Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô" là nghiên cứu khả năng áp dụng phanh dầu từ trường (MRB) cho hệ thống phanh bổ trợ khi ô tô xuống dốc tại Việt Nam. Hệ thống phanh bổ trợ MRB cung cấp mômen phanh nhằm giảm tải cho hệ thống phanh chính khi xe xuống dốc. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Quang Tuấn Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô Ngành: Kỹ thuật ô tô Mã số: 9520130 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trịnh Minh Hoàng 2. TS. Nguyễn Anh Ngọc Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Hoàng Quang Tuấn, Trần Thanh Tùng, Nguyễn Tiến Hoàng (2021), “Mô phỏng từ trường của phanh dầu từ trường đa cực từ”, Tạp chí khoa học công nghệ Hàng Hải, Số đặc biệt 10/2021. 2. Hoang Quang Tuan, Nguyen Xuan Khoa, Trinh Minh Hoang (2023), “The Effect of Gap-Size on A Multi-Pole Bi-Layer Magnetorheological Brake Torque”, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, Vol. 46, No. 1, pp. 59-75 (Tạp chí quốc tế có phản biện). 3. Quang- Tuan Hoang, Huu-Dieu Bui, Thanh-Tung Tran (Mar-2023), “Design and Simulation of Magnetorheological Brake Supporting Downhill Van Truck”, Journal of Science and Technology: Engineering and Technology for Sustainable Development, ISSN 2734-9381, Volume 33, Issue 1; https://doi.org/10.51316/jst.164.etsd.2023.33.1.6. 4. Hoang Quang Tuan, Trinh Minh Hoang and Nguyen Xuan Khoa (July- 2023), “A study the effect of key parameters on the magneto-rheological brake torque based on the sim method”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 18, No. 13, ISSN 1819-6608, https://doi.org/10.59018/0723192 (Tạp chí Scopus Q4). 5. Tuan-Hoang Quang, Hoang-Trinh Minh, Ngoc-Nguyen Anh, and Tung- Tran Thanh (30-Aug-23), “Determination of Magnetorheological Brake Characteristics by Experiment on the Test Rig”, Springer, Cham; Print ISBN: 978-3-031-31823-8, Online ISBN 978-3-031- 31824-5, https://doi.org/10.1007/978-3-031-31824-5_47. (Hội nghị quốc tế có phản biện, Index Scopus). 6. Thanh-Tung Nguyen, Minh-Hieu Vu, Quang-Tuan Hoang, Quang-Thieu Do, Minh- Hoang Trinh, Ngoc Nguyen-Anh (Nov-2023), “Analysis of the effects of assist braking torque while going downhill on van truck”; Transport and Communications Science Journal; Special issue, pp. 162-168. 7. Hoang Quang Tuan, Vu Minh Hieu, Do Quang Thieu, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Anh Ngoc, Trinh Minh Hoang (25/11/2023), “Evaluation of the braking performance of van trucks when descending hills using auxiliary brakes”, Tạp chí khoa học công nghệ Đại học công nghiệp Hà Nội, Vol. 59 - No. 6B, https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.224
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ thống phanh trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lực hãm chuyển động của xe. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ vật liệu, ô tô ngày càng hiện đại, tốc độ di chuyển cao hơn, đòi hỏi hệ thống phanh cũng cần được cải tiến và áp dụng những công nghệ mới. Nhằm nâng cao tính an toàn, tiện nghi và điều khiển dễ dàng, nhiều hệ thống phanh bổ trợ đã được nghiên cứu và ứng dụng trên ô tô. Chương này đề cập đến quá trình phanh khi xe xuống dốc, các hệ thống hỗ trợ phanh trên ô tô, cũng như các nghiên cứu về lĩnh vực phanh ứng dụng công nghệ vật liệu mới đã được thực hiện trong những năm gần đây. 1.1. Quá trình phanh khi xe xuống dốc 1.1.1. Thực trạng tai nạn giao thông Mỗi năm, cả nước xảy ra khoảng 20.000 vụ tai nạn giao thông, trong đó có khoảng 9.000 người tử vong và hàng chục nghìn người bị thương [1]. Tai nạn liên quan đến đường đèo dốc là một trong những nguyên nhân gây ra tình trạng này. Để giảm thiểu tai nạn giao thông trên đường đèo dốc, cần có sự phối hợp của nhiều bên. Cụ thể, nhà nước cần đầu tư xây dựng, nâng cấp hệ thống giao thông trên đường đèo dốc, đảm bảo đủ bề rộng, có đường lánh nạn, biển báo an toàn. Người điều khiển phương tiện cần nâng cao kỹ năng lái xe, đặc biệt là khi đi đường đồi núi. Các nhà sản xuất xe cần cải tiến hệ thống phanh, đảm bảo an toàn khi xuống dốc. 1.1.2. Điều kiện địa hình đồi núi tại Việt Nam và các quy chuẩn đường dốc Các nghiên cứu về độ dốc chung của địa hình Việt Nam cho thấy, địa hình Việt Nam ít bằng phẳng, phần lớn là đồi núi, bị chia cắt nhanh nên độ dốc rất đa dạng [2]. Tuỳ theo cấp thiết kế của đường, độ dốc dọc tối đa được quy định trong Bảng 1.1. Có thể thấy dốc dọc lớn nhất không vượt quá 11 %. Bảng 1.1 Độ dốc dọc lớn nhất của các cấp thiết kế của đường [3] Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng bằng, Núi bằng, Núi bằng, Núi bằng, Núi bằng bằng đồi đồi đồi đồi Độ dốc dọc lớn 3 4 5 7 6 8 7 10 9 11 nhất (%) Bảng 1.2 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m) [3] Độ dốc Tốc độ thiết kế, vtk, km/h dọc, % 20 30 40 60 80 100 120 4 1200 1100 1100 1000 900 800 - 5 1000 900 900 800 700 - - 6 800 700 700 600 - - - 7 700 600 600 500 - - - 8 600 500 500 - - - - 9 400 400 - - - - - 10 và 11 300 - - - - - - Từ thực tế về điều kiện địa hình đồi dốc tại Việt Nam nói trên, việc di chuyển của các phương tiện vận tải đòi hỏi ngày càng đảm bảo an toàn, đặc biệt là quá trình xe xuống dốc trong thời gian dài. Vì thế cần sự ra đời và ứng dụng của các loại phanh bổ trợ ngoài hệ thống phanh chính của xe nhằm nâng cao tính an toàn, độ tin cậy khi xe di chuyển trên dốc. Trang 1
