Phát Triển Phanh Chất Lưu Biến Từ Có Roto Hình Chữ I

• Tác giả: Văn Đình Khanh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Phát Triển Phanh Chất Lưu Biến Từ Có Roto Hình Chữ I
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cách tiếp cận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.6. Giới thiệu MRF
• 1.6.1. Thành phần chính của MRF
• 1.6.2. Các đặc tính cơ bản của MRF
• 1.6.3. Các chế độ làm việc của MRF
• 1.6.4. Các loại phanh MRF
• 1.6.5. Tình hình nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các mô hình tính toán lưu chất từ biến
• 2.2. Tính toán moment phanh
• 2.2.1. Ma sát trong rãnh đầu
• 2.2.2. Ma sát trong rãnh nghiêng
• 2.3. Cơ sở giải bài toán từ tính của MRF
• 2.3.1. Cơ sở phương pháp giải toán tối ưu hóa
• 2.3.2. Các phương pháp tối ưu phổ biến nhất
• 2.3.3. Phương pháp giải tích
• 2.3.4. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 3. CHƯƠNG 3: PHANH LƯU CHẤT MRF CÓ ROTO HÌNH CHỮ I
• 3.1. Cấu hình và nguyên lý làm việc của phanh lưu biến từ có rôtô chữ I
• 3.1.1. Cấu hình của phanh
• 3.1.2. Nguyên Lý hoạt động của phanh
• 3.2. Tính toán moment phanh
• 3.3. Áp dụn ANSYS trong tính toán từ trường của phanh
• 3.4. Thiết kế tối ưu phanh MRF
• 3.4.1. Bài toán tối ưu hóa
• 3.4.2. Cách giải bài toán tối ưu hóa trên phềm ANSYS Workbench
• 3.4.3. Kết quả tối ưu hóa phanh MRF có roto hình chữ I và phanh MRF có roto hình răng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ CHẾ TẠO PHANH CHỮ I
• 4.1. Thiết kế chi tiết phanh
• 4.1.1. Bản vẽ chi tiết các bộ phận của phanh
• 4.1.2. Phụ kiện cho phanh MRF
• 4.2. Mô hình thí nghiệm phanh MRB
• 4.2.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
• 4.2.2. Lựa chọn thiết bị
• 4.2.3. Lắp ráp phanh và hoàn thiện mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ PHANH LƯU CHẤT MRF
• 5.1. Mô hình thí nghiệm
• 5.2. Thí nghiệm kiểm tra mô men của phanh
• 5.3. Thí nghiệm kiểm tra mô men phanh theo cường độ dòng điện tác dụng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

I. Tổng quan về phát triển phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I

Phanh chất lưu biến từ (MRB) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí. Với khả năng điều chỉnh tính chất lưu biến dưới tác động của từ trường, MRB đã mở ra nhiều ứng dụng trong các hệ thống phanh hiện đại. Đặc biệt, phanh có roto hình chữ I được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm kích thước. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất phanh mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

1.1. Ứng dụng của phanh chất lưu biến từ trong công nghiệp

Phanh chất lưu biến từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, hàng không và robot. Chúng mang lại lợi ích về hiệu suất và độ tin cậy cao trong các hệ thống phanh.

1.2. Lịch sử phát triển phanh chất lưu biến từ

Lịch sử phát triển phanh chất lưu biến từ bắt đầu từ những năm 1940, với nghiên cứu đầu tiên về MRF. Từ đó, công nghệ này đã trải qua nhiều cải tiến và ứng dụng thực tiễn.

II. Vấn đề và thách thức trong phát triển phanh chất lưu biến từ

Mặc dù phanh chất lưu biến từ có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong thiết kế và ứng dụng. Các vấn đề như kích thước cồng kềnh, tiêu thụ năng lượng cao và độ phức tạp trong bảo trì là những yếu tố cần được giải quyết. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp cho những vấn đề này.

2.1. Những hạn chế của phanh chất lưu biến từ hiện tại

Các phanh chất lưu biến từ hiện tại thường có kích thước lớn và tiêu thụ năng lượng cao, gây khó khăn trong việc ứng dụng trong các hệ thống nhỏ gọn.

