Xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe bằng thực nghiệm

Bài báo trình bày một phương pháp xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe bằng thực nghiệm. Với phương pháp này cho phép xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe ở bất kỳ trạng thái chuyển động nào.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH XE BẰNG THỰC NGHIỆM DETERMINATION OF DYNAMIC LOAD ACTING ON THE WHEEL BY EXPERIENCE NGUYỄN VĂN TRÀ*, NGUYỄN SĨ ĐỈNH Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân *Email liên hệ: albert_nvtra@yahoo.com.vn Tóm tắt Trong q trình tơ chuyển động đường tác động tải trọng tĩnh bánh xe chịu tác động tải trọng động Các tải trọng động phát sinh dao động ô tô chuyển động đường không phẳng, lực ly tâm quay vòng, phanh tăng tốc gây ra, Khi xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thường xét trường hợp chuyển động đơn lẻ Tuy nhiên, chuyển động ô tô đường thường phức tạp Bài báo trình bày phương pháp xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thực nghiệm Với phương pháp cho phép xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe trạng thái chuyển động Kết thực nghiệm tham khảo hữu ích cho nhà thiết kế, khai thác sử dụng, mô động lực học ô tô thiết kế đường giao thơng Từ khóa: Tải trọng động, bán kính động lực học, dao động tơ Abstract During the car's motion on the road, in addition to the impact of static loads, the wheels are also affected by dynamic loads Dynamic loads can be caused by vibration when the vehicle is moving on uneven roads, by centrifugal force during rotation, by braking or by accelerated process When determining the dynamic load acting on the wheel, usually single motion cases are considered However, the movement of cars on the road is often complicated This paper presents a method to determine the dynamic load acting on the wheel by experiment With this method it is possible to determine the dynamic load acting on the wheel in any state of motion Experimental results can be useful references for automotive designers, operators, car dynamics simulation and road designers Keywords: Dynamic load, dynamic radius, car vibration 274 Đặt vấn đề Nghiên cứu động lực học trình chuyển động tơ xây dựng mối quan hệ tham số đầu vào bao gồm: Các thông số đường (hệ số bám, hệ số cản lăn, chiều cao mấp mô mặt đường, ), thông số kết cấu ô tô (công suất, mô men, thông số hệ thống, ), thông số điều khiển người lái (chân ga, phanh, vành tay lái tay số truyền) với thông số đầu theo yêu cầu toán nhằm kiểm soát vận tốc hướng chuyển động ô tô Vận tốc hướng chuyển động tơ kiểm sốt tồn mối quan hệ động học, động lực học bánh xe mà cụ thể lốp xe với mặt đường Mối quan hệ động lực học bánh xe với mặt đường thể Hình Các thành phần lực (Fx, Fy, Fz) mô men (Mx, My, M z) tác dụng trục tương ứng x, y z, trục 0y trục quay bánh xe Mối quan hệ thành phần lực mô men phức tạp, phụ thuộc vào trạng thái mặt đường trạng thái chuyển động bánh xe Giá trị cực đại lực theo phương x, y phụ thuộc vào giá trị lực theo phương z (Fz) Nghĩa là: Fxmax = Fz.jx Fymax =Fz jy (1) Trong đó: jx jy hệ số bám dọc bám ngang lốp xe với mặt đường Hình Các lực, mơ men tác dụng vị trí tiếp xúc bánh xe với mặt đường Đối với loại đường xác định