Mô phỏng toán học biên dạng đường bằng hàm splain bậc ba và xác định một số thông số chính của hệ thống trong nghiên cứu động lực học của liên hợp máy

Luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học nông nghiệp i

Mở đầu

* Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi Đảng ta triển khai chủ trương đổi mới cơ chế quản lý, phát triển chính sách kinh tế nhiều thành phần thì nền nông nghiệp nước ta không ngừng phát triển Để đáp ứng yêu cầu của sản xuất, thực hiện chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp và nông thôn, việc đầu tư các nguồn động lực ở nông thôn và nâng cao hiệu quả sử dụng máy đ9 được đẩy mạnh

Mặt khác để đáp ứng nhu cầu nông sản của nền kinh tế thị trường, xuất khẩu nông sản thì việc phát triển kinh tế theo mô hình sản xuất trang trại là cần thiết Nhiều hộ gia đình nông dân sở hữu nhiều héc ta gieo trồng vì vậy có nhu cầu trang bị máy móc lớn, máy nông nghiệp hoặc thuê máy để thực hiện cho các khâu canh tác như làm đất, gieo trồng, chăm sóc, bơm nước, thu hoạch, vận chuyển, … Các máy kéo phân bố chủ yếu ở các vùng đồng bằng sông Cửu Long, miền đông Nam Bộ, Tây Nguyên và đồng bằng sông Hồng [2] Trong tương lai, để đẩy mạnh phát triển nông nghiệp, nguồn động lực máy kéo sẽ còn được đầu tư nhiều hơn nữa

Các liên hợp máy kéo và máy nông nghiệp làm việc trong khi di chuyển chịu các tác động động học của mặt đường Các tác động này gây ra những dao động, ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc, độ bền máy móc và sức khoẻ của người lái Để có thể hạn chế những tác động này cần có những nghiên cứu cụ thể và mô phỏng gần đúng nhất về biên dạng đường và tác động của chúng tới dao động của liên hợp máy Hiện tại đ9 có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này, mặt đường thường được mô tả dưới dạng hàm xác

định thường là các hàm tuần hoàn hoặc dạng hàm ngẫu nhiên Tuy nhiên các dạng hàm này vẫn chưa mô tả đầy đủ tính chất biến đổi thực của biên dạng

đường: các bài toán dạng hàm ngẫu nhiên chỉ cho các giá trị trung bình (kỳ vọng toán và phương sai) trong một khoảng nghiên cứu nhất định, còn các bài

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 2

toán dạng hàm xác định cũng cho các giá trị thực tại các điểm nhưng chỉ đúng khi máy kéo di chuyển trên mặt đường biến đổi đều đặn Mặt khác trong các nghiên cứu động lực học của liên hợp máy cần có các giá trị xác định của của các thông số mặt đường khi gắn với vận tốc chuyển động của liên hợp máy như biên dạng, vận tốc và gia tốc, các dạng hàm trên thường có những nhược

điểm khó khắc phục Phương pháp mô phỏng toán học biên dạng đường dạng hàm Splain bậc ba đ9 được ứng dụng trong nghiên cứu chuyển động của ôtô vận tải đ9 cho kết quả tốt, thể hiện sự mô phỏng gần đúng hơn biên dạng mặt

đường và thuận tiện trong nghiên cứu đặc biệt trong ứng dụng phương pháp

số Việc ứng dụng các kết quả này cho nghiên cứu động lực học của các máy móc nông nghiệp làm việc khi di chuyển là có ý nghĩa thực tiễn

Một vấn đề đặt ra khi nghiên cứu giải quyết các bài toán động lực học của liên hợp máy là cần thiết phải xác định các thông số của hệ thống như toạ

độ trọng tâm, hệ trục quán tính chính trung tâm và các mô men quán tính chính trung tâm Các thông số này thường chưa được cung cấp đầy đủ từ nhà sản xuất, hơn nữa các máy móc trong thực tế khi làm việc thường có sự thay

đổi và cải tiến nên cần thiết phải xác định các thông số này cho từng trường hợp cụ thể

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên, đề tài: “Mô phỏng toán học biên dạng đường bằng hàm Splain bậc ba và xác định một số thông số chính của hệ thống trong nghiên cứu động lực học của liên hợp máy” nhằm:

- Xây dựng biên dạng mặt đường dạng hàm xác định Splain bậc ba trong nghiên cứu động lực học của máy kéo và máy nông nghiệp;

- Xây dựng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm xác định một số thông số chính của liên hợp máy như: trọng tâm, các trục quán tính chính trung tâm và các mô men quán tính chính trung tâm

* Đối tượng, mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

- Đối tượng nghiên cứu của luận văn là một số dạng mặt đường, mặt

đồng điển hình của liên hợp máy khi đi làm việc như: mặt đường đồng Lai xá, mặt ruộng Dương xá và máy kéo: YANMAR-YM 1500, máy kéo MTZ

- Mục tiêu của đề tài:

+ Mô phỏng toán học biên dạng đường bằng hàm Splain bậc ba, áp dụng cho mặt đường đồng Lai xá, mặt đồng Dương xá;

+ Xác định một số thông số chính của hệ thống trong nghiên cứu động lực học của liên hợp máy, áp dụng cho máy kéo YANMAR-YM 1500

- ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn:

+ Mô phỏng gần đúng hơn biên dạng mặt đường, mặt đồng mà liên hợp máy đi làm việc và phương pháp mô phỏng này thuận tiện trong việc nghiên cứu đặc biệt là trong ứng dụng phương pháp số;

+ Xác định một số thông số chính của hệ thống như: Trọng tâm, các trục quán tính chính trung tâm và các mô men quán tính chính trung tâm để phục vụ cho việc nghiên cứu giải quyết các bài toán động lực học của liên hợp máy

* Tóm tắt nội dung của luận văn

Nội dung chính của luận văn gồm:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 4

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

1.1 Các nguồn gây dao động cho máy kéo

Máy kéo dao động do nhiều nguyên nhân khác nhau: do dao động của

động cơ, của các chi tiết chuyển động chưa được cân bằng trong bộ phận truyền lực, do ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng, do sự thay đổi lực cản máy nông nghiệp, Các dao động này ít nhiều đều có ảnh hưởng đến độ chạy êm dịu của máy kéo, tới sức khoẻ của người lái và chất lượng công việc

mà liên hợp máy đang thực hiện Tuy nhiên, ảnh hưởng của chúng đến dao

động của máy kéo là rất khác nhau

Dao động của máy kéo do những lực quán tính chưa được cân bằng của các chi tiết chuyển động trong động cơ và bộ phận truyền lực gây ra là những dao động có tần số cao (20ữ50 Hz) và là một quá trình biến đổi có chu kỳ rõ ràng Dao động do kích động động học của mấp mô mặt đường, mặt đồng và lực cản của máy nông nghiệp là những dao động có dải tần số thấp (0,5ữ20 Hz), có trường hợp có tính chu kỳ rõ rệt, song cũng có nhiều trường hợp có tính hoàn toàn ngẫu nhiên Vì vậy, phương pháp nghiên cứu dao động do các nguyên nhân trên sẽ không giống nhau, hơn nữa cũng không cần thiết phải giải quyết bài toán dao động của máy kéo do tất cả các nguyên nhân trên gây

Khi nghiên cứu các đặc trưng của độ chạy êm và đánh giá mức độ dao

động của máy kéo, И Б Барский và các cộng sự [30], cho rằng độ chạy êm

của máy kéo là chất lượng đặc trưng cho khả năng của máy kéo hoàn thành kéo dài các quá trình sản xuất mà không nhanh chóng làm mệt mỏi công nhân lái Các kết quả nghiên cứu cụ thể chỉ ra rằng các dao động có tần số khác nhau sẽ ảnh hưởng khác nhau tới cơ thể người lái máy Từ hình 1-1, rõ ràng các dao động có tần số thấp hơn 5 Hz truyền qua cơ thể con người không giảm bớt, các dao động có tần số trên 20 Hz không truyền tới tim, dao động có tần

số trên 60 Hz truyền cao nhất chỉ đến đầu gối Dao động có tần số trên 80 Hz thực tế không truyền qua bàn chân Liên quan đến những đặc điểm này với cơ thể con người, các dao động được chia ra thành 2 loại dao động riêng biệt: dao

