ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu mô phỏng phanh hỗ trợ
sử dụng từ trường ứng dụng trên xe tải nhỏ
Bùi Hữu Điều


Ngành Kỹ thuật ô tô

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Thanh Tùng

Trường
Khoa

Cơ khí

:
:

Cơ khí động lực

HÀ NỘI, 8/2023

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Hữu Điều.
Đề tài luận văn: Nghiên cứu mô phỏng phanh hỗ trợ sử dụng từ trường
ứng dụng trên xe tải nhỏ.
Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô.
Mã số học viên: 20212663M.
Tác giả, người hướng dẫn khoa học và hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 03/08/2023
với các nội dung sau:
x Bổ sung và cập nhật chương tổng quan (trang 19).
x Bổ sung giải thích các kí tự:
ƒ Giải thích thơng số tải trọng xe (trang 40).
ƒ Giải thích tỉ số truyền trên xe (trang 41).
ƒ Giải thích các thơng số khi xe đổ đèo (trang 40).
ƒ Giải thích giá trị mơ men u cầu với phanh hỗ trợ (trang 43).
x Bổ sung giải thích tên gọi phiên bản phanh đang nghiên cứu để phân
biệt với các mơ hình phanh khác của nhóm (trang 44).
x Bổ sung một số thông số kết cấu MRB2:
ƒ Các vùng dầu cụ thể trong phanh MRB2 (trang 45).
ƒ Các kích thước thiết kế cơ sở của MRB2 (trang 45).
x Bổ sung giải thích cường độ từ trường trung bình H khi tính tốn mơ
men tại mỗi lớp dầu (trang 50).
x Cập nhật nội dung đánh gía tối ưu mơ men của MRB2: Bỏ mục đánh
giá yếu tố góc nghiêng răng tối ưu MRB2 (trang 55).
x Thay đổi tên và chỉnh sửa nội dung chương 4: Mơ tả lại cấu hình đề
xuất của bệ thử thí nghiệm MRB2 (trang 56).
x Thay đổi vị trí các kết luận của mỗi chương khơng cách trang.
Ngày 26 tháng 8 năm 2023
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng phanh hỗ trợ sử dụng từ trường ứng dụng trên
xe tải nhỏ.
Họ và tên học viên: Bùi Hữu Điều

MSHV: 20212663M

GV hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tùng.
Những nội dung nghiên cứu:
-

Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu.

-

Chương 2. Cơ sở lý thuyết của luận văn.

-

Chương 3. Thiết kế, mô phỏng, tính tốn và đánh giá khả năng làm việc
của phanh từ trường (MRB2).

-

Chương 4. Đề xuất thiết kế, gia công lắp đặt bệ thử nghiệm phanh từ

trường.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

Trần Thanh Tùng


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Trần Thanh Tùng
đã tạo cơ hội và hướng dẫn em làm đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng phanh hỗ trợ
sử dụng từ trường ứng dụng trên xe tải nhỏ”. Cùng với đó là sự hỗ trợ nhiệt tình
của các thầy trong Khoa, các bạn thành viên trong phòng nghiên cứu và câu lạc
bộ. Và những môn học ý nghĩa bổ sung thêm kiến thức của các thầy ở trong
khoa.
Khoảng thời gian hơn 1 năm học tập và làm việc để hoàn thành luận văn
cao học không quá dài nhưng cũng không quá ngắn để em có những kỷ niệm khó
quên. Một lần nữa em xin cảm ơn sâu sắc tới thầy Trần Thanh Tùng – người đã
hướng dẫn và tiếp lửa cho em để em có thể hồn thành luận văn. Em xin chúc
thầy ln mạnh khỏe và thành cơng trên hành trình sự nghiệp của thầy.
Cảm ơn toàn thể các bạn đã đồng hành cùng anh trong quãng thời gian làm
luận văn ở Bách Khoa. Chúc các bạn có những kết quả học tập tốt và phát triển
hơn nữa trong tương lai. Hy vọng sẽ có những cơ hội khi chúng ta bước ra xã hội
phía bên ngồi kia.

TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn đưa ra bối cảnh bài toán: Xe tải nhỏ đổ đèo trên địa hình Việt
Nam, dưới tác dụng của trọng lực làm tăng vận tốc, từ điều kiện trên nhóm
nghiên cứu đề xuất một mơ hình phanh hỗ trợ xe đổ đèo sử dụng vật liệu dầu
từ trường. Mô hình phanh được thiết kế trên phần mềm Siemens NX, được

xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn và sử dụng bộ giải Altair Flux để mô
phỏng từ trường tại vị trí dầu từ trường, từ đó tính tốn được mô men phanh.
Luận văn bao gồm 4 chương với các nội dung chính:
Chương 1: Tổng quan về đối tượng nghiên cứu, đối tượng ứng dụng và
động cơ, mục đích nghiên cứu của luận văn. Đặt bài toán xe đổ đèo và chọn mơ
hình phanh hỗ trợ ứng dụng dầu từ trường để nghiên cứu hiệu quả của phanh này.
Chương 2: Trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến cấu tạo, đặc tính
của dầu từ trường (MRF), các định luật điện từ, áp dụng mơ hình nghiên cứu để
tính tốn ứng suất, mơ men sinh ra khi MRF hoạt động với phần mềm Altair
Flux. Ngoài ra, luận văn cũng đã trình bày vị trí lắp phanh trên xe (mơ hình) và
mơ men cần sinh ra của phanh để đáp ứng được yêu cầu bài toán xe đổ đèo.
Chương 3: Luận văn đã đưa ra mơ hình phanh từ trường có kết cấu phù
hợp, gọn gàng và xây dựng cơng thức tính tốn mơ men phanh cho từng vị trí
dầu, từ đó cho kết quả mơ phỏng, mơ men phanh đã đáp ứng được u cầu bài
tốn. Bên cạnh đó, các tính tốn độ bền phanh khi hoạt động theo ứng suất, theo
nhiệt độ sinh ra đã đưa ra kết luận về sự ổn định của phanh..Cuối cùng, luận văn
đã trình bày ra một số so sánh về ảnh hưởng của kết cấu tới mô men phanh sinh
ra.
Chương 4: Trong chương này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng một bệ thử
nghiệm phanh từ trường: phần cơ khí, phần điều khiển và phụ kiện đi kèm khác
với mục đích thử nghiệm để đánh giá hiệu quả phanh từ trường giữa mô phỏng
và thực nghiệm.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên

1


MỤC LỤC



LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ................................................ 9
1.1 Tổng quan về dầu từ trường và các ứng dụng .......................................... 9


Ứng dụng làm giảm chấn từ trường .......................................... 10



Ứng dụng làm phanh từ trường ................................................. 10



Một số thiết kế phanh từ trường ................................................ 12

1.2 Đối tượng ứng dụng trong đề tài nghiên cứu ......................................... 18
1.3 Động cơ và mục đích nghiên cứu ........................................................... 19


Động cơ nghiên cứu đề tài ........................................................ 19



Mục đích nghiên cứu đề tài ....................................................... 20

Kết luận chương 1 ............................................................................................ 21
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LUẬN VĂN ............................. 22

2.1 Lý thuyết cơ bản về dầu từ trường lưu biến (MRF) ............................... 22


Thành phần cấu tạo ................................................................... 22



Đặc tính dầu từ trường .............................................................. 24



Các chế độ hoạt động của dầu từ trường (MRF) ...................... 29



Mơ hình mơ hình tốn học áp dụng để nghiên cứu MRF ......... 31

2.2 Các định luật về điện từ .......................................................................... 32


Định luật Ampere ...................................................................... 32



Định luật Gauss ......................................................................... 32



Định luật Ohm ........................................................................... 33




Định luật Kirchhoff ................................................................... 33



