Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ thiết bị đo mô men xoắn và bộ thu phát tín hiệu không dây phù hợp với bố trí chung và khoảng giá trị mô men xoắn trong hệ th
Trang 1NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THIẾT BỊ
ĐO MÔ MEN XOẮN TRONG HỆ THỐNG ĐỘNG TRUYỀN LỰC
XE XÍCH QUÂN SỰ Phạm Trung Kiên 1
, Nguyễn Đình Tuấn 2 , Phan Chánh Hiền 3 , Nguyễn Xuân Dương 4
1 Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email: Kienpt.hvkt@mta.edu.vn / Kienpt.hvkt@gmail.com
2 Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email: tuanduyen6162@gmail.com
3 Công ty TNHH Công nghệ Things Changing Email:hien.phan@thingschanging.com
4 Bộ môn Tăng thiết giáp Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email: Xuanduong.mta@gmail.com
TÓM TẮT:
Hiện nay, thực nghiệm khảo sát động lực học
xe xích quân sự (XXQS) mới chỉ tiến hành đo
được các thông số “động học” (vận tốc, quãng
đường, thời gian) mà chưa đo được các thông số
“lực học” (mô men xoắn, lực kéo) [3], [4] Đo mô
men xoắn động trong dòng lực là công việc hết
sức khó khăn nhưng rất cần thiết để đánh giá chất
lượng động lực học của XXQS Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ thiết bị
đo mô men xoắn và bộ thu phát tín hiệu không dây phù hợp với bố trí chung và khoảng giá trị mô men xoắn trong hệ thống động truyền lực (HTĐTL) XXQS Bộ thiết bị này cũng có thể ứng dụng để đo mô men xoắn trên các trục quay khác
Từ khóa: mô men xoắn; động lực học; thực nghiệm
1 Đặt vấn đề
Để đo được mô men xoắn trong HTĐTL XXQS
thì cảm biến đo phải tham gia vào dòng truyền lực
từ động cơ đến bánh chủ động [1] Trên các loại
XXQS hiện có, việc đặt cảm biến đo mô men
xoắn tiêu chuẩn không thể thực hiện được do bố
trí chung rất sít sao cũng như khoảng giá trị cần
đo rất lớn (khoảng 32 kN.m) [12], [13] Vì vậy, cần
phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến đáp
ứng được các yêu cầu kỹ thuật riêng của
XXQS[8], [9]
Phương pháp chung đo mô men xoắn trên
trục quay là sử dụng cảm biến biến dạng (strain gauge) Dán cảm biến biến dạng lên trục cần đo
và chuyển tín hiệu đo thành tín hiệu điện [11], [15] Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào các yếu tố sau: lựa chọn vị trí đặt strain gauge, tính toán biến dạng của trục đo để lựa chọn strain gauge phù hợp với khoảng giá trị mô men xoắn làm việc trên XXQS, lựa chọn phương án đưa tín hiệu đo vào máy tính để calib, xử lý và hiển thị giá trị đo [5], [8], [17]
2 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ thiết bị đo mô men xoắn
2.1 Xác định vị trí đo, tính toán biến dạng của chi tiết đo trong HTĐTL xe tăng T54b
Trên cơ sở phân tích kết cấu và tính toán dòng
lực từ động cơ đến bánh sao chủ động xe tăng họ
T54/T55, lựa chọn vị trí đo mô men xoắn là khớp
nối giữa trục bị động hộp số và trục chủ động cơ
cấu quay vòng trên sơ đồ HTĐTL họ xe tăng
Trang 2Hình 1 Vị trí đo mô men xoắn trong hệ thống động truyền lực họ xe tăng T54/T55
Tính toán độ biến dạng của khớp nối để lựa
chọn strain gauge phù hợp [16] Trên cơ sở
nghiên cứu kết cấu khớp nối, thiết kế chi tiết 3D,
xác định vật liệu chế tạo khớp nối, sử dụng phần
mềm ANSYS để tính biến dạng của khớp nối khi
chịu mô men xoắn Mô men xoắn tác động lên
khớp nối được tính từ mô men xoắn của động cơ qua hộp truyền lực ghi ta đến đầu ra của trục bị động hộp số Giá trị mô men xoắn tác động lên khớp nối tại các số truyền của hộp số là đầu vào cho quá trình tính toán biến dạng trên phần mềm
và được trình bày trên Bảng 1
Bảng 1 Giá trị mô men xoắn tác động lên khớp nối
