Xây dựng phương pháp xác định các chế độ tải trọng phục vụ cho việc đánh giá độ bền hệ thống truyền lực của ô tô tải sản xuất tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ VĂN THUYẾT

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHẾ ĐỘ TẢI
TRỌNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC CỦA ÔTÔ TẢI SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ ÔTÔ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGUYỄN TRỌNG HOAN

Hà Nội - 2009


MỤC LỤC

Lời nói đầu
Chương I –Tổng quan về vấn đề nghiên cứu đề tài.......................................................1
1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng ôtô ở Việt Nam .................................... 1
1.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài.......................................................2
1.3 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực bằng mô hình dao động
xoắn ở trong nước và nước ngoài......................................................................4
1.3.1 Các nghiên cứu ở trong nước...............................................4
1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước................................................5
1.4 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của đề tài.............................6
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài............................................................ 6
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu.....................................................7

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..........................................7
Chương II – Phương pháp mô phỏng hệ thống truyền lực bằng mô hình dao
động xoắn...................................................................................................................8

2.1 Đặt vấn đề............................................................................................8
2.2 Xây dựng mô hình cơ học...................................................................9
2.2.1 Mô hình tập trung đầy đủ.....................................................9
2.2.2 Mô hình tập trung đơn giản hoá.........................................11
2.3 Cách tính các thông số của mô hình..................................................12
2.4 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực trong luận văn.....................15
2.4.1 Cụm ly hợp........................................................................................16
2.4.2 Cụm hộp số........................................................................17
2.4.3 Cụm cầu xe........................................................................18
Chương III – Mô phỏng hoạt động của các cụm chính trong hệ thống tryền
lực........................................................................................................................................22


I. Mô phỏng cụm ly hợp......................................................................22
1.1 Đặc điểm của ly hợp........................................................................22
1.2 Sơ đồ cấu tạo của ly hợp loại đĩa ma sát khô..................................22
1.3 Xây dựng mô hình cơ học để mô phỏng ly hợp..............................23
1.3.1 Hệ phương trình vi phân mô tả ly hợp...............................26
1.3.2 Giải hệ phương trình vi phân............................................28
II. Mô phỏng cụm hộp số.............................................................................34
2.1 Đặc điểm của hộp số cơ khí............................................................34
2.2 Xây dựng mô hình cặp bánh răng truyền động...............................35
2.2.1 Mô hình cơ học bánh răng.................................................35
2.2.2 Phương trình vi phân mô tả cặp bánh răng ăn khớp..........38
2..3 Mô hình hộp số cơ khí....................................................................39
2.3.1 Mô hình cơ học của hộp số................................................40

2.3.2 Phương trình vi phân mô tả hệ bánh răng và các trục của
hộp số cơ khí.........................................................................................41
1.3..3 Giải hệ phương trình vi phân...........................................42
III. Mô phỏng cụm cầu xe ôtô.....................................................................46
3.1 Đặc điểm cầu chủ động...................................................................46
3.2. Mô hình cầu xe...............................................................................46
3.3. Sơ đồ động lực học.........................................................................48
3.3.1. Xét cặp bánh răng qủa dứa và vành chậu.........................48
3.3.2 Xét bánh răng bán trục và các bán trục..............................49
3.4. Giải hệ phương trình vi phân........................................................50
Chương IV – Mô phỏng và khảo sát hệ thống truyền lực.........................55
4.1 Đặt vấn đề...................................................... ................................55


4.2 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực cơ khí................................56
4.2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực..................................................56
4.2.2 Xây dựng các phương trình vi phân mô tả hệ thống..........57
4.2.3 Giải hệ phương trình vi phân.............................................59
4.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ đóng ly hợp đối với hệ thống
truyền lực xe ôtô LIFAN LF3070G1-2...........................................................64
4.4 Tính toán tải trọng tác động lên bán trục ở các tay số khác nhau xe
ôtô LIFAN LF3070G1.....................................................................................68
4.5 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng của lò xo giảm chấn ly hợp lên
bán trục xe LIFAN LF3070G1............... ........................................................70
Kết luận: ...................................................... .................................................73
Các vấn đề đạt được trong luận văn................................................................73
Tài liệu tham khảo...........................................................................................75
Phụ lục 1 các số liệu của chương trình tính toán.............................................76
Phụ lục 2 một số thông số kỹ thuật hệ thống truyền lực xe ôtô LIFAN
LF3070G1-2 ...................................................................................................79

