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.


triển sâu rộng.


3

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nắm bắt 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 tắc 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 tắc 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 ồn 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 rắn lòng của lưu chất từ biến, từ đó tạo ra một tỷ 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.

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ly hợp MR.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm.
Chương 6: Kết luận.


5

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ LY HỢP
2.1. Khái quát về ly hợp:
Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ tách
dứt khoát động cơ ra khỏi hệ thống và kết nối êm dịu động cơ với hộp số để thay
đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một tỷ 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 dẫn 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 vẫn giữ
được momen xoắn đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp.
Nói rõ 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 lỏng thể keo có các hạt từ hóa
đường kính vào cỡ hàng chục micron (20-50 micron). Nói chung, lưu chất từ biến
bao gồm dầu, thường là dầu khoáng sản hoặc silicone cơ sở, có tỷ 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 lỏng tạo thành lưỡng cực từ. Những lưỡng cực


Trục piston

Lõi piston
Vỏ piston
Vỏ giảm chấn
Cuôn dây
Mạch tư
Dòng lưu chất MR
Lưu chất MR

Đường dẫn piston
Piston thả nổi
Buồng chứa gas

Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất từ biến

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu gá động cơ

Hình 2.5: Găng tay MR


8

Cổng vào Lõi

Dòng MRF

Cuộn dây


cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết chặt chẽ nhiều
khối cầu với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ. Dưới ứng suất, các liên kết này
có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ. Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu
phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vẫn có thể cho thấy
được ứng suất chảy diễn ra như thế nào. Các phương trình chuyển động của mỗi hạt
theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF. Tại một từ
trường rất thấp, lực từ Fij được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương
tác từng cặp với nhau, momen lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách
xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng
của từ trường.

Fij =

3
4πµ p µ0

 2 rij
r
1
2 ij
m
−
5(
mr
)
+
2(
mr
)
m

Ở từ trường cao, độ lớn của momen lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ
độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa. Trong trường hợp này, momen lực từ
được tính bởi:


10

4
m = π a3µs M s
3

(2.4)

Trong đó μsMs là từ hóa bão hòa của các hạt, đó là khoảng 1,7 x 106A/m cho
khối và 0.48x106A/m cho oxit sắt 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 mỏ, 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 hồi như là một
hàm của thời gian, độ ổn định của hàm khi dòng chất lỏng đứng yên hoặc trong suốt
quá trình lưu chuyển, và độ nhớt khi không trượt hoặc độ nhớt tối đa của dòng chất
lỏng 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:

ηr = 1 + 2.5φ

(2.5)


ηr =

ηr =

Trong đó K là hệ số hiệu chỉnh, có thể phụ thuộc vào kích thước và mật độ
của các hạt. Độ nhớt của chất lỏng có thể được tăng lên với việc bổ sung của các hạt
rắn. Tuy nhiên, cùng lúc đó, tính chất của chất lỏng sẽ thay đổi.
Tổng quát, ứng suất cắt τ tăng với tốc độ cắt dy/du có thể được đặc trưng bởi
mối quan hệ

τ = τ y +η(

du n
)
dy

(2.9)

Trong đó, n là hệ số mũ, τy là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động lực.
Trong đó, τy, η và n là hằng số, τy là ứng suất chảy dẽo và η là độ nhớt động. Chất
lỏng Newton xảy ra khi các dòng chất lỏng không có ứng suất chảy hoặc τy bằng 0
và n bằng 1. Độ nhớt của chất lỏng Newton không phụ thuộc vào thời gian và tốc
độ cắt. Hình 2.8 cho thấy việc phân loại chất lỏng dựa trên tính chất lưu biến. Như
thể hiện trong hình, tính chất của chất lỏng có thể được chia thành chất lỏng
Newton và chất lỏng phi Newton như chất lỏng dẻo Bingham, chất lỏng giãn dẻo và
chất lỏng giãn nở được. Chất lỏng được cho là dẻo khi ứng suất cắt phải đạt một giá
trị tối thiểu nào đó trước khi nó bắt đầu tuôn chảy tương ứng với tốc độ cắt. Nếu vật
liệu là chất lỏng dẻo Bingham thì n = 1. Chất lỏng giả dẻo hoặc chất lỏng trượt dính
mỏng có độ nhớt động lực giảm khi tốc độ cắt cao. Chất lỏng trượt đọng dày hoặc

được trình bày một cách tóm tắt như sau:
Mô hình dẻo Bingham:
Mô hình toán học của chất lỏng dẻo Bingham có thể được biểu thị bằng công
thức sau:

τ = τ y ( H ) sgn(γ&) + ηγ&
Trong đó:
τ là ứng suất cắt trong chất lỏng.
τy là ứng suất chảy

(2.10)


13

η là độ nhớt của chất dẻo khi không có từ trường
sgn là hàm dấu.
Đó là một dạng chất lỏng khi tốc độ cắt thấp, ứng suất chảy đạt giá trị cực
đại, ảnh hưởng của độ nhớt đàn hồi chỉ tác động đến dòng lưu chất khi mà ứng suất
cắt lớn hơn giá trị tới hạn τy nào đó. Từ đó, chất lỏng dẻo Bingham hoạt động như
một chất lỏng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn. Mô hình dẻo Bingham được thể
hiện trong hình 2.9 thể hiện những tính chất MRF phụ thuộc vào ứng suất cắt và tốc
độ cắt.
Ứng suất cắt (τ)

Chất lỏng đàndẻo Bing ham
Chất lỏng dẻo
Herschel-Bulkley

Ứng suất chảy

Trong các mô hình trên, các thông số τy, 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:

Y = Y∞ + (Y0 − Y∞ )(2e − BαSY − e −2 BαSY )

(2.12)

Trong đó Y là viết tắt của một thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy,
độ nhớt, thông số độ đặc, hệ số chất lỏng. Giá trị của tham số Y có xu hướng từ zero
đến giá trị bão hòa, αSY là hệ số momen bão hòa của Y, B là mật độ từ trường tác
dụng. Các giá trị của Y0 , Y∞ được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng phương
pháp xấp xỉ đường cong.
2.3. Các kiều hoạt động của lưu chất từ biến (MRF) [5]:
- Kiểu van:
Hình 2.10a cho thấy sơ đồ hiển thị kiểu van đã được sử dụng trong nhiều
thiết bị MR nơi dòng chảy của lưu chất từ biến giữa hai tấm hoặc trong một ống dẫn
được tạo ra bởi sự chênh lệch về áp suất giữa đầu vào và đầu ra. Từ trường áp dụng
vuông góc với dòng chảy, được dùng cho việc thay đổi các thuộc tính lưu biến của
lưu chất từ biến để kiểm soát dòng chảy. Vì vậy, sự gia tăng ứng suất chảy dẻo hoặc
độ nhớt làm thay đổi profile vận tốc của chất lỏng trong khoảng giữa hai tấm. Profin
vận tốc điển hình đối với chất lỏng Bingham được minh họa trong hình 2.10b.


15

y

Magnetic flux
P2
( ) (
)
n + 1 KL
2
n ∆P 1/ n d − δ 1+1/ n 2 y − δ 1+1/ n
u3 ( y ) =
( ) [(
)
−(
) ]
n + 1 KL
2
2
u1 ( y ) =

(2.13)

Ở đây, n=1/m, u1 và u3 là profin vận tốc của dòng chất lỏng trong vùng tiếp
giáp với vách ống, và u2 là profin vận tốc của vùng lõi của dòng chảy hoặc khoảng
đầu ống, trong vùng này chất lỏng chưa chảy dẽo. δ là độ dày vùng chưa chảy dẻo
và là một thông số quan trọng của dòng chảy.
- Kiểu cắt:
Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lỏng là hoạt động
theo kiểu cắt 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 thẳng đứng đến hướng
của chuyển động của những mặt cắt này. Hình 2.11 trình bày khái niệm hoạt động
của lưu chất từ biến theo kiểu cắt.


16

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 nhỏ (vài mm) nhưng yêu cầu lực lớn.
Đường tư thông
Tấm

MRF

Lực tác dụng

Hình 2.12: Chế độ nén của MRF
- Kết hợp các kiểu hoạt 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 cần giải 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:


18

Thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến hoạt động theo
kiểu cắt của lưu chất MR dựa trên mô hình nhựa dẻo Bingham với đầu ra trục tải