TT Số truyền M z (N.m) Biến dạng
(mm)
4 Số truyền 4 1151,15 2,5685.10-2
Giá trị của mô đun đàn hồi xoắn G: 8,11538 x
10^10 Pa, còn giá trị Jp: 43396937,339 mm^4
được tra theo tài liệu [16]
Kết quả cho thấy tính khả thi của phương án
đo biến dạng trên khớp nối Hình 2 trình bày kết quả tính toán biến dạng của khớp nối
Trang 32.2 Lựa chọn Strain gauge
Các phương pháp đo giá trị mô men xoắn trên
trục quay thường được xác định qua biến dạng
của trục quay khi chịu mô men xoắn, thông số
đặc trưng cho biến dạng của trục quay là giá trị
góc xoắn tương đối của trục quay θ Mô men
xoắn Mz trên trục quay được xác định bằng công
thức (1) [2], [6]
Mz = θ.(G.Jp) (1)
trong đó: Mz : Mô men xoắn; G: Mô đun đàn hồi
xoắn; Jp: Mô đun quán tính độc cực
Giá trị (G.Jp) được xác định từ mác vật liệu chế tạo và kích thước của trục quay cụ thể Sử dụng strain gauge để tích hợp thành bộ cầu đủ cân bằng (fullbrigde) dán lên trục quay đo góc xoắn tương đối θ [7], [15], [16], qua đó ta xác định được mô men xoắn Mz
Trên cơ sở tính toán biến dạng, lựa chọn strain gauge là cầu đủ, cân bằng có sơ đồ như Hình 3 [11]
Hình 3 Sơ đồ mạch cầu Full-Bridge Điện áp ra Vo được tính theo công thức:
ex
*
o
R R
V V (2)
trong đó: Vo là điện áp ra, Vex (excitation voltage)
điện áp nguồn nuôi [7] Khi tiến hành calib thì ứng
với mỗi mô men xoắn tác dụng lên trục ta có giá
trị của V0
Nguồn điện áp nuôi này thường có giá trị trong
khoảng 2,5V đến 15V Nếu điện áp này lớn thì
dòng điện chạy qua các strain gauge trong các
nhánh lớn, vì thế sẽ làm ảnh hưởng đến điện trở
của strain gauge do ảnh hưởng của nhiệt độ bản thân các strain gauge sinh ra (self- heating) Nhóm tác giả sử dụng nguồn nuôi tiêu chuẩn phổ biến cho strain gauge là 3,3V [10], [11] Lựa chọn cho 02 cặp strain gauge cầu 1/2 (1/2 Brigde) có điện trở 120Ω để kết nối thành mạch cầu đủ, cân bằng (Hai mạch 1/2 Brigde này được dán đối xứng nhau qua đường tâm trục thành bộ cầu đủ cân bằng) Strain gauge được lựa chọn có ký hiệu FCA-3-11, có các thông số kỹ thuật được nêu trong Bảng 2
Bảng 2 Các thông số của strain gauge [15]
1 Dải nhiệt độ làm việc -20oC đến +80 o
C
2 Dải nhiệt độ bù +10oC đến +80 o
C
Trang 4Để dán được strain gauge lên trục thì cần đảm
bảo được các yêu cầu kỹ thuật dán strain gauge
như độ bóng bề mặt trục phải đạt R0,63; có dung
dịch làm sạch, keo dán chuyên dùng… [11]
2.3 Thiết kế bộ thu phát tín hiệu không dây
Để truyền tín hiệu từ cảm biến đo biến dạng
đến bộ xử lý tín hiệu và hiển thị thì có nhiều
phương pháp, trong phạm vi nghiên cứu nhóm
tác giả sử dụng bộ thu phát tín hiệu không dây
gồm bộ phát và bộ thu Bộ phát gồm nguồn nuôi,
khối khuếch đại tín hiệu Loadcell Amplifier, khối
ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) Bộ thu gồm khối thu tín hiệu, khối chuyển đổi DAC,…
2.3.1 Bộ phát tín hiệu 2.3.1.1 Bộ khuếch đại Loadcell Amplifier
Tín hiệu điện áp Vo ra khỏi mạch cầu FullBrigde có giá trị nhỏ nên cần có mạch khuếch đại tín hiệu điện áp với hệ số khuếch đại là 32; 64; 128 Bộ khuếch đại Loadcell Amplifier đo biến dạng này có tính năng chuyển đổi analog sang digital được trình bày trên Hình 4 [8], [17]
Hình 4 Sơ đồ mạch khuếch đại và mạch khuếch đại Loadcell Amplifier
2.3.1.2 Ghép nối bộ phát tín hiệu không dây
Bộ ghép phát tín hiệu thu được khi đo giá trị
của strain gauge được ghép nối từ các mạch
khuếch đại Loadcell Amplifier, mạch vi xử lý tín
hiệu, mạch phát sóng RF và bộ nguồn nuôi 5V
Trên Hình 5 là bộ phát tín hiệu không dây với yêu
cầu quan trọng là nguồn nuôi phải đảm bảo duy trì