1.2. Các hệ thống phanh bổ trợ trên ô tô Bảng 1.4 thể hiện các công nghệ phanh bổ trợ khác nhau. Các nhà sản xuất sẽ triển khai lắp đặt và sử dụng các loại phanh bổ trợ khác nhau tùy thuộc vào công nghệ và nhu cầu cụ thể. Bảng 1. 4 Thuật ngữ và định nghĩa về hệ thống phanh bổ trợ [6] Loại thiết bị Thiết bị điều Thiết bị điều khiển hệ thống phanh bổ trợ hoạt động độc lập khiển độc lập với hệ thống phanh chính. điều khiển dùng trong hệ thống Thiết bị điều khiển Thiết bị giúp hệ thống phanh bổ trợ làm việc đồng thời với hệ tích hợp thống phanh chính để thực hiện hoạt động theo từng giai phanh bổ trợ đoạn thích hợp. Thiết bị kiểm soát Thiết bị cho phép vận tốc xe gần như không đổi bằng cách vận tốc xe vận hành và điều chỉnh tự động hệ thống phanh bổ trợ. Thiết bị ngắt Thiết bị cho phép chỉ sử dụng hệ thống phanh chính mà không cần kích hoạt hệ thống phanh bổ trợ. Thiết bị hãm Thành phần biến đổi năng lượng được sử dụng để cung cấp lực phanh cho phép kiểm soát vận tốc của xe một cách độc lập hoặc bổ sung cho phanh chính. Các loại thiết bị Thiết bị hãm chính Thành phần giảm tốc nằm trên hệ thống truyền lực của ô tô ở hãm phía động cơ của hộp số (bộ biến mô). Thiết bị hãm thứ cấp Thành phần giảm tốc nằm trên hệ thống truyền lực của ô tô giữa hộp số (bộ biến mô) và trục dẫn động. Thiết bị hãm khác Các thành phần hãm không phải là thiết bị hãm chính hoặc thứ cấp (ví dụ, thiết bị hãm khí động học). Các phương thức làm chậm của phanh bổ trợ Phanh bổ trợ sử Thiết bị giúp tạo lực cản do động cơ khi giảm lượng nhiên dụng chất làm Phanh động cơ liệu đầu vào và điều tiết nguồn cung cấp không khí cảm ứng chậm từ động cơ trong khi động cơ được nối với các bánh dẫn động. đốt trong Thiết bị giúp tăng hiệu ứng giảm tốc bằng cách thay đổi thời điểm đóng van để tăng nội trở (lực cản) của động cơ. Phanh khí xả Thiết bị nhằm tăng hiệu ứng giảm tốc bằng cách chặn dòng khí thải để tăng nội trở trong của động cơ. Phanh sử dụng Thiết bị trong đó sử dụng điện, liên kết với các bánh dẫn động, tạo ra tác dụng làm động cơ điện chậm lại phương tiện đang chuyển động, ví dụ, bằng cách hoạt động như một máy phát điện. Thiết bị hãm thủy Thiết bị hãm (giảm tốc) trong đó tác dụng làm chậm đạt được do tác động của chất lực lỏng lên các bộ phận quay/bơm được liên kết với một hoặc nhiều bánh xe. Thiết bị hãm thủy Thiết bị hãm thủy lực trong đó sự hấp thụ năng lượng dựa động lực trên nguyên lý động năng riêng của chất lỏng. Thiết bị hãm thủy Thiết bị hãm thủy lực trong đó sự hấp thụ năng lượng dựa tĩnh trên nguyên lý động năng riêng của chất lỏng. Phanh điện từ Thiết bị hãm điện từ Thiết bị hãm sử dụng tác động của trường điện từ lên bộ phận quay được liên kết với một hoặc nhiều bánh xe. Thiết bị hãm nam Thiết bị hãm sử dụng tác động của từ trường vĩnh cửu lên một châm vĩnh cửu bộ phận quay được dẫn vào một hoặc nhiều bánh xe. Phanh tái sinh Thiết bị giảm tốc phục hồi động năng của xe thông qua mômen phanh để khôi phục nó về nguồn năng lượng của xe. Phanh khí động Thiết bị tạo lực hãm bằng cách làm tăng lực cản không khí, ví dụ sử dụng các bề học mặt có thể di chuyển được. Trang 2
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.3.1. Các nghiên cứu về phanh bổ trợ Nhiều tổ chức uy tín như FHWA, SAE, UMTRI đã thực hiện nghiên cứu về phanh bổ trợ cho xe tải hạng nặng. Mục tiêu là nâng cao an toàn khi xe xuống dốc dài, giảm nguy cơ trôi dốc. Các nghiên cứu tập trung vào: Hệ thống phanh bổ trợ hiệu quả, Hành vi của người lái xe, Hướng dẫn vận hành, Giới hạn tốc độ phù hợp. Theo tiêu chuẩn ISO-12161 đưa ra quy trình thử hệ thống phanh bổ trợ: Dựa trên nguyên tắc hấp thụ năng lượng tương đương. Thử nghiệm trên đường dốc 6%, dài 6km hoặc tương đương. Đo thời gian từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc (thường 12 phút). Không sử dụng phanh chính, phanh phụ và phanh đỗ. Gài số đảm bảo tốc độ động cơ không vượt quá giới hạn. 1.3.2. Các nghiên cứu chính về dầu MR và các ứng dụng Các nghiên cứu về dầu MR thường theo hai xu hướng chính bao gồm: nghiên cứu dựa trên mô hình thành phần chất lỏng MR và hướng nghiên cứu ứng dụng MR. Đây cũng là hướng phát triển rất mạnh trong những năm qua. Đối với lĩnh vực ô tô, ứng dụng dầu MR thường tập trung trên các hệ thống như: giảm chấn thông minh trong hệ thống treo, hoặc một số nghiên cứu bước đầu trong hệ thống phanh [28-56]. Hình 1.1 cho thấy số lượng nghiên cứu về dầu MR và ứng dụng của chúng đang tăng lên đáng kể trong những năm gần đây (khoảng 12%/ năm). Mô hình cấu thành của chất lỏng MR Nghiên cứu dựa trên chất lỏng MR Số lượng công bố Năm Hình 1. 1 Các công bố về mô hình hóa cấu thành của chất lỏng MR so với các khía cạnh khác nhau của nghiên cứu dựa trên chất lỏng MR kể từ năm 1984 [15] 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến phanh dầu từ trường 1.3.3.1. Nghiên cứu ngoài nước Các nghiên cứu thường tập trung vào các vấn đề sau: phân tích và thiết kế mạch từ, tối ưu hóa thiết kế phanh MR để nâng cao hiệu suất phanh, nghiên cứu nhiệt phanh MR nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn trong điều kiện nhiệt độ cao, hạn chế mômen xoắn nhớt trường không để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, phương án điều khiển phanh MRB trên xe giúp tích hợp hiệu quả với hệ thống phanh chính và đảm bảo khả năng vận hành linh hoạt. Nghiên cứu về thiết kế phanh MRB nhằm tối ưu hóa thiết kế phanh MR để giảm khối lượng và tăng hiệu suất phanh [34,35,36]. Sử dụng các phương pháp tối ưu hóa như: phương pháp bậc nhất với thuật toán dốc nhất, mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS. Trang 3
