Nghiên cứu tải trọng động cho thiết kế hệ thống truyền lực ô tô tải thông dụng sản xuất tại Việt Nam (TT)

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tải trọng cực đại sinh ra trong HTTL ô tô tải loại 3 tấn sản xuất tại Việt Nam trong các điều kiện sử dụng cụ thể là khởi hành xe với các tốc độ đóng ly h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Giao Tiến

NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG ĐỘNG

CHO THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ TẢI THÔNG DỤNG SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2016

Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

TS Nguyễn Thanh Quang

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

I GIỚI THIỆU LUẬN ÁN:

1 Tính cấp thiết của luận án:

Ngành công nghiệp ô tô trong nước mới chỉ tập trung vào sản xuất, lắp ráp Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các

hệ thống cho ô tô có chất lượng cao thì cần phải có đầu tư cho nghiên cứu phát triển Trong đó, một trong những ưu tiên hàng đầu cần dành cho việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo các bộ phận trong HTTL

2 Mục đích của luận án là:

Nghiên cứu các chế độ tải trọng nguy hiểm tác dụng lên HTTL

ô tô phục vụ cho việc tính toán thiết kế ô tô

3 Nhiệm vụ của luận án:

- Khảo sát, đánh giá chung về ngành công nghiệp ô tô Việt Nam hiện nay, trong đó có lĩnh vực sản xuất ô tô tải, các vấn đề trong thiết

kế và chế tạo các cụm chi tiết trong HTTL, từ đó xác định được vị trí, vai trò và tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu của luận án đối với thực tế sản xuất ô tô tải thông dụng tại Việt Nam

- Nghiên cứu chung về các dạng tải trọng nguy hiểm tác dụng lên HTTL ô tô cũng như tìm hiểu về các công trình nghiên cứu về tải trọng động trong HTTL ô tô hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới, xác định vấn đề cần nghiên cứu, từ đó lựa chọn được phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu phù hợp cho luận án, đặc biệt

là trong điều kiện khó khăn của Việt Nam như hiện nay

4 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là ô tô tải thông dụng với mẫu xe tham khảo cụ thể là ô tô tải tự đổ có tải trọng 3 tấn, nhãn hiệu LIFAN 3070G1 được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam

5 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu tải trọng cực đại sinh ra trong HTTL ô tô tải loại 3 tấn sản xuất tại Việt Nam trong các điều kiện sử dụng cụ thể là khởi hành xe với các tốc độ đóng ly hợp khác nhau và với các mức chở tải khác nhau

2

6 Phương pháp nghiên cứu:

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

Phần nghiên cứu lý thuyết là sử dụng các mô hình khác nhau cho từng nội dung cụ thể để mô phỏng HTTL, tính toán xác định tải trọng cực đại, khảo sát các thông số ảnh hưởng

Phần nghiên cứu thực nghiệm, Luận án thực hiện đo mô men xoắn cực đại trên trục các đăng khi khởi hành xe trong các điều kiện khác nhau Kết quả thực nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy

và độ chính xác của mô hình tính toán

7 Những kết quả mới của luận án:

- Xác định các thông số tính toán HTTL, đánh giá khả năng cộng hưởng và hiệu chỉnh các thông số kết cấu (nếu cần) nhằm tránh cộng hưởng ở các chế độ làm việc đặc trưng

- Xây dựng mô hình và tính toán xác định mô men xoắn cực đại (thông qua hệ số tải trọng động) có thể xuất hiện ở các tay số

- Xây dựng mô hình mô phỏng HTTL bằng sơ đồ mạng liên kết (Bond graph) để tính toán, khảo sát các thông số ảnh hưởng tới giá trị tải trọng cực đại xuất hiện trong HTTL

- Lựa chọn phương pháp thí nghiệm hợp lý để đo tải trọng động trong HTTL khi xe khởi hành ở các điều kiện khác nhau Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng với sai số chấp nhận được

8 Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng được phương pháp xác định tải trọng động trong HTTL ô tô tải thông dụng, làm cơ sở cho việc lựa chọn hợp lý các thống số khi tính toán, thiết kế HTTL ô tô tải tại Việt Nam

- Kết quả của luận án với bộ thông số về các chế độ tải trọng động của xe tham khảo có thể sử dụng làm cơ sở khoa học để thiết kế

và tối ưu hóa HTTL của các ô tô tải cùng loại, góp phần hoàn thiện quy trình thiết kế các bộ phận chính của HTTL

- Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất xe tải tại Việt Nam khi nghiên cứu, tính toán thiết kế mới cũng như đánh giá HTTL của xe ô tô tải cùng loại

