRB đề x́t ...............................................................................32
Hình 3.3 Đợ B-H của thép S45C ...............................................................................35
Hình 3.4 Mơ hình FE để phân tích từ tính I-MRB được đề x́t ..............................35
Hình 3.5 Mật độ phân bố từ trường của MRB tại các giá trị ban đầu tùy ý .............36
Hình 3.6 Tạo liên kết giữa APDL và ANSYS workbench .......................................38
Hình 3.7 Thực hiện lệnh tối ưu hóa ..........................................................................39
Hình 3.8 Kết quả tối ưu hóa của phanh MRF có roto hình chữ I .............................41
Hình 3.9 Khối lượng và mơ men phanh MRF có roto hình chữ I .............................41
Hình 3.10 Mật đợ từ trường của phanh MRF có rơ to hình chữ I tại các mơ men
mong muốn ..............................................................................................44
Hình 3.11 kết quả tối ưu phanh roto hình răng .........................................................45
Hình 3.12 Khối lượng và mơ men của phanh có roto hình răng ...............................46
Hình 3.13 So sánh mức tiêu thụ điện năng của phanh MRF có roto hình chữ I và
phanh MRF có roto hình răng ..................................................................47
Hình 3.14 So sánh giữa phanh rơ to hình chữ I và phanh rơ to hình răng ................49
Hình 4.1: Mơ hình của MRB gồm có (1) vịng bi (2) vỏ trong (3) vỏ ngồi (4) trục
(5) đĩa phanh (6) phốt ..............................................................................50
Hình 4.2 bản vẽ đĩa phanh.........................................................................................51

viii


Hình 4.3 bản vẽ trục phanh .......................................................................................52
Hình 4.4 bản vẽ vỏ ngồi ..........................................................................................52
Hình 4.5 bản vẽ vỏ trong ...........................................................................................53

Hình 4.6 Ổ lăn SKF-16100 .......................................................................................53
Hình 4.7 phốt SKF-17x28x7 CRW1 R .....................................................................54
Hình 4.8 Lắp ráp phanh MRB nguyên mẫu ..............................................................55
Hình 4.9 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm .........................................................................56
Hình 4.10 đợng cơ servo ...........................................................................................57
Hình 4.11 đợng cơ và driver [32] ..............................................................................57
Hình 4.12 DRIVE AC SERVO MBDDT2210 Panasonic [33] ................................59
Hình 4.13 Hình cảm biến mơ ment xoắn [34]...........................................................60
Hình 4.14 cảm biến đo mơ men xoắn Burst 8645 .....................................................61
Hình 4.15 Vịng cố định cảm biến đo momen xoắn – 8645 [34] ..............................61
Hình 4.16 bợ nguồn PPW-8011 ................................................................................62
Hình 4.17 Các chi tiết của phanh ..............................................................................62
Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm MRB .......................................................................65
Hình 5.2 Mơ men đầu ra ban đầu của MRB .............................................................66
Hình 5.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................67
Hình 5.4 Mơ men phanh đo được ở trạng thái ổn định .............................................67

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thành phần các MRF của hãng Lord Corporation (Mỹ) .............................7
Bảng 3.1 Vật liệu và khối lượng riêng các chi tiết ....................................................37
Bảng 3.2 Giá trị đầu vào và đầu ra của mơ hình phanh MRF dạng I .......................39
Bảng 4.1 Thơng số hình học của ổ lăn như sau ........................................................54
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của ổ lăn .......................................................................54
Bảng 4.3 Thơng số hình học của phốt .......................................................................55
Bảng 4.4 Thơng số hình học của phốt .......................................................................55
Bảng 4.5 Thơng số động cơ Panasonic .....................................................................58
Bảng 4.6 DRIVE AC SERVO MBDDT2210 Panasonic ..........................................58

Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo mơ men xoắn ....................................60
Bàng 5.1 Trình tự cài đặt thiết bị trong mơ hình .......................................................64

x


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
APDL

Ansys Parametric Design Language

FEM

Finite Element Method

GD

Gradient Descent

GUI

Graphical User Interface

MRB

Magneto-rheological brake

MRF

Magneto Rheological Fluid


NSGA-II

Non dominated Sorting Genetic Algorithm-II

xi


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Lý do chọn đề tài
MRF là mợt loại lưu chất thơng minh, có khả năng lưu biến như ứng suất chảy và
độ nhớt, các lưu biến này có thể thay đổi nhanh chóng khi phản ứng với từ trường
được đưa vào lưu chất. Về cơ bản thì MRF gồm các hạt từ tính hình cầu có đường
kính từ 0,01 đến 20 µm được phân tán trong chất lỏng nền thường là dầu hữu cơ.
Trong trường hợp khơng có từ trường tác đợng thì MRF giống như chất lỏng
Newton. Khi có từ trường tác đợng thì các hạt từ tính hút nhau và tạo thành các cấu
trúc dạng chuỗi theo hướng đường sức từ của từ trường.
Nhờ có đặc điểm như trên mà MRF được ứng dụng cho các cơ cấu như giảm chấn
MR, van MR, phanh MR, ly hợp MR, bộ truyền động MR và các hệ thống phản hồi
lực. Trong số các ứng dụng trên thì cơ cấu phanh MR (MRB) được nghiên cứu và
phát triển nhiều nhất.
Tuy nhiên các phanh phát triển trước đây vẫn cịn mợt số hạn chế như khối lượng,
kích thước cịn lớn và mơ men cịn nhỏ. Do đó trong nghiên cứu này mong muốn
tạo ra phanh có khối lượng nhỏ nhưng lực mô men lớn hơn so với các dạng đã chế
tạo khác như: dạng đĩa, dạng tang trống, dạng kết hợp có đĩa quay hình chữ T (kết
hợp giữa dạng đĩa và tang trống).

1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong MRB kiểu đĩa thông thường, roto dạng đĩa được sử dụng và c̣n dây được
bố trí trên ống q́n dây với vật liệu khơng từ tính, được đặt trên phần hình trụ của
vỏ phanh bên ngồi đĩa phanh. Cấu hình này có mợt số ưu điểm như chiều dài tổng
thể nhỏ, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Tuy nhiên, loại phanh này tồn tại một số
nhược điểm như từ thơng bị thắt cổ chai, khó lắp cho nên cũng gây bất tiện trong
bảo trì, đặc biệt là c̣n dây vì phải tháo dỡ tồn bợ MRB dẫn đến chi phí cao.

1


Phanh MR dạng đĩa khơng thích hợp để áp dụng trong trường hợp khơng gian làm
việc là mợt hình trụ nhỏ và dài, trong đó loại tang trống phù hợp hơn và MRB kiểu
tang trống sau đó được nghiên cứu, trong đó mơ men phanh chủ yếu được tạo ra từ
MRF trong ống hình khuyên ở mặt hình trụ bên ngồi của roto. Tận dụng lợi thế của
cấu hình kiểu đĩa và kiểu trống, một MRB kiểu lai với roto hình chữ T đã được đề
xuất [6].
Phanh dạng kết hợp roto hình chữ T có ưu điểm là mơ men phanh MRB cấu hình
chữ T cao hơn đáng kể so với MRB kiểu đĩa và kiểu tang trống, đồng thời lắp ráp và
bảo trì dễ hơn. Tuy nhiên, loại phanh chữ T vẫn còn tồn tại những vấn đề do cách
sắp xếp cuộn dây tương tự như kiểu đĩa thông thường.
Để khắc phục những nhược điểm trên thì mợt MRB kiểu đĩa mới đã được đề x́t,
trong đó mợt c̣n dây từ được lắp ráp trên mỗi vỏ bên và một thành mỏng được sử
dụng để ngăn cách cuộn dây với MRF [6]. Với MRB này có ưu điểm là loại bỏ hiện
tượng thắc cổ chai, việc chế tạo và bảo dưỡng đơn giản, khối lượng phanh nhỏ hơn
ở cùng mơ men phanh cực đại. Mặc dù có mợt số ưu điểm, tỷ số mô men xoắn trên
khối lượng phanh khơng được cải thiện so với MRB roto hình chữ T.
Để có mợt MRB với tỷ lệ mơ men xoắn trên khối lượng cao thì mợt cấu hình mới
của MRB có roto hình chữ I và hai c̣n dây bên (gọi tắt là I-MRB) được đề xuất
trong nghiên cứu này. Việc phân tích mạch từ của MRB được thực hiện dựa trên

phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Tối ưu hóa MRB được thực hiện để có kích
thước nhỏ gọn nhất của MRB ở mô men phanh mong muốn. Từ kết quả tối ưu,
MRB sẽ được đánh giá và phân tích các hoạt đợng của MRB được đề x́t, kết quả
tối ưu của MRB được đề xuất sẽ được so sánh với kết quả của các MRB tang trống
được nghiên cứu trước đây.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
-

Thiết kế, chế tạo phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I với hai cuộn dây
quấn hai bên.

2


-

Loại phanh này dự kiến sẽ có mợt số ưu điểm so với các phanh lưu biến từ đã
được nghiên cứu trước đây như cấu nhỏ gọn hơn, dễ chế tạo và bảo dưỡng
hơn, công xuất tiêu thụ thấp hơn.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu
• Phanh lưu biến từ có roto hình chữ I và c̣n dây q́n hai bên vỏ phanh.
• Thiết kế tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS và so sánh với các phanh lưu
biến từ dạng tang trống trước đây.
• Thực nghiệm đánh giá phanh mẫu có mơ men phanh tối đa 20 N.m.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
• Chỉ nghiên cứu phanh MRF roto biên dạng chử I và so sánh với phanh roto
hình đĩa tương ứng.
• Chỉ sử dụng MRF-132DG thương mại được chế tạo bởi cơng ty Lord.

• Giả định MRF tn theo ứng xử mơ hình Bingham.
• Không xét đến động lực học của phanh và đĩa quay.
1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Cách tiếp cận
• Phân tích và tổng hợp lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết các môn học như cơ
lý thuyết, nguyên lý máy, công nghệ chế tạo máy. Từ đó xây dựng ra các
cơng thức tính tốn theo lý thuyết cơ học tính tốn.
• Sau đó tiến hành tối ưu trên máy tính thơng qua phần mền Ansys.
• Chế tạo mơ hình phanh và mơ hình thí nghiệm.
• Kiểm nghiệm từ mơ hình thí nghiệm đối chiếu với mơ hình tối ưu xây dựng.

3


1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
• Dựa trên các tài liệu tham khảo, từ đó rút ra lý thuyết thực hiện, đồng thời
xây dựng các phương án tiến hành.
• Theo các yêu cầu đặt ra, kết hợp khảo sát thực tế chọn ra phương án tối ưu
nhất cho đề tài.
• Từ phương án tốt nhất được chọn, tiến hành thiết kế, chế tạo và đo đạc.
• Cuối cùng, đưa ra kết luận và hướng phát triển.
• Quy hoạch thực nghiệm
1.4.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• Đề xuất biên dạng roto phanh chất lưu biến từ mới hình chử I.
•

Phân tích và đánh giá tác đợng của kích thước hình học của phanh đến mơ
men phanh.

• Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.

