NGHIÊN cứu xác ĐỊNH hệ số KHỐI LƯỢNG QUAY PHỤC vụ VIỆC mô PHỎNG ĐỘNG lực học CHUYỂN ĐỘNG của XE HYUNDAI STAREX

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHỐI LƯỢNG QUAY PHỤC VỤ VIỆC MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE HYUNDAI STAREX DETERMINATION OF ROTATING MASS FACTOR TO SIMULATING LONGITUDINAL MOTION DYNAMICS OF THE HYUNDAI STAREX VEHICLE ThS Vũ Thành Trung1a, TS Nguyễn Đình Tuấn1b, PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ1c Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân a b vuthanhtrung286@gmail.com, tuanduyenhvktqs@yahoo.com, cvuanh_7076@yahoo.com TÓM TẮT Hệ số khối lượng quay ( γ m ) hệ số kể đến ảnh hưởng chi tiết chuyển động quay cấu khuỷu trục truyền hệ thống truyền lực đến động lực học chuyển động ô tô Bài báo trình bày kết nghiên cứu xác định hệ số khối lượng quay xe Hyundai Starex lý thuyết (dựa liệu đo thực nghiệm chi tiết chuyển động quay cấu khuỷu trục truyền, phận thuộc hệ thống truyền lực sử dụng phần mềm Inventor) kết hợp với thực nghiệm (thử xe bệ thử lăn) Kết nghiên cứu dùng làm thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng, tính toán thông số đánh giá chất lượng động lực học chuyển động thẳng xe Hyundai Starex Từ khóa: mô men quán tính, hệ số khối lượng quay, bệ thử lăn ABSTRACT Rotating mass factor ( γ m ) is a coefficient accounting the influence of rotation parts of connecting rod - crank shaft and drivetrain system on the motion dynamics of automobiles This work theoretically determines mass factor for a Hyundai Starex car using Inventor software in combination with testing on chassis dynamometer The results could be used for simulating, calculating and evaluating dynamic parameters of longitudinal motion dynamics quality of the Hyundai Starex vehicle Keywords: moment of inertia, rotating mass factor, chassis dynamometer ĐẶT VẤN ĐỀ Lực quán tính có ảnh hưởng lớn đến trình chuyển động thẳng xe tăng tốc giảm tốc Lực quán tính gồm hai thành phần: Lực quán tính chuyển động thẳng lực quán tính chuyển động quay Lực quán tính chuyển động thẳng phụ thuộc vào khối lượng xe gia tốc xe Trong đó, lực quán tính chuyển động quay phụ thuộc vào mô men quán tính (MMQT) gia tốc góc tất chi tiết quay cấu khuỷu trục truyền (KTTT) động bánh xe chủ động xe Để đơn giản cho việc tính toán động lực học (ĐLH) chuyển động ô tô thường sử dụng hệ số khối lượng quay ( γ m ) xét đến ảnh hưởng lực quán tính chuyển động quay [1-2] Tuy nhiên, việc xác định xác hệ số khối lượng quay (HSKLQ) phức tạp nên số nghiên cứu [3-4] thường sử dụng công thức kinh nghiệm sau [1-2]: = γ m 1, 04 + 0, 0025ξ02 đó: ξ - Tỉ số truyền hệ thống truyền lực 290 (1) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ta thấy, việc xác định γ m theo công thức (1) chưa kể đến đặc điểm kết cấu cụ thể động hệ thống truyền lực (HTTL) xe Các hệ số thực nghiệm (1) cố định nên không đủ sở để lựa chọn phù hợp cho loại xe Hơn nữa, phần mềm mô động lực học xe GT-Drive [5], Simdriveline Matlab/Simulink [6]… cần thông số đầu vào chi tiết MMQT cụm (cơ cấu KTTT động cơ, hộp số, trục đăng, cầu chủ động, bánh xe) Việc xác định xác, chi tiết HSKLQ γ m theo đặc điểm xe khó khăn cần phải xác định MMQT nhiều chi tiết cấu KTTT, HTTL lốp xe Các chi tiết có kết cấu phức tạp, số chi tiết có vật liệu phân