Mạch từ với lớp dầu từ trường .................................................. 34

2.3 Phần mềm và giải thuật Altair Flux ........................................................ 35
2.4 Tính tốn mơ men sinh ra cho một số trường hợp phanh từ trường....... 37


Mơ hình lớp dầu 1 lớp có bề mặt vng góc với trục quay ...... 37



Mơ hình lớp dầu có bề mặt vành khăn ...................................... 38



Mơ hình lớp dầu có bề mặt tạo với trục quay một góc nghiêng 39
3


2.5 Lựa chọn mơ hình phanh từ trường làm đối tượng nghiên cứu ............. 39


Xe cơ sở của bài toán ................................................................ 40




Lựa chọn mơ hình phanh và vị trí lắp ráp ................................. 41



Phân tích bài tốn xe đổ đèo và tính tốn mơ men cần thiết .... 42

Kết luận chương 2 ........................................................................................... 43
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN VÀ ĐÁNH GIÁ
KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA PHANH TỪ TRƯỜNG (MRB) .................. 44
3.1 Xây dựng mơ hình phanh từ trường MRB ............................................. 44


Lớp dầu vành khăn ngoài cùng (lớp dầu C) ............................. 46



Lớp dầu có bề mặt vng góc với trục quay của phanh ........... 46



Lớp dầu có bề mặt tạo với trục quay một góc nghiêng ............ 47



Tổng mơ men sinh ra của phanh từ trường ............................... 47

3.2 Mô phỏng, tính tốn, phân tích và đánh giá mơ men sinh phanh .......... 47



Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn ......................................... 47



Thiết lập thông số vật liệu và điều kiện mô phỏng ................... 48



Kết quả mô phỏng phanh từ trường MRB2 .............................. 49



Tính tốn mơ men phanh sinh ra .............................................. 50



Kiểm bền các chi tiết phanh từ trường trong q trình làm việc
52

Tính tốn nhiệt sinh ra khi phanh hoạt động bằng phương pháp
mô phỏng 54




Đánh giá sự thay đổi mơ men phanh bởi cường độ dịng điện . 55

Kết luận chương 3 ........................................................................................... 55
CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ, GIA CÔNG LẮP ĐẶT BỆ THỬ
NGHIỆM PHANH TỪ TRƯỜNG ................................................................... 56

4.1 Xây dựng mơ hình hệ thống thử nghiệm phanh từ trường ..................... 56
4.2 Các bộ phận của bệ thử nghiệm phanh từ trường .................................. 57
Kết luận chương 4 ........................................................................................... 61
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 62

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1Các trạng thái hoạt động của vật liệu dầu từ trường. ..................................................................... 9
Hình 1.2 Cấu trúc của hạt từ trước và sau khi chịu tác động của từ trường. ................................................ 9
Hình 1.3 Giảm chấn từ trường Magneride. ................................................................................................ 10
Hình 1.4 Mơ hình nghiên cứu phanh từ trường. ........................................................................................ 11
Hình 1.14 Một số mẫu xe tải chở hàng phổ biến ở Việt Nam .................................................................... 18
Hình 1.15 Dịng xe tải chở hàng cỡ nhỏ. ................................................................................................... 19
Hình 1.16 Mơ tả khi xe đổ đèo. ................................................................................................................. 20
Hình 2.1 Các thành phần của dầu từ trường. ............................................................................................. 22
Hình 2.2 Dầu từ trường (MRF) ở 2 trạng thái: bình thường và khi có từ trường tác dụng. ....................... 22
Hình 2.3 Các hạt từ tính dưới kính hiển vi................................................................................................. 23
Hình 2.4 Cấu trúc hạt từ của MRF khi từ trường ngoài tác dụng. ............................................................. 25
Hình 2.5 Một số trạng thái hoạt động của dầu từ trường. .......................................................................... 25
Hình 2.6 Độ nhớt của một số loại MRF theo tốc độ cắt ............................................................................ 26
Hình 2.7 a) Ứng suất lớn nhất theo thành phần thể tích hạt (dưới mật độ từ thông 1T) – b) Độ nhớt theo
thành phần thể tích hạt..................................................................................................................... 26
Hình 2.8 a) Ứng suất chảy tối đa so với từ trường - b) Đặc tính B-H, cho các cơng thức chất lỏng khác nhau
(φw là phần trọng lượng hạt). .......................................................................................................... 26
Hình 2.9 Độ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ từ trường - ứng suất chảy và đường con B-H của vật
liệu MRF. ........................................................................................................................................ 27
Hình 2.10 Sơ đồ tỉ lệ cắt - ứng suất cắt giữa mơ hình BingHam và thực nghiệm. ..................................... 28
Hình 2.11 MRF - Chế độ chảy. .................................................................................................................. 29

Hình 2.12 MRF - Chế độ cắt...................................................................................................................... 30
Hình 2.13 MRF - Chế độ ép....................................................................................................................... 30
Hình 2.14 MRF - Chế độ kẹp..................................................................................................................... 31
Hình 2.15 Ứng xử mơ hình Bing-ham. ...................................................................................................... 32
Hình 2.16 Cường độ từ trường: a) 1 vòng dây và b) N vịng dây. ............................................................. 32
Hình 2.17 Từ thơng của mạch điện. ........................................................................................................... 33
Hình 2.18 Tổng lực từ tác động. ................................................................................................................ 34
Hình 2.19 Mạch từ với lớp dầu từ trường. ................................................................................................. 34
Hình 2.20 Quy trình mơ phỏng phần tử hữu hạn trong cơng nghiệp. ........................................................ 35
Hình 2.21 Ứng dụng phần mềm trong mô phỏng phần tử hữu hạn với Altair Engineering ....................... 36
Hình 2.22 Ứng dụng của Altair flux trong lĩnh vực mơ phỏng từ trường. ................................................. 36
Hình 2.23 Ứng dụng của Flux trong lĩnh vực sạc pin xe không dây.......................................................... 37
Hình 2.24 Phân tố dầu từ trường có bề mặt vng góc với trục quay phanh đĩa. ...................................... 37
Hình 2.25 Phân tố dầu từ trường ở vùng dầu hình vành khăn. .................................................................. 38
Hình 2.26 Mặt cắt lớp dầu nghiêng............................................................................................................ 39
Hình 2.27 Mơ hình xe cơ sở được dựng lên sau khi đo đạc ....................................................................... 40
Hình 2.28 Vị trí của MRB trên xe.............................................................................................................. 41
Hình 2.29 Mơ hình phanh khi lắp lên xe.................................................................................................... 42
Hình 2.30 Phân tích các lực tác dụng khi xe đổ đèo. ................................................................................. 42

5


Hình 3.1 Các bộ phận của mơ hình phanh từ trường MRB2. ..................................................................... 44
Hình 3.2 Lớp dầu của MRB2. .................................................................................................................... 44
Hình 3.3 Mơ tả vị trí từng lớp dầu của MRB2. .......................................................................................... 45
Hình 3.4 Kích thước thiết kế MRB2. ......................................................................................................... 45
Hình 3.5 Lớp dầu C trong phanh từ trường MRB2. ................................................................................... 46
Hình 3.6 Lớp dầu E trong phanh từ trường MRB2. ................................................................................... 46
Hình 3.7 Lớp dầu A trong phanh từ trường MRB2. ................................................................................... 47