hệ số bám jx jy thường biến thiên liên tục nằm giới hạn (0;1) Như khả tiếp nhận truyền lực theo phương dọc, ngang phụ thuộc nhiều vào tải trọng Fz SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Có nhiều cơng trình nghiên cứu động lực học bánh xe, phần lớn nghiên cứu trạng thái chuyển động đơn lẻ tăng tốc, phanh, quay vịng dao động Trong cơng trình nghiên cứu Pacejka phát triển mơ hình lốp Magic Fomula (MF Tyre) [4] xây dựng hàm quan hệ lực dọc, lực ngang thẳng đứng thông qua hệ số biến dạng, độ cứng, độ cong, cho kết khả quan nghiên cứu động lực học bánh xe Mơ hình lốp TMeasy [5] mơ hình bán thực nghiệm dựa trượt vết tiếp xúc bánh xe Mơ hình lốp TreadSim [5] mơ hình mơ lốp phát triển sở mơ hình Pacejka Độ xác kết mơ hình phụ thuộc nhiều vào hệ số lựa chọn biểu thức tính tốn Một cách tiếp cận khác nghiên cứu động lực học bánh xe nghiên cứu thực nghiệm mà nội dung báo đề cập tới Trong khuôn khổ báo tập trung vào xác định tải trọng động, nghĩa tải trọng phát sinh q trình chuyển động tơ đường theo phương z (phương vng góc với mặt đường) Cơ sở lý thuyết nội dung nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Cơ sở lý thuyết xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thực nghiệm Khi tơ chuyển động đường ln có phân bố lại tải trọng tác dụng lên bánh xe, tải trọng phụ thuộc vào trạng thái chuyển động (tăng tốc, phanh, quay vòng, dao động, ) Các trạng thái chuyển động không xảy trạng thái đơn lẻ mà trường hợp tổng quát phức hợp Tải trọng tác dụng lên bánh xe gồm có thành phần tải trọng tĩnh Fzt tải trọng động Fzd [1] thể biểu thức (2) Fz = Fzt + F zd hay Fzd = Fz - Fzt (2) Nếu giả thiết độ cứng lốp số tải trọng Fz xác định biểu thức (3) Fz = Dz CL (3) Trong đó: Dz biến dạng hướng kính lốp, (m); CL độ cứng lốp, (N/m) Coi thời điểm xét tn lốp có biến dạng Dzn, thời điểm trước tn-1 lốp có biến dạng Dzn-1 Như vậy: + Nếu Dzn - Dzn-1 > lốp trạng thái tăng tải; + Nếu Dzn - Dzn-1 < lốp trạng thái giảm tải; + Nếu Dzn - Dzn-1 = lốp trạng thái trạng thái thời điểm trước tn-1 2.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm Bảng Hình ảnh thơng số kỹ thuật cân tải trọng CAS RW-10L Hình ảnh Thơng số kỹ thuật Nước SX: Hàn Quốc; Năm SX: 2019; Phạm vi đo: 0¸10.000 kg; Độ phân giải: ± 5kg; Nguồn ni: 220V AC Bảng Hình ảnh thơng số kỹ thuật cảm biến HF-750C Hình ảnh Thơng số kỹ thuật Nước SX: Đức; Hãng SX: Kistler; Năm SX: 2019; Phạm vi đo: 150¸900 mm; Độ phân giải: ± 0,3 mm; Sai số tuyến tính: 0,2%; Nguồn ni: 9¸18V DC Bảng Hình ảnh thơng số kỹ thuật máy tính DEWETRON 3020 Hình ảnh Thơng số kỹ thuật Nước SX: Áo; Hãng SX: DEWETRON; Năm SX: 2015; Số kênh đo: 8+8 kênh mở rộng; Nguồn ni: 95÷260V AC Qua phân tích nội dung nghiên cứu thực nghiệm cần phải thực là: Kết hợp biểu thức (2) (3) nhận được: Fzd = Dz CL - Fzt tải Muốn xác định trạng thái tăng hay giảm tải lốp thời điểm cần thiết phải xét giá trị biến dạng thời điểm trước Chẳng hạn: (4) + Xác định đặc tính đàn hồi lốp tăng, giảm tải; Độ cứng phần tử đàn hồi nói chung, lốp nói riêng trạng thái tăng tải, giảm tải khác [2] Ở trạng thái tăng tải lốp có độ cứng CL = CLt trạng thái giảm tải lốp có độ cứng CL = CLg Như vậy, vấn đề đặt trình chuyển động thời điểm lốp trạng thái tăng tải hay giảm + Xác định biến dạng lốp