2.2. Thách thức trong việc tối ưu hóa thiết kế phanh

Tối ưu hóa thiết kế phanh chất lưu biến từ đòi hỏi sự cân nhắc giữa hiệu suất và kích thước. Việc tìm ra cấu hình tối ưu là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

III. Phương pháp thiết kế phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tối ưu hóa hình học để thiết kế phanh chất lưu biến từ với roto hình chữ I. Phương pháp Gradient Descent được áp dụng để tìm ra cấu hình tối ưu, giúp tăng cường mô men phanh và giảm khối lượng. Kết quả từ mô hình tối ưu sẽ được so sánh với các thiết kế trước đó.

3.1. Thiết kế tối ưu hóa phanh chất lưu biến từ

Thiết kế tối ưu hóa phanh chất lưu biến từ bao gồm việc điều chỉnh các thông số hình học để đạt được hiệu suất tối đa với kích thước tối thiểu.

3.2. Phương pháp Gradient Descent trong tối ưu hóa

Phương pháp Gradient Descent được sử dụng để tối ưu hóa các thông số thiết kế, giúp cải thiện hiệu suất phanh và giảm thiểu khối lượng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của phanh chất lưu biến từ

Kết quả nghiên cứu cho thấy phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I đạt được mô men phanh cao hơn so với các thiết kế trước đó. Các thử nghiệm thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế mới này. Ứng dụng thực tiễn của phanh này có thể thấy trong các hệ thống phanh ô tô và robot.

4.1. Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu suất

Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I có hiệu suất phanh vượt trội, với mô men phanh tối đa đạt được là 20 N.

4.2. Ứng dụng trong các hệ thống phanh hiện đại

Phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống phanh hiện đại, từ ô tô đến robot, nhờ vào kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của phanh chất lưu biến từ

Nghiên cứu về phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I mở ra nhiều triển vọng cho các ứng dụng trong tương lai. Việc tối ưu hóa thiết kế và cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất. Tương lai của phanh chất lưu biến từ hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong lĩnh vực cơ khí.

5.1. Tương lai của công nghệ phanh chất lưu biến từ

Công nghệ phanh chất lưu biến từ sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau, từ ô tô đến công nghiệp.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến vật liệu và thiết kế để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất phanh chất lưu biến từ.

Tổng quan nghiên cứu

Phanh chất lưu biến từ (Magneto-Rheological Brake - MRB) là một ứng dụng quan trọng của vật liệu thông minh trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, đặc biệt trong các hệ thống phanh và ly hợp. Theo ước tính, việc ứng dụng MRB giúp cải thiện hiệu suất phanh với khả năng đáp ứng nhanh và mô men phanh lớn hơn so với các loại phanh truyền thống. Tuy nhiên, các thiết kế MRB hiện nay vẫn còn tồn tại những hạn chế như kích thước cồng kềnh, khối lượng lớn và tiêu thụ năng lượng cao.

Luận văn thạc sĩ này tập trung phát triển một loại phanh MRB mới với roto hình chữ I, có hai cuộn dây quấn hai bên nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa roto và chất lưu biến từ, từ đó nâng cao mô men phanh trong khi giảm khối lượng và kích thước phanh. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2022 tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, với mục tiêu thiết kế, chế tạo và thực nghiệm phanh MRB roto chữ I, đồng thời tối ưu hóa các thông số hình học bằng phương pháp Gradient Descent trên phần mềm ANSYS Workbench.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc tạo ra một phanh MRB có mô men phanh tối đa khoảng 20 Nm, kích thước nhỏ gọn hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các phanh MRB truyền thống. Kết quả này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phanh ô tô, xe máy, rô bốt và các thiết bị tự động hóa khác, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống phanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết lưu chất từ biến (Magneto-Rheological Fluid - MRF): MRF là vật liệu thông minh có khả năng thay đổi độ nhớt và ứng suất chảy dưới tác động của từ trường. MRF tuân theo mô hình Bingham-Plastic, trong đó ứng suất trượt được biểu diễn bằng công thức $\tau = \tau_H + \eta \gamma$ với $\tau_H$ là ứng suất do từ trường sinh ra, $\eta$ là độ nhớt và $\gamma$ là biến dạng trượt.

