Xây dựng mô hình thí nghiệm dao động hệ thống truyền lực ô tô tải nhẹ

Bài viết trình bày nội dung xây dựng mô hình thí nghiệm dao động HTTL ô tô tải nhẹ. Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng những thiết bị: Bệ thử HTTL kiểu dòng công suất kín, kiểu dòng công suất hở và trên xe thực. Các kết quả nghiên cứu sẽ giúp người sử dụng lựa chọn phương pháp thí nghiệm phù hợp.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Xây dựng mơ hình thí nghiệm dao động hệ thống truyền lực ô tô tải nhẹ Build the experimental model vibration for powertrain of light truck Nguyễn Tiến Tấn, Nguyễn Thanh Quang* Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenthanhquang@haui.edu.vn Mobile: 0903404601 Tóm tắt Từ khóa: Ơ tơ tải nhẹ; Hệ thống truyền lực; Dao động; Thí nghiệm Hệ thống truyền lực (HTTL) ô tô tải nhẹ bao gồm động cơ, ly hợp, trục truyền động đăng, truyền lực chính, vi sai, bán trục nối bánh xe chủ động có hoạt động phức tạp Các dao động xoắn HTTL xuất phạm vi tần số từ vài Hz đến vài kHz tải thay đổi từ tác động xoắn động cơ, khe hở ly hợp, bánh hộp số, khớp nối then vi sai cầu chủ động làm xuất kích thích hệ thống Các dao động uốn tần số thấp xuất độ cứng vững HTTL làm cho hệ thống có chuyển động lắc ngang dịch chuyển dọc theo chiều chuyển động xe Các dao động nguyên nhân gây rung lắc xe Phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa để khảo sát dao động HTTL q trình mang đặc tính gần Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác hóa phương pháp nghiên cứu lý thuyết Bài báo trình bày nội dung xây dựng mơ hình thí nghiệm dao động HTTL tơ tải nhẹ Mơ hình xây dựng sở sử dụng thiết bị: Bệ thử HTTL kiểu dòng cơng suất kín, kiểu dịng cơng suất hở xe thực Các kết nghiên cứu giúp người sử dụng lựa chọn phương pháp thí nghiệm phù hợp Abstract Keywords: Light truck; Powertrain; Vibration; Experimental Ngày nhận bài: 02/7/2018 Ngày nhận sửa: 12/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 The powertrain of a typical light truck includes an engine, a clutch, a gearbox, a transmission shaft, a drive transmission, a differential, and two halfshafts connected to the two wheels, which altogether result in a complex operation The twisting oscillations in the powertrain system occur in the frequency's range from a few Hz to a few kHz as the load varies due to engine torque, clutch clearance, gears, helical or hypoid gears Furthermore, bending vibrations occur at low frequencies depend on the resistance to bending of the powertrain system, which causes the system to move both traversely and longitudinally along the direction of the vehicle’s motion These movements are the cause of vibration in the truck This paper presents a method to build the Experimental Model Vibration for Powertrain of Light trucks This work is built with the use of the following equipments: test bed of closed-loop power, open-loop power and real-time test on the light truck The results of the study will help the users select the appropriate testing methods HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Khi ô tô chuyển động, cụm hệ thống truyền lực (HTTL) bị tác động tải từ động cơ, từ độ mấp mô mặt đường, tải khắc phục trọng lượng xe hàng hóa khởi hành, tăng tốc phanh ô tô Một nguyên nhân gây dao động động rung tần số thấp dẫn đến hỏng chi tiết giảm chấn giá treo máy Các nguồn rung tần số thấp động