Hình 3.8 Mơ hình phần tử hữu hạn của MRB2. ......................................................................................... 48
Hình 3.9 Mơ tả 2 cuộn dây dẫn điện trong phần mềm Flux. ...................................................................... 49
Hình 3.10 Thiết lập điều kiện biên cho mơ hình phanh từ trường. ............................................................ 49
Hình 3.11 Kết quả mơ phỏng - Cảm ứng từ B của phanh từ trường. ......................................................... 50
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng - Cường độ từ trường H của phanh từ trường. ............................................ 50
Hình 3.13 So sánh mơ men sinh ra tại các khu vực dầu A. ........................................................................ 52
Hình 3.14 So sánh mơ men sinh ra tại các khu vực dầu E. ........................................................................ 52
Hình 3.15 Nhiệt độ thay đổi khi phanh từ trường hoạt động. .................................................................... 54
Hình 3.16 So sánh mô men sinh ra của phanh từ trường bởi dịng điện. ................................................... 55
Hình 4.2 Kết cấu bệ thử phanh. .................................................................................................................. 57
Hình 4.3 Động cơ bước lai và trình điều khiển. ......................................................................................... 57
Hình 4.4 Hộp số sử dụng trong bệ thử nghiệm phanh................................................................................ 58
Hình 4.5 Các bộ phận của phanh từ trường MRB2 và cuộn dây sau khi lắp đặt........................................ 58
Hình 4.6 Phanh sau khi lắp lên bệ thử........................................................................................................ 59
Hình 4.7 Thiết kê cảm biến đo lực. ............................................................................................................ 60
Hình 4.8 Biến áp, mạch cấp nguồn, mạch điều khiển và driver điều khiển động cơ. ................................ 60
Hình 4.9 Bảng mạch điều khiển. ................................................................................................................ 61

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh một số kiểu phanh từ trường. ........................................................................................ 17
Bảng 2.1 Bảng so sánh một số loại chất lỏng mang................................................................................... 24
Bảng 2.2 Thông số tải trọng cơ bản của xe. ............................................................................................... 40
Bảng 2.3 Thông số làm việc của nguồn động lực trên xe. ......................................................................... 41
Bảng 2.4 Tỉ số truyền trên xe. .................................................................................................................... 41
Bảng 2.5 Các thơng số phân tích khi xe đổ đèo. ........................................................................................ 42
Bảng 3.1 Thông số dầu MRF-140CG ........................................................................................................ 48
Bảng 3.2 Thông số vật liệu thép 1045. ...................................................................................................... 48

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng mà mơ men sinh ra tại mỗi vị trí dầu............................................................ 51
Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng kiểm bền một số chi tiết chính của MRB2. .................................................. 53
Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng và đánh giá độ bền của đĩa quay. ................................................................. 53
Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng và đánh giá độ bền của đĩa giữ trong (1). ..................................................... 53
Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng và đánh giá độ bền của đĩa giữ trong (2). ..................................................... 54

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về dầu từ trường và các ứng dụng
Vật liệu thông minh theo định nghĩa là những vật liệu có đặc tính hoạt
động thay đổi bằng cách thay đổi một yếu tố bên ngồi như dịng điện, từ trường,
điện dung…Trong đó, dầu từ trường (Magneto-rheological fluid hay MRF) là
một loại vật liệu thông minh có thể phản ứng dưới sự tác dụng của từ trường, sự
thay đổi các đặc tính của chúng như ứng suất chảy hoặc độ nhớt... Sự thay đổi
này diễn ra nhanh chóng, có thể đảo ngược và có thể được kiểm soát bằng cách
kiểm soát từ trườngg tác dụngg lên chúng.
g

Hình 1.1Các trạng thái hoạt động của vật liệu dầu từ trường.
Loại chất lỏng từ trường được khám phá và phát triển lần đầu bởi Jacob
Rabinow tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940. Điều
thú vị là mặc dù dầu từ trường (MRF) được giới thiệu gần như cùng lúc với một
loại vật liệu thông minh khác là chất lỏng điện trường (Electro-rheological fluid
hay ERF) được điều khiển bằng điện trường nhưng số lượng bằng sáng chế và ấn
phẩm đã được báo cáo vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 của
chất lỏng MR đã vượt xa với chất lỏng ER. Chất lỏng MR cũng là một loại dầu,
vì vậy từ giờ sẽ gọi chung cho dầu từ trường là dầu từ trường.


Hình 1.2 Cấu trúc của hạt từ trước và sau khi chịu tác động của từ trường.
Dựa trên các đặc tính cơ học đó, các dầu từ trường (MRF) này có thể được
ứng dụng trong các thiết bị MR được điều khiển bởi từ trường ứng dụng. Bên
cạnh đó, phanh từ trường là một trong những thiết bị đang được nghiên cứu và
ứng dụng rộng rãi nhất trong các lĩnh vực như xe hơi, rô-bốt công nghiệp cũng
như trang thiết bị y tế. Ngoài nồng độ và bản chất của các hạt sắt từ trong cột
chất lỏng, các đặc tính liên quan khác có thể kể đến:
x Độ nhớt của dầu từ trường (MRF) khi khơng có từ trường.
9


x Khả năng chống lại quá trình lắng dần của các hạt sắt từ trong cột chất
lỏng điều này rất quan trọng để hoạt động hoàn hảo, cung cấp các chất
phụ gia theo yêu cầu của các ứng dụng.
x Tính ổn định của dầu từ trường (MRF) về sự tối ưu hóa trong khả năng
chống oxy hóa của chất lỏng.
x Các đặc tính sinh học của dầu từ trường (MRF).
x Phạm vi nhiệt độ cho phép trong trạng thái hoạt động.
x Phạm vi biến thiên được tối ưu hóa của ứng suất sinh ra thông qua việc
áp dụng từ trường khác nhau trên dầu từ trường (MRF).
x Độ bền của dầu từ trường (MRF) - điều này cần được tối ưu hóa để cải
thiện chất lượng và mang lại tính kinh tế khi sử dụng trong các ứng dụng
kỹ thuật cấu hình cao.
Ứng dụng làm giảm chấn từ trường
Bộ giảm chấn Magnetorheological (MR), được gọi là MagneRide, xuất hiện
lần đầu tiên vào năm 2002 trên chiếc xe hạng sang Cadillac Seville [1] . Các hệ
thống này có thể thay đổi hệ thống treo để tạo ra một chuyến đi cứng hơn hoặc
êm ái hơn. Thế hệ đầu tiên được sản xuất bởi tập đồn phụ tùng ơ tơ Delphi
Corporation có trụ sở tại Hoa Kỳ và chứa một cuộn dây điện từ duy nhất. Kể từ
đó, hệ thống đã được cung cấp trên nhiều loại ô tô. Hệ thống MagneRide đã được

mua bởi công ty ô tô Trung Quốc BeijingWest Industries (BWI) và hiện đang ở
thế hệ thứ ba.

Hình 1.3 Giảm chấn từ trường Magneride.
Hiện nay, giảm chấn từ trường đang được lắp đặt trên một số dòng xe cao
cấp như: Các dòng Ford Mustang, Chevrolet Corvette C5/C6/C7/SS, Audi R8,
Land Rover Discovery Sport, Lamborghini Aventador...vẫn chưa phổ biến tiếp
cận đến phân khúc xe giá rẻ hơn.
Ứng dụng làm phanh từ trường
Bên cạnh lắp giảm chấn trên xe, mơ hình phanh từ trường đã được xây
dựng từ nhiều thế kỷ trước. Với các mẫu phanh từ trường được nghiên cứu, kết
cấu nhìn chung dạng đĩa quay, vùng khơng gian giữ phần quay và phần đứng yên
chính là lớp dầu từ trường.
Phanh từ trường hay magnetorheological brake (MRB) là một loại phanh
sử dụng chất lỏng biến tính từ trường để tạo ra lực hãm. Khi một từ trường được
áp dụng, các hạt sắt sẽ sắp xếp theo hướng của từ trường, làm cho chất lỏng trở
nên đặc hơn và tạo ra lực hãm. Mơ hình phanh MRB đầu tiên được phát minh bởi
10


Jacob Rabinow vào năm 1948 tại Phịng thí nghiệm tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ
(NIST). Rabinow đã nhận thấy rằng chất lỏng từ trường (MRF) có thể được sử
dụng để tạo ra một loại phanh có lực hãm lớn hơn và phản ứng nhanh hơn so với
các loại phanh truyền thống.
Trong những năm 1960 và 1970, nghiên cứu về MRB được tiếp tục bởi
các nhà khoa học tại NASA và các công ty tư nhân. NASA quan tâm đến việc sử
dụng phanh MRB cho các tàu vũ trụ, vì chúng có thể cung cấp lực hãm lớn hơn
và phản ứng nhanh hơn so với các loại phanh truyền thống. Các công ty tư nhân
quan tâm đến việc sử dụng phanh MRB cho các ứng dụng ô tô và công nghiệp, vì
chúng có thể cung cấp hiệu quả nhiên liệu và an toàn cao hơn.