Hạn chế mômen xoắn nhớt trường không bằng cách: sử dụng cấu trúc phanh MRB có khe hở lớn [37-39], thiết kế khoang chứa dầu MR khi chưa làm việc, sử dụng chất lỏng MR có độ nhớt thấp, sử dụng bộ điều khiển phanh MRB [40]. Nghiên cứu về nhiệt phanh MRB xoay quanh việc mô phỏng phân bố nhiệt độ trong phanh MRB, lập mô hình phân tích nhiệt cho phanh MRB, kết hợp phân tích mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm [30,41,42,43,44,45]. Hệ thống điều khiển phanh MRB nhằm khử trường không hay kết hợp với hệ thống ABS để điều khiển độ trượt của hệ thống phanh chính [41,56,46-48]. Tóm lại, phanh MRB có tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho ô tô. Tuy nhiên cần thêm nhiều nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống phanh MRB trước khi ứng dụng thực tế. Bảng 1.6 So sánh kết quả MRB và CHB có và không có ABS [48] MRB Có ABS Thông số CHB CHB có MRB MRB có MRB Có (Bộ điều không ABS không có ABS ABS khiển PID) có ABS ABS (FLC) Quãng 89.87 79.90 53.93 48.72 48.31 46.07 đường phanh (m) Thời gian 10.20 8.6 3.9 3.5 3.43 3.23 phanh (s) 1.3.3.2. Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, cho đến nay, các nghiên cứu về MRF vẫn còn khá hạn chế. Một số nghiên cứu đã được thực hiện, nhưng chủ yếu là các nghiên cứu cơ bản về tính chất vật lý của MRF. Các nghiên cứu ứng dụng MRF trong lĩnh vực ô tô và xe chuyên dụng vẫn còn chưa nhiều, đặc biệt là các nghiên cứu về hệ thống phanh. Một số nghiên cứu về hệ thống phanh sử dụng MRF ở Việt Nam có thể kể đến như của TS. Nguyễn Anh Ngọc (2017), nghiên cứu này đề xuất một thiết kế mới cho hệ thống phanh dầu từ trường đa cực từ sử dụng nhiều lớp dầu. Thiết kế mới này có hiệu suất phanh cao hơn và độ bền cao hơn so với các thiết kế trước đây [50]. Luận án tiến sĩ “Phát triển hệ thống phản hồi lực dùng lưu chất từ biến” của tác giả Diệp Bảo Trí đề cập tới việc phát triển các hệ thống phản hồi lực áp dụng trong hệ thống điều khiển từ xa ứng dụng ở các môi trường khắc nghiệt cũng như trong phẫu thuật từ xa trong y khoa [51]. Các nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng- hiện công tác tại Khoa kỹ thuật Đại học Việt Đức đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế uy tín, bao gồm các nghiên cứu về: o Đặc tính của giảm chấn trên các mô hình thí nghiệm [53]; o Đặc tính của ly hợp, hệ thống phanh dầu từ trường trong quá trình đóng ngắt tốc độ cao [34,52]; o Các thuật toán điều khiển dầu từ trường trên các ứng dụng cụ thể [56]; Mặc dù đã có một số nghiên cứu về MRF ở Việt Nam, nhưng các nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế. Cụ thể, các nghiên cứu ứng dụng MRF trong lĩnh vực ô tô và xe chuyên dụng vẫn còn chưa nhiều, đặc biệt là các nghiên cứu về hệ thống phanh. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các nghiên cứu cơ bản về tính chất vật lý của MRF, chưa có nhiều nghiên cứu về các ứng dụng cụ thể của MRF trong thực tế. Các nghiên cứu chưa chú trọng đến việc phát triển các giải pháp ứng dụng MRF phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam. Trang 4
1.4. Mục tiêu của luận án Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu khả năng áp dụng phanh dầu từ trường (MRB) cho hệ thống phanh bổ trợ khi ô tô xuống dốc tại Việt Nam. Hệ thống phanh bổ trợ MRB cung cấp mômen phanh nhằm giảm tải cho hệ thống phanh chính khi xe xuống dốc. Để đạt được mục tiêu chính này, mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm các nghiên cứu lựa chọn kết cấu, đánh giá các cấu hình của MRB, thiết kế chế tạo mẫu phanh bổ trợ. Kết cấu MRB sau khi được cân nhắc lựa chọn sẽ được đánh giá bằng mô phỏng khả năng áp dụng lên ô tô theo những quy trình thử nghiệm thực tế. Đặc tính làm việc của MRB ở vùng vận tốc thấp để phù hợp với điều kiện thí nghiệm trong phạm vi phòng thí nghiệm được xây dựng từ các kết quả thực nghiệm trên bệ thử do NCS thiết kế chế tạo. 1.5. Phương pháp nghiên cứu 1.5.1. Phương pháp mô phỏng số để xác định các vùng từ trường trong cơ cấu phanh MRB Phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm chuyên dụng được áp dụng trong luận án để xác định các vùng từ trường phân bố trong cơ cấu phanh bổ trợ được khảo sát. Cơ cấu phanh bổ trợ (MRB) theo thiết kế được xây dựng mô hình CAD bằng phần mềm SIEMENS NX CAD, sau đó việc xác định đặc tính từ trường của các phương án khảo sát với các thông số kết cấu thay đổi của MRB được thực hiện bằng mô hình phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Hypermesh Flux của hãng Altair Engineering [57]. 1.5.2. Phương pháp tính toán số xác định mômen phanh bổ trợ Sau khi xác định các từ trường trong các vùng kết cấu của MRB, phương pháp tính toán số được sử dụng để xác định mômen phanh do cơ cấu phanh bổ trợ MRB sinh ra. Mômen phanh của MRB được tính toán số bằng phần mềm Matlab, với mô hình chất lỏng MRF được lựa chọn, tương ứng với từng kết quả mô phỏng từ trường tương ứng với mỗi kết cấu MRB. Ngoài ra, trong nội dung khảo sát xác định mômen phanh cần thiết, phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Matlab Simulink được sử dụng để giải phương trình vi phân mô phỏng động lực học của xe. Các nghiên cứu về nhiệt sinh ra của MRB khi khảo sát theo tiêu chuẩn thử cũng được thực hiện trong môi trường mô phỏng STAR- CM++. Việc giải các bài toán làm mát cũng được thực hiện thông qua việc giải các bài toán CFD với môi trường làm mát bằng nước cũng được đề cập tới trong nghiên cứu này. 1.5.3. Phương pháp thực nghiệm Các thí nghiệm của luận án được thực hiện trên bệ thử do NCS thiết kế và chế tạo nhằm xác định đặc tính làm việc của phanh MRB khi thay đổi số vòng quay của động cơ và dòng điện. Kết quả của các thí nghiệm sẽ là cơ sở cho việc kiểm chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng mômen phanh do MRB sinh ra. 1.6. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu về thiết bị phanh bổ trợ sử dụng dầu từ trường cho xe tải Suzuki Van. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển thiết bị phanh bổ trợ sử dụng dầu từ trường cho xe tải Suzuki Van. Hệ thống phanh mới này ứng dụng nguyên lý dầu từ trường lưu biến, được điều khiển bằng dòng điện 12V. Hệ thống được lắp trực tiếp trên hệ thống truyền lực của xe, cụ thể là ở phía sau các đăng và phía trước cầu chủ động. Hệ thống phanh bổ trợ (MRB) hoạt động độc lập với hệ thống phanh chính, nhằm cung cấp mômen phanh để giảm tải cho hệ thống phanh chính khi xe xuống dốc duy trì với một tốc độ chuyển động theo mong muốn của người lái. Trang 5
1.7. Bố cục và nội dung của luận án Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề cập, ngoài phần mở đầu và kết luận, những nội dung nghiên cứu chính của luận án được bố cục thành 4 chương: • Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chương này trình bày tổng quan các vấn đề nghiên cứu của đề tài, bao gồm nghiên cứu tổng quan về quá trình phanh xe khi xuống dốc, địa hình cụ thể ở Việt Nam, các phương án phanh bổ trợ trên ô tô, các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến dầu từ trường nói chung và phanh dầu từ trường nói riêng, từ đó xác định mục tiêu, phương pháp, đối tượng và nội dung nghiên cứu của luận án. • Chương 2: Cơ sở khoa học của hệ thống phanh bổ trợ sử dụng công nghệ dầu từ trường Chương này trình bày các cơ sở khoa học để xác định mômen phanh yêu cầu, lựa chọn kết cấu hệ thống phanh bổ trợ, phương pháp tính toán mô phỏng xác định đặc tính phanh bổ trợ và các yếu tố ảnh hưởng đến mômen phanh do cơ cấu phanh bổ trợ sinh ra. • Chương 3: Mô phỏng, phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ xe xuống dốc Chương này đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện thiết kế và chế tạo hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ xe xuống dốc. Các kết quả mô phỏng và phân tích sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống phanh thực tế. • Chương 4: Thí nghiệm trên bệ thử Chương này tiến hành thí nghiệm trên bệ thử để kiểm nghiệm mômen phanh sinh ra của hệ thống phanh dầu từ trường. Kết quả thí nghiệm được sử dụng làm cơ sở đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng cơ cấu phanh MRB. • Kết quả và bàn luận: Phần này tổng kết kết quả nghiên cứu, hạn chế và hướng phát triển của đề tài luận án. 1.8. Kết luận chương 1 Chương 1 giới thiệu mục tiêu, phương pháp và giới hạn của luận án, đồng thời trình bày tổng quan về nghiên cứu phanh bổ trợ dầu từ trường MRB ứng dụng trên xe tải Van. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm được kết hợp để đạt được mục tiêu đề ra. Trang 6
Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA HỆ THỐNG PHANH BỔ TRỢ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DẦU TỪ TRƯỜNG Chương này trình bày các kiến thức lý thuyết cơ bản về dầu MR, điện từ trường và phanh dầu từ trường (MRB). Trong nghiên cứu này, mômen phanh bổ trợ cần thiết được xác định cho phanh MRB lắp trên xe tải Van khi xuống dốc. Các nghiên cứu lý thuyết sẽ được thực hiện dựa trên mô hình phanh dầu từ trường. Mô hình này được xây dựng dựa trên các đặc tính vật lý của dầu MR và các mối quan hệ toán học giữa điện trường, từ trường và dòng điện. 2.1. Cơ sở khoa học xác định mô men phanh bổ trợ 2.1.1. Vị trí lắp đặt phanh bổ trợ trên ô tô tải Suzuki van Đề tài nghiên cứu bố trí cơ cấu phanh bổ trợ sử dụng công nghệ dầu từ trường có thể hoạt động độc lập với hệ thống phanh chính áp dụng cho dòng xe tải van Suzuki cỡ nhỏ. Các thông số của xe có thể tham khảo ở phụ lục 2A của nghiên cứu này. Để đảm bảo không làm ảnh hưởng đến kết cấu nguyên bản của xe, cần cân nhắc kỹ lưỡng khi bố trí phanh từ trường. Sau khi cân nhắc ưu nhược điểm của 3 phương pháp trên các khía cạnh như: hiệu quả truyền lực, khả năng tản nhiệt, khả năng bảo dưỡng, nghiên cứu lựa chọn phương án bố trí MRB giữa các- đăng và vỏ cầu chủ động. Hình 2.1 Mô hình phanh khi lắp lên xe 2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học quá trình phanh xe tải van khi xuống dốc Hình 2.2 thể hiện mô hình động lực học phương dọc của xe tải van khi xuống dốc và phanh. Mô hình này bao gồm các thành phần lực và thông số kích thước hình học sau: - G: Tải trọng của xe khi đầy tải (N); - Fq: Lực quán tính của xe (N); - Fw: Lực cản không khí (N); - Fzi: Phản lực tổng cộng từ mặt đường tác động lên các bánh xe ở cầu thứ i (N); - Fpi: Lực phanh tổng cộng do cơ cấu phanh chính sinh ra tại bánh xe ở cầu thứ i (N); Trang 7
