Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống treo đoàn xe theo hướng giảm tải trọng động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:171

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của hệ thống treo khí nén trên sơ mi rơ móc so với hệ thống treo sử dụng nhíp. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. LƯU VĂN TUẤN 2. TS. ĐẶNG VIỆT HÀ Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lưu Văn Tuấn và TS. Đặng Việt Hà. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 03 năm 2021 Người hướng dẫn khoa học 1 Người hướng dẫn khoa học 2 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, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tập thể hướng dẫn là PGS.TS. Lưu Văn Tuấn và TS. Đặng Việt Hà đã tận tình hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết các vấn đề cụ thể đặt ra để thực hiện và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Cục Đăng kiểm Việt Nam, Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn Trung tâm Khoa học công nghệ - Trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ để hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến các chuyên gia ngành Động lực đã đóng góp các ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện. Cuối cùng nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. 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 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 1.2. Xu hướng phát triển và vấn đề tải trọng động của SMRM .................................. 2 1.2.1. Xu hướng phát triển của SMRM treo khí ............................................................. 2 1.2.2. Tải trọng tĩnh và quy định về giới hạn tải trọng của SMRM ............................... 3 1.2.3. Ảnh hưởng của tải trọng động đối với đường và an toàn động lực học của xe .......................................................................................................................... 5 1.2.4. Giải pháp giảm tải trọng động .............................................................................. 7 1.3. Hệ thống treo khí nén của SMRM ....................................................................... 9 1.3.1. Đặc điểm............................................................................................................... 9 1.3.2. Đặc tính độ cứng của ballon khí nén .................................................................. 11 1.3.3. Các mô hình hệ thống treo khí nén..................................................................... 12 1.4. Tiêu chí đánh giá tải trọng động ......................................................................... 17 1.5. Các công trình nghiên cứu liên quan đến nội dung luận án ............................... 19 1.5.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 19 1.5.2. Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................ 23 1.6. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và 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 của luận án .......................................................................................... 27 1.7. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 27 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC ĐỂ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG ĐỘNG .......................................................... 28 iii
2.1. Phân tích cấu trúc và các giả thiết xây dựng mô 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 của khối lượng được treo XĐK .............................. 32 2.3.2. Phương trình động lực học của khối lượng không được treo XĐK ................... 35 2.3.3. Phương trình động lực học của khối lượng được treo SMRM........................... 35 2.3.4. Phương trình động lực học của khối lượng không được treo SMRM................ 39 2.4. Các lực và mô men liên kết ................................................................................ 40 2.4.1. Lực liên kết của hệ thống treo ............................................................................ 41 2.4.2. Lực và 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 tại khớp nối..................................................................................... 46 2.5. Lực cản khí động ................................................................................................ 47 2.6. Xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén để xác định lực liên kết của hệ thống treo ............................................................................................................ 47 2.6.1. Các giả thiết xây dựng mô hình hệ thống treo khí nén ...................................... 47 2.6.2. Sử dụng mô hình GENSYS xây dựng mô 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 mô hình động lực học ĐXSMRM ....................................................... 55 2.9. Điều kiện đầu vào ............................................................................................... 57 2.10. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 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 của SMRM treo khí và SMRM treo nhíp với vận tốc và loại đường thay đổi (Phương án 1) ................................................................ 62 3.3. Khảo sát tải trọng động, tải trọng lớn nhất của SMRM treo khí, SMRM treo nhíp với vận tốc, loại đường và mức tải thay đổi (Phương án 2) ....................... 69 3.3.1. Ảnh hưởng của các mức tải đến tải trọng động (DLC) ...................................... 70 3.3.2. Ảnh hưởng của các mức tải đến tải trọng toàn bộ (Fz)....................................... 75 3.4. Ảnh hưởng của mặt đường đến phản lực bánh xe (Phương án 3) ...................... 78 iv
3.5. So sánh thời gian tách bánh của SMRM treo khí và SMRM treo nhíp (Phương án 4) ..................................................................................................... 80 3.6. Xác định vận tốc an toàn giới hạn của SMRM treo khí ..................................... 84 3.7. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 85 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................ 86 4.1. Mục đích, đối tượng và các 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. Mô tả thí nghiệm ................................................................................................ 97 4.4.2. Các phương án thí nghiệm ................................................................................. 97 4.5. Kết quả thí nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng ....................................... 99 4.5.1. Kích động cosin hai bên bánh xe........................................................................ 99 4.5.2. Kích động cosin một bên bánh xe .................................................................... 102 4.6. Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 105 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................ 113 Phụ lục 1. Các thông số cấu trúc của mô hình động lực học ĐXSMRM .......................... 1 Phụ lục 2. Bảng hệ số áp lực đường động DLSF của SMRM treo nhíp và SMRM treo khí ...................................................................................................................................... 6 Phụ lục 3. Bảng giá trị DLC theo các mức tải, vận tốc và loại đường của SMRM treo khí ...................................................................................................................................... 8 Phụ lục 4. Bảng so sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm .............................................. 11 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa G(OXYZ) Hệ tọa độ cố định B(Cxyz) Hệ tọa độ vật, hệ tọa độ con MBS Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System) XĐK Xe đầu kéo SMRM Sơ mi rơ moóc ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc CPTGGT Cho phép tham gia giao thông DLC Hệ số tải trọng động (Dynamic Load Coefficient) DLSF Hệ số áp lực đường động (Dynamic Load Stress Factor) Tương tác động giữa xe hạng nặng với cơ sở hạ tầng DIVINE (Dynamic Interaction between heavy Vehicles and Infrastructure) ij Chỉ số bánh xe thứ i (trục) và trái (j=1)/phải (j=2) i=1:1:6 Chỉ số các trục j=1 Chỉ số bánh xe bên trái j=2 Chỉ số bánh xe bên phải l1 m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục 1 l2 m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục 2 l3 m Khoảng cách từ trọng tâm xe đầu kéo đến tâm trục 3 l4 m Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục 4 l5 m Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục 5 l6 m Khoảng cách từ trọng tâm sơ mi rơ moóc đến trục 6 lk1 m 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 Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được h1 m treo xe đầu kéo m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được h2 treo sơ mi rơ moóc hk1 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm mâm xoay xe đầu kéo m Chiều cao từ mặt đường đến mặt đỡ chốt kéo của sơ mi hk2 rơ moóc m Chiều cao tâm khí động theo phương dọc của xe đầu hw1, hw2 kéo, sơ mi rơ moóc hij m Chiều cao mấp mô mặt đường tại bánh xe ij vi
2bi m Chiều rộng cơ sở của trục thứ i, (i=1:1:6) 2wi m Khoảng cách giữa hai hệ thống treo trục thứ i, (i=1:1:6) a m Khoảng cách giữa trục 2 và trục 3 của xe đầu kéo b m Khoảng cách giữa trục 4, 5, 6 của sơ mi rơ moóc c m Chiều dài thanh cân bằng dọc của hệ thống treo nhíp rij m Bán kính thiết kế của lốp thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) m1 kg Khối lượng được treo xe đầu kéo m2 kg Khối lượng được treo sơ mi rơ moóc mAi kg Khối lượng không được treo trục i, (i= 1:1:6) mti kg Khối lượng tĩnh phân bố lên trục i, (i= 1:1:6) m, m/s, Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của z1, zɺ1, ɺɺz1 m/s2 khối lượng được treo xe đầu kéo m, m/s, Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của z2 , zɺ2 , ɺɺz2 m/s2 khối lượng được treo sơ mi rơ moóc z sij , zɺsij Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng điểm trên hệ m, m/s thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Chuyển vị, vận tốc phương dọc của khối lượng được x1, xɺ1 m, m/s treo xe đầu kéo Chuyển vị, vận tốc phương dọc của khối lượng được x2 , xɺ2 m, m/s treo sơ mi rơ moóc Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng điểm dưới hệ ξuij , ξɺuij m, m/s thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) m, m/s, Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối ξ Ai , ξɺAi , ξɺɺAi m/s2 lượng không được treo trục thứ i, (i = 1:1:6) Chuyển vị, vận tốc phương thẳng đứng trọng tâm khối ξij , ξɺij m, m/s lượng bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc khối lượng ϕ1,ϕɺ1,ϕɺɺ1 rad/s2 được treo của xe đầu kéo rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc khối lượng ϕ2 ,ϕɺ2 ,ϕɺɺ2 rad/s2 được treo của xe sơ mi rơ moóc ϕ Aij , ϕɺAij , ϕɺɺAij rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc quay bánh xe thứ ij, rad/s2 (i=1:1:6, j=1, 2) rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang khối lượng β1 , βɺ1 , βɺɺ1 rad/s2 được treo của xe đầu kéo rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang khối lượng β2 , βɺ2 , βɺɺ2 rad/s2 được treo của xe sơ mi rơ moóc rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang khối lượng β Ai , βɺAi , βɺɺAi rad/s2 không được treo trục thứ i, (i= 1:1:6) vii
rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc hệ thống treo θ1j ,θɺ1j ,θɺɺ1j rad/s2 cân bằng trục 2, 3 của xe đầu kéo, (j=1, 2) rad, rad/s, Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc thanh cân bằng θij ,θɺij ,θɺɺij rad/s2 dọc của xe sơ mi rơ moóc, (i=2, 3, j=1, 2) Độ võng động (hành trình trả) của hệ thống treo thứ ij, fdijt m (i=1:1:6, j=1, 2) Độ võng động (hành trình nén) của hệ thống treo thứ ij, fdijn m (i=1:1:6, j=1, 2) f Hệ số cản lăn Cij N/m Độ cứng hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, Kij Ns/m (i=1:1:6, j=1, 2) CLij N/m Độ cứng hướng kính lốp thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FCLij N Lực đàn hồi của lốp tại bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) FC23j N Lực đàn hồi hệ thống treo cân bằng trục 2, 3 (j=1, 2) Lực cản giảm chấn hệ thống treo cân bằng trục 2, 3 FK23j N (j=1, 2) Tổng lực đàn hồi và lực cản giảm chấn hệ thống treo FCKij N cân bằng trục 2, 3 (i=2, 3; j=1, 2) Lực cản không khí phương dọc tác động lên xe đầu Fwx1, Fwx2 N kéo, sơ mi rơ moóc Cx Hệ số cản khí động Ax1, Ax2 m2 Diện tích cản theo phương dọc của XĐK, SMRM Fxij N Lực dọc bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Phản lực liên kết của bánh xe theo phương dọc tại bánh F’xij N xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Phản lực bánh xe theo phương thẳng đứng tại bánh xe Fzij N thứ ij, (i=1:1:6, j=1, 2) Tải trọng tĩnh phân bố trên bánh xe thứ ij, (i=1:1:6, j=1, Fztij N 2) Fz,dyn N Tải trọng động bánh xe Phản lực của khớp nối (chốt kéo-mâm xoay) theo Fkx1, Fkz1 N phương dọc và phương thẳng đứng lên xe đầu kéo Phản lực của khớp nối (chốt kéo-mâm xoay) theo Fkx2, Fkz2 N phương dọc và phương thẳng đứng lên sơ mi rơ moóc CTi Nm/rad Độ cứng thanh ổn định trục thứ i, (i=1:1:6) viii
