1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề:
Ngày nay với điều kiện cơ sở vật chất ngày một được nâng cao, trình độ
khoa học kỹ thuật ngày càng tiến bộ, các nhà nghiên cứu luôn tìm tòi và sáng tạo ra
những vật chất có tính hữu dụng với công nghệ cao để đáp ứng nhu cầu sản xuất nói
riêng và nhu cầu cuộc sống nói chung. Đặc biệt là với lĩnh vực máy móc công
nghiệp, chúng ngày được cải tiến để hoàn thiện hơn và giải quyết được các bài toán
nhược điểm của hệ thống.
Trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ là một vấn đề quan trọng bậc nhất,
có ảnh hưởng quan trọng và quyết định đến tất cả các cơ cấu khác. Chính vì vậy mà
việc cải tiến các cơ cấu truyền động luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Có rất
nhiều loại truyền động, ví dụ như: truyền động bằng xích, truyền động bằng đai,
truyền động bằng bánh răng, truyền động bằng các khớp đặc biệt…. Mỗi loại truyền
động đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chọn cơ cấu
truyền động cho phù hợp.
Được phát hiện từ cuối những năm 1940 bởi Jacob Rabinow, Lưu chất từ
biến (MRF) một loại lưu chất thông minh đã thu hút được nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên cho đến đầu những năm 1990, MRF mới được chính
thức đưa vào nghiên cứu và phát triển. Mặc dù cách thức hoạt động tương tự các
lưu chất thông minh khác tuy nhiên nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn
nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu như giảm chấn, phanh, khớp nối
ly hợp, van…
Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thiết bị sử dụng
lưu chất từ biến, từ đó hiệu suất của các thiết bị được tăng lên đáng kể. Điều này
cho thấy tiềm năng cũng như tính ứng dụng của lưu chất từ biến là rất lớn và cần
được phát triển nhiều hơn nữa.

2

3

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nm bt được đặc tính cũng như nguyên lý hoạt động của lưu chất từ
biến.
Thiết kế, tối ưu và chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Điều khiển vô cấp tốc độ đầu ra của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Ổn định hệ thống.
1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu về các đặc tính và nguyên lý của lưu chất từ biến.
Nghiên cứu, thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ ly hợp.
Thực nghiệm, nhận xét và đánh giá bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến.
1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
1.5.1. Phương pháp luận:
Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tc và cách thức hoạt động khoa
học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học.
Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tc và
phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết.
Nghiên cứu chế tạo bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến nhằm tạo ra một loại ly
hợp mới có độ chính xác và n định cao, hệ số ma sát gây mài mòn hệ thống được
giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và
độ rn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một t lệ truyền phù hợp. Để thực hiện
nghiên cứu này cần thực hiện:
Tổng hợp các nghiên cứu có sẵn trong nước và ngoài nước.
Phân tích và tính toán hệ thống.
Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.
Thực nghiệm, hiệu chnh và đánh giá kết quả.
4


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ B LY HP

2.1. Khái quát về ly hp:
Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách
dứt khoát động cơ ra khi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay
đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một t số truyền xác định bởi hộp số. Có nhiều
loại ly hợp như: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, ly hợp nam châm điện, ly hợp liên
hợp,… nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đổi
tốc độ trục tải theo mong muốn. Điều này dn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức
tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô
cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các vấn đề trên cùng với sự phát
triển của lưu chất thông minh – lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu
chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số
vô cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vn giữ
được momen xon đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp.
Nói r hơn về thành phần chính của bộ ly hợp – lưu chất thông minh – lưu
chất từ biến. Lưu chất từ biến (MRF) là một chất lng thể keo có các hạt từ hóa
đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron). Nói chung, lưu chất từ biến
bao gm dầu, thường là dầu khoáng sản hoặc silicone cơ sở, có t lệ các hạt từ hóa
khác nhau đã được phủ một chất liệu chống đông tụ. Ở trạng thái chưa hoạt động,
lưu chất từ biến thể hiện định luật chất lưu Newton. Khi tiếp xúc với từ trường, các
hạt từ hóa được phân tán trong chất lng tạo thành lưỡng cực từ. Những lưỡng cực
từ xếp thành hàng theo đường của từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái
nhanh chóng, mạnh mẽ, và đng thời cũng hi phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi
không còn chịu tác động của từ trường.
6 (a) không có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0)

Lưu cht MR
Trc piston
8 Hình 2.6: Cấu tạo van MR

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống dử dụng
MRF có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc thiết kế tối ưu mạch từ của hệ
thống.

