nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô

vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3D Three Dimensional-Không gian 3 chiều BDW Brake Disk Wiping –Hệ thống loại bỏ nước bắn ra từ đĩa phanh bằng ER Electro Rheological- Chất lỏng điện di FEA

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Thực trạng ô tô khi di chuyển trên đường đèo dốc tại Việt Nam

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 Bên cạnh đó còn do kỹ năng lái xe của người điều khiển phương tiện yếu kém, đặc biệt là lái xe mới, ít kinh nghiệm khi đi đường đồi núi Về mặt kĩ thuật phương tiện, hệ thống phanh của một số dòng xe chở hàng còn yếu kém, không đảm bảo an toàn khi xuống dốc 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 về đường xá ở 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 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 % [2]

Bảng 1.1 Độ dốc dọc lớn nhất của các cấp thiết kế của đường [2]

Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng bằng Đồng bằng Đồng bằng, đồi

Núi Đồng bằng, đồi Núi Đồng bằng, đồi Núi Đồng bằng, đồi Núi Độ dốc dọc lớn nhất (%) 3 4 5 7 6 8 7 10 9 11

Vận tốc lưu hành cho phép lưu hành của xe trên đường phụ thuộc tình trạng thực tế của đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thông, ) Vận tốc thiết kế các cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, được qui định trong Bảng 1.2 Theo đó, chiều dài đoạn có dốc dọc không được quá dài, giá trị của nó được tham khảo trong bảng 1.3

Bảng 1.2 Vận tốc thiết kế của các cấp đường [2]

Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng bằng Đồng bằng Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Vận tốc thiết kế, v tk , km/h 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20

Bảng 1.3 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m) [2] Độ dốc dọc, %

Vận tốc thiết kế, v tk , km/h

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

3 bổ trợ ngoài hệ thống phanh chính của xe nhằm nâng cao tính an toàn, độ tin cậy khi xe di chuyển trên dốc.

Các hệ thống phanh bổ trợ trên ô tô

Hệ thống phanh bổ trợ là tập hợp các thiết bị trên ô tô hỗ trợ người lái giảm tốc hoặc giữ tốc độ trên các dốc dài, đặc biệt ở các xe hạng nặng thường xuyên xuống dốc để đảm bảo độ an toàn Nhờ đó, hệ thống này giúp kiểm soát tốc độ, tránh quá nhiệt và giảm mài mòn má phanh do phải hoạt động liên tục.

Bảng 1.4 thể hiện các phương pháp phanh bổ trợ khác nhau Tùy thuộc vào công nghệ và nhu cầu sử dụng cụ thể mà các nhà sản xuất sẽ triển khai lắp đặt và sử dụng các loại phanh bổ trợ khác nhau

Bảng 1.4 Thuật ngữ và định nghĩa về hệ thống phanh bổ trợ [6]

Loại thiết bị điều khiển dùng trong hệ thống phanh bổ trợ

Thiết bị điều khiển độc lập

Thiết bị điều khiển hệ thống phanh bổ trợ hoạt động độc lập với hệ thống phanh chính

Thiết bị điều khiển tích hợp

Thiết bị giúp hệ thống phanh bổ trợ làm việc đồng thời với hệ thống phanh chính để thực hiện hoạt động theo từng giai đoạn thích hợp

Thiết bị kiểm soát vận tốc xe

Thiết bị cho phép vận tốc xe gần như không đổi bằng cách 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 chuyển đổi năng lượng được dùng để cung cấp lực phanh với mục đích kiểm soát tốc độ của xe theo cách độc lập hoặc hỗ trợ thêm cho hệ thống phanh chính.

Các loại thiết bị hãm

Thiết bị hãm chính Thành phần giảm tốc nằm trên hệ thống truyền lực của ô tô ở 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 dụng chất làm chậm từ động cơ đốt trong

Thiết bị giúp tạo lực cản do động cơ khi giảm lượng nhiên liệu đầu vào và điều tiết nguồn cung cấp không khí cảm ứng trong khi động cơ được nối với các bánh dẫn động

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 động cơ điện

Thiết bị trong đó sử dụng điện, liên kết với các bánh dẫn động, tạo ra tác dụng làm chậm lại phương tiện đang chuyển động, ví dụ, bằng cách hoạt động như một máy

Thiết bị hãm thủy lực

Thiết bị hãm (giảm tốc) trong đó tác dụng làm chậm đạt được do tác động của chất lỏng lên các bộ phận quay/bơm được liên kết với một hoặc nhiều bánh xe

Thiết bị hãm thủy động lực

Thiết bị hãm thủy lực trong đó sự hấp thụ năng lượng dựa trên nguyên lý động năng riêng của chất lỏng

Thiết bị hãm thủy tĩnh

Thiết bị hãm thủy lực trong đó sự hấp thụ năng lượng dựa 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 châm vĩnh cửu

Thiết bị hãm sử dụng tác động của từ trường vĩnh cửu lên một 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

Thiết bị tạo lực hãm bằng cách làm tăng lực cản không khí, ví dụ sử dụng các bề mặt có thể di chuyển được

Phanh động cơ là một dạng phanh sử dụng lực cản của động cơ để làm chậm xe Cách thức hoạt động được thực hiện như sau:

✓ Giảm lượng nhiên liệu đầu vào: Khi phanh động cơ được kích hoạt, lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ sẽ giảm Điều này làm giảm công suất động cơ và tạo ra lực cản, giúp xe giảm tốc

✓ Điều tiết nguồn cung cấp không khí: Cùng với việc giảm nhiên liệu, lượng khí nạp vào động cơ cũng được điều chỉnh Khí nén trong buồng đốt sẽ hoạt động như một lò xo tích trữ năng lượng, góp phần giảm vận tốc xe Ưu điểm của phanh động cơ về mặt hiệu quả phanh giúp tạo ra lực phanh lớn, qua đó giảm tải cho hệ thống phanh chính và tiết kiệm nhiên liệu Bên cạnh đó, phanh bằng động cơ có độ bền cao do ít có sự hao mòn như phanh cơ học Tuy nhiên, nhược điểm chủ yếu của phanh động cơ là tạo ra tiếng ồn lớn, đặc biệt khi sử dụng ở vận tốc cao Ngoài ra, khí nén trong buồng đốt có thể trả lại một phần năng lượng cho động cơ, làm giảm hiệu quả phanh

Phanh khí xả thường được sử dụng để hỗ trợ phanh chính, đặc biệt trên xe tải hạng nặng Loại phanh này hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo áp suất ngược trong ống xả, giúp làm giảm vận tốc xe Hoạt động của phanh khí xả gồm các giai đoạn chính như sau:

✓ Đóng đường dẫn khí thải: Khi phanh khí xả được kích hoạt, van bướm trong ống xả sẽ đóng lại, ngăn chặn khí thải thoát ra ngoài

✓ Tạo áp suất ngược: Việc đóng van bướm khiến khí thải bị dồn nén trong ống xả, tạo ra áp suất ngược

✓ Làm chậm xe: Áp suất ngược này tác động lên piston, khiến động cơ hoạt động ngược lại, tạo ra lực hãm giúp giảm vận tốc xe Ưu điểm chính của phanh khí xả là ít gây tiếng ồn, hoạt động êm ái hơn so với phanh động cơ Ngoài ra loại phanh này có thể làm giảm vận tốc xe hiệu quả, đặc biệt khi đi xuống dốc Dù vậy, phanh khí xả thường có hiệu quả thấp hơn phanh động cơ Việc sử dụng phanh khí xả có thể làm giảm công suất động cơ từ 30% đến 70%

1.2.3 Thiết bị hãm thủy lực

Thiết bị này là một loại phanh phụ thường được sử dụng trên xe tải hạng nặng, đặc biệt là xe tải Châu Âu và một số xe tải Nhật Bản Loại phanh này hoạt động dựa trên hệ thống thủy lực để tạo ra lực hãm, giúp làm chậm xe khi đi xuống dốc dài hoặc khi xe có tải trọng cao Hoạt động của thiết bị này gồm:

✓ Hệ thống thủy lực: bao gồm bơm, bình chứa, một bộ van và một hoặc nhiều xi lanh phanh

✓ Tạo lực hãm: Bơm sẽ hút chất lỏng thủy lực từ bình chứa và đẩy vào xi lanh phanh Khi chất lỏng thủy lực đi vào xi lanh phanh, nó sẽ tác động lên piston, tạo ra lực hãm

✓ Truyền lực hãm: Lực hãm được truyền từ piston đến bánh xe thông qua các thanh truyền, giúp làm giảm vận tốc xe

6 Thiết bị hãm thủy lực có ưu điểm là có thể cung cấp lực hãm rất cao, giúp giảm vận tốc xe một cách hiệu quả Ngoài ra, hiệu quả của thiết bị này không phụ thuộc vào vận tốc động cơ mà phụ thuộc vào vận tốc xe, giúp kiểm soát vận tốc tốt hơn trên dốc Bên cạnh đó loại phanh này giúp đảm bảo an toàn khi di chuyển trên những đoạn đường dốc dài với độ dốc lớn

Nhược điểm đáng kể của phanh thủy lực nằm ở mức chi phí cao hơn so với các tùy chọn phanh phụ khác, đồng thời cần tiến hành bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất tối ưu Hãm thủy lực thường được trang bị trên xe tải hạng nặng, chủ yếu là các dòng xe của châu Âu và một số hãng xe Nhật Bản Ngoài ra, loại phanh này cũng được áp dụng trên các phương tiện có tổng trọng lượng kết hợp (GCM) cao, trong trường hợp chúng không được tích hợp sẵn hệ thống phanh động cơ hiệu suất cao.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu về phanh bổ trợ

Các nghiên cứu toàn diện về phanh bổ trợ được sự hậu thuẫn của các tổ chức nổi tiếng như Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA), Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE) và Viện Nghiên cứu An toàn Đường cao tốc của Đại học Michigan (UMTRI).

✓ Các nghiên cứu của Austroads

9 Năm 2010, Austroads đã xuất bản báo cáo AP-R362/10 [9] để điều tra về sự an toàn của xe hạng nặng trên đường rất dài và dốc Báo cáo đề xuất tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu và thử nghiệm phương tiện để xác định chiến lược phù hợp nhất nhằm giải quyết vấn đề an toàn cho phương tiện hạng nặng khi xuống dốc dài Các đánh giá của Austroads được thực hiện nhằm nâng cao nhận thức tốt hơn về hệ thống phanh bổ trợ, hành vi của người lái xe, hướng dẫn vận hành và giới hạn vận tốc thích hợp cho các phương tiện hạng nặng trên những đoạn đường dốc rất dài

✓ Các nghiên cứu của FHWA

Mục tiêu của các nghiên cứu của FHWA là giảm khả năng xe tải trôi dốc khi xuống dốc bằng cách đưa ra các biện pháp khắc phục Theo nghiên cứu của Allen và cộng sự (2000) [10], phanh động cơ được sử dụng chủ yếu để giảm vận tốc của xe, sau đó bổ sung lực phanh bổ trợ để duy trì vận tốc không đổi Lực phanh sinh ra có liên quan trực tiếp đến một số yếu tố, bao gồm trọng lượng của xe tải, vận tốc đã chọn, độ dốc và chiều dài quãng đường phanh FHWA đã phát triển hai hệ thống để cải thiện khả năng an toàn của xe tải khi xuống dốc Đầu tiên phải kể tới là hệ thống đánh giá mức độ nghiêm trọng (GSRS): Hệ thống này tập trung vào nhiệt độ phanh và mối tương quan của nó với việc xe tải trôi dốc GSRS đề xuất triển khai các Dấu hiệu cụ thể về trọng lượng (WSS) để cung cấp thông tin cho người lái xe Tuy nhiên, GSRS chưa bao giờ được triển khai trên thực tế Tiếp theo là mô hình thiết kế an toàn đường cao tốc tương tác – Phân tích động lực phương tiện phi tuyến tính (IHSDM- VDANL): Hệ thống này tiếp tục phát triển phương pháp GSRS và triển khai nó thành các mô hình tự động Tuy nhiên, IHSDM-VDANL vẫn yêu cầu các nghiên cứu sâu hơn để nâng cao tính chính xác của mô hình

✓ Các nghiên cứu của UMTRI

Phân tích của UMTRI đưa ra cái nhìn tổng quan về lợi ích của các biện pháp giảm tốc khi xuống dốc, bao gồm tăng hiệu suất vận chuyển, tiết kiệm chi phí bảo trì và cải thiện an toàn bằng cách giảm nguy cơ xảy ra tai nạn do trôi dốc.