MTi Nm Mô men thanh ổn định ngang trục i, (i=1:1:6) Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y, Mij Nm (i=1:1:6, j=1, 2) Mô men quán tính trục x của khối lượng được treo xe Jx1, Jx2 kgm2 đầu kéo, xe sơ mi rơ moóc Mô men quán tính trục x của khối lượng không được JAxi kgm2 treo trục i, (i=1:1:6) Mô men quán tính trục y của khối lượng được treo xe Jy1, Jy2 kgm2 đầu kéo, sơ mi rơ moóc Mô men quán tính trục y của hệ thống treo cân bằng JyCB1j kgm2 trục 2, 3 xe đầu kéo (j=1, 2) Mô men quán tính trục y của thanh cân bằng dọc sơ mi JyCBij kgm2 rơ moóc (i=2, 3, j=1, 2) kdi Hệ số tải trọng tại trục thứ i, (i=4, 5, 6) Lực tác dụng của ballon khí nén theo phương thẳng Fsij N đứng, tại các bánh xe ij Cez N/m Độ cứng đàn hồi của hệ thống treo khí nén Cvz N/m Độ cứng nhớt của hệ thống treo khí nén Khối lượng dòng khí quy đổi trong hệ thống treo khí M kg nén zsij m Chuyển vị mặt trên của ballon khí nén, (i=4,5,6; j=1,2) ξuij m Chuyển vị mặt dưới của ballon khí nén, (i=4,5,6; j=1,2) Chuyển vị của dòng khí trong đường ống, (i=4,5,6; wij m j=1,2) p0 N/m2 Áp suất tuyệt đối ban đầu của ballon khí nén pa N/m2 Áp suất khí quyển T0 K Nhiệt độ ban đầu trong ballon khí nén R J/kgK Hằng số khí lý tưởng Ae m2 Diện tích hiệu dụng của ballon khí nén Ap m2 Tiết diện trong của đường ống dẫn khí lp m Chiều dài đường ống nối ballon khí nén và bình khí phụ Vb0 m3 Thể tích ban đầu của ballon khí nén Vr0 m3 Thể tích ban đầu của bình khí phụ n Hệ số đoạn nhiệt, lấy n = 1,4 ρ kg/m3 Khối lượng riêng của không khí Kzβ Ns/m Hệ số cản quy đổi của không khí trong đường ống Ks Ns/m Hệ số cản của không khí trong đường ống ix
β Hệ số phi tuyến của ballon khí nén Hệ số kể đến tổn thất năng lượng của dòng khí trong kt đường ống kft Hệ số tổn thất do ma sát ken Hệ số tổn thất do mở rộng đường ống đột ngột kc Hệ số tổn thất do thu hẹp đường ống đột ngột kb Hệ số tổn thất do uốn đường ống Hệ số tải trọng, hệ số tải trọng lớn nhất, hệ số tải trọng kd, kdmax, kdmin nhỏ nhất x
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ mô tả ảnh hưởng của tải trọng động.................................................. 5 Hình 1.2 Sơ đồ tương tác lốp-đường (nguồn: [11]) ................................................... 6 Hình 1.3 Các giải pháp giảm áp lực đường ................................................................ 8 Hình 1.4 Các yếu tố liên quan đến tải trọng động ...................................................... 9 Hình 1.5 Các loại ballon khí nén (nguồn: [17]) ....................................................... 10 Hình 1.6 Ballon khí nén lắp đặt trên SMRM ........................................................... 10 Hình 1.7 Độ cứng động lực học của ballon khí nén ................................................. 11 Hình 1.8 Các mô hình cổ điển .................................................................................. 12 Hình 1.9 Mô hình Quaglia ........................................................................................ 13 Hình 1.10 Mô hình Cebon ........................................................................................ 13 Hình 1.11 Mô hình sử dụng công thức Van der Waal.............................................. 14 Hình 1.12 Mô hình GENSYS ................................................................................... 15 Hình 1.13 Xác định thời gian tách bánh ................................................................... 19 Hình 1.14 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 26 Hình 2.1 Cấu trúc và hệ tọa độ ĐXSMRM .............................................................. 31 Hình 2.2 Sơ đồ các lực tác dụng lên XĐK trong mặt phẳng dọc ............................. 32 Hình 2.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên XĐK trong mặt phẳng ngang ......................... 34 Hình 2.4 Sơ đồ các lực tác dụng lên SMRM trong mặt phẳng dọc .......................... 36 Hình 2.5 Sơ đồ các lực tác dụng lên SMRM trong mặt phẳng ngang ...................... 38 Hình 2.6 Sơ đồ vị trí các điểm liên kết của hệ thống treo của XĐK ........................ 41 Hình 2.7 Sơ đồ vị trí các điểm liên kết của hệ thống treo nhíp của SMRM ............ 43 Hình 2.8 Sơ đồ vị trí các điểm liên kết của hệ thống treo khí nén của SMRM........ 45 Hình 2.9 Mô hình hệ thống treo khí nén sử dụng mô hình GENSYS ...................... 48 Hình 2.10 Cấu trúc mô hình hệ thống treo khí nén .................................................. 51 Hình 2.11 Sơ đồ mô hình hóa hai loại thống treo .................................................... 51 Hình 2.12 Phân loại cấp đường theo ISO 8608:2016 ............................................... 54 Hình 2.13 Mấp mô cosin .......................................................................................... 55 Hình 2.14 Cấu trúc mô hình động lực học ĐXSMRM............................................. 56 Hình 2.15 Biên dạng đường ngẫu nhiên loại A đến F .............................................. 57 Hình 3.1 Tải trọng động trong miền thời gian.......................................................... 63 Hình 3.2 DLC theo vận tốc với hai loại hệ thống treo ............................................. 63 xi
Hình 3.3 DLC theo loại đường với hai loại hệ thống treo........................................ 64 Hình 3.4 Mức độ giảm DLC trục 4, 5, 6 của SMRM treo khí theo vận tốc và loại đường ........................................................................................................................ 66 Hình 3.5 Phương pháp xác định mức vận tốc tăng lên của SMRM treo khí............ 67 Hình 3.6 DLC trục 4 của SMRM treo khí theo các mức tải..................................... 70 Hình 3.7 DLC trục 5 của SMRM treo khí theo các mức tải..................................... 71 Hình 3.8 DLC trục 6 của SMRM treo khí theo các mức tải..................................... 71 Hình 3.9 DLC trục 4 của SMRM treo khí theo vận tốc và mức tải ......................... 72 Hình 3.10 DLC trục 5 của SMRM treo khí theo vận tốc và mức tải ....................... 73 Hình 3.11 DLC trục 6 của SMRM treo khí theo vận tốc và mức tải ....................... 73 Hình 3.12 So sánh DLC với hai loại hệ thống treo theo các mức tải ....................... 74 Hình 3.13 Fz,max trục 4 của SMRM treo khí theo mức tải ........................................ 75 Hình 3.14 Fz,max trục 5 của SMRM treo khí theo mức tải ........................................ 76 Hình 3.15 Fz,max trục 6 của SMRM treo khí theo mức tải ........................................ 76 Hình 3.16 So sánh Fz,max với hai loại hệ thống treo theo các mức tải ...................... 77 Hình 3.17 kdmax, kdmin của SMRM treo khí nén theo loại đường .............................. 78 Hình 3.18 kdmax, kdmin của SMRM treo khí nén theo loại đường và vận tốc ............ 79 Hình 3.19 Hệ số tải trọng với hai loại hệ thống treo trong miền thời gian .............. 81 Hình 3.20 So sánh thời gian tách bánh của SMRM sử dụng hai loại hệ thống treo 81 Hình 3.21 Thời gian tách bánh theo chiều cao mấp mô và vận tốc với hai hệ thống treo ............................................................................................................................ 82 Hình 4.1 Xe SMRM thí nghiệm ............................................................................... 86 Hình 4.2 Phương pháp thí nghiệm............................................................................ 87 Hình 4.3 Vị trí đặt cảm biến ..................................................................................... 88 Hình 4.4 Cảm biến đo chuyển vị HF-750C .............................................................. 89 Hình 4.5 Cảm biến đo gia tốc DYTRAN-3263A2 ................................................... 