2.2. Cơ s tính toán của MRF [5]:
- T tính của MRF [5]:
Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử
dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH. Dưới ảnh hưởng
của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính
của các hạt trong MRF. Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi vô
số các dãy hạt được sp xếp theo một đường thng tương ứng với hướng của từ
trường như biểu diễn trong hình 2.2.

Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu
Các ht
Lực
Dng t trưng
Li
Nắp đầu van
V van
Cun dây
Cng vào
Cng ra

r r r
 

  



(2.1)
Trong đó F
ij
là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μ
p
là độ dn từ của hạt, μ
0
là
độ dn từ của chân không, r
ij
là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được
gây ra bởi các hạt trong MRF

3
0
4
f
m a H
  

(2.2)
Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được
tính bởi:

M
s
là từ hóa bão hòa của các hạt, đó là khoảng 1,7 x 106A/m cho
khối và 0.48x106A/m cho oxit st từ.

- Tính chất lưu biến:
Lưu biến học là một ngành của cơ học thực hiện việc nghiên cứu các biến
dạng của vật liệu. Lưu biến học là một lĩnh vực liên ngành và được sử dụng để mô
tả các đặc tính của nhiều loại vật liệu như dầu m, thực phẩm, mực in, polymer, đất
sét, bê tông, nhựa đường, …. Các thông số và đại lượng của lưu biến có thể được
dùng để xác định ảnh hưởng của vật liệu phi Newton, vật liệu đàn hi như là một
hàm của thời gian, độ ổn định của hàm khi dòng chất lng đứng yên hoặc trong suốt
quá trình lưu chuyển, và độ nhớt khi không trượt hoặc độ nhớt tối đa của dòng chất
lng để ngăn chặn sự kết tủa. Công thức độ nhớt dựa trên cơ sở lý thuyết thủy lực
động học cho sự phân tán loãng của những hạt hình cầu được tìm ra bởi Einstein
cách đây khoảng 100 năm. Được suy ra từ:

1 2.5
r


(2.5)
Trong đó: η
r
là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan.
Việc thêm các hạt rn vào dung dịch sẽ làm tăng số lượng của các hạt và do
đó làm tăng t lệ khối lượng của các hạt. Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ
nhớt tăng lên. Sook cho rằng nng độ tối đa của các hạt ϕ
max
nên được kết hợp trong


3
1 0.5
(1 ) (1 )
r
 

 



(2.8)
Trong đó K là hệ số hiệu chnh, có thể phụ thuộc vào kích thước và mật độ
của các hạt. Độ nhớt của chất lng có thể được tăng lên với việc bổ sung của các hạt
rn. Tuy nhiên, cùng lúc đó, tính chất của chất lng sẽ thay đổi.
Tổng quát, ứng suất ct τ tăng với tốc độ ct dy/du có thể được đặc trưng bởi
mối quan hệ

()
n
y
du
dy
  

(2.9)
Trong đó, n là hệ số mũ, τ
y
là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động lực.
Trong đó, τ

Mô hnh do Bingham:
Mô hình toán học của chất lng do Bingham có thể được biểu thị bằng công
thức sau:

( )sgn( )
y
H
   

(2.10)
Trong đó:
τ là ứng suất ct trong chất lng.
τ
y
là ứng suất chảy
Ứng sut cắt
Cht lng do
Bingham
Cht lng Newton
Cht lng giãn nở được
Tốc đ cắt
Cht lng
gi do
Đưng chy do ca
cht lng gi do
13

η là độ nhớt của chất do khi không có từ trường
sgn là hàm dấu.
Đó là một dạng chất lng khi tốc độ ct thấp, ứng suất chảy đạt giá trị cực

)
Tốc đ cắt (

)
Cht lng Newton
Ứng sut chy
(

y
)
Cht lng đàn-
do Bing ham
Cht lng do
Herschel-Bulkley
14

Các thông số này được thiết lập khi không có từ trường tác động. Trong thực
tế, các thông số này bị ảnh hưởng bởi từ trường. Zubieta đã đề xuất một mô hình
do cho MRF dựa trên mô hình chất lng do Bingham kết hợp với chất lng do
Herschel-Bulkley. Các mô hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu.
Trong các mô hình trên, các thông số τ
y
, µ, K, m là các đại lượng phụ thuộc vào từ
trường tác dụng. Để xác định các đại lượng này theo từ trường tác dụng, Zubieta đã
đề xuất tính toán theo công thức sau:

2
0
( )(2 )
SY SY
Hình 2.10: Chế độ van trong ứng dụng MR
Profin tốc độ của MRF giữa hai tấm song song có thể được đại diện bởi các
mối quan hệ sau đây:

1/ 1 1/ 1 1/
1
1/ 1 1/
2
1/ 1 1/ 1 1/
3
2
( ) ( ) [( ) ( ) ]
1 2 2
( ) ( ) ( )
12
2
( ) ( ) [( ) ( ) ]
1 2 2
n n n
nn
n n n
n P d y
uy
n KL
n P d
uy
n KL
n P d y


- Kiu cắt:
Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lng là hoạt động
theo kiểu ct đối với dòng lưu chất từ biến (MRF) nằm giữa hai mặt, qua đó một
mặt trượt hoặc quay so với mặt khác, với từ trường tác dụng thng đứng đến hướng
của chuyển động của những mặt ct này. Hình 2.11 trình bày khái niệm hoạt động
của lưu chất từ biến theo kiểu ct.
P
2
<P
1
P
1
Duct wall or fixed plate

Magnetic flux

MRF

Post-yield

Post-yield



d
(a) concept of valve mode

(b) velocity profile



Tm di đng

17

- Kiu nén:
Kiểu làm việc thứ ba của lưu chất từ biến là hoạt động theo kiểu nén thể hiện
trong hình 2.12. Kiểu hoạt động này chưa được nghiên cứu rộng rãi. Trong kiểu
họat động này, lực tác dụng lên các tấm cùng hướng với từ trường để giảm hoặc mở
rộng khoảng cách giữa các tấm song song gây ra sự kéo, nén. Trong kiểu nén, lưu
chất từ biến phải chịu tác động của tải trọng động (luân phiên giữa sức căng và nén)
hoặc tĩnh (riêng sức căng hoặc nén). Khi từ trường tác động lên các hạt, chuỗi hạt
được hình thành giữa các vách trở nên cứng với những thay đổi nhanh chóng về độ
nhớt. Các chuyển vị trong chế độ nén rất nh (vài mm) nhưng yêu cầu lực lớn.

Hình 2.12: Chế độ nn của MRF

- Kết hp các kiu hot động:
Trong một số ứng dụng, việc kết hợp hai hay nhiều kiểu hoạt động của MRF
có thể tạo nên lực cản lớn hơn, tính năng tốt hơn và năng suất cao hơn. Ví dụ, bộ
giảm chấn có thể được xây dựng bằng việc kết hợp các chế độ khác nhau.

2.4. Các vấn đề cn gii quyết:
Như vậy, dựa trên các đặc tính của lưu chất từ biến, dựa trên các kiểu hoạt
động và các cơ sở tính toán đã được đề cập bên trên thì luận văn này được xây dựng
để giải quyết các vấn đề sau:
Tm

Đưng t thông


V cố
định
T trưng
MRF
Đĩa ly hợp
Trc dn
R
R
di
R
do
t
d
d

d
o
h
c
L
w
c
t
h
Trc bị dn
Ra ti
Truyền đng
t ĐC
20


  
    

       
(3.1)
4
0
4 3 3 2
00
4
()
[1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( )
3
y
do di i o do
i o do di do d y or
do o
R R R
T R R R t T
d R d

  
    

       
(3.2)
Trong đó, R
di
và R
do

T f L f A R
(3.3)
21

Trong đó, L
c
là chu vi trục, L
c
=2

R
s
, ƒ
c
là lực ma sát trên một đơn vị chiều
dài của chu vi trục do việc nén vòng chống rò (o-ring) gây ra, phụ thuộc vào t lệ
nén của vòng và độ cứng vật liệu chế tạo vòng, ƒ
h
là lực ma sát của vòng chống rò
do áp lực của lưu chất tác động lên một đơn vị diện tích của trục bị dn và A
r
là diện
tích của vòng chống rò. Cần lưu ý rằng, vận tốc góc của trục bị dn là rất nh và áp
lực do lưu chất tác động lên vòng chống rò là rất thấp, ƒ
h