• Mô hình tính toán mô men phanh: Mô men phanh được tính toán dựa trên lực ma sát giữa MRF và các bề mặt tiếp xúc của roto, bao gồm ma sát trong rãnh đầu và rãnh nghiêng. Công thức tổng quát cho mô men phanh là tổng của các thành phần mô men do ứng suất chảy dẻo và ma sát cơ khí.

• Phương pháp tối ưu hóa Gradient Descent (GD): Phương pháp GD được sử dụng để tối ưu hóa các thông số hình học của phanh nhằm giảm khối lượng phanh trong khi đảm bảo mô men phanh đạt yêu cầu. GD là phương pháp lặp dựa trên việc cập nhật tham số theo hướng giảm dốc của hàm mục tiêu.

• Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): FEM được áp dụng để phân tích mạch từ của phanh MRB, mô phỏng phân bố từ trường và tính toán ứng suất từ trường trong các bộ phận phanh. Phần mềm ANSYS Workbench được sử dụng để thực hiện mô phỏng này.

Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất chảy dẻo của MRF, mô men phanh, mô hình Bingham-Plastic, mạch từ, và tối ưu hóa hình học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các tài liệu chuyên ngành về MRF và MRB, dữ liệu kỹ thuật của vật liệu và thiết bị, cùng kết quả thực nghiệm từ mô hình phanh chế tạo. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình phanh MRB roto chữ I với mô men phanh tối đa khoảng 20 Nm.

Phương pháp phân tích gồm:

• Thiết kế và mô phỏng phanh MRB roto chữ I trên phần mềm ANSYS Workbench, sử dụng FEM để phân tích từ trường và tính toán mô men phanh.

• Tối ưu hóa các thông số hình học của phanh bằng phương pháp Gradient Descent nhằm giảm khối lượng phanh trong khi đảm bảo mô men phanh tối thiểu 20 Nm.

• Chế tạo mô hình thực nghiệm phanh MRB roto chữ I với hai cuộn dây quấn hai bên.

• Thiết lập hệ thống thí nghiệm bao gồm động cơ servo, cảm biến mô men xoắn và bộ nguồn để đo đạc và đánh giá hiệu suất phanh.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2022, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng mô men phanh với roto hình chữ I: Phanh MRB roto chữ I đạt mô men phanh tối đa khoảng 20 Nm, cao hơn đáng kể so với các phanh MRB dạng đĩa và dạng tang trống truyền thống. Mô men phanh tăng khoảng 15-20% so với phanh roto hình răng trước đây.

2. Giảm khối lượng phanh: Qua tối ưu hóa, khối lượng phanh MRB roto chữ I giảm khoảng 10-15% so với các thiết kế phanh MRB truyền thống có cùng mô men phanh. Điều này giúp phanh nhỏ gọn và dễ lắp đặt hơn trong các hệ thống có không gian hạn chế.

3. Tiêu thụ năng lượng thấp hơn: So sánh mức tiêu thụ điện năng giữa phanh MRB roto chữ I và phanh roto hình răng cho thấy phanh roto chữ I tiêu thụ điện năng thấp hơn khoảng 20%, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng của hệ thống phanh.

4. Hiệu quả từ trường phân bố đồng đều: Mô phỏng FEM cho thấy mật độ từ trường trong khe lưu chất của phanh roto chữ I phân bố đồng đều hơn, giảm thiểu hiện tượng thắt cổ chai từ thông, từ đó nâng cao hiệu suất phanh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng mô men phanh và giảm khối lượng là do thiết kế roto hình chữ I với hai cuộn dây quấn hai bên, giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa roto và MRF, đồng thời loại bỏ hiện tượng thắt cổ chai từ thông thường gặp ở phanh dạng đĩa. Kết quả mô phỏng FEM và thực nghiệm cho thấy sự đồng thuận cao, minh chứng cho tính khả thi của thiết kế.

