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

ĐỖ QUÍ DUYÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
ĐÁNH GIÁ PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN
(MRF) DẠNG ĐĨA VỚI TỪ TRƯỜNG ZIGZAG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NGÀY 21 THÁNG 08 NĂM 2022


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

ĐỖ QUÍ DUYÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
ĐÁNH GIÁ PHANH LƯU CHẤT TỪ BIẾN
(MRF) DẠNG ĐĨA VỚI TỪ TRƯỜNG ZIGZAG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên 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 21 tháng 08 năm 2022
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS.Lê Thanh Danh

- Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS.Đỗ Xuân Phú

- Phản biện 1

3. TS.Nguyễn Viễn Quốc

- Phản biện 2

4. TS.Nguyễn Thanh Hải

- Ủy viên

5. TS.Đặng Hoàng Minh

- Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA/VIỆN…………



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: Đỗ Quí Duyên

MSHV 20001361

Ngày, tháng, năm sinh: 18/12/1991

Nơi sinh: Bình Định

Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chun ngành: 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá phanh lưu chất từ biến (MRF) dạng đĩa
với từ trường zigzag
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết kế mô hình phanh MRF dạng đĩa với từ trường zigzag và tối ưu hóa cấu hình
phanh MRF đã được đề x́t. Sau đó, thực nghiệm kiểm tra và đánh giá phanh MRF
đã được đề xuất.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/1/2022

-

Nhiệm vụ: Thiết kế mơ hình phanh MRF dạng đĩa với từ trường zigzag và tối
ưu hóa cấu hình phanh MRF đã được đề xuất. Sau đó, thực nghiệm kiểm tra
và đánh giá phanh MRF đã được đề xuất.

-

Nội dụng:
+ Tổng quan về phanh chất lưu biến từ.
+ Đề xuất cấu hình phanh chất lưu biến từ có đường sức từ dạng zigzag.
+ Thiết kế tối ưu xét đến mô men phanh và khối lượng.
+ Thiết kế chi tiết phanh chất lưu biến từ.
+ Chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng với kết quả tính tốn.

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 21 tháng 08 năm 2022
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
Em xin chân thành cám ơn quý thầy cơ trường Đại học Cơng nghiệp Tp. Hồ Chí
Minh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt và giúp em có được những kiến thức quý
giá và đặc biệt giúp em hồn thành khóa học này. Em xin trân thành gửi đến thầy
PGS.TS.Nguyễn Quốc Hưng lời cảm ơn và tri ân sâu sắc nhất. Thầy đã hướng dẫn
và hỗ trợ em hoàn thành luận văn thạc sĩ này trong suốt quá trình thực hiện luận
văn. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên lớp CHCK10A và các bạn
đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, nhất là đã hỗ
trợ em hồn thành luận văn này. Xin kính chúc q thầy cô, đồng nghiệp, cùng các
bạn học viên sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công tác và trong cuộc sống.
Gia đình, bạn bè những người đã khơng ngừng đợng viên, hỗ trợ và tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Đỗ Quí Duyên

i


TĨM TẮT
Trong nghiên cứu này, cấu hình mới của phanh lưu biến (MRB) có từ trường zigzag
sẽ được đề xuất. Cấu hình này bao gồm mợt đĩa được gắn giữa vỏ của MRB. Lưu
chất MRF được châm đầy vào khe hở MRF. So với các cơng trình trước đây vỏ và
đĩa MRB trong nghiên cứu này bao gồm các bộ phận từ tính và phi từ tính để kiểm
sốt và tạo ra đường từ trường mong muốn. Bên cạnh đó, phanh MRF bao gồm hai
cuộn dây được gắn trực tiếp trên mỗi bên vỏ để tạo ra từ trường cần thiết tác dụng
vào lưu chất MRF để kiểm sốt mơ men phanh. Đầu tiên, đánh giá ngắn gọn về các
nghiên cứu trước của các loại phanh MR. Thứ hai, trình bày cấu hình mới của
phanh MRB và phân tích mơ men phanh MR cũng sẽ được trình bày trong phần
này. Thứ ba, giải quyết bài tốn tối ưu hóa cho phanh MR, bao gồm đơn mục tiêu

và đa mục tiêu cho phanh MR Fđã được đề xuất. Đồng thời kết quả cũng sẽ được so
sánh với phanh MRF (dạng đĩa) trong các nghiên cứu trước. Dựa trên kết quả tối ưu
với yêu cầu mô men phanh là 10Nm, phanh MRF được đề xuất sẽ được chế tạo và
so sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng.