Vào những năm 1980 và 1990, nghiên cứu về phanh MRB đã đạt được
những tiến bộ đáng kể. Các nhà khoa học đã phát triển các chất lỏng MR có hiệu
suất cao hơn và các hệ thống phanh MRB có giá thành hợp lý hơn. Điều này đã
dẫn đến việc phanh MRB được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ô tô, công
nghiệp và quân sự.
Ngày nay, phanh MRB được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao
gồm:
x Ơ tơ: MRB được sử dụng trong một số mẫu ô tô cao cấp, chẳng hạn
như Mercedes-Benz S-Class và Audi R8.
x Máy bay: MRB được sử dụng trong một số máy bay thương mại,
chẳng hạn như Boeing 787 Dreamliner và Airbus A350 XWB.
x Tàu vũ trụ: MRB được sử dụng trong các tàu vũ trụ của NASA,
chẳng hạn như tàu con thoi và tàu thăm dò Curiosity.
x Quân sự: MRB được sử dụng trong các thiết bị quân sự, chẳng hạn
như xe tăng và máy bay chiến đấu.
Phanh MRB là một cơng nghệ mới có nhiều tiềm năng ứng dụng. Chúng
có thể cung cấp hiệu quả nhiên liệu và an tồn cao hơn, đồng thời có phản ứng
nhanh hơn và tuổi thọ lâu hơn so với các loại phanh truyền thống. Do đó, phanh
MRB được kỳ vọng sẽ tiếp tục được phát triển và áp dụng rộng rãi trong tương
lai.

Hình 1.4 Mơ hình nghiên cứu phanh từ trường.
Đến nay, hầu hết kết quả tính tốn dừng lại ở nghiên cứu, thực nghiệm
nhỏ. Trong đó các bộ thí nghiệm nghiên cứu phanh từ trường có kết cấu đơn giản
bao gồm động cơ, hộp số, cảm biến và phanh từ trường.

11


Đến nay, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng dầu từ trường làm phanh từ

trường vẫn đang tiếp tục. Mặc dù trên thị trường chưa có dịng xe ơ tơ nào trang
bị phanh từ trường vì nhiều nguyên nhân, các nhà nghiên cứu, phòng LAB trong
các trường đại học hay phịng nghiên cứu phát triển của các cơng ty ơ tơ vẫn
khơng ngừng nỗ lực để hồn thiện nghiên cứu của mình, góp phần tạo ra mẫu
phanh thương mại, sau cùng là phổ biến với mọi dòng xe.
Một số thiết kế phanh từ trường
Tính đến hiện nay thì có thể chia cấu trúc phanh thành năm loại sau[2]:
x Phanh từ trường dạng đĩa.
x Phanh từ trường dạng trống.
x Phanh từ trường dạng trống âm.
x Phanh từ trường có rotor dạng chữ T.
x Phanh từ trường nhiều đĩa.
Ngồi ra cịn có những dạng khác đang được nghiên cứu và công bố. Với
những nghiên cứu đầu tiên về phanh từ trường chủ yếu có dạng đĩa hoặc trống vì
cấu tạo khá đơn giản. Căn cứ vào nhiều tố để các nhà nghiên cứu có thể đưa ra
mơ hình tối ưu và phù hợp với ứng dụng của họ. Nhưng chủ yếu các nhà nghiên
cứu sẽ tối ưu hóa mơ-men phanh mà sao cho kết cấu vẫn nhỏ gọn để giảm chi phí
gia cơng.

Hình 1.5 Thiết kế phanh từ trường.
Các mục tiêu chính cần đạt được là tối đa hóa phạm vi động (mơ-men
phanh được tạo ra tối đa trên mơ-men xoắn ngồi trạng thái) cũng như tỷ lệ mômen xoắn trên khối lượng (tỷ lệ mơ-men xoắn trên thể tích, RTV). Hơn nữa, bán
kính rơto của phanh từ trường cho một mơ-men xoắn nhất định có thể bị giảm
đối với một số yêu cầu của ứng dụng riêng. Gần đây, công suất tiêu thụ của
phanh từ trường phải được giảm thiểu và để hoạt động lâu dài có thể ổn định cao.
Hình 1.5 thể hiện một cấu trúc đơn giản của hai kiểu phanh: phanh kiểu trống và
phanh kiểu đĩa. Kết cấu chủ yếu sẽ được chia làm 3 phần: roto, stato và dầu từ
trường ở khe hở. Cuộn dây sẽ tạo ra từ trường đi vng góc với bề mặt của lớp
dầu từ trường tiếp xúc. [3]
12



Phanh từ trường kiểu trống và trống âm
Phanh tang trống, với phanh đĩa là thiết kế dễ sản xuất nhất. Rơto có dạng
hình trụ và đặt từ trường đều hướng tâm. Tuy nhiên, mặc dù có tính đơn giản
hình học cao, nhưng những phanh như vậy, ở dạng này, không quá phổ biến
trong tài liệu. Loại trống đơn của MRB là cấu hình dễ sản xuất và lắp ráp nhất.
Nó cũng có rơto bên trong với hình trụ và từ trường cũng như ứng suất năng suất
được áp dụng theo hướng xuyên tâm như trong. Với loại này, cuộn dây được đặt
để tạo ra nhiều từ thông xuyên qua bề mặt hình trụ theo chiều thẳng đứng có
chứa lớp dầu từ trường.

Hình 1.6 Phanh từ trường kiểu trống và trống âm.
Thiết kế trống được đặc trưng bởi quán tính lớn. Qn tính này cũng có thể
được giảm bớt bằng cách định hình lại phần bên trong của nó ở những vùng có từ
thơng thấp hơn.
Phanh từ trường kiểu đĩa
Kiểu 1 đĩa
Phanh từ trường kiểu trống thì có bán kính nhỏ hơn nhiều so với chiều cao
của trống phanh. Còn đối với phanh kiểu đĩa thì có bán kính lớn hơn nhiều so với
chiều dài của roto phanh. Lớp dầu từ trường sẽ được điền đầy giữa khe hở của
đĩa và stato. Phanh kiểu đĩa cũng là một trong nhưng nghiên cứu đầu tiên của
Rabinow về phanh từ trường vào năm 1951. Đây là loại phanh dễ dàng cho việc
thiết kế, gia công và đưa ra thử nghiệm.
Kết cấu phanh này chủ yếu gồm có: Một roto nối trục, đĩa phanh, stato gắn
cố định, dầu từ trường ở giữa khe hở, cuộn dây quấn trên stato và nguồn cấp
điện. Khi đó từ trường sẽ chạy vng góc với lớp dầu ở giữa khe hở. Trong một
nghiên cứu của Wong và Liao đã đưa ra kết cấu phanh kiểu đĩa và có nhiều cuộn
dây ở hai bên của đĩa[4]. Thêm vào đó họ chế tạo, gia cơng và thử nghiệm phanh
với dịng điện thay đổi từ 0A đến 5A.