Lời nói đầu
Nền kinh tế nước ta đang trên đà hội nhập và phát triển, nhu cầu vận tải
bằng ôtô ngày càng gia tăng. Các liên doanh lắp ráp và chế tạo ôtô tại Việt
Nam không ngừng cải tiến, tạo ra các sản phẩm mới và nâng cao chất lượng
sản phẩm.
Ngành công nghiệp ôtô đã được Chính phủ xác định là ngành công
nghiệp quan trọng trong hội nhập phát triển kinh tế. Nhận thức được tầm quan
trọng của nó đối với nền kinh tế đất nước, việc làm chủ công nghệ chế tạo ôtô
chính là cơ sở để ngành công nghệ ôtô Việt Nam tiếp cận chế tạo hoàn thiện
các chi tiết, các cụm và các hệ thống của ôtô.
Thực tế nước ta, ngành công nghiệp sản xuất ôtô đang được phát triển
mạnh. Vấn đề tăng tỷ lệ nội địa hoá trong sản xuất là mục tiêu quan trọng và
là hướng phát triển tất yếu của ngành ôtô Việt Nam trong sự nghiệp công
nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước.
Đề tài khoa học cấp Nhà nước về hộp số, các đăng, cầu chủ động và dự
án hoàn thiện thiết kế công nghệ và chế tạo thử cụm hộp số dùng cho các loại
ôtô thông dụng mã số: KC.05.DA.02/06-10 sản xuất thử nghiệm hộp số.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ các quá trình xảy ra bên
trong các cụm, các hệ thống, can thiệp sâu hơn vào các quá trình đó nhằm đạt
được những thông số tối ưu trong quá trình thiết kế, đã và đang đặt ra cho
ngành sản xuất ôtô.
Nghiên cứu mô phỏng các cụm và hệ thống là phần quan trọng trong tính
toán thiết kế và thử nghiệm ôtô. Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu được
sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học. Trong
đó, mô phỏng là phương pháp nghiên cứu khoa học được sử dụng rộng rãi
trong xã hội hiện đại, nó chính là công cụ được dùng chung cho việc phân tích
thiết kế ở nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Xuất phát từ những yêu cầu đó,
là cán bộ trong ngành khi nghiên cứu, em đã chọn đề tài "Xây dựng phương

pháp xác định các chế độ tải trọng phục vụ cho việc đánh giá độ bền hệ
thống truyền lực của ôtô tải sản suất tại Việt Nam". Một số vấn đề về cấu
tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm trong hệ thống truyền lực cơ khí của
ôtô được làm sáng tỏ nhằm mở rộng hiểu biết về bản chất cơ học và toán học
trong nghiên cứu hệ thống và thực hiện các khảo sát, nghiên cứu tiếp sau.
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí
Động lực Trường ĐHBK Hà Nội. Xin chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn
Trọng Hoan đã trực tiếp hướng dẫn tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình

nghiên cứu đề tài. Sự hỗ trợ của các đề tài nghiên cứu khoa học tại tổng công
ty máy và động lực VEAM. Xin chân thành cám ơn sự hỗ trợ của các Thầy
giáo trong Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng, Viện Đào tạo sau Đại học cùng
các bạn Đồng nghiệp.
Do hạn chế về thời gian, đề tài nghiên cứu không tránh khỏi khiếm
khuyết, rất mong nhận được sự bổ sung, góp ý của các Nhà chuyên môn, các
Thầy giáo và bạn bè Đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn trong quá
trình nghiên cứu tiếp theo. Em xin chân thành cám ơn!
Hà nội, Ngày 26 tháng 10 năm 2009
Tác giả

Vũ Văn Thuyết


1
Chương I
TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng ôtô ở Việt Nam

Những năm gần đây ngành công nghiệp sản xuất ôtô phát triển rất nhanh,
nhiều mẫu ôtô đã được sản suất để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng và các
nền kinh tế. Xu hướng phát triển ôtô nằm trong các xu hướng lớn sau:
- Nghiên cứu không ngừng nâng cao năng suất và tăng tính kinh tế trong
sử dụng ôtô.
- Hiện đại hoá công nghệ sản xuất ôtô và tự động hoá quá trình điều
khiển ôtô nhằm đạt tính kinh tế và độ tin cậy cao, giảm ô nhiễm môi trường.
- Ứng dụng các công nghệ hiện đại để rút ngắn thời gian chế tạo sản
phẩm ôtô và phụ tùng ôtô.
Ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc,
tính từ năm 1995 đến năm 2002 hàng năm số phương tiện ôtô tăng trưởng hàng
năm từ 12÷18,8%. Khối lượng vận chuyển hàng hoá cho các ngành kinh tế
chiếm 60÷70%. Ôtô tại thị trường Việt Nam có nhiều chủng loại, phong phú về
kiểu dáng, đa dạng về nhãn hiệu xe. Xe nhập khẩu, xe chế tạo và các xe được lắp
ráp trong nước của các liên doanh ôtô.
Mặc dù chính phủ đã có nhiều giải pháp để giảm lượng các xe ôtô có số
năm sử dụng cao, nhưng chất lượng của các xe ôtô ở nước ta còn nhiều vấn đề
cần khắc phục, sản phẩm ôtô sản xuất trong nước còn hạn chế về công nghệ, độ
bền cũng như giá thành của sản phẩm...
Sự phát triển của ngành ôtô Việt Nam tuy có những thành tựu đáng kể, song
so với khu vực và thế giới vẫn ở mức rất thấp về số lượng, chất lượng và mức độ
hiện đại của phương tiện. Theo thống kê mới nhất, hiện nay ở Việt Nam có trên


2
12 liên doanh sản xuất và lắp ráp ôtô. Các liên doanh đó mới chỉ dừng ở mức độ
lắp ráp các cụm, chi tiết nhập từ nước ngoài và có thể sản xuất, những chi tiết
đơn giản, sau đó nghiên cứu sản xuất một số cụm chi tiết.
Ngành công nghiệp ôtô đã được Chính phủ xác định là ngành công nghiệp
quan trọng. Sau hơn 15 năm kể từ khi có liên doanh ôtô đầu tiên tại Việt Nam,

hiện nay ngoài 12 liên doanh đã có hơn 30 doanh nghiệp nhà nước, tư nhân sản
xuất, lắp ráp ôtô, đặt ngành công nghiệp ôtô Việt Nam trước những thách thức
lớn, trong đó có vấn đề tỷ lệ nội địa hoá các chi tiết của ôtô, tiến tới làm chủ
công nghệ chế tạo ôtô trong quá trình hội nhập với khu vực và Thế giới. Do đó
việc nghiên cứu, chế tạo hoàn thiện và đảm bảo chất lượng các chi tiết, cụm chi
tiết và hệ thống của ôtô là việc làm tất yếu đối với sự phát triển của nghành công
nghiệp ôtô Việt Nam.
1.2 Đối tượng nghiên cứu đề của tài
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống truyền lực ôtô tải trung bình lắp
ráp tại Chi nhánh công ty MEKONG Auto. Xưởng lắp ráp Nhà máy ôtô Cổ Loa
đang được thiết kế lắp ráp và chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam. Hệ thống truyền
lực cơ khí của ôtô tải bao gồm các cụm từ Ly hợp, Hộp số cơ khí và Cầu chủ
động của ôtô.
2

6

3

1
4
5

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Động cơ
Ly hợp ma sát
Hộp số cơ khí
Các đăng
Cầu chủ động
Bánh xe chủ
động

6

Hình 1.1 – Sơ đồ bố trí chung hệ thống truyền lực cơ khí ôtô 4x2


3
Hệ thống truyền lực cơ khí (hình 1.1) được dùng khá phổ biến trên các ôtô tải
đang được lắp ráp chế tạo ở Việt Nam do nó có các ưu điểm là:
- Cấu tạo đơn giản, dễ bảo dưỡng, sửa chữa và chế tạo
- Hiệu suất truyền động cao, giá thành sản phẩm hạ
- Có thể thay đổi mô men truyền đến bánh xe chủ động trong một phạm vi
yêu cầu.
Chức năng chính của hệ thống truyền lực ôtô là thay đổi tỷ số truyền nhằm
khắc phục nhược điểm cố hữu của động cơ đốt trong là hệ số thích ứng rất thấp.
Hệ số thích ứng của động cơ được xác định bằng công thức
k=

M e max
M eN

Trong đó:
Động cơ xăng k = 1,2÷1,25

Động cơ Diesel k = 1,1÷1,15
Để mở rộng vùng điều chỉnh mô men trong hệ thống truyền lực sử dụng hộp số
cơ khí. Hộp số cơ khí thường được tính toán để đảm bảo tạo ra ở các bánh xe chủ
động lực kéo nhỏ nhất Pkmin (ứng với vmax) và lực kéo lớn nhất Pkmax được chọn
trước. Trong khoảng từ Pkmin÷Pkmax hộp số có từ 4 đến 6 cấp số (thông thường
các xe ôtô hiện nay hộp số có 5 cấp số)
Đối với ly hợp thường sử dụng ly hợp ma sát khô, đơn và thường đóng do
chúng có kết cấu đơn giản dễ chăm sóc bảo dưỡng.
Đối với trục các đăng hệ thống truyền lực sử dụng các đăng khác tốc loại kép.
Đối với cầu chủ động sử dụng cầu chủ động đơn, vi sai côn đối xứng.
Thực tế, trên các ôtô ở Việt Nam hiện nay nhất là các xe tải cỡ trung bình hệ
thống truyền lực là cơ khí.
Do đó, việc nghiên cứu hệ thống truyền lực nhằm tối ưu hoá quá trình thiết
kế là vấn đề rất đáng được quan tâm trong tình hình hiện nay, khi mà ngành công


4
nghiệp ôtô Việt Nam đang phát triển. Có nhiều phương pháp nghiên cứu khác
nhau, nhưng ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, mô
phỏng được coi là phương pháp nghiên cứu mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm
được thời gian, công sức và chi phí cho quá trình nghiên cứu.
Đề tài tập trung vào nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát
một số chế độ làm việc đặc trưng của các cụm trong hệ thống truyền lực cơ khí
bằng mô hình dao động xoắn.
1.3 Các nghiên cứu về hệ thống truyền lực bằng mô hình dao động xoắn ở
trong nước và nước ngoài
1.3.1 Các nghiên cứu ở trong nước
Đã có nhiều tác giả trong nước qua các đề tài tốt nghiệp đại học, Thạc sỹ
đã nghiên cứu về hệ thống truyền lực của ôtô.
Tác giả Nguyễn Đình Nghĩa trong luận văn cao học: "Khảo sát tốc độ gài

số trong hộp số cơ khí", tác giả đã trình bày mô hình dao động xoắn của hệ thống
truyền lực và mô phỏng bằng công cụ Matlab Simulink 5.3. Mô hình hệ thống
truyền lực được tác giả xây dựng trên cơ sở các khối lượng tập trung, tác giả đã
coi ly hợp, hộp số, cầu xe và trục các đăng là các khối lược tập trung. Các khối
lượng tập trung chỉ đặc trưng bởi một tính chất là tính quán tính, các thành phần
nối cũng chỉ được đặc trưng bởi độ cứng C.
Tác giả Khiếu Hữu Hùng trong luận văn cao học "Khảo sát dao động xoắn
của trục khuỷu động cơ và ảnh hưởng của nó đến hệ thống truyền lực ôtô". Tác
giả đã đi sâu nghiên cứu dao động xoắn cưỡng bức của trục khuỷu động cơ và
xét ảnh hưởng của nó đến hệ thống truyền lực. Trong đó tác giả đã xây dựng mô
hình của hệ thống truyền lực gồm 5 khối lượng. Các khối lượng tập trung trong
mô hình chỉ đặc trưng bởi một thông số là mô men quán tính và tác giả đã coi
cụm hộp số, cụm cầu xe, cụm ly hợp là các cụm chỉ là 1 khối lượng, nhưng trong


5
thực tế, các cụm đó bao gồm nhiều chi tiết, các chi tiết ấy có những đặc tính
riêng ảnh hưởng đến sự làm việc chung của hệ thống truyền lực.
Một số bài báo nghiên cứu về hệ thống truyền lực đăng trên các tạp chí
chuyên ngành như bài báo của tác giả Nguyễn Văn Bang và Trần Văn Như tạp
chí KH Giao Thông Vận Tải, tác giả đã trình bày phương pháp khảo sát ảnh
hưởng của độ cứng lò xo giảm chấn Ly hợp đến cộng hưởng trong hệ thống
truyền lực với nguồn kích thích từ động cơ, từ đó lựa chọn hợp lý độ cứng của lò
xo giảm chấn, mục đích đưa vùng cộng hưởng ra khỏi vùng tốc độ khai thác của
ôtô. Hệ thống truyền lực đã được tác giả coi là hệ bao gồm các khối lượng tập
trung phần khối lượng tập trung chỉ được đặc trưng bởi tính quán tính. Thành
phần nối các khối lượng không quán tính và chỉ được đặc trưng bằng độ cứng C.
Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống truyền lực
còn rất ít và chưa sâu.
1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu dao động xoắn hệ thống truyền lực ôtô được tiến hành từ
rất lâu, nhiều công trình của hàng trăm tác giả.
Năm 1970 Mischle đã biên soạn tập trung với các nghiên cứu dao động lại
thành tác phẩm nổi tiếng của mình là: "Dynamik der Fahrzeuge". Tác giả đã đề
cập đến hầu hết các loại mô hình dao động cơ bản về đối tượng là xe con. Vào
năm 1980, Schiehlen đã cho ra đời phương pháp hệ nhiều vật, môđun hoá các cơ
hệ cơ học theo xu thế nghiên cứu dao động bằng mô phỏng máy tính.
изграждане на структурни модели на елементи от трансмисията на колесни
возила của tác giả Петко веселинов Синапов.
Nhận xét:
- Phần lớn các mô hình bỏ qua cản nhớt b
- Các mô hình tập trung thường chỉ chọn một thông số điển hình cho một
chi tiết là mô men quán tính I hoặc độ cứng C


6
Nhược điểm của các mô hình này là mức độ chính xác của các thông số lấy ra
trong quá trình nghiên cứu còn nhiều hạn chế, chưa phản ánh đầy đủ đặc tính của
các chi tiết và hệ thống trong quá trình làm việc.
1.4 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Đề tài đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định các chế độ
tải trọng phục vụ cho việc thiết kế và đánh giá độ bền của hệ thống truyền lực
ôtô tải trung bình sản xuất tại Việt Nam.
Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng mô hình dao động xoắn với mức độ
chi tiết hoá cao hơn, trong đó mô hình hệ thống truyền lực được tách ra thành
nhiều khối lượng theo cấu tạo của chúng.
Mỗi một phần tử khối lượng tập trung được đặc trưng bởi cả 3 thông số là
khối lượng quán tính I, độ cứng C và hệ số cản nhớt b. Các phần tử nối được đặc
trưng bởi 2 thông số là độ cứng C và hệ số cản nhớt b.

Xuất phát từ hướng nghiên cứu đó trong luận văn này em đã lựa chọn đề
tài: " xây dựng phương pháp xác định các chế độ tải trọng phục vụ cho việc đánh
giá độ bền của hệ thống truyền lực ôtô tải sản suất tại Việt Nam". Luận văn được
trình bày trong 4 chương:
Chương I: Tổng quan
Chương II: Phương pháp mô phỏng hệ thống truyền lực bằng mô hình dao
động xoắn.
Chương III: Xây dụng mô hình mô phỏng một số cụm trong hệ thống
truyền lực.
Chương IV: Xây dựng mô hình tổng thể của hệ thống truyền lực, khảo sát
một số chế độ làm việc đặc trưng.
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài và các
hướng nghiên cứu tiếp theo.


7
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là nghiên cứu lý
thuyết, tính toán mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng, nghiên cứu khảo sát sử
dụng một số thông số thực để kiểm chứng và đánh giá.
Cách thức tiến hành là tách từng cụm trong hệ thống để nghiên cứu mô
phỏng, trên cơ sở các cụm đã được xây dựng mô hình nghiên cứu ghép nối các
cụm thành hệ thống truyền lực hoàn chỉnh.
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài xây dựng phương pháp xác định các chế độ tải trọng và đánh giá độ
bền hệ thống truyền lực của ôtô tải sản xuất tại Việt Nam. Nghiên cứu mô phỏng
hệ thống truyền lực bằng mô hình dao động xoắn có tính đến các thông số đặc
trưng của chi tiết, đây là một vấn đề mới, vì thực tế các chi tiết cơ khí khi làm
việc trong vùng biến dạng đàn hồi của vật liệu là vùng nhạy cảm ảnh hưởng lớn
đến công nghệ chế tạo, độ bền chi tiết mà ngành cơ khí chế tạo quan tâm.

Bảng tính dao động xoắn của hệ thống truyền lực là một yêu cầu trong quá
trình thiết kế tính toán, đây là cơ sở để ngành công nghiệp chế tạo ôtô của Việt
Nam tiếp cận, làm chủ công nghệ thiết kế, với việc chế tạo các cụm trong hệ
thống truyền lực. Nghiên cứu của luận văn là một phần trong đề tài cấp Nhà
nước về hệ thống truyền lực, dự án sản xuất thử nghiệm hộp số, cầu xe của công
ty ôtô Mêkong. Kết quả của đề tài bổ xung cho việc đánh giá, dự đoán tìm ra các
thông số ảnh hưởng đến các chi tiết, các cụm trong hệ thống truyền lực từ giai
đoạn thiết kế, góp phần làm giảm thời gian, chi phí thiết kế, thử nghiệm chi tiết
và hệ thống truyền lực.


8
Chương II
PHƯƠNG PHÁPMÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
BẰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG XOẮN

2.1 Đặt vấn đề
Tính toán động lực học của các hệ thống nói chung cho phép xác định được
các thông số như lực, mô men tác dụng lên hệ thống trong quá trình hệ thống
làm việc. Các thông số này là cơ sở đánh giá chất lượng của hệ thống. Đối với hệ
thống đã được thiết kế sẵn, các thông số này có tính chất kiểm nghiệm, đối với
hệ thống thiết kế chế tạo mới thông số này có ý nghĩa hết sức quan trọng cho
việc tìm ra kết cấu tối ưu cho hệ thống.
Việc tính toán động lực học của các hệ thống có nhiều phương pháp khác
nhau, công nghệ hiện nay với sự hỗ trợ của các máy tính có các cấu hình mạnh,
việc tính toán động lực học cho các hệ thống đã rút ngắn đáng kể về thời gian và
chi phí cho các quá trình đó...
Trước khi tính toán động lực học và các tính toán khác đối với một hệ
thống, thường phải sơ đồ hoá hệ thống cần tính toán, với mục tiêu của từng bài
toán, với các giả thiết khác nhau. Để đơn giản hoá hệ thống ban đầu, việc đơn

giản hoá sao cho, các thông số nhận được từ quá trình tính toán trên hệ thống
tương đương có sai số nằm trong phạm vi cho phép với việc tính toán trên hệ
thống thực.
Như vậy, hệ thống tương đương đã mô phỏng lại hệ thống thực ban đầu với
một độ chính xác nhất định. Kết quả tính toán phụ thuộc nhiều vào phương pháp
mô phỏng. Như vậy, trình tự để giải bài toán mô phỏng hệ thống thông thường như
sau:
- Xây dựng mô hình cơ học.
- Xây dựng sơ đồ động lực học từ mô hình cơ học đã có.


9
- Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống.
- Giải hệ phương trình vi phân với các điều kiện cụ thể.
2.2 Xây dựng mô hình cơ học
Mô hình cơ học của một hệ thống chính là sơ đồ động học của hệ thống đó.
Trong mô hình cơ học các phần tử của hệ thống được thể hiện dưới dạng sơ đồ
hoá và có hai dạng:
- Mô hình với các thông số tập trung
- Mô hình với các thông số phân bố
Tất cả các hệ thống thực là hệ thống phân bố, nhưng nếu xây dựng mô hình với
các thông số là phân bố sẽ vô cùng phức tạp, không thể xây dựng được. Để đơn
giản trong quá trình phân tích, người ta quy chúng về dạng thông số tập trung
bằng cách, bỏ bớt những tính chất ít quan trọng và ảnh hưởng không lớn của các
phần tử đó trong hệ thống
Việc quy đổi từ dạng phân bố về dạng tập trung (còn gọi là rời rạc hoá)
được thực hiện trên cơ sở, các dao động xoắn của hệ thống truyền lực có phổ
không liên tục, có tần số riêng nằm trong miền dưới 300Hz, có thể sử dụng sơ đồ
dạng tập trung để tính toán các quá trình dao động xoắn trong miền tần số trên.
Các hệ thống được quy về dạng tập trung có các mức độ phức tạp khác nhau.

+ Mô hình tập trung đầy đủ
+ Mô hình tập trung được đơn giản hoá
2.2.1 Mô hình tập trung đầy đủ
Là mô hình được xây dựng trên cơ sở chi tiết các chi tiết máy có trong hệ
thống, mỗi phần tử được ứng xử như một hệ đàn hồi có quán tính I, có độ cứng
C và độ cản nhớt b.


10

I

Hình 2.1 Mô hình một chi tiết có đủ 3 thông số đặc trưng
I: là mô men quán tính của chi tiết
C: là độ cứng chi tiết
b: là hệ số cản nhớt của chi tiết
Nghiên cứu dao động xoắn người ta coi các phần tử có kích thước dọc theo
trục quay không vượt quá hai lần đường kính là các phần tử tập trung. Khối
lượng phân bố của các phần tử này được tính đến một cách tương đối chính xác
bằng cách quy chúng về khối lượng tập trung (các bánh răng, đĩa ly hợp...)
Các phần tử nối giữa các khối lượng được coi là phần tử đàn hồi không
quán tính, có độ cứng C và độ cản nhớt b.

Hình 2.2 Mô hình phần tử nối các khối lượng tập trung ( trục)
C: là độ cứng chi tiết trục nối
b: là hệ số cản nhớt của chi tiết trục nối
Trong hệ thống truyền lực của ôtô, ngoài các phần tử đàn hồi các phần tử quán
tính còn có các khối lượng liên kết phản lực. Đó là các phần tử vỏ nối với khung

11
xe và tham gia vào quá trình dao động của hệ thống truyền lực như vỏ ly hợp, vỏ
hộp số, vỏ cầu xe....
Các khối lượng liên kết phản lực được thể hiện trên sơ đồ dưới dạng lò xo
xoắn. Một đầu nối với vỏ của cơ cấu, đầu kia nối với khung xe và được xem là
cố định.
Như vậy hệ thống truyền lực trên ôtô được mô hình hoá thành một hệ dao
động bao gồm tập hợp các các khối lượng tập trung, các phần tử nối các khối
lượng tập trung, đặt vào đó các thông số cần thiết cho quá trình nghiên cứu.

Hình 2.3 Mô hình cơ học hệ thống truyền lực
2.2.2 Mô hình tập trung đơn giản hoá
Mô hình này được xây dựng trên cơ sở mô hình tập trung. Các tính chất của
chi tiết được xét đến như mô hình tập trung đầy đủ, nhưng khi xét toàn bộ hệ
thống, một số chi tiết để đơn giản hơn trong quá trình xây dựng mô hình cũng
như thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống có thể
không tính đến trong mô hình.
Ở mô hình này cũng có thể bỏ bớt các thông số đặc trưng, mô men quán tính
I, độ cứng C hay cản nhớt b tuỳ thuộc vào mục tiêu của quá trình nghiên cứu.


12
2.3 Cách tính các thông số của mô hình
Mô men quán tính khối lượng, độ cứng xoắn của các đoạn trục được tính
như sau:
- Chuyển vị của vật rắn trong chuyển động quay được đo bằng toạ độ góc
quay. Mô men phục hồi trong dao động xoắn là sự đàn hồi của trục
MT =

GJθ

l

(2.1)

Trong đó:
G là mô đun đàn hồi trượt của vật liệu (N.m2)
l là chiều dài trục (m)
J là mô men quá tính độc cực của mặt cắt ngang trên trục (m4)
θ là góc xoắn (rad)

πd 4
J=
32

(2.2)

d là đường kính trục bị xoắn (m)
- Trục được ứng xử như một lò xo có độ cứng xoắn C phụ thuộc vào kích
thước và vật liệu chế tạo trục theo công thức sau:
M T GJ πGd 4
C=
=
=
θ
l
32l

[N.m/rad]

(2.3)

- Mô men quán tính khối lượng đĩa được tính bằng công thức sau:
I=

ρhπD 4 WD 4
=
32
8g

[kg.m2]

(2.4)

Trong đó:
3

ρ là trọng lượng riêng của đĩa (kg/m )


13
h là chiều cao (m)
D là đường kính đĩa (m)
W là trọng lượng của đĩa (N)
g là gia tốc trọng trường (m/s2)
- Độ cản nhớt được xác định bằng công thức:
bi = 2.ξm C i

I i .I i +1
I i + I i +1

[N.m.s/rad]

(2.5)

Trong đó:
ξ m là hệ số thức nghiệm ξ m = 0,3 đối với vật liệu thép

Cản nhớt có thể xuất hiện ở phần tử nối các khối lượng hoặc phần tử khối
lượng tập trung.
Độ đàn hồi của phần tử đàn hồi là đại lượng nghịch đảo của độ cứng và
được tính bằng góc quay (rad) của một trong những mặt cắt của trục khi chịu mô
men xoắn bằng 1N.m đặt vào một đầu trục khi đầu kia bị ngàm cứng.
Độ đàn hồi và mô men quán tính của các chi tiết được xác định bằng thực
nghiệm hoặc tính theo bản vẽ cấu tạo, có thể sử dụng các phần mềm chuyên
dụng để xác định mô men quán tính của các chi tiết.
- Trường hợp các trục ghép nối tiếp với nhau thì độ cứng là tổng nghịch
đảo các độ cứng thành phần và độ đàn hồi tổng được tính.
n
e = ∑e
Σ i=1 i

(2.6)

- Trường hợp các trục ghép song song độ cứng là tổng các độ cứng thành
phần và độ đàn hồi được tính như sau.


14
n 1
1

= ∑
eΣ i =1 ei

(2.7)

- Độ đàn hồi của các mối ghép then và then hoa được tính.
k
T
e =
T d2 .l.h.z

(2.8)

Trong đó:
kT: hệ số tuỳ thuộc vào mối ghép then.
d: đường kính mối ghép then.
l: chiều dài mối then.
h: chiều cao then.
z: số then.
- Độ đàn hồi riêng của các bánh răng quy về một trong hai trục là:
e br =

k br
bR 2 cos2 α

(2.9)

Trong đó:
kbr: hệ số bánh răng.
kbr = 6.10-11

đối với bánh răng thẳng;

kbr = 3,6.10-11 đối với bánh răng nghiêng;
b: bề rộng làm việc của bánh răng.
R: bán kính vòng chia của bánh răng trên trục quy dẫn.
α: góc ăn khớp.
Trong công thức trên, các kích thước được tính bằng mét (m), lực được tính
bằng newton (N) và độ đàn hồi được tính bằng rad/N.m. Khi nghiên cứu quá
trình dao động ổn định trong một thời gian dài thì việc thất thoát năng lượng là
đáng kể vì vậy khi tính toán phải tính đến các phần tử tiêu thụ năng lượng.


15
Khi nghiên cứu quá trình dao động quá độ xảy ra trong thời gian ngắn là tổn
thất do ma sát, sự thất thoát năng lượng không đáng kể thể bỏ qua khi tính toán.
Năng lượng dao động bị mất mát trong bản thân các chi tiết, các mối nghép then,
then hoa, các ổ lăn, các phớt, đệm làm kín và trong các cơ cấu giảm chấn.
2.4 Xây dựng mô hình hệ thống truyền lực trong luận văn
Hệ thống truyền lực của ôtô là hệ thống phân bố. Mỗi phần tử của hệ thống
được đặc trưng bởi hai hay nhiều tính chất đó là tính chất quán tính, tính chất
đàn hồi, cản nhớt. Tải trọng tác động lên hệ thống truyền lực được phân bố trên
toàn bộ hệ thống, nhưng để đơn giản khi phân tích ta quy chúng về dạng tập
trung.

1.
2.
3.
4.
5.

6.
7.
8.