khơng cân lực qn tính khối lượng cấu trục khuỷu truyền chuyển động tịnh tiến chuyển động quay [1] Những rung động tần số cao động truyền vỏ động đến chi tiết HTTL Để khắc phục tượng người ta sử dụng giá treo giảm rung nhiên làm tăng độ ồn ô tô Từ mấp mô mặt đường tạo kích động lên lốp hệ thống treo ô tô cho xe bị dao động mặt phẳng thẳng đứng xe chuyển động Đặc tính mặt đường ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố chuẩn tạo giá trị lớn lực kích thích lớn gấp ba lần giá trị bình phương trung bình Các tần số dao động riêng khối lượng treo ô tô phạm vi ~ 3Hz cịn phần khối lượng khơng treo dao động riêng phạm vi ~ 20Hz Phụ thuộc vào loại hệ thống treo ô tô dẫn đến dao động tần số thấp HTTL Sự ảnh hưởng yếu tố bên đến dao động cụm HTTL Khi ô tô khởi hành, tăng tốc phanh đột ngột gây tải trọng động HTTL gây tượng tải chi tiết [2] Do khối lượng lệch tâm thân chi tiết quay HTTL tạo mơ men qn tính cân làm cho HTTL bị dao động xoắn gây ồn làm hỏng chi tiết Các dao động hệ thống truyền lực truyền tới thân vỏ ảnh hưởng tới độ êm dịu chuyển động xe Một biện pháp giảm dao động HTTL thiết kế lắp đặt hợp lý ụ tỳ có giảm chấn độ cứng phù hợp nhằm giảm xung lực ngẫu nhiên Thông thường người ta thiết kế cho HTTL dao động tần số thấp 20Hz biên độ dao động từ 0,3 ~ 15mm yêu cầu ụ tỳ cần có độ cứng lớn biến dạng mạnh; HTTL dao động tần số cao 20Hz (20 ~ 200Hz), biên độ 0,05 ~ 0,15mm ụ tỳ cần có độ cứng nhỏ (mềm hơn) biến dạng Dao động truyền từ HTTL đến thân vỏ xe phụ thuộc vào biên độ dao động nó, vào độ cứng ụ tỳ, vào vị trí lắp đặt độ bền học HTTL Đối với xe tải sử dụng trục đăng nối hộp số cầu sau chủ động HTTL có dao động: theo phương thẳng đứng, dịch chuyển dọc theo hướng chuyển động xe dao động quay quanh trục dọc Đối với xe có dao động theo hướng thẳng đứng nên nghiên cứu mơ hình bậc tự Cơ phương pháp xác định dao động HTTL xác định tính tốn mơ gia tốc qn tính để tìm mối quan hệ với tần số, biên độ dao động với thông số đầu vào hai cách Cách thứ sử dụng phần mềm CAD với mơ hình 3-D HTTL, tiện lợi phù hợp với trung tâm thiết kế Cách thứ hai sử dụng thực nghiệm phù hợp với nơi khơng có điều kiện thiết kế cho kết trực quan hơn, sử dụng nhiều loại HTTL nhiều loại xe, thay đổi trực tiếp điều kiện thí nghiệm để rút kết luận trực tiếp kết từ có định nhanh thiết kế [3] XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 2.1 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm HTTL nhằm đạt mục đích: Xác định dao động xoắn dao động uốn HTTL ô tô tải nhẹ, thông số dao động gồm có: tần số, biên độ nhằm xác định gia tốc quán tính dao động HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Xác định ảnh hưởng thơng số đầu vào gồm có chế độ làm việc động cơ; thơng số động học (góc nghiêng trục đăng, chiều dài trục chiều dày trục) ảnh hưởng đến mơ men qn tính khối lượng chi tiết quay HTTL 2.2 Xây dựng mơ hình thí nghiệm dao động xoắn hệ thống truyền lực 2.2.1 Sơ đồ thí nghiệm thơng số dao động xoắn hệ thống truyền lực Dao động xoắn HTTL xây dựng theo sơ đồ hình Mơ men xoắn vận tốc góc trục khuỷu T0, 0 Mơ men ly hợp đặt trục sơ cấp hộp số có giá trị T1, 1 Lần lượt trục hộp số, trục đăng truyền lực chính, bán trục bánh xe chủ động có giá trị mơ men xoắn vận tốc góc tương ứng T2, 2; T3, 3; T4, 4 ; T5, 5; T6 6, hình Hình Sơ đồ hệ thống truyền lực xe tải nhẹ Các giá trị tải tác dụng lên HTTL xác định phương trình (1), (2), (3), (4) T0 i  T1 i  0 i ij f   B f  T1 i   T2 i  T4 i   ng T5 i  nd (1) 1 i iJ g  B g  (2) 4 i iJ d  Bd  (3) T6 i  6 i iJw  Bw  (4) Trong mơ sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK để giải tìm đáp ứng tần số miền thời gian [4] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.2.2 Lựa chọn thiết bị thí nghiệm dao động xoắn hệ thống truyền lực Những thiết bị phổ biến sử dụng thí nghiệm dao động xoắn HTTL sử dụng phịng thí nghiệm gồm có bệ thử kiểu dịng cơng suất kín kiểu dịng cơng suất hở Loại bệ thử kiểu dịng cơng suất kín có ưu điểm việc sử dụng động dẫn động cần công suất nhỏ vừa đủ khắc phục mô men ma sát thiết bị nên loại thường sử dụng động điện để dẫn động Loại bệ thử kiểu dịng cơng suất hở có ưu điểm dịng cơng suất truyền động trạng thái làm việc HTTL, lực cản hai bán trục lớn nên cần sử dụng động có cơng suất tương đương động xe thực làm động dẫn động bệ thử [5] Trên sở ưu điểm bệ thử kiểu dịng cơng suất hở để xây dựng mơ hình thí nghiệm dao động xoắn hệ thống truyền lực xe tải nhẹ, hình Các thiết bị mơ hình tiêu chuẩn với thông số cụ thể Dao động xoắn HTTL mơ tả mơ hình bệ thử dịng công suất hở bậc tự Nguyên lý hoạt động bệ thử kiểm sốt mơ men xoắn tốc độ góc hai động dẫn động M1 động điện gây tải M2 cho phép phân tích thơng số dao động xoắn (tần số dao động, gia tốc dạng dao động) tùy theo kích thích tải trọng Sử dụng cảm biến tốc độ vị trí đường truyền lực cho phép theo dõi phản ứng hệ thống động Ngồi khảo sát độ ồn cuả HTTL bệ thử [6] Hình Sơ đồ bệ thử dao động xoắn dịng cơng suất hở M1 động dẫn động bệ thử có cơng suất TM1 tương đương cơng suất động 4102QBZ (81kW số vòng quay 3000 v/ph) DCT hộp số trung gian có thơng số mơ men qn tính khối lượng quay trục vào, trục I2, I3; dịch chuyển góc 2, 3; kDCT hệ số độ cứng xoắn hộp số xác định độ lệch góc trục vào trục chế độ tải xác định;1 hệ số ma sát bề mặt ăn khớp bánh hộp số BR phanh tạo lực cản hệ thống có thơng số mơ men qn tính khối lượng quay phanh I4; dịch chuyển góc 4 MT hộp số khí với tay số tương đương hộp số xe thực, thơng số dịch chuyển góc MT hệ số ma sát 2 M2 cấu phanh tạo tải hệ thống TM2, sử dụng mô tơ điện pha gây tải tương đương với tải xe gồm lực cản khí động học, lực cản lăn, lực cản bám lực cản lên dốc, cản khối lượng qn tính.Các thơng số cấu phanh gồm mơ men qn tính khối lượng quay I5; dịch chuyển góc 5 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 K1, K2, K3 khớp nối đàn hồi với thông số hệ số độ cứng K kK với số tương tứng sơ đồ Bộ điều khiển động sử dụng kiểu PI Dao động mô men xoắn động dẫn động mơ tả phương trình (5) TM1  kp  ref   kI   ref  dt     (5) Ở kp kf hệ số đạo hàm tích phân Khi đặt chế độ thí nghiệm với tốc độ đầu vào động không đổi (  ref =Const ) phương trình (5) có chuyển thành (6) với kI1 ,kp thành phần độ cứng cản giảm chấn TM1  ref k p  kI t  kI1 k p (6) 2.3 Mơ hình thí nghiệm dao động uốn hệ thống truyền lực Dao động uốn HTTL gây theo hướng thẳng đứng xe chuyển động đường lực kích thích từ mặt đường ảnh hưởng chế độ điều khiển người lái Hiện tượng rung xảy có phối hợp không nhịp nhàng chân ga, chân phanh mặt đường ảnh hưởng vật cản đột ngột xuất Các rung động làm cho mô men xoắn biến thiên tần số tạo lực quán tính làm rung lắc thân xe Tương tác hệ thống truyền lực xe ảnh hưởng đến độ êm dịu chuyển động Mơ hình mô rung động thân xe xây dựng bao gồm hai loại tương tác, tương