tải trọng động tác dụng lên lốp q trình tơ chuyển động SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Để thực nội dung nhóm thực nghiệm lựa chọn cảm biến, thiết bị thử nghiệm [1, 3] phịng thí nghiệm Động lực học phương tiện giới, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân 275 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Cụ thể là: - Cân tải trọng CAS RW-10L - Cảm biến đo khoảng cách quang học HF750C - Máy tính chuyên dùng DEWETRON 3020 Trong khn khổ báo nhóm tác giả khơng trình bày kỹ quy trình thử nghiệm thực tế mà nêu tóm tắt nội dung thử nghiệm, xử lý số liệu kết đạt 2.2.1 Xác định đặc tính đàn hồi lốp tăng, giảm tải Khi xác định đặc tính đàn hồi nhóm thử nghiệm cho tơ đứng chỗ, không nổ máy, sử dụng cân tải trọng CAS RW-10L, cảm biến HF-750C lắp tâm trục bánh xe, máy tính DEWETRON 3020 cài đặt phần mềm DasyLab [6] thiết bị gia tải Kết thử nghiệm thể Hình Trên sở số liệu thử nghiệm tải trọng tác dụng lên lốp Fzi, biến dạng lốp Dzi điểm đo thứ i xác định độ cứng lốp thời điểm theo biểu thức (5) CLi = Fzi /Dzi (5) Giá trị độ cứng lốp tăng giảm tải xác định cách lấy giá trị trung bình tồn q trình đo theo biểu thức (6) Chỉ số t, g biểu thức tương ứng với trạng thái tăng, giảm tải C Lt , g = N định tải trọng động Trong giá trị độ cứng lựa chọn theo lập luận Lưu ý rằng: Lựa chọn chế độ chuyển động ô tô, loại đường thử để xác định tải trọng động phụ thuộc vào yêu cầu vấn đề nghiên cứu Trong khuôn khổ báo mang tính chất kiểm chứng qui trình nên nhóm thử nghiệm lựa chọn chế độ ô tô chuyển động thẳng đoạn đường đất cứng vùng trung du Tam Đảo tỉnh Vĩnh Phúc Đây loại đường liên huyện, đất đồi núi, không phẳng, khô Kết bàn luận 3.1 Kết xác định đặc tính đàn hồi lốp tăng, giảm tải Đối tượng thử nghiệm ô tơ HYUNDAI COUNTY 16 chỗ có tải trọng phân bố lên cầu trước trạng thái thử nghiệm 23.000 (N), sử dụng lốp BridgeStone loại lốp radial có ký hiệu 7.00R16 LT với áp suất lốp thử nghiệm 30.500 (N/m2) Kết thực nghiệm thể Hình Dáng điệu đặc tính phù hợp với đặc tính lốp, sử dụng biểu thức (6) xác định độ cứng trung bình lốp tăng, giảm tải là: CLt = 50.080 (N/m) CLg = 44.083 (N/m) Đặc tính đàn hồi lốp thực nghiệm tăng, giảm tải n å C Lt , gi (6) 2500 2.2.2 Xác định biến dạng lốp tải trọng động tác dụng lên lốp q trình tơ chuyển động Tại vị trí xuất phát tơ khơng nổ máy, sau hoàn tất việc lắp đặt cảm biến HF-750C cầu xe điều chỉnh vị trí cảm biến theo yêu cầu kỹ thuật quy dẫn hình học vị trí tâm trục bánh xe Tiếp theo xác định bán kính tĩnh rt bánh xe cảm biến HF-750C tải trọng tĩnh Fzt cân CAS RW10L Như vậy, biến dạng vị trí ban đầu xác định theo biểu thức (7) Dzt = r0 - rt (7) Trong đó: r0 bán kính tự lốp, (m) Sau xác định biến dạng tĩnh tải trọng tĩnh tác dụng lên lốp, bỏ cân tải trọng khỏi bánh xe cho ô tô chuyển động để đo biến dạng lốp cảm biến HF-750C kết hợp với phần mềm DasyLab cài đặt máy tính DEWETRON 3020 Giá trị mà cảm biến đo thời điểm thứ i ri thay vào biểu thức (7) để xác định biến dạng điểm đo đó, đồng thời sử dụng biểu thức (4) để xác 276 Tải trọng [X10 N] 2000 1500 Tăng tải Giảm tải 1000 500 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Biến dạng [m] Hình Đặc tính đàn hồi lốp thực nghiệm tăng, giảm tải 3.2 Kết xác định biến dạng lốp tải