động có tần số thấp dưới 20 Hz do kích động động học của mấp mô mặt

đường, mặt đồng và lực cản của máy nông nghiệp gây ra và rung động là những dao động có tần số trên 20 Hz do các lực quán tính chưa được cân bằng của động cơ và bộ phận truyền lực gây ra ảnh hưởng của các dao động có tần

số khác nhau tới người ngồi lái hay đứng khác nhau không đáng kể vì đệm ngồi sẽ dập tắt các rung động có tần số cao Như vậy, ảnh hưởng của kích

động động học mặt đường đến độ chạy êm dịu là quan trọng nhất

Hình 1-1 Khả năng truyền dẫn dao động có tần số

khác nhau của cơ thể [30]

1.2 Dao động của máy kéo do mấp mô mặt đường, mặt đồng

Dao động của máy kéo do mấp mô mặt đường, mặt đồng gây ra là

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 6

những dao động có dải tần số thấp và là một trong những ảnh hưởng chính tới

độ chạy êm dịu, tới độ bền, độ bền lâu của các chi tiết và đặc biệt là tới chất lượng công việc mà máy kéo đang thực hiện

Điều kiện đường sá và đồng ruộng xét về mặt sử dụng máy kéo, máy nông nghiệp là rất đa dạng Trong một số trường hợp do hoạt động sản xuất có chu kỳ của con người (đắp bờ, lên luống, xẻ r9nh, vun xới, chăm sóc, ), trắc diện mặt đường, mặt đồng có hình dạng xác định và có thể được biểu diễn bằng những hàm số xác định Trong một số trường hợp khác do tác dụng lâu dài của khí hậu, của con người, xe máy, mặt đường lại có tính hoàn toàn ngẫu nhiên và có thể được biểu diễn bằng các hàm ngẫu nhiên Nghiên cứu dao động của máy kéo trong hững trường hợp này cần được tiến hành theo các phương pháp khác nhau của dao động xác định và dao động ngẫu nhiên

Hiện nay, các tiêu chuẩn phân loại đường sá, nhất là đường nông thôn hoặc chưa có hoặc không phù hợp cho việc nghiên cứu dao động của máy kéo

Điều này mới được Tiến sĩ Lê Minh Lư bước đầu khảo sát các dạng mặt

đường, mặt đồng phổ biến của vùng đồng bằng sông Hồng Trong nghiên cứu, tác giả đ9 chia mặt đường, mặt đồng ra hai dạng chính sau:

1 Dạng mặt đường xác định: bao hàm những vật chướng ngại đơn chiếc phân bố xa nhau và dạng mặt đường biến đổi tuần hoàn;

2 Dạng mặt đường, mặt đồng biến đổi ngẫu nhiên

Do đặc điểm của sản xuất nông nghiệp Việt Nam, mức độ đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng còn thấp nên đường sá nông thôn, mặt đồng chất lượng còn xấu, nhỏ hẹp, … gây bất lợi cho sự làm việc êm dịu của máy kéo

1.3 Khái quát tình hình nghiên cứu dao động của máy kéo trong và ngoài nước

Dao động của máy kéo có nhiều điểm chung với dao động của ô tô, máy vận tải Nghiên cứu dao động của máy kéo có thể dựa trên lý thuyết dao

động của ô tô, máy vận tải, kết hợp với những đặc điểm riêng về kết cấu cũng như đặc tính của phần tử đàn hồi và điều kiện làm việc của máy kéo

Lý thuyết dao động của ôtô, máy vận tải và máy kéo đ9 ra đời từ những năm 30 của thể kỷ 20, từ những nghiên cứu cơ bản với những mô hình nghiên cứu giản đơn tới những nghiên cứu sâu rộng đầy đủ hơn Cùng với sự phát triển của khoa học, lý thuyết dao động của ô tô, máy vận tải và máy kéo ngày càng phản ánh đầy đủ hơn điều kiện làm việc thực của máy và có những đóng góp nhất định trong việc nâng cao chất lượng, cải thiện điều kiện làm việc của người sử dụng Tuy nhiên vẫn có nhiều vấn đề cần bổ sung nhằm hoàn thiện mô hình nghiên cứu đáp ứng những mục tiêu cụ thể trong cải tiến và hoàn thiện liên hợp máy Đặc biệt là những bài toán tổng hợp hệ thống còn ít được quan tâm do những khó khăn về xây dựng thuật toán cũng như cần phải thực hiện một khối lượng tính toán lớn Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính điện

tử người ta có thể dần dần giải quyết các yêu cầu này

Mô hình nghiên cứu dao động của ô tô, máy vận tải và máy kéo chịu kích động động học của mấp mô mặt đường, mặt đồng nói chung được xây dựng trên cơ sở quan hệ qua lại giữa các thông số vào, các thông số ra thông qua các thông số của hệ thống được cho trong hình 1-2:

Hình 1-2 Mô hình nghiên cứu dao động của ô tô, máy kéo, máy vận tải Trong đó:

- Các thông số vào là các kích động động học của mấp mô mặt đường, mặt đồng

- Các thông số của hệ thống bao gồm khối lượng, mô men quán tính khối lượng của thân máy kéo với các trục quán tính chính trung tâm, đặc tính của các phần tử đàn hồi, các thông số kết cấu của hệ thống

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 8

- Các thông số ra bao gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các điểm trên thân máy kéo, lực đàn hồi, phản lực của đất,

1.3.1 Các dạng mặt đường, mặt đồng

Máy kéo thường làm việc trong những địa hình phức tạp, trên đường nông thôn và trên đồng ruộng Mặt đường, mặt đồng có chất lượng xấu, độ mấp mô lớn vì vậy mặc dù vận tốc di chuyển của máy kéo nhỏ hơn so với vận tốc của ô tô, song mức độ ảnh hưởng của mặt đường, mặt đồng tới dao động của máy kéo và người lái là đáng kể Mặt đường, mặt đồng gây ra dao động cho máy kéo có nhiều dạng khác nhau, có những tác động mang tính xác định, song cũng có nhiều tác động mang tính hoàn toàn ngẫu nhiên, nhìn chung trong nghiên cứu dao động của máy kéo có thể chia ra các dạng mặt đường chính sau đây [4], [6], [8], [30], [34]:

- Mặt đường là các vật chướng ngại đơn chiếc như các mô đất, bờ ruộng, đường từ ruộng lên bờ, từ bờ xuống ruộng (hình 1-3),

Hình 1-3 Một số chướng ngại vật thường gặp a- mô đất; b- bờ ruộng; c- đường lên bờ của máy kéo; d- vật cản

- Dạng mấp mô mặt đường, mặt đồng biến đổi có tính chu kỳ Do canh tác theo vụ cho một số cây trồng cần lên luống, rạch hàng, vun gốc, mặc dù có tác động của các yếu tố tự nhiên và thời gian song tính chu kỳ vẫn rõ rệt (hình 1-4)

- Cả hai dạng mặt đường này tác động đến dao động của máy kéo đều mang tính xác định, trong nghiên cứu xem là các hàm số xác định được biểu diễn dưới dạng các hàm số tuần hoàn kèm theo các điều kiện giới hạn Các

đặc trưng cơ bản của dạng mặt đường này là chiều cao q0, bước của mấp mô

s0, cũng như sự kế tiếp và quy luật biến đổi của mấp mô

Hình 1-4 Một số dạng mặt đường, mặt đồng biến đổi chu kỳ

a, b - luống cây trồng cạn ; c – luống có bề rộng lớn

- Dạng mặt đường biến đổi bất kỳ, có thể biển diễn xấp xỉ thông qua các đa thức bậc hai, bậc ba,