- Fb: Lực phanh tổng cộng do cơ cấu phanh bổ trợ sinh ra tại các bánh xe cầu sau (N); - Ffi: Lực cản lăn tổng cộng tại bánh xe ở cầu thứ i (N); - h: Chiều cao trọng tâm xe (m); - hw: Chiều cao điểm đặt lực cản không khí (m) (hw = h); - α: Góc dốc của đường (độ); - a, b - Khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm cầu trước và cầu sau (m); - L: Chiều dài cơ sở xe (m). Để tính toán quãng đường phanh của xe tải van khi xuống dốc và phanh, cần xác định được các lực tác dụng lên xe và các thông số của xe như trọng lượng, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, lực phanh. Các chỉ số i = 1, 2 là các chỉ số tương ứng cho các lực và mô men đặt tại bánh xe cầu trước và cầu sau. Hình 2.2 Các lực và mô men tác động lên xe tải van khi xuống dốc và phanh Trong nghiên cứu này, giả thiết phương án lắp đặt cơ cấu phanh bổ trợ được bố trí tại vị trí sau các đăng và trước cầu chủ động. Khi đó, lực phanh Fb do mô men phanh bổ trợ T cung cấp dẫn tới bánh xe sau sẽ bằng: 𝐹 𝑏 = 𝑇 ∗ 𝑖0 /𝑟 𝑏 (2. 1) Với i0: tỉ số truyền của truyền lực chính; rb: bán kính tính toán của bánh xe phía sau (m). Gọi Fp là tổng tất cả lực phanh tác dụng lên xe, bao gồm các lực phanh do cơ cấu phanh chính tại các bánh xe trước (Fp1), bánh xe sau (Fp2), cùng với lực phanh bổ trợ quy đổi về bánh sau (Fb), khi đó: 𝐹 𝑝 = 𝐹 𝑝1 + 𝐹 𝑝2 + 𝐹 𝑏 (2. 2) Phương trình cân bằng lực theo phương dọc x của xe (Hình 2.2) được xác định như sau: Trang 8
𝐹𝑞 = 𝐹 𝑝1 + 𝐹 𝑝2 + 𝐹 𝑏 + 𝐹 𝑤 + (𝐹 𝑓1 + 𝐹 𝑓2 ) − 𝐹 𝛼 (2. 3) Gọi Ff là tổng tất cả lực cản lăn tác dụng lên xe, và giả sử hệ số cản lăn f tại các bánh xe là như nhau, khi đó tổng lực cản lăn tác động lên các bánh xe là: 𝐹 𝑓 = 𝐹 𝑓1 + 𝐹 𝑓2 = 𝐺𝑓𝑐𝑜𝑠𝛼 (2. 4) Lực (cản) dốc F được tính như sau: 𝐹 𝛼 = 𝐺𝑠𝑖𝑛𝛼 (2. 5) Lực cản không khí Fw theo phương chính diện được xác định: 1 𝐹𝑤 = 𝜌𝐶 𝐷 𝐴𝑥̇ 2 (2. 6) 2 Như vậy, phương trình cân bằng lực theo phương dọc x của xe (công thức 2.3) được viết lại là: 𝑚𝑥̈ = 𝐹 𝑝 + 𝐹 𝑤 + 𝐹 𝑓 − 𝐹 𝛼 (2. 7) Trong đó: - f: Hệ số cản lăn; - ρ: Mật độ không khí (kg/m3); - CD: Hệ số cản khí động của xe; - A: Diện tích cản chính diện của xe (m2); - x, 𝑥̇ , 𝑥̈ lần lượt là dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của xe theo phương dọc x. Khi thiết kế hệ thống phanh, thông thường xác định kết cấu của cơ cấu phanh chính ở trường hợp xe chạy trên đường bằng có hệ số bám là φtk. Khi đó tổng lực phanh cực đại do cơ cấu phanh chính sinh ra ở mỗi bánh xe được xác định: 𝐹 𝑝1𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑧1 𝜑 𝑡𝑘 ; 𝐹 𝑝2𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑧2 𝜑 𝑡𝑘 (2. 8) Các phản lực pháp tuyến tại các bánh xe cầu trước (Fz1) và cầu sau (Fz2) được xác định như sau: 1 𝐺𝑏𝑐𝑜𝑠 𝛼 − 2 ℎ𝜌𝐶 𝐷 𝐴𝑥̇ 2 + 𝑚𝑥̈ ℎ + ℎ𝐺𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝐹 𝑧1 = (2. 9) 𝐿 1 𝐺𝑎𝑐𝑜𝑠 𝛼 + 2 ℎ𝜌𝐶 𝐷 𝐴𝑥̇ 2 − 𝑚𝑥̈ ℎ − ℎ𝐺𝑠𝑖𝑛 𝛼 𝐹 𝑧2 = (2. 10) 𝐿 Nếu xem xét bỏ qua quy luật đạp phanh của người lái thì lực phanh do hệ thống phanh chính thực tế sinh ra tại bánh xe cầu trước và cầu sau khi đó là: 𝐹 𝑝1 = 𝑘𝐹 𝑝1𝑚𝑎𝑥 ; 𝐹 𝑝2 = 𝑘𝐹 𝑝2𝑚𝑎𝑥 ; (2. 11) Nếu không xem xét đến hiện tượng trượt của bánh xe với mặt đường, tổng lực phanh tại các bánh xe được tính như sau: Trang 9
𝑇𝑖0 (2. 12) 𝐹 𝑝 = 𝐹 𝑝1 + 𝐹𝑝2 + 𝐹 𝑏 = 𝑘𝐺𝜑 𝑡𝑘 + 𝑟𝑏 Mô hình động lực học phương dọc cũng được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các thông số đánh giá đến hiệu quả phanh và quãng đường phanh của xe. Kết quả khảo sát nhằm xác định mô men phanh cần thiết của cơ cấu phanh bổ trợ khi thông số vận hành thay đổi trong quá trình xe xuống dốc. Việc giải phương trình 2.7 để tính toán quãng đường phanh và đánh ảnh hưởng của các thông số đến hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng số Matlab Simulink. 