tác từ mặt đường, hai tương tác từ hệ thống truyền lực Sử dụng phương pháp phân tích tham số tập hợp hai kích thích tái tạo mơ men xoắn hệ thống truyền lực tạo cho phù hợp, hình [7] Hình Sơ đồ nghiên cứu dao động uốn hệ thống truyền lực Các thông số dao động uốn hệ thống truyền lực xác định liên quan chuyển vị ụ đỡ treo với dịch chuyển trọng tâm khối lượng cụm cấu thành hệ thống xác định hệ phương trình (7) khơng gian X i  X  y lZ Z lYi Yi  Y Z lX  X lZi Zi  Z  X lY Y lXi i i i (7) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong Xi, Yi, Zi Xi, Yi, Z dịch chuyển ụ đỡ treo thứ i trọng tâm khối lượng theo hướng x, y, z; x, y,z góc quay HTTL quanh trục X, Y, Z; lx, ly, lz khoảng cách từ trọng tâm khối lượng HTTL đến ụ đỡ treo thứ i theo phương trục X, Y, Z Bằng cách đạo hàm dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển ta nhận vận tốc gia tốc dịch chuyển Những thông số vị trí đo thí nghiệm gồm:  Dao động theo phương thẳng đứng, phương dọc phương ngang ụ đỡ treo HTTL;  Dao động theo phương thẳng đứng, phương dọc phương ngang cần chuyển số;  Dao động theo phương thẳng đứng vành tay lái;  Dao động theo phương thẳng đứng sàn chân người lái;  Đặc tính biên độ tần số rung động cơ;  Tốc độ chuyển động tịnh tiến ô tô;  Dao động góc HTTL mặt phẳng ngang;  Dao động góc HTTL mặt phẳng thẳng đứng PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Các điều kiện (chế độ) thí nghiệm:  Xe đứng yên, nổ máy chỗ chế độ không tải;  Xe chuyển động đường thí nghiệm hai chế độ: Chế độ thứ cho tăng tốc nhanh tay số với số vòng quay động tương ứng công suất cực đại từ 0,45 Nne đến 0,9 Nne (v/ph) Khi tốc độ xe ổn định tiến hành đo chế độ thứ hai với tốc độ xe khoảng 40 km/h đến 60 km/h tay số số Kết thí nghiệm dao động xoắn HTTL thử nghiệm bệ thử phịng thí nghiệm kết hợp với phân tích phần tử hữu hạn (FEA) Bệ thử kiểu dịng cơng suất hở cầu chủ động trường Đại học Công nghiệp Hà Nội hãng Dyna Pro Dynamometers Ltd United Kingdom chế tạo [9], hình 4.a, kết đo trình bày hình 4.c Sử dụng cảm biến gia tốc chiều VM-6380 Digital 3-Axis Vibration Meter Piezoelectric Sensor Displacement Velocity Acceleration [10] để đo dao động uốn vị trí ụ đỡ treo hộp số theo ba phương x, y, z, hình 4.b kết hình 4.d Cũng đánh giá dao động riêng biệt cụm HTTL Hộp số sử dụng tiêu chuẩn ISO 8579-2-1993 đo phân tích kết thí nghiệm thơng số dao động hộp số [11] Đối với trục đăng xác định lượng cân động, sử dụng phương pháp đo phân tích kết theo tiêu chuẩn ISO 1940/1 [12] a) Bệ thử HTTL dịng cơng suất hở b) Lắp cảm biến đo dao động ụ đỡ treo hộp số HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 c) Kết đo dao động xoắn theo phương z y HTTL d) Kết đo dao động theo x, y, z ụ đỡ treo hộp số Hình Bệ thử hệ thống truyền lực kết thí nghiệm KẾT LUẬN Mơ hình thí nghiệm đo dao động xoắn HTTL bệ thử kiểu dịng cơng suất hở với chế độ tải thực bệ thử có cấu phanh điện từ điều khiển chế độ tải theo tính tốn Sử dụng cảm biến gia tốc ba chiều VM-6380 Digital 3-Axis Vibration Meter Piezoelectric Sensor Displacement Velocity Acceleration đặt vị trí gối thân trục truyền động, lấy kết dao động xoắn theo hai chiều x, y (chiều z dọc theo thân trục) hình 4.c vị trí ụ đỡ treo hộp số, lấy kết dao động uốn theo ba chiều x, y, z hình 4.d Sau xử lý kết đo, phân tích tần số dao động tín hiệu biến dạng ta xác định tần số dao động uốn dao động xoắn hệ thống truyền lực