ổn định 5V Theo công thức (2), khi giá trị Vexthay đổi, không ổn định thì giá trị điện áp ra Vo cũng sẽ không ổn định theo Do vậy, giá trị Vo chỉ biến đổi theo giá trị điện trở của strain gauge
Hình 5 Bộ phát tín hiệu không dây
2.3.2 Bộ thu tín hiệu không dây
Bộ thu tín hiệu không dây (Hình 6) được thiết kế
ghép nối của các mạch: Mạch thu sóng RF, mạch
áp (đã qua bộ khuếch đại) của strain gauge Yêu cầu
kỹ thuật của bộ thu là đảm bảo giá trị tín hiệu của bộ phát, lọc nhiễu, có hệ số khuếch đại,…
Trang 5Hình 6 Bộ thu tín hiệu không dây
2.3.3 Nạp chương trình chạy cho bộ thu phát
tín hiệu không dây
Sử dụng phần cứng Arduino nên phần mềm
điều khiển được lựa chọn là phần mềm Arduino
[17] Phần mềm Arduino là phần mềm được phát
triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người
dùng dễ dàng viết code và tải nó lên bo mạch
Môi trường phát triển được viết bằng Java dựa
trên ngôn ngữ lập trình xử lý và phần mềm mã
nguồn mở khác Phần mềm này có thể được sử
dụng với bất kỳ bo mạch Arduino nào Bộ thu
phát không dây được kết nối với máy tính thông
qua cổng COM và được nạp chương trình chạy
thông qua một đoạn mã code
Tín hiệu vào máy tính có hai dạng là dạng số
(thông qua cổng COM trực tiếp vào máy tính) và
dạng tương tự (tín hiệu sẽ được xử lý thông qua
bộ thu thập dữ liệu DAQ trước khi vào máy tính)
Hiển thị giá trị mô men xoắn bằng Worksheet
được lập bởi các phần mềm chuyên dùng
(DasyLab hoặc LabView…) [10]
2.4 Kết nối thiết bị và kiểm tra, hiệu chỉnh
Kết nối thiết bị đo mô men xoắn đồng bộ và sử
dụng chương trình đã được lập trên phần mềm
Arduino để kiểm tra, so sánh sai số giữa hai giá trị
tín hiệu điện áp vào (Analog Input) và tín hiệu ra
(Analog Out) trên máy tính thông qua cổng
COM (đây là quá trình kiểm tra sai số, loại trừ nhiễu, độ nhậy của bộ thu phát…) Kết quả so sánh hai giá trị Analog Input và Analog Out tại nhiều điểm cho thấy bộ thiết bị thu phát tín hiệu không dây có sai số nhỏ (khoảng 0,00017 mV/3V)
Bộ thiết bị đo mô men xoắn được thiết kế, chế tạo là một bộ thiết bị đo cơ bản, có thể sử dụng
đo mô men xoắn trên nhiều trục quay Nếu như muốn đo trên trục quay nào thì thực hiện việc dán strain gauge và calib tín hiệu điện áp - mô men trên trục quay đó (strain gauge được dán vào trục
mà trục đó tham gia vào dòng lực, chịu mô men xoắn)
3 Calib bộ thiết bị đo mô men xoắn với khớp nối
Các tác giả đã tiến hành kiểm tra, kết nối thiết
bị đối với khớp nối đã được dán strain gauge Việc calib tín hiệu điện áp – mô men xoắn (calib vật lý) được thực hiện như theo sơ đồ nguyên lý
ở Hình 7 Ta có mô men xoắn Mz được tính bằng công thức:
Mz= F.L (3) trong đó: F (N) lực được tạo ra bởi các quả cân có khối lượng chuẩn, L(m): khoảng cách từ tâm trục quay đến điểm đặt lực
Trang 6Hình 7 Sơ đồ nguyên lý để calib mô men xoắn trên khớp nối trục hộp số và cơ cấu quay vòng xe xích
quân sự Hình 8 trình bày nội dung dán strain gauge và
kiểm tra tín hiệu của bộ thiết bị đo mô men xoắn
khi có tác động của lực
Hình 8 Khớp nối đã dán strain gauge và kiểm tra tín hiệu trên máy tính
Calib giá trị mô men tĩnh được tiến hành tại
Phòng Thí nghiệm của Khoa Động lực-Học viện
KTQS Ở mỗi giá trị mô men xoắn gây ra bởi lực
F ta có một giá trị điện áp ra trên bộ thu tín hiệu
Trang 74 Kết luận
- Bộ thiết bị gồm cảm biến đo mô men, bộ thu
phát tín hiệu không dây tích hợp trên khớp nối
giữa hộp số và cơ cấu quay vòng cho phép đo
mô men trong HTĐTL xe tăng T54/55 với dải đo
lớn (dải đo chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn strain
gauge phù hợp với dải mô men làm việc)