- Do các tác động lâu dài của thời tiết, khí hậu, của các tác động cơ học

do con người, xe máy và súc vật, một số dạng mặt đường, mặt đồng mang tính ngẫu nhiên Trong nghiên cứu dao động của máy kéo có thể xem chúng là các hàm ngẫu nhiên

1.3.2 Các thông số đặc trưng của mô hình

Khi nghiên cứu dao động của máy kéo, cần thiết phải xác định các thông số ảnh hưởng đến dao động Các thông số này bao gồm khối lượng, mô men quán tính khối lượng của thân máy kéo với các trục quán tính chính trung tâm, khối lượng của các bánh trước (khối lượng dưới lò xo), các thông số hình học như vị trí trọng tâm, khoảng cách từ trọng tâm tới các trục ứng với cầu trước, cầu sau, khoảng cách giữa các bánh xe, … Một số thông số được xác

định trong các catalog của xe máy Tuy nhiên một số thông số như mô men quán tính khối lượng của thân máy kéo với các trục lại không được cho trong thiết kế hoặc khi máy kéo có mang máy nông nghiệp treo, vì vậy cần thiết phải xác định các thông số này Phương pháp xác định các mô men quán tính

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 10

khối lượng là sử dụng các phép đo trực tiếp trên các máy kéo cụ thể Các thông số của một số máy kéo thông dụng đ9 được nhiều tác giả quan tâm xác

định

Các phần tử đàn hồi của ô tô, máy kéo, máy vận tải là các bộ phận nhận kích động của mặt đường và mặt đồng truyền lên trên thân xe máy Đặc tính của các phần tử này có ảnh hưởng quyết định đến dạng, mức độ dao động của thân xe máy và khả năng chuyển động êm dịu của chúng Các phần tử đàn hồi cơ bản của xe máy là các bộ phận treo, lò xo giảm xóc ghế ngồi, các bánh hơi trước và sau

Đặc trưng cơ bản của các phần tử đàn hồi là quan hệ giữa lực tác dụng P

và biến dạng tương ứng δ của phần tử đàn hồi:

Trong các nghiên cứu cơ bản, các tác giả [8], [30], [34] chỉ ra rằng các phần tử đàn hồi là lò xo thép có đặc trưng tuyến tính (hình 1-5a):

Trong đó: C là độ cứng của phần tử đàn hồi lò xo

Các phần tử đàn hồi dạng khí, thuỷ khí thường có đặc trưng phi tuyến quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng tương ứng là một đường cong (hình 1-5b) Với mức độ đủ chính xác có thể xem là đường cong bậc hai:

Trong đó: A, B là các hệ số tỷ lệ

Hình 1-5 Đặc trưng của các phần tử đàn hồi a- tuyến tính b- phi tuyến

Một đặc tính nữa của các phần tử đàn hồi là tính chất cản dao động do

ma sát nội tại, ma sát với các bộ phận liên kết Đặc tính cản dao động của các

bộ phận đàn hồi là khá phức tạp Với các phần tử đàn hồi là lò xo thép có thể xem là các phần tử ma sát khô [32], với các phần tử đàn hồi còn lại xem là phần tử ma sát ướt, lực cản tỷ lệ bậc nhất với tốc độ biến dạng

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tính đàn hồi của các phần tử đàn hồi còn phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, khi tốc độ biến dạng tăng cao thì tính chất phi tuyến của các phần tử đàn hồi sẽ càng rõ rệt Vì vậy, trong nghiên cứu người ta cũng phân biệt đường đặc tính tĩnh (khi tốc độ biến dạng nhỏ hơn 50 mm/phút) và đường đặc tính động lực học [30], [34], [61], [62]

Đối với máy kéo bánh hiện nay, các phần tử đàn hồi bao gồm các lò xo giảm xóc cầu trước, lò xo ghế ngồi, các bánh hơi trước và bánh hơi sau

Phương pháp có hiệu quả để nâng cao độ chạy êm là sử dụng bộ phận treo phi tuyến có độ cứng tăng dần theo biến dạng, trong máy kéo thường sử dụng lò xo giảm xóc cầu trước là các lò xo xoắn ốc trụ được nén trước và xác lập khoảng biến dạng cố định cho lò xo nhằm đảm bảo cho hệ có biến dạng và

độ cứng nhỏ trên đoạn làm việc xung quanh vị trí cân bằng tĩnh

Đặc tính phi tuyến của bộ phận treo là lò xo giảm xóc cầu trước cho trên hình 1-6a

Hình 1-6 Đặc tính phi tuyến của phần tử đàn hồi máy kéo a- lò xo giảm xóc cầu trước b- bánh hơi máy kéo

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 12

Đối với phần tử đàn hồi bánh hơi đường đặc tính có tính phi tuyến rõ rệt, quan hệ giữa lực đàn hồi và biến dạng lốp là một đường cong Tuy nhiên,

đặc tính phi tuyến cơ bản của bánh xe là liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt đường Với các phương tiện vận tải trên đường có chất lượng tốt, vận tốc

di chuyển không cao thì tính chất này không được chú ý Với máy kéo do đặc

điểm làm việc trên các địa hình phức tạp, mặt đường có mấp mô lớn nên mặc

dù vận tốc di chuyển không cao song khả năng mất liên kết thường xẩy ra và cần thiết phải được tính đến Tính chất phi tuyến của phần tử đàn hồi bánh xe

được chỉ ra trên hình 1-6b

Các công trình nghiên cứu của một số tác giả [34], [61], [62] cũng chỉ

ra rằng khi xe máy di chuyển trên nền đường có biến dạng thì độ lún nền

đường cũng ảnh hưởng tới dao động của xe máy và cần được tính đến Biến dạng nền đường có tính chất rất phức tạp, phụ thuộc vào tính chất vật liệu làm

đường, … Trong các nghiên cứu cụ thể độ cứng của nền đường và bánh xe sẽ

được tính đến bằng cách sử dụng độ cứng quy đổi chung giữa độ cứng của bánh xe và nền đường Khi đó độ cứng quy đổi được tính theo công thức:

;C C

CCC

d b

d b qd

+

Cqd, Cb, Cd: độ cứng quy đổi, độ cứng của bánh xe và nền đường

Các nghiên cứu của Gửhlich [62] cũng chỉ ra rằng khi kể đến biến dạng của nền đường thì hệ số cản dao động của hệ sẽ tăng lên và cũng được qui đổi

về bánh xe tuỳ theo tính chất của nền đường, hệ số cản qui đổi xác định bằng thực nghiệm

Có thể tính đến ảnh hưởng của biến dạng của nền đường bằng cách coi như máy kéo di chuyển trên mặt đường không biến dạng với phần tử đàn hồi bánh hơi có độ cứng và hệ số cản qui đổi

1.3.3 Mô hình dao động

Mô hình dao động của ô tô, máy kéo, máy vận tải chịu kích động động học của mấp mô mặt đường, mặt đồng được xây dựng trên cơ sở mô tả mối quan hệ giữa các thông số vào (hàm số kích động mặt đường, vận tốc và gia tốc biến đổi của mấp mô, …) với các thông số ra (chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các điểm trên thân máy, lực đàn hồi, lực cản chuyển động, …) thông qua các thông số đặc trưng của hệ thống Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học cơ bản như toán học, vật lý, cơ học nói chung; các mô hình nghiên cứu dao động của xe máy nói riêng phát triển không ngừng và ngày càng hoàn thiện, mô tả càng đầy đủ và gần sát hơn với sự làm việc của máy thực

Lý thuyết dao động của ô tô, máy vận tải và máy kéo đ9 được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu [4], [5], [6], [8], [9], [12], [16], [20], [22], [31], [33], [34], [36], [37], [39], [41], [42], [49], [51], [53], các tác giả đ9 xây dựng có kết quả các phương pháp nghiên cứu về dao động như phương pháp thực nghiệm, phương pháp giải tích, phương pháp mô hình cơ - điện, phương pháp

động lực học thống kê, phương pháp mô hình điện tử,

Từ những năm 1930-1960 đ9 xuất hiện các công trình nghiên cứu dao

động của máy kéo [48], [49], [50], … Các tác giả đ9 đề cập tới các mô hình dao động của máy kéo là hệ một bậc tự do (cầu sau), mô hình hai bậc tự do (cầu trước), mô hình ba bậc tự do (máy kéo trong mặt phẳng thẳng đứng dọc)

và cả mô hình không gian (hệ sáu bậc tự do) Tuy nhiên các công trình này chỉ coi các mấp mô mặt đường là các kích động xác định được mô tả bằng các hàm xác định, các mô hình nghiên cứu là tuyến tính; vì vậy các kết quả mới chỉ có ý nghĩa nhất định, chưa phản ánh được đầy đủ các điều kiện làm việc thực tế của xe máy

Vào những năm 1960 đ9 xuất hiện các mô hình nghiên cứu dao động của máy kéo chịu các tác động ngẫu nhiên của mặt đường [30], [34], [36], [52], …với các mô hình một, hai và nhiều bậc tự do; tuy nhiên các mô hình này vẫn là tuyến tính Với các mô hình dao động tuyến tính, các hàm kích

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 14

động xác định và ngẫu nhiên có thể sử dụng các phương pháp cơ học để thiết lập các phương trình vi phân dao động Lời giải thu được không gặp phải khó khăn về mặt nguyên tắc Kết quả thu được có dạng các biểu thức toán học vì vậy có thể dễ dàng xác định các thông số tối ưu theo các yêu cầu của hàm mục tiêu Tuy nhiên do chưa phản ánh được đầy đủ các đặc trưng phi tuyến của các phần tử đàn hồi nên các kết quả mới chỉ có ý nghĩa khi vận tốc di chuyển của xe máy h9y còn nhỏ hay khi mặt đường có chất lượng tốt

Nghiên cứu dao động tuyến tính của ô tô, máy vận tải trong mặt phẳng thẳng đứng dọc có thể sử dụng mô hình được mô tả trên hình 1-7 Đối với ô tô ngoài các phân tử đàn hồi bánh hơi, giữa thân xe và bánh xe còn có hệ lò xo giảm xóc và bộ phận giảm chấn thuỷ lực

Hình 1-7 Mô hình dao động của ô tô vận tải

áp dụng phương trình Lagrăngiơ loại 2, ta có:

0xx

2kzz

2kze

1 1 1 1 2 1 1 1 2 1

1 + & + & +ω ư & ưω =

z

2kxx

2k

k1 1 1

2 1 1 1

1 1 2 k1 1

2 1 1

ωà

0;

xx

2kzz

2kze

2 2 2 2 2 2 2 2 1 2

2 + & + & +ω ư & ưω =

&

;qz

z

2kxx

2k

k2 2 2

2 2 2 2

2 2 2 k2 2

2 2 2

ωà

&

Trong đó:

z1, z2 – chuyển vị thẳng đứng của điểm A và B thuộc phần trên lò xo;

x1, x2 - chuyển vị thẳng đứng của tâm bánh trước và sau;

q1, q2 - hàm mấp mô mặt đường;

;ε

ε+

ư

=ab

1

ba

1

e2

ε

ε+

J

2

=ρ

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 16

(a b) ;

bM

2M

k = η - hệ số cản dao động quy đổi;

η1, η2 – hệ số cản của bộ phận giảm chấn;

/

1,2

c - độ cứng của lò xo giảm xóc trước và sau;

c1,2 - độ cứng của bánh hơi trước và sau;

Trong thiết kế chế tạo người ta cố gắng sao cho ε ≈ 1, khi đó có thể coi

e1 ≈ e2 ≈ 0 và hệ (1-5) tách thành hai hệ phương trình vi phân dao động độc lập cho cầu trước và sau:

0;

xx2kzz2k

=

ư

ư++ & ω & ω

&

q;

zz

2kxx

2k

k

2 2

k

2

ωà

ωà

ωà

Trong công thức (1-6), thêm các chỉ số 1, 2 vào các hệ số ta được hệ phương trình vi phân dao động viết riêng cho cầu trước và cầu sau

Cuối những năm 1960, đầu những năm 1970 đ9 xuất hiện các mô hình phi tuyến xác định có kể đến liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt đường khi nghiên cứu dao động của riêng cầu sau (hệ một bậc tự do) và đặc tính phi tuyến của lo xo giảm xóc cầu trước khi nghiên cứu riêng dao động của cầu trước (hệ hai bậc tự do) và dao động của máy kéo trong mặt phẳng thẳng đứng dọc (hệ ba bậc tự do) [34], [36] Tác giả đ9 sử dụng phương pháp mô hình

điện tử và thực hiện trên máy tính điện tử tương tự Các kết quả tính toán theo phương pháp này có độ chính xác chưa cao, hơn nữa hiện nay các máy tính

điện tử tương tự không còn được sử dụng nữa

Một số công trình trong những năm gần đây đ9 đề cập giải quyết mô hình dao động phi tuyến ngẫu nhiên khi coi các tác động của mặt đường là các hàm ngẫu nhiên dừng, écgôđích và không quán tính

Các công trình nghiên cứu của giáo sư Đặng Thế Huy [4], [8], [34], [36] đ9 xây dựng mô hình dao động phi tuyến ngẫu nhiên của cầu sau máy kéo Tác giả đ9 sử dụng phương pháp tuyến tính hoá thống kê đưa mô hình dao động phi tuyến thành mô hình tuyến tính hoá tương đương và sử dụng lý thuyết hàm tương quan để nghiên cứu hệ thống đ9 được tuyến tính hoá, lời giải gần đúng bằng đồ thị

đường ngắn, tác động lên bánh xe mang đặc tính va đập; mấp mô của biên dạng đường có dạng hàm điều hoà; mấp mô của biên dạng đường có hình dạng bất kỳ được biểu diễn bằng hàm Splain bậc ba; mấp mô của biên dạng

đường biến đổi ngẫu nhiên được biểu diễn bằng các hàm ngẫu nhiên dừng, écgôđích Các tác giả đ9 xây dựng các mô hình nghiên cứu dao động của ô tô trong mặt phẳng thẳng đứng dọc và mô hình không gian, đ9 giải quyết các bài toán dao động xác định do kích động của mặt đường không bằng phẳng, trên cơ sở đó giải quyết bài toán tối ưu lựa chọn các thông số của ô tô và bộ phận treo theo các yêu cầu của chuyển động êm dịu Tuy nhiên các mô hình nghiên cứu đều là tuyến tính, với các đặc tính tuyến tính của các bộ phận treo trên ô tô Trong những phạm vi nhất định đối với ô tô, điều này là có thể chấp nhận

được do điều kiện mặt đường của ô tô thường có chất lượng cao Phương pháp

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 18

đo dao động của ô tô có sử dụng máy vi tính cũng đ9 được một số tác giả nghiên cứu [21]

Các công trình nghiên cứu dao động của máy kéo ở trong nước chưa nhiều và xuất hiện trong những năm gần đây [1], [11], [12], [13] Các công trình này là những nghiên cứu trong phạm vi hẹp nhằm xác định ảnh hưởng của rung xóc tới sức khoẻ của công nhân lái và bước đầu đặt ra một số biện pháp chống rung cho người lái máy như cải tiến ghế chống rung, găng tay bảo

hộ lao động Tuy nhiên các tác giả mới xem xét dao động của máy kéo trong một số điều kiện cụ thể khi xem hệ là tuyến tính, một bậc tự do chịu tác động của mặt đường dạng hàm xác định

Máy kéo làm việc trong điều kiện đường sá, mặt đường, mặt đồng có trắc diện thay đổi lớn theo cả phương chuyển động và phương ngang, vì vậy

để phù hợp với điều kiện làm việc, kết cấu của máy kéo có nhiều điểm khác với ô tô và máy vận tải Mặc dù vận tốc chuyển động thực tế của máy kéo thấp hơn của ô tô, song ảnh hưởng của các kích động động học mặt đường tới các chỉ tiêu làm việc rất lớn, vì vậy cần thiết phải nghiên cứu bằng một mô hình với đầy đủ các đặc tính phi tuyến của các phần tử đàn hồi

Mặt khác hầu hết các công trình nghiên cứu về dao động của máy kéo mới chỉ xem xét loại bài toán phân tích hệ thống, xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số vào tới dao dộng của máy kéo theo các chỉ tiêu định trước,

mà chưa tiến hành nghiên cứu bài toán tổng hợp hệ thống theo các yêu cầu sử dụng máy nên chưa thể đưa ra những khuyến cáo đầy đủ trong việc lựa chọn hay điều chỉnh các thông số của hệ thống

Nghiên cứu dao động của máy kéo theo mô hình không gian đ9 được nhiều tác giả quan tâm giải quyết ở nhiều khía cạnh khác nhau với cả hàm kích động mặt đường, mặt đồng là xác định và ngẫu nhiên [22], [26] Với mô hình nghiên cứu này có thể xác định ảnh hưởng của dao động tới sự lắc ngang của người lái (do người lái có trọng tâm cao và chiều rộng cơ sở của máy kéo

hẹp), đến chất lượng làm việc của liên hợp máy như làm thay đổi chiều cao cắt của máy thu hoạch, … Tuy nhiên các mô hình nghiên cứu vẫn là tuyến tính Việc nghiên cứu dao động phi tuyến của máy kéo theo mô hình không gian,

đặc biệt là dao động ngẫu nhiên còn gặp nhiều khó khăn vì phải đồng thời giải quyết hệ thống các phương trình vi phân phi tuyến lồng ghép với các kiều kiện giới hạn vì không thể áp dụng được định luật tác dụng độc lập của các lực Vì vậy cần phải nghiên cứu dao động phi tuyến của máy kéo dần từng bước, từ mô hình một bậc tự do, hai bậc tự do, mô hình phẳng, … đến mô hình không gian

Các công trình nghiên cứu của Tiến sĩ Lê Minh Lư đ9 xây dựng mô hình dao động phi tuyến xác định của cầu trước, cầu sau máy kéo và mô hình dao động phi tuyến ngẫu nhiên của cầu trước, cầu sau máy kéo Khi nghiên cứu dao động xác định của máy kéo tác giả đ9 tiến hành theo phương pháp Runghe-kutta trên máy vi tính theo ngôn ngữ Pascal còn khi nghiên cứu dao

động của máy kéo do tác động có tính ngẫu nhiên của mặt đường, mặt đồng gây ra, tác giả đ9 thực hiện theo phương pháp động lực học thống kê Nghiên cứu dao động ngẫu nhiên của hệ thống tuyến tính, tác giả đ9 sử dụng phương pháp lý thuyết hàm ngẫu nhiên Nghiên cứu những hệ thống phi tuyến, tác giả

đ9 sử dụng phương pháp tuyến tính hoá thống kê Trong quá trình tính toán, tác giả đ9 sử dụng phương pháp số để giải hệ thống các phương trình siêu việt, phương pháp tối ưu hoá để giải các bài toán tổng hợp hệ thống với sự trợ giúp của máy tính điện tử Tuy nhiên tác giả mới chỉ mô tả các dạng mặt đường, mặt đồng dưới dạng hàm xác định là các hàm tuần hoàn hoặc dưới dạng hàm ngẫu nhiên Các dạng hàm này vẫn chưa mô tả đầy đủ tính chất biến đổi thực của biên dạng đường

Mặt khác trong các nghiên cứu động lực học của liên hợp máy cần có các giá trị xác định của các thông số mặt đường khi gắn với vận tốc chuyển

động của liên hợp máy như biên dạng, vận tốc và gia tốc, các dạng hàm trên

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 20

thường có những nhược điểm khó khắc phục Phương pháp mô phỏng toán học biên dạng đường dạng hàm Splain bậc ba đ9 được ứng dụng trong nghiên cứu chuyển động của ô tô vận tải đ9 cho kết quả tốt, thể hiện sự mô phỏng gần

đúng hơn biên dạng mặt đường và thuận tiện trong nghiên cứu đặc biệt trong ứng dụng phương pháp số Việc ứng dụng các kết quả này cho nghiên cứu

động lực học của các máy móc nông nghiệp làm việc khi di chuyển là có ý nghĩa thực tiễn

1.4 Mô hình và phương trình dao động của máy kéo bánh

Nghiên cứu dao động của máy kéo chịu tác động của mặt đường không bằng phẳng, cần thiết phải xây dựng các mô hình tính toán, xác định các thông số của hệ thống (các khối lượng, các mô men quán tính của thân máy kéo, các đặc trưng của các phân tử đàn hồi, …), xác định các hàm kích động ở cửa vào và thiết lập các hệ phương trình vi phân dao động của máy kéo

1.4.1 Đặc trưng của các phần tử đàn hồi trên máy kéo

Khi phân tích độ chạy êm của xe máy (ôtô, máy kéo, …) người ta phân biệt các phần sau đây xét về mặt cấu trúc [30], [34]:

- Phần trên lò xo: tất cả các cụm máy, chi tiết máy có trọng lượng tác dụng lên lò xo, được thay thế bằng một khối lượng và các mô men quán tính khối lượng đối với các trục quán tính chính trung tâm

- Phần dưới lò xo: tất cả các cụm máy, chi tiết có trọng lượng không tác dụng lên lò xo, được thay thế bằng một khối lượng tập trung

- Bộ phận treo: là kết cấu của bộ phận di chuyển dùng để truyền lực và các kích động của mấp mô mặt đường lên phần trên lò xo nhằm hạn chế tác dụng động lực học đối với phần trên lò xo

- Bánh xe là bộ phận đàn hồi bảo đảm cho xe máy tiếp xúc ổn định với mặt đường, mặt đồng và giảm bớt tác động động lực học của các mấp mô mặt

đường, mặt đồng đến xe máy

Đối với máy kéo bánh, bánh sau của máy kéo được liên kết thẳng với thân máy thông qua cầu sau mà không có hệ thống treo Vì vậy ở cầu sau chỉ

có bộ phận đàn hồi duy nhất là các bánh lốp sau ở cầu trước, do máy kéo phải làm việc trong điều kiện không đường sá, độ chênh mặt đường giữa hai bánh trước bên trái và bên phải lớn nên để đảm bảo tính năng ổn định khi di chuyển, cầu trước máy kéo được liên kết với thân máy thông qua một khớp quay đảm bảo cho cầu trước có thể quay quanh trục dọc Mặt khác, trong những máy kéo hiện đại bánh trước còn được liên kết với cầu trước thông qua một lò xo xoắn ốc trụ Bởi vậy đối với máy kéo bánh, phần trên lò xo bao gồm khung máy, động cơ, buồng lái, hộp số, cầu sau, máy nông nghiệp treo (ở thế vận chuyển nếu có), … và cả bánh chủ động lắp trên cầu sau Trong sơ đồ tính toán, khối lượng của cầu trước cũng được tính toán vào trong khối lượng của thân máy kéo Phần dưới lò xo máy kéo bao gồm bánh lốp trước, trục bánh trước và trụ giữ lò xo giảm xóc cầu trước

Trong thực tế, bản thân mỗi bộ phận cũng không phải là vật thể tuyệt

đối cứng, tuy nhiên các biến dạng đàn hồi của chúng ảnh hưởng tới độ chạy

êm của xe máy (ô tô, máy kéo, …) so với ảnh hưởng của các phần tử đàn hồi

lò xo trong hệ thống treo và bánh xe là không đáng kể Vì vậy trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phần trên lò xo được xem như một vật thể tuyệt

đối cứng Các đặc trưng cơ bản của nó là khối lượng, các mô men quán tính của khối lượng đối với các trục quán tính chính trung tâm Các chuyển vị là chuyển vị thẳng đứng của trọng tâm, chuyển vị góc của nó quanh các trục quán tính chính trung tâm

Khi nghiên cứu về độ chạy êm của xe máy, qui ước bỏ qua các biến dạng và liên kết giữa các phần tử của phần dưới lò xo, bỏ qua mô men quán tính khối lượng của phần dưới lò xo và coi phần dưới lò xo như một chất điểm (khối lượng tập trung ở một điểm) tập trung ở tâm bánh xe Như vậy chuyển vị

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 22

của phần dưới lò xo sẽ tương ứng với chuyển vị thẳng đứng của tâm trục bánh

xe

Các tác động động học do các mấp mô mặt đường gây ra sẽ tác động lên phần trên lò xo thông qua hệ thống treo của xe máy Hệ thống này gồm phần tử đàn hồi (lò xo), bộ dập tắt dao động (bộ giảm chấn) và bộ phận hướng dẫn

Các bánh hơi của máy kéo có tính dàn hồi theo các phương khác nhau, song chỉ có tính đàn hồi của lốp theo phương bán kính là ảnh hưởng chủ yếu

đến độ chạy êm Vì vậy trong nghiên cứu dao động của máy kéo, nhất thiết phải kể đến độ đàn hồi của bánh hơi theo phương này

Tính đến độ đàn hồi của bánh lốp máy kéo khi thành lập sơ đồ tính toán dao động cũng giống như tính toán một lò xo bất kỳ nào

Mọi thông số (có thể và không thể điều chỉnh) ảnh hưởng đến độ chạy

êm của xe máy được gọi là các đặc trưng của hệ thống treo

Phần tử cơ bản trong hệ thống treo là phần tử đàn hồi dùng để giảm tác

động động lực học do mấp mô mặt đường gây ra cho phần trên lò xo Đặc tính cơ bản của phần tử đàn hồi là hệ thức giữa lực và biến dạng của nó do lực đó gây ra theo phương nghiên cứu

Đồ thị diễn tả sự liên hệ giữa lực đàn hồi (Pđh) và biến dạng (δ) gọi là

đường đặc tính của phần tử đàn hồi (lò xo) Tốc độ gia tăng của Pđh khi biến dạng tăng được gọi là độ cứng của lò xo Cx ( hình 1-8):

Hình 1-8 Đường đặc tính đàn hồi của lò xo

được xác định từ đường trung bình giữa đường cong tăng tải và giảm tải (đường nét đứt)

Hình 1-9 Đường đặc tính lò xo khi tăng và giảm tải

a, b - đường đặc tính động lực học khi tăng và giảm tải;

c, d - đường đặc tính tĩnh khi tăng và giảm tải

Đường đặc tính của một số phần tử đàn hồi (khí hay thuỷ khí) phụ thuộc rõ rệt vào tốc độ biến dạng Do đó người ta còn phân biệt các đặc tính tĩnh và động lực học Đường đặc tính tĩnh được xây dựng khi tốc độ biến dạng dưới 50mm/phút Đường đặc tính động lực học thu được khi tốc độ biến dạng lớn hơn mức đó Khi tốc độ biến dạng lớn, nhiệt lượng xuất hiện không kịp toả

ra môi trường xung quanh do đó độ cứng động lực học lớn hơn độ cứng tĩnh

Người ta phân biệt độ cứng của phần tử đàn hồi theo hai dạng: tuyến tính và phi tuyến Phần tử đàn hồi có độ cứng không đổi có đặc trưng tuyến

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 24

tính Nếu độ cứng của nó phụ thuộc vào giá trị của biến dạng thì đó là phần tử

đàn hồi có đặc trưng phi tuyến

Vật liệu chế tạo các phần tử đàn hồi có nhiều loại khác nhau: kim loại (lò xo lá, lò xo xoắn ốc trụ, …), cao su, khí, … Đường đặc tính của phần tử

đàn hồi là kim loại gần đúng với đường thẳng hơn (tuyến tính) Các loại còn lại có đường đặc tính thường là đường cong (đặc trưng phi tuyến)

Bộ phận giảm chấn trong hệ thống treo được dùng để làm giảm biên độ của chuyển vị của phần trên lò xo Khi có lực tác dụng ở các bộ phận giảm chấn sẽ xuất hiện các lực cản không đàn hồi tỉ lệ với vận tốc chuyển vị tương

đối giữa hai phần trên và dưới lò xo Đặc tính của bộ phận giảm chấn là quan

hệ giữa lực cản R và tốc độ thay đổi biến dạng δ& của bộ phận giảm chấn và quan hệ đó được xem là tuyến tính thông qua một hệ số tỉ lệ gọi là hệ số cản dao động K:

Đường đặc tính của bộ giảm chấn khi nén và khi d9n khác nhau khá lớn

Hệ số cản khi d9n Kd lớn hơn nhiều khi nén Kn, thường từ 3 ữ 10 lần Hệ số cản khi tăng tải và giảm tải cũng khác nhau, (hình 1-10) Trong tính toán hệ số cản được xác định theo đường trung bình giữa đường tăng tải và giảm tải [34]

Hình 1-10 Đường đặc tính của bộ phận giảm chấn

Trong tính toán kỹ thuật, người ta dùng hệ số cản là giá trị trung bình của hai hệ số cản khi d9n và nén:

2

KK

Đối với máy kéo, sự hao tổn năng lượng cần thiết để làm tắt dao động là nhờ ma sát trong của các phần tử lò xo, bánh lốp và hiếm khi nhờ bộ giảm chấn thuỷ lực (các máy kéo Việt Nam sử dụng hiện nay đều không có giảm chấn thuỷ lực) Đặc trưng ma sát ở lò xo phụ thuộc vào cấu trúc của lò xo và thường có thể được coi là đặc trưng ma sát khô Đối với bánh hơi, hao tán năng lượng được coi tỉ lệ bậc nhất với vận tốc biến dạng

Đường đặc tính của các phần tử đàn hồi và bộ giảm chấn được xác định bằng thực nghiệm Mỗi hệ thống treo và phần tử đàn hồi cụ thể (lò xo, bánh lốp) sẽ xác định được độ cứng và hệ số cản tương ứng

Đối với máy kéo, các phần tử đàn hồi và hệ thống treo bao gồm lò xo giảm xóc cầu trước, bánh lốp trước, bánh lốp sau và lò xo ghế ngồi

1.4.1.1 Đặc trưng của lò xo giảm xóc cầu trước

Cấu tạo của bộ phận treo cầu trước trình bày trên hình 1-11

Phần tử đàn hồi chính của bộ phận treo cầu trước là một lò xo xoắn ốc hình trụ 4 Ban đầu trong lò xo đ9 có một lực nén trước P0 khi xiết đai ốc điều chỉnh 7 ở đầu trụ giữ lò xo Giữa vỏ bộ phận treo 5 và vai trụ bánh trước 1 có khe hở δm, đó là khoảng biến dạng của lò xo

Khi máy kéo di chuyển, bánh trước nhận các kích động của mấp mô mặt đường truyền qua lò xo lên thân máy kéo, lực tác dụng lên lò xo lớn hơn lực nén trước và lực cản trong hệ thống treo, lò xo sẽ bị nén lại, hệ thống treo làm việc Khi lò xo biến dạng hết khoảng biến dạng δm, vỏ 5 của bộ phận treo

sẽ tiếp xúc trực tiếp với vai trụ bánh trước, xem như hai khối lượng trên và dưới lò xo tác động trực tiếp lên nhau với độ cứng vỏ hộp C2, lực nén trong lò

xo khi này có giá trị không đổi và bằng giá trị Pm tương ứng với biến dạng δm

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 26

Khi lực tác dụng giữa hai khối lượng trên và dưới lò xo nhỏ thua tổng lực nén

và lực cản trong hệ thống treo, lò xo lại được d9n ra va hai khối lượng trên và dưới lò xo lại tách ra và trở thành hệ hai khối lượng riêng rẽ Trường hợp lực tác dụng lên lò xo nhỏ thua lực nén trước P0, khi đó ổ trượt 6 tác dụng lên đai

ốc 7, trụ giữ lò xo chịu kéo có độ cứng C1, lò xo có lực nén không đổi P0 Độ cứng biến dạng của vỏ hộp C2 và trụ giữ lò xo C1 có giá trị rất lớn so với độ cứng cứng của lò xo

Hình 1-11 Cấu trúc của hệ thống treo cầu trước máy kéo

1 Vai trục bánh trước; 2 Trục của bộ giảm xóc; 3, 6 ổ trượt;

4 Lò xo giảm xóc; 5 Vỏ của bộ phận treo; 7 Đai ốc điều chỉnh

Các thông số cơ bản của lò xo ảnh hưởng đáng kể tới độ chạy êm là: độ cứng Cx; lực nén trước P0 và khoảng biến dạng δm của lò xo

Đường đặc tính của lò xo giảm xóc cầu trước được xem là tuyến tính trong khoảng làm việc

Các thí nghiệm [34] cũng khẳng định rằng đường đặc tính của lò xo cầu trước khi tăng tải và giảm tải cũng không giống nhau Khi tăng tải độ cứng của lò xo có giá trị lớn hơn Trên hình 1-12 cho các đường đặc tính của lò xo giảm xóc cầu trước của máy kéo T.40 ứng với các cặp lò xo có độ cứng khác nhau Độ cứng lò xo được lấy theo đường trung bình giữa đường tăng tải và giảm tải (đường nét đứt)

Hình 1-12 Đường đặc tính lò xo giảm xóc cầu trước [34]

1 Khi độ cứng lò xo: 2Cx = 266 kG/cm

2 Khi độ cứng lò xo: 2Cx = 450 kG/cm

3 Khi độ cứng lò xo: 2Cx = 600 kG/cm Quan hệ giữa lực đàn hồi và biến dạng bộ phận treo cầu trước có dạng (hình 1-13a):

≤

≤+

<

+

=

;khi

C

P

;0

khi C

P

0;

khi C

PP

m x m

x 2 m

m x x

x 0

x x

1 0 x

δδδ

δ

δδδ

δδ

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 28

δx_- biến dạng của lò xo; δm – khoảng biến dạng lò xo; Px – lực đàn hồi lò xo;

P0 – lực nén trước lò xo; Cx - độ cứng của lò xo; Pm = P0 + Cx δm ;

C1, C2 - độ cứng của trục giữ lò xo và vỏ bộ phận treo, C1, C2 có giá trị rất lớn

so với độ cứng Cx của lò xo

Do ma sát trong của hệ thống treo, ma sát giữa trụ 2 với lò xo 4 và với ổ trượt 3, 6, … trong hệ thống treo xuất hiện lực cản dao động không đàn hồi Trong một số trường hợp lực cản này được xem là phần tử ma sát khô luôn có chiều ngược với vận tốc biến dạng của lò xo (hình 1-13b):

Đặc tính đàn hồi của bánh xe biểu thị qua đồ thị liên hệ giữa lực thẳng

đứng và biến dạng xuyên tâm của bánh xe Đặc tính đàn hồi của bánh xe khi tăng tải và giảm tải cũng khác nhau và tạo thành đường cong trễ khép kín Trong nghiên cứu dao động của máy kéo bánh, độ cứng đàn hồi của bánh xe

được lấy theo đường trung bình giữa đường tăng tải và giảm tải Lực đàn hồi của bánh xe phụ thuộc chủ yếu vào áp suất khí bên trong bánh xe và loại lốp

sử dụng Trên hình 1-14 cho các đường đặc tính đàn hồi của bánh xe máy kéo

khi tăng tải và giảm tải với các áp lực hơi trong bánh xe và với các loại lốp khác nhau [34]

Hình 1-14 Đường đặc tính đàn hồi bánh xe máy kéo bánh [34]

Trong đó: A,B – là các hằng số tuỳ thuộc vào từng loại bánh hơi;

δ - biến dạng đàn hồi của bánh hơi; Pđh – lực đàn hồi của bánh hơi Trong một số trường hợp để đơn giản cho quá trình tính toán có thể xem lực đàn hồi của bánh xe là tuyến tính trong vùng biến dạng tĩnh của lốp, khi

đó ta có [30]:

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 30

Cb - độ cứng bánh hơi, được xác định theo biểu thức:

Cb =πPb B0D0; (kG/cm)

Trong đó: Pb - áp suất hơi trong bánh xe, kG/cm2;

B0 – bề rộng của lốp, cm; D0 - đường kính của lốp, cm

Do ma sát nội tại giữa các phần tử trong bánh xe (lốp, săm, khí, …) gây

ra lực cản biến dạng của bánh hơi Thành phần này có tác dụng phân tán năng lượng để dập tắt dao động do đó làm giảm ảnh hưởng xấu của kích động mặt

đường tới bánh xe và thân máy kéo Lực cản dao động trong bánh xe được xem tỉ lệ bậc nhất với tốc độ của biến dạng:

Rb – lực cản dao động của phần tử đàn hồi bánh hơi;

Kb – hệ số cản dao động; δ& - tốc độ biến dạng của bánh hơi Khi xe máy di chuyển, chịu tác động của các kích động động học mặt

đường, mặt đồng, liên kết giữa bánh xe và mặt đường là một chiều Có trường hợp bánh xe tách khỏi mặt đường, mặt đồng, trong trường hợp đó lực đàn hồi

và lực cản dao động trong bánh xe đều triệt tiêu Đường đặc tính của lực đàn hồi và lực cản dao động khi kể đến liên kết một chiều giữa bánh xe và mặt

đường có dạng (hình 1-15):

Hình 1-15 Đồ thị lực đàn hồi, lực cản dao động của bánh xe máy kéo

0;

khi

0,

0;

khi ,BAP

2 dh

δ

δδ

0,

0;

khi ,K

1.4.1.3 §Æc tr−ng cña bé phËn treo ghÕ ngåi cña m¸y kÐo

Bé phËn treo cña ghÕ ngåi gåm c¸c phÇn tö c¬ b¶n sau ®©y:

- Khèi l−îng trªn lß xo: bao gåm khèi l−îng cña ng−êi l¸i, cña ghÕ ngåi

vµ tÊt c¶ c¸c chi tiÕt cã träng l−îng do lß xo cña ghÕ ngåi tiÕp nhËn

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 32

- Bộ phận treo của ghế ngồi gồm có lò xo và bộ giảm chấn được bố trí giữa ghế và thân máy kéo, có đặc tính tuyến tính Lực đàn hồi tỉ lệ bậc nhất với biến dạng; lực cản dao động tỷ lệ bậc nhất với tốc độ biến dạng của lò xo:

Pg, Rg – lực đàn hồi và lực cản dao động của bộ phận treo ghế ngồi;

δg, δ&g – biến dạng và tốc độ biến dạng của bộ phận treo ghế ngồi;

Cg, Kg - độ cứng lò xo và hệ số cản dao động

Trong thời gian gần đây người ta còn sử dụng ghế ngồi đặt trên cơ cấu hình bình hành (hình 1-17)

Hình 1-17 Sơ đồ ghế ngồi hiện đại

Cơ cấu này bảo đảm sự ổn định cho tư thế thẳng đứng của thân người lái máy và chỉ truyền dao động thẳng đứng từ thân máy kéo là dạng dao động

mà con người có thể tiếp nhận thuận lợi hơn cả so với các dạng dao động có thể [30] Do lực đàn hồi và lực giảm chấn không truyền trực tiếp lên khối lượng trên lò xo, nên với loại ghế ngồi có bộ phận treo hình bình hành trong tính toán phải dùng độ cứng và hệ số cản tương đương gán cho bộ phận treo của ghế ngồi

1.4.1.4 Một số thông số của các máy kéo bánh thông dụng

Phần lớn các máy kéo sử dụng ở nước ta hiện nay được nhập từ Liên Xô

cũ, các thông số cần thiết cho tính toán dao động của một số máy kéo thông dụng cho trong bảng 1-1 [30], [34]

1.4.2 Hàm số kích động mặt đường

Các nguồn gây dao động tần số thấp của máy kéo chủ yếu do độ không bằng phẳng của mặt đường [30] Việc điều tra, khảo sát, phân loại các dạng mặt đường, mặt đồng nơi máy kéo thường xuyên qua lại là cần thiết vì đó là các thông số vào các bài toán dao động

Điều kiện đường sá xét về mặt dao động của máy kéo là rất đa dạng,

đặc biệt là đường sá vùng nông thôn, mặt đồng mơi máy kéo qua lại thường xuyên

Tiến sĩ Lê Minh Lư đ9 bước đầu khảo sát các dạng mặt đường, mặt

đồng phổ biến của vùng đồng bằng sông Hồng Trong nghiên cứu, tác giả đ9 chia mặt đường, mặt đồng ra hai dạng chính sau:

1 Dạng mặt đường xác định: bao hàm những vật chướng ngại đơn chiếc phân bố xa nhau và dạng mặt đường biến đổi tuần hoàn

2 Dạng mặt đường, mặt đồng biến đổi ngẫu nhiên

1.4.2.1 Dạng mặt đường, mặt đồng xác định

1 Mặt đường, mặt đồng là các vật chướng ngại đơn chiếc

Trong khi di chuyển, liên hợp máy nhiều khi phải vượt qua các chướng ngại vật (máy kéo vượt qua bờ ruộng, từ ruộng lên bờ, từ bờ xuống ruộng, vượt mô đất, vật cản, …) Khi đó các quá trình chuyển tiếp dao động và tải trọng

động lực học thường biến đổi khá lớn, có khả năng bật bánh xe khỏi mặt

đường, làm mất ổn định lái, gây rung xóc mạnh cho người lái

Trên hình 1-18 trình bày sơ đồ một số vật chướng ngại đơn chiếc thường gặp, các thông số cần xác định là chiều cao vật cản q0, chiều dài của vật cản S0 và qui luật biến đổi chiều cao của vật cản Có thể biểu diễn các sơ

đồ mày bằng các hàm số xác định

00

MTZ-5

T-4

0

“Hopm

ar

Φaktop

”

“Аыгайер

”

A-141

0

MTZ-8

Hình 1-18 Một số chướng ngại vật thường gặp a- mô đất; b- bờ ruộng; c- đường lên bờ của máy kéo; d- vật cản

- Vật chướng ngại là mô đất (hình 1.18a):

;SS0 khi

,SS

2cos12

qq

0

0 0

0,

;SS0 khi S,S.sinqq

0

0 0

;SS0 khi ,SS

2cos12

qq

0 0

0 0

0;

S khi 0,q

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 36

Theo các qui trình canh tác cây trồng cạn (khoai tây, khoai lang, sắn, củ

đậu, …) thường phải lên luống trước khi gieo trồng và vun gốc trong quá trình chăm sóc Mặc dù có những biến đổi bề mặt do tác động của mưa gió,… song tính chất chu kỳ vẫn rất rõ rệt, có thể diễn tả bằng các hàm tuần hoàn Hình 1-

19 trình bày một số dạng mặt đồng biến đổi tuần hoàn thương gặp:

Hình 1-19 Một số trắc diện mặt đường, mặt đồng biến đổi tuần hoàn

a,b - luống cây trồng cạn c - luống có bề rộng lớn

- Mặt đồng dạng là các luống cây trồng cạn, (hình 1-19a):

.SS

2.sinqq

0 0

π

hoặc (hình 1-19b):

,SS

2cos12

qq

=

n 1

S

2cosi

q.SS

2sini

q2

S0 – bước của luống, có thể lấy S0 = 0,85 ữ 1,5 m;

1

s

q , qci- các hằng số tuỳ thuộc vào trắc diện luống

1.4.2.2 Mặt đường, mặt đồng biến đổi ngẫu nhiên

Do cấu trúc vật liệu làm đường và tác dụng tương hỗ giữa các bộ phận làm việc của máy kéo và đất, ảnh hưởng của khí hậu, tác động lâu dài của con người, gia súc và xe máy, … nên trắc diện mặt đường, mặt đồng biến đổi có tính ngẫu nhiên và được coi là một đại lượng ngẫu nhiên Để bài toán không quá phức tạp, với độ chính xác đủ và cũng không mất đi tính chất tổng quát, các kích động động học của mấp mô mặt đường, mặt đồng được xem là đồng nhất về mặt thống kê, nghĩa là coi chúng là những hàm ngẫu nhiên dừng, ecgôđích và không quán tính [27], [28], [29], [30], [31], [34]

Các đặc trưng thống kê cần thiết phải xác định của trắc diện mặt đường, mặt đồng dạng hàm ngẫu nhiên là kỳ vọng toán học mq, phương sai Dq, hàm tương quan Kq(s*) hay hàm mật độ phổ của trắc diện Sq(ω) Với hàm ngẫu nhiên dừng, ecgôđích kỳ vọng toán mq, phương sai Dq là các hằng số, còn hàm tương quan chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điểm quan sát

Việc xác định các đặc trưng thống kê của một số trắc diện mặt đường, mặt đồng – nơi máy kéo thường xuyên qua lại thuộc vùng đồng bằng sông Hồng dựa trên các số liệu từ việc trực tiếp độ cao các mấp mô

Các đặc trưng thống kê của trắc diện mặt đường, mặt đồng được diễn tả bởi các biểu thức:

s

1lim

q q (s) ds;

s

1lim

*

q q (s)q (s s )ds;

s

1lim)(s

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật - 38

Trong đó:

s0 – qu9ng đường khảo sát;

q(s) – hàm ngẫu nhiên mấp mô mặt đường, mặt đồng;

q0(s) – hàm ngẫu nhiên mấp mô mặt đường, mặt đồng đ9 trung tâm hoá;

s – chiều dài qu9ng đường của điểm quan sát;

s* - qu9ng đường giữa hai lần quan sát

Nếu xét trong một qu9ng đường giới nội s0 đủ lớn, các tích phân trên

0 j

0 j

1)(K

N 1 n

0 n 0 n

à

Trong đó: ν – số khoảng chia độ cao chướng ngại qj;

qj – giá trị xác định của mấp mô mặt đường;

P(qj) – tần xuất hiện độ cao qj trong phép đo;

∆ - chiều dài một khoảng đo (bước tính)

Trong tính toán thí nghiệm, chiều dài qu9ng đường khảo sát S0 =N.∆

được qui định tối thiểu [30]: S0 = 10.Smax;

Smax- là bước sóng lớn nhất của các mấp mô nghĩa là khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm có cùng tung độ không liên tiếp;

đổi cần loại bỏ để tránh làm nhiễu và khó khăn cho việc xác định hàm tương quan

Trong các thí nghiệm với một số mặt đường, mặt đồng đ9 lựa chọn qu9ng đường cần khảo sát:

- Với mặt đường nông thôn: S0 = 500 ữ 700 m;

- Với mặt ruộng lúa sau thu hoạch: S0 = 150 m;

- Với mặt r9nh dọc luống khoai tây: S0 = 100 m ;

bước tính ∆ trong thí nghiệm được chọn : ∆ = 10 cm

Với hàm tương quan theo (1-28) và (1-32) khi s* = 0 có giá trị lớn nhất

và đó chính là phương sai Dq = Kq(0) của hàm mấp mô mặt đường Từ đó ta xác định hàm tương quan chuẩn hoá :

;D

)(sK(o)K

)(sK)(s

q

* q q

* q

Để giải quyết các bài toán dao động ngẫu nhiên, các hàm tương quan thu được từ thực nghiệm cần được diễn tả gần đúng bằng các hàm giải tích thích hợp Các hàm tương quan chuẩn hoá được biểu diễn dưới dạng :