✓ Các nghiên cứu của SAE

10 Năm 2006, SAE công bố hai bài báo liên quan đến phanh tang trống của xe hạng nặng [11, 12], trong đó tiến hành so sánh bốn mô hình phanh làm mát tự do và cưỡng bức, bao gồm các mô hình GSRS và UMTRI Điều này được thực hiện để xác định mối tương quan giữa từng mô hình và độ tin cậy của chúng, và đánh giá ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến nhiệt độ trống phanh

✓ Quy trình thử hệ thống phanh bổ trợ của xe cơ giới theo ISO-12161 [5]

Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp thử hệ thống phanh bổ trợ của xe thuộc loại M, N và O (trừ M1, N1, O1 và O2) được thiết kế tuân thủ theo quy chuẩn ECE-R 13/09 [4] Tất cả các quy trình kiểm tra (kiểm tra loại II- kiểm tra khi xe xuống dốc) đều dựa trên nguyên tắc hấp thụ năng lượng tương đương (Wequ), cho phép các thông số thử nghiệm cơ bản (vận tốc, độ dốc, khối lượng xe…) được điều chỉnh phù hợp với những thay đổi xảy ra trong điều kiện thực tế so với giá trị lý thuyết Năng lượng tiêu tán (Wdiss, lượng năng lượng tiêu hao do phanh) của một xe hoặc một tổ hợp xe được xác định như sau:

Trong đó, Wpot là thế năng khi phanh xe có khối lượng (m) xuống dốc; Wpot m.g.Δh; Wrr là năng lượng tiêu tán do lực cản lăn khi phanh; Wrr = m.g (Δh 0.01)/tanα

Theo tiêu chuẩn ISO-12161, khi thử xuống dốc, năng lượng tiêu tán của xe phải tương ứng với năng lượng tiêu tan khi xe chạy 6 km trên đường có độ dốc 6% với vận tốc 30 km/h Tiêu chuẩn này đưa ra yêu cầu về năng lượng tiêu tán là Wequ = Wdiss = f (tanα=6%, l =6 km) Bài kiểm tra có thể tiến hành trên các đoạn đường có độ dốc và chiều dài tùy ý, miễn đáp ứng yêu cầu trên Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống phanh chính, phanh phụ và phanh đỗ không được kích hoạt Xe phải được về số để tốc độ động cơ không vượt quá giá trị do nhà sản xuất định mức.

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn TCVN 5659: 1999 có đưa ra khái niệm phanh bổ trợ và các giá trị cho phép của các tiêu chí khi thử phanh bổ trợ trên đường như vận tốc thử và gia tốc chậm dần của xe

Như vậy, các nghiên cứu về phanh bổ trợ cung cấp nhiều thông tin quan trọng về tác động của phanh bổ trợ đến an toàn của xe tải hạng nặng khi xuống dốc dài Tuy nhiên, cần có nghiên cứu để nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các hệ thống này trên các xe tải nhẹ (loại N), đi xuống dốc nhằm phù hợp với thực tế sử dụng xe tại Việt Nam

1.3.2 Các nghiên cứu chính về dầu MR và các ứng dụng

Chất lỏng từ lưu biến (MRF) được Rabinow phát minh vào năm 1948 [13], là một loại vật liệu thông minh có các đặc tính lưu biến độc đáo MRF về cơ bản là vật liệu tổng hợp hai pha bao gồm các hạt rắn có khả năng phân cực từ tính lơ lửng trong môi trường không từ tính Khi không có từ trường, chúng hoạt động giống như chất lỏng Newton có độ nhớt thấp (từ 0,1 đến 1,0 Pa.s) [14] Khi từ trường được áp dụng, MRF có sự chuyển đổi nhanh chóng và thuận nghịch từ trạng thái chảy tự do sang trạng thái rắn thông qua sự thay đổi độ nhớt Ngoài chất lỏng MR, còn có nhiều loại vật liệu MR, chẳng hạn như chất đàn hồi MR, chất dẻo, bọt, gel polymer và mỡ bôi trơn, cũng bao gồm pha rắn có thể từ hóa được phân tán trong một môi trường không có từ tính Trên thực tế, chất lỏng MR chính là vật liệu MR được ứng dụng đầu tiên và phổ biến nhất do hiệu suất lưu biến cao và quy trình thử nghiệm dễ dàng [15] Những vật liệu MR được phát triển sau này vẫn đang trong giai đoạn phát triển và các nghiên cứu liên quan cũng như ứng dụng thực tế tương đối ít hơn so với chất lỏng

MR Điều đáng chú ý là một số lý thuyết và mô hình ban đầu được đề xuất cho chất lỏng MR đã được áp dụng thành công cho các vật liệu MR được phát triển sau này [16–18] Do đó, các nghiên cứu về chất lỏng MR không chỉ thúc đẩy sự phát triển

12 của công nghệ chất lỏng MR mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của các loại vật liệu MR khác

Hình 1.3 Các nghiên cứu về chất lỏng MR [15]

Ngoài phạm vi độ nhớt có thể điều chỉnh rộng, chất lỏng MR còn có nhiều đặc tính khác như: độ ổn định lắng đọng, độ nhớt trường không thấp, phản ứng nhanh và không nhạy cảm với nhiệt độ vận hành Những ưu điểm này giúp chất lỏng MR được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như van điều tiết MR trong kỹ thuật dân dụng [19,20], ly hợp MR trong kỹ thuật cơ khí [21,22], hệ thống càng đáp dựa trên van điều tiết MR trong hàng không vũ trụ [23-25], phanh MR cho ứng dụng đầu gối giả trong lĩnh vực y tế [26,27] Hình 1.3 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)

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,

Mô hình cấu thành của chất lỏng MR

Nghiên cứu dựa trên chất lỏng MR

13 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]

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến phanh dầu từ trường

Sự phát triển của công nghệ trong những năm gần đây, đặc biệt là bộ vi xử lý, cảm biến, thiết bị điện tử và vận tốc xử lý, đã mở ra khả năng điều khiển trong thời gian thực cho các hệ thống thông minh sử dụng thiết bị MR Một ứng dụng tiềm năng của công nghệ này là hệ thống phanh trên ô tô, hay còn gọi là phanh MRB Các nghiên cứu về phanh MR trên ô tô hiện nay tập trung vào các vấn đề chính 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;

✓ Nghiên cứu phương pháp hạn chế mômen nhớt trường không nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng khi chưa kích hoạt hệ thống phanh MRB;

✓ 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

Bảng 1.5 Các thành tựu thiết kế phanh MRB cho ô tô

Công bố Mô hình toán Số vòng dây (N C )

Nguyen, 2010 [56] Herschel-Bulkley 490 MRF-132DG 1230 56.8

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.

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] Ngoài ra, 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

1.5.2 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 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.

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 Thiết bị 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) đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ hệ thống phanh chính, đặc biệt khi xe di chuyển xuống dốc MRB hoạt động độc lập, cung cấp mô-men phanh nhằm giảm tải cho hệ thống phanh chính, giúp duy trì vận tốc theo mong muốn của người lái khi xuống dốc.

Bố cục và nội dung của luận án

Các nội dung chính của luận án được bố cục thành 4 chương:

• Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

24 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 dạng phanh bổ trợ trên ô tô Bên cạnh đó, Luận án cũng đã tổng hợp các hướng nghiên cứu liên quan đến dầu từ trường nói chung và phanh dầu từ trường nói riêng Những điểm mạnh và hạn chế khi làm việc của phanh MRB, đặc biệt là khả năng áp dụng lên ô tô cũng đã được tác giả tổng hợp từ những nghiên cứu đi trước

Từ đó, xác định mục tiêu nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề thực tế ở Việt Nam Phương pháp nghiên cứu được chọn phù hợp với đặc điểm đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu được xây dựng chặt chẽ, bám sát thực tế, đảm bảo tính toàn diện và khả thi trong quá trình thực hiện.

• Chương 2: Cơ sở khoa học của hệ thống phanh bổ trợ sử dụng công nghệ dầu từ trường

Chương này trình bày 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 Bên cạnh đó, mô hình chất lỏng để đưa vào tính toán lý thuyết mômen phanh MRB sinh ra cũng được trình bày và tính toán bằng phương pháp mô phỏng số bởi các phần mềm chuyên dụng

• Chương 3: Mô phỏng, phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ xe xuống dốc

Chương này tiến hành mô phỏng, phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ xe xuống dốc bằng phần mềm Altaire-Flux kết hợp tính toán số bằng Matlab Các thông số mô phỏng được xác định dựa trên kết quả nghiên cứu của các chương trước Kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ, tiến tới thiết kế chế tạo thử nghiệm Việc tiến hành các khảo sát về nhiệt và mômen nhớt ở trạng thái chưa cấp dòng được thực hiện nhằm đánh giá khả năng áp dụng MRB lên xe thực tế khi đi xuống dốc Thông qua kết quả bài toán khảo sát nhiệt và đặc tính mômen sinh ra của kết cấu MRB lựa chọn, nghiên cứu cũng đưa ra các giải pháp làm mát cho MRB khi bị quá nhiệt, cũng như đề xuất ý tưởng về cơ cấu, phương án điều khiển hoạt động của MRB nhằm hạn chế sự ảnh hưởng của mômen nhớt trường không khi chưa kích hoạt phanh này

• 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 tính hợp lý của mô hình mô phỏng cơ cấu phanh MRB.

Kết luận chương 1

Chương 1 của luận án đã phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống phanh bổ trợ của ô tô nói chung và phanh dầu từ trường nói riêng, từ đó xác định mục tiêu, phương pháp và giới hạn của luận án là nghiên cứu thiết kế và chế tạo phanh bổ trợ dầu từ trường MRB bổ trợ ứng dụng trên xe tải Van Để đạt được mục tiêu này, luận án tiến hành kết hợp cả phương pháp lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết điện từ trường được sử dụng để phân tích nguyên lý hoạt động của phanh MRB, xác định đặc tính mômen phanh dầu từ trường sinh ra Các đặc tính mômen phanh của các kết cấu MRB cụ thể trong các điều kiện vận hành khác nhau được xác định bằng phương pháp mô phỏng và tính toán số, định hướng cho phần thiết kế chế tạo mẫu thử Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tính toán Các kết quả nghiên cứu cụ thể sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA HỆ THỐNG

PHANH BỔ TRỢ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DẦU

Chương trình bày các kiến thức lý thuyết cơ bản về dầu từ trường MÔN và phanh dầu từ trường (MRB) Trong nghiên cứu này, mômen phanh bổ trợ cần thiết cho phanh MRB lắp trên xe tải Van khi xuống dốc được tính toán dựa trên mô hình động lực học ô tô khi phanh xuống dốc Các nghiên cứu lý thuyết sẽ được xây dựng trên mô hình phanh dầu từ trường, dựa trên các đặc tính vật lý của dầu MR và mối quan hệ toán học giữa điện trường, từ trường và dòng điện.

Cơ sở khoa học xác định mômen 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 Mô hình cơ cấu phanh được đo đạc dựa trên các kích thước và tham khảo các thông số hoạt động theo điều kiện vận hành thực tế của xe Để đảm bảo không làm ảnh hưởng đến kết cấu nguyên bản của xe, cần cân nhắc phương án bố trí phanh từ trường Một số phương án bố trí phanh được đưa ra, đó là:

✓ Phương án 1: Lắp phanh từ trường đồng thời với hệ thống phanh truyền thống Phương án này cần không gian lắp đặt đủ lớn ở bánh xe, do đó không khả thi

Giải pháp thay thế phanh truyền thống bằng phanh từ trường cũng không khả thi do phanh từ trường hiện tại vẫn chưa tạo ra mô men lực đủ mạnh để thay thế phanh truyền thống.

