Thiết kế công cụ thí nghiệm môn học lý thuyết ô tô

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 255

SỬ DỤNG CÔNG CỤ THÍ NGHIỆM TRONG MÔN HỌC LÝ THUYẾT Ô TÔ

USING EXPERIMENTAL TOOLS IN AUTOMOTIVE THEORY COURSE Nguyễn Lộc Đức1,*, Nguyễn Trung Học1, Bùi Như Hùng1, Khuất Trung Đức1, Nguyễn Hữu Mạnh2 , Phạm Việt Thành3 TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả thí nghiệm về động học quay vòng hệ thố

ng lái

ô tô. Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái dùng trên xe ô tô con, cụ thể

là dòng xe

Ford Fiesta Hatchback 2015. Trên cơ sở những dụng cụ thí nghiệm có được, để

có

thể đánh giá được chất lượng động học của hệ thống lái một cách toàn diện,

phải tiến hành đo thông số của hệ thống lái khi đặt hai bánh dẫn hướ

ng trên mâm

xoay và khi xe vận hành trên đường. Việc đánh giá động học khi xe chạy trên đườ

là một vấn đề khó, bởi vậy trong nội dung nghiên cứu đã sử dụng điện áp làm cầ

nối trung gian để đánh giá được vấn đề này. Từ khóa: Hệ thống lái, ô tô, chất lượng động học. ABSTRACT T

his article presents experimental results on the rotational dynamics of the

car steering system. The object of research is the steering system used on

passenger cars, specifically the 2015 Ford Fiesta Hatchback. Based on the available

experimental tools, i

t is possible to evaluate the dynamic quality of the steering

system. Comprehensively, we must measure the parameters of the steering

system when placing the two guide wheels on the turntable and when the vehicle

is operating on the road. Evaluating the d

ynamics of a vehicle running on the road

is a difficult problem, so in the content of the experiment, voltage was used as an

intermediate bridge to evaluate this problem. This is also a new point of this

scientific research topic. Keywords: Car steering system, car, dynamic quality. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 03- K 15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

2Lớp Kỹ thuật Ô tô 07- K15, Trường Cơ khí - Ô tô , Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

3Khoa Công nghệ ô tô, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenlocduc166@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Trong ngành công nghệ ô tô, thí nghiệm ô tô là một yếu tố rất quan trọng quyết định thực tế đến sự ổn định của những chiếc xe chạy trên đường. Thí nghiệm ô tô là những công việc thực hiện trên đối tượng ô tô, bằng những phương pháp công nghệ với sự trợ giúp của những công cụ, thiết bị chuyên môn nhằm xác định những thông số kỹ thuật của ô tô, để so sánh với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn nhằm đánh giá khả năng phục vụ của toàn bộ ô tô hoặc các tổng thành, chi tiết trong hoạt động của ô tô. Môn học chuyên ngành lý thuyết ô tô đã cung cấp những kiến thức cơ bản của ô tô. Tuy nhiên ô tô ngày nay ngày càng hiện đại và được trang bị những công nghệ mới. Bên cạnh đó, ô tô ngày nay cũng đòi hỏi những yêu cầu cao hơn về vận tốc xe do sự phát triển mạnh của các tuyến đường cao tốc, số người sử dụng xe ngày càng nhiều và đa dang hơn, công nghệ lắp ráp sản xuất cũng thay đổi phù hợp hơn. Vì vậy để hiểu sâu hơn và nhanh chóng tiếp cận với yêu cầu thực tiễn, việc ứng dụng công cụ thí nghiệm vào các môn học kỹ thuật chuyên ngành nói chung và môn học lý thuyết ô tô là vấn đề cấp thiết. 2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU Về phương diện lý thuyết để đảm bảo cho các bánh xe lăn tĩnh (không bị trượt) khi xe vào đường vòng thì xe phải đảm bảo tuân theo công thức “động học quay vòng đúng”. Trong thực tế, để duy trì được mối quan hệ động học quay vòng giữa các bánh xe dẫn hướng trên ô tô người ta phải sử dụng một hệ thống các khâu khớp tạo nên hình thang lái. [1] 2.1. Động học quay vòng đúng của xe Trạng thái quay vòng xe sẽ được quyết định bới hệ số quay vòng K [2]. Khi K = 0, xe có trạng thái quay vòng đủ. Khi K > 0, xe có trạng thái quay vòng thiếu. Khi K < 0, xe có trạng thái quay vòng thừa. Hình 1. Quỹ đạo quay vòng và chuyển động của xe Khi xe có trạng thái quay vòng thừa hoặc thiếu, sự lệch hướng của các bánh xe sẽ tạo ra một “vòng quay phụ” theo một bán kính nào đó và sẽ tạo ra một lực ly tâm. Chính lực li tâm này sẽ làm gia tăng hoặc làm giảm đi sự lệch hướng của xe tùy theo trạng thái quay vòng xe.