ii


ABSTRACT
In this work, the novel configuration of the magneto-rheological brake (MRB)
having the zigzag magnetic flux line is proposed. This configuration comprises a
disc embedded between the housing of MRB. The quality of MR fluid was disposed
fully in the MR gap. In comparison with previous works, the housing and dics of
MRB in this study comprise magnetic and non-magnetic parts to control the paths
of magnetic field such as. Besides, the MR brake also comprises two coils located
directly on each side of housing to generate the required magnetic field applying to
the quality of MRF for controlling the braking torque. Firstly, a brief review of the
development of MRB is provided. Secondly, the novel configuration of MRB is
presented. Thirdly, solving the optimization problem for MR brakes, including
single objective and multi objective for MR brakes which has been proposed. At the
same time, the results will be compared with MR (disc) brakes in previous studies.
Based on optimal results with required torque 10Nm, a prototype of MRB will be
fabricated and compared experimental results with simulation results.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn
của thầy thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong

luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức
nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2022
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Đỗ Quí Duyên

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ...................................1
1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................1
1.1.1 Lý do chọn đề tài .....................................................................................1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................2
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................3
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................3
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................3
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................3
1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .....................................................3
1.5.1 Cách tiếp cận ...........................................................................................3
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu.........................................................................4

1.5.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.....................................................................4
1.6 Giới thiệu lưu chất MRF ................................................................................4
1.6.1 Đặt điểm của MRF ..................................................................................5
1.6.2 Nguyên lý hoạt động ...............................................................................7
1.6.3 Các chế độ làm việc của MRF ................................................................8
1.7 Các ứng dụng của lưu chất MRF ..................................................................10
1.7.1 Bộ giảm chấn sử dụng MRF .................................................................10
1.7.2 Phanh sử dụng MRF..............................................................................11
1.7.3 Khối gá động cơ sử dụng MRF .............................................................12
1.7.4 Cơ cấu phản hồi lực sử dụng MRF .......................................................13
1.7.5 Van sử dụng MRF .................................................................................13
1.8 Giới thiệu các loại phanh MRF .....................................................................14
1.8.1 Phanh dạng đĩa ......................................................................................14
1.8.2 Phanh dạng đĩa có hai c̣n nằm hai bên vỏ .........................................15
1.8.3 Phanh đĩa có c̣n dây nằm hai bên vỏ và có vách thành mỏng ...........16
1.9 Các vấn đề cịn tồn tại và đợng lực nghiên cứu ............................................16
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................17
2.1 Các đặc tính cơ bản của MRF .......................................................................17
2.2 Mơ hình tốn của MRF .................................................................................18

v


2.3 Tính tốn mơ men ma sát trong rãnh MRF ...................................................24
2.3.1 Mô men ma sát trên rãnh mặt trong (1) ................................................25
2.3.2 Mô men ma sát gây ra trên rãnh mặt trụ ngồi (2) ................................26
2.3.3 Mơ men ma sát gây ra bởi phốt cao su (Leafseal) với trục quay của
phanh MRF............................................................................................27
2.4 Phương pháp giải bài toán từ của MRF ........................................................28
2.4.1 Phương pháp giải tích ...........................................................................28