R
Ra tải

Rdi

Võ cố
định

Trục bị dẫn

MRF
Cuộn dây

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến

Phần này giới thiệu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến và phân tích momen tải
dựa trên mô hình đàn-dẻo Bingham của lưu chất từ biến. Hình 3.1 cho thấy được
kết cấu của hệ thống ly hợp dùng lưu chất từ biến. Như trong hình, ta thấy, đĩa ly
hợp chế tạo từ thép từ tính được cố định với trục dẫn chế tạo từ thép cách từ. Trục
dẫn được kết nối trực tiếp đến động cơ chính. Bộ phận đĩa ly hợp được lồng vào
trong một cái vỏ chế tạo từ thép từ tính. Phần vỏ này lắp cố định với trục bị dẫn chế
tạo từ thép cách từ. Cuộn dây được quấn trên một ống cách từ lắp trong vỏ của bộ ly
hợp. Khoảng không gian giữa phần đĩa ly hợp và phần vỏ được lấp đầy bằng lưu
chất từ biến. Để ngăn sự rò rỉ của lưu chất từ biến khi nằm trong khoảng khe hở đó


20

ta lắp vào một vòng cao su (o-ring). Khi cuộn dây được cấp điện, một vùng từ


4πτ y 0 3
πµ Rdo4
R
(ω − ωo ) Rdo
[1 − ( di ) 4 ](ωi − ωo ) +
( Rdo − Rdi3 ) + 2π Rdo2 t d (τ y 0 + µ i
) + Tor (3.2)
d
Rdo
3
do

Trong đó, Rdi và Rdo lần lượt là bán kính trong và bán kính ngoài của phần
đĩa, d là độ rộng của khe chứa MRF nằm giữa phần đĩa và phần vỏ, d0 là độ rộng
của khe chứa MRF tại mặt trụ ngoài của đĩa, td là độ dày của đĩa, ωi và ωo lần lượt là
vận tốc gốc của trục dẫn và trục bị dẫn, τye là ứng suất trung bình của MRF trong hai
mặt đầu của ống dẫn, τy0 là ứng suất khi không có từ trường tác động và μ là hệ số
độ nhớt của MRF, Tor là momen ma sát giữa trục và vòng chóng rò (o-ring). Lưu ý
rằng giá trị của τye phụ thuộc vào mật độ từ thông sinh ra trong ống dẫn MRF trong
khi độ nhớt sau chảy dẻo được giả định là độc lập với từ trường. Momen ma sát gây
ra bởi vòng chống rò Tor có thể được tính bằng công thức:

Tor = ( f c Lc + f h Ar ) Rs

(3.3)


21


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 tắt 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):
T=

4πτ ye 3
πµ Rdo4
R
(ω − ωo ) Rdo
2
[1 − ( di ) 4 ](ωi − ωo ) +
( Rdo − Rdi3 ) + 2π Rdo
td (τ y 0 + µ i
) + Tor
d
Rdo
3
do

lớn hơn một momen xoắn cần thiết, và mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu khối
lượng của bộ ly hợp MR xác định bởi phương trình (3.4):

mb = Vd ρd + Vh ρh + Vs ρs + VMR ρMR + Vbob ρbob + Vc ρc
Giả thiết rằng, thép silicon được dùng để chế tạo các thành phần của bộ ly
hợp MR như vỏ và đĩa ly hợp. Cuộn dây có kích thước 21-gage (đường kính =


hc

0.1xR do

8

th
0.1xR

Transmitting Torque

2.5

6
4

2
0

Mass of MR Clutch

td

Mass of the MRB ( kg)

Design Variables [mm]

wc



12

14

16

18

20

Iteration

(a) biến thiết kế

0.5

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20

Iteration

(b) khối lượng và momen tác đông

hh=5.9mm
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 KHIỂN LY HỢP MR
4.1. Cơ sở tính toán bài toán điều khiển:
Trong phần này, phương trình chuyển động của trục bị dẫn được thiết lập.
Trong hình 3.1, phương trình điều khiển cho các chuyển động của trục bị dẫn có thể
được viết như sau:

J ω&= T − T f − Tl

(4.1)

Trong đó, J là momen quán tính khối quay của trục bị dẫn, bao gồm cả ly
hợp MR và tải, Tƒ là momen ma sát tác động lên trục bị dẫn, T là momen xoắn
truyền động của ly hợp MR, Ti là lực tải, và ω là vận tốc góc của trục.
Kết hợp phương trình (3.2) và phương trình (3.3) ta được phương trình
chuyển động sau:

J ω&+ Cω = Ty − T fc − T f − Tl

(4.2)


(4.4)

T fc =


25

4.2. Thí nghiệm xác định momen truyền động:

Yield stress Torque (Nm)

Hình 4.1: Thiết lập thử nghiệm để kiểm tra momen truyền động của ly hợp

12
10

Experiment
Curve Fitting

8

-(I+2.02)/0.75

T y=10.13-10.05e

6
4
2
0