91 Hình 4.6 Cảm biến đo vận tốc dài S-motion ............................................................ 91 Hình 4.7 Bộ xử lý tín hiệu DEWEsoft ..................................................................... 93 Hình 4.8 Sơ đồ kết nối .............................................................................................. 94 Hình 4.9 Đồ gá lắp đặt cảm biến trên xe thí nghiệm ................................................ 95 Hình 4.10 Vị trí lắp đồ gá trên khung xe và trục xe ................................................. 96 Hình 4.11 Vị trí lắp đồ gá phía sau xe ...................................................................... 96 Hình 4.12 Vị trí đoạn đường thí nghiệm .................................................................. 97 xii
Hình 4.13 Mấp mô cosin sử dụng để thí nghiệm ..................................................... 97 Hình 4.14 Sơ đồ thí nghiệm 1: kích động cosin 2 bên bánh xe ................................ 98 Hình 4.15 Sơ đồ thí nghiệm 2: kích động cosin bánh xe bên trái ............................ 98 Hình 4.16 Chuyển vị tương đối trục 4 (ξ4-z4) của thí nghiệm 1 ............................. 100 Hình 4.17 Chuyển vị trục xe trục 4 (ξ4) của thí nghiệm 1 ...................................... 100 Hình 4.18 Gia tốc thân xe tại trục 4 ( ɺzɺ4 ) ................................................................ 100 Hình 4.19 Vận tốc xe của thí nghiệm 1 .................................................................. 100 Hình 4.20 Chuyển vị tương đối trục 4 (ξ4 - z4) của thí nghiệm 2 ........................... 103 Hình 4.21 Chuyển vị tương đối bánh xe 41 (ξ41 - z41) của thí nghiệm 2 ................ 103 Hình 4.22 Chuyển vị trục xe trục 4 (ξ4).................................................................. 103 Hình 4.23 Vận tốc xe của thí nghiệm 2 .................................................................. 103 xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giới hạn khối lượng trên trục, cụm trục (nguồn: [6]) ................................. 4 Bảng 1.2 Giới hạn khối lượng ĐXSMRM (nguồn: [6]) ............................................. 4 Bảng 1.3 Giới hạn khối lượng của SMRM của các nước (nguồn: [7]) ...................... 5 Bảng 1.4 So sánh các mô hình hệ thống treo khí nén .............................................. 16 Bảng 2.1 Thông số của các cấp đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:2016 .................. 53 Bảng 3.1 Các phương án khảo sát ............................................................................ 60 Bảng 3.2 Các thông số đầu vào với mức tải thay đổi ............................................... 61 Bảng 3.3 Các thông số hệ thống treo ........................................................................ 62 Bảng 3.4 Mức độ giảm ∆DLC (%) trục 4 ................................................................ 64 Bảng 3.5 Mức độ giảm ∆DLC (%) trục 5 ................................................................ 65 Bảng 3.6 Mức độ giảm ∆DLC (%) trục 6 ................................................................ 65 Bảng 3.7 Mức tăng vận tốc của SMRM treo khí so với SMRM treo nhíp .............. 67 Bảng 3.8 Mức độ giảm ∆DLSF (%) trục 4............................................................... 68 Bảng 3.9 Mức độ giảm ∆DLSF (%) trục 5............................................................... 68 Bảng 3.10 Mức độ giảm ∆DLSF (%) trục 6............................................................. 69 Bảng 3.11 Mức độ giảm DLC theo mức tải khi so sánh hai loại hệ thống treo ....... 74 Bảng 3.12 Mức độ giảm Fz,max theo mức tải khi so sánh hai loại hệ thống treo ...... 77 Bảng 3.13 Mức độ giảm thời gian tách bánh trục 4 ................................................. 83 Bảng 3.14 Mức độ giảm thời gian tách bánh trục 5 ................................................. 83 Bảng 3.15 Mức độ giảm thời gian tách bánh trục 6 ................................................. 83 Bảng 3.16 Vận tốc an toàn giới hạn ......................................................................... 84 Bảng 4.1 Các thông số cần đo của thí nghiệm 1: kích động cosin 2 bên bánh xe ... 