So với các nghiên cứu trước đây về phanh MRB roto hình răng và phanh dạng tang trống, phanh roto chữ I không chỉ cải thiện mô men phanh mà còn giảm đáng kể khối lượng và tiêu thụ năng lượng, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và tiết kiệm không gian.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mô men phanh và khối lượng giữa các loại phanh, cũng như bảng số liệu tiêu thụ điện năng và phân bố mật độ từ trường. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng ưu điểm vượt trội của phanh MRB roto chữ I.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất phanh MRB roto chữ I: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị cơ khí nên áp dụng thiết kế roto chữ I để chế tạo phanh MRB, nhằm nâng cao hiệu suất phanh và giảm khối lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng.

2. Nâng cấp hệ thống điều khiển dòng điện: Cần phát triển hệ thống điều khiển dòng điện chính xác cho hai cuộn dây quấn hai bên nhằm tối ưu hóa mô men phanh và giảm tiêu thụ năng lượng. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư điều khiển tự động.

3. Mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực tự động hóa: Khuyến nghị áp dụng phanh MRB roto chữ I trong các hệ thống rô bốt, xe tự hành và thiết bị công nghiệp có yêu cầu phanh chính xác và nhanh nhạy. Thời gian triển khai trong 2 năm tới.

4. Nghiên cứu cải tiến vật liệu MRF: Đề xuất nghiên cứu phát triển các loại MRF có đặc tính từ tính và độ nhớt tối ưu hơn, nhằm nâng cao hiệu quả phanh và độ bền của phanh MRB. Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu nên phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu thông minh, mô hình hóa và thiết kế phanh MRB, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị phanh và tự động hóa: Thông tin về thiết kế và tối ưu hóa phanh MRB roto chữ I giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

3. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm: Cung cấp phương pháp thiết kế chi tiết, mô phỏng FEM và tối ưu hóa hình học, giúp áp dụng vào thực tế thiết kế các cơ cấu phanh hiện đại.

4. Các tổ chức đào tạo và giảng dạy: Tài liệu tham khảo hữu ích cho giảng viên và sinh viên trong các môn học về vật liệu thông minh, cơ học chất lưu và thiết kế máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Phanh MRB roto chữ I có ưu điểm gì so với phanh truyền thống?
   Phanh roto chữ I tăng mô men phanh khoảng 15-20%, giảm khối lượng 10-15% và tiêu thụ điện năng thấp hơn 20%, đồng thời thiết kế nhỏ gọn, dễ bảo trì.

2. Phương pháp tối ưu hóa nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Phương pháp Gradient Descent được áp dụng để tối ưu các thông số hình học của phanh nhằm giảm khối lượng trong khi đảm bảo mô men phanh tối thiểu 20 Nm.

3. Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng như thế nào?
   FEM được dùng để phân tích mạch từ và phân bố từ trường trong phanh MRB, giúp tính toán chính xác ứng suất từ và mô men phanh.

4. Loại MRF nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   MRF-132DG thương mại của công ty Lord Corporation được sử dụng, với đặc tính tuân theo mô hình Bingham-Plastic.

5. Ứng dụng thực tế của phanh MRB roto chữ I là gì?
   Phanh có thể ứng dụng trong phanh ô tô, xe máy, hệ thống rô bốt, thiết bị tự động hóa và các hệ thống phản hồi lực yêu cầu mô men phanh điều khiển chính xác.

Kết luận

• Phát triển thành công phanh MRB roto hình chữ I với hai cuộn dây quấn hai bên, đạt mô men phanh tối đa khoảng 20 Nm.
• Thiết kế roto chữ I giúp tăng diện tích tiếp xúc với MRF, nâng cao hiệu suất phanh và giảm khối lượng phanh 10-15%.
• Tối ưu hóa hình học bằng phương pháp Gradient Descent trên ANSYS Workbench cho kết quả phù hợp với yêu cầu thiết kế.
• Mô phỏng FEM và thực nghiệm đánh giá cho thấy phân bố từ trường đồng đều, giảm hiện tượng thắt cổ chai từ thông.
• Đề xuất triển khai sản xuất, nâng cấp hệ thống điều khiển và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực tự động hóa trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào cải tiến vật liệu MRF và hệ thống điều khiển dòng điện cho phanh MRB roto chữ I. Hành động ngay hôm nay để ứng dụng công nghệ phanh thông minh này vào sản phẩm và hệ thống của bạn, nâng cao hiệu quả và cạnh tranh trên thị trường.