73 Trang 5 chữ viết tắt Diễn giải Ðơn vị MeMômen xoắn của động cơ Nm Ne Công suất của động cơ KW eVận tốc góc của động cơ v/ph NeCông suất động cơ KW Số vòng quay của trục khuỷu v/ph
Tình hình áp dụng cơ giới hoá trong vận xuất và vận chuyển gỗ
Trên thế giới
Sau khi gỗ được chặt hạ, cần vận chuyển đến các điểm tập kết thuận lợi trong rừng, gọi là kho gỗ I, để tiến hành các bước vận chuyển tiếp theo.
Vận chuyển gỗ đóng vai trò quan trọng trong việc đưa các khúc gỗ từ bãi gỗ trong rừng đến các nhà máy chế biến Quá trình này không chỉ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn quyết định giá thành và chi phí khai thác.
Gỗ được thu gom từ các khu vực chặt hạ và tập trung tại các bãi, với các hình thức vận chuyển khác nhau tùy thuộc vào điều kiện của từng quốc gia và vùng sản xuất.
- Vận xuất bằng thủ công: Loại hình vận xuất dùng sức người để di chuyển cây gỗ đến kho hàng I nhƣ kéo xe, vác vai
- Vận xuất bằng súc vật kéo: Loại hình vận xuất gỗ bằng súc vật chủ yếu là dùng sức kéo của trâu hoặc voi
Hình 1.1 - Vận xuất gỗ bằng súc vật kéo [9]
Vận xuất gỗ bằng máng lao là phương pháp di chuyển gỗ thông qua máng lao, dựa trên nguyên lý rằng lực đẩy từ trọng lượng của cây gỗ phải lớn hơn lực cản do ma sát.
Có các loại hình máng lao sau: (1) Máng lao trên mặt đất tự nhiên; (2) Máng lao bằng tre, nứa; (3) Máng lao lát gỗ
Hình 1.2 - Vận xuất gỗ bằng máng lao [9]
- Vận suất gỗ bằng tời: Là loại hình vận xuất dùng tời để kéo gom gỗ
Vận xuất gỗ bằng đường cáp trên không là giải pháp hiệu quả cho việc di chuyển gỗ trong những khu vực địa hình núi cao và hiểm trở, nơi mà các phương tiện vận chuyển truyền thống như máy kéo hoặc súc vật không thể hoạt động.
Khi vận chuyển gỗ có kích thước nhỏ như gỗ trụ mỏ hoặc gỗ nguyên liệu giấy, phương pháp kéo căng và thả chùng của hệ thống cáp một dây thường được áp dụng.
Hình 1.3 – Vận xuất gỗ bằng đường cáp trên không [9]
Vận xuất gỗ bằng máy kéo được thực hiện chủ yếu bằng hai loại máy kéo: máy kéo bánh hơi và máy kéo bánh xích Những máy kéo này được trang bị các thiết bị chuyên dụng như tời cáp, càng ngoạm và cần treo, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển gỗ.
- Vận xuất gỗ bằng khinh khí cầu hoặc máy bay trực thăng
Hình 1.3 – Vận xuất gỗ bằng máy kéo [9]
Phương thức vận chuyển gỗ khác nhau tùy theo từng quốc gia, ví dụ như ở Ba Lan sử dụng sức kéo của ngựa, trong khi Phần Lan chủ yếu vận chuyển bằng đường thủy Tại Pháp, hệ thống đường cáp trên không là phương pháp chính Mặc dù có nhiều phương thức hiện đại, nhưng vận chuyển gỗ rừng trồng chủ yếu vẫn dựa vào các loại máy kéo chuyên dụng và ô tô Những loại máy kéo này có khả năng bám tốt nhưng có cấu tạo phức tạp, giá thành cao và khó khăn trong việc thay thế phụ tùng, nên chỉ phù hợp với các cơ sở lâm nghiệp quy mô lớn và khu vực khai thác gỗ tập trung Ngoài chức năng vận chuyển, chúng còn có khả năng gom, xếp và bốc dỡ gỗ Một số quốc gia như Tiệp Khắc, Thụy Điển và Nhật Bản đã sản xuất và sử dụng các loại máy này, như LKT 80, VOLVO và KOMATSU.
Ở nước ta
Vận xuất gỗ bằng súc vật đã được áp dụng từ những năm 1960, với sức kéo của trâu hoặc voi, thích hợp cho địa hình phức tạp và rừng có trữ lượng gỗ thấp Tuy nhiên, phương pháp này có năng suất thấp và tải trọng kéo nhỏ, làm giảm giá trị sản phẩm Ở Việt Nam, việc vận xuất gỗ bằng máng lao thường được sử dụng ở những khu vực có độ dốc cao và sản lượng gỗ không nhiều Hệ thống sông ngòi dày đặc ở nước ta cho phép vận chuyển gỗ và tre nứa bằng cách đóng bè, mặc dù chi phí thấp nhưng thời gian vận chuyển lại kéo dài và phụ thuộc vào mùa Đầu những năm 1960, máy kéo bánh xích chạy bằng khí gaz, như máy kéo KT-12 của Liên Xô cũ, đã được sử dụng rộng rãi trong vận xuất gỗ tại miền Bắc Việt Nam.