88 Bảng 4.2 Các thông số cần đo của thí nghiệm 2: kích động cosin bánh xe bên trái 89 Bảng 4.3 Thông số cảm biến HF-750C (nguồn: [60]) ............................................. 90 Bảng 4.4 Thông số cảm biến DYTRAN-3263A2 (nguồn: [61]).............................. 91 Bảng 4.5 Thông số cảm biến Correvit S-Motion DTI (nguồn: [62]) ....................... 92 Bảng 4.6 Thông số bộ xử lý tín hiệu DEWEsoft (nguồn: [63]) ............................... 93 Bảng 4.7 Các phương án thí nghiệm với kích động xung cosin .............................. 99 Bảng 4.8 Sai số của giá trị lớn nhất giữa kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm 1 ................................................................................................................................ 102 Bảng 4.9 Hệ số Pearson giữa kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm 1 ............. 102 xiv
Bảng 4.10 Sai số của giá trị lớn nhất giữa kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm 2 ................................................................................................................................ 104 Bảng 4.11 Hệ số Pearson giữa kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm 2 ........... 104 xv
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Vận tải hàng hóa bằng đường bộ tại Việt Nam hiện nay chiếm tỷ trọng cao so với các phương thức vận tải khác, trong đó ĐXSMRM đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới vận tải này. ĐXSMRM được biết đến là phương tiện vận tải có năng suất vận chuyển cao và mang lại hiệu quả kinh tế ở nhiều nước trên thế giới và tại Việt Nam. Trong quá trình chuyển động, tải trọng động sinh ra từ các phương tiện vận tải ảnh hưởng không nhỏ đến cầu/đường và an toàn động lực học của xe. Vì vậy, thực tiễn đặt ra cần phải nghiên cứu các giải pháp để giảm tải trọng động của phương tiện, trong đó có ĐXSMRM. Trong khi hệ thống treo tích cực, bán tích cực cho SMRM chưa mang lại hiệu quả so với giá thành thì giải pháp ưu việt nhằm giảm tải trọng động hiện nay là thay thế hệ thống treo truyền thống sử dụng nhíp bằng 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 trọng động và nâng cao an toàn động lực học của xe. Tải trọng động là yếu tố tác động hai chiều, một mặt tác động đến xe ảnh hưởng đến độ bền chi tiết, an toàn động lực học; mặt khác tác động đến đường gây ra các hư hỏng. Do đó, khi nghiên cứu về tải trọng động cần đặt trong mối liên hệ đường-xe. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của hệ thống treo khí nén trên SMRM so với hệ thống treo sử dụng nhíp. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén sản xuất lắp ráp tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM theo phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) và phương trình Newton-Euler, trong đó lực liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo được mô tả bởi hai mô hình con là “nhíp” và “ballon khí”. Sử dụng mô hình này để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng gồm vận tốc xe, loại đường và mức tải; đánh giá theo 5 tiêu chí gồm hệ số tải trọng động (DLC), hệ số áp lực đường động (DLSF), hệ số tải trọng (kdmax, kdmin), phản lực bánh xe lớn nhất (Fz,max) và thời gian tách bánh (ttachbanh). Kết quả khảo sát của mô hình với hai loại hệ thống treo được so sánh với nhau để thấy tính ưu việt của hệ thống treo khí nén trong việc giảm tải trọng động và tăng tính an toàn động lực học. - Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã xây dựng thông qua việc đo các thông số chuyển vị, gia tốc theo phương thẳng đứng và vận tốc dài của xe. xvi
Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung vào vấn đề giảm tải trọng động cho SMRM thông qua việc sử dụng hệ thống treo khí nén. Vấn đề độ êm dịu chỉ dừng ở mức không làm hư hỏng hàng hóa, có thể được thực hiện với các giải pháp khác như sử dụng hệ thống treo phụ trợ, nên không được đề cập trong luận án này. Nội dung của luận án Nội dung của luận án gồm 4 phần chính sau: - Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM để nghiên cứu tải trọng động. - Chương 3: Khảo sát tải trọng động và thời gian tách bánh của xe SMRM. - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Những kết quả mới của luận án 1. Luận án đã xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM với hai mô hình con của nhíp và hệ thống treo khí nén để liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo. Mô hình hệ thống treo khí nén sử dụng mô hình GENSYS, là mô hình thích nghi, có thể thay đổi tham số để thực hiện các phương án khảo sát. Mô hình động lực học ĐXSMRM có thể khảo sát với nhiều kích động mặt đường, vận tốc và mức tải khác nhau, được sử dụng để đánh giá khả năng giảm tải trọng động và thời gian tách bánh của SMRM. Mô hình này cũng có thể ứng dụng làm mô hình con để nghiên cứu động lực học cầu/đường. 2. Luận án đã thiết lập hệ thống thí nghiệm động lực học ĐXSMRM phương thẳng đứng theo trạng thái chuyển động của xe trên đường với thiết bị hiện đại của Kistler, Dytran, Dewesoft có độ chính xác cao. Thiết bị thí nghiệm đồng bộ, cho phép theo dõi trực quan đồng thời 5 thông số đo theo thời gian thực, để có thể điều chỉnh chính xác thông số đầu vào. 3. Luận án đã đánh giá khả năng giảm tải trọng động của SMRM sử dụng hệ thống treo khí nén theo các tham số vận tốc xe, loại đường và mức tải; đánh giá về an toàn động lực học thông qua tiêu chí thời gian tách bánh - một vấn đề chưa được nghiên cứu nhiều tại Việt Nam. Sự so sánh về tải trọng động, tải trọng cực đại, mức độ tách bánh của SMRM sử dụng hai loại hệ thống treo cho thấy tính ưu việt của hệ treo khí nén so với hệ thống treo kim loại (nhíp). Kết quả thu được rất có ý nghĩa, với tải trọng động có thể giảm đến 29,3%, góp phần giảm áp lực đường; thời gian tách bánh có thể giảm đến 49,7%, góp phần nâng cao an toàn động lực học của xe; vận tốc xe có thể tăng đến 20 km/h cho thấy khả năng tăng năng suất vận chuyển của SMRM treo khí. 4. Luận án đã xác định các vận tốc an toàn giới hạn của xe ứng với mỗi loại đường, mỗi mức tải, để khuyến cáo cho người sử dụng các điều kiện vận hành xe phù hợp, vừa đảm bảo về tải trọng động, vừa đảm bảo an toàn động lực học của xe. xvii
Ý nghĩa khoa học của luận án Mô hình động lực học ĐXSMRM được thiết lập bằng phương pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật (MBS) với các liên kết có thể đưa vào, cho phép thay đổi tham số mô hình; có thể khảo sát hầu hết các trạng thái chuyển động trong thực tế, cho kết quả tường minh, tổng thể và khái quát với các liên hệ bản chất. Luận án góp phần hoàn thiện đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động, làm cơ sở xây dựng các giải pháp giảm tải trọng động; đưa ra phương pháp xác định thời gian tách bánh nhằm nâng cao an toàn động lực học của ĐXSMRM. Hệ thống thí nghiệm đồng bộ, tin cậy cho phép thực hiện các phép đo chính xác, có thể nghiên cứu phát triển, kiểm chứng tiêu chuẩn và thí nghiệm so sánh, xác định thông số cho mô hình. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Đối với các nhà sản xuất, chế tạo SMRM, kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm cơ sở trong việc lựa chọn loại hệ thống treo phù hợp để tăng tính an toàn động lực học, giảm tải trọng động cho đường mà vẫn đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải của hệ thống treo. Với các ưu điểm của hệ thống treo khí nén là cơ sở để các nhà sản xuất nghiên cứu chuyển đổi sang sử dụng loại hệ thống treo này cho SMRM. Với người sử dụng, kết quả nghiên cứu nhằm khuyến cáo vùng điều khiển (vận tốc tương ứng với chất lượng các loại đường, mức tải) để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành đoàn xe. Giảm tải trọng động của ĐXSMRM nhằm giảm áp lực đường bằng cách sử dụng ballon khí nén thay cho nhíp trong hệ thống treo là giải pháp phù hợp, khả thi và có ý nghĩa thực tiễn trong điều kiện Việt Nam. Sử dụng hệ thống treo khí nén ngoài việc có thể giảm tải trọng động, còn nâng cao độ bền chi tiết xe, tăng tuổi thọ cầu/đường và nâng cao an toàn chuyển động xe. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để tham khảo xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn cho Việt Nam về hệ thống treo thân thiện với đường tương tự tiêu chuẩn VSB 11 của Australia hay Directive 96/53/EC của Châu Âu. xviii