bố vật liệu không đồng Ngày nay, với phát triển phần mềm thiết kế (SolidWorks, Catia, Inventor ) nên việc tính toán MMQT chi tiết dễ dàng có đủ thông số kết cấu vật liệu chúng Tuy nhiên, MMQT HSKLQ xác định tính toán (lý thuyết) cần kiểm tra, so sánh với kết thực nghiệm xe vận hành Bài báo trình bày kết nghiên cứu xác định chi tiết MMQT HSKLQ xe Hyundai Starex CVX lý thuyết (dùng phần mềm Inventor kết hợp với liệu đo kích thước, khối lượng chi tiết liên quan) kết hợp với thực nghiệm (trên bệ thử lăn, bánh xe chủ động xe quay cưỡng lăn bệ thử) Kết nghiên cứu dùng làm thông số đầu vào cho mô hình mô ĐLH chuyển động thẳng xe Hyundai Starex CVX [7] CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHỐI LƯỢNG QUAY Ảnh hưởng HSKLQ tới ĐLH chuyển động xe xác định theo công thức [1]: F −∑R = γ m ma (2) đó: γ m - hệ số khối lượng quay; F - lực kéo bánh xe chủ động; cản đường không khí; m - khối lượng xe; a - gia tốc xe ∑ R - tổng lực Trong công thức (2), γ m xác định công thức [1]: γm ∑I =1 + w bx mr ∑I ξ + 1 bx mr ∑I ξ + 2 2 bx mr ∑I ξ + + n n bx mr =1 + I (3) mrbx2 đó: I w - MMQT bánh xe chủ động; I1 , I , , I n - MMQT khối lượng quay thành phần với tỉ số truyền ξ1 , ξ , , ξ n tương ứng; rbx - bán kính lăn bánh xe; I MMQT tổng cộng (của thành phần quay từ cấu KTTT tới bánh xe chủ động) Theo [8], MMQT ( I z ) trục quay vật thể rắn xác định theo công thức: = Iz r dm ∫ ρ r ∫= 2 dV (4) đó: r - bán kính quay vi phân khối lượng dm, m; ρ - khối lượng riêng vật liệu, kg/m3; dV - thể tích vi phân khối lượng dm, m3 Đối với cụm chi tiết có kết cấu tương đối đơn giản (trục đăng, bán trục, bánh xe chủ động) sử dụng trực tiếp phần mềm Inventor để tính toán xác định MMQT[9] Đối với cụm chi tiết phức tạp (cơ cấu KTTT, hộp số) sử dụng kết hợp kết tính toán từ Inventor với công thức lý thuyết để xác định MMQT 291 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MMQT động I e xác định theo công thức, [10]: I e = I cgi + I fw = (mc + mcr ) Rc2 ncyl + I fw (5) với: I cgi – MMQT trục khuỷu chi tiết gắn trục, [kg.m2]; I fw – MMQT bánh đà, [kg.m2]; mc – khối lượng trục khuỷu, [kg]; mcr – khối lượng đầu to truyền, [kg]; Rc – bán kính quay trục khuỷu, [m]; ncyl – số xi lanh động MMQT hộp số I h xác định theo công thức [11]: m Ih = I I + I II ia−2 + ∑ I zk ik−2 + I l il−2 (6) k =1 với: I I - MMQT trục sơ cấp hộp số (trục ly hợp), [kg.m2]; I II - MMQT trục trung gian, [kg.m2]; ia - tỉ số truyền cặp bánh luôn ăn khớp hộp số; I zk MMQT bánh quay trơn trục thứ cấp, [kg.m2]; ik - tỉ số truyền hộp số ứng với cặp bánh gài số thứ k; m - số lượng bánh quay trơn trục thứ cấp; I l MMQT bánh số lùi, [kg.m2]; il - tỉ số truyền bánh số lùi tính từ trục sơ cấp hộp số đến bánh số lùi thường xuyên có quan hệ động học với bánh trục trung gian KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHỐI LƯỢNG QUAY 3.1 Theo phương pháp lý thuyết Đối tượng nghiên cứu động hệ thống truyền lực xe Hyundai Starex CVX (model 2008) với thông số kỹ thuật thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật xe Hyundai Starex,[12] Thông số Đơn Giá trị vị TT Động (Mã hiệu: D4CB 2.5 TCI-A) Trọng lượng xe - Cầu trước - Cầu sau Kg 2285 1235 1050 Chiều dài sở x Chiều rộng m 3,2 x 1,920 Tỷ số truyền số hộp số - Số 4,393 Số 2,306 Số 1,356 Số 1,0 Số 0,763 Bán kính lốp xe