trọng động tác dụng lên lốp q trình tơ chuyển động Kết thử nghiệm chế độ tải trọng tĩnh lốp bên trái tơ HYUNDAI COUNTY 16 chỗ (nhìn từ phía trước xe) Fzt = 11.500 (N); r0 = 0,400 (m); rt = 0,376 (m) Thay giá trị vào biểu thức (7) xác định Dzt = 0,024 (m) Chế độ ô tô chuyển động vận tốc V0 = 50 (km/h) đường cấp SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 phối, liên huyện, đất cứng, khô cho kết thực nghiệm biến dạng lốp Hình tải trọng động tác dụng lên lốp Hình Trên đồ thị Hình cho thấy q trình thực nghiệm tơ chuyển động chưa xảy tượng tách bánh 0.030 Với phương pháp thực nghiệm áp dụng hữu hiệu cho nghiên cứu động lực học trình chuyển động tơ Qua phát triển, hồn thiện theo hướng tối ưu hóa kết cấu chi tiết, cấu, cụm hệ thống ô tô, đồng thời hướng tới kiểm sốt q trình chuyển động cách thơng minh tự động hóa 0.020 TÀI LIỆU THAM KHẢO Biến dạng lốp 0.060 0.050 Biến dạng [m] 0.040 0.010 0.000 10 12 14 16 18 20 Điểm đo (X1000) Hình Biến dạng lốp Trên Hình giá trị dương tải trọng động thể lốp tăng tải ngược lại giá trị âm giảm tải Trên đoạn đường thử loại đường xấu, có điểm tải trọng động lớn tải trọng tĩnh (12.050 11.980 (N)) nghĩa lốp phải chịu tải gấp đôi Tải trọng động tác dụng lên lốp 1500 [1] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân, Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [2] Nguyễn Phúc Hiểu, Vũ Đức Lập, Lý thuyết ô tô quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1999 [3] Nguyễn Văn Trà, Giáo trình sở đo lường thử nghiệm phương tiện giới, NXB Quân đội Nhân dân, 2017 [4] Hans B Pacejka, Tyre and Vehicle Dynamics, Springer, 2008 [5] R.T Uil, Tyre models for steady-state vehicle handling analysis, Thesis, 2007 1000 Tải trọng động [X10 N] tốc V0 = 50 (km/h) đường thực nghiệm thể Hình Giá trị cực đại tải trọng động Fzdmax = 11.994 (N) giá trị nhỏ Fzdmin = - 9.300 (N) [6] Dasylab Manual.pdf 500 0 10 12 14 16 18 20 -500 -1000 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 27/6/2021 06/8/2021 09/8/2021 -1500 Điểm đo (X1000) Hình Tải trọng động tác dụng lên lốp Kết luận Bài báo trình bày sở lý luận đạt mục tiêu đặt xác định đặc tính đàn hồi lốp tăng giảm tải xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thực nghiệm theo phương pháp tương đối đơn giản với trang thiết bị có phịng thí nghiệm, tốn Cụ thể là: + Đặc tính đàn hồi lốp thực nghiệm tăng, giảm tải ô tô HYUNDAI COUNTY 16 chỗ (ô tô lốp qua sử dụng) thể Hình với độ cứng trung bình CLt = 50.080 (N/m), CLg = 44.083 (N/m) + Kết xác định tải trọng động tác dụng lên lốp trình ô tô chuyển động với vận SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 277 ... nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Cơ sở lý thuyết xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thực nghiệm Khi ô tô chuyển động đường ln có phân bố lại tải trọng tác dụng lên bánh xe, tải trọng phụ thuộc... Hình Tải trọng động tác dụng lên lốp Kết luận Bài báo trình bày sở lý luận đạt mục tiêu đặt xác định đặc tính đàn hồi lốp tăng giảm tải xác định tải trọng động tác dụng lên bánh xe thực nghiệm. .. Hình Đặc tính đàn hồi lốp thực nghiệm tăng, giảm tải 3.2 Kết xác định biến dạng lốp tải trọng động tác dụng lên lốp q trình tơ chuyển động Kết thử nghiệm chế độ tải trọng tĩnh lốp bên trái ô