2.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ..............................................................31
2.5 Cơ sở phương pháp tối ưu hóa ......................................................................32
2.5.1 Các phương pháp tối ưu hóa .................................................................32
2.5.2 Phương pháp giảm đợ dốc (Gradient descent - GD) .............................33
2.5.3 Phương pháp giải thuật di truyền sắp xếp không vượt trội (NSGA - II) ..
...............................................................................................................35
CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHANH MRF VỚI ĐƯỜNG TỪ THÔNG ZIGZAG 40
3.1 Mơ hình phanh MRF có từ thơng Zigzag .....................................................40
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phanh MRF .................................42
3.1.2 Mô men ma sát phanh MRF ..................................................................42
3.2 Thiết kế tối ưu phanh MRF ...........................................................................47
3.2.1 Tối ưu hóa đơn mục tiêu cho phanh MRF ............................................47
3.2.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu cho phanh MRF ..............................................59
CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHANH MRF DẠNG ZIGZAG .....................74
4.1 Thiết kế và hồn thiện mơ hình phanh MRF ................................................74
4.1.1 Bản vẽ chi tiết........................................................................................75
4.1.2 phụ kiện cho phanh MRF ......................................................................81
4.2 Xây dựng hệ thống thí nghiệm của MRB1 ...................................................84
4.2.1 Chọn lựa thiết bị cho mơ hình ...............................................................84
4.2.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm của MRB.................................................87
4.2.3 Thực nghiệm kiểm tra mô men của phanh MRF ..................................89
4.2.4 Thực nghiệm kiểm tra nhiệt độ phanh MRF .........................................91
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................94
5.1 Kết Luận. .......................................................................................................94
5.1.1 Điểm mạnh ............................................................................................94
5.1.2 Hạn chế..................................................................................................94
5.2 Kiến nghị .......................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................95
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .................................................................99
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .......................................................100


vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mạch từ đơn giản dạng zigzag .....................................................................3
Hình 1.2 Thành phần chính của MRF .........................................................................5
Hình 1.3 Ngun lý hoạt đợng của lưu chất MRF ......................................................8
Hình 1.4 Các chế đợ hoạt đợng của MRF ...................................................................8
Hình 1.5 Chế đợ dịng chảy của MRF .........................................................................9
Hình 1.6 Chế đợ trượt của MRF .................................................................................9
Hình 1.7 Chế đợ nén của MRF..................................................................................10
Hình 1.8 Bợ giảm chấn sử dụng MRF ......................................................................10
Hình 1.9 Phanh MRB ................................................................................................11
Hình 1.10 Khối gá đợng cơ sử dụng MRF ................................................................12
Hình 1.11 Cơ cấu phản hồi lực sử dụng MRF ..........................................................13
Hình 1.12 Van sử dụng MRF ....................................................................................14
Hình 1.13 Phanh dạng đĩa .........................................................................................15
Hình 1.14 Phanh dạng đĩa có hai c̣n nằm hai bên vỏ ............................................15
Hình 1.15 Phanh dạng kết hợp ..................................................................................16
Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn sự liên kết của các hạt từ trong MRF ...............................17
Hình 2.2 Quan hệ giữa B-H ......................................................................................18
Hình 2.3 Dòng chảy của lưu chất - MRF giữa hai bề mặt ........................................20
Hình 2.4 Trạng thái lỏng của các lưu chất ................................................................21
Hình 2.5 Mơ hình phanh MRF với từ trường zigzag đơn giản .................................24
Hình 2.6 Phần từ tính tốn MRF ...............................................................................25
Hình 2.8 Mơ hình mạch từ trong cấu hình phanh MRF dạng đơn giản ....................28
Hình 2.9 Sơ đồ các phương pháp tối ưu hóa .............................................................33
Hình 2.10 Sơ đồ thể hiện q trình hoạt đợng của GD .............................................34
Hình 2.11 Các dạng cập nhật tốc đợ học của GD .....................................................35