✓ Phương án 3: Lắp phanh từ trường vào hệ thống truyền lực Phương án này nhằm hạn chế dòng truyền lực từ động cơ dẫn đến bánh xe, tập trung vào nhiệm vụ hỗ trợ xe xuống dốc

Tuy nhiên, khi bố trí phanh từ trường trên hệ thống truyền lực như ở phương án 3, vấn đề đặt ra liên quan đến các-đăng Khi quay, các-đăng sẽ thay đổi chiều dài dẫn đến chuyển động tịnh tiến vào đầu ra hộp số Điều này sẽ gây khó khăn cho việc bố trí phanh từ trường vì phải đảm bảo động học quay các- đăng Tuy vậy, phương án này có một số ưu điểm như:

• Ưu điểm về khả năng tản nhiệt: Phương án này giúp cải thiện khả năng tản nhiệt cho phanh MR, do phanh MR được đặt ở phía trước vỏ cầu chủ động, nơi có dòng khí lưu thông tốt hơn

Ưu điểm về khả năng bảo dưỡng là một lợi thế đáng kể của phanh MR Vị trí dễ tiếp cận của hệ thống phanh này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bảo trì, giúp việc chăm sóc và bảo dưỡng thường xuyên trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Hình 2.1 Mô hình phanh khi lắp lên xe

28 Phanh từ trường được ghép nối giữa các- đăng và vỏ cầu chủ động, tại vị trí lắp có các bích nối Trong kết cấu lắp ghép này có thêm một giá đỡ bắt bulong với vỏ cầu chủ động và phanh từ trường Mục đích của giá đỡ này là để đảm bảo cho phanh từ trường tránh bị rung lắc gây lệch trục khi xe di chuyển trên đường

Phương án bố trí phanh từ trường ở sau các- đăng, trước vỏ cầu chủ động là một phương án hiệu quả cho việc bố trí phanh từ trường trên hệ thống truyền lực đã được NCS lựa chọn làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình động lực học quá trình phanh xe

2.1.2 Xây dựng mô hình động lực học quá trình phanh xe tải van khi xuống dốc

Hình 2.2 Các lực và mômen tác động lên xe tải van khi xuống dốc và phanh

Hình 2.2 thể hiện mô hình động lực học phương dọc của xe tải van khi xuống dốc và phanh Giả thiết xe đối xứng quanh mặt phẳng dọc Ngoài ra, mô hình được xây dựng với một số giả thiết khác như: khi phanh ly hợp mở hoàn toàn và bỏ qua mômen quán tính của các chi tiết quay trong hệ thống truyền lực (khi đó lực kéo tiếp tuyến Pk = 0), bỏ qua hiện tượng trượt của bánh xe với mặt đường, khoảng cách từ

29 điểm đặt của lực cản không khí tới mặt đường bằng chiều cao trọng tâm thân xe 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);

- 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)

Trong trường hợp xe tải van đang xuống dốc và phanh, lực đẩy của động cơ sẽ bị triệt tiêu bởi lực cản lăn, lực cản gió và lực phanh Do đó, tổng lực cản tác dụng lên xe theo phương dọc là lực cản lăn, lực cản gió và lực phanh Lực tổng cộng này có xu hướng làm giảm vận tốc của xe

Trong nghiên cứu này, phương án lắp đặt cơ cấu phanh bổ trợ được đưa ra với vị trí sau đăng và trước cầu chủ động Khi đó, lực phanh F b do mômen phanh bổ trợ T cung cấp dẫn tới bánh xe sau sẽ bằng:

Với i 0 : tỉ số truyền của truyền lực chính; r b : bán kính tính toán của bánh xe phía sau (m)

30 Gọi F p 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 (F p1 ), các bánh xe sau (F p2 ), cùng với lực phanh bổ trợ quy đổi về các bánh xe sau (F b ), khi đó:

Phương trình cân bằng lực theo phương dọc x của xe (Hình 2.2) được xác định như sau:

Gọi F f 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:

Lực (cản) dốc F  được tính như sau:

Lực cản không khí F w theo phương chính diện được xác định:

Như vậy, phương trình cân bằng lực theo phương dọc x của xe (công thức 2.3) được viết lại là:

- ρ: Mật độ không khí (kg/m 3 );

- C D : Hệ số cản khí động của xe;

- A: Diện tích cản chính diện của xe (m 2 );

- x, 𝑥̇, 𝑥̈ lần lượt là quãng đường, vận tốc và gia tốc của xe theo phương dọc x

Cơ sở khoa học cho việc tính toán- mô phỏng MRB

2.2.1 Cơ sở lý thuyết về chất lỏng MR

Hình 2.9 Sơ đồ đường cong dòng chảy của chất lỏng MR [15]

Dầu MR là chất lỏng hai pha, trong đó các hạt sắt từ được phân tán trong dầu Tính chất lưu biến của dầu MR là một trong những tính chất quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng thực tế của chúng Ứ ng su ất ch ảy trước biến dạng sau biến dạng Điểm chảy tĩnh Điểm chảy động

Tái cấu trúc meso Dữ liệu thực nghiệm

Trong nghiên cứu thực nghiệm, để mô tả đặc tính lưu biến của chất lỏng MR, người ta thu thập dữ liệu ứng suất chảy theo vận tốc cắt và vẽ thành đường cong Đường cong này được chia thành hai chế độ: chế độ trước biến dạng và chế độ sau biến dạng Những đường cong này giúp định lượng đặc tính lưu biến của chất lỏng MR.

MR, ứng suất chảy và độ nhớt được đo thông qua các phép thử dao động hoặc cắt ổn định Có hai loại ứng suất chảy đối với chất lỏng MR: ứng suất chảy tĩnh và ứng suất chảy động Ứng suất chảy tĩnh là ứng suất tối thiểu cần thiết để bắt đầu huyền phù chảy Ứng suất chảy động là ứng suất tới hạn liên quan đến việc hạt tổng hợp hoàn toàn trong chất lỏng MR dưới dòng chảy cắt liên tục (Hình 2.9)

Hình 2.10 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả phanh MR [15]

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 (Hình 2.10)

• 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;

Dòng chảy cắt dòng chảy cắt

Hạt từ Độ nhớt của chất lỏng mang

Phụ gia Yếu tố nội tại

Shap Hình dạng: e Sợi, Vảy, gậy…

Hiệu ứng MR Tốc độ cắt

Trạng thái cắt Nén Nhiệt độ

Từ trường Điều kiện biên

Ma sát bề mặt nhám

Hiệu ứng MRCác yếu tố bên ngoài

• Các yếu tố bên ngoài bao gồm: Cường độ từ trường, vận tốc cắt, nhiệt độ

Sự phụ thuộc lẫn nhau của các yếu tố ảnh hưởng này rất phức tạp nhưng lại quan trọng trong việc thiết lập các phương pháp cải thiện hiệu suất của chất lỏng MR cho các ứng dụng thực tế (Hình 2.10) Thông tin chi tiết hơn có thể được truy cập trong Bảng 2 ở phụ lục 2D

2.2.1.1 Mô hình chất lỏng MR

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 hình 2.11 a) Mô hình vĩ mô

Các mô hình vĩ mô là những mô hình dựa trên dữ liệu mô tả hành vi dòng chảy của các chất lưu biến dạng Loại mô hình này có hai phân loại chính:

Các mô hình tham số mô tả mối quan hệ giữa ứng suất cắt và vận tốc cắt bằng các hàm toán học, mang lại tính đơn giản và độ chính xác cao.

✓ Các mô hình phi tham số: Các mô hình này không sử dụng các hàm toán học để mô tả mối quan hệ giữa ứng suất cắt và vận tốc cắt Các mô hình phi tham số thường được sử dụng khi dữ liệu thực nghiệm là hạn chế hoặc khi cần mô tả các hành vi dòng chảy phức tạp

Các mô hình tham số vĩ mô đã được sử dụng rộng rãi để mô tả lưu biến chất lỏng MR Trong số các mô hình tham số, mô hình Bingham là mô hình đơn giản nhất [61] Mô hình Bingham mô tả chất lỏng lưu biến ở vận tốc cắt thấp Trong mô hình này, ứng suất cắt được xác định bởi phương trình sau:

Trong đó τ là ứng suất cắt tổng, τy là ứng suất cắt lưu biến phụ thuộc vào từ trường H, 𝛾̇ là vận tốc cắt và η là độ nhớt (không phụ thuộc vào từ trường)

Trong mô hình Bingham cổ điển, độ nhớt của chất lỏng từ trường (MR) được coi là không đổi, đây là giả định hợp lý khi chất lỏng MR chảy với vận tốc cắt thấp Tuy nhiên, khi vận tốc cắt tăng lên, độ nhớt biểu kiến của chất lỏng MR giảm, điều này không được tính đến trong mô hình Bingham cổ điển.

43 các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ nhớt của chất lỏng MR có xu hướng giảm khi vận tốc cắt tăng ở vận tốc cắt cao, được gọi là hiện tượng cắt mỏng Mô hình Herschel-Bulkley (H-B) giải thích hiện tượng cắt mỏng này bằng cách áp dụng độ nhớt phụ thuộc vận tốc cắt trong chế độ sau năng suất [62] Cụ thể, mô hình H-B được thể hiện bởi phương trình sau:

Trong đó: K là chỉ số nhất quán và m chỉ số hành vi dòng chảy của mô hình chất lỏng Herschel-Bulkley K và m được lấy dựa trên tính chất của chất lỏng và giá trị của chúng phụ thuộc vào mật độ từ thông tác dụng trong chất lỏng MR Cụ thể, Trong trường hợp: m = 1 đối với chất lỏng Bingham; m 1 đối với chất lỏng cắt dày (đặc)

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt và ứng suất cắt của các mô hình [15]

Mô hình Carson thường được sử dụng để mô tả hành vi ứng suất cắt - vận tốc cắt ổn định của các chất lỏng như máu, sữa chua, cà chua nguyên chất, và sô cô la nóng chảy Tuy nhiên, mô hình này không phù hợp với việc nghiên cứu chất lỏng MR khi áp dụng trong công nghệ phanh do chiều dày lớp chất lỏng MR trong phanh rất nhỏ và làm việc ở vận tốc cao

Tốc độ cắt,𝛾̇(𝑠 −1 ) Ứ n g u ất cắ t, 𝜏( 𝑃𝑎 )

44 b) Mô hình phi tham số

Các mô hình cấu thành tham số thông thường được sử dụng để mô tả hành vi lưu biến của chất lỏng MR Tuy nhiên, các mô hình này có một số hạn chế, chẳng hạn như chỉ áp dụng được cho một từ trường cụ thể, không chính xác ở vận tốc cắt cao hoặc thấp, và khó áp dụng để mô phỏng các đối tượng rắn của chất lỏng MR Để khắc phục các hạn chế này, một số nhà nghiên cứu đã cố gắng xây dựng các mô hình cấu thành phi tham số dựa trên phương pháp khoa học máy [64] Các mô hình này có nhiều ưu điểm hơn so với các mô hình cấu thành tham số, chẳng hạn như phạm vi hoạt động rộng, độ tin cậy cao, và dễ áp dụng để mô phỏng các đối tượng rắn của chất lỏng MR Tuy nhiên, nghiên cứu về các mô hình cấu thành phi tham số còn đang trong giai đoạn phát triển, vì vậy việc áp dụng các mô hình này vẫn còn hạn chế c) Mô hình phần tử hữu hạn

Cơ sở lý thuyết lựa chọn kết cấu của phanh dầu từ trường

Các kết cấu phanh dầu từ trường khác nhau có thể được so sánh dựa trên các thông số sau [71]:

✓ Khả năng sinh mômen (Hệ số thích ứng): tỷ lệ giữa mômen phanh cực đại và mômen phanh ứng với công suất lớn nhất

✓ Tỷ lệ mômen trên thể tích: tỷ lệ giữa mômen và thể tích của phanh (T/V)

✓ Mức tiêu thụ điện năng: lượng điện năng tiêu thụ để tạo ra từ trường trong phanh

Các kết cấu phanh phổ biến bao gồm (Tham khảo phụ lục 2B về phương pháp tính mômen theo từng kết cấu cụ thể):

✓ Phanh tang trống: thiết kế đơn giản, dễ chế tạo, nhưng khả năng sinh mômen và tỷ lệ mômen trên thể tích thấp

✓ Phanh rôto hình chữ T: nhỏ gọn hơn phanh tang trống, nhưng chế tạo phức tạp hơn

✓ Phanh một đĩa: thiết kế phổ biến nhất, cho kết quả hợp lý về trọng lượng và độ đầm chắc

✓ Phanh nhiều đĩa: tăng diện tích tiếp xúc của lớp dầu từ trường, từ đó có thể tăng mômen phanh

Việc lựa chọn kết cấu phanh dầu từ trường phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng Nếu yêu cầu khả năng sinh mômen cao, thì phanh tang trống hoặc phanh nhiều đĩa là lựa chọn phù hợp Nếu yêu cầu tỷ lệ mômen trên thể tích cao, thì phanh một đĩa là lựa chọn phù hợp Nếu yêu cầu bán kính rôto nhỏ, thì phanh rôto hình chữ T hoặc phanh một đĩa là lựa chọn phù hợp (Bảng 2.3)

Bảng 2.5 Các tiêu chí lựa chọn sơ bộ kết cấu phanh MR [71]

Thiết kế Khả năng sinh mômen

Tỷ lệ mômen xoắn trên thể tích Bán kính rôto Mức tiêu thụ điện năng

Phanh nhiều đĩa Cao nhất Thấp nhất Nhỏ nhất Cao nhất

Phanh rôto hình chữ T Cao Trung bình Nhỏ hơn phanh tang trống Trung bình Phanh một đĩa Trung bình Cao Trung bình Trung bình

Trong nghiên cứu, kết cấu phanh MR dạng đĩa được tác giả lựa chọn phù hợp với lắp đặt thực tế trên xe Vật liệu gia công chế tạo phanh cần đảm bảo đặc tính từ trường nhằm gia tăng cường độ từ trường, định hướng tốt cho đường đi từ trường, đồng thời tiết kiệm điện năng.