• Tạo ra phanh chất lưu biến từ mới có mơ men phanh cao hơn, kích thước nhỏ
ngọn hơn các phanh lưu biến từ trước đây.
• Khả năng ứng dụng phanh lưu biến từ đề xuất cho các ứng dụng thực tế như
phanh ô tô, xe máy, phanh rô bốt, hệ thống phản hồi lực…
1.5 Giới thiệu MRF
MRF là một dạng lưu chất thay đổi các tính chất lưu biến như đợ nhớt, ứng
śt chảy dưới tác dụng của từ trường, là một trong số các loại vật liệu thông minh
(Smart Materials) được sử dụng trong lĩnh vực kỹ thuật. Lưu chất này có khả năng
chuyển từ trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường đi
qua lưu chất. MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu chuẩn quốc gia
Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940s [3]. MRF bao gồm chất lỏng nền, các hạt từ tính

4


phân cực và chất phụ gia. Các hạt từ tính phân cực có vai trị cơ bản trong các hiệu
ứng của từ trường bên ngoài đưa vào. Chất phụ gia được dùng để giảm bớt sự lắng
đọng của các hạt từ tính, vì sự lắng đọng của hạt từ tính ảnh hưởng khá lớn đến khả
năng lưu biến của MRF. Hiện nay MRF ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như công
nghiệp ôtô, hàng không vũ trụ, kỹ thuật xây dựng, an ninh quốc phòng, quang học,
điện - điện tử, kỹ thuật y khoa, robot, viễn thông, hệ thống điều khiển từ xa, trong
các mơi trường khắc nghiệt...
Ngun lí hoạt động của MRF: Khi ở trạng thái bình thường và các hạt chuyển
đợng tự do, chất lỏng biểu hiện tḥc tính Newton như những chất lỏng bình
thường khác.Nhưng khi sự tác dụng của từ trường ngồi thì lưu chất sẽ khơng cịn
tn theo tḥc tính Newton nữa mà chuyển sang tḥc tính Bingham,khi đó các
hạt kim loại bên trong lưu chất gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và
có khả năng chống phá vỡ liên kết. Đợ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ
lớn của từ trường ngồi đưa vào Hình 1.1 mơ tả ngun lý hoạt đợng của MRF.


Hình 1.1 Các trạng thái của MRF [30]
1.5.1 Thành phần chính của MRF
MRF gồm ba thành phần chính đó là: hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2), chất phụ gia,
được thể hiện bởi Hình 1.2.

5


Hình 1.2 Thành phần của MRF [2]
▪ Các hạt từ tính của MRF hiện nay được sử dụng như sắt, hợp kim sắt, oxit sắt,
nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken và coban [6, 7]. Trong đó hạt phản ứng
từ thường được sử dụng để chế tạo MRF là sắt carbonyl. Ứng suất cực đại của
MRF đạt được khi cường độ từ trường áp dụng vào MRF làm cho bão hịa từ
của các hạt từ tính được xác lập. Do đó, vật liệu từ tính có đợ tinh khiết cao như
bợt sắt carbonyl được xem là pha từ tính chính cho hầu hết các sản phẩm MRF
trong thực tế [8]. Kích thước hạt từ tính trong MRF thường nằm trong khoảng
0,1-10 μm.
▪ Chất lỏng nền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon, dầu khống, dầu
parafin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen,
silic fluoride, nước và dầu hydrocarbon tổng hợp [7]. Để giảm sự lắng đọng thì
các sản phẩm mới của MRF được xem xét trên các pha liên tục của độ nhớt [11]
từ đó đợ ổn định được cải thiện rất nhiều.
▪ Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong
MRF [13]. Hiện tượng lắng đọng có thể gây ra hiện tượng suy giảm đợ nhớt của
MRF [14]. Khi sự lắng đọng của MRF tăng lên thì dưới tác đợng của ứng śt
cao và tốc độ cắt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [15].
Hiện tượng lắng đọng này sẽ làm giảm hiệu suất của MRF, khi đó các hạt của
lưu chất lắng xuống tạo thành một lớp cứng, bao gồm các hạt sơ cấp liên kết
chắc chắn dẫn tới hình thành chuỗi khơng hồn chỉnh [16]. Lớp phủ polymer
cho các hạt từ tính cũng ảnh hưởng đến khả năng từ tính của các hạt, nhưng nó

lại làm cho các hạt từ tính dễ dàng phân tán lại sau khi từ trường không tác
dụng [17, 18].

6


Do đó nếu có sự khác nhau về tỷ lệ các thành phần trên sẽ được phân ra thành các
loại MRF khác nhau như Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Thành phần các MRF của hãng Lord Corporation (Mỹ)
Loại MRF

MRF-122EG

MRF-132DG

MRF-140CG

Tỷ lệ hạt từ (%)

72

80,98

85,44

Độ nhớt (Pa.s), (40 0C)

0,042 ± 0,020

0,112 ± 0,02


0,280 ± 0,070

Tỷ trọng (g/cm3)

2,28

2,98

3,54

Cường độ từ trường (kA/m)

150 - 250

Ứng suất dẻo (kPa)

50 - 100

Nhiệt độ hoạt động (0C)

40 đến + 150

Thời gian đáp ứng

Vài ms

1.5.2 Các đặc tính cơ bản của MRF
▪ Đặc tính từ tính tĩnh: là mợt trong đặc tính rất quan trọng để áp dụng cho bất kỳ
thiết bị nào dựa trên MRF và thường được thể hiện bởi quan hệ giữa mật độ từ

thông với cường độ từ trường (B - H) và độ trễ của MRF, đặc trưng bởi đợ từ
thẩm µ. Đợ từ thẩm µ là tỉ lệ giữa mật độ từ thông (B) và cường độ từ trường
(H) đi qua vật liệu và mật độ từ thông (B) [27].
𝐵 = 𝜇.𝐻
Với

(1.1)

B: mật độ từ thơng
H: cường đợ từ trường
µ: đợ từ thẩm.

Trong thực tế đợ từ thẩm µ khơng phải là mợt hằng số nên quan hệ giữa B và H là
một hàm phi tuyến.
▪ Đặc tính độ nhớt: hay cịn được gọi là đặc tính đợng được thể hiện bởi mật đợ
các hạt từ tính và đợ nhớt của chất lỏng nền. Đây cũng là một trong những

7


thông số lưu biến được sử dụng để xác định hành vi ứng xử của vật liệu phi
Newton, độ nhớt của MRF như là một hàm của thời gian [26]. Độ nhớt của
MRF được xác định bởi công thức sau [26]:
𝜂𝑟 = 1 + 2.5𝜙
Trong đó:

(1.2)

ηr là đợ nhớt tương đối của huyền phù.
𝜙 là thể tích của các chất hịa tan hoặc các hạt hình cầu.


▪ Đặc tính ứng suất chảy dẻo: ứng suất chảy dẻo là đặc tính quan trọng nhất trong
các đặc tính của MRF. Nó quyết định lực, mô men sinh ra của cơ cấu khi có từ
trường đi qua [5]. Các hạt từ tính sẽ quyết định đến đợ bão hịa từ của MRF, nên
nó quyết định đến ứng suất chảy dẻo của lưu chất. Đồng thời mật đợ hạt từ tính
cũng ảnh hưởng đến ứng suất chảy dẻo của lưu chất.
▪ Độ bền: sau một thời gian dài hoạt động dưới ứng suất, tốc đợ cắt cao thì đợ
nhớt của MRF ở trạng thái khơng có từ trường sẽ tăng lên và sau đó sẽ tạo thành
mợt lớp dày và lưu chất hồn tồn có thể mất đi những đặc tính ban đầu. Sở dĩ
xảy ra hiện tượng này là sau một thời gian hoạt động các lớp vỏ của các hạt từ
bị vỡ ra tạo thành nhiều mảnh nhỏ làm giảm khả năng từ tính của MRF.
1.5.3 Các chế độ làm việc của MRF
Dựa vào đặc tính của MRF thì có ba chế đợ làm việc của MRF đã được nghiên cứu
đó là: chế đợ dịng chảy (valve mode), chế đợ trượt (shear mode) và chế đợ nén
(squeeze mode) [25]
▪ Chế đợ dịng chảy: chế độ này được sử dụng thiết kế van sử dụng MRF,
trong đó dịng chảy của MRF được bố trí ở giữa các tấm đứng n biểu diễn
bởi Hình 1.3. Từ trường được đưa từ ngồi vào có hướng vng góc với
hướng của dịng chảy của MRF (Hình 1.3 a), nhằm để thay đổi các tính chất
lưu biến của MRF để kiểm sốt dịng chảy. Do đó, sự gia tăng ứng śt hoặc
đợ nhớt làm thay đổi cấu hình vận tốc của chất lỏng giữa hai tấm cố định.

8


Biên dạng vận tốc điển hình với mơ hình dẻo Bingham của chế đợ van được
thể hiện bởi Hình 1.3.

Hình 1.3 Chế đợ dịng chảy của MRF [30]
▪ Chế đợ cắt: ở chế đợ này thì MRF nằm giữa hai bề mặt, theo đó mợt mặt

trượt hoặc xoay so với mặt kia, với từ trường được đặt vng góc với hướng
chuyển động của các bề mặt được thể hiện trên Hình 1.4.

Hình 1.4: Chế đợ cắt của MRF [30]
▪ Chế độ nén: chế độ nén của MRF thể hiện trong Hình 1.5. Chế đợ nén hoạt
đợng khi hướng lực tác dụng lên các tấm cùng hướng của từ trường nhằm để
giảm hoặc mở rộng khoảng cách giữa các tấm song song gây ra trong dòng
chảy.

9


Hình 1.5: Chế đợ nén của MRF [30]
Các chuyển vị trong chế độ nén tương đối rất nhỏ (vài milimet) nhưng địi hỏi lực
lớn. Do đó, các nghiên cứu có hệ thống đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu
để đánh giá các tính chất cơ học và điện của MRF trong dòng chảy nén. Mặc dù trên
thực tế là mơ hình dẻo Bingham được sử dụng để mơ tả hoạt động của chất lỏng
MRF ở chế độ cắt.
1.5.4 Các loại phanh MRF
1.5.4.1 Phanh đĩa truyền thống
Đây chính là loại phanh thiết kế đầu tiên được áp dụng phổ biến nhất và được
thương mại hóa, mơ hình phanh như Hình 1.6.

10


Hình 1.6 Kết cấu MRB dạng đĩa truyền thống [31]
Ưu điểm: Loại phanh này là dễ chế tạo và đạt được nhiều kết quả tối ưu về trọng
lượng cũng như kích thước.
Tuy nhiên cũng có nhược điểm:

• Ứng dụng này lại khơng thích hợp trong trường hợp vị trí lắp đặt của MRB
có dạng hình trụ dài và nhỏ.
• Momen qn tính khá lớn.
• Mật đợ từ thơng đi qua lưu chất bị hiện tượng thắt nút cổ chai.
• Phải cần chế tạo một khung quấn cách từ đặt vào phanh nên tăng kích thước,
khối lượng của phanh.
• Vì c̣n dây đặt ở ngoài nên khi cần sinh ra momen lớn thì khối lượng của
phanh cũng rất lớn.
1.5.4.2 Phanh tang trống
Dạng phanh này ra đời có thể khắc phục được nhược điểm của loại phanh trên bởi
vì lực phanh được tạo ra trên bề mặt trụ của tang trống nhưng nó lại tạo ra momen
qn tính khá lớn và để có thể khắc phục được nhược điểm đó thì ta có dạng tang
trống ngược đã được ra đời với thiết kế có thể giảm đáng kể momen qn tính.

11