Vào giữa những năm 60, Việt Nam đã bắt đầu sử dụng máy kéo bánh xích chạy bằng nhiên liệu diesel để thay thế dần máy kéo chạy bằng khí gas Các loại máy kéo như TDT40, TDT40M, TDT60, TDT55 do Liên Xô cũ sản xuất đã hoạt động trong việc vận xuất gỗ tại miền Bắc từ năm 1960 đến 1980 Sau khi đất nước giải phóng, máy kéo bánh xích tiếp tục được đưa vào các tỉnh trung Trung bộ và Tây Nguyên để thực hiện nhiệm vụ vận xuất gỗ Hiện nay, ngành lâm nghiệp đang dần thay thế máy kéo bánh xích bằng các loại máy kéo bánh bơm trong quá trình vận xuất gỗ.
Máy kéo bánh bơm có vận tốc lớn hơn và tính năng cơ động cao hơn máy kéo bánh xích, cho phép thực hiện đồng thời cả hai nhiệm vụ vận xuất và vận chuyển ở cự ly ngắn Nhờ đó, năng suất vận xuất của máy kéo bánh bơm cũng cao hơn so với máy kéo bánh xích.
Việt Nam, nằm trong vùng nhiệt đới, sở hữu một hệ thống sông ngòi dày đặc, tạo thành mạng lưới giao thông vận tải hiệu quả trên toàn quốc Các sản phẩm như gỗ và tre có thể được vận chuyển bằng cách đóng bè và di chuyển dọc theo các con sông và kênh mương Mặc dù việc vận chuyển này tận dụng năng lượng của dòng nước chảy rất hiệu quả, nhưng thời gian vận chuyển lại kéo dài.
Hiện nay, cơ chế kinh tế nhiều thành phần và việc giao khoán đất trồng rừng cho nông dân đã thúc đẩy ngành khai thác gỗ nhỏ phục vụ cho sản xuất giấy và khai thác mỏ Gỗ nhỏ thường có đường kính từ 100-300 mm, được cắt thành khúc dài từ 2-5 m và vận chuyển đến các bãi gỗ gần trục đường giao thông Sự phát triển của trang trại nông - lâm nghiệp tạo ra thị trường hấp dẫn cho dịch vụ cơ khí lâm nghiệp, đặc biệt là vận chuyển Nhiều hộ gia đình và chủ trang trại đã đầu tư vào ô tô, chủ yếu là xe tải cỡ trung bình như Thaco HD-72, để tự vận chuyển và cung cấp dịch vụ, nhờ vào giá thành hợp lý phù hợp với khả năng tài chính của người dân.
Tình hình nghiên cứu động lực học ô tô
Trên thế giới
Nghiên cứu của Barski [19] đã trình bày một phương pháp thực nghiệm để xác định các thông số động lực học của máy kéo Tác giả đã thực hiện phân tích toàn diện về động lực học của máy kéo bánh hơi, máy kéo bánh xích và đánh giá độ êm dịu trong chuyển động của các loại máy kéo này.
Công trình nghiên cứu của Xavotrin V.A và Đimitơriev tập trung vào động lực học thống kê của xe xích và xe vận tải Các tác giả đã phân tích các tuyến đường có độ cao mấp mô phân bố ngẫu nhiên, từ đó phát triển các nghiên cứu về động lực học thống kê của hệ thống truyền lực.
Nghiên cứu của Antônp đã phát triển phương pháp thực nghiệm để xác định ổn định chuyển động của ôtô nhiều cầu trong cả hai trường hợp dừng và không dừng Tuy nhiên, phương pháp này chỉ tập trung vào các kích động động lực mà chưa xem xét ảnh hưởng của động lực học do mấp mô mặt đường.
Trong nghiên cứu của Vogel F, tác giả đã phân tích các tính chất động lực học của máy cày khi lực kéo và tải trọng thẳng đứng biến đổi Công trình xác định các đặc trưng như biên độ, tần số và các thông số làm việc như tốc độ quay động cơ, độ trượt, tốc độ di chuyển, mômen chủ động của bánh xe, tải trọng lên cầu sau và lực kéo của máy kéo Mô hình dao động kết hợp tính đàn hồi, cản của hệ thống truyền lực và bánh xe, cũng như mômen quán tính của các phần tử chuyển động Kết quả cho thấy, trong điều kiện hoạt động ổn định, dao động của lực kéo có ảnh hưởng lớn hơn so với tải trọng thẳng đứng đến các tính chất động lực học của máy Mô hình này giúp đánh giá tổng quát các yếu tố tác động đến dao động của máy kéo khi cày đất, tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chỉ dừng lại ở mô hình lý thuyết mà chưa có thực nghiệm để xác thực các giả thuyết.
Trong nước
Công trình nghiên cứu của TS Nguyễn Kính Thảo cùng đội ngũ giảng viên Trường Đại học Lâm nghiệp đã thành công trong việc chế tạo máy kéo khung gập L35, trang bị thiết bị tời cáp, giúp vận xuất gỗ hiệu quả trong điều kiện rừng tự nhiên phức tạp Máy có khả năng điều khiển tời kéo gỗ từ xa, đồng thời có thể di chuyển linh hoạt trong khu vực khai thác, áp dụng phương pháp nửa lết với bán kính quay vòng nhỏ.
PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu và các cán bộ Trường Đại học Lâm nghiệp đã thành công trong việc nghiên cứu đề tài cấp nhà nước KN-03-04, tập trung vào "Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm thiết bị vận xuất, bốc dỡ, vận chuyển phục vụ khai thác gỗ nhỏ từ rừng trồng".
Luận văn thạc sĩ của Đặng Tiến Hòa tại Trường Đại học Nông nghiệp – Hà Nội nghiên cứu động lực học của máy kéo cỡ nhỏ hai bánh, đặc biệt là máy kéo BS12 Tác giả đã xây dựng mô hình để phân tích các đặc tính động lực học của máy kéo khi kết hợp với các thiết bị như cày, bừa, và phay Nghiên cứu này đã xem xét các tính chất động lực học trong bối cảnh hoạt động phi tuyến của động cơ và sự tương tác giữa các hệ thống thành phần của máy kéo và máy công tác.
PGS TS Nguyễn Văn Quân đã phát triển cơ sở lý thuyết để xác định các thông số cơ bản của trang bị lâm nghiệp chuyên dụng lắp trên máy kéo nông nghiệp Ông cũng nghiên cứu lực tải công nghệ tác động lên máy kéo và trang bị chuyên dùng trong quá trình vận xuất gỗ nhỏ từ rừng trồng.
Luận án tiến sĩ của Nguyễn Đình Tuấn, học viên Kỹ thuật Quân sự, nghiên cứu mô hình động lực học cho chuyển động thẳng và quay vòng của xe xích quân đội, nhằm cải thiện hiệu suất và tính năng hoạt động của phương tiện này trong các tình huống tác chiến.
Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Văn An tại trường Đại học Lâm nghiệp nghiên cứu ảnh hưởng của độ mấp mô mặt đất và tốc độ chuyển động đến phản lực pháp tuyến trên cầu trước của máy kéo DFH-180 Nghiên cứu này sử dụng thiết bị tời cáp cần trục để vận xuất gỗ rừng trồng, nhằm xác định giới hạn phạm vi làm việc của liên hợp máy.
Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Hồng Quang nghiên cứu dao động của máy kéo Shibaura SD 2843 kết hợp với thiết bị tời cáp trong quá trình vận xuất gỗ bằng phương pháp kéo nửa lết Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện thiết kế và lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý cho máy kéo trong hoạt động vận xuất gỗ từ rừng trồng.
Luận văn thạc sĩ của Đặng Thị Hà đã nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp và cần treo gỗ trên máy kéo nhỏ, nhằm vận xuất gỗ rừng trồng trên dốc dọc Nghiên cứu đã đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khởi hành, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng liên hợp máy và đảm bảo an toàn trong lao động sản xuất.
Luận văn thạc sĩ của Phạm Minh Đức nghiên cứu khả năng kéo bám của máy kéo DFH 180 trong việc vận chuyển gỗ nhỏ từ rừng trồng Nghiên cứu đã xác định mối quan hệ giữa các lực tác dụng lên máy kéo, thông số kết cấu của rơ moóc, tải trọng vận chuyển và độ dốc mặt đường Dựa trên những kết quả này, luận văn đề xuất các thông số kết cấu hợp lý cho rơ moóc và khuyến cáo các giải pháp nhằm nâng cao khả năng kéo và bám cho liên hợp máy.
Luận văn thạc sỹ của Bùi Thanh Thủy nghiên cứu động lực học của liên hợp máy JONH DEERE 5310 với máy cày chảo trong nông lâm nghiệp Nghiên cứu đã tính toán các đặc trưng động lực học và xây dựng đường đặc tính cho liên hợp này, đồng thời xác định các góc dốc giới hạn để đảm bảo ổn định trong các trường hợp làm việc cụ thể.
Luận văn thạc sĩ của Trần Văn Tuyển đã nghiên cứu khả năng kéo, bám và ổn định của liên hợp máy DFH 180 với cày lưỡi diệp trong công tác làm đất nông lâm kết hợp Nghiên cứu xác định khả năng kéo bám của liên hợp máy khi làm việc với cày lưỡi diệp tại một hiện trường cụ thể, đồng thời đánh giá khả năng ổn định của máy trên đường dốc dọc, sườn dốc và địa hình đặc biệt Kết quả nghiên cứu góp phần khuyến cáo việc sử dụng liên hợp máy một cách hợp lý và an toàn.
Luận văn thạc sỹ của Hoàng Quốc Việt nghiên cứu động lực học kéo của ô tô tải THACO – FOTON 1,25 tấn, sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam, khi chở gỗ trên đường lâm nghiệp Nghiên cứu đã xây dựng đồ thị cân bằng công suất và lực kéo, đồng thời phân tích các nhân tố động lực học cho xe ô tô tải này.
Luận án Tiến sĩ của Nguyễn Tiến Đạt nghiên cứu về việc sử dụng máy kéo cỡ nhỏ để cơ giới hóa quá trình vận xuất gỗ rừng trồng tại Việt Nam Tác giả đã phát triển phương pháp thực nghiệm để đo dao động của máy kéo trong quá trình vận xuất gỗ theo phương pháp kéo nửa lết Trong nghiên cứu, hàm tác động của mặt đường được xác định là hàm ngẫu nhiên, tuy nhiên, tác giả chỉ tập trung vào việc phân tích dao động của máy kéo trong mặt phẳng thẳng đứng dọc.
Luận án tiến sĩ của Trần Minh Sơn nghiên cứu khả năng chịu tải của vỏ ôtô dưới tác động của tải trọng mặt đường ngẫu nhiên tại Việt Nam Tác giả đã đề xuất phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định tính biến dạng và ứng suất của khung vỏ xe khi chịu kích động động học từ hàm ngẫu nhiên của mấp mô biên dạng đường.
Mục tiêu nghiên cứu
Xác định khả năng kéo, bám và ổn định của ô tô Thaco HD 72 trong vận chuyển gỗ là cần thiết để lựa chọn chế độ sử dụng hợp lý Việc này giúp giới hạn phạm vi làm việc, từ đó khai thác hiệu quả và an toàn thiết bị, phục vụ cho quá trình cơ giới hóa trong vận chuyển gỗ.
Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là xe ô tô 3,5 tấn mã hiệu Thaco HD
Động cơ Diesel 4 kỳ, 4 xi-lanh thẳng hàng, turbo tăng áp và làm mát bằng nước được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam, được sử dụng cho việc vận chuyển gỗ.
Các thông số kỹ thuật của xe đƣợc ghi trong bảng 2.1
Bảng 2.1 - Thông số kỹ thuật của ô tô Thaco HD72
Thông số Giá trị Đơn vị
Kích thước tổng thể (D x R x C) 6.740 x 2.170 x 2.290 mm Kích thước lọt lòng thùng
Chiều dài cơ sở 3.735 mm
Vệt bánh xe 1.650/1.495 trước/sau
Khoảng sáng gầm xe 235 mm
Bán kính vòng quay nhỏ nhất 7,3 m
Tốc độ tối đa 104 km/h
Dung tích thùng nhiên liệu 100 Lít
Trọng lƣợng bản thân 3.000 Kg
Tải trọng cho phép 3.500 Kg
Trọng lƣợng toàn bộ 6.695 Kg
Trọng lƣợng phân bố lên trục 1 2350 Kg
Trọng lƣợng phân bố lên trục 2 4345 Kg
Diesel, 4 kỳ, 4 xi-lanh thẳng hàng, turbo tăng áp, làm mát bằng nước
Dung tích xi lanh 3.907 cc Đường kính x Hành trình piston 104 x 115 mm
Công suất cực đại/Tốc độ quay 96 kW(130PS)/2900 v/p Ps/rpm
Thông số Giá trị Đơn vị
Mô men xoắn cực đại 38 kG.m (372N.m)/ 1800 vòng/phút N.m/rpm
01 đĩa, ma sát khô, dẫn động thuỷ lực, trợ lực chân không
Số tay Cơ khí, số sàn, 5 số tiến, 1 số lùi
Tỷ số truyền hộp số chính ih1=5,380; ih2=3,208; ih3=1,700; ih4=1,000; ih5=0,722; iR=5,38
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là khả năng kéo, bám và ổn định của ô tô Thaco HD 72 khi vận chuyển gỗ rừng trồng.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan vấn đề nghiên cứu;
- Xây đựng đường đặc tính ngoài cho động cơ ô tô Thaco HD72;
- Xây dựng đường đặc tính kéo, bám của ô tô;
- Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo, bám của ô tô vận chuyển gỗ trên mặt đường dốc dọc;
- Xác định khả năng kéo bám của ô tô vận chuyển gỗ;
- Xác định khả năng ổn định dọc, ổn định ngang và ổn định quay vòng của ô tô khi vận chuyển gỗ.
Xây dựng đường đặc tính kéo của ô tô Thaco HD 72
Đường đặc tính tốc độ của động cơ thể hiện mối quan hệ giữa công suất có ích (N e), mômen xoắn có ích (M e) và lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ Các đồ thị này giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.
Gj và suất tiêu hao nhiên liệu g e theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc của trục khuỷu
Có hai loại đường đặc tính tốc độ của động cơ :
- Đường đặc tính tốc độ cục bộ
Đường đặc tính tốc độ ngoài, hay còn gọi là đường đặc tính ngoài của động cơ, được xác định thông qua các thử nghiệm động cơ trên bệ thử.
Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu tối đa, chúng ta có thể thu được đường đặc tính ngoài của động cơ Đối với động cơ xăng, điều này đạt được bằng cách mở bướm ga hoàn toàn, trong khi động cơ điêzen yêu cầu đặt thanh răng của bơm cao áp ở chế độ cấp nhiên liệu tối đa Khi bướm ga hoặc thanh răng ở các vị trí trung gian, sẽ tạo ra các đường đặc tính cục bộ Mỗi động cơ đốt trong sẽ có một đường đặc tính tốc độ ngoài và nhiều đường đặc tính cục bộ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của bướm ga hoặc thanh răng.
Khi không có đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ từ thực nghiệm, chúng ta có thể xây dựng nó bằng công thức kinh nghiệm của S.R Lây Đécman.
3.1.1 Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ ô tô Để xác định đƣợc lực kéo tiếp tuyến hoặc mômen quay trên các bánh xe chủ động của ô tô, chúng ta cần phải nghiên cứu đặc tính ngoài của động cơ ô tô Đặc tính công suất mô tả quan hệ giữa công suất N e và hai thành phần của nó là mômen M e và tốc độ góc e (hay số vòng quay n e ) Thông thường nó đƣợc biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen M e ( e ) hay đặc tính tốc độ của công suất N e ( e )
Mối quan hệ giữa N e , M e , e đƣợc biểu diễn theo công thức:
N e = M e e (3.1) Trong đó : M e - Mômen xoắn của động cơ
N e - Công suất của động cơ
e - Vận tốc góc của động cơ
Khi động cơ hoạt động ở chế độ cung cấp nhiên liệu tối đa, chúng ta thường sử dụng đặc tính N e và M e ( e), được gọi là đặc tính ngoài Đường đặc tính tốc độ ngoài trong lý thuyết ô tô máy kéo là công cụ quan trọng để tính toán khả năng kéo và động lực học, đồng thời cũng được áp dụng để xác định các chỉ tiêu sử dụng cho các liên hợp máy kéo (ô tô máy kéo liên hợp máy công tác) Công thức S.R Lay Đecman được sử dụng trong các tính toán này.
N e , n e - công suất hiệu dụng và tốc độ quay của động cơ ứng với một điểm bất kỳ trên đường đặc tính ngoài;
Công suất định mức (N max) và số vòng quay định mức (n N) của động cơ trên xe tải Thaco HD 72 được xác định với n N = 2900 [v/ph] và N max = 96 [KW] Động cơ này là loại Diesel 4 kỳ có buồng cháy xoáy lốc, vì vậy các hệ số thực nghiệm được chọn là a = 0,7; b = 1,3; c = 1.
Thay các giá trị vào công thức (3.3) ta có:
Mặt khác, có các giá trị n e và N e có thể tính đƣợc giá trị của mômen xoắn M e của động cơ theo công thức : e e e n
Trong đó : N e - công suất động cơ [KW]; n e - số vòng quay của trục khuỷu [v/ph];
M e - mô men quay của động cơ [Nm]
Thay đổi các giá trị khác nhau của n e trong khoảng từ n min đến n max của động cơ xe tải Thaco HD 72 vào các công thức (3.4) và (3.5) đã cho kết quả được trình bày trong bảng (3.1).
Bảng 3.1 - Thông số đặc tính ngoài của động cơ n e (v/ph) N e (kW) M e (N.m)
Căn cứ vào kết quả tính đƣợc ở bảng (3.1), vẽ đồ thị bằng phần mềm Excel ta được đường đặc tính ngoài của động cơ (hình 3.1)
Hình 3.1 - Đường đặc tính ngoài của động cơ
Công suất định mức của động cơ với bộ điều tốc là 96 kW, mômen xoắn định mức đạt 316,17 Nm và số vòng quay định mức là 2900 vòng/phút.
3.1.2 Xây dựng đường đặc tính kéo lý thuyết của ô tô 3.1.2.1 Lực kéo tiếp tuyến P k
Trên ô tô, động cơ đốt trong tạo ra mô men quay, được truyền qua côn nối, hộp số, truyền động các đăng và cầu chủ động đến các bánh xe chủ động.
Hình 3.2 - Sơ đồ hệ thống truyền lực của ô tô
1 Động cơ; 2 Côn (ly hợp); 3 Hộp số; 4 Truyền động các đăng;
5 Truyền lực chính; 6 Hộp vi sai; 7 Bán trục chủ động; 8 Bánh xe chủ động
Tại bánh xe chủ động, mô men quay tạo ra lực P ngược chiều chuyển động của ô tô Nhờ sự tương tác giữa bánh xe và mặt đường, bánh xe nhận lực P k từ mặt đường có giá trị tương đương với lực P và cùng chiều chuyển động của ô tô Lực P k này được gọi là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động.
Hình 3.3 - Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động
Lực kéo tiếp tuyến là yếu tố quan trọng giúp ô tô vượt qua các lực cản và di chuyển về phía trước Công thức xác định lực kéo tiếp tuyến là: k k k r.
Trong đó: r k : bán kính đặt lực P k , thường được tính theo bán kính lăn của bánh xe: r k = r bx (3.7)
M k : Mô men xoắn ở trục bánh xe chủ động, đƣợc xác định nhƣ sau:
- Khi ô tô chuyển động đều (chuyển động ổn định tức v = const)
Mô men quay của trục cơ (M e) được xác định bởi tỉ số truyền chung của hệ thống truyền lực (i t) Tỉ số này được tính bằng công thức i t = i h i p i 0 i c, trong đó i h là tỉ số truyền của hộp số chính, i p là tỉ số truyền của hộp số phụ, i 0 là tỉ số truyền cuối, và i c là tỉ số truyền của cầu chủ động.
t - Hiệu suất của hệ thống truyền lực ( =0,89)
- Khi ô tô chuyển động có gia tốc
M ' k M k M j (3.10) Thay giá trị của M k từ công thức (3.9) và giá trị r k từ công thức (3.7) vào (3.6) bx t t e k r i
Từ công thức (3.11) ta có nhận xét :
Lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động chịu ảnh hưởng bởi mô men quay và bán kính làm việc của bánh xe Đồng thời, mô men quay lại phụ thuộc vào tỷ số truyền trong các số truyền của hệ thống truyền lực, tức là phụ thuộc vào tốc độ quay của bánh xe chủ động và tốc độ di chuyển của ô tô.
3.1.2.2 Vận tốc chuyển động của ô tô ở các số truyền khác nhau
Dựa vào đường đặc tính ngoài của động cơ ô tô (hình 3.1) ta có thể xây dựng đường đặc tính kéo cho ô tô P ki f (v ) ở các số truyền khác nhau:
Mối quan hệ giữa tốc độ trục cơ của động cơ (n e) và vận tốc chuyển động của xe ô tô (v) có thể được biểu thị qua công thức: v = p h b x e i i i r n.
Với r bx là bán kính làm việc trung bình của bánh xe chủ động, đƣợc tính theo công thức: r bx = 25 , 4
B: Bề rộng của lốp, B = 7,5 [mm] d: Đường kính vành bánh xe, d = 16 [mm]
: Hệ số kể đến sự biến dạng của chọn = 0,945 Thay số vào công thức (3.13) ta có: r bx = 0,945.(7,5 +
Tỷ số truyền của truyền lực chính đƣợc tính theo công thức: i 0 = max max
Khả năng ổn định dọc của ô tô vận chuyển gỗ
4.1.1 Sơ đồ tính toán ổn định dọc của xe ô tô vận chuyển gỗ Ổn định của ô tô là một tính chất quan trọng trong quá trình làm việc
Xe đảm bảo an toàn khi đứng yên và hoạt động trên mặt đường dốc, trơn, giúp nâng cao năng suất làm việc và hiệu quả kinh tế.
Tính ổn định của ô tô được xác định bởi khả năng giữ cho xe không bị lật hoặc trượt khi đứng yên trên mặt đường dốc hoặc khi di chuyển trên địa hình này.
Khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp bằng ô tô tải, có hai tình huống chính: lên dốc và xuống dốc Do trọng tâm của xe thường gần cầu sau, xe dễ mất ổn định, đặc biệt là khi di chuyển lên dốc.
Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô chở gỗ trong trường hợp lên dốc nhƣ hình 4.1 a b h w h r
4.1.2 Khả năng ổn định dọc theo điều kiện chống lật
Từ điều kiện cân bằng mô men quanh tâm A theo công thức (3.18) :
Khi xe bắt đầu lật đổ quanh điểm A, lúc đó phản lực pháp tuyến ở bánh trước Z 1 = 0
Trong đó: J max = 6,0587 m/s 2 theo kết quả khảo sát của [8]
Thay các giá trị vào công thức (4.2) ta tính đƣợc góc dốc giới hạn lật đổ của ô tô trong trường hợp vận chuyển lên dốc d = 19 0 6’
4.1.3 Khả năng ổn định dọc theo điều kiện bám của bánh chủ động ở các loại đường khác nhau
Sự mất ổn định của xe khi di chuyển trên dốc có thể xảy ra do bánh xe bị trượt do thiếu độ bám với mặt đường, hoặc xe có thể lăn xuống dốc nếu lực phanh không đủ mạnh để giữ chặt các bánh xe.
Khi xe di chuyển lên dốc với tốc độ ổn định, các lực cản như lực cản không khí và lực cản lăn có thể được xem là không đáng kể và có thể bỏ qua.
(4.3) Mặt khác từ phương trình cân bằng lực quanh tâm B ta có:
(4.5) Nhƣ vậy góc dốc giới hạn theo điều kiện bám của bánh chủ động đƣợc xác định theo công thức (4.5):
Trong đó: a: Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm đế cầu trước, (a = 2,4853m) h g : Chiều cao trọng tâm, (h g = 2,486m)
L: chiều dài cơ sở của ô tô, (L = 3,735m)
: Hệ số bám (đường nhựa 0 , 783 , đường đất khô 0 , 45 , đường đất ướt 0 , 32 )
Thay các giá trị vào công thức 4.5 ta có kết quả tính toán khi ô tô vận chuyển lên dốc nhƣ sau:
- Với đường nhựa, bê tông góc dốc giới hạn: 18 0 7’
- Với đường đất khô góc dốc giới hạn: 17 0 7’
- Với đường đất ướt góc dốc giới hạn: 12 0 5 ’
4.1.4 Khả năng ổn định hướng chuyển động (ổn định lái) Điều kiện ổn định lái của ô tô là phản lực tiếp tuyến lên bánh trước phải luôn lớn hơn một giá trị cho phép
Khả năng lái của ô tô bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi phản lực pháp tuyến Z1 lên các bánh trước không đạt mức tối thiểu Zcp Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng giá trị Zcp nằm trong khoảng từ 0,15 đến 0,20G khi ô tô di chuyển trên bề mặt đường xấu.
Khi ô tô hoạt động trên mặt phẳng dọc, khả năng mất ổn định lái có thể xảy ra trước khi xe bị trượt hay lật Do đó, việc xác định góc dốc cho phép là rất quan trọng để đảm bảo điều kiện lái an toàn Hai trường hợp dễ dẫn đến mất ổn định lái nhất là khi ô tô di chuyển lên dốc và khi di chuyển xuống dốc.
Do đó ta thấy khi vận chuyển lên dốc ô tô dễ mất ổn định hơn
Các thành phần lực và momen tác dụng lên ô tô từ sơ đồ (hình 4.1):
- Phản lực pháp tuyến ở cầu sau là Z 2 , ở cầu trước là Z 1
- Mô men cản lăn M f ; ở bánh sau là M f 2 và ở bánh trước là M f 1 , ta có:
Viết phương trình cân bằng momen của ngoại lực với điểm A ta có phương trình sau:
G.cosα.b = G.sinα.h + Z 1 L + M f (4.6) Trong đó M f là momen cản lăn
Để đảm bảo điều kiện lái xe bình thường, phản lực pháp tuyến Z1 tác động lên cầu trước phải lớn hơn hoặc bằng giá trị cho phép (Z1 ≥ Zcp) Công thức tính lực M f = G.f.cosα.r k được áp dụng trong quá trình này.
Z cp =0,2G, [1] vào phương trình (4.6) ta được
Chiều dài cơ sở của ô tô được xác định là L = 3,735 m, trong khi bán kính lăn của bánh chủ động là r k = 0,394 m Chiều cao trọng tâm của ô tô là h g = 2,486 m, và khoảng cách từ trọng tâm của ô tô tới cầu sau là b = 1,4147 m Sau khi thay số vào phương trình (4.8), chúng ta có thể tính toán các thông số liên quan.
1 , 106 cos 2 , 486 sin 0 , 2 (4.9) Giải phương trình (4.9) ta được góc α = 17 o
Vậy góc giới hạn ổn định lái của ô tô trong trường hợp ô tô vận chuyển lên dốc là: α = 17 o
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để xác định các thông số động lực học của xe, phục vụ cho việc xây dựng mô hình tính toán động lực học của ô tô Thaco 3,5 tấn trong quá trình vận chuyển gỗ.
- Xác định toạ độ trọng tâm của xe có tải
- Xác định các hệ số tác động giữa ô tô và môi trường như hệ số cản lăn, hệ số bám trên một số loại đường khác nhau.
Đối tƣợng nghiên cứu thực nghiệm
- Ô tô 3,5 tấn hiệu Thaco vận chuyển gỗ rừng trồng (chất đủ tải)
- Bề mặt khác nhau: Đường nhựa, đường đất khô và đường đất ướt.
Các thông số cần đo và dụng cụ đo
- Tọa độ trọng tâm của ô tô (chất đủ tải);
- Hệ số cản lăn trên một số loại đường khác nhau;
- Hệ số bám trên một số loại đường khác nhau
Tiến hành thí nghiệm
5.4.1.Xác định tọa độ trọng tâm ô tô chở gỗ 5.4.1.1 Chuẩn bị thí nghiệm
Theo tiêu chuẩn TCVN 1773-1991, để xác định tọa độ trọng tâm của ô tô, chúng ta có thể áp dụng phương pháp cân để tính tổng khối lượng ô tô (chất đủ tải) và xác định tọa độ trọng tâm theo ba hướng: chiều dọc, ngang và cao.
Chuẩn bị thí nghiệm bao gồm: Ô tô Thaco 3,5 tấn chở đủ tải, thước dây, ống tuy ô đánh thăng bằng và một lực kế
Lực kế đƣợc sử dụng trong thí nghiệm là lực kế tự tạo, cấu tạo của lực kế đƣợc thể hiện ở hình 5.1:
Lực kế được cấu tạo từ một kích thủy lực có tải trọng 20 tấn, với chất lỏng trong xilanh kết nối thông qua một ống nối đến đồng hồ đo áp suất dầu Khi kích hoạt, áp suất dầu thủy lực trong xilanh sẽ được hiển thị trên đồng hồ, từ đó cho phép tính toán lực tác dụng lên cần piston của kích thủy lực.
Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo lực kế
1 Tay công của kích thủy lực; 2 Thân kích thủy lực; 3 Piston kích thủy lực;
4 Trục ren; 5 Ống nối thủy lực; 6 Đồng hồ đo áp suất;
5.4.1.2 Xác định khối lượng tổng cộng của ô tô vận chuyển gỗ
Sơ đồ xác định đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ 5.2:
Hình 5.2 – Xác định tọa độ trọng tâm theo chiều dọc Áp dụng công thức:
G – Trọng lƣợng toàn bộ của ô tô, N;
G 1 , G 2 – Trọng lượng của ô tô đặt tại các cầu trước và sau, N;
Giá trị G 1 đƣợc xác định theo công thức:
9,81 (N) (5.2) p 1 – áp suất dầu chỉ thị của đồng hồ đo, p 1 = 111 kg/cm 2 ; d – đường kính piston của kích thủy lực, d = 50 mm;
Thay vào công thức (5.2) ta có: G 1 =
9,81 = 21.369,8 N Giá trị G 2 đƣợc xác định theo công thức:
9,81 (N) (5.3) p 2 – áp suất dầu chỉ thị của đồng hồ đo, p 2 = 195 kg/cm 2 Thay vào công thức (5.3) ta có: G 2 = 195 3 , 14 5
Thay giá trị G 1 và G 2 vào (5.1) ta đƣợc:
5.4.1.3 Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc (L)
Lập phương trình cân bằng mô men tại điểm G 2 ta có:
L - khoảng cách giữa hai điểm đặt lực kế khi đo theo phương nằm ngang, L = 3900 (mm);
5.4.1.4 Tọa độ trọng tâm theo chiều thẳng đứng (h) a b
Để xác định chiều cao trọng tâm h g của ô tô, ta áp dụng phương pháp xác định trọng lượng tại trục sau ô tô khi xe ở vị trí nghiêng, như được minh họa trong hình 5.3.
Gọi là góc nghiêng của mặt phẳng đi qua hai trục của bánh xe
Z 2 là giá trị lực kế đo ở trục sau ô tô ở vị trí nằm nghiêng
Lập phương trình cân bằng mô men của các lực với điểm O 1 ta có:
- góc nghiêng của ô tô so với mặt phẳng ngang, độ;
Z 2 – lực đặt tại lực kế trục sau của bánh xe, N;
9,81 (5.8) p 3 – áp suất dầu chỉ thị của đồng hồ đo, p 3 = 210 (kg/cm 2 ) Thay số vào (5.8) ta có:
9,81 = 42354,6 N Thay số vào (5.6) ta đƣợc:
Vậy tọa độ trọng tâm ô tô theo chiều cao cách mặt đất một khoảng là: h g = 2486 (mm)
5.4.1.5.Tọa độ trọng tâm theo chiều ngang (e) biểu thị sự xê dịch trọng tâm về bên phải hoặc bên trái so với trục đối xứng dọc của ô tô (trong trường hợp sự phân bố khối lượng của ô tô không cân đối)
Hình 5.4 - Xác định tọa độ trọng tâm theo chiều ngang
Trong sơ đồ ta có:
B – khoảng cách giữa hai bánh xe, B = 1650 mm; e – khoảng lệch tâm;
P 4 – Trọng lƣợng đặt tại lực kế bên phải
9,81 (5.9) p 4 – áp suất dầu chỉ thị của đồng hồ đo, p 4 = 148 kg/cm 2 Thay số vào (5.9) ta đƣợc:
9,81 = 28493,16 N Khoảng lệch tâm tính theo công thức:
= 26,68 mm Vậy tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều ngang của lệch về phía trái theo chiều tiến của ô tô một khoảng e = 26,68 mm
5.4.2 Xác định hệ số bám của ô tô với mặt đường 5.4.2.1 Cơ sở lý thuyết
Hệ số bám đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất kéo, chất lượng phanh và tính ổn định chuyển động của ô tô Để xác định hệ số bám, chúng ta áp dụng các phương pháp cụ thể.
Khi ô tô di chuyển trên mặt đường với vận tốc v và thực hiện phanh gấp, chúng ta sẽ đo quãng đường phanh S P Trong quá trình phanh, phương trình cân bằng động năng sẽ được áp dụng để phân tích hiệu suất phanh của xe.
P P – Lực phanh sinh ra ở các bánh xe;
- Hệ số tính đến các trọng khối quay của ô tô;
(5.11) i h – Tỷ số truyền của hộp số khi xe đang chuyển động g – Gia tốc trọng trường
Lực phanh sinh ra ở các bánh xe đƣợc xác định theo công thức:
P P (5.12) Thay P P từ biểu thức (5.12) vào biểu thức (5.10) ta có:
Hệ số được xác định qua công thức (5.11), cho phép chúng ta đo các thông số về vận tốc xe khi phanh và quãng đường phanh Từ đó, có thể xác định hệ số bám của xe trên các loại mặt đường khác nhau.
Kết quả thí nghiệm nhƣ sau:
Cho xe chạy ở số truyền 3 (30 km/h), theo catalogue xe ô tô Thaco
Hệ số tính đến các trọng khối quay của ô tô HD72 3,5 tấn tại số truyền 3 được xác định với tỷ số truyền hộp số là i h = 1,7, theo biểu thức (5.11).
- Đường nhựa khô và sạch:
+ Vận tốc của ô tô khi phanh: V= 30 (km/h) = 8,33 (m/s);
+ Chiều dài quãng đường phanh: S P = 5,35 m
+ Vận tốc của ô tô khi phanh: V= 30 (km/h) = 8,33 (m/s);
+ Chiều dài quãng đường phanh: S P = 6,48 m
+ Vận tốc của ô tô khi phanh: V= 30 (km/h) = 8,33 (m/s);
+ Chiều dài quãng đường phanh: S P = 2.9 m Thay các số liệu vào công thức, chúng ta tính ra hệ số bám tương ứng trên các loại đường như sau:
TT Loại đường Quãng đường phanh S P (m)
1 Đường nhựa khô và sạch 5,35 0,783
5.4.3.Xác định hệ số cản lăn của ô tô với mặt đường 5.4.3.1 Cơ sở lý thuyết
Thí nghiệm được thực hiện trên một đoạn đường nằm ngang, với hai cọc cao 2m được cắm cách nhau 1m Đường nối tâm của hai cọc được xác định thẳng góc với đường tâm của đoạn đường.
Để tránh ảnh hưởng của lực cản không khí, ô tô nên chạy với tốc độ dưới 20 km/h Khi lái xe, người lái cần quan sát hai cọc; khi tầm nhìn của họ và hai cọc nằm trên một đường thẳng, cần ngắt hộp số để xe chạy theo quán tính cho đến khi dừng hẳn Sau đó, sử dụng thước dây để đo quãng đường xe đã chạy theo quán tính (S) từ vị trí cắm cọc đến khi ô tô dừng lại.
Hình 5.3 – Đường thí nghiệm và cọc đóng ở bên đường
Phương trình cân bằng động năng sẽ có dạng như sau:
Trong đó: v – Vận tốc của ô tô khi bắt đầu cho xe chạy theo quán tính, v = (m/s)
Hệ số phản ánh các khối lượng quay của ô tô khi hộp số không hoạt động, chủ yếu tập trung vào các bánh xe Hệ số này được xác định thông qua biểu thức (5.11).
G – Trọng lƣợng của ô tô; g – Gia tốc trọng trường
Từ biểu thức (5.15) ta xác định hệ số cản lăn nhƣ sau:
Cho xe chạy ở số truyền 2 (20 km/h), theo catalogue xe ô tô Thaco HD72 3,5 tấn tại số truyền 2 có tỷ số truyền hộp số tương ứng là i h = 3,208
Từ đó ta tính đƣợc hệ số tính đến các trọng khối quay của ô tô theo biểu thức (5.11) ta có:
- Đường nhựa khô và sạch:
+ Vận tốc của ô tô khi ra số: V= 20 (km/h) = 5,55 (m/s);
+ Chiều dài quãng đường chạy theo quán tính: S = 188,2 m
+ Vận tốc của ô tô khi ra số: V= 20 (km/h) = 5,55 (m/s);
+ Chiều dài quãng đường chạy theo quán tính: S = 62,5 m
+ Vận tốc của ô tô khi ra số: V= 20 (km/h) = 5,55 (m/s);
Chiều dài quãng đường chạy theo quán tính là 27,3 m Bằng cách thay thế các số liệu vào công thức, chúng ta có thể tính toán hệ số cản lăn tương ứng cho từng loại đường.
TT Loại đường Quãng đường xe chạy theo quán tính S (m)
1 Đường nhựa khô và sạch 188,2 0,013
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Bằng cách áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã tính toán và xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ, làm cơ sở cho việc tạo ra đồ thị cân bằng lực kéo bám của ô tô Thaco HD 72 trong quá trình vận chuyển gỗ.
Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình tính toán ô tô trên dốc dọc đã được xây dựng, cho phép xác định tổng lực cản và khả năng kéo bám của ô tô Kết quả này là cơ sở để xây dựng các đường lực cản và lực kéo bám trên đồ thị cân bằng lực kéo bám, từ đó xác định vùng làm việc an toàn cho ô tô.
Do hạn chế về thời gian và kinh phí, phần lớn kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ mang tính lý thuyết, cần được kiểm chứng lại qua thực nghiệm.
Tiếp tục đầu tƣ nghiên cứu sâu hơn nữa về động lực học của ô tô khi làm việc trên sườn dốc ngang.