Nghiên cứu động học, động lực học và độ bền hệ thống lái máy kéo bông sen 20

Bộ giáo dục v đo tạo

Bộ nông nghiệp v pTNT

Trờng đại học lâm nghiệp
=====***=====

Nguyễn Viết Vinh

Nghiên cứu động học, động lực học v độ bền
hệ thống lái máy kéo Bông sen 20

Luận văn thạc sỹ chuyên ngnh
Kỹ thuật máy v thiết bị cơ giới hoá nông lâm nghiệp

Mã số:

Ngời hớng dẫn khoa học

PGS.TS. Nguyễn NHật chiêu

H tây: 6/2007


1

Các ký hiệu dùng trong luận văn
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị



Độ chụm bánh xe dẫn hớng

mm



Góc nghiêng ngoi bánh xe dẫn hớng

độ



Góc nghiêng ngang của trục đứng

độ



Góc nghiêng dọc của trục đứng

độ

M

Mô men cản tổng cộng trên một bánh xe dẫn hớng

N.m

Mc

Mô men cản tổng cộng trên hai bánh xe dẫn hớng

N.m

M1

Mô men cản lăn

N.m

M2

Mô men cản bên

N.m

M3

Mô men ổn định

N.m

f

Hệ số cản lăn

a

Cánh tay đòn của lực cản lăn đối với trục đứng



Hệ số bám

ih

Tỷ số truyền của hộp lái máy kéo

mm

RVL

Bán kính vô lăng lái

htl

Hiệu suất chung của hệ thống lái

d

Hiệu suất dẫn động lái

t

Hiệu suất khớp truyền lực

PVL

Lực lái cực đại trên vô lăng

N

1

Góc quay vòng phía trong của bánh xe dẫn hớng

độ

1
2
L

Góc quay vòng phía ngoi của bánh xe dẫn hớng
(theo lý thuyết)
Góc quay vòng phía ngoi của bánh xe dẫn hớng
(góc quay thực tế)
Chiều di cơ sở của máy kéo

mm

độ
độ
mm


2

m
A


Khoảng cách tâm hai trục (chốt) chuyển hớng của
cầu dẫn hớng.
Chiều rộng vết lết bánh xe dẫn hớng
Góc nghiêng của đòn bên so với phơng dọc máy
kéo khi máy kéo ở vị trí đi thẳng

mm
mm
độ

l

Chiều di của đòn bên (đòn quay)

mm

d

Chiều di của đòn kéo ngang

mm

y

ứng suất giới hạn bền của vật liệu

N/m2

e

ứng suất tơng đơng lớn nhất

N/m2

n

Hệ số an ton

Các chữ viết tắt trong luận văn
ANSYS

Analysis Systems

MBS

Multi Body System

ADAMS

Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems

DMX

Displacement max (chuyển vị lớn nhất)

SMX

Stress max (ứng suất lớn nhất)


3

Danh mục các hình trong luận văn
TT

Tên hình

hình

Trang

1.1

Biên giới giữa các phần tử

15

1.2

Các dạng phần tử hữu hạn

16

1.3

Sơ đồ tính toán bằng phơng pháp phần tử hữu hạn

17

1.4

Các phơng pháp chia lới

20

2.1

Sơ đồ nghiên cứu hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20

25

3.1

Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20

27

3.2

Mô phỏng hệ thống lái theo lý thuyết hệ nhiều vật

29

3.3

Độ chụm bánh xe dẫn hớng

30

3.4

Góc doãng của bánh xe dẫn hớng

31

3.5

Góc nghiêng trục quay đứng trong mặt phẳng ngang của máy
kéo

32

3.6

Góc nghiêng trục quay đứng trong mặt phẳng dọc của máy kéo

32

3.7

Sơ đồ lực tác dụng lên hệ thống lái khi máy kéo quay vòng tại chỗ

35

3.8

Sơ đồ quay vòng máy kéo

40

3.9

Sơ đồ cơ cấu hình thang lái ở vị trí máy kéo đi thẳng
v ở vị trí đánh lái

42

3.10

Đồ thị đặc tính lái máy kéo Bông Sen 20

43

3.11

Các chi tiết của hệ thống lái đợc tạo trong Solidworks-2007

45

3.12

Hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20

46

3.13
3.14
3.15

Kết quả dạng mô hình động mô phỏng hệ thống lái máy kéo
Bông Sen 20
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp bánh xe phải
trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp bánh xe trái trong

