Ảnh hưởng độ cứng và hệ số cản giảm chấn hệ thống treo đến tải trọng động tác động lên vỏ cầu xe tải 1.25 tấn

Bài báo thực hiện nghiên cứu nhằm xây dựng phương pháp xác định ảnh hưởng của độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo đến tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu chủ động khi xe di chuyển trên bề mặt mấp mô mặt đường định dạng. Mô hình động lực học dao động của xe trong không gian gồm 7 bậc tự do.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG VÀ HỆ SỐ CẢN GIẢM CHẤN HỆ THỐNG TREO ĐẾN TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN VỎ CẦU XE TẢI 1.25 TẤN EFFECT OF STIFFNESS AND DAMPING COEFFICIENT SUSPENSION SYSTEM TO DYNAMIC LOAD ACTING AXLE HOUSING 1.25 TON TRUCK LƯƠNG VĂN VẠN*, PHAN HOÀNG SƠN, NGUYỄN VĂN TỒN Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long *Email liên hệ: vanlv@vlute.edu.vn Mở đầu Tóm tắt Vỏ cầu chủ động có chức đỡ tồn phần trọng lượng phía sau ô tô chịu tải trọng từ tương tác bánh xe với đường Ơ tơ thường xun làm việc đường xấu nên vỏ cầu chịu tải trọng biến thiên liên tục với biên độ lớn Khi xe di chuyển loại đường khác khau bánh xe gặp phải mấp mô mặt đường khác xuất tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động làm ảnh hưởng đến độ bền vỏ cầu chi tiết khác ô tơ Bài báo trình bày kết khảo sát ảnh hưởng độ cứng hệ số cản giảm chấn hệ thống treo đến tải trọng động tác động lên xe tải 1,25 xe qua đường mấp mô định dạng Kết nghiên cứu làm sở đề xuất lựa chọn theo hướng giảm tải trọng động tác động lên vỏ cầu Từ khóa: Độ cứng, hệ số cản giảm chấn, tải trọng động, vỏ cầu Abstract Drive axle housing has the function of supporting the entire weight of the car and bearing the loads form wheel interaction with the load Vehicle often work in the bad roads, so axle housing sheel is subjected to the continuously variable loads with a large amplitude When the vehicle moves on different road or when the wheel encountered different surface roughness appears the dynamic load on the active axle house effect the durability of the axle house and other vehicle details This paper presents the survey results effect of stiffness and damping coefficient suspension system to dynamic load acting axle housing 1.25 ton truck when the vehicle has passed the bumpy format The research results underlie suggest select the basis to reduce the dynamic load acting the axle house Keywords: Stiffness, damping dynamic load, axle house 234 coefficient, Tại Việt Nam, xe tải nhỏ sử dụng nhiều việc vận chuyển hàng hóa, xe có tải trọng nhỏ nên thích hợp việc lưu thơng đường nhỏ, đường nơng thơn Trong cung đường nước ta cịn chưa hồn thiện, nhiều nơi mặt đường chưa phẳng với độ mấp mơ lớn Do đó, xe chạy đường xuất tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động làm ảnh hưởng đến độ bền chi tiết [1] Do đó, việc xác định tải trọng động từ mặt đường tác dụng lên vỏ cầu chủ động điều kiện làm việc thực tế xe nhằm làm thông số đầu vào xác định độ bền chi tiết Bài báo thực nghiên cứu nhằm xây dựng phương pháp xác định ảnh hưởng độ cứng hệ số cản giảm chấn hệ thống treo đến tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu chủ động xe di chuyển bề mặt mấp mơ mặt đường định dạng Mơ hình động lực học dao động xe không gian gồm bậc tự Mơ hình động lực học xác định tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động 2.1 Mơ hình khơng gian Trong nghiên cứu mơ hình xây dựng xe tải 1,25 cầu gồm cầu trước cầu dẫn hướng, bị động, cầu sau cầu chủ động Để xây dựng mô hình dao động xe, ta có giả thiết sau [1]: - Mơ hình tơ tải nhẹ 1,25 có trục đối xứng theo trục dọc xe - Thân xe xem phẳng có khối lượng ms đặt trọng tâm thân xe Trong toán xét dao động xe chuyển động thẳng, thân xe có chuyển động (3 bậc tự do) bao gồm: Chuyển động tịnh tiến theo trục thẳng đứng zs góc xoay tương ứng: qsy (góc lắc dọc - quay quanh trục ngang y), qsx (góc lắc ngang - quay quanh trục dọc x) - Các cầu xe (cầu trước - 1, cầu sau - 2) khối lượng không treo xem phẳng, có khối lượng mu1, mu2 đặt trọng tâm chúng Mỗi cầu xe có chuyển động tịnh tiến theo trục thẳng đứng (Zu1, Zu2) chuyển vị góc lắc ngang quanh SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 trục dọc (qu1,qu2) Bỏ qua góc xoay cầu xe theo trục thẳng đứng trục ngang (3) - Thân xe nối với cầu xe thông qua hệ thống treo (đặc trưng độ cứng C hệ số cản giảm chấn K Trong mặt phẳng dọc, số 1- trước; 2sau; Trong mặt phẳng ngang số 1- trái, 2- phải) (4) - Cầu xe liên kết với mặt đường bánh xe đàn hồi, đặc trưng độ cứng CL hệ số cản giảm chấn KL - Bỏ qua tác động gió đến chuyển động xe, bánh xe tiếp xúc điểm với mặt đường (5) z Zs θsy C11 Jsy ms d Zu2 mu2 C22 KL21 Ju2 θu2 K12 C12 u1 h21 1' (6) KL12 CL12 3' CL21 mu1 KL11 Ju1 θ h11 Zu1 θsx Jsx y K21 C21 x 2' CL11 d K11 K22 h12 4' KL22 (7) CL22 h22 Hình Mơ hình động lực học xe tải hai cầu không gian 2.3 Các thông số đầu vào mơ hình 2.2 Mơ hình động lực học Ứng dụng phương trình Newton - Euler cho khối lượng dao động gồm: Khối lượng treo (chuyển động tịnh tiến theo phương Z (Zs); chuyển động xoay quanh trục X (θsx), chuyển động xoay quanh trục Y (θsy)); Khối lượng không treo cầu trước gồm chuyển động tịnh tiến theo phương Z (Z u1), chuyển động quay quanh trục X (θu1); Khối lượng không treo cầu sau gồm chuyển động tịnh tiến theo phương Z (Zu2), chuyển động quay quanh trục X (θ u2) Hệ phương trình dao động thẳng đứng xe khảo sát mô tả sau: (1) (2) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Để tiến hành khảo sát hệ phương trình vi phân dao động xe, tiến hành xác định thông số đầu vào phương trình Việc xác định thơng số đầu vào phương trình tiến hành sau: Các thơng số hình học xe xác định phương pháp đo trực tiếp xe, thông số độ cứng tương đương lốp trước lốp sau; độ cứng hệ số giảm chấn nhíp trước, nhíp sau tham khảo tài liệu [1] Kích động mấp mơ mặt đường gây tải trọng động Có nhiều nguồn kích thích gây tải trọng thẳng đứng tác dụng lên ô tô, mấp mơ biên dạng đường nguồn kích động gây tải trọng động Tải trọng động ô tơ ảnh hưởng đến nhiều tính khai thác, đặc biệt ảnh hưởng đến tính êm dịu, an tồn chuyển động độ bền lâu chi tiết Khi nghiên cứu tải trọng động thẳng đứng từ mặt đường tác động lên vỏ cầu chủ động độ mấp mô biên dạng mặt đường cần thiết Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mấp mô đơn dạng sin để