Bài viết trình bày thí nghiệm xác định các mối quan hệ giữa các thông số động lực học với thông số độ bền trục các đăng. Thí nghiệm sử dụng bệ thử kiểu dòng công suất hở có động cơ dẫn động loại diesel IVECO 81kW và cơ cấu gây tải MP100S.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thí nghiệm xác định ảnh hưởng thông số động lực học tới độ bền trục đăng Experiment to determine effects of dynamic parameters to propeller shaft strength Trần Hữu Danh1,*, Nguyễn Thanh Quang2, Đào Duy Trung3 Trường đại học Sư phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Trường đại học Công nghiệp Hà Nội Nội Viện Nghiên cứu Cơ khí *Email: nguyenthanhquang@haui.edu.vn Mobile: 0903 404 601 Tóm tắt Từ khóa: Biến dạng; Cơ cấu gây tải MP100S; Bệ thử dịng cơng suất hở; Trục đăng tơ; Ứng suất Trục đăng ô tô phận truyền mô men từ hộp số đến cầu chủ động Trong xe di chuyển mặt đường không phẳng gây dao động hệ thống treo làm cho góc nghiêng trục đăng ln thay đổi mặt phẳng đứng dẫn đến thông số động lực học trục đăng tải trọng hệ thống thay đổi Tải trọng lớn xảy cộng hưởng làm hỏng trục đăng, thiết kế, lắp đặt vận hành cần tránh tượng cộng hưởng Bài báo trình bày thí nghiệm xác định mối quan hệ thông số động lực học với thông số độ bền trục đăng Thí nghiệm sử dụng bệ thử kiểu dịng cơng suất hở có động dẫn động loại diesel IVECO 81kW cấu gây tải MP100S Các trường hợp thí nghiệm gồm thay đổi thơng số góc nghiêng trục, chiều dài trục số vịng quay trục chế độ tải tương ứng với chế độ tải xe hoạt động thực tế đường Kết thí nghiệm xác định giá trị ứng suất, biến dạng trục trường hợp Trên sở kết thí nghiệm làm số liệu tham khảo tính tốn thiết kế chế tạo đảm bảo đủ bền trục đăng ô tô Abstract Keywords: MP100S; Power flow test stand; Cardan shaft; Stress Propeller shafts on automobile are used to transmit the torque from the gearbox to rear axle drive While vehicles moves on uneven ground, oscillation will be generated on the suspension system, making the propeller shaft’s incline angle always change in the vertical plane, leading to the propeller shaft’s dynamic parameters and loads in the system also changes The largest load manifesting when resonance occurs can damage the propeller shaft, thus in the design, installation and operation this phenomenon should be avoided This article presents the experiment to determine the relationships between dynamic parameters and propeller shaft strength parameters The experiment used open-power testing stand with IVECO 81kW diesel drive motor and the MP100S load generation mechanism Experimental cases include changes in tilt angle, axle length, and turn round speed at load modes corresponding to the actual vehicle load mode The results of the experiments have determined the value of stress and strain on the shaft in the above cases The experiment results can be used as reference material for the calculations of designing and manufacturing to ensure the adequate reliability of propeller shafts Ngày nhận bài: 30/06/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Trục đăng xe tải, Hình 1, chuyển động liên tục chịu tác động mô men xoắn suốt trình làm việc xe chuyển động Các khớp đăng thường phải chịu lực tác động lớn nên dễ bị mòn hư hỏng, ảnh hưởng trực tiếp đến trình chuyển động độ bền trục đăng Cấu tạo trục đăng gồm có nạng đăng 2, thân lớn đăng 3, thân nhỏ 4, mối ghép then hoa khớp chữ thập Mô men xoắn M1 truyền từ hộp số qua trục đăng đến cầu chủ động phía sau, Hình Khi trục chủ động (lắp từ trục thứ cấp hộp số với mặt bích nạng đăng số 1) quay qua khớp nối K1 (nạng đăng số 1) truyền động cho trục quay (thân số 3, then hoa số thân nhỏ số 4), hình Nạng đăng số lắp với trục bánh chủ động truyền lực (dạng bánh hypoid) Góc nghiêng thân so với trục chủ động α1, góc nghiêng trục α2 Do góc α1 α2 khác nên có quay khơng trục trục xảy nhanh gia tốc góc lớn gây lực quán tính lớn, xuất tải trọng động, gây rung, ồn, độ mòn khớp đăng tăng, hiệu suất truyền lực giảm Hình Mơ hình trục đăng làm việc Hình Trục đăng ô tô LF3070G1 Quan hệ mơ men xoắn M1 với góc nghiêng α1, α2 mơ men qn tính trục theo cơng thức (1), J¬1 mơ men qn tính phần tử quay động tới trục thứ cấp hộp số, J2 mơ men qn tính tương đương với động ô tô chuyển động tịnh tiến [1] 2 n 2.sin 1 cos 1 cos sin (1) M1 j2 2 J 30 cos cos 1 sin 1 cos cos cos sin J1 Trong nghiên cứu lý thuyết, mục tiêu nghiên cứu toán tìm mối liên hệ giá trị mơ men xoắn trục đăng M1 thông số động lực học (ĐLH) yếu tố hình học trục đăng Thơng thường có hai toán nghiên cứu lý thuyết: - Bài toán xi: cho mơ men xoắn đầu vào M1, tìm thơng số ĐLH; - Bài tốn ngược: cho ràng buộc (vài) thơng số ĐLH, tìm mơ men xoắn đầu vào M1 Phương pháp sử dụng phương trình Newton-Euler yêu cầu ta viết hệ năm phương trình vi phân dạng véc tơ (hệ gồm vật gắn) Giải hệ cho ta biết mối quan hệ thông số ĐLH với lực đầu vào với lực ràng buộc Trong chuyển động phức tạp để xác định phương chiều véc tơ khó khăn Một phương pháp khác hay sử dụng sử dụng phương trình Lagrange-Dalember để viết phương trình chuyển động Mặc dù phương pháp không cho ta xác định trực tiếp lực ràng buộc, lại tránh phương trình véc tơ phức tạp Hơn nữa, phương pháp yêu cầu tính nhiều lần đạo hàm hàm (vô hướng) phức tạp với phát triển mạnh mẽ công cụ tính tốn máy tính, việc thực mà khơng gây khó khăn, nên sử dụng phương trình Lagrange để viết phương trình chuyển động cụm trục đăng thuận lợi HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong nghiên cứu thực nghiệm, mô men xoắn M1 xác định trước động dẫn động, ta cần xác định mô men trục đăng Mcđ thông số động lực học hệ thống hoạt động cách đo trực tiếp thơng số dụng cụ chuyên dùng thiết bị đo đại phần mềm phân tích linh hoạt đảm bảo độ xác cao Trong nghiên cứu trình bày thí nghiệm xác định mối quan hệ thông số động lực học với thông số độ bền trục đăng thông qua mô men Mcđ giá trị ứng suất, biến dạng trục đăng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở xác định thông số thí nghiệm Khi tơ chạy mặt đường khơng phẳng, dịch chuyển hai thân trục nhờ ống then hoa xác định góc nghiêng chiều dài cụm trục đăng Mô men trục đăng Mcd tính theo cơng thức (2), [2] M cd K cd l qd dt Bcd l qd (2) Kcd Bcd (N.m.s) hệ số độ cứng xoắn hệ số giảm chấn trục đăng n (rad / s ) 30 ωl, ωqd: Vận tốc góc trục vào trục cụm trục đăng (rad/s) n: Số vòng quay trục (v/ph) Hệ số độ cứng xoắn trục tính sau: K cd M cd (N.m) cd (3) Hệ số giảm chấn trục đăng: Bcd Gcd I cd Lcd (N.m.s) (4) Gcd: Mô đun đàn hồi mặt cắt ngang trục chế tạo thép, Gcd = 8*1010 (N/m2) Icdx: Mơ men qn tính độc cực trục đăng (kg/m2) I cdx D d 1 32 D 4 (kg / m2 ) (5) Lcd: Chiều dài cụm trục (mm) Quan hệ biến dạng ứng suất theo trục x toán chiều theo định luật Hooke: x x T G (6) Điều kiện cứng trục đăng xác định góc xoắn φcd trục Góc xoắn trục đăng (rad) mặt cắt i tính cơng thức (7) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 n cd i 1 M zi li Gi J xi (rad) (7) Thơng thường tính độ bền trục tĩnh người ta chia thành đoạn theo chiều dài trục Đối với trục động quay, việc chia đoạn khó xác Thí nghiệm thực trục đăng quay, Hình Hai đầu nạng đánh số II lắp phía động dẫn động (tương ứng với hộp số) nạng đánh số III lắp phía cấu gây tải (tương ứng với phía cầu chủ động xe) Chiều dài trục L khoảng cách từ đầu II đầu III Tại đầu II, tương ứng với mô men xoắn Mz1 dẫn động từ động mô men cản từ cấu gây tải Mz2, Hình 3a Xét hai vị trí biến dạng đồng thời điểm có hai giá trị biến dạng tương ứng ε1, ε2 sơ đồ hình học, Hình 3b, biến dạng góc xoắn trục nhỏ nên ta có gần (8) từ xác định độ bền trục theo điều kiện cứng cách kiểm tra với góc xoắn cho phép tgcd cd 1 L1 2 L2 (rad) (8) Trong thí nghiệm việc lấy tín hiệu trực tiếp trục quay cách sử dụng dụng cụ truyền dẫn tín hiệu sóng điện từ Các thơng số thí nghiệm gồm: Thơng số xác định trước: Số vịng quay trục n (v/ph); Chiều dài trục Lcd (mm); Góc nghiêng trục α (độ) Thơng số cần đo thí nghiệm: Mơ men xoắn trục đăng Mcđ (Nm); Ứng suất theo phương X vị trí đo σx (N/m2); Biến dạng theo phương X bề mặt trục vị trí đo εx (mm) a) b) Hình Mơ hình thí nghiệm xác định góc xoắn trục đăng 2.2 Nội dung thí nghiệm 2.2.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm Trên Hình để đo thông số trục đăng số quay nhờ mơ men dẫn động Me xác ứng với kết cấu, kích thước khả chịu tải Mc tương đương với trạng thái làm việc xe thực cần đo xác định thông số nhằm xây dựng quan hệ tuyến tính mơ men biến dạng chế độ vòng quay tải tương ứng Tín hiệu w thu trung gian điện áp Δe truyền qua phát thu tín hiêu không dây số Trục đăng thu phát mằm thiết bị bệ thử thí nghiệm Máy đo Spider8 sơ máy tính số hãng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 HBM, CHLB Đức [3] Tín hiệu điện áp Δe nhận từ tenzo có điện áp thấp