Hình 3.1 Mô hình 3D (SolidWorks) hệ thống truyền lực ô tô tải

2 Nghiên cứu khả năng cộng hưởng và hiệu chỉnh các thông

số kết cấu của HTTL

2.1 Xác định tần số dao động riêng của HTTL

Để đánh giá khả năng xảy ra cộng hưởng của HTTL với nguồn kích thích của mô men động cơ cần thiết phải xác định các tần số riêng của hệ thống và tần số kích thích của động cơ Luận án sử dụng mô hình 5 khối lượng với 4 khâu đàn hồi để tính toán tần số riêng của HTTL [43, 48] như trên hình 3.4 Kết quả tính toán tần số riêng của HTTL ở các tay số được thể hiện ở bảng 3.2

Hình 3.4 Mô hình tính toán tần số riêng với 4 khâu đàn hồi

4

Trong đó: Ii (i = 1 ÷ 5) lần lượt là mô men quán tính quy dẫn của động cơ và phần chủ động của ly hợp; phần bị động ly hợp, hộp

số và các đăng; cầu chủ động; các bánh xe; khối lượng tịnh tiến của ô

tô E1 là hệ số đàn hồi của ly hợp, E2- của hộp số và các đăng; E3- của bán trục và E4- của lốp

Bảng 3.2 Tần số dao động riêng của HTTL

2.2 Xác định tần số kích thích của mô men động cơ

Mô men xoắn của động cơ chính là hàm kích thích tác động vào HTTL có thể được mô tả bằng tổng của vô số hàm điều hòa thông qua phổ với các tần số góc là iω nhờ phân tích Fourier (công thức 3.14):

M"= M$+ . M'sin iωt + φ'

Kết qủa tính toán (bảng 3.4) xác định được tần số của 04 hàm điều hoà đầu tiên của mô men động cơ ở đặc tính ngoài tương ứng với hai chế độ làm việc đặc trưng của động cơ là chế độ mô men cực đại

Memax và chế độ suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất gemin

Bảng 3.4 Tần số và pha của các hàm điều hoà đến hài số 4

Chế

độ

Vận tốc góc (v/p)

5

2.3 Đánh giá khả năng cộng hưởng

Từ kết quả tính toán ở mục 2.1 và 2.2 ta thấy, khi động cơ hoạt động ở chế độ mô men cực đại Memax (2000 v/ph) thì không xảy ra hiện tượng cộng hưởng Ở chế độ suất tiêu hao nhiên liệu bé nhất gemin (2300 v/ph) thì khả năng cộng hưởng có thể xảy ra ở tay số 3 do tần số góc đầu tiên của động cơ (481,7 rad/s) rất gần với tần số riêng thứ ba của HTTL ở tay số này (475,248 rad/s)

Để tránh nguy cơ xảy ra cộng hưởng cần thay đổi các thông

số kết cấu của HTTL, trong đó giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất là thay đổi độ cứng của các lò xo giảm chấn trong ly hợp

2.4 Hiệu chỉnh các thông số để tránh cộng hưởng

Mục đích của bài toán là xác định độ cứng C1 của khâu đàn hồi

E1 (chứa các lò xo giảm chấn) sao cho tất cả các tần số riêng của HTTL (ở mọi tay số) tránh xa các tần số kích thích của mô men động cơ ở chế độ gemin

Kết quả tính toán trong bảng 3.5 tương ứng với giá trị C1 = 8230 Nm/rad, khi đó tần số góc của dao động riêng thứ ba ở tay số 3 giảm xuống còn 471,3 rad/s, cách xa tần số góc 481,7 rad/s của mô men động cơ, đồng thời các tần số riêng khác ở tất cả các tay số cũng không trùng với các tần số kích thích của động cơ ở chế độ gemin

Bảng 3.5 Kết quả tính toán tần số dao động riêng

3 Tính toán tải trọng cực đại trong HTTL

3.1 Xây dựng mô hình tính toán

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán tải trọng cực đại trong HTTL

Trong đó: Ii (i = 1 ÷ 5) lần lượt là khối lượng quán tính quy dẫn

về trục các đăng các cụm chi tiết: bánh đà và phần chủ động của ly hợp; phần bị động của ly hợp; các chi tiết của HTTL; các bánh xe chủ động; khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô E là hệ số đàn hồi của trục các đăng Các ly hợp L1 và L2 lần lượt mô tả ly hợp của ô tô

và tương tác giữa bánh xe với mặt đường

3.2 Tính toán tải trọng động cực đại trong HTTL

3.2.1 Phương pháp tính toán

Để tính toán tải trọng (mô men xoắn) cực đại xuất hiện trong HTTL người ta coi hệ thống chịu tác động tức thời của mô men ma sát của ly hợp Tải trọng cực đại trong HTTL ở mỗi trường hợp phụ thuộc vào trạng thái làm việc của các ly hợp L1 và L2 và tương quan giữa vận tốc góc giới hạn của đĩa ly hợp (ω2max) với vận tốc góc của bánh