khảo sát có kết cấu đơn giản dễ dự báo qui luật kết quả, chiều cao mấp mơ tính theo cơng thức [3, 5]: 235 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ỡ1 ổ ổ x ửử ùù H m ỗỗ1 - cos ỗ 2p L ữ ữữ < x < Lm h( x) = í m øø è è ï x £ , x ³ Lm ïỵ (8) Khi vận tốc khơng đổi xe v chiều cao mấp mơ theo thời gian tính theo cơng thức: ì1 ỉ ỉ vt ùù H m ỗỗ1 - cos ỗ 2p L ÷ ÷÷ < vt < Lm h(t ) = í m øø è è ï vt £ , vt ³ Lm ïỵ (9) Trong đó: Hm chiều cao mấp mơ cực đại Hm = 0,1m; Lm chiều dài mấp mô (Lm = 0,5 m); v vận tốc chuyển động xe 236 TT Ký hiệu Đơn vị Giá trị ms kg 2800 Jsx Kgm2 4403 Jsy Kgm2 16645 Ju1 Kgm2 285 Ju2 Kgm2 335 C11 N/m 175000 C12 N/m 175000 C21 N/m 326000 C22 N/m 326000 10 CL11 N/m 350000 11 CL12 N/m 350000 12 CL21 N/m 652000 13 CL22 N/m 652000 14 K11 Ns/m 6090 15 K12 Ns/m 6090 16 K21 Ns/m 7675 17 K22 Ns/m 7675 18 KL11 Ns/m 7985 19 KL12 Ns/m 7985 20 KL21 Ns/m 8640 21 KL22 Ns/m 8640 22 mu1 kg 300 23 mu2 kg 400 24 d mm 500 25 B mm 700 26 l mm 2670 27 l1 mm 1750 28 l2 mm 920 Hm (m) Bảng Các thơng số mơ hình 0.1 0.075 0.05 0.025 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Lm (m) Hình Mấp mơ mặt đường mơ tả theo chiều dài Kết khảo sát Trong nghiên cứu này, tác giả khảo sát trường hợp bên bánh xe sau đồng thời gặp phải mấp mô Vận tốc chuyển động xe thay đổi từ 20km/h đến 60km/h, xe chuyển động thẳng, chở đầy tải khơng có thành phần lực ngang tác dụng Do hai bánh xe sau tiếp xúc đồng thời lên hai mấp mơ, lực tác dụng lên vỏ cầu sau bên trái lực tác dụng lên vỏ cầu sau bên phải Các kết khảo sát thành phần tải trọng động thẳng đứng (Fz21, F z22) đặt lên vỏ cầu Ngoài ra, nghiên cứu đánh giá giá trị cực đại tải trọng động (max(Fz21, Fz22 )) Hình Tải trọng động theo phương thẳng đứng Fz2 (v = 60 km/h) hai bánh sau gặp phải mấp mô Kết Hình mơ tả lực thẳng đứng bên nhíp ứng với chế độ vận tốc vận tốc v = 60km/h Hình mơ tả thay đổi giá trị tải trọng động cực đại thẳng đứng ứng với giá trị vận tốc v = 20 ÷ 60 (km/h) Các kết cho thấy quy luật vật lý: Khi vận tốc chuyển động xe tăng lên, giá trị tải trọng động thẳng đứng tăng Với vận tốc v = 60km/h, giá trị cực đại tải trọng thẳng đứng Fz2 38827N SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 đánh giá ảnh hưởng độ cứng hệ thống treo đến tải trọng động tác động lên vỏ cầu ả ả ọng độ ực đại theo phương thẳ đứng thay đổ ốc độ xe độ ứ ệ ố Fz2max C2 (kN/m) 100 200 300 400 500 20 27,7 27,9 28,0 28,1 28,3 30 31,8 32,0 32,1 32,2 32,4 40 35,4 35,5 35,6 35,7 35,8 50 39,9 40,1 40,2 40,3 40,4 60 43,1 43,4 43,5 43,7 43,9 Vận tốc xe (km/h) Hình Tải trọng động cực đại theo phương thẳng đứng hai bánh sau gặp phải mấp mơ Hình mơ tả giá trị hệ số tải trọng động thẳng đứng ứng với tốc độ xe v = 20 ÷ 60 (km/h) Với vận tốc 60km/h hệ số tải trọng động có giá trị 1,72 Hình Tải trọng động cực đại theo phương thẳng đứng hai bánh sau gặp phải mấp mô ả ực đại theo phương thẳng đứ ả ọng độ ệ ố ả ọng động thay đổ ốc độ ủ Vận tốc xe (km/h) Fz2max (kN) kđ 20 27 1,21 30 30 1,33 40 33 1,44 50 36 1,60 60 39 1,72 4.1 Ảnh hưởng độ cứng treo sau C2 Độ cứng hệ thống treo cầu sau (C2 = C21 = C22 = 326kN/m), thay đổi độ cứng hệ thống treo sau có giá trị từ 100 đến 