2.1.3. Khảo sát xác định mô men phanh bổ trợ cần thiết của cơ cấu phanh MRB 2.1.3.1. Tiêu chí xác định mô men phanh bổ trợ cho xe khi xuống dốc Mục tiêu của nghiên cứu là xác định mômen phanh bổ trợ hiệu quả của cơ cấu phanh MRB cho xe tải van khi xuống dốc. Nghiên cứu khảo sát quá trình phanh xe xuống dốc được chia thành 2 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Xe bắt đầu xuống dốc và giảm tốc từ vận tốc v1 đến vận tốc v2 Giai đoạn 2: Xe duy trì vận tốc v2 đến hết dốc Ở cả 2 giai đoạn MRB đều ở chế độ bật, đều không xét đến tác động của phanh động cơ. Cụ thể, ở giai đoạn 1 khi phanh chính làm việc cùng với MRB ở một mức tỉ lệ bàn đạp k, còn ở giai đoạn 2 (k=0 tức là bỏ qua tác động của phanh chính) chỉ xét tới tác động của phanh MRB để duy trì vận tốc của xe v2 đến hết dốc (Hình 2.3). Hình 2.3 Quá trình phanh khi xe xuống dốc Với việc khảo sát xe xuống dốc gồm 2 giai đoạn phanh nói trên, nghiên cứu tiến hành đề xuất phương án điều khiển nhằm giúp MRB phối hợp với hệ thống phanh chính. Tiêu chuẩn thiết kế đường dốc ở Việt Nam quy định độ dốc thông thường từ 5 đến 11%. Chiều dài quãng đường dốc thiết kế tối thiểu là 300 m cho vận tốc của xe là 20 km/h [3]. Nghiên cứu này giả thiết rằng cơ cấu phanh MRB làm việc ở trạng thái ổn định (nhiệt độ tăng không vượt quá giới hạn cho phép của dầu MR [58]). Như vậy điều kiện đánh giá hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ khi xuống dốc ở giai đoạn 1 theo yêu cầu thiết kế đường dốc tại Việt Nam, bao gồm: Xe đầy tải; Vận tốc bắt đầu trước khi phanh: v1 = 60 km/h; Trang 10
Vận tốc cuối quá trình: v2 = 20 km/h; Quãng đường phanh yêu cầu: ≤ 300 m. 2.1.3.2. Các thông số khảo sát để xác định mô men phanh bổ trợ cho xe tải van khi xuống dốc Các thông số về kết cấu, điều kiện vận hành và điều kiện đường xá được lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn và điều kiện vận hành thực tế ở Việt Nam để đánh giá hiệu quả phanh bổ trợ của xe tải van khi xuống dốc, bao gồm: Mômen phanh bổ trợ: từ 0 Nm đến 120 Nm. Mômen bổ trợ (T) do MRB sinh ra được lựa chọn đưa vào khảo sát được tham khảo dựa trên một kết cấu tương tự nghiên cứu này [43]; Độ dốc của đường: từ 5% đến 11%; Tỷ lệ lực bàn đạp phanh: từ 10% đến 70%. Hệ số bám của đường φ = 0,7. Vận tốc bắt đầu quá trình phanh: 60 km/h; Vận tốc cuối quá trình: 20 km/h; Điều kiện lựa chọn để đánh giá hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ: Quãng đường phanh không đượt vượt quá 300 m. 2.1.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của độ dốc và mô men phanh bổ trợ Hiệu quả phanh của xe tải van được đánh giá khi thay đổi các giá trị mômen phanh bổ trợ T khác nhau trong điều kiện đường đồi núi với độ dốc từ 5% đến 11% (Hình 2.5). a b Hình 2.5 Khảo sát quãng đường phanh (a) và thời gian phanh (b) với độ dốc đường từ 5% đến 11%, mô men phanh bổ trợ T từ 0:40:120 Nm (hệ số bám  = 0.7, v1 = 60 km/h, v2 = 20 km/h, tỷ lệ hành trình đạp phanh k = 50 %). Kết quả mô phỏng khảo sát cho thấy, việc sử dụng phanh bổ trợ là một giải pháp hiệu quả để giảm quãng đường phanh và thời gian phanh của xe tải van Suzuki cỡ nhỏ khi xuống dốc. 2.1.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lực bàn đạp phanh và mô men phanh bổ trợ Hiệu quả phanh của xe tải van được đánh giá khi thay đổi các giá trị mômen phanh bổ trợ T khác nhau khi hành trình bàn đạp thay đổi từ 10% đến 70%. Trang 11
Hình 2.7 Khảo sát quãng đường phanh (a) và thời gian phanh (b) với độ dốc đường từ 5% đến 11%, mô men phanh bổ trợ T từ 0:40:120 Nm (hệ số bám  = 0.7, v1 = 60 km/h, v2 = 20 km/h, tỷ lệ hành trình đạp phanh k = 50 %). Hình 2.7 thể hiện kết quả mô phỏng khảo sát quãng đường phanh (hình 2.7a) và thời gian phanh (hình 2.7b) với các giá trị mô men phanh bổ trợ khác nhau (T = 0:40:120 Nm). Kết quả khảo sát cho thấy, tỷ lệ lực bàn đạp phanh k từ 20% trở lên thì toàn bộ hệ thống phanh của xe tải van Suzuki cỡ nhỏ khi xuống dốc được coi là hiệu quả. Cơ sở lựa chọn kết cấu của cơ cấu phanh bổ trợ (mô men phanh T) khi thiết kế sau này là dựa trên tiêu chí đánh giá hiệu quả phanh, cụ thể là quãng đường phanh. Giá trị quãng đường phanh (quãng đường suy giảm vận tốc) càng nhỏ thì hiệu quả của cơ cấu phanh càng cao. Vì vậy, cần thiết kế cơ cấu phanh bổ trợ có mô men phanh T đủ lớn để giảm vận tốc xe xuống vận tốc mong muốn v2 trong quãng đường không quá 300 m. Cụ thể, nếu tỷ lệ lực bàn đạp phanh k là 20% thì mô men phanh T cần thiết là khoảng 40 Nm để xe giảm tốc độ xuống vận tốc mong muốn t mà không vượt quá quãng đường 300 m. Tuy nhiên mô men phanh T không được vượt quá giới hạn chịu lực và nhiệt của các chi tiết trong hệ thống phanh. Việc lựa chọn mô men phanh T cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo cả hai tiêu chí là hiệu quả phanh và an toàn cho thiết bị. 2.2. Cơ sở khoa học cho việc tính toán- mô phỏng MRB 2.2.1. Cơ sở lý thuyết về chất lỏng MR Trong các nghiên cứu thực nghiệm, dữ liệu ứng suất cắt so với tốc độ cắt được thu thập để vẽ đường cong nhằm mô tả các đặc tính lưu biến của chất lỏng MR. Các đường cong này thường được chia thành hai chế độ: chế độ trước hiệu suất và chế độ sau hiệu suất. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính lưu biến của chất lỏng MR, có thể được phân loại thành các yếu tố bên trong và bên ngoài. Các yếu tố bên trong bao gồm: kích thước và hình dạng của hạt sắt từ, tỷ lệ hạt sắt từ trong dầu, tính chất của dầu. Các yếu tố bên ngoài bao gồm: cường độ từ trường, tốc độ cắt, nhiệt độ. Khi nghiên cứu đặc tính chất lỏng MR, tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng của chúng mà các nhà khoa học đưa ra các mô hình khác nhau [60] như: Mô hình vĩ mô (Mô hình Bingham, Mô hình Herschel- Bulkley, Mô hình Casson..), mô hình phit ham số, Mô hình phần tử hữu hạn. Nghiên cứu này nhằm mục đích hiểu đầy đủ các hành vi dòng chảy của chất lỏng lưu biến trong phanh quay MR. Nghiên cứu này lựa chọn mô hình Bingham làm mô hình tham số, mô hình phần tử hữu hạn để phù hợp với điều kiện thực tế, cũng như các thế mạnh của cả các mô hình nói trên nhằm đánh giá khách quan và toàn diện hiệu quả hoạt động của kết cấu phanh MRB. 2.2.2. Cơ sở lý thuyết điện từ trường Với các công thức liên hệ trong Flux [57] cường độ từ trường H sinh ra sẽ áp dụng vào công thức trên để tính toán ứng suất cắt cho dầu MR, làm cơ sở tính toán được mômen sinh ra bởi MRF. Trang 12