Trên đồ thị hình 4.c, dao động xoắn theo phương x, y ta nhận khoảng thời gian đầu cuối chu kỳ dao động có tần số biên độ gần trùng nhau; khoảng dao động theo phương y có biên độ lớn dao động theo phương x, vùng gây rung động HTTL ảnh hưởng đến độ êm dịu xe tơ Ta cần có biện pháp thiết kế tránh vùng Trên đồ thị hình 4.d, dao động uốn theo phương x, y, z có tần số biên độ chu kỳ dao động Đây nguyên nhân gây mỏi chi tiết HTTL Trong lắp đặt cần có biện pháp giảm dao động uốn gối tựa mềm giảm dao động xoắn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Tuấn, 2013 Lý thuyết động đốt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [2] Gang shen (Gang Shen Chen), (2012), Vehicle Noise, Vibration, and Sound Quality SAE Internation Warrendale, Pennsylvania, USA SAE Order No RF-400 [3] Pavel Brabec, (2017) Methodology for the Experimental Determination of the Powertrain’s Inertia Ellipsoid and its Verification MATEC Web of Conferences 89, 01005 [4] A Farshidianfar, M Ebrahimi, H Rahnejat, M T Menday and M Moavenian, (2002) Optimization of the high-frequency torsional vibration of vehicle driveline systems using genetic algorithms Loughborough University Institutional Repository HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [5] Đỗ Giao Tiến, Nguyễn Hữu Sim, Lê Hồng Kỳ, Dương Ngọc Khánh, Nguyễn Mạnh Trường, Nguyễn Thanh Quang, (6/2012) Ứng dụng lý thuyết dòng cơng suất kín thiết kế, chế tạo bệ thử hiệu suất cụm cầu sau chủ động ô tô tải nhẹ Tạp chí Cơ khí ViệtNam, số tháng 6/2012 [6] Enrico Galvagno, Mauro Velardocchia, and Alessandro Vigliani, (2016) Torsional Oscillations in Automotive Transmissions: Experimental Analysis and Modelling Hindawi Publishing Corporation; Shock and Vibration; Volume 2016, Article ID 5721960, 14 pages; http://dx.doi.org/10.1155/2016/5721960 [7] Zhenhui Yao, Ric Mousseau, Ben G Kao, (2003) A Powertrain Model for Real-Time Vehicle Simulation DSC North America 2003 Proceedings, Dearborn, Michigan, October 8-10, 2003 (ISSN 1546-5071) [8] WenKu Shi, NianCheng Guo, WenJun Liu, GuangMing Wu, GuoLin Wang and Fei Zhang (2012) Investigation of Vibration for Vehicle Rear Axle Based on Modal Analysis Advanced Materials Research Online:2012-01-03 ISSN: 1662-8985, Vols 424-425, pp 646-649 doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.424-425.646 [9] Dyno Pro 2100S PC Manual de Referencia AW Dynamometer, Inc 1001 W North St., Pontiac IL 61764 www.awdynamometer.com [10] Manual Vibration meter PCE-VM 3D www.pce-instruments.com [11] ISO 8579-2-1993(E) International Standard Acceptance code for gears - Part 2: Determination of mechanical vibrations of gear units during acceptance testing [12] The Practical Application of ISO 1940/1 Balance Quality Requirements of Rigid Rotors  ... quay HTTL 2.2 Xây dựng mơ hình thí nghiệm dao động xoắn hệ thống truyền lực 2.2.1 Sơ đồ thí nghiệm thông số dao động xoắn hệ thống truyền lực Dao động xoắn HTTL xây dựng theo sơ đồ hình Mơ men... [3] XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 2.1 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm HTTL nhằm đạt mục đích: Xác định dao động xoắn dao động uốn HTTL ô tơ tải nhẹ, thơng số dao động. .. hợp hai kích thích tái tạo mơ men xoắn hệ thống truyền lực tạo cho phù hợp, hình [7] Hình Sơ đồ nghiên cứu dao động uốn hệ thống truyền lực Các thông số dao động uốn hệ thống truyền lực xác định