CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài MRF là một loại lưu chất thông minh, có khả năng lưu biến như ứng suất chảy và độ nhớt, các lưu biến này có thể thay đổi nhanh chóng khi phản ứng với từ trường được đưa vào lưu chất. Về cơ bản thì MRF gồm các hạt từ tính hình cầu có đường kính từ 0,01 đến 20 µm được phân tán trong chất lỏng nền thường là dầu hữu cơ. Trong trường hợp không có từ trường tác động thì MRF giống như chất lỏng Newton. Khi có từ trường tác động thì các hạt từ tính hút nhau và tạo thành các cấu trúc dạng chuỗi theo hướng đường sức từ của từ trường.
Nhờ có đặc điểm như trên mà MRF được ứng dụng cho các cơ cấu như giảm chấn MR, van MR, phanh MR, ly hợp MR, bộ truyền động MR và các hệ thống phản hồi lực. Trong số các ứng dụng trên thì cơ cấu phanh MR (MRB) được nghiên cứu và phát triển nhiều nhất. Tuy nhiên các phanh phát triển trước đây vẫn còn một số hạn chế như khối lượng, kích thước còn lớn và mô men còn nhỏ. Do đó trong nghiên cứu này mong muốn tạo ra phanh có khối lượng nhỏ nhưng lực mô men lớn hơn so với các dạng đã chế tạo khác như: dạng đĩa, dạng tang trống, dạng kết hợp có đĩa quay hình chữ T (kết hợp giữa dạng đĩa và tang trống).2 Tính cấp thiết của đề tài Trong MRB kiểu đĩa thông thường, roto dạng đĩa được sử dụng và cuộn dây được bố trí trên ống quấn dây với vật liệu không từ tính, được đặt trên phần hình trụ của vỏ phanh bên ngoài đĩa phanh.
Cấu hình này có một số ưu điểm như chiều dài tổng thể nhỏ, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Tuy nhiên, loại phanh này tồn tại một số nhược điểm như từ thông bị thắt cổ chai, khó lắp cho nên cũng gây bất tiện trong bảo trì, đặc biệt là cuộn dây vì phải tháo dỡ toàn bộ MRB dẫn đến chi phí cao. 1 Phanh MR dạng đĩa không thích hợp để áp dụng trong trường hợp không gian làm việc là một hình trụ nhỏ và dài, trong đó loại tang trống phù hợp hơn và MRB kiểu tang trống sau đó được nghiên cứu, trong đó mô men phanh chủ yếu được tạo ra từ MRF trong ống hình khuyên ở mặt hình trụ bên ngoài của roto. Tận dụng lợi thế của cấu hình kiểu đĩa và kiểu trống, một MRB kiểu lai với roto hình chữ T đã được đề xuất [6].
Phanh dạng kết hợp roto hình chữ T có ưu điểm là mô men phanh MRB cấu hình chữ T cao hơn đáng kể so với MRB kiểu đĩa và kiểu tang trống, đồng thời lắp ráp và bảo trì dễ hơn. Tuy nhiên, loại phanh chữ T vẫn còn tồn tại những vấn đề do cách sắp xếp cuộn dây tương tự như kiểu đĩa thông thường. Để khắc phục những nhược điểm trên thì một MRB kiểu đĩa mới đã được đề xuất, trong đó một cuộn dây từ được lắp ráp trên mỗi vỏ bên và một thành mỏng được sử dụng để ngăn cách cuộn dây với MRF [6]. Với MRB này có ưu điểm là loại bỏ hiện tượng thắc cổ chai, việc chế tạo và bảo dưỡng đơn giản, khối lượng phanh nhỏ hơn ở cùng mô men phanh cực đại.
Mặc dù có một số ưu điểm, tỷ số mô men xoắn trên khối lượng phanh không được cải thiện so với MRB roto hình chữ T. Để có một MRB với tỷ lệ mô men xoắn trên khối lượng cao thì một cấu hình mới của MRB có roto hình chữ I và hai cuộn dây bên (gọi tắt là I-MRB) được đề xuất trong nghiên cứu này. Việc phân tích mạch từ của MRB được thực hiện dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Tối ưu hóa MRB được thực hiện để có kích thước nhỏ gọn nhất của MRB ở mô men phanh mong muốn.
Từ kết quả tối ưu, MRB sẽ được đánh giá và phân tích các hoạt động của MRB được đề xuất, kết quả tối ưu của MRB được đề xuất sẽ được so sánh với kết quả của các MRB tang trống được nghiên cứu trước đây.2 Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo phanh chất lưu biến từ có roto hình chữ I với hai cuộn dây quấn hai bên. 2 - Loại phanh này dự kiến sẽ có một số ưu điểm so với các phanh lưu biến từ đã được nghiên cứu trước đây như cấu nhỏ gọn hơn, dễ chế tạo và bảo dưỡng hơn, công xuất tiêu thụ thấp hơn.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu • Phanh lưu biến từ có roto hình chữ I và cuộn dây quấn hai bên vỏ phanh. • Thiết kế tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS và so sánh với các phanh lưu biến từ dạng tang trống trước đây. • Thực nghiệm đánh giá phanh mẫu có mô men phanh tối đa 20 N.2 Phạm vi nghiên cứu • Chỉ nghiên cứu phanh MRF roto biên dạng chử I và so sánh với phanh roto hình đĩa tương ứng.
• Chỉ sử dụng MRF-132DG thương mại được chế tạo bởi công ty Lord. • Giả định MRF tuân theo ứng xử mô hình Bingham. • Không xét đến động lực học của phanh và đĩa quay.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.1 Cách tiếp cận • Phân tích và tổng hợp lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết các môn học như cơ lý thuyết, nguyên lý máy, công nghệ chế tạo máy. Từ đó xây dựng ra các công thức tính toán theo lý thuyết cơ học tính toán.
• Sau đó tiến hành tối ưu trên máy tính thông qua phần mền Ansys. • Chế tạo mô hình phanh và mô hình thí nghiệm. • Kiểm nghiệm từ mô hình thí nghiệm đối chiếu với mô hình tối ưu xây dựng.2 Phương pháp nghiên cứu • Dựa trên các tài liệu tham khảo, từ đó rút ra lý thuyết thực hiện, đồng thời xây dựng các phương án tiến hành. • Theo các yêu cầu đặt ra, kết hợp khảo sát thực tế chọn ra phương án tối ưu nhất cho đề tài.
• Từ phương án tốt nhất được chọn, tiến hành thiết kế, chế tạo và đo đạc. • Cuối cùng, đưa ra kết luận và hướng phát triển. • Quy hoạch thực nghiệm 1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài • Đề xuất biên dạng roto phanh chất lưu biến từ mới hình chử I. • Phân tích và đánh giá tác động của kích thước hình học của phanh đến mô men phanh.
• Thực nghiệm kiểm chứng kết quả. • Tạo ra phanh chất lưu biến từ mới có mô men phanh cao hơn, kích thước nhỏ ngọn hơn các phanh lưu biến từ trước đây. • Khả năng ứng dụng phanh lưu biến từ đề xuất cho các ứng dụng thực tế như phanh ô tô, xe máy, phanh rô bốt, hệ thống phản hồi lực… 1.5 Giới thiệu MRF MRF là một dạng lưu chất thay đổi các tính chất lưu biến như độ nhớt, ứng suất chảy dưới tác dụng của từ trường, là một trong số các loại vật liệu thông minh (Smart Materials) được sử dụng trong lĩnh vực kỹ thuật. Lưu chất này có khả năng chuyển từ trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường đi qua lưu chất.
MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ vào cuối những năm 1940s [3]. MRF bao gồm chất lỏng nền, các hạt từ tính 4 phân cực và chất phụ gia. Các hạt từ tính phân cực có vai trò cơ bản trong các hiệu ứng của từ trường bên ngoài đưa vào. Chất phụ gia được dùng để giảm bớt sự lắng đọng của các hạt từ tính, vì sự lắng đọng của hạt từ tính ảnh hưởng khá lớn đến khả năng lưu biến của MRF.
Hiện nay MRF ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như công nghiệp ôtô, hàng không vũ trụ, kỹ thuật xây dựng, an ninh quốc phòng, quang học, điện - điện tử, kỹ thuật y khoa, robot, viễn thông, hệ thống điều khiển từ xa, trong các môi trường khắc nghiệt. Nguyên lí hoạt động của MRF: Khi ở trạng thái bình thường và các hạt chuyển động tự do, chất lỏng biểu hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác.Nhưng khi sự tác dụng của từ trường ngoài thì lưu chất sẽ không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham,khi đó các hạt kim loại bên trong lưu chất gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và có khả năng chống phá vỡ liên kết. Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài đưa vào Hình 1.1 mô tả nguyên lý hoạt động của MRF.1 Các trạng thái của MRF [30] 1.1 Thành phần chính của MRF MRF gồm ba thành phần chính đó là: hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2), chất phụ gia, được thể hiện bởi Hình 1.2 Thành phần của MRF [2] ▪ Các hạt từ tính của MRF hiện nay được sử dụng như sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrat sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, niken và coban [6, 7]. Trong đó hạt phản ứng từ thường được sử dụng để chế tạo MRF là sắt carbonyl.
Ứng suất cực đại của MRF đạt được khi cường độ từ trường áp dụng vào MRF làm cho bão hòa từ của các hạt từ tính được xác lập. Do đó, vật liệu từ tính có độ tinh khiết cao như bột sắt carbonyl được xem là pha từ tính chính cho hầu hết các sản phẩm MRF trong thực tế [8]. Kích thước hạt từ tính trong MRF thường nằm trong khoảng 0,1-10 μm. ▪ Chất lỏng nền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, nước và dầu hydrocarbon tổng hợp [7].
Để giảm sự lắng đọng thì các sản phẩm mới của MRF được xem xét trên các pha liên tục của độ nhớt [11] từ đó độ ổn định được cải thiện rất nhiều. ▪ Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF [13]. Hiện tượng lắng đọng có thể gây ra hiện tượng suy giảm độ nhớt của MRF [14]. Khi sự lắng đọng của MRF tăng lên thì dưới tác động của ứng suất cao và tốc độ cắt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [15].
Hiện tượng lắng đọng này sẽ làm giảm hiệu suất của MRF, khi đó các hạt của lưu chất lắng xuống tạo thành một lớp cứng, bao gồm các hạt sơ cấp liên kết chắc chắn dẫn tới hình thành chuỗi không hoàn chỉnh [16].