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

256

KHOA H

ỌC

Theo lý thuyết, công thức “động học quay vòng đúng của xe” là: cot  - cot  = 

 = 

 (1) Trong đó: L là chiều dài cơ sở của xe. m (B) là chiều rộng cơ sở của xe. ,  là góc quay bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài so với tâm quay. Hình 2. Động học quay vòng lí tưởng của ô tô Biểu thức trên là điều kiện quay vòng lí tưởng, tức là khi quay vòng các bánh xe dẫn hướng quay các góc

 và

 thỏa mãn biểu thức trên thì các bánh xe sẽ không bị trượt hoặc cưỡng bức lẫn nhau. 2.2. Sơ đồ hệ thống lái, hình thang lái Hệ thống lái là một hệ thống dẫn động (hiện nay phần lớn đang là cơ khí) gồm 3 bộ phận chủ yếu: vô lăng, cơ cấu lái, dẫn động lái. Dẫn động lái bao gồm các chi tiết 5, 6, 7, 9, 10, 12 trong đó 9, 10, 12 còn gọi là hình thang lái. Các chi tiết 9, 10, 12 cùng với dầm cầu 11 tạo thành một cơ cấu 4 khâu hình thang, có thể vì thế mà cụm chi tiết này được gọi là hình thang lái. Ngoài ra, còn có trục lái 2 là chi tiết truyền động từ vô lăng đến cơ cấu lái. Hình 3. Sơ đồ hệ thống lái 1. Vô lăng; 2. Trục lái; 3, 4. Cơ cấu lái; 5. Đòn quay đứng; 6. Đòn kéo dọc; 7. Đòn quay ngang; 8. Trụ đứng; 9, 10, 12. Hình thang lái; 11. Dầm cầu trước; 12. Cam quay bánh xe (lắp bánh xe dẫn hướng)[3] Vô lăng là nơi người lái tác động vào khi điều khiển xe. Dẫn động lái nối cơ cấu lái với bánh xe dẫn hướng trong đó các chi tiết 5, 6, 7 nối cơ cấu lái với bánh xe dẫn hướng phía người lái; các chi tiết của hình thang lái nối bánh xe dẫn hướng phía người lái và bánh xe dẫn hướng còn lại. Hình thang lái còn làm nhiệm vụ đảm bảo điều kiện quay vòng lý tưởng (sẽ khảo sát ở phần sau). Cơ cấu lái thực chất là một hộp giảm tốc có tác dụng khuếch đại lực của người lái truyền đến bánh xe. Khi lái xe, người lái điều khiển các bánh xe dẫn hướng bằng cách tác động vào vô lăng. Mômen từ vô lăng qua trục lái đến cơ cấu lái và được tăng lên khi qua cơ cấu lái. Sau đó thông qua các chi tiết 5, 6, 7 sẽ truyền đến bánh xe phía vô lăng và qua hình thang lái đến bánh xe còn lại 2.3. Thí nghiệm trên ô tô Thí nghiệm ô tô là những công việc thực hiện trên đối tượng ô tô, bằng những phương pháp công nghệ với sự trợ giúp của những công cụ, thiết bị chuyên môn nhằm xác định những thông số kỹ thuật của ô tô, để so sánh với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn nhằm đánh giá khả năng phục vụ của toàn bộ ô tô hoặc các tổng thành, chi tiết trong hoạt động của ô tô. Những nội dung mà thí nghiệm ô tô cần quan tâm đến là: - Các thông số kỹ thuật cần thí nghiệm xác định; - Lý thuyết về thông số kỹ thuật và phương pháp đo lường thông số đó; - Dụng cụ thiết bị thí nghiệm; - Quy trình thí nghiệm và xử lý kết quả. Các thông số thí nghiệm ô tô được so sánh với các thông số tiêu chuẩn để đánh giá các tính năng kỹ thuật đó của ô tô. 3. KẾT QUẢ NỘI DUNG THÍ NGHIỆM VỀ HỆ THỐNG LÁI 3.1. Phương tiện thí nghiệm Hình 4. Hình dáng tổng thể xe Ford Fiesta Hatchback 2015 Thông số tiêu biểu: - Chiều dài cơ sở L: 2489mm - Chiều rộng cơ sở B: 1477mm - Trợ lực lái: Trợ lực điện