.
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống truyền lực của ôtô

Động cơ
Ly hợp
Hộp số
Trục các đăng
Cụm cầu xe
Khớp các đăng
Bán trục
Bánh xe chủ động


16
2.4.1 Cụm ly hợp
Các khối lượng tập trung được đặc trưng bằng mô men quán tính Ii; độ cứng
C và hệ số cản nhớt b:
+ Mô men quán tính phần chủ động của ly hợp
+ Mô men quán tính phần bị động của ly hợp
Phần tử nối giữa các khối lượng tập trung được đặc trưng bằng 2 thông số là độ
cứng C và cản nhớt b

Hình 2.4 Mô hình ly hợp
M1- mô men phần chủ động của ly hợp
M2- mô men phần bị động của ly hợp
I1- mô men quán tính phần chủ động của ly hợp

I2 - mô men quán tính phần bị động của ly hợp
ϕ - góc quay của phần chủ động
ψ - góc quay của trục bị động ly hợp
Mlh là mô men ma sát của ly hợp:
b; C là cản nhớt và độ cứng phần chủ động và bị động của ly hợp


17
2.4.2 Cụm hộp số
Hộp số cơ khí sử dụng trong hệ thống truyền lực để khắc phục sự thích
ứng rất thấp của động cơ đốt trong. Việc thay đổi các cặp bánh răng ăn khớp
(cấp số) trong hộp số để thay đổi tốc độ và mô men kéo của bánh xe chủ động.
Các bánh răng được lắp cố định, di trượt trên trục hoặc quay trơn trên trục. Xây
dựng mô hình cho hộp số là mô hình của các cặp bánh răng ăn khớp và các trục
nối các bánh răng.
Các bánh răng được đặc trưng bởi khối lượng quán tính Ii, độ cứng C và
cản nhớt b. Các trục dẫn động truyền mô men không quán tính mà chỉ có độ
cứng C và cản nhớt b.

Hình 2.5 Mô hình hộp số
1. Trục chủ động và bánh răng chủ động hộp số
2. Bánh răng trên trục bị động hộp số
3. Trục bị động
4. Bánh răng trên trục trung gian và trục trung gian


18
2.4.3 Cụm cầu xe:

Hình 2.6 Mô hình cầu xe

1.Trục quả dứa
2. Bánh răng quả dứa
3. Bánh răng vành chậu
4. Bánh răng hành tinh
5. Bánh răng bán trục
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ xét trường hợp xe ôtô đi thẳng
lực cản hai bên bánh xe bằng nhu, vi sai của cầu chủ động chưa hoạt động. Như
vậy xây dựng mô hình cho cầu chủ động trong trường hợp này là mô hình của
các cặp bánh răng ăn khớp giữa bánh răng quả dứa và bánh răng vành chậu. Các
bánh răng được đặc trưng bởi khối lượng quán tính Ii của các bánh răng, độ cứng
C và cản nhớt b.
Các trục dẫn động truyền mô men không có quán tính mà chỉ có độ cứng
C và cản nhớt b.
Các công thức chuyển đổi:
Trên ôtô, các dao động xoắn của hệ thống truyền lực có mối liên hệ chặt chẽ
với chuyển động tính tiến của khối lượng treo và khối lượng không được treo. Vì


19
vậy, khi nghiên cứu các chế độ tải trọng phải tính đến các khối lượng chuyển
động tịnh tiến, các khối lượng chuyển động tịnh tiến thể hiện trên sơ đồ tính toán
bằng một bánh đà tương đương với điều kiện là động năng của các bánh đà này
bằng động năng của các khối lượng chuyển động tịnh tiến ta có:
ma v 2 I aϖ 2
=
;
2
2

2

v
với I a = ⎛⎜ ⎞⎟ và v = r0ω
⎝ϖ ⎠

(2.12)

Trong đó:
ma: khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô.
Ia: mô men quán tính của bánh đà tương đương (Ia = ma ra2).
v: vận tốc của khối lượng chuyến động tịnh tiến.

ω: vận tốc góc của bánh đà tương đương.
Ro: bán kính lăn của bánh xe trong điều kiện lăn không trượt.
Quá trình truyền mô men từ bánh xe tới các khối lượng chuyến động tịnh tiến
được thực hiện nhờ thành phần phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe
theo phương dọc, và bị hạn chế bởi khả năng bám của bánh xe lên mặt đường.
Trong đó độ đàn hồi của lốp là eL.
Trên sơ đồ tính toán, bánh xe và các khối lượng chuyển động tịnh tiến được
sơ đồ hoá bằng hai bánh đà nối với bằng khâu đàn hồi tương ứng, với độ đàn hồi
tiếp tuyến của lốp và có bộ truyền ma sát với nhiệm vụ hạn chế mô men truyền
không quá mô men bám của bánh xe với mặt đường.
M ϕ = ϕRΖ r0

Trong đó:

ϕ : hệ số bám bánh xe với mặt đường.

(2.13)