Hình 2.12 khái niệm về vượt trợi ..............................................................................36
Hình 2.13 Đường cong Pareto...................................................................................37
Hình 2.14 sơ đồ thuật tốn NSGA – II......................................................................38
Hình 2.15 Thuật tốn tính khoảng cách phân bố (distance crowding) .....................38
Hình 3.1 Cấu hình MRB1 .........................................................................................41
Hình 3.2 Cấu hình MRB2 .........................................................................................41
Hình 3.3 Thơng số hình học của MRB1 ...................................................................43
Hình 3.4 Thơng số hình học của MRB2 ...................................................................45
Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật tối ưu hóa bằng phương pháp First-Order .....................50
Hình 3.6 Mơ hình PTHH phân tích mạch từ MRB1 .................................................52
Hình 3.7 Mơ hình PTHH phân tích mạch từ MRB2 .................................................52
Hình 3.8 Phân bố mật độ từ thông của MRB1 ..........................................................53

vii


Hình 3.9 Phân bố mật đợ từ thơng của MRB2 ..........................................................53
Hình 3.10 Kết quả tối ưu hóa của MRB1..................................................................55
Hình 3.11 Kết quả tối ưu hóa của MRB2..................................................................57
Hình 3.12 Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu bằng nhiều đơn mục tiêu........................61
Hình 3.13 Tạo liên kết ANSYS APDL với ANSYS Workbench .............................63
Hình 3.14 Input file code mơ hình phanh MRF từ ANSYS APDL vào ANSYS
Workbench ................................................................................................................64
Hình 3.15 Tḥc tính của bảng Outline (Properties of Outline table) ......................65
Hình 3.16 Hàm mục tiêu và ràng ḅc của phanh MRF...........................................68
Hình 3.17 Giới hạn thơng số phanh MRF .................................................................69
Hình 3.18 Thực hiện lệnh tối ưu hóa ........................................................................70
Hình 3.19 Q trình tối ưu hóa của phanh MRF.......................................................72
Hình 3.20 Kết quả tối ưu đa mục tiêu của phanh MRF ............................................73
Hình 4.1 Mơ hình CAD của MRB1 ..........................................................................75

Hình 4.3 Thơng số hình học của lip seal ...................................................................83
Hình 4.4 Cảm biến đo mô men xoắn quay đo mô men xoắn đợng ...........................84
Hình 4.5 Đợng cơ AC servo ......................................................................................85
Hình 4.6 Bợ nguồn DC có thể lập trình đa dải Keithley ...........................................86
Hình 4.7 Camera hồng ngoại INFRATECH IR8300 ................................................87
Hình 4.8 Mơ hình thực nghiệm của MRB.................................................................88
Hình 4.9 Kết quả đo mơ men của phanh MRF với từng mức dòng điện khác nhau 91
Hình 4.10 Kết quả đo nhiệt đợ phanh MRF tại các mức dòng điện khác nhau ........93

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thành phần các MRF của hãng Lord Corporation ......................................7
Bảng 2.1 Hệ số trạng thái lỏng ..................................................................................20
Bảng 2.2 Tính chất lưu biến của MRF ......................................................................23
Bảng 3.1 Vật liệu và khối lượng riêng các chi tiết....................................................48
Bảng 3.2 Kết quả tối ưu của các MRB......................................................................58
Bảng 3.3 Giá trị đầu vào và đầu ra của mơ hình phanh MRF dạng zigzag ..............64
Bảng 3.4 Phương pháp tối ưu của phần mềm ...........................................................66
Bảng 4.1 Thơng số hình học của ổ lăn ......................................................................82
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của ổ lăn .......................................................................82
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của lip seal ...................................................................83
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men xoắn .........................................85
Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của động cơ AC servo Panasonic-MSMO42A1UX ....86
Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của camera nhiệt ..........................................................87

