Thiết Kế Tối Ưu Phanh Lưu Chất Từ Biến: Nghiên Cứu Hình Dạng Vỏ Phanh

Lưu chất từ biến (MRF) được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 40 của thế kỷ 20. Đến đầu những năm 1990, MRF mới chính thức được đưa vào nghiên cứu và phát triển. Ngày nay, cụm từ “Lưu chất thông minh” (Smart fluid) đã không còn xa lạ. Khi nói đến lưu chất thông minh, ta thường nhắc đến lưu chất MR và lưu chất ER. Nhờ vào khả năng chịu ứng suất chảy cao hơn nên các cơ cấu dựa trên MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng tương đối nhiều hơn như giảm chấn, phanh, khớp nối li hợp. Nghiên cứu của Kerem Karakoc, Edward J. Park *, Afzal Suleman (2008) về "Design considerations for an automotive magnetorheological brake" đã nghiên cứu thiết kế MRB sử dụng cho ô tô.

So với các hệ thống phanh truyền thống, phanh MRF có nhiều ưu điểm đáng kể. Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng điện tối đa 3A thì MRB đã có thể đạt được yêu cầu phanh hoàn toàn. Thiết kế và kết cấu khá đơn giản. Không cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc không có ống dẫn thủy lực nên sẽ không chiếm dụng khoảng không nhiều. Không có ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ không có sự hao mòn do ma sát. Dễ dàng điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thông qua sợi dây điện. Thời gian đáp ứng nhanh: 20ms.

Trong thiết kế phanh lưu chất từ biến (MRB), hình dạng của vỏ phanh ảnh hưởng rất đáng kể đến đặc tính hoạt động của phanh. Sự phân bố từ trường bên trong phanh, khả năng tản nhiệt và khối lượng tổng thể của phanh đều phụ thuộc vào hình dạng của vỏ phanh. Một hình dạng vỏ phanh được thiết kế tốt có thể tối đa hóa hiệu suất phanh, giảm thiểu khối lượng và cải thiện độ bền của phanh.

Thiết kế vỏ phanh MRB bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu vỏ phanh, kích thước và hình dạng của khe hở phanh, cường độ từ trường áp dụng và thuộc tính của lưu chất từ biến (MRF). Việc tối ưu hóa thiết kế vỏ phanh đòi hỏi phải cân bằng các yếu tố này để đạt được hiệu suất phanh mong muốn với khối lượng và kích thước tối thiểu.

Thay vì chỉ tập trung vào hình dạng vỏ phanh hình chữ nhật truyền thống, nghiên cứu này khám phá các hình dạng vỏ phanh thay thế, chẳng hạn như đa giác và spline. Các hình dạng này có thể cung cấp sự phân bố từ trường tốt hơn, giảm khối lượng và cải thiện khả năng tản nhiệt so với hình dạng hình chữ nhật. Sử dụng các công cụ mô phỏng và tối ưu hóa tiên tiến, nghiên cứu này tìm cách xác định hình dạng vỏ phanh tối ưu cho hiệu suất phanh tối đa.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để mô phỏng sự phân bố từ trường trong phanh. Từ đó ta xác định lực phanh sinh ra với các hình dạng vỏ khác nhau. Mô hình FEA cần phải chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế để kết quả mô phỏng đáng tin cậy.

Nghiên cứu sử dụng một thuật toán tối ưu hóa để điều chỉnh các thông số hình học của vỏ phanh. Mục tiêu là tối đa hóa mô-men phanh và giảm thiểu khối lượng phanh. Thuật toán này sẽ tự động điều chỉnh các thông số hình học và đánh giá hiệu suất cho đến khi tìm được cấu hình tối ưu.

Quy trình tối ưu hóa bắt đầu bằng việc xác định các thông số thiết kế quan trọng của vỏ phanh, chẳng hạn như kích thước, hình dạng và vật liệu. Sau đó, một mô hình FEA được xây dựng để mô phỏng hiệu suất của phanh với các thông số thiết kế khác nhau. Thuật toán tối ưu hóa sau đó được sử dụng để điều chỉnh các thông số thiết kế để đạt được mục tiêu tối ưu, chẳng hạn như tối đa hóa mô-men phanh và giảm thiểu khối lượng.

Vỏ phanh hình chữ nhật là hình dạng truyền thống được sử dụng trong nhiều thiết kế phanh MRF. Nghiên cứu đánh giá hiệu suất của vỏ phanh hình chữ nhật về mô-men phanh, khối lượng và khả năng tản nhiệt.

Vỏ phanh đa giác có thể cung cấp sự phân bố từ trường tốt hơn và giảm khối lượng so với vỏ phanh hình chữ nhật. Nghiên cứu khám phá các ưu điểm và nhược điểm của các hình dạng đa giác khác nhau cho vỏ phanh MRF.

Hình dạng spline cho phép phân bố từ trường đồng đều hơn và giảm thiểu các điểm tập trung ứng suất. Điều này dẫn đến mô-men phanh cao hơn và tuổi thọ dài hơn so với các hình dạng vỏ phanh khác. Kết quả tối ưu được kiểm chứng thực nghiệm chế tạo đối với hình dạng vỏ phanh tối ưu nhất sau đó sẽ kiểm chứng lại mô men phanh có đạt yêu cầu đề ra hay không.

Mẫu phanh MRB được thiết kế và chế tạo dựa trên kết quả tối ưu hóa từ mô phỏng FEA. Các bộ phận của phanh, bao gồm vỏ phanh, rotor, cuộn dây và khe hở lưu chất, được gia công chính xác để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu.

Mẫu phanh MRB được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đo mô-men phanh ở các cường độ từ trường và tốc độ quay khác nhau. Dữ liệu thu thập được sử dụng để xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất của phanh.

Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá tính chính xác của mô hình FEA và quy trình tối ưu hóa. Sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng chứng minh tính hiệu quả của phương pháp tiếp cận được sử dụng trong nghiên cứu.

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng hình dạng vỏ phanh có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của phanh lưu chất từ biến. Hình dạng vỏ spline được xác định là tối ưu nhất, mang lại sự cải thiện đáng kể về cả mô-men phanh và khối lượng. Kết quả này có thể được sử dụng để thiết kế phanh thông minh hiệu quả hơn cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và robot.

Vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực phanh lưu chất từ biến, bao gồm phát triển vật liệu MRF mới với hiệu suất cao hơn, khám phá các cấu trúc phanh sáng tạo hơn và tích hợp phanh MRF với các hệ thống điều khiển điện tử tiên tiến. Ngoài ra, cần có thêm nghiên cứu về độ bền và độ tin cậy của phanh MRF trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

Phanh MRF có tiềm năng thay đổi cách chúng ta thiết kế và kiểm soát hệ thống phanh. Với khả năng phản ứng nhanh, khả năng điều khiển chính xác và độ bền cao, phanh MRF có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ, robot và thiết bị y tế.