2.2.3. Đặc tính của dầu từ trường MRF-140CG Trong nghiên cứu về cơ cấu phanh bổ trợ MRB, NCS đã tham khảo lựa chọn mã dầu từ trường MRF-140CG của LORD [58]. Đường đặc tính ứng suất – cường độ từ trường được xây dựng bằng thực nghiệm như Hình 2.15 Hình 2.15 Quan hệ cường độ từ trường - ứng suất chảy của dầu 140CG [58] 2.3. Phương pháp tính toán, ước lượng mômen phanh MRB sinh ra Phanh từ lưu biến mới MRB được đề xuất dựa trên các kết quả nghiên cứu về kết cấu đã đề cập ở phần trên [36,59,72]. Phanh có thiết kế dạng đĩa với 7 răng hình thang. Mômen xoắn phanh được tính toán dựa trên mô hình lưu biến Bingham của MRF. Để tính toán mômen cho kết cấu này, nghiên cứu tham khảo phương pháp tính mô men phanh của kết cấu phanh đĩa tương tự [59]. Cụ thể, tác giả thực hiện tính toán mômen do phanh tạo ra tại vị trí mặt tiếp xúc vuông góc với đường tâm trục quay (vùng E) , mặt nghiêng với đường tâm trục quay (vùng A), mômen tạo ra tại mặt tiếp xúc hình vành khuyên trong của housing và mặt ngoài roto (vùng C), cùng mặt tiếp xúc của ổ bi với trục roto (vùng ổ bi) (Hình 2.20). Mômen tạo ra từ các vùng A (vùng nghiêng) được xác định theo mô hình chất lỏng Bingham. 2 𝑇 𝑎𝑖 = 2𝜋(𝑅2𝑖−1 𝑙 + 𝑅2𝑖−1 𝑙 2 𝑠𝑖𝑛 𝜑 + 1 3 1 Ω 3 (2. 13) 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 𝜑)𝜏 𝑦𝑎𝑖 + 𝜋𝜇 𝑎𝑖 (4𝑙𝑅2𝑖−1 + 3 2 𝑑 2 6𝑅2𝑖−1 l2𝑠𝑖𝑛 𝜑 + 4𝑅2𝑖−1 𝑙 𝑠𝑖𝑛2 𝜑 + 𝑙 4 𝑠𝑖𝑛3 𝜑) 3 (i=1-16) Hình 2.20 Phân tích các khu vực tính toán cụ thể tại lớp MRF 4 𝜋𝜇 𝑒𝑗 𝑅2𝑗−1 4 𝑅 2𝜋𝜏 𝑦𝑒𝑗 3 3 𝑇 𝑒𝑗 = 2𝑑 [1 − ( 𝑅2𝑗−2 ) ] Ω + 3 (𝑅2𝑗−1 − 𝑅2𝑗−2 ) ; j=1-15 2𝑗−1 (2. 14) Mômen tạo ra từ khu vực dầu và ổ bi: 1 Tsf = 0,65(2R s )2 Ω3 (2. 15) Tsf là mômen sinh ra tại vùng dầu ổ bi (Nm), Rs là bán kính trục tại vị trí bắt ổ bi (m). Trang 13
Mômen tạo ra từ vùng C: ΩR d Tc = 2πR2 b(τyc1 + μc1 d ) (2. 16) d Tc là mômen tại khu vực C (Nm), Rd là bán kính đĩa roto ngoài cùng (m), b là chiều rộng răng tại vị trí ngoài cùng (m), 𝜏 𝑦𝑐1 là ứng suất chảy của lớp dầu tại khu vực C (N/m2); d là chiều dày lớp dầu (m). Mômen sinh ra từ phanh MR được xác định theo công thức: T⬚ = 2(Te + Ta ) + Tc + Tsf (2. 17) 2.4. Kết luận chương 2 Chương 2 trình bày cơ sở khoa học của hệ thống phanh sử dụng công nghệ dầu MR, bao gồm phương án lắp đặt MRB, mô hình động lực học phanh xe tải van khi xuống dốc, lựa chọn kết cấu phanh bổ trợ và mô hình Bing Ham để tính toán mô men phanh bổ trợ. Các kết quả nghiên cứu này tạo nền tảng cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phanh MRB cho xe tải van khi xuống dốc trong các chương tiếp theo.. Trang 14
Chương 3. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH DẦU TỪ TRƯỜNG HỖ TRỢ XE XUỐNG DỐC Trong chương III, sau khi thiết kế sơ bộ phanh MR với các thông số hình học, kích thước được tham khảo từ các nghiên cứu về phanh đĩa dạng răng thang của các tác giả đi trươc, tác giả đã mô phỏng, phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường. 3.1. Phân tích đặc điểm kết cấu của MRB 3.1.1. Cấu tạo phanh MRB Hình 3.1 thể hiện cấu tạo chính của phanh MRB dạng đĩa răng thang được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Siemens NX 3D. Cấu tạo chính của MRB được chia làm 2 cụm chính: phần cố định và phần chuyển động quay. Bu lông, đai ốc, vít: Dùng để bắt các chi tiết cố định lại với nhau. Trên cụm cố định, vị trí giữa tấm chặn trong và tấm chặn ngoài được đặt vào 2 cuộn dây dẫn điện. Mỗi cuộn dây được quấn 1000 vòng, có đường kính dây 0,5 mm. Các chi tiết cố định được bắt với nhau bởi bu lông M8, vít M5 theo tiêu chuẩn. Cụm quay bao gồm đĩa quay. Để đảm bảo chuyển động giữa phần quay và phần cố định, trong thiết kế có thêm 2 cụm vòng bi và phớt chắn dầu. Bên ngoài có đĩa chặn để tránh phớt dầu trượt ra khỏi vị trí lắp đặt. Khoảng cách giữa đĩa quay và 2 tấm chặn trong được đổ dầu từ trường. Hình 3. 1 Phanh từ trường bổ trợ 3.1.2. Nguyên lý làm việc của MRB Khi không có cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây, dầu MR ở trạng thái lỏng, phân tán đều trong khoảng cách giữa đĩa quay và tấm chặn trong. Lực cản sinh ra trong trường hợp này chỉ do độ nhớt của dầu MR trong trường không gây ra, không có thành phần lực cản do từ trường sinh ra. Khi có cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường ở khu vực xung quanh cuộn dây theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Từ trường này tác động lên các hạt sắt từ trong dầu MR, làm cho các hạt sắt từ sắp xếp theo hướng của từ trường. Do đó, dầu MR trở nên có độ nhớt cao, tạo thành một màng chắn giữa đĩa quay và tấm chặn trong. Lực ma sát giữa đĩa quay và tấm chặn trong được tạo ra bởi lực cản của màng chắn dầu MR. Lực ma sát này càng lớn khi cường độ từ trường càng lớn. Vì vậy, bằng cách điều khiển cường độ từ trường thông qua cường độ dòng điện cấp cho cuộn dây có thể điều khiển lực ma sát giữa đĩa quay và tấm chặn trong, từ đó điều khiển lực phanh của thiết bị phanh MR. 3.1. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh dầu từ trường 3.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng phanh từ trường Trang 15