ix



DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

APDL

Thuật ngữ tiếng anh

Giải thích

Ansys Parametric Design

Ngơn ngữ thiết kế tham số ANSYS

Language

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

GD

Gradient Descent

Phương pháp giảm độ dốc gradient

GUI


Graphical User Interface

Giao diện độ họa cho người dùng

MRB

NSGA-II

Magneto-rheological

Phanh MR

brake
Non dominated Sorting

Giải thuật di truyền sắp xếp không

Genetic Algorithm-II

vượt trội II,III

x


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề
1.1.1


Lý do chọn đề tài

Lưu chất điện từ (MRF) là một vật liệu thông minh (smart materials), cụ thể hơn là
lưu chất thông minh (smart fluid), trong những năm gần đây được nghiên cứu và
ứng dụng rộng rãi. Lưu chất điện từ là hỗn hợp dung dịch gồm các phần tử có từ
tính cao hịa trợn trong mợt chất lỏng nền (thường là dầu thực vật). Ở trạng thái bình
thường, các phần tử từ tính phân bố tự do trong chất lỏng nền và dung dịch lưu chất
điện từ ứng xử tương tự như chất lỏng nền (thường là lưu chất Newton). Khi lưu
chất điện từ được đặt trong từ trường, các phần tử từ tính bị từ hóa và có khuynh
hướng sắp xếp dọc theo phương đường sức từ trường, lúc này lưu chất điện từ gần
như hóa rắn làm cản trở dịng chảy. Q trình này xảy ra rất nhanh (10ms) và thuận
nghịch. Với khả năng đặc biệt này, lưu chất điện từ đang được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: li hợp, giảm chấn, phanh, van, robot …
Trong các nghiên cứu và ứng dụng của của lưu chất MRF, phanh lưu chất MRF
được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất với rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong
nền khoa học kỹ thuật hiện đại. Do vậy, gần đây có rất nhiều nghiên cứu về phát
triển các loại phanh MRF mới với các tinh năng ưu việt hơn như mô men phanh lớn
hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, dễ chế tạo và bảo dưỡng hơn. Mặc dù đã có
nhiều nghiên cứu về phát triển nhiều kiểu phanh lưu chất MRF khác nhau, tuy nhiên
trong các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào kết cấu hình học của võ phanh, số
c̣n dây sử dụng để tạo ra từ trường làm việc mà chưa xem xét đến hình dáng hình
học của đĩa phanh (hoặc trống phanh đối với phanh tang trống). Do vậy, trong
nghiên cứu này, sẽ tập trung phát triển một thế hệ phanh mới với bề mặt đĩa phanh
(trống phanh) có dạng hình zigzag với mong muốn sẽ tạo ra các kiểu phanh MRF
mới với nhiều tính năng ưu việt hơn.

1



1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu này sẽ tập trung phát triển cơ cấu phanh MRF mới có đường sức từ
trường theo đường zig zag (được gọi là phanh MRF zigzag). Nội dung luận văn bao
gồm từ việc đề xuất cấu hình, thiết kế cho đến giai đoạn thực nghiệm kiểm tra tính
năng và đáp ứng của phanh nhằm để ứng dụng vào thực tiễn. Cơ cấu phanh MRF
mới dự kiến sẽ có các đặc tính kỹ thuật như mơ men phanh, kích thước và khối
lượng phanh tốt hơn so với các dạng phanh MRF trước đây. Nghiên cứu này sẽ tập
trung giải quyết các vấn đề sau:
• Xem xét ảnh hưởng kích thước và hình dạng của biên dạng đối với tính năng
của phanh nhằm giải quyết các vấn đề chưa được xem xét đầy đủ trong
nghiên cứu.
• Đề x́t mợt kết cấu phanh sử dụng đĩa phanh (trống phanh) có từ thơng theo
đường zigzag, đánh giá các phanh được đề xuất bằng kết quả mô phỏng và
kết quả thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này, rất nhiều hình dạng đĩa/trống phanh khác nhau được đề xuất
và phát triển dựa trên cả tính tốn mơ phỏng lý thuyết và thực nghiệm. Các hình
dạng đĩa/trống phanh được đề hai tiêu chí cơ bản là sự phân bố đồng đều của từ
trường và sự đa cực từ (các cặp cực từ đối ứng giữa đĩa phanh và vỏ phanh) nhằm
tối đa từ trường đi ngang qua rãnh lưu chất MRF. Nghiên cứu thành cơng sẽ có ý
nghĩa to lớn về mặt khoa học và thực tiễn. Nghiên cứu sẽ cho ra đời mợt thế hệ
phanh MRF mới với hình dạng đĩa phanh/trống phanh khác nhau với những tính
năng vượt trợi so với các phanh MRF trước đây như kích thước nhỏ hơn, mô men
phanh lớn hơn, công suất tiêu thụ nhỏ hơn. Bên cạnh đó, hình dạng học tối ưu của
đĩa/trống phanh cũng được nghiên cứu thông qua việc áp dụng các thuật tốn tối ưu
tồn cục tiên tiến sẽ được đề xuất trong nghiên cứu này. Cùng với việc các tính
năng về mơ men, khối lượng, kích thước và cơng suất tiêu thụ của phanh MRF được
cải tiến, sẽ có nhiều ứng dụng tiềm năng của phanh MRF được xem xét trong các
ứng dụng thực tế như: ô tô, xe máy, rô bốt, hệ thống phản hồi lực, hệ thống hỗ trợ
người tàn tật và phục hồi chức năng…


2


1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một kiểu phanh MRF mới với bề mặt đĩa
phanh (trống phanh) có dạng hình zigzag với nhiều tính năng ưu việt hơn các loại
phanh trước đây như mô men phanh lớn hơn, khối lượng phanh nhỏ gọn hơn, cơng
x́t tiêu thụ thấp hơn.

Hình 1.1 Mạch từ đơn giản dạng zigzag
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
• Phanh lưu chất MRF dạng đĩa với đường sức từ trường zigzag.
• Thiết kế tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS.
• Thực nghiệm đánh giá phanh mẫu.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
• Chỉ nghiên cứu phanh lưu chất MRF dạng đĩa có tốc đợ quay 120 (vịng/s).
• Chỉ sử dụng lưu chất MRF thương mại được chế tạo bởi cơng ty Lord.
• Giả định lưu chất MRF-132DG tn theo ứng xử lưu chất Bingham.
• Khơng xét đến động lực học của phanh và đĩa quay.
1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cách tiếp cận
• Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về phanh MRF, từ đó tìm ra các ưu điểm
và hạn chế của các phanh trước đây. Từ việc phân tích và đánh giá các ưu
nhược điểm này, đề x́t mợt cấu hình phanh mới vừa kế thừa các ưu điểm
của phanh trước đây, vừa khắc phục được các nhược điểm còn tồn tại.

3



• Tính tốn tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS với mục tiệu đạt được mô
men phanh mong muốn với phanh có khối lượng nhỏ nhất.
• Để đánh giá và kiểm chức kết quả tính tốn tối ưu, phanh mẫu được chế tạo
và kiểm nghiệm.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp phân tích tổng quan và kế thừa.
• Phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán từ trường của phanh.
• Phương pháp giải tích để tính tốn mơ men phanh.
• Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và đánh giá.
1.5.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• Kết quả nghiên cứu sẽ tạo ra các loại phanh MRF mới có nhiều tính ưu việt
hơn, có khả năng ứng dụng thực tế cao hơn.
• Tạo ra mợt loại phanh mới nhỏ gọn hơn,mơ men phanh cao hơn
• Với kết cấu nhỏ gọn, mô men phanh cao hơn loại phanh này sẽ có nhiều ứng
dụng thực tế hơn như trong các rô bốt, trong các hệ thống phản hồi lực hoặc
trong các xe máy, xe đạp điện…
1.6 Giới thiệu lưu chất MRF
Lưu chất MRF (Magneto Rheological Fluid) là một vật liệu thông minh (Smart
Materials) được sử dụng trong kỹ thuật ,các tính chất lưu biến như đợ nhớt, ứng
śt chảy dưới tác dụng của từ trường làm thay đổi . Lưu chất có khả năng biến đổi
trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường tác dụng lưu
chất. MRF được phát minh vào năm 1940 [1] bởi J. Rabinow. Đến 1990 thì MRF
mới được ứng dụng và phát triển trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp (ôtô, quang
học, điện - điện tử, robot) ,hàng không vũ trụ, quốc phịng, y học, trong các mơi
trường khắc nghiệt...
MRF có các thành phần chính: chất lỏng nền, hạt từ tính phân cực và chất phụ gia.
Các hạt từ tính phân cực có vai trị cơ bản trong các hiệu ứng của từ trường tác dụng

4



lên lưu chất. Vì sự lắng đọng của hạt từ tính làm ảnh đợ nhớt, ứng śt của MRF, để
ngăng sự lắng đọng các hạt từ chất phụ gia được dùng [2, 3]. Tính lưu biến phụ
tḥc vào các yếu tố biến đổi khác nhau như tỷ trọng hạt từ , loại hạt từ, mật độ các
hạt từ , cường độ từ trường, nhiệt độ, chất lỏng nền và chất phụ gia [4.Từ trường đi
qua lưu chất làm thay đổi tính lưu biến của MRF như đợ nhớt, tính đàn hồi hay tính
dẻo của MRF. Khi từ trường đi qua lưu chất thì các đặc tính của MRF được biểu
diễn qua mơ hình Bingham [5].
1.6.1 Đặc điểm của MRF
1.6.1.1 Thành phần của MRF
MRF gồm 2 thành phần chính : hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2) ngồi ra cịn
các chất phụ gia được thể hiện bởi Hình 1.2.
2

1
Hình 1.2 Thành phần chính của MRF
• Các hạt từ tính của MRF:
Các loại hạt từ thường sử dụng như sắt, hợp kim sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, oxit
sắt, nitrat sắt, niken và coban [6, 7]. Trong đó hạt sắt carbonyl thường được sử dụng
để chế tạo MRF. Ứng suất cực đại khi cường độ từ trường tác dụng vào MRF làm
cho bão hịa từ của các hạt từ tính lớn nhất và khơng đổi. Bợt sắt carbonyl có đợ tinh
khiết cao được xem là thành phần từ tính chính cho hầu hết các sản phẩm MRF [8].
Các hợp kim FeCo và hợp kim FeNi được sử dụng làm hạt từ, nhờ vậy Fe góp phần
vào bão hịa từ cao. Ngược lại, một số vật liệu sắt từ như Mn-Zn Ferrite, Ni-Zn
Ferrite có bão hịa từ thấp nên chỉ thích hợp cho các ứng dụng ứng suất thấp [6].
Kích thước hạt từ tính thường nằm trong khoảng 0,1-10 μm.

5



• Chất lỏng nền:
Chất lỏng nền trong MRF có thể là diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, dầu
silicon, dầu khoáng, dầu parafin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, nước
và dầu hydrocarbon tổng hợp [7]. Trong các nguyên cứu trước đây, các nhà phát
minh đã dùng các hạt từ tính phân tán trong dầu hydrocarbon [9] là chất lỏng, chất
làm mát, dầu mỡ bán rắn [1] và dầu Silicon, chất lỏng Clo, Fluoride [10]. Khi các
hạt từ tính lắng đọng thì sự đáp ứng của MRF bị giảm đáng kể. Để giảm sự lắng
đọng các sản phẩm mới của MRF xem xét trên các pha liên tục của độ nhớt [11] từ
đó đợ ổn định được cải thiện rất nhiều. Một MRF hỗn hợp đã được giới thiệu bởi
Pan và các cộng sự [12], với sự kết hợp của gelatine, hạt sắt và chất lỏng nền. Họ đã
chỉ ra rằng các đáp ứng của MRF vượt trội hơn với hỗn hợp chỉ dùng
carbonylpowder sắt nguyên chất.
• Chất phụ gia:
Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF
[13][14]. Khi sự lắng đọng của MRF tăng lên thì dưới tác đợng của ứng suất cao và
tốc độ trượt 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]. Tuy nhiên,
cũng làm suy giảm ứng suất trượt của MRF khi thêm nhiều lớp phủ polymer [19,
20]. Ngoài ra, một số chất phụ gia được thêm vào MRF để cải thiện khả năng chống
oxy hóa hoặc chống mài mịn. Các thành phần trên sẽ tạo thành một hỗn hợp đồng
nhất mà nó quyết định đến ứng suất chảy dẻo lớn nhất, đợ từ thẩm. Vì vậy, nếu có
sự khác nhau về tỷ lệ các thành phần trên sẽ cho ra các loại MRF khác nhau như
Bảng 1.1.