500kN/m, thông số khác không thay đổi Trong khảo sát tương tự trường hợp khảo sát trên, ta xác định giá trị SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Fz2max thay đổi độ cứng C2 hệ thống treo sau (v = 20 - 60km/h) Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng độ cứng C2 hệ thống treo sau đến tải trọng động cực đại thẳng đứng từ mặt đường tác động lên bánh xe sau, vận tốc khảo sát từ 20 ÷ 60 (km/h) Với giá trị vận tốc khảo sát, C2 tăng dần, giá trị tải trọng động cực đại tăng dần Như vậy, tăng độ cứng hệ thống treo sau làm tăng giá trị tải trọng động tác động đến xe đường, việc ảnh hưởng xấu đến độ bền vỏ cầu, chi tiết xe ảnh hưởng xấu đến cầu đường Chính thế, thiết kế nên giảm độ cứng C2 hệ thống treo sau Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng độ cứng C2 hệ thống treo sau đến hệ số tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động xe ô tô chuyển động hai bánh sau gặp phải mấp mô, vận tốc khảo sát từ 20 ÷ 60 (km/h) Với vận tốc chuyển động xe v = 60km/h, hệ số tải trọng động có giá trị 1,95 237 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Hệ số tải trọng động thay đổi theo tốc độ xe độ cứng hệ thống treo sau ả ả thay đổ ọng độ ực đại theo phương thẳng đứ ấ ốc độ ủ ệ ố ả ả Kđ Fz2max C2 (kN/m) Vận tốc K2 (kNs/m) 100 200 300 400 500 xe (km/h) 100 200 300 400 500 xe (km/h) 20 1,23 1,24 1,24 1,25 1,26 20 26,5 26,3 26,1 25,9 25,8 30 1,41 1,42 1,43 1,43 1,44 30 29,5 29,8 30,4 30,6 31,0 40 1,57 1,58 1,58 1,59 1,59 40 32,1 32,4 32,9 33,0 33,4 50 1,77 1,78 1,79 1,79 1,80 50 35,5 35,7 36,1 36,7 36,8 60 1,92 1,93 1,93 1,94 1,95 60 37,9 38,1 38,5 39,0 39,2 Hình Hệ số tải trọng động k đ thay đổi độ cứng C2 hệ thống treo sau (v = 20 - 60km/h) 4.2 Ảnh hưởng hệ số cản K2 Thông số khảo sát hệ số cản hệ thống treo sau K2 Giá trị hệ số cản hệ thống treo treo sau K2 = K21 = K22= 7675Ns/m, thay đổi giá trị hệ số cản hệ thống treo sau từ 10 đến 18 (kNs/m), thông số khác không thay đổi Trong khảo sát chế độ chuyển động xe tương tự chế độ khảo sát trên, kết khảo sát ta xác định tải trọng động cực đại tác động lên vỏ cầu, hệ số tải trọng động cực đại (kđ) Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng hệ số cản giảm chấn K2 hệ thống treo sau đến tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên vỏ cầu chủ động xe ô tô chuyển động hai bánh sau gặp phải mấp mô, vận tốc khảo sát từ 20 ÷ 60 (km/h) Kết cho thấy, tăng hệ số cản giảm chấn hệ thống treo sau làm giảm giá trị tải trọng động tác động lên cầu xe, việc làm tăng độ bền vỏ cầu Chính thế, thiết kế để cải thiện độ bền vỏ cầu, nên tăng hệ số cản giảm chấn K2 hệ thống treo sau 238 Vận tốc Hình Fz2max thay đổi K2 hệ thống treo sau (v = 20 - 60km/h) Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng hệ số cản giảm chấn K2 hệ thống treo sau đến hệ số tải trọng động tác động lên cầu chủ động xe xe chuyển động hai bánh sau gặp phải mấp mơ, vận tốc khảo sát từ 20 ÷ 60 (km/h) Với giá trị vận tốc khảo sát, K2 tăng dần hệ số tải trọng động cực đại tác động lên cầu chủ động giảm dần Bảng Hệ số tải trọng động thay đổi theo tốc độ xe hệ số cản Kđ K2 (kNs/m) 100 200 300 400 500 20 1,18 1,17 1,16 1,15 1,15 