Mô hình CAD của phanh được xây dựng dựa trên kết cấu thực tế của phanh. Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng trong bộ giải Altair Flux. Các thông tin thu được từ mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả hoạt động của phanh MR. 3.1.2. Chia lưới mô hình Trong mô hình phanh MRB trong hình dưới, kích thước lưới được lựa chọn là 0.5. Kích thước này được đánh giá là phù hợp với tài nguyên máy tính, độ chính xác mô phỏng và mức độ tiếp xúc giữa các bề mặt khác nhau. Kết quả chia lưới cho thấy tổng số phần tử là 487.157, số lượng nút là 489.96. Trong đó, số lượng phần tử đường thẳng là 48.996, số lượng phần tử bề mặt là 433.402 và số lượng phần tử thể tích là 290.9637. Số lượng phần tử cần được xác định dựa trên kích thước lưới, độ phức tạp của mô hình và yêu cầu độ chính xác của mô phỏng. Trong trường hợp này, số lượng phần tử là 487.157 là phù hợp với kích thước lưới 0.5 và yêu cầu độ chính xác mô phỏng. Phần tử có chất lượng tốt là phần tử có kích thước phù hợp với kích thước lưới và không có các góc nhọn, góc tù. Kết quả chia lưới cho thấy chất lượng phần tử được đánh giá là tốt với tỷ lệ 98,59%, trung bình với tỷ lệ 1,1% và thấp với tỷ lệ 0,01%. Tỷ lệ phần tử có chất lượng tốt cao cho thấy lưới được chia hợp lý và đảm bảo độ chính xác của mô phỏng. 3.1.3. Vật liệu Việc lựa chọn vật liệu khi mô phỏng phanh từ trường cần xem xét các yếu tố như: khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của phanh: độ từ thẩm, độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt,...Các vật liệu sử dụng nên lựa chọn là loại dễ kiếm, tích hợp sẵn trong thư viện (nếu có). Chọn vật liệu chính sử dụng trong mô phỏng phanh từ trường là: Cuộn dây: Đồng; lõi từ: Thép có từ tính C45; dầu từ trường: MRF-140CG. 3.1.4. Thiết lập cuộn dây Cuộn dây là thành phần quan trọng nhất của phanh dầu MR, chịu trách nhiệm tạo ra từ trường. Do đó, việc thiết lập cuộn dây chính xác là rất quan trọng để đảm bảo mô phỏng phanh dầu MR chính xác. Các bước thiết lập cuộn dây khi đưa vào mô phỏng phanh dầu MR được thực hiện như sau: Xác định kích thước cuộn dây, ác định vật liệu cuộn dây, thiết lập hình dạng cuộn dây, thiết lập hướng cường độ dòng điện. 3.1.1. Điều kiện biên Các mặt ngoài của phanh được coi là cố định. Các hốc chứa cuộn dây được ràng buộc để không bị dịch chuyển. Nhiệt độ của các thành phần của phanh được xác định bằng cách sử dụng các quy luật truyền nhiệt. Dòng điện cấp cho phanh 0-3A, câp chiều ngược nhau cho mỗi cuộn dây. 3.2. Phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường 3.2.1. Cường độ từ trường H Hình 3.7 mô tả cường độ từ trường sinh ra, cảm ứng từ và đường sức từ của mô hình phanh dầu MR khi cường độ dòng điện cấp cho phanh là 3A, cụ thể: Cường độ từ trường tại vùng giữa các cuộn dây là lớn nhất, đạt giá trị cực đại 63kA/m; cường độ từ trường tại vùng xung quanh các cuộn dây giảm dần khi ra xa các cuộn dây; cường độ từ trường tại vùng bên ngoài phanh rất nhỏ. 3.2.2. Cảm ứng từ B Hình 3.10 mô tả cảm ứng từ B của mô hình phanh dầu MR khi cường độ cường độ dòng điện cấp cho phanh là 3A. Cảm ứng từ B trên đĩa phanh MR là một yếu tố quan trọng quyết định mômen phanh sinh ra bởi đĩa phanh MR. Để tăng mômen phanh, cần tăng cường độ cảm ứng từ B Trang 16
trên đĩa phanh MR. Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây, tăng số lượng cuộn dây, tăng kích thước cuộn dây hoặc giảm độ dày dầu MR. Hình 3. 7 Cường độ từ trường sinh ra khi Hình 3. 10 Cảm ứng từ B của phanh từ trường. cường độ dòng điện I=3A 3.2.3. Mômen phanh MRB tính toán theo mô phỏng Để đơn giản trong việc phân tích và tính toán lực, mômen do MRF tạo ra thì các giả thiết như: Dòng lưu chất không bị nén và chuyển động ổn định theo lớp; bỏ qua tác dụng của trọng lực và lực ly tâm của phần tử MRF; vận tốc hướng tâm, hướng kính bằng không; lưu chất được xem như tiếp xúc hoàn toàn với đĩa và không bị trượt. Do khe lưu chất được khảo sát rất nhỏ nên khe lưu chất được xem như chảy dẻo hoàn toàn, không tồn tại vùng rắn và bỏ qua chuyển động dọc trục. Mômen phanh được tính toán dựa vào cường độ từ trường của mô phỏng và các kích thước của mô hình phanh từ trường. Công thức tính mômen được đưa ra ở phần tính toán lý thuyết theo mô hình Bing ham khi bỏ qua ma sát của ổ bi như sau [59]: 𝑇∑ = 2(𝑇 𝑒 + 𝑇 𝑎 ) + 𝑇 𝑐 (3. 1) Te: Tổng mômen phanh ở lớp dầu nằm vuông góc với trục roto; Ta: Tổng mômen phanh ở lớp dầu nằm nghiêng; Tc: Mômen phanh lớp dầu ngoài cùng đã được tính toán lý thuyết ở chương 2 (Hình 3.11). Khe hở giữa roto và stato của mỗi kiểu phanh được lấy là 1mm, số vòng quay khảo sát của đĩa phanh MR được thay đổi trong phạm vi 0-2500 v/ph khi cường độ cấp cho phanh thay đổi từ 0-3A. Độ nhớt ban đầu của dầu từ trường MRF-140CG được lấy là 0,36 Pa.s [58]. Hình 3. 11 Các vùng dầu trên đĩa phanh Trang 17