6



Bảng 1.1 Thành phần các MRF của hãng Lord Corporation
Loại MRF

MRF-122EG

MRF-132DG

MRF-140CG

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

Tỷ lệ hạt từ (%)

72


80,98

85,44

Nhiệt độ hoạt động (0C)

40 đến + 150

Cường độ từ trường (kA/m)

150 - 250

Ứng suất dẻo (kPa)

50 - 100

Thời gian đáp ứng

Vài ms

1.6.2 Nguyên lý hoạt động
Ở trạng thái bình thường (khơng có từ trường tác dụng vào), các hạt sắt từ trong lưu
chất - MRF chuyển đợng tự do và thể hiện tính chất Newton như các chất lỏng khác.
Ở trạng thái có từ trường bên ngoài tác dụng, các hạt từ trong lưu chất - MRF sẽ liên
kết lại và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng của các đường sức từ có khả năng
chống lại sự phá vỡ liên kết. Độ bền của các liên kết phụ thuộc vào độ lớn của từ
trường bên ngoài tác dụng. Ở trạng thái này, độ nhớt của MRF tăng lên đang kể do
lực từ cũng như lực ma sát giữa các hạt sắt và lúc này hoạt động như một chất bán
rắn. Cường độ từ trường càng lớn, càng tạo ra nhiều ma sát giữa các hạt và liên kết
giữa các hạt sẽ trở nên cứng hơn.


7


Hình 1.3 Ngun lý hoạt đợng của lưu chất MRF
1.6.3 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
[21] đó là: chế đợ dịng chảy (valve mode), chế độ trượt (shear mode) và chế đợ nén
(squeeze mode).

Hình 1.4 Các chế đợ hoạt đợng của MRF [21]
• Chế đợ dịng chảy (valve mode): chế đợ này thường được sử dụng chế tạo
van MRF, trong đó dòng chảy của MRF ở giữa các tấm đứng yên. Từ trường
được đưa từ ngồi vào có hướng vng góc với hướng của dòng chảy của
MRF, làm 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
lưu chất giữa hai tấm cố định. Biên dạng vận tốc điển hình với mơ hình dẻo
Bingham của chế đợ van.

8


a) chế độ làm việc của van

b) biên dạng vận tốc của dịng chảy MRF

Hình 1.5 Chế đợ dịng chảy của MRF [22]
• Chế đợ trượt (shear mode): ở chế đợ này thì MRF nằm giữa hai bề mặt, theo
đó một mặt trượt hoặc xoay so với mặt kia, với từ trường được đặt vng góc
với hướng chuyển đợng của các bề mặt.


Hình 1.6 Chế đợ trượt của MRF [22]
• Chế độ nén: Chế độ nén hoạt động 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 1.7 Chế đợ nén của MRF [22]
1.7 Các ứng dụng của lưu chất MRF
1.7.1 Bộ giảm chấn sử dụng MRF
Giảm chấn là một bộ phận không thể thiếu trên ô tô cũng như nhiều loại máy móc
khác, nó có tác dụng bảo vệ các bộ phận đàn hồi cùng với việc dập tắt các dao động.
Hầu hết các bộ giảm chấn thơng thường có đợ cứng khơng đổi, vì vậy nếu độ nhám
bề mặt của mặt đường trùng với tần số rung của thiết bị giảm chấn hoặc độ nhấp
nhô bề mặt quá lớn, tác dụng sẽ giảm đi rất nhiều hoặc thậm chí bị vơ hiệu hóa.

Hình 1.8 Bộ giảm chấn sử dụng MRF [23]

10