49
50
50


4

qúa trình lái vòng
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22

Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp trục đứng phải
trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp trục đứng trái
trong qúa trình lái vòng

Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp đòn ngang - đòn
quay trái trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp đòn ngang - đòn
quay phải trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp đòn kéo dọc đòn quay trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp đòn kéo dọc - tay
quay trong qúa trình lái vòng
Sự thay đổi các thnh phần phản lực ở khớp cao cấp trong qúa
trình lái vòng

51
51
52
52
53
53
54

4.1

Cấu tạo rôtuyn

57

4.2

Chia lới rôtuyn trong ANSYS

58

4.3

Chuyển vị của rôtuyn dạng đồ hoạ

60

4.4

ứng suất tơng đơng dạng đồ hoạ của rôtuyn

60

4.5

Cấu tạo đòn quay trái

62

4.6

Chia lới đòn quay trái trong ANSYS

63

4.7

Chuyển vị của đòn quay trái dạng đồ hoạ

65

4.8

ứng suất tơng đơng dạng đồ hoạ của đòn quay trái

65

4.9

Cấu tạo đòn quay phải

67

4.10

Chuyển vị của đòn quay phải dạng đồ hoạ

69

4.11

ứng suất tơng đơng dạng đồ hoạ của đòn quay phải

69


5

Danh mục các bảng trong luận văn
TT

Tên các bảng

bảng

Trang

3.1

Các thông số của máy kéo Bông Sen 20

33

3.2

Góc quay vòng bánh trong, bánh ngoi của máy kéo

41

3.3

Góc quay vòng thực tế bánh trong, bánh ngoi của máy kéo

43

3.4

Các thông số hệ thống của hệ thống lái máy kéo Bông Sen
20

47

Giá trị tính toán phản lực tại các khớp liên kết trong hệ
3.5

thống lái máy kéo Bông Sen 20 ở vị trí đánh hết lái về bên
phải

55


6

đặt vấn đề
Máy kéo l nguồn động lực đợc dùng rất phổ biến trong sản xuất nông
lâm nghiệp. Nó có khả năng cơ động cao, khả năng thích nghi với nhiều công
việc nh vận chuyển, lm đất, gặt đập, tuốt lúa, tới tiêu, ... Vì vậy, việc áp
dụng khoa học công nghệ mới vo những nghiên cứu chuyên sâu về nó l một
công việc luôn đợc các nh khoa học quan tâm. Các công trình nghiên cứu
trớc đây của các tác giả trong v ngoi nớc chủ yếu tập trung vo giải quyết
các vấn đề về khả năng kéo, bám, ổn định động lực học, hiện tợng tuần hon
công suất của máy kéo khi lm việc trong những điều kiện khác nhau.
Trên máy kéo hệ thống lái dùng để thay đổi hớng chuyển động hoặc giữ
cho máy kéo chuyển động ổn định theo hớng đã định. Chất lợng hệ thống lái
có một vị trí quan trọng trong quá trình sử dụng, nó ảnh hởng trực tiếp đến vấn
đề an ton v ổn định của máy. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ
thống lái, tuy nhiên các tác giả chủ yếu sử dụng phơng pháp đồ thị, nghiên
cứu từng phần tử riêng lẻ hoặc bằng phơng pháp giải tích, các phơng pháp
ny có nhợc điểm l đơn giản hoá cơ cấu nhiều để mô tả cơ hệ nên độ chính
xác không cao. Ngy nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngnh cơ tin, đã tạo
điều kiện cho sự phát triển các phơng pháp mới v đã đợc ứng dụng rộng rãi

trong thực tế. Đặc biệt phơng pháp động lực học hệ nhiều vật với phần mềm
ADAMS, phơng pháp phần tử hữu hạn với phần mềm ANSYS, đang đợc
ứng dụng v phát triển rất mạnh. Với những thnh tựu mới ny cho phép nh
nghiên cứu có thể nghiên cứu đặc tính động học, động lực học v độ bền hệ
thống lái máy kéo ở mức độ cao. Nó cho phép ta xác định đợc các thông số,
các mối quan hệ của hệ thống, điều kiện lm việc của các chi tiết v đa ra
những thông số tối u nhất, từ đó lm cơ sở khoa học cho việc hon thiện thiết
kế, sử dụng hệ thống lái.
ở nớc ta ngnh chế tạo máy kéo vẫn còn non trẻ, các công ty sản xuất
máy kéo chủ yếu đang trong giai đoạn lắp ráp, thử nghiệm v cung cấp các sản


7

phẩm của mình trong thị trờng nội địa. Mới đây, Công ty máy kéo v máy
nông nghiệp H Đông - H Tây đã cho ra đời loại máy kéo Bông Sen 20
(BS20). Để sản phẩm có chất lợng cao v tính cạnh tranh mạnh, phải tiến hnh
đồng thời nghiên cứu đặc tính lm việc của các hệ thống trên máy kéo, qua đó
đa ra những thông số tối u lm cơ sở khoa học cho việc hon thiện các hệ
thống. Trong quá trình sử dụng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu thiết kế
v cải tiến các bộ phận công tác phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp. Vấn đề
nghiên cứu sâu nhằm cải tiến kết cấu, tối u hoá hệ thống lái máy kéo Bông Sen
20 l rất cần thiết, có ý nghĩa thực tế lớn. Tuy nhiên, cha có công trình no
nghiên cứu về nó, xuất phát từ lý do trên tôi tiến hnh đề ti Nghiên cứu động

học, động lực học v độ bền hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20.
Mục đích nghiên cứu l tìm ra các lực tác dụng lên hệ thống lái v sự thay
đổi của nó trong quá trình lái vòng. Từ đó tìm ra ứng suất, biến dạng của các chi
tiết trong hệ thống lái. Kết quả nghiên cứu có thể dùng lm thông số đầu vo cho
bi toán tối u hệ thống lái, góp phần hon thiện hơn nữu máy kéo Bông Sen 20.

8

Chơng 1
Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ôtô máy kéo trên thế giới
Các vấn đề liên quan đến hệ thống lái, trong những năm gần đây đã có
hng trăm công trình khoa học nghiên cứu công nghệ đợc công bố. Các công
trình chủ yếu tập trung trong lĩnh vực động học v động lực học của hệ thống
lái bốn bánh nhằm tăng tính cơ động v hon thiện tính điều khiển của hệ
thống lái ôtô, máy kéo.
Công trình của giáo s V.F Rođionov v M.Fitterman - Maxcơva, 1980,
sử dụng hai phơng pháp đồ thị v phơng pháp đại số để nghiên cứu xác định
động học hệ thống lái. Giáo s đã sử dụng các thông số hình học chọn lựa của
hệ thống lái v hệ thống treo phía trớc cần phải phù hợp trong quan hệ với sự
biến đổi của góc nghiêng dọc của trục đứng, của góc nghiêng ngoi của bánh
xe, của góc chụm bánh xe v độ chuyển dịch ngang của điểm tiếp xúc bánh xe
với mặt đờng, cũng nh trong quan hệ phụ thuộc vo góc quay bánh xe ngoi
đối với góc quay bánh xe trong. Ngoi ra còn tính đến cả góc nghiêng ngang
của trục đứng, nó có ý nghĩa đáng kể đối với độ ổn định chuyển động của ôtô,
vì sự thay đổi của nó tơng ứng gần chính xác với sự thay đổi góc nghiêng
ngoi của bánh xe [12].
Năm 1972, trong công trình khoa học của mình giáo s Lxốp
Maxcơva sử dụng phơng pháp thực nghiệm để nghiên cứu xác định động
học, động lực học hệ thống lái, giáo s đã sử dụng các thiết bị thí nghiệm xác
định trên một hệ thống lái cụ thể để đánh giá các thông số hệ thống lái nh độ
nhạy nhẹ của cơ cấu lái, gồm các lực trên vnh tay lái, lực trong các phần tử
dẫn động lái, lực cản quay vòng của bánh xe dẫn động lái, xác định ma sát v
hệ số hiệu dụng, xác định cơ cấu lái về độ mòn, độ bền mỏi, [13].

9

Tác giả Samkar Moam, ngời Mỹ, tháng 6 năm 2000 đã công bố trong
công trình về loại xe có hệ thống lái ở cả 4 bánh. Nhiều nh khoa học Đức
cũng đã tập trung nghiên cứu cho các loại xe có hệ thống lái cả ở 4 bánh [15].
Xu thế chung của các Trung tâm công nghiệp ôtô máy kéo lớn trên thế giới l
nghiên cứu hệ thống lái tích cực nhằm sử dụng các thnh tựu về điện, điện tử
ứng dụng, các thnh tựu về tin học để kiểm soát đợc các tính năng của hệ
thống lái v đảm bảo các chế độ hoạt động của chúng ở chế độ tối u.
Nh vậy, có thể thấy rằng hệ thống lái hiện nay đang đợc các nh khoa
học tập trung nghiên cứu vo các nội dung sau:
- Nghiên cứu động học hệ thống lái thông qua mối tơng quan hình
học các khâu độc lập từ đó xác định sự thay đổi động học các khâu,
kết luận khả năng sử dụng hệ thống lái trên xe.
- Xác định lực tác dụng lên vnh tay lái để tính toán kết luận khả năng
sử dụng đối với hệ thống lái.
- Xây dựng các mô hình động học hệ thống lái trong những giả thiết
cơ học cho sát với điều kiện thực tế từ đó nghiên cứu tính năng điều
khiển ôtô, máy kéo.
1.2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái ôtô máy kéo ở Việt Nam
Việt Nam chúng ta đang trong thời kỳ xây dựng nền công nghiệp ôtô
máy kéo ở giai đoạn lắp ráp v tiến hnh chơng trình nội địa hoá các cụm chi
tiết v phụ tùng ôtô máy kéo. Trong công tác nghiên cứu, những năm gần đây
cũng đã có một số cán bộ khoa học công nghệ đi sâu nghiên cứu các hệ thống
trên ôtô máy kéo đặc biệt l hệ thống lái v hệ thống phanh. Nhóm cán bộ
nghiên cứu của các trờng Đại học cũng đã có nhiều nỗ lực ứng dụng các phần
mềm chuyên dụng nh Alaska 2.3, Sap2000, Matlab Simulink,... trong quá
trình nghiên cứu ôtô máy kéo.

Giáo s tiến sĩ khoa học Đỗ Sanh cũng lãnh đạo một nhóm nghiên cứu
về động học quay vòng xe ở tốc độ cao [12].


10

Tiến sĩ Nguyễn Khắc Trai trong luận án của mình cũng nghiên cứu sâu về
lý thuyết quay vòng. Thạc sĩ Nguyễn Xuân Châu đã bảo vệ thnh công luận án
thạc sĩ với đề ti cơ cấu lái đặc biệt cho ngời tn tật. Tiến sĩ Nguyễn Xuân Thiện
cùng nghiên cứu sinh Lê Hồng Quân trong khuân khổ đề ti Nh nớc KHCN 05 - 09 đã thử nghiệm thnh công bộ trợ lực lái thuỷ lực do Việt Nam chế tạo áp
dụng cho xe xích TC55. Học viện kỹ thuật quân sự - nhóm nghiên cứu về động
học chuyển động xe trên đờng quân sự với nhiều nỗ lực trong nghiên cứu hệ
thống điều khiển.
Năm 1999, tác giả Lê Hồng Quân, Trờng Đại học Bách khoa H Nội
[12], đã thực hiện đề ti Sử dụng phần mềm ALASKA 2.3 để mô phỏng động
học v tính toán động lực học của bộ trợ lực lái xe Mekong Star 95 do Việt
Nam lắp ráp. Bằng phơng pháp xây dựng mô hình trên phần mềm ALASKA
2.3 để mô tả các đặc tính động học, động lực học của hệ thống nghiên cứu, tác
giả đã tính đợc các thông số cụ thể của các vật trong hệ thống. Đồng thời qua
đó cho biết quá trình lm việc của cơ cấu, của các chi tiết trong cơ cấu, lực tác
dụng lên các chi tiết của cơ cấu v của cơ hệ.
Với đề ti Nghiên cứu động học, động học v độ bền hệ thống lái trên
xe MEKONG Luận án tiến sĩ kĩ thuật của Nguyễn Thanh Quang [13], tại
trờng Đại học Bách khoa H Nội năm 2001, trong luận án tác giả đã sử dụng
phần mềm ALASKA 2.3 để tính toán động học v phản lực các khớp của hệ
thống lái ôtô MEKONG STAR lắp ráp tại Việt Nam. Kết quả mô phỏng động
học, động lực học hệ thống lái bằng phần mềm ALASKA 2.3 đợc dùng lm
thông số đầu vo cho bi toán tính bền trong SAP 90. Kết quả tính toán cho
thấy lực lái trên vnh tay lái xe ôtô MEKONG STAR phù hợp với yêu cầu của
hệ thống lái, động học hệ thống lái đảm bảo. Tính toán độ bền hệ thống lái

cho thấy, các khớp rôtuyn l chi tiết chịu tải trọng lớn nhất - rôtuyn đủ bền
nhng hệ số an ton thấp v các chi tiết khác trong hệ thống lái đủ độ bền.


11

1.3. Các phơng pháp v phần mềm ứng dụng để nghiên cứu hệ thống lái
Trớc đây do cha có sự trợ giúp mạnh mẽ của máy tính điện tử, nghiên
cứu hệ thống lái đợc xác định bằng phơng pháp đồ thị, nghiên cứu từng
phần tử riêng lẻ hoặc bằng phơng pháp giải tích.
Phơng pháp đồ thị rõ rng, trực quan, nhng rất tốn công sức v do đó
độ chính xác của các kết quả thu đợc phụ thuộc vo sự cẩn thận khi thực hiện
v các thiết bị vẽ hiện có. Vì vậy, phơng pháp đồ thị chỉ dùng trong các sơ đồ
động học đơn giản v xác định những phụ thuộc riêng lẻ.
Phơng pháp nghiên cứu từng phần tử, hệ thống lái đợc nghiên cứu
độc lập từng phần tử riêng biệt sau đó kết quả đợc ghép nối với nhau để ứng
dụng cho ton bộ hệ thống. Phơng pháp ny có những hạn chế lớn nh vấn
đề cân bằng khối lợng của hệ khó khăn lm cho kết quả bi toán có những
sai số lớn. Phơng pháp giải tích đợc sử dụng đặc biệt hợp lý khi có sự trợ
giúp của máy tính điện tử.
Ngy nay, nhờ có sự phát triển của ngnh tin học, đặc biệt l ngnh cơ tin đang phát triển rất mạnh v có khả năng ứng dụng tốt trong kỹ thuật để
giải các bi toán động học v động lực học hệ nhiều vật, bi toán tính toán hệ
thống lái đợc xem l một hệ kết cấu cơ học gồm nhiều các phần tử nối ghép
với nhau v đợc nghiên cứu nh một hệ cơ học đồng bộ. Các kết quả tính
toán cũng cho phép ta tính toán từng phần tử riêng biệt có các hình dạng bất
kỳ trong những điều kiện tải trọng khác nhau. Hiện nay, các phần mềm mới
với các chơng trình mạnh, hiện đại đã đợc ra đời để tính các kết cấu v mô
phỏng động học hệ nhiều vật của hệ cơ khí. Các chơng trình tính phần lớn
dựa trên hai cơ sở toán học l: phơng pháp động lực học hệ nhiều vật v
phơng pháp phần tử hữu hạn. Phơng pháp động lực học hệ nhiều vật nghiên

cứu các chuyển động của cơ hệ, còn phơng pháp phần tử hữa hạn nghiên cứu
biến dạng các phần tử của hệ vật.


12

1.3.1. Phơng pháp động lực học hệ nhiều vật v phần mềm ứng dụng
Phơng pháp động lực học hệ nhiều vật (Multi Body System - MBS)
đợc sử dụng để nghiên cứu các hệ cơ học khác nhau. Hệ nhiều vật l tập hợp
hữu hạn các vật rắn có thể chuyển động trong không gian ba chiều. Các vật
ny đợc liên kết với nhau dới dạng vật lý/ hình học với nhau hoặc với vật
rắn nền thông qua các khớp gọi l khớp liên kết. ý nghĩa hình học của liên kết
l các đối tợng hình học của các vật đợc nối cặp trùng khít nhau (khớp lý
tởng). ý nghĩa vật lý l tác động giữa các vật bằng các ngoại lực v các
mômen. Việc xác định mô hình thích hợp của một hệ nhiều vật phản ánh đầy
đủ các đặc tính của hệ thực l yêu cầu đầu tiên v quan trọng trong bi toán hệ
nhiều vật.
Mô hình cơ học theo phơng pháp MBS, hệ thống lái đợc mô tả l hệ
nhiều vật gồm các thanh (vật) liên kết với nhau bởi các khớp động học. Có thể
giới thiệu một số phần mềm sử dụng phơng pháp động học hệ nhiều vật nh
phần mềm Alaska, phần mềm ADAMS.
Phần mềm Alaska do Cộng ho liên bang Đức sản xuất dùng để mô
phỏng động lực học hệ nhiều vật. Các phiên bản của Alaska tại Việt Nam
gồm: phiên bản đầu tiên l Alaska demo giải các bi toán cơ học vật rắn
không quá 16 bậc tự do, chủ yếu dùng lm công cụ giảng dạy trong các nh
trờng. Phiên bản thứ hai l Alaska 2.1 có thể giải các bi toán cơ học không
quá 100 bậc tự do. Phiên bản thứ ba l Alaska 2.3 có thể giải các bi toán
không quá 200 bậc tự do v có khả năng nghiên cứu động lực học lốp xe, ma
sát trong các khớp liên kết. Các phiên bản sau sẽ đa vo ảnh hởng của dòng
điện, nớc, không khí,...