đà (ω1max) Trạng thái của các ly hợp này được mô tả bằng số 0 và số

1 Số 0 tương ứng với trường hợp ly hợp dính, còn số 1 thể hiện ly hợp

bị trượt Mô men xoắn trong HTTL tương ứng với các trường hợp trượt ly hợp L1 và L2 được ký hiệu 1230và 1234 Mô men 1567 là

mô men quy dẫn cực đại (quy về hoặc trục các đăng) Kết quả phân tích các trường hợp để tính toán tải trọng động cực đại trong HTTL được thể hiện ở Bảng 2.1 Với các điều kiện tính toán khác nhau, ta thu được kết quả tính toán theo các trường hợp khác nhau

là mô men cực đại xuất hiện trên trục các đăng, giá trị tải trọng động được đánh giá thông qua hệ số tải trọng động Kd = Mmax/Memax

8

Kết quả trong bảng 3.6 cho thấy, ở các tay số 1 và số 2 mô men cực đại được tính theo trường hợp B3 (L1 = 0, L2 = 1) Nghĩa là, ly hợp không kịp trượt, còn bánh xe chủ động thì trượt quay trên đường Ở các tay số còn lại, mô men cực đại đạt được khi ly hợp trượt, trong khi các bánh xe chủ động không trượt (trường hợp A2)

Bảng 3.6 Hệ số tải trọng động cực đại ở chế độ không tải

Hiện tượng các bánh xe chủ động bị trượt ở các tay số 1 và 2 là

do các tay số này có tỷ số truyền lớn sinh ra mô men tại bánh xe vượt quá mô men bám

Bảng 3.7 Hệ số tải trọng động cực đại ở chế độ 100% tải

ly hợp đều trượt)

Khi ô tô chở quá tải tới 150%, kết quả trong bảng 3.8 cho thấy giá trị mô men cực đại tăng mạnh ở các tay số 1 và 2 so với các trường hợp đã xét trên đây, trong khi ở các tay số còn lại các kết quả không khác biệt nhiều Các trường hợp tính toán giống với khi xe chở đủ tải theo định mức

Hình 3.12 Hệ số tải trọng động ở các chế độ tải khác nhau

Có thể nhận thấy rằng, ở cả ba chế độ tải trọng của ô tô, hệ số tải trọng động tăng dần theo tay số và theo mức tải của ô tô Tuy nhiên,

hệ số Kd không thay đổi nhiều ở 3 số cuối

10

4 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số tới tải trọng động trong HTTL

4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng HTTL

Có thể xây dựng mô hình mô phỏng động lực học HTTL bằng nhiều phương pháp [42] Tại nghiên cứu này, NCS ứng dụng phương pháp mạng liên kết (Bond graph Method) để mô tả dòng công suất của HTTL [39, 28,38, 27, …], từ đó thiết lập hệ các phương trình mô tả động lực học của HTTL

4.1.1 Phương pháp mạng liên kết

a) Xây dựng sơ đồ mạng liên kết hệ thống

Phương pháp mạng liên kết được xây dựng dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng Mạng liên kết của một hệ thống vật lý (Hình 2.1) được cấu thành bởi các “phần tử” (A, B), các các liên kết (Đường nối

P1P2) và “điểm liên kết” (P1, P2)

Hình 2.1 Sơ đồ mạng liên kết

- Phần tử: Thể hiện một đối tượng vật lý (chi tiết cơ khí, các

phần tử trong hệ thống điện, cơ cấu chấp hành thủy lực, …) Các phần

tử cơ bản trong mạng liên kết gồm phần tử quán tính (I), phần tử đàn hồi (C), phần tử cản (R), phần tử chuyển đổi (TF)

- Liên kết: Liên kết mô tả dòng năng lượng và được đặc trưng

bởi giá trị của dòng công suất liên tục được tính bằng tích của các

thông số lực (effort) và dòng (flow) Trong đó, lực thể hiện cường độ của tương tác (điện áp, áp suất chất lỏng, lực,…), dòng thể hiện sự

biến đổi của lượng theo thời gian (cường độ dòng điện, lưu lượng chất lỏng, vận tốc chuyển động của một vật,…)

- Có hai dạng điểm liên kết trong mạng liên kết: điểm liên kết đồng lực (ký hiệu là “0”) là điểm giao nhau của các dòng năng lượng

có cùng lực và điểm liên kết đồng tốc (ký hiệu là “1”) là điểm giao nhau của các dòng năng lượng có cùng giá trị dòng