0, ta có thể b qua. Cũng
cần lưu ý rằng áp lực sinh ra trong ống MRF của phần bị dn là rất nh, do đó,
không cần thiết nén kín vòng chống rò (o-ring) với lực lớn. Trong nghiên cứu này,
vòng chống rò cao su có độ cứng 70-durometer được sử dụng và áp lực của vòng

s
, ρ
MR
, ρ
bob
, và ρ
c
lần lượt là
khối lượng riêng của đĩa ly hợp, v ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn
dây, và cuộn dây của bộ ly hợp.
Từ đó, việc giải quyết vấn đề thiết kế tối ưu hóa bộ ly hợp dùng lưu chất từ
biến trong nghiên cứu này có thể được tóm tt như sau: Tìm giá trị kích thước tối ưu
22

trong cơ cấu ly hợp MR để momen truyền động tối đa của nó xác định bởi phương
trình (3.1):
4
4 3 3 2
0
4
()
[1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( )
3
ye
do di i o do
i o do di do d y or
do o
R R R
T R R R t T
d R d

số trong phương trình đã được xác định tương ứng là 0.015, 0.30858, 2.83544E-4, -
5.34429E-6, và 9.20846E-9.
Trong tối ưu hóa, chiều cao h
c
của cuộn dây, chiều rộng w
c
của cuộn dây, độ
dày t
h
của v ly hợp, bán kính R
do
của đĩa ly hợp, bán kính ngoài R của bộ ly hợp,
độ dày t
d
của đĩa ly hợp, được xem là các biến thiết kế. Cần lưu ý rằng, các giá trị
kích thước độ dày khe chứa lưu chất càng nh thì lực hãm càng cao và khối lượng
của bộ ly hợp thu được càng nh. Vì thế, trong nghiên cứu này, độ dày của khe
chứa MRF không được xem như biến thiết kế mà được thực nghiệm thiết lập là
0.8mm. Để có được lời giải tối ưu, ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích
hợp với một công cụ tối ưu hóa. Trong nghiên cứu này, phương pháp tối ưu bậc
nhất của công cụ tối ưu hóa ANSYS được sử dụng.
23

Trong hình 3.2 cho thấy lời giải tối ưu của ly hợp MR được đề xuất. Momen
hãm ràng buộc phải lớn hơn 10Nm và tốc độ hội tụ được thiết lập là 0.1%. Chương
trình tính toán bằng phần ANSYS được trình bày trong phần phụ lục 1.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
2
Mass of the MRB (
kg
)
Iteration
4
6
8
10
12
14
Transmitting Torque

(a) bin thit k (b) khối lượng và momen tác đng
Hình 3.2: Lời giải ti ưu của ly hp MR thông thường
Cần lưu ý rằng bán kính trục trong trường hợp này được thiết lập là Rs =
6mm ứng với sức chịu đựng của trục. Như thể hiện trong hình, tối ưu hóa được hội
tụ sau 21 lần lặp. Kết quả tối ưu tại lần lập thứ 21 là (mm): w
c
=5.7, h
c
=2.7, t
h
=5.9,
t
d
=4, R
do
=50 và R=59.5. Tại thời điểm tối ưu, momen xon truyền động có thể đạt

=5.9mm
Kch thưc khe MR
d, d
o
=0.8mm
Bán knh ngoài
R=59.5mm

Với các kích thước đã được tính toán như trên, bản vẽ thiết kế chi tiết của bộ
ly hợp đã được xây dựng và trình bày trong phần phụ lục 2.
24

CHƯƠNG 4
ĐIỀU KHIN LY HP MR

4.1. Cơ s tính toán bài toán điều khin:
Trong phần này, phương trình chuyển động của trục bị dn được thiết lập.
Trong hình 3.1, phương trình điều khiển cho các chuyển động của trục bị dn có thể
được viết như sau:

fl
J T T T

  
(4.1)
Trong đó, J là momen quán tính khối quay của trục bị dn, bao gm cả ly
hợp MR và tải, T
ƒ
là momen ma sát tác động lên trục bị dn, T là momen xon
truyền động của ly hợp MR, T


  
,
33
4
()
3
ye
y do di
T R R


(4.3)

4
42
0
00
[1 ( ) ] 2 ( )
do di i do
fc i do d y or
do o
R R R
T R t T
d R d
 
   
    
(4.4)
25

vòng/phút. V của bộ ly hợp được giữ cố định vào bàn thí nghiệm. Trong trường
hợp này, bộ ly hợp MR hoạt động như một phanh MR. Momen xon được tạo ra bởi
ly hợp MR được đo bằng một cảm biến momen xon. Tín hiệu đầu ra từ bộ cảm
biến momen xon sau đó được gửi đến máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D. Khi