Đối với kết cấu phanh này thì mơ-men được tính tốn theo cơng thức sau:
ଶగ
ோమ
Ͷ
PT 1.1
 ൌ ʹ න ݀ߠ න ܴଶ ߬ஓ ݀‫ ݎ‬ൌ ߨ߬ஓ ሺܴଶଷ െ ܴଵଷ ሻ
͵
଴
ோభ

13


Hình 1.7 Kiểu 1 đĩa.
Trong đó߬ᢗ là ứng suất cắt của dầu từ trường sử dụng, R1 và R2 lần lượt là
bán kính trong và ngồi của đĩa roto.

Hình 1.8 Phanh 1 đĩa sau khi gia công.
Nhiều đĩa
Kết cấu loại nhiều đĩa khác với một đĩa là phần roto bên trong được thiết kế
sao cho thành nhiều đĩa mà kích thước giống nhau. Việc thiết kế nhiều đĩa có
mục đích là tăng diện tích tiếp xúc của lớp dầu từ trường và từ đó có thể tăng mơmen phanh. Wang và các công sự cũng đưa ra thiết kế và mơ phỏng từ trường
cho kết cấu phanh nhiều đĩa này.

Hình 1.9 Kiểu nhiều đĩa.
Tính tốn mơ-men phanh của phanh từ trường nhiều đĩa như sau:
ସ

 ൌ ߨ߬ஓ ሺܴଶଷ െ ܴଵଷ ሻܰ
ଷ


PT 1.2

Trong đó, N là số đĩa của kết cấu phanh.
Phanh từ trường kết hợp kiểu đĩa và kiểu trống (Hybird)
Phanh từ trường này là sự kết hợp giữa kiểu đĩa và trống. Trong thiết kế của
phanh này, cuộn dây được quấn và có cấu trúc để điều chỉnh từ thông đi qua cả
14


bề mặt hình trụ và bề mặt thẳng đứng của rôto. Phanh kết hợp này cho thấy một
chút thay đổi về thiết kế với mục đích tang mơ-men xoắn và RTV nhưng nó cũng
gặp khó khan về thiết kế điện từ và tiêu thụ điện năng [5] .

Hình 1.10 Phanh từ trường kết hợp kiểu đĩa và kiểu trống.
Theo tính tốn tham khảo thì mơ-men của phanh này được tính toán như
sau:
Ͷߨ߬ஓ ଷ
Ͷߨρ௘௤ ܴ଴ସ
ܴ௜ ௡೐ାଷ
ሺܴ଴ െ ܴ௜ଷ ሻ
ቈͳ െ ൬ ൰
቉ ߗ ൅
ܶ ൌ
ሺ ݊௘ ൅ ͵ ሻ ݀
ܴ଴
͵
ߗܴ଴ ௡ೌ
ଶ
൅ ʹߨܴ଴ ‫ܮ‬௔ ቆ߬ஓ ൅  ‫ܭ‬௔ ൬

൰ ቇ
݀଴

PT 1.3

Trong đó, ߬ஓ , ݊௘ và ‫ܭ‬௔ lần lượt là ứng suất chảy, chỉ số ứng xử và tính nhất
quán của lớp dầu từ trường sử dụng. ρ௘௤ là độ nhớt tương đương, ρ௘௤ =
‫ܭ‬௘ ቀ

ோబ ఆ ௡೐ ିଵ
ௗ

ቁ

.

Phanh từ trường có roto hình chữ T
Phanh từ trường có roto hình chữ T có thiết kể nhỏ gọn hơn các phanh ở
trên nhưng lại phức tạp hơn về gia công. Với thiết kế này thì có tang diện tích
tiếp xúc của lớp dầu từ trường lên roto và stato nhằm tang mô-men phanh. Ở
thiết kế này thì hai cuộn dây được cuốn ở hai đầu của roto, đảm bảo cho từ
trường cuộn dây có thể tác dụng hết lên lớp dầu từ trường. Bằng sang chế của
York đã đưa ra thiết kế với mơ-men xoắn rất cao 135 N.m với đường kính roto
lên đến 150mm[6].

Hình 1.11 Phanh từ trường có rơ-to chữ T.
Thiết kế này luôn cho thấy mô-men xoắn phanh tốt nhất trong cùng một
kích thước và khối lượng. Tuy nhiên, điện năng tiêu thụ của nó cao hơn nhiều và
15



khó khăn hơn trong sản xuất và lắp ráp. Nói chung, các đặc điểm của phanh từ
trường này hoạt động tốt nhất.
Khi đó mơ-men phanh của cấu trúc trên được tính như sau:
ܶ ൌ ͺɎŠ߬ஓ ܴଶ
PT 1.4
trong đó ߬γ là ứng suất chảy của dầu từ trường, R là bán kính của roto và h
là chiều của một bên hình chữ T.
Phanh từ trường nhiều cực

Hình 1.12 Phanh từ trường nhiều cực và bố trí lắp cuộn dây.
Phanh từ trường nhiều cực có điểm khác so với phanh kiểu trống là phần
roto bên trong có thể bị chia nhỏ thành các cực để quấn dây. Điểm này có ưu
điểm là có thể tăng cường độ từ trường lên lớp dầu từ trường. Nhưng đổi lại thiết
kể rất phức tạp và cách quấn dây cũng khá khó khăn. Kết cấu phanh này sẽ nhỏ
gọn hơn khi muốn tạo ra mô-men phanh lớn mà khơng cần khơng gian bố trí lớn.
Đây là một kiểu phanh từ trường mới đang được phát triển nhiều và hướng tới có
thể ứng dụng trong thời gian sớm nhất. Hình ảnh trên đưa ra mơ hình phanh 6
cực với lớp dầu bên trong hoặc bên ngoài, các cuộn dây được quấn quanh 6 cực
và lớp dầu từ trường đặt ở giữa các roto và stato. Đường đi của từ thơng thì hai
cực gần nhau sẽ tạo thành một vịng trịn khép kín và đi vng góc với lớp dầu.
Mơ-men phanh được tính tốn dựa theo cơng thức sau:
௭ ଶగ
ʹߨᢡ߱ ଶ
PT 1.5
 ൌ  ܴଶ න න ߬ᢗ ݀ߠ݀‫ ݖ‬൅
ܴ ‫ ݖ‬൅  ܶ௙௥
݃
଴ ଴
Trong đó, R là bán kính roto và z là chiều dài trục roto có tiếp xúc lớp dầu

từ trường. ɳ là hệ số nhớt tương đối của dầu từ trường. ߱ là tốc độ góc của roto.
݂ܶ‫ ݎ‬là hệ số ma sát giữa các chi tiết quay khi chưa có từ trường (ổ bi, phớt,…).
2.5.6. So sánh các loại phanh từ trường khác nhau

16


Hình 1.13 So sánh mơ men phanh một số mẫu phanh.
Dựa vào nhiều yếu tố khác nhau để có thể lựa chọn phanh từ trường phù
hợp cho từng ứng dụng khác nhau. Nhưng đối với phanh từ trường, để đánh giá
các loại khác nhau thì mơ-men phanh đầu ra dưới các ràng buộc của khối lượng,
thể tích được chú trọng đến. Quan sát đồ thị trên thì để tạo ra mơ-men phanh 30
N.m thì bán kính roto chỉ khoảng 28mm là nhỏ nhất trong các cấu trúc phanh.
Còn đĩa đơn sẽ cần bán kính roto lớn hơn để cùng tạo ra lượng mô-men là 30
N.m. Với kết cấu đơn giản nhưng mơ-men tạo ra nhỏ hơn khi cùng kích thước.
Phanh từ trường kiểu trống và nhiều đĩa cũng khá nhỏ gọn so với kiểu đĩa. Nếu
không yêu cầu quá cao về mơ-men thì có thể sử dụng kiểu trống và kiểu nhiều
đĩa để vừa đơn giản chế tạo mà mang lại hiểu quả phanh tương đối tốt.
Bảng 1.1 So sánh một số kiểu phanh từ trường.
Kiểu
trống

Kiểu
đĩa

Kiểu
trống âm

Kiểu rôto chữ T


Kiểu
nhiều đĩa

Bán kính roto

-

--

-

+

++

Mơ men /thể tích

--

+

--

-

++

Dải hoạt động

-


--

-

+

++

Tiêu hao năng lượng

++

+

++

+

--

Tính đơn giản thiết kế

++

++

-

-


--

Bảng trên đây đưa ra so sánh một vài thơng số (Bán kính roto, mơ-men trên
thể tích, giải hoạt động, mức tiêu hiêu năng lượng và tính đơn giản thiết kế) của
các loại phanh từ trường khác nhau. Dấu (+) thể hiện ưu điểm của phanh và dấu
(-) thể hiện một nhược điểm của nó so với các phanh cịn lại. Đối với nhưng
phanh có thiết kế phức tạp và mức tiêu thụ năng lương cao thì sẽ sinh ra mơ-men
cao hơn và có kích thước nhỏ gọn hơn. Có thể kết luận rằng phanh từ trường
nhiều đĩa có TRV và dải động tốt nhất với bán kính rơto nhỏ nhất trong khi các
loại đĩa đơn và trống đơn hoạt động kém nhất trong các yếu tố đó. Ngược lại, đĩa
đơn và trống khơng chỉ tiêu thụ điện năng tối thiểu mà còn dễ lắp ráp nhất. Bên
17


cạnh đó, các loại trống đa cực và các loại hình chữ T thể hiện được các tiết mục
trung bình cao có thể tăng lên.
Mơ hình phanh từ trường MRF tối ưu nhất sẽ phụ thuộc vào yêu cầu và giới
hạn của hệ thống phanh cụ thể. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, mơ hình
phanh từ trường MRF sử dụng một hộp chứa chất lỏng MRF được đặt giữa hai
cánh tay phanh, trong đó một trường từ được tạo ra để điều khiển độ nhớt của
chất lỏng MRF. Khi trường từ được bật, chất lỏng MRF trở nên đặc hơn và tạo ra
lực ma sát giữa các cánh tay phanh và bề mặt bánh xe.
Để tối ưu hóa hiệu suất phanh từ trường MRF, cần phải điều chỉnh các
thông số như độ dày của lớp MRF, mật độ dòng điện và tần số của trường từ, và
cấu trúc hộp chứa chất lỏng MRF. Việc tối ưu này phụ thuộc vào nhiều yếu tố,
bao gồm tính chất của chất lỏng MRF, thiết kế hệ thống phanh, điều kiện hoạt
động, và các yêu cầu về hiệu suất và an toàn.
1.2 Đối tượng ứng dụng trong đề tài nghiên cứu
Thị trường xe tải nhẹ và xe tải nhỏ tại Việt Nam hiện nay rất đa dạng.

Trong đó nổi bật là các thương hiệu như: Isuzu, Veam, Suzuki, Jac, Dongben.
Một số mẫu xe bán chạy tại Việt Nam có thể kể đến gồm: xe tải DFSK 900kg, xe
tải Teraco 990kg, xe tải TaTa 800kg, xe tải Isuzu 750kg, xe tải Dongfeng 750kg,
xe tải Isuzu 700kg, xe tải Dongfeng 700kg...
Hiện tại, các dòng xe tải cạnh tranh với nhau ngày một gay gắt. Tuy nhiên,
xe tải nhỏ vẫn không hề tỏ ra yếu thế mà đang ngày một phát triển không ngừng.
Với ưu thế nhỏ gọn thì xe tải nhỏ chở hàng dễ dàng di chuyển vào trong nội
thành hoặc những con hẻm nhỏ hẹp hay khu vực đơng đúc nơi mà những dịng xe
tải nặng khó có thể vào được, cùng với việc sở hữu nhiều tính năng nổi bật khác
thì xe tải nhỏ đang rất được quan tâm và săn đón.

Hình 1.14 Một số mẫu xe tải chở hàng phổ biến ở Việt Nam
Dòng xe tải cỡ nhỏ
Với các dòng xe tải cỡ nhỏ, ngày nay chúng ta ít được nhìn thấy nhưng
chiếc xe ba gác máy, xe lôi… mà ngày xưa người ta gọi là những phương tiện
không thể thay thế của những con đường nhỏ, những con hẻm quanh co mà thay
vào đó là nhưng chiếc xe tải nho nhỏ xinh xinh, mang lại nhiều giá trị sử dụng,
trang bị nhiều cơng nghệ tiên tiến, lưu thơng an tồn.
Xuất phát cốt lõi của vấn đề thay đổi xe ba gác, xe lơi thành xe tải nhỏ
cũng vì một phần là chúng ta ngày có thu nhập cao, đời sống nâng cao, nên xe tải
nhỏ thay thế nhưng phương tiện thô sơ là một điều tất yếu của tự nhiên. Những
chiếc xe tải nhỏ thì hầu hết là những xe có tải trọng dưới 1 tấn được gọi là xe tải
nhẹ, dành chạy những con đường nhỏ nhiều hẻm hốc, nhưng con đường cấm tải
18


trọng lớn thì xe tải là một lựa chọn tất yếu. Trong đó, xe tải nhẹ cỡ nhỏ là sự kết
hợp hồn hảo giữa khả năng chun chở hàng hóa và sự tiện nghi. Thùng xe rộng
rãi chứa được nhiều hàng hóa và có hệ thống các cửa kéo ở thân xe giúp cho
chúng ta chất đỡ hàng hóa nhanh chóng, dễ dàng và thuận tiện nhất. Đối tượng sử

dụng xe là các hộ kinh doanh, các đơn vị vận tải, bưu điện.

Hình 1.15 Dịng xe tải chở hàng cỡ nhỏ.
Đánh giá
Về ưu điểm: Xe tải cỡ nhỏ là chiếc xe bán tải mui kín có khoang chở đồ
sâu rộng, chắc chắn, với kích thước nhỏ gọn; bán kính quay vịng nhỏ (4,1m)
giúp xe quay đầu dễ dàng có thể linh hoạt di chuyển trên các khung đường thành
phố, dễ dàng luồn lách qua các ngõ, các hẻm nhỏ. Đặc biệt đây là dịng xe bán tải
hạng trung bình với mức giá thấp nên rất phù hợp với khả năng đầu tư của các
khách hàng trong nước.
Về nhược điểm: Là dòng xe bán tải nhỏ nên xe tải cỡ nhỏ khơng thể có
đủ những trang thiết bị tiện nghi như các dòng xe tải lớn khác. Với chất liệu ghế
bọc vải da có thể gây đổ mồ hơi và cảm giác nóng nực hơn khi tài xế lái xe vào
mùa hè. Xe tải cỡ nhỏ cũng không trang bị hệ thống lái trợ lực nên khi tài xế chở
hàng nặng, đi trên những đoạn đường dốc cần chú ý và dùng sức nhiều hơn.
Trong nội dung luận văn, em sẽ ứng dụng nghiên cứu một mơ hình phanh
mới ứng dụng nguyên lý làm việc của dầu từ trường với mục đích hỗ trợ dịng xe
tải nhỏ trong q trình làm việc, đặc biệt trong quá trình xe tải đổ đèo ở địa hình
giao thơng Việt Nam.
1.3 Động cơ và mục đích nghiên cứu
Động cơ nghiên cứu đề tài
Dựa trên đặc tính cơ bản và khả năng ứng xử của MRF, chúng ta thấy
được khả năng ứng dụng của loại vật liệu thông minh này trong lĩnh vực ô tô, xe
máy vơ cùng đa dạng. Tuy nhiên, tính từ thời điểm được khám phá, lĩnh vực
nghiên cứu về dầu từ trường bắt đầu cách đây khoảng 80 năm nhưng ở thời điểm
hiện tại vẫn chưa có nhiều ứng dụng trên thị trường. Những nghiên cứu ứng dụng
của dầu từ trường tập trung vào các hệ thống trên xe: phanh, giảm chấn,
treo…Hiện tại mẫu sản phẩm đã được thương mại hóa có thể kể đến giảm chấn
từ trường MagneRide được gọi là “hệ thống treo bán chủ động”, được lắp trên
một số dòng xe hạng sang như: Chevy Corvette, Cadillac ATS và Ferrari 458

Italia... Hiện tại các ứng dụng của dầu từ trường trong ngành công nghiệp ô tô
vẫn cần thêm sự đầu tư nghiên cứu nhằm hiểu và làm chủ loại vật liệu này phục
vụ cho sự phát triển ngành công nghiệp cơ khí, ơ tơ, hàng khơng…trên tồn cầu.
Bên cạnh, với các thiết kế MR cũ vẫn chưa đem lại hiệu quả phanh cao
cùng với mô-men xoắn mong đợi. Để có được phanh từ trường có tỷ mơ-men
19


trên thể tích cao thì phanh từ trường nhiều cực và có hình chữ T đã được đề xuất
ở nghiên cứu. Ở nghiên cứu này thì cho thấy tính khả thi của phanh từ trường
nhiều lớp nhiều cực. Nhưng bên cạnh đó thì thiết kế phanh để đi gia cơng rất
phức tạp là thách thức khơng hề nhỏ. Có rất nhiều biến số ảnh hưởng đến khả
năng làm việc ở các thiết bị ứng dụng dầu từ trường, bao gồm cả các mơ hình
phanh từ trường. Việc tìm ra ngun lý hoạt động chung và khả năng ứng xử của
dầu với kết cấu khác là công việc cần thiết, đầy thách thức nhưng cũng là cơ hội
cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học..
Hiện tại ở Việt Nam đây cũng là một trong lĩnh vực khá mới mẻ và chưa
được nhiều người nghiên cứu quan tâm đến. Đây cũng là cơ hội để có thể khơi
gợi nguồn cảm ứng nghiên cứu cho các nhà khoa học của các trường đại học nói
riêng và Việt Nam nói chung.
Cuối cùng, việc tạo ra một mơ hình phanh từ trường đáp ứng được điều
kiện làm việc cụ thể cho dòng xe tải nhỏ ở hoạt động ở địa hình Việt Nam có thể
là nền tảng cho các mẫu xe tương lai khác ứng dụng khi làm việc trong địa hình
mảnh đất chữ S.
Mục đích nghiên cứu đề tài
Như đã trình bày ở trên, mặc dù hiện nay có rất nhiều nghiên cứu, cơng bố
về đặc tính hoạt động và ứng dụng của dầu từ trường, vẫn cịn nhiều khó khăn và
thách thức để thương mại hóa các thiết bị ứng dụng dầu từ trường vào thực tế các
ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành cơng nghiệp ơ tơ. Với mục đích là mở rộng
tầm hiểu biết về lĩnh vực này và đóng góp vào cơng trình nghiên cứu lớn về lĩnh

vực dầu từ trường, em mong muốn góp phần nhỏ vào sự phát triển hoạt động
nghiên cứu trong lĩnh vực dầu từ trường hay rộng hơn là đánh giá khả năng ứng
dụng của các loại vật liệu thơng minh, từ đó có thể được ứng dụng trong thực tế
trong ngành công nghiệp ô tô, xe máy… của Việt Nam và trên thế giới.
Trong nội dung đề tài nghiên cứu này, em sẽ trình bày ứng dụng của dầu
từ trường làm mơ hình phanh từ trường, hoạt động trên mẫu xe tải nhỏ nhằm mục
đích hỗ trợ xe tải khi đổ đèo ở địa hình giao thơng tại Việt Nam.

Hình 1.16 Mơ tả khi xe đổ đèo.
Nghiên cứu trình bày bài tốn đặt ra cho dòng xe tải cỡ nhỏ hoạt động
trong địa hình giao thơng Việt Nam khi đổ đèo, xuống dốc chịu ảnh hưởng bởi
trọng lực làm tăng vận tốc. Để đảm bảo sự an toàn chuyển động của xe khi di
chuyển, thông thường tài xế phải dùng hệ thống phanh truyền thống để giảm vận
tốc xe. Tuy nhiên việc này gây ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của các hệ
thống phanh truyền thông.
20


Giải pháp đặt ra cho việc đảm bảo xe xuống dốc an tồn mà khơng làm
giảm độ bền và tuổi thọ các hệ thống phanh truyền thống là thiết kế, mơ phỏng,
gia cơng và lắp ghép một mơ hình phanh từ trường ứng dụng nguyên lý hoạt
động của dầu từ trường để đảm bảo vận tốc khi xe bắt đầu xuống dốc, giữ cho xe
hoạt động ổn định trong quá trình đổ đèo mà khơng cần đến sự can thiệp của hệ
thống phanh truyền thống.
Có rất nhiều phương án được đưa ra thảo luận về vị trí của phanh từ trường,
kích thước phanh đảm bảo khả năng lắp đặt, và ảnh hưởng động lực học của xe
khi lắp phanh lên…Khi đi sâu vào phân tích chi tiết, em sẽ trình bày cụ thể các
thông tin liên quan khi xe đổ đèo về lực, mô men sinh ra và các yêu cầu đặt ra
đối với mơ hình phanh từ trường nghiên cứu lắp lên xe.
Kết luận chương 1

Kết thúc chương 1, em đã giới thiệu về dầu từ trường, một số ứng dụng và
nêu ra động cơ và mục đích nghiên cứu đối với bài toán cần xử lý.
Đi sâu vào nghiên cứu sẽ làm rõ về việc đưa ra thông số kết cấu, tính tốn
sức kéo, lực phanh của xe khi xuống dốc và thiết kế, tính tốn, mơ phỏng hệ
thống phanh mới, hỗ trợ xe tải xe tải cỡ nhỏ trong q trình đổ đèo. Phanh hỗ trợ
khơng can thiệp vào kết cấu phanh truyền thống. Thay vì lắp đặt tại bánh xe,
phanh từ trường được lắp và hoạt động trên hệ thống truyền lực. Kết cấu này
không ảnh hưởng đến kết cấu xe ban đầu, xe vẫn hoạt động như nguyên bản,
đồng thời phanh hoạt động đối với trường hợp xe cần đổ đèo, góp phần duy trì
tốc độ của xe khi đi trên đường bằng với hai chế độ điều khiển ON/OFF.

21


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LUẬN VĂN
2.1 Lý thuyết cơ bản về dầu từ trường lưu biến (MRF)
Thành phần cấu tạo

Hình 2.1 Các thành phần của dầu từ trường.
Hồn cảnh tìm ra loại vật liệu thơng mình mang tên dầu từ trường là do
Rabinow tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ, nơi ông đã phát triển bộ ly hợp
chất lỏng điện từ vào những năm 1940s. Trong dầu từ trường lưu biến cách gọi
ngắn gọn là dầu từ trường (magnetorheological fluid) hay MRF có cấu trúc bao
gồm ba thành phần chính [7] :
x Các hạt có thể từ hóa, cịn được gọi là hạt từ tính (với phần thể tích
thường từ 20% đến 45%).
x Chất mang/dung mơi (dầu khoáng, nước…).
x Các chất phụ gia khác.
Việc lựa chọn và kết hợp thích hợp các thành phần này là điều quan trọng
hàng đầu vì nó sẽ xác định tất cả các đặc tính của chất lỏng như độ nhớt ngồi

trạng thái của nó, ứng suất cắt tối đa, khả năng chống lắng, phạm vi nhiệt độ hoạt
động của nó.
MRF hình thành các cấu trúc dạng sợi giống như chất rắn dọc theo hướng
từ trường khi áp dụng từ trường do quá trình phân cực từ của các hạt từ tính mềm
khi lơ lửng trong mơi trường trơ.