- Bộ thu phát không dây có kích thước nhỏ
gọn nên có thể áp dụng đo mô men xoắn cho
nhiều trục quay khác nhau, nhất là đối với các
trục quay được bố trí trong không gian chật hẹp
- Ưu điểm lớn nhất của phương án sử dụng
khớp nối giữa hộp số và cơ cấu quay vòng để
tích hợp thiết bị đo mô men là rất đơn giản nhưng
lắp đặt khó khăn (phải tháo rời hộp số và cơ cấu quay vòng) và khoảng đo không phủ hết dải biến đổi mô men xoắn, cần nghiên cứu thêm các phương án (ví dụ tạo đồ gá trong lòng trục bánh chủ động) để nâng cao độ chính xác của phép đo
- Bộ thiết bị đo này cần được calib và thực nghiệm đo trên xe xích quân sự khi đảm bảo được các yêu cầu theo quy định khai thác sử dụng của trang bị khí tài quân sự
Kết quả của quá trình calib tính giá trị mô men xoắn trên bệ và thực nghiệm đo mô men xoắn trên xe xích quân sự sẽ được các tác giả công bố trong nghiên cứu tiếp theo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Xerghêiev L V, Lý thuyết xe tăng (tài liệu dịch), Học
viện KTQS, Hà Nội-1990
[2] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Sức bền vật
liệu, Nxb Giáo dục
[3] Nguyễn Đình Tuấn, Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ kỹ
thuật cấp Tổng cục Kỹ thuật/BQP, “Đánh giá chất
lượng động lực học của xe tăng sau sửa chữa lớn”,
2014
[4] Phạm Trung Kiên, Nguyễn Đình Tuấn, Nguyễn
Hoàng Vũ, Vũ Văn Thế, “Xây dựng hệ thống thí
nghiệm đánh giá chất lượng động lực học chuyển
động thẳng của xe tăng”, Tạp chí Kỹ thuật & Trang
bị, TCKT/BQP số 161, 2/2014
[5] Analog Devices, “Wide Bandwidth Strain Gauge
Signal Conditioner- 1B31”, USA, 1996
[6] Case, John, Lord and Ross, T F Carl, “Strength of
Materials and Structures with an Introduction to
Finite element Methods”, 3rd edition, Edward Arnold,
Great Britain, 1993
[7] K Hoffmann, “An Introduction to Strain Gauge Tech”
by Practical Experiments, Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh, Germany, 1986
[8] M Hilal Muftah and S M Haris “A strain Gauge
Based Torque Transducer (Sensor) for Measuring Dynamical Load In-Rotation” ISBN: 978-960-474-253-0
[9] Zdeněk Folta and Milena Hrudičková “Experience
with Torque Measurement on Rotating Shaft” Transactions on Electrical Engineering, Vol 2 (2013), No 3
[10] http://www.dasylab.com/
[11] http://www.ni.com/en-vn/support.html [12] htps://www.km.kongsberg.com/
[13] htps://www.kmt-telemety.com [14] htps://www.jrc.ec.europa.eu [15]https://dms-technik.de/files/kataloge/
STRAIN_GAUGES.pdf [16]http://metallicheckiy-portal.ru/
marki_metallov/stk/20X2H4A [17] https://www.arduino.cc
Trang 8RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF TORQUE MEASURING DEVICE IN DYNAMIC TRANSMISSION SYSTEM OF TANK - AMORED
VEHICLES
ABSTRACT:
At present, the experimental study on
dynamics of tank-armored vehicle only measures
"kinematics" (velocity, distance, time) and does not
measure parameters "force" (torque, traction
force) yet [3], [4] Measurement of dynamic torque
on the force flow of the tank-armored vehicles is a
very difficult but essential work to assess the
dynamics This paper presents the results of
research, design and manufacture of torque
measuring device and wireless signal transducer sets in accordance with general layout, torque value range in dynamic transmission system of tank-armored vehicles This kit combines with other measuring equipment for experimental research linear motion dynamics of tank-armored vehicles as well as torque measurements on other rotary shafts
Keywords: torque; motion dynamics; experimental