Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan về bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến. Chương 3: Thiết kế bộ ly hợp lưu chất từ biến. 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. 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 từ xếp thành hàng theo đường của từ thông và chúng có thể chuyển đổi trạng thái nhanh chóng, mạnh mẽ, và đồng thời cũng hồi phục trạng thái ban đầu rất nhanh khi không còn chịu tác động của từ trường.1: Nguyên lý hoạt động của lưu chất từ biến Mặc dù hoạt động tương tự như lưu chất điện biến ERF (electrical- rheological fluid) và lưu chất sắt, thiết bị MR có năng suất cao hơn nhiều khi được kích hoạt. Với ưu điểm này, gần đây đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế tối ưu của các thiết bị sử dụng MRF như phanh MR, giảm chấn MR, cơ cấu gá động cơ dùng MR, gang tay MR, van điều tiết MR,…. Vỏ Cuộn dây Lưu chất từ biến Từ trường Đĩa Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến 7 Trục piston Lõi piston Vỏ piston Vỏ giảm chấn Cuộn dây Mạch từ 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 Cổng ra Nắp đầu van Võ van Cuộn dây 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. Cơ sở tính toán của MRF [5]: - Từ 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 sắp xếp theo một đường thẳng tương ứng với hướng của từ trường như biểu diễn trong hình 2. Lực Các hạt Dòng từ trường Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu 9 Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần nhau trong một chuỗi và tăng cùng một tỷ lệ khi MRF biến đổi. Trong thực tế, kết 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.
3 2 rij r 1 Fij m 5 5(mrij ) 7 2(mrij )m 5 2 ij (2.1) 4 p 0 rij rij rij Trong đó Fij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μp là độ dẫn từ của hạt, μ0 là độ dẫn từ của chân không, rij là vị trí từ j đến i và m là momen lưỡng cực từ được gây ra bởi các hạt trong MRF m 4 f 0 a 3 H (2.2) Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được tính bởi: f p f 2 p (2.3) Trong đó μf là độ dẫn từ riêng của chất lỏng nền. 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 a3 s M s (2.4) 3 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: r 1 2.5) Trong đó: ηr là độ nhớt tương đối và ϕ là hệ số khối lượng chất hòa tan.
Việc thêm các hạt rắn vào dung dịch sẽ làm tăng số lượng của các hạt và do đó làm tăng tỷ lệ khối lượng của các hạt. Khi khối lượng của các hạt tăng lên, độ nhớt tăng lên. Sook cho rằng nồng độ tối đa của các hạt ϕmax nên được kết hợp trong mối liên quan giữa độ nhớt và nồng độ.5 max Tuy nhiên những công thức này không xét đến hình dạng và độ cứng của hạt. Do đó, Toda và Furuse mở rộng công thức để cho thấy kích thước của các hạt ảnh hưởng đến độ nhớt như thế nào.8) (1 )3 (1 ) 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 du n y ( ) (2.9) dy 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.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 chất lỏng giãn nở thì ngược lại, độ nhớt động học tăng khi tốc độ cắt tăng. Chất lỏng trượt đọng dày n>1, chất lỏng trượt dính mỏng n<1.
12 Ứng suất cắt Đường chảy dẻo của chất lỏng giả dẻo Chất lỏng dẻo Bingham Chất lỏng Newton Chất lỏng giả dẻo Chất lỏng giãn nở được Tốc độ cắt Hình 2.8: Sự phân loại chất lỏng Newton độc lập với thời gian. - Các mô hình toán học của MRF: Mô hình toán học của MRF đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các thiết bị sử dụng MRF. MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác động. Đã có nhiều mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF, bao gồm các mô hình dẻo Bingham, mô hình biviscous, mô hình dẻo Herschel- Bulkley, và mô hình dẻo Eyring.