11

b) Thiết lập hệ phương trình động lực học của hệ thống

Hệ phương trình của các biến trạng thái của hệ thống có dạng:

8 = 98 + :;

Trong đó: x là biến trạng thái của hệ thống, trong nghiên cứu hệ thống chịu xoắn thì biến trạng thái là biến dạng (dịch chuyển) và mô men; A, B là ma trận các hệ số, u là ma trận ngoại lực tác dụng

4.1.2 Xây dựng mô hình HTTL

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến tải trọng động trong HTTL, NCS đã ứng dụng phương pháp mạng liên kết để xây dựng mô hình HTTL phục vụ cho việc khảo sát tải trọng động trong hệ thống

NCS tiến hành phân tích kết cấu và nguyên lý hoạt động của từng cụm chi tiết trong HTTL, từ đó xây dựng sơ đồ mạng liên kết cho từng cụm chi tiết và cho tổng thể HTTL (hình 2.23) Trong mô hình này, các đại lượng như khối lượng quán tính Ii, hệ số độ cứng Ci, hệ

số cản nhớt Bi đặc trưng cho tính đàn hồi của hệ thống Với mỗi liên kết trong HTTL (có chỉ số từ 1 đến 36) ta xác định được các biến lực (mô men hoặc lực) và dòng (vận tốc góc hoặc vận tốc dài) là các thông

số động lực học của mỗi chi tiết (hoặc cụm chi tiết) trong HTTL

Hình 2.23 Sơ đồ mạng liên kết động lực học HTTL

12

Từ sơ đồ mạng liên kết trên hình 2.23, NCS thiết lập hệ các phương trình trạng thái của các phần tử trong HTTL, phương trình cân bằng năng lượng tại các điểm liên kết và từ đó biến đổi về phương

trình của các biến trạng thái của HTTL như sau:

13

Từ 14 phương trình với 14 biến trạng thái trên, NCS đã sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để tính toán, xác định được tất cả các thông số động lực học của các cụm chi tiết trong HTTL, gồm các thông

số mô men, vận tốc góc, biến dạng,…

Các thông số động lực học trên sơ đồ mạng liên kết HTTL hình 2.23 được xác định gồm: M7 và =K, M14 và =0P, M21 và =40lần lượt

là mô men xoắn và vận tốc biến dạng xoắn trên trục sơ cấp hộp số, trục các đăng và bán trục; F26 là lực biến dạng đàn hồi của lốp xe;

=0, =H, =L, =0Q Wà =4F lần lượt là vận tốc góc của các khối lượng quán tính các chi tiết phần bị động của ly hợp, hộp số, cầu chủ động và bánh xe; v26 là vận tốc biến dạng đàn hồi của bánh xe; v29 là vận tốc chuyển động tịnh tiến của xe

4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số tới tải trọng động trong HTTL

a) Các thông số đầu vào của bài toán

- NCS thực hiện bài toán mô phỏng động lực học HTTL với thông số của xe ô tô tải 3 tấn nhãn hiệu LIFAN 3070G1 là đối tượng nghiên cứu của luận án

- Mô men động cơ cực đại Memax = 290Nm, ne = 2000v/p ở đường đặc tính ngoài;

- Mô men ma sát của ly hợp được giả thiết tuân theo quy luật sau: Mc = Mcmax(1 - e- kt);

Trong đó, k là hệ số đặc trưng cho tốc độ đóng ly hợp, được tính theo thời gian đóng ly hợp τc: k = 3/τc , (trong các tính toán khảo sát,

τc = 0,4 s)

Mcmax là mô men ma sát cực đại của ly hợp, được tính như sau:

Mcmax = β.Memax, với β là hệ số dự trữ mô men của ly hợp, được chọn:

14

b) Các thông số khảo sát của bài toán

- Thông số đặc trưng cho kết cấu của hệ thống, bao gồm: khối lượng quán tính, độ cứng xoắn, hệ số dữ trữ của ly hợp Đây là những thông số đặc trưng bởi vật liệu chế tạo, hình dáng và kích thước của các chi tiết trong HTTL Do vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số này tới tải trọng động sẽ góp phần tạo nên cơ sở lý thuyết phục vụ quá trình tính toán, thiết kế HTTL

- Thông số đặc trưng cho điều kiện vận hành của xe như: hệ số cản từ mặt đường, tải trọng của xe

- Thông số đặc trưng cho thao tác của người lái xe như: thời gian đóng ly hợp (hay tốc độ đóng ly hợp), vận tốc động cơ tại thời điểm bắt đầu đóng ly hợp

15

Hình 3.12 Ảnh hưởng của khối

Hình 3.13 Ảnh hưởng của khối lượng

Hình 3.14 Ảnh hưởng của khối

Hệ số cản từ đường