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 257

3.2. Thiết bị thí nghiệm Gồm có: Mâm xoay, Vô lăng đo vành tay lái, Màn hinhg hiển thị TA-382AS, Đồng hồ đo điện, Bộ cảm biến TR6020DEC-P, Bộ chuyển đổi tín hiệu DAQ, Dây cáp 12V, Cáp tín hiệu, Laptop. Hình 5. Ảnh thiết bị thí nghiệm 3.3. Tính toán xác định đồ thị lý thuyết Từ công thức (1), với thông số xe thí nghiệm: B = 1477mm, L = 2489mm, ta lập được bảng tính toán theo lý thuyết như bảng 1. Bảng 1. Bảng tính toán động học quay vòng theo lý thuyết α1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 α2 0 5,3 11,1 17,7 24,9 32,8 41,3 46,9 59,1 67,9 cotα1 11,4 5,7 3,7 2,7 2,1 1,7 1,4 1,2 1,0 cotα2 10,8 5,1 3,1 2,2 1,6 1,1 0,8 0,6 0,4 Hình 6. Đồ thị động học quay vòng theo lý thuyết Từ công thức (1) và số liệu đồ thị lý thuyết cho thấy, đây là điều kiện lý tưởng thiết lập trên cơ sở giả thiết bánh xe không biến dạng, nhưng vẫn được sử dụng trong thiết kế dẫn động lái, Trên thực tế khó có cơ cấu cơ khí nào nối hai bánh dẫn hướng thỏa mãn điều kiện lý tưởng trên, Cơ cấu hình thang lái trên thực tế là cơ cấu bốn khâu có thể đáp ứng được gần đúng biểu thức (1), Vì vậy, chúng ta sẽ đi đến thí nghiệm đo khi đặt hai bánh xe dẫn hướng trên mâm xoay để kiểm tra khả năng dẫn hướng trên thực tế. 3.4. Thí nghiệm đo góc quay vô lăng lái và hai bánh xe dẫn hướng (khi xe đứng yên tại chỗ) Hình 7. Thí nghiệm đo góc quay vô lăng lái và hai bánh xe dẫn hướng Số liệu kết quả thu được như bảng 2. Bảng 2. Bảng số liệu góc quay hai bánh xe khi đánh lái sang trái Góc quay vô lăng (độ) 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45



(độ) 0

0 1 1,5 2 2 2 2,5 3 3



(độ) 0

0 1 1 1,5 2 2 2,5 3 3 Giá trị điện áp (V) 0

0,048

0,097

0,145

0,194

0,242

0,291

0,339

0,388

0,436

Hình 8. Đồ thị góc quay hai bánh xe khi đánh lái sang trái

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

258

KHOA H

ỌC

Bảng 3. Bảng số liệu góc quay hai bánh xe khi đánh lái sang phải Góc quay vô lăng (độ) 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45



(độ) 0

0 0 1 1 1,5 1,5 2 2 2,5



(độ) 0

0 0 0,5 1 1,5 1,5 2 2 2,5 Giá trị điện áp (V) 0

0,048

0,097

0,145

0,194

0,242

0,291

0,339

0,388

0,436

Hình 9. Đồ thị góc quay hai bánh xe khi đánh lái sang phải 3.5. Đo góc quay vô lăng lái trên đường (hướng chuyển động ngẫu nhiên theo thực tế) - Phần mềm đo ghi dữ liệu DAQ Hình 10. Giao diện phần mềm CarLab TestDAQ 1,1 - Bảng calip số liệu đo: Bảng 4. Kết quả số liệu ghi calip số liệu đo TT Mô men Góc quay Tốc độ quay Giá trị trên TA 382A5 (kgf,m) Giá trị trên đồng hồ đo (V) Giá trị trên TA 382A5 (độ) Giá trị trên đồng hồ đo (V) Giá trị trên TA 382A5 (độ/sec) Giá trị trên đồng hồ đo (V) 1.