Hình 2.2 Dầu từ trường (MRF) ở 2 trạng thái: bình thường và khi có từ trường
tác dụng.
Hạt từ tính
Đây là các hạt không dẫn điện mịn, nhạy cảm với từ trường. Đường kính
hạt có thể nằm trong khoảng ~0,03–10 μm. Lực hút giữa các hạt cực đại (và do
22


đó ứng suất năng suất cực đại) tăng theo bình phương của độ từ hóa bão hịa Js.
Vật liệu chính được sử dụng là sắt penta-cacbonyl Fe(CO)5, nhờ độ từ hóa bão
hịa cao của nó, khi phân hủy nhiệt sẽ tạo ra bột sắt cacbonyl có dạng hạt có hình
cầu. Các hạt này có hàm lượng sắt lên đến 97,8% và được xếp thành các lớp như
dưới. Bột sắt thu được từ các kỹ thuật xử lý ít tốn kém hơn (chẳng hạn như
nguyên tử hóa nước) cũng đã được xem xét và sử dụng trong các công thức dầu
từ trường. Tuy nhiên, các hạt này có thể có kích thước lớn hơn nhiều (~10100μm) và có hình dạng bất thường hơn, ảnh hưởng đến khả năng tương tác, độ
mài mòn và độ bền của chúng. Hơn nữa, các hạt không đều dẫn đến độ nhớt chất
lỏng cao hơn so với các hạt hình cầu ở cùng một phần thể tích[8] .

Hình 2.3 Các hạt từ tính dưới kính hiển vi.
Các hạt từ tính có kích thước lớn có thể được nhìn thấy dưới kính hiển vi.
Tuy nhiên, để quan sát được các hạt từ tính nhỏ hơn, cần sử dụng các phương
pháp phân tích khác như phân tích hình dạng, phổ học, hoặc các kỹ thuật quang
học như tia X hoặc quang kế…
Chất lỏng mang

Chất lỏng mang, thường là một loại dầu. Để lựa chọn chất lỏng mang cần
tùy thuộc vào độ nhớt, độ ổn định nhiệt độ và khả năng tương thích của chúng
với các vật liệu khác trong thiết bị sử dụng. Các loại chất lỏng được sử dụng phổ
biến như là: dầu hydrocacbon, dầu khoáng hoặc là dầu tổng hợp (kết hợp cả 2
loại trên). Chúng được sử dụng là nhờ khả năng bôi trơn tốt, độ bền và có sẵn
trên thị trường. Bên cạnh đó có thể sử dụng dầu Silicon thay thế trong phạm vi
nhiệt độ hoạt động rộng hơn hoặc do vấn đề tương thích với các vật liệu khác của
thiết bị.
So sánh một số loại chất lỏng mang phổ biến có thể kể đến là mineral-oil,
synthetic và silicone như dưới đây [9] :
x Dầu khoáng (mineral oil) là loại dầu được chiết xuất từ dầu mỏ, được
xem là chất lỏng mang phổ biến nhất trong MR fluid, có độ nhớt cao và
giá thành rẻ. Tuy nhiên, nó có hạn chế về độ ổn định nhiệt độ và khả
năng chịu áp suất, do đó nó khơng thích hợp cho các ứng dụng u cầu
độ chính xác cao.
x Bên cạnh đó, dầu tổng hợp (synthetic oil) là loại chất mang được tạo ra
bằng cách tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Nó có độ nhớt cao hơn so với
mineral oil và có độ ổn định nhiệt độ và áp suất tốt hơn. Nó cũng có khả

23


năng chống oxy hóa và chống mịn tốt hơn. Tuy nhiên, giá thành của nó
cao hơn so với mineral oil.
x Cuối cùng, si-li-côn là loại chất mang được tạo ra bằng cách tổng hợp
các hợp chất si-li-cơn. Nó có độ nhớt trung bình và có độ ổn định nhiệt
độ và áp suất tốt hơn các loại chất mang khác. Nó cũng có khả năng
chống oxy hóa và chống mịn tốt. Tuy nhiên, giá thành của nó cao hơn
so với dầu khoáng và dầu tổng hợp.
Bảng 2.1 Bảng so sánh một số loại chất lỏng mang.

Thơng số

Dầu khống

Dầu tổng hợp

Si-li-cơn

Độ nhớt @ 40 °C

0,028

0,1068

0,1100

Điểm chớp cháy

171 – 185

230

>300

Điểm cháy (°C)

260 – 330

350


~ 500

Trọng lực đặc biệt

0,818 – 0,95

0,817

0,9124

Khối lượng riêng ở
250°C (kg/m3)

825

873-894

760

Điểm đổ (°C)

-25 ~ -50

-30 ~ 50

-50

Điểm sương (°C)

-15


-200 C

-20

Các chất phụ gia khác
Một số chất hoạt động bề mặt như axit oleic, axit xitric, lecithin đậu nành,
hoặc tetrametylamoni hydroxit, được thêm vào để giảm sự kết tụ và tốc độ lắng
đọng của các hạt, để chúng bị lơ lửng trong thời gian dài hơn. Các chất phụ gia
được sử dụng trong hỗn hợp để tăng khả năng bôi trơn và giảm sự lắng cặn hoặc
kết tụ của các hạt. Điều này đảm bảo sự phân tán và huyền phù đồng nhất của các
hạt ngay cả sau thời gian dài khơng hoạt động.
Với mỗi loại dầu khác nhau lại có những loại phụ gia khác nhau với tỷ lệ
phần trăm khác nhau (độc quyền thương hiệu). Chúng được thêm vào với nhiều
mục đích như: giảm ma sát, chống oxi hóa, mài mịn hạt và ức chế q trình lắng
và kết tụ của hạt. Những đặc tính này đối với độ ổn định và độ bền rất quan trọng
trong công nghiệp. Để đưa ra những dầu từ trường phù hợp thì nhiều nhà sản
xuất sẽ tập trung và phát triển các gói phụ gia mới.
Sự khác biệt lớn giữa các hạt và mật độ chất lỏng mang có thể tạo ra sự
lắng bên trong chất lỏng. Hiện tượng này gây ra sự kết tụ các hạt trong chất lỏng
mặc dù chưa cấp từ trường cho dầu từ trường (ví dụ, do sự từ hóa cịn sót lại ở
một mức độ nhỏ trong các hạt). Mặc dù mức độ lắng nhỏ của các hạt không thực
sự là một vấn đề trong các thiết bị nơi chất lỏng được trộn lại một cách tự nhiên
và hiệu quả trong quá trình hoạt động. Trong các ứng dụng khác như bộ giảm
chấn, sự kết tụ cần phải tránh vì trong trường hợp đó, sự phân tán lại hạt khó đạt
được hơn nhiều, dẫn đến sự thay đổi các đặc tính của dầu từ trường.
Đặc tính dầu từ trường
Loại dầu từ trường (MRF) có thể thay đổi liên tục giữa hai trạng thái khi có
và khơng có sự tác động của từ trường cực kì nhanh hay khoảng thời gian phản
hồi của dầu từ trường với sự biến động của từ trường tác dụng là vô cùng nhỏ. Vì

24