Diesel, kỳ, xi lanh, hàng, tăng áp tua bin khí thải VGT, dùng hệ thống phun kiểu CommonRail m 0,3535 292 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Do thiếu tài liệu thiết kế chi tiết cấu KTTT, HTTL nên nhóm tác giả chọn giải pháp xác định trực tiếp thông số quan tâm chi tiết thực động xe (Hình 2) dụng cụ đo phù hợp Kết xây dựng vẽ 3D chi tiết cấu KTTT động D4CB 2.5 TCI-A phần mềm Inventor trình bày Hình Hình Hình vẽ (3D) chi tiết cấu KTTT phần mềm Autodesk Inventor 2014 Hình Xác định kích thước, khối lượng chi tiết hộp số 293 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết tính toán, xác định MMQT cấu KTTT HTTL xe Hyundai Starex phương pháp lý thuyết trình bày Bảng Bảng Kết tính toán MMQT cấu KTTT HTTL TT Mô men quán tính Đơn vị Giá trị MMQTcủa động cơ, I e kg.m2 0,75 MMQT hộp số số 1, I h1 kg.m2 0,0079 MMQT hộp số số 2, I h kg.m2 0,0083 MMQT hộp số số 3, I h kg.m2 0,0088 MMQT hộp số số 4, I h kg.m2 0,0077 MMQT hộp số số 5, I h kg.m2 0,0085 MMQT trục đăng, I p kg.m2 0,01152 MMQT cầu chủ động, I d kg.m2 0,01389 MMQT bán trục, I ds kg.m2 0,003 10 MMQT bánh xe, I w kg.m2 1,26 Kết hợp liệu Bảng với công thức (3) ta xác định MMQT tổng cộng HSKLQ xe ứng với tay số khác trình bày Bảng TT Bảng MMQT tổng cộng HSKLQ xác định lý thuyết Thông số Đơn vị Số Số Số Số Số MMQT tổng cộng, I LT kg.m2 198,11 55,62 23,61 19,23 18,4 Tỷ lệ I e so với I LT % 0,379 1,348 3,177 3,900 4,076 Tỷ lệ I h so với I LT % 0,004 0,015 0,037 0,040 0,046 Tỷ lệ I p so với I LT % 0,006 0,021 0,049 0,060 0,063 Tỷ lệ I d so với I LT % 0,007 0,025 0,059 0,072 0,075 Tỷ lệ I ds so với I LT % 0,002 0,005 0,013 0,016 0,016 Tỷ lệ I w so với I LT % 0,636 2,265 5,337 6,552 6,848 1,70 1,194 1,082 1,067 1,064 HSKLQ, γ mLT Từ Bảng Bảng ta thấy: MMQT bánh xe chủ động chiếm tỷ lệ lớn MMQT tổng cộng (do bánh xe chủ động có khối lượng bán kính quay lớn nhất) Tuy nhiên, theo công thức (3), ảnh hưởng MMQT động đến MMQT tổng cộng toàn xe lớn cấu KTTT có MMQT lớn ( I e = 0,75 kg.m2) tỉ số truyền từ động đến bánh xe chủ động lớn, đặc biệt số ( ξ so1 = 4,393 x 3,615 = 15,881) 294 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Theo phương pháp thực nghiệm 3.2.1 Trang thiết bị thực nghiệm Việc thực nghiệm xác định HSKLQ xe Hyundai Starex tiến hành bệ thử lăn 48” (tại Phòng thử Ô tô hạng nhẹ, Trung tâm Quốc gia Thử nghiệm khí thải PTCGĐB thuộc Cục Đăng kiểm Việt Nam) với sơ đồ bố trí Hình Thông số kỹ thuật bệ thử lăn 48” (Hãng AVL Zöllner GMBH) trình bày Bảng Trong trình thử, vận tốc xe – v (km/h), công suất kéo lăn P (kW), lực kéo lăn F (N) xác định trực tiếp từ bệ thử lăn Các tham số khác mô men ngoại lực tác động lên bánh xe chủ động – M (Nm), gia tốc góc bánh xe chủ động - ε (m/s2) xác định gián tiếp từ thông số đo ( F , v ) bệ thử MMQT tổng cộng đo thực nghiệm ITN xác định theo công thức,[13]: ITN = Mt − M g (7) εt + ε g đó: M t , M g , ε t , ε g - mô men ngoại lực gia tốc góc bánh xe chủ động lăn tăng tốc giảm tốc Hình Sơ đồ bố trí chung Phòng thử Ô tô hạng nhẹ -NETC TT Bảng Thông số kỹ thuật bệ thử lăn 48”, [14] Thông số kỹ thuật Đơn vị Giá trị Khối lượng tối đa cầu chủ động Kg 4500 Khối lượng xe thử nghiệm Kg 454÷5448 Khối lượng quán tính ru-lô Kg 1678 Gia tốc cực đại m/s2 5,3 Lực kéo cực đại N 5870 Tốc độ thử tối đa Km/h 200 295 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2.2 Trình tự tiến hành thực nghiệm Để xác định MMQT, bệ thử lăn điều khiển để vận hành chế độ “bị động” (dùng lăn bệ thử để quay bánh xe chủ động xe), động không nổ máy, ly hợp trạng thái đóng, vị trí tay số thay đổi từ số đến số Tại tay số dùng lăn v bệ thử để kéo bánh xe chủ động tăng tốc đến vận tốc max , sau ngắt nguồn điện cấp cho lăn để bánh xe chủ động giảm tốc km/h 3.2.3 Kết thực nghiệm Sau xác định giá trị mô men ngoại lực gia tốc góc bánh xe chủ động, tiến hành chọn lựa giá trị M t , M g , ε t , ε g thời điểm mà vận tốc góc bánh xe chủ động tăng tốc giảm tốc nhau, [13] Kết xác định giá trị M t , M g , ε t , ε g thực nghiệm tương ứng với số truyền trình bày Bảng Bảng Kết thực nghiệm xác định M t , M g , ε t , ε g TT Thông số Đơn vị Số Số Số Số Số Mô men ngoại lực tăng tốc, M t Nm 3478 853 332 195 166,6 Mô men ngoại lực giảm tốc, M g Nm 8,9 1,58 2,47 4,71 6,97 Gia tốc góc bánh xe tăng tốc, ε t rad/s2 8,602 7,61 6,97 4,76 4,3 Gia tốc góc bánh xe giảm tốc, ε g rad/s2 8,601 7,62 6,98 4,81 4,28 Giá trị MMQT tổng cộng HSKLQ xác định phương pháp thực nghiệm (xác định theo công thức 6) trình bày Bảng TT Bảng MMQT tổng cộng HSKLQ xác định thực nghiệm Thông số Đơn vị Số Số Số Số Mô men quán tính tổng cộng, ITN Hệ số khối lượng quay, γ mTN kg.m2 Số 201,64 56,01 23,64 19,84 18,6 1,71 1,196 1,083 1,069 1,065 3.3 Nhận xét, đánh giá Trong Bảng trình bày kết so sánh MMQT tổng cộng, HSKLQ ứng với trường hợp: Tính toán theo công thức kinh nghiệm sở kết hợp công thức (1) (3); tính toán theo lý thuyết (kết Bảng 3) thực nghiệm bệ thử lăn (Bảng 6) Ta thấy: Bảng Tổng hợp kết xác định MMQT tổng cộng HSKLQ theo phương án TT Thông số Đơn Số Số Số Số Số vị MMQT tổng cộng (thực nghiệm), ITN kg.m2 201,64 56,01 23,64 19,84 18,6 MMQT tổng cộng (lý thuyết), I LT kg.m2 198,11 55,62 23,61 19,23 18,4 % So sánh I LT với ITN MMQT tổng cộng (kinh nghiệm), I KN kg.m2 296 1,75 0,7 0,13 3,07 1,08 191,45 61,03 28,57 20,75 16,85 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV % So sánh I KN với ITN 5,05 8,96 20,85 4,59 9,41 HSKLQ (thực nghiệm), γ mTN 1,71 1,196 1,083 1,069 1,065 HSKLQ (lý thuyết), γ mLT 1,70 1,194 1,082 1,067 1,064 0,58 0,17 0,09 0,19 0,09 1,67 1,21 1,1 1,07 1,06 2,34 1,17 1,66 0,09 0,47 So sánh γ mLT với γ mTN % HSKLQ (kinh nghiệm), γ mLT So sánh γ mKN với γ mTN % - Giá trị MMQT tổng cộng HSKLQ xe giảm dần chuyển lên tay số cao Khi số 1, MMQT tổng cộng HSKLQ quay lớn nhiều so với xét số truyền phương án khảo sát - MMQT tổng cộng xác định lý thuyết có sai số nhỏ (mức sai số lớn 3,07 % số 4) so sánh với kết thực nghiệm HSKLQ xác định lý thuyết có sai số nhỏ so với kết thực nghiệm (mức sai số lớn 0,58% số 1) Điều cho thấy kết xác định MMQT chi tiết phận (Bảng 2), MMQT tổng cộng HSKLQ lý thuyết (Bảng 3) có đủ độ tin cậy để dùng cho mô hình mô ĐLH chuyển động xe Hyundai Starex CVX - MMQT tổng cộng xác định theo công thức kinh nghiệm có sai khác lớn so sánh với kết thực nghiệm (mức sai số lớn 20,85 % số 3) HSLKQ xác định theo công thức kinh nghiệm có sai khác nhỏ (mức sai số lớn 2,34 % số 1) so với kết thực nghiệm Điều cần lưu tâm sử dụng công thức thực nghiệm (1) (3) để xác định MMQT tổng cộng Tuy nhiên, công thức thực nghiệm (1), không xét chi tiết đặc điểm cấu KTTT HTTL mẫu xe cụ thể có khả xác định nhanh HSLKQ với độ xác cao KẾT LUẬN Bài báo xác định chi tiết MMQT phận quay thuộc cấu KTTT HTTL, MMQT tổng cộng HSKLQ xe Hyundai Starex CVX lý thuyết (trên sở sử dụng phần mềm Inventor) thực nghiệm (trên bệ thử lăn) ứng với số truyền hộp số Kết cho thấy liệu thu từ tính toán lý thuyết đủ độ tin cậy để sử dụng làm thông số đầu vào cho mô hình mô ĐLH chuyển động thẳng xe Hyundai Starex [7] LỜI CẢM ƠN Các tác giả xin chân thành cảm ơn Ban điều hành Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025/Bộ Công thương tạo điều kiện để thực nghiên cứu (trong khuôn khổ Đề tài cấp Quốc gia mã số ĐT.08.14/NLSH) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.Y, Wong, Theory of ground vehicles, John Wiley &Sons, Inc, 2008 [2] Thomas D Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Society of Automotive Engineers Inc, 2014 [3] Nguyễn Đình Tuấn, Phạm Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ; Phát triển mô hình mô động lực học chuyển động thẳng xe tăng Matlab/Simulink/SimDriveline; Khoa học & Kỹ thuật, Học viện KTQS; 12/2012 297 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [4] Nguyễn Hoàng Vũ, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia“Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 B20) cho phương tiện giới quân sự”, mã số ĐT.06.12/NLSH, thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [5] GT-SUITE, Vehicle Driveline and HEV tutorial, Gamma Technologies, Inc, 2011 [6] Matlab&Simulink, SimDriveline™ User’s Guide, The Mathwork, Inc, 2010 [7] Nguyễn Hoàng Vũ, Thuyết minh đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH, thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [8] Aleksander UBYSZ, Problems of rotational mass in passenger vehicles, Department of Vehicle Construction, Faculty of Transport, Silesian Technical University, Poland, 2010 [9] Autodesk, http://help.autodesk.com/view/INVENTOR/2014 [10] Raffaele Di Martino, Modelling and Simulation of the Dynamic Behaviour of the Automobile, PhD thesis in Mechanical Engineering, University of Salerno, 2005 [11] Lê Văn Tụy, Thử nghiệm mô ô tô bệ thử động lực học, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2012 [12] Hyundai Motor Company, Technical Specifications for H1 – Bus [13] Xerghêiev L.V, Lý thuyết xe tăng (Tài liệu dịch), Học viện KTQS, 1990 [14] AVL Zöllner GMBH, Chassis Dynamometer System for Exhaust Emission Analysis THÔNG TIN TÁC GIẢ ThS Vũ Thành Trung Học viện Kỹ thuật Quân Điện thoại: 0968567683; TS Nguyễn Đình Tuấn Học viện Kỹ thuật Quân Điện thoại: 0913596934; PGS -TS Nguyễn Hoàng Vũ Học viện Kỹ thuật Quân Điện thoại: 0913226206; 298 ... bánh xe chủ động xe quay cưỡng lăn bệ thử) Kết nghiên cứu dùng làm thông số đầu vào cho mô hình mô ĐLH chuyển động thẳng xe Hyundai Starex CVX [7] CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHỐI LƯỢNG QUAY. .. tới ĐLH chuyển động xe xác định theo công thức [1]: F −∑R = γ m ma (2) đó: γ m - hệ số khối lượng quay; F - lực kéo bánh xe chủ động; cản đường không khí; m - khối lượng xe; a - gia tốc xe ∑ R... QUẢ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ KHỐI LƯỢNG QUAY 3.1 Theo phương pháp lý thuyết Đối tượng nghiên cứu động hệ thống truyền lực xe Hyundai Starex CVX (model 2008) với thông số kỹ thuật thể Bảng Bảng Thông số