0,23 0,39 35,8 0,26 0,22 0,39 2.

0,32 0,54 42,8 0,26 0,16 0,38 3.

0,40 0,70 79,8 0,71 0,14 0,17 4.

0,41 0,71 48,8 0,58 0,48 0,67 5.

0,40 0,72 29,8 0,31 0,08 0,21 6.

0,40 0,72 9,8 0,08 0,36 0,52 7.

0,16 0,30 28,8 0,21 0,19 0,28 8.

0,21 0,36 59,8 0,55 0,18 0,29 9.

0,30 0,53 83,7 0,80 0,41 0,69 10.

0,35 0,63 28,8 0,42 0,36 0,54 11.

0,36 0,63 10,8 0,00 0,38 0,85 12.

0,20 0,33 68,8 0,56 0,44 0,68 13.

0,36 0,65 70,8 0,90 0,39 0,64 14.

0,41 0,73 29,8 0,30 0,08 0,30 15.

0,26 0,50 48,8 0,10 1,07 0,89 16.

0,18 0,30 90,8 0,82 0,51 0,92 17.

0,35 0,60 36,8 0,48 0,32 0,36 18.

0,34 0,61 22,8 0,12 0,87 1,73 19.

0,35 0,61 29,1 0,28 0,73 0,79 20.

0,25 0,44 29,9 0,29 0,98 1,49 21.

0,29 0,45 12,8 0,00 0,58 1,00 22.

0,45 0,77 80,8 0,68 0,43 1,36 23.

0,41 0,72 30,8 0,47 0,24 0,44 24.

0,42 0,75 46,8 0,85 0,00 0,00 25.

0,43 0,77 4,0 0,06 0,67 0,78 26.

0,32 0,57 48,8 0,59 0,41 0,63 27.

0,36 0,63 18,8 0,21 0,51 0,00 28.

0,38 0,67 35,8 0,54 0,62 1,23 Giá trị trung bình cộng 16,23/9,3 11,43/1164,9 18,23/11,81 Giá trị chuẩn đo 1,745 (V/kgf,m) 0,0098 (V/độ) 1,544 (V/độ/sec) 4. KẾT LUẬN Thí nghiệm được tiến hành trên xe Ford Fiesta 1.0 hiện đang được lưu hành hiện nay trên thị trường, được lắp ráp tại nhà máy ô tô Ford Việt Nam:

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 259

- Kết quả đo các thông số mô men, góc quay, tốc độc quay trên vành tay lái. - Tín hiệu đo được dạng Vôn một chiều và được xử lý calip đo bằng đồng hồ đo điện chỉ thị số và camera để chuẩn tín hiệu điện áp và các thông số cần đo trong thí nghiệm. - Giá trị điện áp 0,0098V tương ứng với góc quay 1 độ trên vô lăng ở cả hai thí nghiệm 3,4, 3,5 phản ánh tương đối động học quay vòng đúng của xe thí nghiệm. - Các giá trị mô men, tốc độ góc quay vành tay lái sẽ tạo ra hướng phát triển đề tài tiếp theo cho phần động lực học dẫn hướng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lưu Văn Tuấn, 2019. Lý thuyết ô tô. NXB Giáo dục Việt Nam [2]. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, 2005. Lý thuyết ô tô máy kéo. NXB Khoa học và Kĩ thuật. [3]. Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hường, Nguyễn Văn Chưởng, Trịnh Minh Hoàng, 2010. Kết cấu ô tô. NXB Bách khoa Hà Nội. [4], Lê Hồng Quân, 2015. Thí nghiệm ô tô. NXB Giáo dục Việt Nam. [5], Akhtaruzzaman, 2012. An Experiment on Electric Power Steering (EPS) System of a Car. Trans Tech Publ. [6], Data, Pesce, Reccia, 2004. Identification of steering system parameters by experimental measurements processing. The Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering.