Luận văn Nghiên cứu, thiết kế bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu chất từ biến (mr fluid)

đạt được những mục tiêu trên: Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của việc ứng dụng lưu chất từ biến vào các cơ cấu máy móc trong công nghiệp. Phương pháp thu thập thông tin đã có làm nền tảng cho nghiên cứu. Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng lưu chất thông minh - lưu chất từ biến. Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước về lưu chất từ biến. Phân tích tính toán lý thuyết về hệ thống. Thiết kế dựa trên tính toán. Nội dung3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống. Phương pháp tổng hợp các nghiên cứu trước điều khiển tự động và điều khiển hiện đại. Phân tích tính toán lý thuyết điều khiển hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính toán lý thuyết. Kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. Nội dung 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Phương pháp phân tích hệ thống. Phương pháp đánh giá kết quả đạt được. 1.6. Kết cấu luận văn: Kết cấu luận văn gồm 6 chương. 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 2.1. 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 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. 6 (a) không có từ trường (B=0) (b) có từ trường (B≠0) Hình 2.1: 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,. Hình 2.2: Phanh ứng dụng lưu chất từ biến Cuộn dây Lưu chất từ biến Vỏ Từ trường Đĩa 7 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 Piston thả nổi Buồng chứa gas Đường dẫn piston Dòng lưu chất MR Vỏ giảm chấn Vỏ piston Lõi piston Mạch từ Cuộn dây Lưu chất MR Trục piston 8 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. 2.2. 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 2.2. Hình 2.7: Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu Các hạt Lực Dòng từ trường Lõi Nắp đầu van Võ van Cuộn dây Cổng vào Cổng ra Dòng MRF 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. 2 2 5 7 5 0 3 1 5( ) 2( ) 4 ij ij ij ij ij p ij ij ij r r F m mr mr m r r r           (2.1) 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 3 04 fm a H   (2.2) Trong đó H là sức mạnh từ trường, a là đường kính của các hạt và β được tính bởi: 2 f p f 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 34 3 s sm a M  (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: 1 2.5r   (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. max2.5(1 ) r       (2.6) 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. 11 3 1 0.5 (1 ) r       (2.7) 3 1 0.5 (1 ) (1 ) r           (2.8) 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 ( ) n y du 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 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 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. Trong các mô hình trên thì hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mô hình dẻo Bingham và mô hình dẻo Herschel- Bulkley 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: ( )sgn( )y H     (2.10) Trong đó: τ là ứng suất cắt trong chất lỏng. τy là ứng suất chảy Ứng suất cắt Chất lỏng dẻo Bingham Chất lỏng Newton Chất lỏng giãn nở được Tốc độ cắt Chất lỏng giả dẻo Đường chảy dẻo của chất lỏng giả dẻo 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. Hình 2.9: Nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến. Sự đơn giản của mô hình hai tham số này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển chất lưu, đặc biệt là ER và MRF. Mô hình dẻo Herschel-Bulkley: Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ bị trượt dày hay trượt mỏng, đặc biệt là khi MRF chịu tốc độ cắt cao, mô hình dẻo này sẽ cho kết quả tốt hơn. Trong trường hợp này, chất lỏng dẻo Herschel-Bulkley được biểu thị bằng phương trình sau: 1/ ( ( )sgn( ) )sgn( ) m y H K      (2.11) Trong đó: K là thông số đặc trưng, m là hệ số chất lỏng của MRF, m>1 là chất lỏng trượt mỏng, m<1 là chất lỏng trượt dày. Chú ý rằng khi m=1, mô hình dẻo Herschel-Bulkley giống như mô hình dẻo Bingham. Ứng suất cắt () Tốc độ cắt ( ) Chất lỏng Newton Ứng suất chảy (y) Chất lỏng đàn- dẻo Bing ham Chất lỏng dẻo Herschel-Bulkley 14 Các thông số này được thiết lập khi không có từ trường tác động. Trong thực tế, các thông số này bị ảnh hưởng bởi từ trường. Zubieta đã đề xuất một mô hình dẻo cho MRF dựa trên mô hình chất lỏng dẻo Bingham kết hợp với chất lỏng dẻo Herschel-Bulkley. Các mô hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu. 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: 2 0( )(2 ) SY SYB BY Y Y Y e e         (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, SY 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 Hình 2.10: Chế độ van trong ứng dụng MR Profin tốc độ của MRF giữa hai tấm song song có thể được đại diện bởi các mối quan hệ sau đây: 1/ 1 1/ 1 1/ 1 1/ 1 1/ 2 1/ 1 1/ 1 1/ 3 2 ( ) ( ) [( ) ( ) ] 1 2 2 ( ) ( ) ( ) 1 2 2 ( ) ( ) [( ) ( ) ] 1 2 2 n n n n n n n n n P d y u y n KL n P d u y n KL n P d y u y n KL                           (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.  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. P2<P1 P1 Duct wall or fixed plate Magnetic flux MRF Post-yield Post-yield  d (a) concept of valve mode (b) velocity profile y Pre-yield (plug) 16 Hình 2.11: Chế độ cắt của MRF Hoạt động theo kiểu cắt đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đặc biệt là trong công nghệ giảm chấn MR. Masri và cộng sự đã đề xuất một đường cong kỹ thuật phù hợp, đại diện cho các thành phần khôi phục phi tuyến của một thiết bị ER để mô tả các hoạt động của ER dưới tải tĩnh và tải động trên một phạm vi rộng các lĩnh vực điện. Spencer và cộng sự đã phát triển một mô hình dựa trên mô hình trễ Bouc-Wen cải tiến để đại diện cho giảm chấn MR. Hơn nữa, Wereley và các cộng sự đã đề xuất một cách tiếp cận không chiều để mô hình hóa các loại van điều tiết cắt (hoạt động theo kiểu cắt tuyến tính, trống quay, và van điều tiết đĩa quay). Trong nghiên cứu, mô hình dẻo Bingham, mô hình biviscous, và các mô hình Herschel-Bulkley đã được xem xét. Tính năng đặc biệt của hoạt động theo kiểu cắt là đơn giản, đáp ứng nhanh, giao diện năng lượng điện cơ học sử dụng từ trường đơn giản giữa đầu vào và đầu ra, và khả năng điều khiển những tính năng làm cho công nghệ MRF được ứng dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như bộ giảm xóc, phanh, bộ ly hợp và các thiết bị đánh bóng. Tấm cố định Đường từ thông MRF Tấm di động 17 - Kiểu nén: 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. 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: Tấm Đường từ thông MRF Lực tác dụng 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 của bộ ly hợp có momen truyền động ≥10Nm. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ đầu ra của trục tải. Thực nghiệm và đánh giá kết quả. 19 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ LY HỢP DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN 3.1. Nguyên lý hoạt động: 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 Cuộn dây Võ cố định Từ trường MRF Đĩa ly hợp Trục dẫn R Rdi Rdo td d do hc L wc th Trục bị dẫn Ra tải Truyền động từ ĐC 20 biến. Để ngăn sự rò rỉ của lưu chất từ biến khi nằm trong khoảng khe hở đó ta lắp vào một vòng cao su (o-ring). Khi cuộn dây được cấp điện, một vùng từ trường được sinh ra và lưu chất từ biến ở khe hở giữa phần vỏ và phần đĩa ly hợp sẽ tức thời hóa rắn. Khi đó, ta có thể điều khiển được momen cũng như tỷ số truyền mà bộ phận đĩa ly hợp (trục dẫn) tác động lên phần vỏ (trục bị dẫn) thông qua độ hóa rắn của lưu chất từ biến. 3.2. Tính toán ly hợp: 3.2.1. Tính toán momen truyền động: Trong thiết kế của bộ ly hợp MR, việc thiết lập mối quan hệ giữa momen truyền, các thông số hình học của cấu trúc ly hợp và ảnh hưởng của từ trường tác động là quan trọng. Bằng cách giả thiết rằng lưu chất từ biến hoạt động dựa theo mô hình lưu biến dẻo Bingham và vận tốc sinh ra trong các ống dẫn MRF của bộ ly hợp là tuyến tính, thì momen truyền động sinh ra và momen ở tráng thái ngắt mạch được xác định bởi công thức: 4 4 3 3 2 0 4 ( ) [1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( ) 3 yedo di i o do i o do di do d y or do o R R R T R R R t T d R d                  (3.1) 4 04 3 3 2 0 0 4 ( ) [1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( ) 3 ydo di i o do i o do di do d y or do o R R R T R R R t T d R d                  (3.2) 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: ( )or c c h r sT f L f A R  (3.3) 21 Trong đó, Lc là chu vi trục, Lc=2Rs, ƒc là lực ma sát trên một đơn vị chiều dài của chu vi trục do việc nén vòng chống rò (o-ring) gây ra, phụ thuộc vào tỷ lệ nén của vòng và độ cứng vật liệu chế tạo vòng, ƒh là lực ma sát của vòng chống rò do áp lực của lưu chất tác động lên một đơn vị diện tích của trục bị dẫn và Ar là diện tích của vòng chống rò. Cần lưu ý rằng, vận tốc góc của trục bị dẫn là rất nhỏ và áp lực do lưu chất tác động lên vòng chống rò là rất thấp, ƒh  0, ta có thể bỏ qua. Cũng cần lưu ý rằng áp lực sinh ra trong ống MRF của phần bị dẫn là rất nhỏ, do đó, không cần thiết nén kín vòng chống rò (o-ring) với lực lớn. Trong nghiên cứu này, vòng chống rò cao su có độ cứng 70-durometer được sử dụng và áp lực của vòng được thiết lập là 10%. Trong trường hợp này, hệ số ƒc vào khoảng 125N/m. 3.2.2. Thiết kế tối ưu bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến: Trong thiết kế bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến, bên cạnh momen truyền động, một vấn đề khác rất quan trọng cần được quan tâm đến đó chính là khối lượng của bộ ly hợp. Rõ ràng cho thấy khối lượng của bộ ly hợp dùng lưu chất từ biến là càng nhỏ càng tốt, điều đó sẽ làm giảm kích thước cũng như chi phí chế tạo bộ ly hợp. Ngoài ra, việc bộ ly hợp có kích thước nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn có thể dẫn đến việc giảm lực quán tính, từ đó tạo điều kiện cho việc kiểm soát tốc độ của trục điều khiển dễ dàng hơn. Nói chung, khối lượng bộ ly hợp có thể được tính xấp xỉ bởi công thức: b d d h h s s MR MR bob bob c c m V V V V V V           (3.4) Trong đó, Vd, Vh, Vs, VMR, Vbob và Vc lần lượt là khối lượng của đĩa ly hợp, vỏ ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn dây, và cuộn dây của bộ ly hợp. Các thông số này là các chức năng quan trọng của kích thước hình học của kết cấu bộ ly hợp, chúng thay đổi suốt quá trình tối ưu hóa. ρd, ρh, ρs, ρMR, ρbob, và ρc lần lượt là khối lượng riêng của đĩa ly hợp, vỏ ly hợp, trục, lưu chất từ biến, ống chứa cuộn dây, và cuộn dây của bộ ly hợp. 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): 4 4 3 3 2 0 4 ( ) [1 ( ) ]( ) ( ) 2 ( ) 3 yedo di i o do i o do di do d y or do o R R R T R R R t T d R d                  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): b d d h h s s MR MR bob bob c cm V V V V V V           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 = 0.511mm). Trong quá trình tối ưu hóa, dòng điện tối đa 2.5A được cấp cho cuộn dây. Trong nghiên cứu này, chúng ta sử dụng lưu chất từ biến MRF132-DG được sản xuất bởi công ty Lord Corporation. Độ nhớt sau chảy dẻo của MRF132-DG là η=0.1 Pa-s, ứng suất chảy dẻo của lưu chất từ biến có thể tính xấp xỉ bằng công thức: 2 3 0 1 2 3( )y mr mr mr mrH c c H c H c H     (3.5) Trong phương trình (3.5), đơn vị của ứng suất chảy dẻo là kPa trong khi đó mật độ từ trường là kA/m. Áp dụng phương pháp xấp xỉ đường cong bậc hai, các hệ số trong phương trình đã được xác định tương ứng là 0.015, 0.30858, 2.83544E-4, - 5.34429E-6, và 9.20846E-9. Trong tối ưu hóa, chiều cao hc của cuộn dây, chiều rộng wc của cuộn dây, độ dày th của vỏ ly hợp, bán kính Rdo của đĩa ly hợp, bán kính ngoài R của bộ ly hợp, độ dày td của đĩa ly hợp, được xem là các biến thiết kế. Cần lưu ý rằng, các giá trị kích thước độ dày khe chứa lưu chất càng nhỏ thì lực hãm càng cao và khối lượng của bộ ly hợp thu được càng nhỏ. Vì thế, trong nghiên cứu này, độ dày của khe chứa MRF không được xem như biến thiết kế mà được thực nghiệm thiết lập là 0.8mm. Để có được lời giải tối ưu, ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp với một công cụ tối ưu hóa. Trong nghiên cứu này, phương pháp tối ưu bậc nhất của