30 1,31 1,32 1,35 1,36 1,38 40 1,43 1,44 1,46 1,47 1,48 50 1,58 1,58 1,60 1,63 1,63 60 1,69 1,69 1,71 1,73 1,74 Vận tốc xe (km/h) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 [4] Trần Phúc Hịa, Trịnh Minh Hồng, Lê Hồng Quân, Xác định tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động xe tải nhẹ sản xuất, lắp ráp Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam Số 07.2016, tr.29-41, 2016 [5] Phan Tuấn Kiệt, Nghiên cứu xác định tải trọng động thẳng đứng đoàn xe lên mặt đường, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2018 [6] Bohao Li, 3-D Dynamic Modeling and Simulation of a Multi-dgree of Freedom 3-axle Rigid Truck with Trailing Arm Bogie Suspension, Master of Engineering Research, University of Wollongong, 2006 Hình Hệ số tải trọng động k đ thay đổi hệ số K2 hệ thống treo sau (v = 20 ÷ 60km/h) Như vậy, tăng độ cứng hệ số cản giảm chấn treo sau làm giảm giá trị tải trọng động tác động lên cầu xe Chính thế, thiết kế để cải thiện độ bền vỏ cầu, nên tăng hệ số cản K2 hệ thống treo sau Kết luận Các khảo sát ảnh hưởng vận tốc đến tải trọng động tác động lên vỏ cầu trường hợp xe qua mấp mơ có định dạng nhằm mục tiêu xác định giá trị tải trọng động cực đại Khi vận tốc tăng, giá trị tải động tăng phù hợp qui luật Trong nghiên cứu khảo sát xác định tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu thay đổi thông số C2, K2 xe di chuyển qua mấp mô định dạng Kết khảo sát cho thấy tăng độ cứng hệ thống treo C2 (các thơng số khác giữ ngun) giá trị tải trọng động tác động lên vỏ cầu tăng lên Ngược lại tăng hệ số cản giảm chấn hệ thống treo K2 giá trị tải trọng động tác động lên vỏ cầu giảm xuống [7] Manoj K Mahalaa, Prasanna Gadkari and Anindya Debb, Mathematical Models for Designing Vehicles for Ride Comfort, Indian Institute of Science, Bangalore India, pp.168-175, 2009 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 25/6/2021 03/8/2021 09/8/2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Thanh Tùng, Xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu xe tải 1,25 tấn, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, 2020 [2] Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc, Động lực học ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, 2014 [3] Trần Phúc Hòa, Nguyễn Tiến Dũng, Dư Quốc Thịnh, Nguyễn Hữu Hường, Mơ hình động lực học xác định thơng số đầu vào cho tốn tính bền vỏ cầu, Tạp chí Khoa học cơng nghệ giao thơng vận tải, Số 7&8,9/2013, tr.75-79, 2013 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 239 ... tác động lên vỏ cầu, hệ số tải trọng động cực đại (kđ) Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng hệ số cản giảm chấn K2 hệ thống treo sau đến tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên vỏ cầu chủ động. .. tăng độ cứng hệ thống treo C2 (các thông số khác giữ nguyên) giá trị tải trọng động tác động lên vỏ cầu tăng lên Ngược lại tăng hệ số cản giảm chấn hệ thống treo K2 giá trị tải trọng động tác động. .. xấu đến cầu đường Chính thế, thiết kế nên giảm độ cứng C2 hệ thống treo sau Hình thể kết khảo sát ảnh hưởng độ cứng C2 hệ thống treo sau đến hệ số tải trọng động tác động lên vỏ cầu chủ động xe