Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống treo đoàn xe theo hướng giảm tải trọng động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THÀNH NIÊM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TREO ĐOÀN XE THEO HƯỚNG GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THÀNH NIÊM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TREO ĐOÀN XE THEO HƯỚNG GIẢM TẢI TRỌNG ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LƯU VĂN TUẤN TS ĐẶNG VIỆT HÀ Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Lưu Văn Tuấn TS Đặng Việt Hà Các số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 05 tháng 03 năm 2021 Người hướng dẫn khoa học Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS Lưu Văn Tuấn TS Đặng Việt Hà Vũ Thành Niêm i LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tập thể hướng dẫn PGS.TS Lưu Văn Tuấn TS Đặng Việt Hà tận tình hướng dẫn việc định hướng nghiên cứu phương pháp giải vấn đề cụ thể đặt để thực hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin cảm ơn thầy, cô Bộ mơn Ơ tơ Xe chun dụng - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Cục Đăng kiểm Việt Nam, Trung tâm thử nghiệm xe giới ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trình học tập nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Trung tâm Khoa học công nghệ - Trường Đại học Giao thông vận tải giúp đỡ để hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến chuyên gia ngành Động lực đóng góp ý kiến quý báu để luận án hoàn thiện Cuối nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên, khuyến khích suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Vũ Thành Niêm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv MỞ ĐẦU xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Xu hướng phát triển vấn đề tải trọng động SMRM 1.2.1 Xu hướng phát triển SMRM treo khí 1.2.2 Tải trọng tĩnh quy định giới hạn tải trọng SMRM 1.2.3 Ảnh hưởng tải trọng động đường an toàn động lực học xe 1.2.4 Giải pháp giảm tải trọng động 1.3 Hệ thống treo khí nén SMRM 1.3.1 Đặc điểm 1.3.2 Đặc tính độ cứng ballon khí nén 11 1.3.3 Các mơ hình hệ thống treo khí nén 12 1.4 Tiêu chí đánh giá tải trọng động 17 1.5 Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án 19 1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu giới 19 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu Việt Nam 23 1.6 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu 26 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu 26 1.6.2 Đối tượng nghiên cứu 26 1.6.3 Phương pháp nghiên cứu 26 1.6.4 Phạm vi nghiên cứu 27 1.6.5 Nội dung luận án 27 1.7 Kết luận Chương 27 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐỒN XE SƠ MI RƠ MOÓC ĐỂ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG ĐỘNG 28 iii 2.1 Phân tích cấu trúc giả thiết xây dựng mơ hình 28 2.2 Định nghĩa hệ tọa độ 30 2.3 Phương trình động lực học ĐXSMRM 30 2.3.1 Phương trình động lực học khối lượng treo XĐK 32 2.3.2 Phương trình động lực học khối lượng khơng treo XĐK 35 2.3.3 Phương trình động lực học khối lượng treo SMRM 35 2.3.4 Phương trình động lực học khối lượng không treo SMRM 39 2.4 Các lực mô men liên kết 40 2.4.1 Lực liên kết hệ thống treo 41 2.4.2 Lực mô men liên kết dọc từ trục đến thân xe 45 2.4.3 Lực liên kết bánh xe với mặt đường 46 2.4.4 Lực liên kết khớp nối 46 2.5 Lực cản khí động 47 2.6 Xây dựng mơ hình hệ thống treo khí nén để xác định lực liên kết hệ thống treo 47 2.6.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình hệ thống treo khí nén 47 2.6.2 Sử dụng mơ hình GENSYS xây dựng mơ hình hệ thống treo khí nén 48 2.7 Hàm kích động mặt đường 52 2.7.1 Hàm ngẫu nhiên 52 2.7.2 Hàm xung cosin 55 2.8 Cấu trúc mơ hình động lực học ĐXSMRM 55 2.9 Điều kiện đầu vào 57 2.10 Kết luận Chương 58 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TẢI TRỌNG ĐỘNG VÀ THỜI GIAN TÁCH BÁNH CỦA XE SƠ MI RƠ MOÓC 59 3.1 Các phương án khảo sát 59 3.2 So sánh tải trọng động SMRM treo khí SMRM treo nhíp với vận tốc loại đường thay đổi (Phương án 1) 62 3.3 Khảo sát tải trọng động, tải trọng lớn SMRM treo khí, SMRM treo nhíp với vận tốc, loại đường mức tải thay đổi (Phương án 2) 69 3.3.1 Ảnh hưởng mức tải đến tải trọng động (DLC) 70 3.3.2 Ảnh hưởng mức tải đến tải trọng toàn (Fz) 75 3.4 Ảnh hưởng mặt đường đến phản lực bánh xe (Phương án 3) 78 iv 3.5 So sánh thời gian tách bánh SMRM treo khí SMRM treo nhíp (Phương án 4) 80 3.6 Xác định vận tốc an toàn giới hạn SMRM treo khí 84 3.7 Kết luận Chương 85 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86 4.1 Mục đích, đối tượng thông số cần đo 86 4.1.1 Mục đích thí nghiệm 86 4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 86 4.1.3 Các thông số cần đo 87 4.2 Thiết bị thí nghiệm 89 4.2.1 Cảm biến đo chuyển vị 89 4.2.2 Cảm biến đo gia tốc 90 4.2.3 Cảm biến đo vận tốc dài 91 4.2.4 Bộ xử lý tín hiệu 93 4.2.5 Sơ đồ kết nối 94 4.3 Thiết kế đồ gá lắp đặt cảm biến 94 4.4 Các phương án thí nghiệm 97 4.4.1 Mơ tả thí nghiệm 97 4.4.2 Các phương án thí nghiệm 97 4.5 Kết thí nghiệm so sánh với kết mô 99 4.5.1 Kích động cosin hai bên bánh xe 99 4.5.2 Kích động cosin bên bánh xe 102 4.6 Kết luận Chương 105 KẾT LUẬN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 Phụ lục Các thông số cấu trúc mơ hình động lực học ĐXSMRM Phụ lục Bảng hệ số áp lực đường động DLSF SMRM treo nhíp SMRM treo khí Phụ lục Bảng giá trị DLC theo mức tải, vận tốc loại đường SMRM treo khí Phụ lục Bảng so sánh kết mơ thí nghiệm 11 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu G(OXYZ) B(Cxyz) Đơn vị Giải nghĩa Hệ tọa độ cố định Hệ tọa độ vật, hệ tọa độ MBS XĐK Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System) Xe đầu kéo SMRM ĐXSMRM Sơ mi rơ mc Đồn xe sơ mi rơ moóc CPTGGT DLC DLSF Cho phép tham gia giao thông Hệ số tải trọng động (Dynamic Load Coefficient) Hệ số áp lực đường động (Dynamic Load Stress Factor) Tương tác động xe hạng nặng với sở hạ tầng (Dynamic Interaction between heavy Vehicles and Infrastructure) Chỉ số bánh xe thứ i (trục) trái (j=1)/phải (j=2) Chỉ số trục Chỉ số bánh xe bên trái DIVINE ij i=1:1:6 j=1 j=2 Chỉ số bánh xe bên phải l1 m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục l2 m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục l3 l4 l5 l6 lk1 m m m m m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến mâm xoay lk2 m Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến chốt kéo h1 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng treo xe đầu kéo h2 hk1 hk2 hw1, hw2 hij m m m m m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng treo sơ mi rơ moóc Chiều cao từ mặt đường đến tâm mâm xoay xe đầu kéo Chiều cao từ mặt đường đến mặt đỡ chốt kéo sơ mi rơ mc Chiều cao tâm khí động theo phương dọc xe đầu kéo, sơ mi rơ moóc Chiều cao mấp mô mặt đường bánh xe ij vi 2bi 2wi m m Chiều rộng sở trục thứ i, (i=1:1:6) Khoảng cách hai hệ thống treo trục thứ i, (i=1:1:6) a b c rij m1 m m m m kg Khoảng cách trục trục xe đầu kéo Khoảng cách trục 4, 5, sơ mi rơ moóc Chiều dài cân dọc hệ thống treo nhíp Bán kính thiết kế lốp thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Khối lượng treo xe đầu kéo m2 mAi kg kg Khối lượng treo sơ mi rơ moóc Khối lượng không treo trục i, (i= 1:1:6) mti kg Khối lượng tĩnh phân bố lên trục i, (i= 1:1:6) z1, zɺ1, ɺɺz1 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo xe đầu kéo z2 , zɺ2 , ɺɺz2 m, m/s, m/s2 z sij , zɺsij m, m/s Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng treo sơ mi rơ moóc Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng điểm hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) x1, xɺ1 m, m/s x2 , xɺ2 m, m/s ξuij , ξɺuij m, m/s ξ Ai , ξɺAi , ξɺɺAi m, m/s, m/s2 ξij , ξɺij m, m/s Chuyển vị, vận tốc phương dọc khối lượng treo xe đầu kéo Chuyển vị, vận tốc phương dọc khối lượng treo sơ mi rơ moóc Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng điểm hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối lượng không treo trục thứ i, (i = 1:1:6) Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng trọng tâm khối lượng bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) ϕ1,ϕɺ1,ϕɺɺ1 rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc dọc khối lượng rad/s2 treo xe đầu kéo ϕ2 ,ϕɺ2 ,ϕɺɺ2 β2 , βɺ2 , βɺɺ2 rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc dọc khối lượng rad/s2 treo xe sơ mi rơ moóc rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc quay bánh xe thứ ij, rad/s2 (i=1:1:6, j=1, 2) rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc ngang khối lượng rad/s2 treo xe đầu kéo rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc ngang khối lượng rad/s2 treo xe sơ mi rơ moóc β Ai , βɺAi , βɺɺAi rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc ngang khối lượng rad/s2 không treo trục thứ i, (i= 1:1:6) ϕ Aij , ϕɺAij , ϕɺɺAij β1 , βɺ1 , βɺɺ1 vii θ1j ,θɺ1j ,θɺɺ1j rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc dọc hệ thống treo rad/s2 cân trục 2, xe đầu kéo, (j=1, 2) θij ,θɺij ,θɺɺij rad, rad/s, Góc, vận tốc góc gia tốc góc lắc dọc cân rad/s2 dọc xe sơ mi rơ moóc, (i=2, 3, j=1, 2) Độ võng động (hành trình trả) hệ thống treo thứ ij, m (i=1:1:6, j=1, 2) Độ võng động (hành trình nén) hệ thống treo thứ ij, m (i=1:1:6, j=1, 2) fdijt fdijn f Hệ số cản lăn Độ cứng hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Độ cứng hướng kính lốp thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Cij N/m Kij Ns/m CLij FCij N/m N FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FCLij N Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FC23j N Lực đàn hồi hệ thống treo cân trục 2, (j=1, 2) FK23j N Lực cản giảm chấn hệ thống treo cân trục 2, (j=1, 2) FCKij N Tổng lực đàn hồi lực cản giảm chấn hệ thống treo cân trục 2, (i=2, 3; j=1, 2) Fwx1, Fwx2 N Cx Ax1, Ax2 Fxij m2 N F’xij N Fzij N Fztij N Fz,dyn N Fkx1, Fkz1 N Fkx2, Fkz2 N CTi Nm/rad Lực cản khơng khí phương dọc tác động lên xe đầu kéo, sơ mi rơ mc Hệ số cản khí động Diện tích cản theo phương dọc XĐK, SMRM Lực dọc bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Phản lực liên kết bánh xe theo phương dọc bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Phản lực bánh xe theo phương thẳng đứng bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Tải trọng tĩnh phân bố bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Tải trọng động bánh xe Phản lực khớp nối (chốt kéo-mâm xoay) theo phương dọc phương thẳng đứng lên xe đầu kéo Phản lực khớp nối (chốt kéo-mâm xoay) theo phương dọc phương thẳng đứng lên sơ mi rơ moóc Độ cứng ổn định trục thứ i, (i=1:1:6) viii ... nhằm giảm tải trọng động thay hệ thống treo truyền thống sử dụng nhíp hệ thống treo khí nén Đề tài ? ?Nghiên cứu hệ thống treo đoàn xe theo hướng giảm tải trọng động? ?? có tính cấp thiết, nhằm giảm tải. .. nghiên cứu tải trọng động cần đặt mối liên hệ đường -xe Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nghiên cứu đánh giá khả giảm tải trọng động thời gian tách bánh hệ thống treo khí nén SMRM so với hệ. .. đến tải trọng động, so sánh tải trọng động loại hệ thống treo tối ưu hóa thơng số thiết kế hệ thống treo nhằm giảm tải trọng động Các cơng trình nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động