Phương pháp tính toán mômen phanh MRB sinh ra

2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính mômen phanh MRB

Phanh dầu từ trường MRB bổ trợ cho ô tô 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 Cuộn dây từ tính được đặt ở mỗi bên vỏ phanh để tạo ra từ trường Chất lỏng từ tính (MRF) được điền đầy giữa các răng của rôto và các cực giao thoa của chúng trên vỏ Mômen phanh của MRB được tính toán dựa trên mô hình lưu biến Bingham của MRF Bằng cách sử dụng nhiều rãnh răng có dạng hình thang,

54 mômen phanh của MRB dự kiến sẽ cao trong khi kích thước của phanh vẫn được giữ cho nhỏ gọn Để tính toán mômen cho kết cấu này, nghiên cứu tham khảo phương pháp và các công thức tính mômen phanh của kết cấu phanh đĩa tương tự [59] Mômen phanh của MRB tạo ra được tính toán tại các vị trí: tại mặt tiếp xúc vuông góc với đường tâm trục quay (vùng E) , tại mặt nghiêng với đường tâm trục quay (vùng A), tại mặt tiếp xúc giữa hình vành khuyên trong của vỏ với mặt ngoài roto (vùng C), và tại mặt tiếp xúc của ổ bi với trục roto (vùng ổ bi) (Hình 2.20 và Phụ lục 2D) Mô hình tính toán phanh MR từ lý thuyết đưa vào mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm được thể hiện cụ thể ở Phụ lục 2C

Hình 2.20 Phân tích các khu vực tính toán cụ thể tại lớp MRF

55 Mômen sinh ra từ các khu vực A được xác định theo mô hình chất lỏng Bingham Để tính toán mômen phanh do MRB tạo ra, một phần tử vòng nhỏ trong khe hở MRF nghiêng như được hiển thị trong Hình 2.21 được xem xét

Hình 2.21 Mô hình tính toán mômen phanh tại vùng A (nguồn [59])

Mômen ma sát tác dụng lên phần tử này có thể được đánh giá là: dT = rτdA = 2πr2τdl = 2π(R1 + lsinφ)2τdl (2 21)

+ r là bán kính tính toán của phân tố chất lỏng đang xét trong rãnh răng nghiêng chứa dầu (m), R1, R2 là bán kính tính toán theo mặt cắt hình thang (m)

+ La là chiều dài lớp dầu tính trên trục quay từ R1 đến R2 (m), chiều dài phần nghiêng răng l =La/cosφ (m) và φ: góc nghiêng của mặt thang (rad) Bên cạnh đó, vận tốc cắt của MRF trong ống được xấp xỉ: 𝛾̇ = 𝑟𝛺

𝑑 + Ω là tốc độ quay của đĩa quay (rad/s), d là khoảng cách chứa lớp dầu (m)

Mô hình Bingham của MRF dọc theo hướng trục có thể được biểu thị như sau: τ = τ y + μrΩ d = τ y + μΩ(R 1 + lsinφ) d (2 22)

Thay (2.21) vào (2.20), ta được phương trình tính toán mômen của phanh tại vùng răng nghiêng:

Từ phương trình đã chứng minh ở trên, áp dụng vào mô hình ta được :

Hình 2.22 Mô hình tính toán mômen phanh tại vùng E

Mômen tạo ra từ các vùng E (Hình 2.22):

3 (𝑅 𝑗+1 3 − 𝑅 𝑗 3 ); (j = 1 ÷ 15) (2 25) Mômen tạo ra từ khu vực dầu và ổ bi:

Tsf là mômen sinh ra tại vùng dầu ổ bi (Nm), Rs là bán kính trục tại vị trí bắt ổ bi (m)

57 Mômen tạo ra từ vùng C:

Mô men tại khu vực C (Tc) và bán kính đĩa roto ngoài cùng (Rd) quyết định chiều rộng răng tại vị trí ngoài cùng (b) Chiều rộng răng này ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất chảy của lớp dầu tại khu vực C (𝜏 𝑦𝑐1) Do đó, việc xác định chính xác các thông số này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền động để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

C (N/m 2 ); d là chiều dày lớp dầu (m)

Như vậy, mômen tổng cộng sinh ra từ phanh MR được xác định:

2.4.2 Phần mềm sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng phanh dầu từ trường

Khi nghiên cứu về phanh từ trường MRB (Magnetorheological Brake), có một số phần mềm mô phỏng phổ biến mà các nhà nghiên cứu thường sử dụng để mô hình và phân tích hệ thống này Một số phần mềm mô phỏng thường được sử dụng khi nghiên cứu như: COMSOL Multiphysics, ANSYS, Altair Flux, OpenFOAM, Matlab- Simulink [73-77]

Gần đây, Altair Flux là một phần mềm mô phỏng từ trường mạnh mẽ, được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa hiệu suất từ trường trong các phanh MRB [80-81] Đây là một phần mềm mô phỏng mã nguồn mở, chuyên về phân tích và mô phỏng các dòng chảy và hiệu ứng nhiệt độ Nó có thể được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa từ trường và dầu MR trong phanh MRB [79] Phần mềm LabVIEW là một phần mềm phát triển ứng dụng, được sử dụng trong một số trường hợp để kiểm soát và thu thập dữ liệu từ hệ thống phanh MR trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm [82,83] Ưu điểm của phần mềm Altaire Flux khi nghiên cứu về phanh dầu từ trường có thể bao gồm: o Mô phỏng từ trường chính xác: Altaire Flux cho phép tạo ra mô hình từ trường chính xác cho hệ thống phanh dầu Điều này giúp người nghiên cứu nắm bắt được tất cả các yếu tố quan trọng trong hệ thống, bao gồm từ trường từ cuộn dây, sự biến đổi về từ thông và dây dẫn

Phần mềm này hỗ trợ các công cụ phân tích mạnh mẽ cho phép đánh giá hiệu suất của phanh từ trường, bao gồm phân tích mạch từ, nhiệt độ và khả năng phản hồi của hệ thống trong nhiều điều kiện Tính năng tích hợp dễ dàng cho phép liên kết Altaire Flux với các phần mềm khác, giúp kết hợp mô phỏng từ trường với các khía cạnh khác của nghiên cứu phanh từ trường, như mô phỏng cơ học hoặc nhiệt độ Phần mềm hỗ trợ tối ưu hóa hệ thống phanh từ trường, giúp thiết kế và cải thiện hiệu suất của MRB trở nên thuận tiện hơn Ngoài ra, khả năng thực hiện nhiều mô phỏng và thử nghiệm ảo có thể giảm thời gian và chi phí liên quan đến phát triển và kiểm tra các hệ thống phanh từ trường.

Trong nghiên cứu, tác giả đã tận dụng thế mạnh của các phần mềm mô phỏng khác nhau để khắc phục hạn chế của từng phần mềm riêng lẻ Matlab-Simulink đảm nhiệm mô phỏng tính toán mômen phanh cần thiết trong quá trình xe xuống dốc, trong khi Altair-Flux được sử dụng để mô phỏng từ trường và phân tích mạch từ phanh MRB Sự kết hợp này cho phép khai thác tối đa ưu điểm của từng phần mềm, đem lại kết quả mô phỏng toàn diện và chính xác.

2.5 Phương pháp khảo sát nhiệt của phanh MRB

Nhiệt tạo ra từ hệ thống phanh MRB được nghiên cứu theo hai cách tiếp cận chính Đối với hệ thống phanh ô tô, động năng từ tốc độ quay của bánh xe được chuyển đổi thành nhiệt năng thông qua ứng suất ma sát.

Do sự bảo toàn năng lượng, nhiệt sinh ra từ quá trình phanh cân bằng với độ biến thiên động năng hay thế năng khi xe xuống dốc Cách tiếp cận thứ hai để phân tích

Quá trình truyền nhiệt trong phanh từ trường lưu biến (MRB) được phân tích dựa trên sự ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc Nhiệt sinh ra được hấp thụ bởi đĩa, thân MRB và chất lỏng MR Khi chịu tác động từ trường, chất lỏng MR trở nên giống chất rắn, tạo áp suất không đổi trên bề mặt xung quanh Quá trình trao đổi nhiệt được mô hình hóa như dẫn nhiệt giữa hai vật rắn Do không có mài mòn trong MRB nên sự tiếp xúc giữa chất lỏng MR và bề mặt kim loại được coi là lý tưởng.

- Dẫn nhiệt từ MRF sang roto (vì khi cấp dòng MRB xem như chất rắn);

- Dẫn nhiệt từ roto sang vỏ;

- Toả nhiệt đối lưu từ vỏ ra môi trường không khí xung quanh

Khi ô tô xuống dốc, giả thiết người lái dùng phanh để giữ cho ô tô chuyển động ổn định với vận tốc v2 = const Khi đó, phương trình cân bằng lực trong trường hợp này được biểu diễn qua công thức (2.29):

Trong đó: F w - Lực cản không khí (N); F pi - Lực phanh do cơ cấu phanh chính sinh ra (N); F b - Lực phanh do cơ cấu phanh bổ trợ sinh ra (N); F fi - Lực cản lăn (N); α - Góc dốc của đường ( 0 ); F b - Lực phanh do cơ cấu phanh bổ trợ sinh tại vị trí bánh xe sau; F ep - Lực phanh do động cơ sinh tại vị trí bánh xe sau Các chỉ số i = 1, 2 là các chỉ số tương ứng cho các lực và mômen đặt tại bánh xe cầu trước và cầu sau

Khi đánh giá hiệu quả phanh bổ trợ trong quá trình vận hành khắc nghiệt, tiêu chuẩn ECE R13 [4] yêu cầu thực hiện các đánh giá ở chế độ thử II Cụ thể là với các loại xe M, N, chế độ thử yêu cầu xe giữ ở vận tốc chuyển động vb = 30 km/h trên quãng đường dài S = 6 km và có độ dốc 6 %, và động cơ bị ngắt khỏi hệ thống truyền lực (cần số được đặt ở vị trí số 0)

60 Khi giả thiết phanh xuống dốc mà động cơ bị ngắt khỏi hệ thống truyền lực thì phương trình (2.29) được viết lại như sau:

Kết luận chương 2

Chương 2 của Luận án đã trình bày cơ sở khoa học của hệ thống phanh sử dụng công nghệ dầu MR Cụ thể, tác giả đã phân tích các phương án lắp đặt MRB trên xe và lựa chọn phương án lắp đặt sau đầu ra của hộp số chính và trước cầu chủ động Tác giả cũng đã xây dựng mô hình động lực học quá trình phanh xe tải van khi xuống dốc Mô hình này được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các thông số đánh giá đến hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ, cũng như cung cấp cơ sở xác định vùng giá trị mômen phanh bổ trợ cần thiết với từng điều kiện đồi dốc cụ thể Kết quả khảo sát cho thấy, với điều kiện độ dốc của đường lớn nhất 11% thì giá trị mômen phanh bổ trợ Tb trong khoảng từ 30 Nm đến 120 Nm sẽ đảm bảo giảm được vận tốc của xe trong đoạn đường nhỏ hơn 300 m theo các quy chuẩn thiết kế đường Bên cạnh đó, tác giả đã phân tích lựa chọn kết cấu cho phanh bổ trợ Kết quả phân tích cho thấy, kết cấu phanh từ lưu biến (MRB) dạng đĩa được lựa chọn khi thiết kế hệ thống phanh bổ trợ cho ô tô tải van Cuối cùng, tác giả đã lựa chọn phần mềm Altair Flux cùng với mô hình Bingham để đưa vào tính toán lý thuyết mômen phanh bổ trợ sinh ra ở các chế độ cắt khác nhau Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về phanh từ lưu biến do sự đơn giản của các tham số đưa vào trong mô hình Kết quả mô phỏng và đánh giá khả năng áp dụng hệ thống phanh MRB bổ trợ ô tô sẽ được đề cập đến trong chương 3

MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Phân tích đặc điểm kết cấu của 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 Cụm cố định bao gồm giá đỡ phanh và các chi tiết lắp ghép cố định trên đó Cụm chuyển động quay bao gồm các chi tiết có khả năng chuyển động quay như trục, đĩa phanh và cụm má phanh.

• Tấm chặn ngoài: Có nhiệm vụ định vị và cố định đĩa quay

• Tấm chặn trong: Có nhiệm vụ tạo lực ma sát với đĩa quay để tạo ra lực phanh

• Đĩa chặn ngoài: Có nhiệm vụ cố định tấm chặn trong

• Bu lông, đai ốc, vít: Dùng để bắt các chi tiết cố định lại với nhau

Hình 3.1 Phanh từ trường bổ trợ

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

Cấu tạo chính của phanh MRB dạng đĩa răng thang được mô phỏng trên phần mềm Siemens NX 3D Phân tích tính toán kiểm bền cho thấy phanh MRB dạng đĩa răng thang có hiệu quả phanh cao và độ bền tốt (Phụ lục 3A)

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

64 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 Lực cản này sẽ gây sự tổn hao công suất Việc đánh giá mômen nhớt trường không và giải pháp khắc phục sẽ được trình bày trong phần 3.5.5

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.

Thiết kế hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ quá trình xe xuống dốc

Phanh MRB là một thiết bị phanh điện từ có nhiều ưu điểm như hiệu quả phanh cao, khả năng điều khiển linh hoạt Để phát huy tối đa hiệu quả, phanh MRB cần đáp ứng các yêu cầu thiết kế sau:

• Khả năng chịu tải: o Kết cấu phanh MRB phải vững chắc, ổn định trong quá trình hoạt động o Đảm bảo không bị quá nhiệt khi hoạt động liên tục o Hạn chế mômen trường khi phanh không hoạt động

• Khả năng vận hành: o Bao kín tốt để hạn chế rò rỉ chất lỏng MR o Thuận tiện tháo lắp và bảo dưỡng

• Vật liệu chế tạo: o Sử dụng vật liệu dễ kiếm, tiết kiệm chi phí

65 o Đảm bảo các yêu cầu về định hướng dòng từ thông

Phanh MRB cần có kết cấu vững chắc để có thể chịu được tải trọng động, cũng như các chế độ quá tải của động cơ Ngoài ra phanh MRB cần được thiết kế đảm bảo khả năng tản nhiệt tốt để tránh hiện tượng quá nhiệt Các chi tiết của phanh cần được chế tạo bằng vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao, đồng thời cần có các thiết bị tản nhiệt như lỗ thoát nhiệt, cánh tản nhiệt MRB cũng cần được bao kín tốt để tránh rò rỉ dầu MR Các khớp nối giữa các chi tiết của phanh cần được thiết kế kín khít, đồng thời cần có các phớt chặn dầu ở đầu trục Các chi tiết của phanh cần được kết nối với nhau một cách dễ dàng, đồng thời cần có các vị trí thuận tiện để kiểm tra, bảo dưỡng các chi tiết Vật liệu chế tạo phanh MRB cần dễ kiếm, có khả năng chịu nhiệt cao và có từ tính tốt Các chi tiết của phanh cần được chế tạo sao cho đảm bảo định hướng dòng từ thông tốt, tránh hao tốn điện năng trong quá trình phanh Để đảm bảo các yêu cầu trên, phanh MRB cần được thiết kế với các giải pháp liên quan tới vật liệu và công nghệ Cụ thể, các chi tiết của phanh MRB cần được chế tạo bằng các vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao như thép không gỉ, đồng, nhôm, Các chi tiết của phanh cần được thiết kế có các lỗ thoát nhiệt hoặc cánh tản nhiệt, bố trí quạt gió phía đầu trục để tăng cường khả năng tản nhiệt Các khớp nối giữa các chi tiết của phanh cần được thiết kế kín khít bằng cách sử dụng vòng đệm, gioăng cao su Thiết kế các vị trí thuận tiện cho việc kiểm tra, bảo dưỡng: Các chi tiết của phanh cần được thiết kế có các vị trí thuận tiện cho việc kiểm tra, bảo dưỡng như các nắp đậy, lỗ thăm dầu, lỗ thông hơi, khoang chứa dầu bù

3.2.2 Phương án lắp MRB lên xe thực tế

Với ý tưởng lắp phanh từ trường lên hệ thống truyền lực, phía sau trục các- đăng, phía trước cầu chủ động, cần giảm kích thước dài của trục các-đăng Kích thước mới của các-đăng sau khi cắt ngắn được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo các điều kiện về động lực học của xe theo TCVN Cụm phanh từ trường bắt lên xe được kết nối với trục các-đăng và vỏ cầu thông qua bích nối trục Các bích nối trục được ghép bằng then và bu-lông, đảm bảo độ chắc chắn và khả năng chịu tải cao Để tăng độ ổn định và đảm bảo sự hoạt động của phanh từ trường khi lắp lên hệ thống truyền lực hiệu

66 quả, tác giả thiết kế một giá đỡ phanh gắn lên xe cùng phanh Giá đỡ phanh được làm từ vật liệu thép cường độ cao, có khả năng chịu lực tốt và chống rung, giảm thiểu tác động của các lực tác động lên phanh từ trường Việc kiểm bền các chi tiết nhằm đánh giá khả năng chịu tải của các chi tiết được trình bày ở phụ lục 3A của nghiên cứu này

Hình 3.2 thể hiện kết cấu lắp phanh từ trường lên xe thực tế nhằm thể hiện rõ vị trí lắp đặt của các chi tiết, các mối ghép và thông số kỹ thuật

Hình 3.2 Bản vẽ lắp phanh từ trường lên cụm cầu xe tải nhỏ

Sau khi gia công và lắp ráp thành cụm phanh từ trường, các chi tiết được lắp đặt lên bệ thử nghiệm Các thông số kỹ thuật quan trọng như mômen phanh MRB, thời gian làm việc, nhiệt độ được đo đạc và ghi nhận Việc thử nghiệm nhằm mục đích kiểm tra khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của phanh từ trường và đánh giá hiệu quả phanh Tiếp theo việc mô phỏng khảo sát mô hình phanh khi xe xuống dốc theo tiêu chuẩn giúp đánh giá hiệu quả phanh từ trường khi lắp lên xe tải nhỏ.

Mô hình mô phỏng hệ thống phanh dầu từ trường

3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng phanh từ trường Để mô phỏng từ trường của phanh MRB, mô hình CAD của phanh được xây dựng thành mô hình phần tử hữu hạn trong bộ giải Altair Flux Trong phần mềm Flux,

67 với các ứng dụng khác nhau sẽ cần các môi trường khác nhau Phần mềm Flux hỗ trợ xử lý 3 bài toán từ trường điển hình trong mô hình 3D là:

• Từ trường tĩnh: là bài toán chỉ xét từ trường tại một thời điểm cụ thể, khi các vật thể trong hệ thống mang cường độ dòng điện cố định

• Từ trường động: là bài toán xét từ trường trong quá trình biến đổi, khi các vật thể trong hệ thống mang cường độ dòng điện có giá trị thay đổi theo thời gian

• Từ trường với trạng thái ổn định: là trường hợp đặc biệt của bài toán từ trường động, khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng và từ trường chỉ thay đổi theo vị trí

Do đặc tính dầu từ trường chuyển pha, từ trường tĩnh là bài toán phù hợp nhất để mô phỏng phanh từ trường và được lựa chọn trong nghiên cứu Cụ thể, vùng phân tích từ trường được thiết kế là hình trụ theo chiều Z với đường kính 110 mm và chiều cao 110 mm để phù hợp với kích thước thực tế của phanh Cường độ dòng điện xét trong mô phỏng là 0-3 A, tương tự như một số bài toán phân tích từ trường của các kết cấu phanh của một số tác giả khác [85-87]

Việc thiết lập mô hình CAD và mô phỏng từ trường của phanh từ trường đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế, phát triển sản phẩm Mô hình CAD mô tả hình dáng, kích thước và vị trí các thành phần phanh; còn mô hình từ trường cung cấp dữ liệu về cường độ, hướng và phân bố từ trường bên trong phanh Những thông tin này hỗ trợ đánh giá hiệu suất và tối ưu kết cấu phanh.

Trong mô hình chia lưới, kích thước lưới là một thông số quan trọng cần được xác định trong quá trình chia lưới Kích thước lưới ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô phỏng từ trường Nếu kích thước lưới quá nhỏ, sẽ dẫn đến thời gian tính toán lâu và tiêu tốn nhiều tài nguyên máy tính Ngược lại, nếu kích thước lưới quá lớn, sẽ dẫn đến sai lệch kết quả mô phỏng

Trong mô hình phanh MRB, kích thước lưới được chọn là 0,5 mm Kích thước này 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

Chất lượng phần tử phản ánh độ phù hợp của phần tử lưới Phần tử chất lượng lớn có kích thước phù hợp với lưới và không có góc quá nhọn hoặc quá tù Kết quả chia lưới cho thấy 98,59% phần tử có chất lượng cao, 1,1% ở mức trung bình và 0,01% ở mức thấp Tỷ lệ phần tử chất lượng cao cho thấy lưới được chia đều, đảm bảo độ chính xác của mô phỏng.

Bảng 3.1 Số phần tử chia lưới

Số lượng phần tử đường thẳng 48996

Số lượng phần từ bề mặt 433402

Số lượng phần từ thể tích 2909637

Số lượng phần từ không được đánh giá 0 %

Số phần từ đạt chất lượng tốt 98.59 %

Số phần tử đạt chất lượng trung bình 1.1 %

Số phần từ đạt chất lượng thấp 0.01 %

Hình 3.3 Chia lưới mô hình

Vật liệu đưa vào mô phỏng được xem xét cho 3 đối tượng chính là: Cuộn dây, dầu MR, lõi từ

• Vật liệu của cuộn dây:

Cuộn dây là thành phần quan trọng nhất của phanh MRB, chịu trách nhiệm tạo ra từ trường Trong mô hình phanh MRB trong hình dưới, vật liệu của cuộn dây là đồng Đồng có độ từ thẩm cao, điện trở suất thấp và khả năng chịu nhiệt tốt, đáp ứng được các yêu cầu của cuộn dây phanh MRB

• Vật liệu của lõi từ:

Lõi từ là thành phần thứ hai quan trọng của phanh MRB, có nhiệm vụ tập trung từ trường Vật liệu của lõi từ cần có các đặc tính sau: o Độ từ thẩm cao: Đảm bảo lõi từ có thể tập trung từ trường mạnh o Độ bền cơ học cao: Đảm bảo lõi từ không bị biến dạng khi hoạt động o Khả năng chịu nhiệt tốt: Đảm bảo lõi từ không bị hư hỏng khi hoạt động ở nhiệt độ cao

70 Trong mô hình phanh MRB trong hình dưới, vật liệu của lõi từ là sắt từ Sắt từ là vật liệu có độ từ thẩm cao, độ bền cơ học cao và khả năng chịu nhiệt tốt, đáp ứng được các yêu cầu của lõi từ phanh MRB

• Vật liệu của dầu từ trường:

Dầu từ trường đóng vai trò quan trọng trong phanh MRB với mục đích truyền tải từ trường từ cuộn dây tới lõi từ Các yêu cầu đối với vật liệu dầu từ trường bao gồm độ dẫn từ cao để truyền dẫn từ trường tốt, độ nhớt thấp để lưu thông dễ dàng, và khả năng chịu nhiệt tốt để duy trì hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao Những đặc tính này giúp cho dầu từ trường đáp ứng được các yêu cầu cần thiết cho hệ thống phanh MRB hiệu quả.

Phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường

Hình 3.6 Cường độ từ trường sinh ra khi cường độ dòng điện I

Hình 3.7 Cường độ từ trường sinh ra khi cường độ dòng điện I:

75 Nghiên cứu thực hiện mô phỏng một mô hình phanh MR ở các giá trị cường độ dòng điện thay đổi từ 0-3A và nhận thấy khi đó cường độ từ trường cực đại xuất hiện trong các khu vực của phanh MR cũng tăng từ 21kA/m đến 63.5kA/m (Hình 3.6, 3.7) Tuy nhiên quy luật thay đổi cường độ từ trường sinh ra ở các khu vực của phanh

MR cũng như đường đi của các đường sức từ trong các trường hợp khảo sát là khá tương đồng

Hình 3.8 Cường độ từ trường, cảm ứng từ B và đường sức từ của phanh từ trường

Mô hình phanh dầu MR được thiết kế với hai cuộn dây đối xứng xung quanh đĩa phanh Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây, một từ trường được tạo ra trong không gian giữa chúng Từ trường này tương tác với các hạt sắt trong dầu từ trường, tạo ra lực làm di chuyển các hạt và dẫn đến momen phanh MRB.

Cường độ từ trường tại các vùng của phanh dầu MR được mô tả như sau:

• Vùng giữa các cuộn dây: Cường độ từ trường tại vùng này là lớn nhất Điều này là do các cuộn dây được bố trí đối xứng nhau, tạo ra một từ trường đồng nhất trong không gian giữa các cuộn dây

Vùng xung quanh các cuộn dây: Cường độ từ trường tại vùng này giảm dần khi ra xa các cuộn dây Điều này là do từ trường sinh ra bởi các cuộn dây giảm dần theo khoảng cách Vùng bên ngoài phanh: Cường độ từ trường tại vùng này rất nhỏ Điều này là do từ trường sinh ra bởi các cuộn dây không thể xuyên qua các thành phần của phanh

Hình 3.9 Đường đi của từ thông bên trong phanh từ trường

Hình 3.9 cho thấy đường sức từ sinh ra trên đĩa phanh MR Đường sức từ đi ra từ phần trục đĩa phanh và đi vào ở phần đỉnh của đĩa phanh Theo nguyên lý của nam châm điện, cường độ từ trường mạnh nhất ở giữa hai cuộn dây Do đó, mômen phanh sinh ra lớn nhất ở phần răng dọc và nghiêng (Te, Ta), nhỏ nhất ở phần răng ngang (Tc)

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố không đồng đều của đường sức từ trên đĩa phanh là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau về mômen phanh sinh

Đường sức từ trên đĩa phanh phân bố không đều, dẫn đến mômen phanh khác nhau giữa các vùng khác nhau Các phần răng dọc và nghiêng nằm trong khu vực có cường độ từ trường mạnh nhất, dẫn đến mômen lớn hơn Trong khi đó, phần răng ngang chịu ảnh hưởng vuông góc của đường sức từ nên có mômen nhỏ nhất Sự chênh lệch mômen này có thể được cải thiện bằng cách thiết kế lại đĩa phanh, chẳng hạn như tăng chiều dài phần răng ngang hoặc giảm khoảng cách giữa các cuộn dây.

Hình 3.10 Cảm ứng từ B của phanh từ trường

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 được hình thành bởi hai nguồn chính chính là:

• Từ trường của cuộn dây:

78 Cuộn dây của đĩa phanh MR được quấn bằng dây dẫn điện, khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra từ trường Từ trường này có chiều hướng từ Bắc sang Nam, cường độ từ trường phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây Vật liệu chế tạo phanh như dầu MR, thép được đăc trưng bởi độ từ thẩm

Sự cộng hưởng giữa hai yếu tố này tạo ra cảm ứng từ tổng thể trên đĩa phanh

MR Cảm ứng từ B trên đĩa phanh MR phân bố không đồng đều, cường độ cảm ứng từ lớn nhất ở giữa hai cuộn dây, phía xa tâm quay và giảm dần theo chiều ra xa hai cuộn dây Cảm ứng từ cự đại đạt 0.217T Cảm ứng từ B trên đĩa phanh MR chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

• Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây: Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây càng lớn thì cường độ cảm ứng từ B càng lớn

• Số lượng cuộn dây: Số lượng cuộn dây càng nhiều thì cường độ cảm ứng từ B càng lớn

• Kích thước cuộn dây: Kích thước cuộn dây càng lớn thì cường độ cảm ứng từ B càng lớn

• Độ dày lớp dầu MR: Độ dày dầu MR càng lớn thì cường độ cảm ứng từ B càng lớn

Cường độ cảm ứng từ B trên đĩa phanh MR ảnh hưởng đáng kể đến mômen phanh của đĩa Để cải thiện mômen phanh, cần nâng cao cường độ cảm ứng từ B Có thể thực hiện điều này bằng các biện pháp như 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.

3.4.3 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 sau được áp dụng:

- 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]:

Trong đó: l: chiều dài thân và đỉnh răng; φ là góc nghiêng răng so với phương thẳng đứng; 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)

Hình 3.11 Các vùng dầu trên đĩa phanh

Kết quả mô phỏng

3.5.1 Kết quả mô phỏng khi thay đổi số răng MRB

Phanh từ lưu biến MRB mới được thiết kế với cấu trúc đĩa có 7 răng hình thang, dựa trên nghiên cứu kết cấu trước đó Sau khi xem xét đặc điểm của kết cấu MRB dạng đĩa với 7 răng hình thang, góc nghiêng răng 75 độ và khe hở dầu 1mm, luận án đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh MRB sinh ra Quá trình mô phỏng cho thấy số răng MRB có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ từ trường và mômen phanh sinh ra, trong đó số răng càng lớn thì cường độ từ trường và mômen phanh càng cao Khi số răng MRB tăng, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các răng MRB với đĩa phanh và lớp dầu cũng tăng lên.

MR sẽ tăng, dẫn đến mômen phanh MRB lớn hơn Trên thực tế, số răng MRB quá nhỏ sẽ làm chiều dài làm việc của lớp dầu MR, mômen phanh MRB sinh ra, dẫn đến

83 hiệu suất phanh giảm Tuy nhiên, số răng MRB quá lớn sẽ khó khăn trong việc gia công chế tạo a) nMRB = 1000 v/ph; I = 0:0.1:3 A; số răng từ 1 đến 7 b) nMRB = 1500 v/ph; I = 0:0.1:3 A; số răng từ 1 đến 7 c) nMRB = 2000 v/ph; I = 0:0.1:3 A; số răng từ 1 đến 7 d) nMRB = 2500 v/ph; I = 0:0.1:3 A; số răng từ 1 đến 7

Hình 3.15 Đồ thị ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh

Nghiên cứu ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh được thể hiện trên hình 3.16 Trong các trường hợp khảo sát, mômen phanh đạt giá trị lớn nhất ở số răng là

7, khi cường độ dòng điện tăng từ 1A-3A tương ứng với số vòng quay thay đổi từ 1000-2500 v/ph

Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh

Trên cơ sở đánh giá các kết quả mô phỏng, nghiên cứu lựa chọn kết cấu phanh MRB dạng đĩa với 7 răng có dạng hình thang với góc nghiêng 75 0 , khe hở dầu được lựa chọn là 1mm nhằm đạt được mômen phanh lớn theo các kết quả phân tích mô phỏng ở trên Đánh giá ảnh hưởng của số vòng quay trục roto đến mômen phanh MRB

Hình 3.17 thể hiện mối quan hệ mômen phanh MRB với số vòng quay trục roto với kết cấu 7 răng có dạng hình thang với góc nghiêng 75 0 , khe hở dầu 1 mm để xem xét kỹ hơn về ảnh hưởng của số vòng quay trục roto đến mômen phanh của MRB Kết quả cho thấy quy luật của mômen phanh do MRB sinh ra tăng gần như tuyến tính khi dòng điện tăng Khi số vòng quay trục roto MRB tăng, mômen phanh

85 cũng tăng Khi số vòng quay trục roto MRB đạt cực đại bằng 2500 vòng/phút, mômen phanh của MRB đạt cực đại bằng 108 Nm khi cấp dòng điện 3A

Hình 3.17 Quan hệ mômen phanh MRB- số vòng quay trục roto a b

Hình 3.18 Kết quả khảo sát mômen phanh- số vòng quay theo vùng dầu và nguồn tạo cản trên phanh MR

Ngoài ra, nghiên cứu còn tính toán mô phỏng mômen do độ nhớt động của chất lỏng MR (TH), độ nhớt của dầu MR khi cấp dòng điện (Tτ), cũng như mômen sinh ra trên các vùng khác nhau của đĩa phanh MR (Ta, Te, Tc) theo số vòng quay đĩa phanh, thể hiện trên hình 3.18a và 3.18b.

Hình 3.18a thể hiện mômen phanh sinh ra do hai thành phần nhớt của dầu, bao gồm thành phần nhớt động (TH) và thành phần nhớt do từ trường (Tτ) Ở cường độ dòng điện 3A, khi số vòng quay đĩa phanh tăng, thành phần mômen do từ trường (Tτ) không đổi, trong khi thành phần mômen do nhớt động (TH) tăng tuyến tính từ 0 đến

86 khoảng 40 Nm Điều này cho thấy sự ảnh hưởng rõ ràng của số vòng quay đến mômen phanh của MRB khi cố định cường độ dòng điện

Kết quả mô phỏng cho thấy, số vòng quay trục roto có ảnh hưởng đến mômen phanh MRB Cụ thể, số vòng quay trục roto càng lớn thì mômen phanh MRB càng lớn Điều này có thể được giải thích bởi lý thuyết về mô hình chất lỏng Bingham của dầu MR được đề cập ở chương 2 Đánh giá ảnh hưởng của cường độ dòng điện cấp cho cuộn dây đến mômen phanh MRB

Hình 3.19 Đồ thị đặc tính Mômen phanh – cường độ cường độ dòng điện trong mô phỏng với số vòng quay thay đổi từ 1000-2500v/ph

Hình 3.19 thể hiện kết quả đánh giá ảnh hưởng của thông số cường độ dòng điện tới mômen phanh MRB (cũng với kết cấu 7 răng có dạng hình thang với góc nghiêng 75 0 , khe hở dầu 1 mm) Kết quả cho thấy mômen phanh do phanh MR sinh ra tăng gần như tuyến tính khi cường độ cường độ dòng điện, khi cường độ dòng điện tăng, mômen phanh cũng tăng theo theo Khi số vòng quay trục roto MRB tăng, mômen phanh cũng tăng khá đều Cụ thể, tại số vòng quay trục roto MRB = 2500 vòng/phút, các hạt dầu từ trường di chuyển với vận tốc lớn, do đó mômen phanh sinh ra lớn Giá trị cực đại của mômen phanh do phanh MR sinh ra là 108 Nm, đạt được tại cường độ dòng điện 3 A và số vòng quay trục roto MRB bằng 2500 vòng/phút

Ngoài ra, nghiên cứu cũng mô phỏng tính toán mômen phanh sinh ra ở các vùng dầu khác nhau, hay mômen phanh theo hai thành phần sinh ra trên phanh MR:

87 mômen cản nhớt của dầu MR và mômen cản do từ trường sinh ra khi thay đổi cường độ dòng điện cấp Kết quả mô phỏng được thể hiện ở hình 3.20 a b

Hình 3.20 Kết quả khảo sát mômen phanh khi thay đổi cường độ dòng điện theo vùng dầu và nguồn tạo cản trên phanh MR

Mômen tạo ra bởi dầu MR bao gồm mômen nhớt thường (TH) và mômen nhớt do từ trường (Tτ) Ở tốc độ 2500 vòng/phút, TH duy trì quanh 40 Nm, trong khi Tτ tăng tuyến tính từ 0 đến 65 Nm khi tăng cường độ dòng điện Đặc tính dầu MR cho thấy Tτ chiếm tỷ lệ lớn hơn TH ở cường độ dòng điện cao Mômen phanh ở các vùng răng dọc (Te), răng nghiêng (Ta) và răng ngang (Tc) đều tăng theo cường độ dòng điện Te và Ta có giá trị gần nhau, trong khi Tc có giá trị nhỏ nhất, phù hợp với phân bố từ trường từ các kết quả mô phỏng trước đó.

Như vậy, có thể thấy mômen phanh MR sinh ra tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện cấp cho phanh MRB Khi cường độ dòng điện tăng, mômen phanh cũng tăng theo, với tỉ lệ tăng cao hơn khi số vòng quay đĩa phanh tăng Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết về mô hình chất lỏng MR

3.5.2 Kết quả mô phỏng khi thay đổi góc nghiêng răng MRB

Sau khi khảo sát đặc tính phanh MRB khi thay đổ số răng và xem xét các yếu tố ảnh hưởng chính như: cường độ dòng điện cấp cho MRB, số vòng quay đĩa phanh, nghiên cứu tiếp tục khảo sát sự ảnh hưởng của góc nghiêng răng tới mômen phanh ở một chế độ khảo sát cụ thể về số vòng quay hoặc cường độ dòng điện cấp a nMRB = 1000 v/ph; I = 0:0.1:3 A; góc nghiêng răng thay đổi từ 65 0 : 5 0 : 90 0 b.nMRB = 1500 v/ph; I = 0:0.1:3 A; góc nghiêng răng thay đổi từ 65 0 : 5 0 : 90 0 c.nMRB = 2000 v/ph; I = 0:0.1:3 A; góc nghiêng răng thay đổi từ 65 0 : 5 0 : 90 0 d.nMRB = 2500 v/ph; I = 0:0.1:3 A; góc nghiêng răng thay đổi từ 65 0 : 5 0 : 90 0

Hình 3.21 Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng răng đến mômen phanh

Hình 3.21a,b,c,d thể hiện ảnh hưởng của góc nghiêng răng tới mômen phanh

Kết luận chương 3

Chương 3 của Luận án đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng trên cấu hình được lựa chọn dựa trên cấu hình thiết kế của MRB có dạng răng thang, góc nghiêng răng 75 độ, khe hở dầu 1mm để phù hợp với khả năng gia công chế tạo Các kết quả mô phỏng cho thấy mômen của MRB có quan hệ khá đồng biến với các thông số khảo sát (số răng, góc nghiêng răng, khe hở dầu) Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng, với kết cấu MRB (dạng răng thang có 7 răng, góc nghiêng răng 75 độ và khe hở dầu là 1mm) cho mômen cao nên được lựa chọn để thiết kế chế tạo và thử nghiệm Mặt khác, kết quả mô phỏng cho thấy khi MRB chưa kích hoạt tồn tại mômen nhớt trường không làm ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc của phanh cũng như hệ thống truyền lực ô tô Từ đó, nghiên cứu đã đề xuất một số giải pháp điều khiển nhằm hạn chế mômen này Ngoài ra với kết quả mô phỏng nhiệt ở mức công suất của MRB cần sinh ra nhằm duy trì vận tốc của xe 30km/h theo điều kiện thử tiêu chuẩn cho phanh bổ trợ ISO 12161 trong khoảng 12 phút cho thấy nhiệt độ trong phanh tăng quá giới hạn làm việc của vật liệu chế tạo phanh Từ đó, phương án làm mát tuần hoàn đã được tác giả đưa ra khi thiết kế chế tạo MRB Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả đáng kể sau khi bố trí các áo nước giữa cuộn dây và roto Nhiệt độ trung bình của phanh MR giảm đáng kể về phạm vi làm việc ổn định của các chi tiết trong MRB

THÍ NGHIỆM TRÊN BỆ THỬ

Mục tiêu thí nghiệm

Mục tiêu chính của thí nghiệm này là xác định đặc tính mômen phanh của phanh từ trường (MRB) theo cường độ dòng điện và số vòng quay Kết quả thí nghiệm sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu quả của phanh MRB, làm cơ sở cho việc ứng dụng MRB vào các hệ thống phanh thực tế Để đạt được các mục tiêu trên, thí nghiệm sẽ đo các thông số sau:

• Lực cản sinh ra trên vỏ động cơ: Lực cản này được tạo ra bởi mômen hãm của phanh MRB

• Số vòng quay của trục đĩa phanh: Số vòng quay của trục đĩa phanh được đo bằng cảm biến vận tốc

• Cường độ cường độ dòng điện cấp cho phanh MR: Cường độ cường độ dòng điện cấp cho phanh MR được điều chỉnh bằng bộ điều khiển

Thí nghiệm được tiến hành trên bệ thử phanh MRB, được thiết kế để mô phỏng chính xác điều kiện hoạt động thực tế của hệ thống phanh Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể thu thập dữ liệu đáng tin cậy và chính xác, phục vụ cho mục đích nghiên cứu.

Thiết kế chế tạo bệ thử phanh dầu từ trường

4.2.1 Yêu cầu của bệ thử

Bệ thử phanh MR là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh từ trường Bệ thử cần đảm bảo các yêu cầu sau:

• Kết cấu vững chắc, ổn định:

Bệ thử cần được chế tạo từ các vật liệu có độ bền cao, đảm bảo độ cứng vững, hạn chế tối đa sự rung lắc trong quá trình vận hành Vì vậy, nghiên cứu sử dụng hệ thống khung nhôm định hình, các khớp nối, ổ bi, bu lông đạt tiêu chuẩn để gia công bệ Điều này giúp cho kết quả đo được chính xác, không bị nhiễu Ngoài ra, cần bố trí thiết bị cảnh báo an toàn khi quá tải trên bệ để tránh các hư hỏng do quá tải gây ra

Bệ thử cần được trang bị các thiết bị đo lường có độ chính xác cao, đảm bảo thu được các dữ liệu chính xác phục vụ cho nghiên cứu Cụ thể độ chính xác của các thông số đo đạc cần đạt được như sau:

* Lực cản sinh ra trên vỏ động cơ: ± 0,1% N;

* Nhiệt sinh ra trên vỏ MRB: ± 0,5 °C;

* Số vòng quay của trục đĩa phanh: ± 0,01 vòng/phút

• Khả năng tái lập điều kiện thực tế:

Bệ thử cần có khả năng tái lập các điều kiện thực tế của hệ thống phanh trong phạm vi cho phép, bao gồm mômen phanh, vận tốc quay, cường độ dòng điện cấp cho phanh, nhiệt độ của phanh Do đó, bệ thử được lắp các cảm biến nhằm đo nhiệt độ trên vỏ phanh, cảm biến lực nhằm xác định mômen phanh sinh ra, bộ cấp dòng và động cơ lai bước dẫn động trục đĩa phanh

Hệ thống điều khiển của bệ thử cần được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, giúp người vận hành dễ dàng thao tác Bệ thử phanh MR cần có khả năng:

✓ Đo mômen phanh: Đây là chức năng quan trọng nhất của bệ thử phanh

✓ Điều khiển vận tốc quay: Bệ thử cần có khả năng điều khiển vận tốc quay của động cơ, từ đó thay đổi vận tốc quay của đĩa phanh

✓ Thay đổi cường độ dòng điện cấp cho phanh: Cường độ dòng điện cấp cho phanh là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mômen

104 phanh sinh ra Do đó, bệ thử cần có khả năng thay đổi cường độ dòng điện cấp cho phanh

✓ Đo và kiểm soát nhiệt độ: Cần đo nhiệt độ của phanh để đảm bảo không vượt quá giới hạn về vùng nhiệt độ làm việc cho phép của dầu MR Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một cặp nhiệt điện trên bề mặt của phanh và so sánh giá trị với nhiệt độ làm việc của phanh

Bệ thử phanh MR là thiết bị thiết yếu trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh từ trường Thiết kế bệ thử phải đáp ứng yêu cầu về kết cấu vững chắc, độ chính xác cao, khả năng tái hiện điều kiện vận hành thực tế, hệ thống điều khiển hiệu quả và đầy đủ các chức năng cần thiết.

4.2.2 Cấu tạo bệ thử phanh MRB

Cấu tạo bệ thử phanh MR được thể hiện trong hình ảnh dưới đây:

Hình 4.1 Cấu tạo bệ thử phanh MRB

Theo hình 4.1 có thể thấy bệ thử được cấu tạo gồm các thành phần chính sau:

• Động cơ bước: Động cơ bước được lựa chọn có mômen xoắn cực đại

20 Nm, số vòng quay từ 600 đến 1500 vòng/phút

• Hộp số: Hộp số có tỷ số truyền bằng 10, được sử dụng để tăng mômen xoắn và giảm vận tốc quay của động cơ

• Khớp nối mềm: Khớp nối mềm được sử dụng để tạo sự đồng tâm giữa trục quay của đĩa phanh với trục đầu ra của hộp số

• Phanh MR: Phanh MR là thiết bị chính để tạo ra mômen hãm xuất hiện trên vỏ động cơ

• Cảm biến lực: Cảm biến lực được sử dụng để đo lực cản sinh ra trên vỏ động cơ Phạm vi đo nằm trong khoảng 0- 50N với sai số 0.03% Nguyên lý đo của cảm biến này là hiển thị lực tác động thông qua sự thay đổi ứng suất sinh ra trên bề mặt cảm biến

• Cảm biến nhiệt: Cảm biến nhiệt này là loại nhiệt điện trở một đầu cố định với vỏ phanh, một đầu kết nối với mạch đo, có dải đo rộng, phù hợp để đo nhiệt sinh ra trên vỏ MRB trong phạm vi phòng thí nghiệm

Hình 4.3 Cảm biến nhiệt một đầu cố định

Ngoài các thiết bị chính lắp trên bệ kể trên, các mạch điều khiển, thông số, nguyên lý làm việc của các thiết bị được trình bày cụ thể ở Phụ lục 4A, 4B của nghiên cứu này

Tóm lại, bệ thử được thiết kế và chế tạo đáp ứng các yêu cầu đặt ra Bệ thử có thể sử dụng để xác định đặc tính mômen phanh MRB theo cường độ dòng điện và số vòng quay một cách chính xác

4.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của bệ thử

Phanh dầu từ trường MR là một loại phanh điện từ sử dụng dầu MR làm môi chất truyền lực Dầu MR là một loại chất lỏng có độ nhớt thay đổi theo từ trường Khi cấp cường độ dòng điện cho các cuộn dây của phanh MR, từ trường sẽ sinh ra trong các cuộn dây Từ trường này tác dụng lên các hạt sắt trong dầu MR, làm thay đổi độ nhớt của dầu MR Sự thay đổi độ nhớt của dầu MR sẽ tạo ra mômen cản, làm giảm vận tốc quay của đĩa phanh

Trạng thái khởi động – chưa cấp dòng: Trong trạng thái khởi động, chưa cấp dòng cho phanh MR, mômen cản được tạo ra bởi độ nhớt bản thân của dầu MR Mômen cản này tác dụng lên phần vỏ động cơ, thông qua cánh tay đòn sẽ tì lên cảm biến lực Cảm biến này sẽ xác định được giá trị mômen cản

Khi cấp dòng điện cho phanh MR, từ trường sinh ra từ cuộn dây tác động lên các hạt sắt trong dầu MR, làm thay đổi độ nhớt của dầu Sự thay đổi này tạo ra mômen cản bổ sung, tăng tổng mômen cản của phanh và làm giảm vận tốc quay của đĩa phanh.

Quy trình thí nghiệm trên bệ

• Cắm điện cho bệ thử phanh MR và máy tính

• Khởi động máy tính và phần mềm điều khiển

• Cài đặt các thông số thí nghiệm, bao gồm: o Vận tốc quay của động cơ; o Cường độ dòng điện cấp cho phanh MR

• Kiểm tra các thiết bị đo lường, đảm bảo các thiết bị hoạt động bình thường Một số lưu ý khi thực hiện thí nghiệm:

• Cần đảm bảo các thiết bị đo lường hoạt động bình thường trước khi tiến hành thí nghiệm;

• Cần theo dõi các thông số đo lường trong quá trình thí nghiệm để đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành;

• Cần ghi lại các kết quả thí nghiệm một cách đầy đủ và chính xác;

• Cần tiến hành bảo dưỡng bệ thử phanh MR sau khi kết thúc thí nghiệm để đảm bảo bệ thử hoạt động tốt trong các lần thí nghiệm tiếp theo

Thí nghiệm được tiến hành theo 2 chế độ:

• Chế độ thử nghiệm 1: Thay đổi cường độ cường độ dòng điện ở một giá trị số vòng quay không đổi;

• Chế độ thử nghiệm 2: Thay đổi số vòng quay khi cố định cường độ cường độ dòng điện

Xác định mômen phanh MRB sinh ra khi thay đổi cường độ dòng điện cấp cho phanh MR Các bước tiến hành TN gồm: a Chuẩn bị

• Chọn vận tốc quay của động cơ: 1500 v/phút

• Cài đặt cường độ dòng điện cấp cho phanh MR: 0 A: 0,25 A:1.5 A b Tiến hành thí nghiệm

• Nhấn nút "Bắt đầu" để bắt đầu thí nghiệm;

• Theo dõi các thông số đo lường;

✓ Vận tốc quay của động cơ;

• Kiểm soát nhiệt độ của phanh MR; c Ghi kết quả thí nghiệm

• Ghi lại các thông số đo lường cho từng giá trị cường độ dòng điện cấp cho phanh MR

Đặc tính mômen phanh của hệ thống phanh từ trường (MRB) được đo trong điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 25-27°C Để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo, thiết bị phanh MR phải được kiểm soát và duy trì trong vùng nhiệt độ từ -40°C đến 150°C, nơi dầu MR hoạt động ổn định.

Xác định mômen phanh MRB sinh ra khi thay đổi số vòng quay động cơ Các bước chính gồm: a Chuẩn bị: Cài đặt cường độ dòng điện cấp cho phanh MR: 1.5A b Tiến hành thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm với các số vòng quay động cơ: 0 v/ph:

Trong mỗi lần thí nghiệm, thực hiện các công việc sau:

• Nhấn nút "Bắt đầu" để bắt đầu thí nghiệm

• Theo dõi các thông số đo lường:

✓ Vận tốc quay của động cơ

• Kiểm soát nhiệt độ của phanh MR c Ghi kết quả thí nghiệm: Ghi lại các thông số đo lường ở mỗi giá trị số vòng quay của phanh MR.

Phương pháp đo và xử lý dữ liệu

Mômen phanh của phanh dầu từ trường MR được đo bằng cảm biến lực dạng nén Cảm biến lực dạng nén là một bộ chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên việc đo biến dạng của thân cảm biến khi chịu tải Sự biến dạng này được các cảm biến biến dạng phát hiện và chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu điện này tỷ lệ thuận với lực hoặc trọng lượng ban đầu Để đo mômen phanh, cảm biến lực dạng nén được gắn vào trục của phanh Khi phanh hoạt động, mômen phanh sẽ tác động lên trục của phanh và gây ra biến dạng cho thân cảm biến Tín hiệu điện từ cảm biến được ghi lại theo thời gian thực Kết quả của 1 lần đo là trung bình của 125 điểm đo cụ thể Kết quả đo được ghi lại ở dạng file Excel

Việc xử lý dữ liệu được thực hiện qua phần mềm Matlab Phần mềm Matlab sẽ sử dụng tín hiệu điện từ cảm biến để tính toán và vẽ các đồ thị đặc tính phanh MR

4.4.1 Phương pháp quy đổi và hiển thị

Phương pháp quy đổi và hiển thị mômen phanh MR khi thí nghiệm trên bệ thử có thể được thực hiện như sau: a) Chuẩn bị:

✓ Cảm biến lực DYLF-102 (số 231216)

✓ Bộ khuếch đại tín hiệu (nếu cần)

✓ Vôn kế hoặc bộ hiển thị

✓ Tải trọng chuẩn (các quả tạ, mỗi quả 5 kg) b) Quy đổi lực tác động thành mômen phanh

Lực tác dụng lên loadcell được tính bằng công thức:

Trong đó: F: Lực (kg); Vout: Điện áp đầu ra (V) khi có tải; Vnoload: Điện áp đầu ra (V) khi không tải; Gain: Độ khuếch đại tín hiệu (nếu sử dụng bộ khuếch đại); Sensitivity: Độ nhạy của loadcell (2.0 mV/V) c) Quy đổi mômen xoắn tác động thành mômen phanh MR

Mômen phanh MR sinh ra được xác định qua lực tác động lên cảm biến lực

Do đó, mômen phanh MR được tính theo công thức: 𝑇 ⬚ = 𝑀 𝑐𝑏 = F*l; với l là chiều dài đòn dẫn từ vỏ động cơ đến điểm tì lên cảm biến lực

Mômen phanh MR được hiển thị trên màn hình của hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển sẽ tính toán mômen phanh MR theo công thức trên và hiển thị trên màn hình Để đảm bảo tính chính xác, cần thực hiện thí nghiệm nhiều lần với các giá trị lực tác động khác nhau để xây dựng đồ thị quan hệ giữa lực tác động và tín hiệu điện trở Ngoài ra, cần sử dụng cảm biến độ nhạy cao để có thể đo được các lực tác động nhỏ và đảm bảo độ cứng của cánh tay đòn để tránh sai lệch kết quả đo do biến dạng của cánh tay đòn

4.4.2 Phương pháp xử lý dữ liệu

Các bước xử lý dữ liệu khi tiến hành thí nghiệm đo mômen phanh trên bệ thử phanh dầu MR bao gồm:

• Import dữ liệu đo từ cảm biến mômen xoắn vào phần mềm máy tính

• Chỉnh sửa dữ liệu đo, loại bỏ các giá trị sai lệch

• Tính toán mômen phanh theo công thức trên

• Phân tích dữ liệu để xác định đặc tính mômen phanh của phanh dầu từ trường MR

Một số lưu ý khi xử lý dữ liệu:

• Cần loại bỏ các giá trị sai lệch gây nhiễu trong dữ liệu đo Các giá trị sai lệch có thể do lỗi của thiết bị đo hoặc do các yếu tố khác gây ra

• Cần kiểm tra tính thống nhất của dữ liệu đo Dữ liệu đo cần thống nhất về khoảng thời gian, vận tốc quay của động cơ và cường độ dòng điện cấp cho phanh MR

• Cần sử dụng phần mềm máy tính phù hợp để xử lý dữ liệu Phần mềm máy tính cần đáp ứng các yêu cầu về tính chính xác, độ tin cậy và tiện dụng

4.4.3 Quy trình calip bệ thử phanh MRB

Quy trình Calip bệ thử phanh MRB là một quá trình quan trọng để đảm bảo rằng phanh MRB hoạt động chính xác và hiệu quả Quy trình này bao gồm các bước sau:

• Chuẩn bị bệ thử phanh: Bệ thử phanh phải được làm sạch và bôi trơn các ổ trục, khớp nối trước khi bắt đầu căn chỉnh

• Lắp đặt phanh MRB Phanh MRB phải được lắp đặt chính xác theo hướng dẫn của nhà sản xuất, thông qua các vị trí bulong định vị được lấy dấu

• Căn chỉnh khoảng cách trục Khoảng cách trục là khoảng cách giữa hai trục của phanh MRB Khoảng cách này phải được căn chỉnh chính xác để đảm bảo rằng phanh hoạt động hiệu quả

• Căn chỉnh độ lệch trục đĩa phanh với trục đầu ra của hộp số thông qua khớp nối mềm Độ lệch trục phải được căn chỉnh chính xác để đảm bảo rằng phanh hoạt động êm dịu, hạn chế các dao động cưỡng bức, rung giật trong quá trình vận hành đặc biệt ở vận tốc cao

Việc chuẩn bị bệ thử phanh trước tiên là làm sạch bệ thử phanh bằng dung dịch tẩy rửa nhẹ Sau đó, dùng dầu máy hoặc chất bôi trơn khác để bôi trơn các bề mặt tiếp xúc của bệ thử phanh Kiểm tra các đầu giắc kết nối nguồn điện, kết nối với phần mềm điều khiển trên máy tính

Việc lắp đặt phanh MRB bao gồm: Lắp các trục của phanh MRB vào các lỗ trên bệ thử phanh, siết chặt các bu lông giữ phanh MRB Kiểm tra lại để đảm bảo rằng phanh MRB được lắp đặt chắc chắn

Căn chỉnh khoảng cách trục phanh MRB là một quy trình gồm nhiều bước đảm bảo hiệu suất tối ưu Đầu tiên, sử dụng thước đo để xác định khoảng cách giữa hai trục phanh Tiếp theo, điều chỉnh khoảng cách sao cho đúng thông số kỹ thuật do nhà sản xuất quy định Cuối cùng, kiểm tra lại để đảm bảo khoảng cách đã được căn chỉnh chính xác, góp phần vào hoạt động hiệu quả và an toàn của hệ thống phanh.

Ngoài ra, việc căn chỉnh độ lệch trục được thực hiện bằng việc sử dụng thước đo để đo độ lệch của một trục so với trục kia Điều chỉnh độ lệch trục sao cho phù hợp với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất Cần kiểm tra lại để đảm bảo độ lệch trục được căn chỉnh chính xác

Kết quả thí nghiệm

4.5.1 Xác định đặc tính mômen phanh – số vòng quay của bộ MRB

Kết quả nhận được trong một lần đo ở chế độ thử nghiệm 2 được thể hiện trong hình 4.4

Hình 4.4 Đồ thị đặc tính mômen phanh MRB - số vòng quay

Theo đồ thị hình 4.4, đặc tính mômen phanh của bộ MRB có thể được mô tả như sau:

• Mômen phanh có xu hướng tăng dần khi số vòng quay của đĩa phanh tăng lên Điều này là do khi số vòng quay của động cơ tăng lên, vận tốc quay của chất lỏng MR cũng tăng lên Trong khi đó, ứng suất nhớt của chất lỏng MR tỉ lệ thuận với vận tốc quay trục roto, dẫn đến tăng mômen phanh

• Mômen phanh của phanh MRB đạt giá trị lớn nhất khoảng 43 Nm ở số vòng quay 150 vòng/phút

Một số lưu ý khi phân tích kết quả thí nghiệm:

• Để đảm bảo tính chính xác, cần thực hiện thí nghiệm nhiều lần với các giá trị số vòng quay khác nhau Điều này giúp loại bỏ các giá trị sai lệch trong dữ liệu đo

• Cần kiểm tra tính đồng bộ của dữ liệu đo theo hàm thời gian Dữ liệu đo cần thống nhất về khoảng thời gian, cường độ dòng điện cấp cho bộ MRB và các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến đặc tính mômen phanh

Số vòng quay đĩa phanh (v/ph)

Dựa vào đồ thị, có thể thấy sự phân tán của các điểm đo có sai số là 4,6%, cho biết kết quả thí nghiệm đạt được độ chính xác chấp nhận được Điều này chứng tỏ phương pháp thí nghiệm và quá trình thực hiện đã được thực hiện cẩn thận, đảm bảo độ tin cậy cho kết quả thu được, tạo cơ sở vững chắc cho các phân tích và diễn giải tiếp theo.

• Ảnh hưởng của độ nhớt dầu MR: Độ nhớt của dầu MR cũng có thể ảnh hưởng đến đặc tính mômen phanh của bộ MRB Nếu độ nhớt của dầu MR lớn hơn, mômen phanh tối đa của bộ MRB sẽ lớn hơn Do đó cần kiểm tra tình trạng dầu MR trước khi đưa vào thí nghiệm để tránh hiện tượng đông đặc hoặc lắng cặn

Kết quả thí nghiệm cho thấy đặc tính mômen phanh của bộ MRB là phù hợp với nguyên lý hoạt động của bộ MRB, cũng như kết quả mô phỏng ở chương 3 Khi số vòng quay của động cơ tăng lên, vận tốc dòng chảy của dầu MR trong cuộn dây tăng lên, từ đó làm tăng mômen phanh Tuy nhiên, mômen phanh có giá trị tối đa tại một số vòng quay nhất định, và sau đó có thể suy giảm nếu thiết bị đo không đảm bảo đủ độ vững chắc khi hoạt động ở vận tốc cao Để đánh giá đầy đủ đặc tính mômen phanh của bộ MRB, cần thực hiện thí nghiệm với nhiều giá trị cường độ dòng điện cấp cho bộ MRB và độ nhớt của dầu MR khác nhau Điều này sẽ giúp xác định được ảnh hưởng của các yếu tố này đến đặc tính mômen phanh của bộ MRB

4.5.2 Xác định đặc tính mômen phanh - cường độ cường độ dòng điện của bộ MRB

Hình 4.5 Đồ thị đặc tính mômen phanh MRB - cường độ cường độ dòng điện cấp cho phanh MRB (n0 v/ph)

114 Kết quả thử nghiệm ở số vòng quay 150 vòng/ph cho thấy bệ hoạt động ổn định, không bị rung lắc hay phát ra tiếng rít Do đó, nghiên cứu đã tiến hành đo mômen phanh khi thay đổi cường độ dòng điện từ 0 đến 1,5A ở vận tốc 150 vòng/ph Kết quả được thể hiện trong hình 4.5 cho thấy:

• Mômen phanh tăng dần theo cường độ cường độ dòng điện cấp cho bộ MRB Điều này là do khi cường độ dòng điện cấp cho bộ MRB tăng lên, từ trường sinh ra trong cuộn dây của bộ MRB cũng tăng lên Từ trường tăng lên sẽ làm tăng lực tương tác giữa dầu MR và cuộn dây, từ đó làm tăng mômen phanh

• Mômen phanh có giá trị tối đa tại một cường độ dòng điện nhất định Giá trị tối đa của mômen phanh phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước của cuộn dây, độ nhớt của dầu MR và điện áp cấp cho cuộn dây Để đánh giá đầy đủ đặc tính mômen phanh-cường độ dòng điện của bộ MRB, cần tiến hành thí nghiệm ở nhiều vận tốc động cơ điện khác nhau Kết quả tổng hợp được thể hiện trong đồ thị 4.6

Hình 4.6 Đồ thị kết quả thực nghiệm mômen phanh MRB khi thay đổi cường độ dòng điện ở các số vòng quay đĩa phanh khác nhau

Kết quả thí nghiệm cho thấy đặc tính mômen phanh-cường độ dòng điện của bộ MRB là phù hợp với nguyên lý hoạt động của bộ MRB Khi cường độ dòng điện cấp cho bộ MRB tăng lên, từ trường sinh ra trong cuộn dây tăng lên, từ đó làm tăng mômen phanh Để đánh giá đầy đủ đặc tính mômen phanh-cường độ dòng điện của

115 bộ MRB, cần thực hiện thí nghiệm ở số vòng quay lớn hơn để phù hợp với điều kiện làm việc thực tế trên ô tô

4.5.3 Kết quả đánh giá sai số giữa thí nghiệm và mô phỏng

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho mômen phanh của cơ cấu phanh MR được thể hiện trong đồ thị phía dưới hình 4.7 Có thể thấy rằng, các kết quả khá phù hợp với đặc tính lý thuyết ở vùng vận tốc thấp (dưới 150 vòng quay/phút)

Hình 4.7 Kết quả đánh giá mômen phanh MRB mô phỏng và thực nghiệm ở các số vòng quay khác nhau khi thay đổi cường độ dòng điện

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho mômen phanh của cơ cấu phanh MR được thể hiện trong bảng 4.3 và hình 4.7 Có thể thấy rằng, sai số giữa hai kết quả này tương đối nhỏ, dao động từ 4.6% đến 9.48%

Sai số lớn nhất xảy ra ở cường độ dòng điện 0,4A và tốc độ quay 25 vòng/phút, với giá trị là 9,48% Nguyên nhân của sai số này được cho là do ảnh hưởng của mômen nhớt động của chất lỏng MR Khi cường độ dòng điện nhỏ, mômen nhớt động có thể chiếm ưu thế so với mômen hãm do từ trường tạo ra, khiến sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm tăng lên.

Sai số nhỏ nhất xảy ra ở cường độ dòng điện 1A và số vòng quay 150 vòng/phút, với giá trị là 4.6% Sai số này có thể được giải thích là do khi cường độ dòng điện tăng, mômen phanh TH bắt đầu chiếm ưu thế so với mômen cản do nhớt động gây nên Ngoài ra, hệ thống cũng bắt đầu hoạt động ở trạng thái ổn định, điều này cũng góp phần giảm sai số

116 Nhìn chung, sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm cho mômen phanh của cơ cấu phanh MR là nhỏ, cho thấy mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao Tuy nhiên, vẫn có một số nguyên nhân có thể làm tăng sai số, có thể kể đến như: lực cản cơ khí, các thông số của mô hình lý thuyết, điều kiện vận hành của mô hình lý thuyết chưa phù hợp với điều kiện thực tế Lực cản cơ khí này sẽ làm giảm mômen phanh thực tế của hệ thống Các thông số của mô hình lý thuyết như độ nhớt dầu MR, độ dày màng dầu MR… chưa được xác định chính xác Các điều kiện vận hành của mô hình lý thuyết chưa phù hợp với điều kiện thực tế

Bảng 4.3: Kết quả đánh giá sai số giữa mô phỏng và thí nghiệm

Số vòng quay n MRB (v/ph)