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) l
một phần mềm mạnh, chuyên dùng để mô phỏng động lực học cơ hệ nhiều
vật, đặc biệt trong lĩnh vực động lực học xe máy, va chạm, ngời máy, công
nghệ vũ trụ,... Chơng trình ny giúp ngời sử dụng giải quyết các vấn đề


13

nghiên cứu khoa học của mình m không cần biết sâu về các thuật toán sử
dụng trong ADAMS. ADAMS cho phép nhập mô hình hình học từ hầu hết
các chơng trình CAD, ADAMS sẽ chuyển các dữ liệu từ các file ny vo
các file dữ liệu hình học chuẩn trong ADAMS. ý nghĩa của việc nhập mô
hình ny l trong thực tế có nhiều mô hình cần mô phỏng rất phức tạp vì thế
nếu xây dựng chúng trực tiếp trong ADAMS thì sẽ mất rất nhiều thời gian
vì đây không phải l phầm mềm chuyên về CAD. Do vậy, đối với các mô
hình phức tạp thờng đợc xây dựng trên các phần mềm chuyên về CAD
nh Solidworks, Catia, ProEngineer,... Sau khi xây dựng xong, mô hình ny
đợc xuất ra các file có một trong các định dạng trên (IGBS, STEP,
DXF/DWG hoặc Parasolid) v đợc nhập vo ADAMS để tiến hnh các
bớc tiếp theo. Th viện rộng lớn về khớp nối v các rng buộc có sẵn trong
ADAMS cho phép ngời sử dụng tạo đợc các khớp nối động học của cơ
hệ. Khi mô hình đã thiết lập xong, ADAMS kiểm tra lại mô hình v chạy
mô phỏng bằng cách giải các phơng trình động lực học. Kết quả tính toán
có thể lấy ra dới dạng đồ thị, bảng dữ liệu, các báo cáo,... Ngời sử dụng
có thể dùng các kết qủa ny (chẳng hạn nh các phản lực ở các khớp) để
cung cấp cho các chơng trình phân tích phần tử hữu hạn (nh ANSYS,
Nastran,) để tối u hoá kết cấu. Cụ thể trong ADAMS cho phép chúng ta
có thể thực hiện các công việc sau:
+ Tạo các bản vẽ chi tiết,
+ Chỉnh sửa các bản vẽ chi tiết,

+ Liên kết các chi tiết thnh mô hình,
+ lm việc với các khớp,
+ áp đặt chuyển động cho mô hình,
+ Đặt các lực vo mô hình,
+ Lm việc với các lực tiếp xúc,
+ Lu trữ v lấy dữ liệu,


14

+ Sử dụng các phần tử hệ thống để tăng thêm sự cân bằng,
+ Chỉnh sửa các đối tợng trong mô hình,
+ Đặt v quay đối tợng,
+ Chạy mô phỏng mô hình,
+ Lấy các kết quả.

1.3.2. Phơng pháp phần tử hữu hạn v phần mềm ứng dụng
Phơng pháp phần tử hữu hạn:
Trong phơng pháp phần tử hữu hạn, vật thể liên tục đợc thay thế bằng
một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, nối với nhau ở một
số điểm đợc quy định gọi l nút. Các phần tử ny giữ nguyên tính chất liên
tục trong phạm vi của mỗi phần tử, nhng do có hình dạng đơn giản v kích
thớc bé nên cho phép nghiên cứu nó dễ dng hơn trên cơ sở các quy luật về
phân bố chuyển vị v nội lực. Ví dụ nh trong khi nghiên cứu kết cấu theo mô
hình chuyển vị, khi phân tích phần tử hữu hạn thờng chọn một số hm đơn
giản còn gọi l hm dáng để xấp xỉ đờng cong chuyển vị trong phần tử theo
chuyển vị tại nút của nó. Biến dạng v ứng suất bên trong phần tử cũng đợc
biểu diễn theo chuyển vị nút. Vì vậy có thể dùng nguyên lý chuyển vị khả dĩ
hoặc nguyên lý cực tiểu thế năng để đa ra phơng trình cân bằng cho phần tử
với các chuyển vị nút l ẩn số.

Các đặc trng cơ bản của mỗi phần tử đợc xác định v mô tả dới
dạng các ma trận độ cứng của các phần tử. Các ma trận ny đợc sử dụng để
ghép các phần tử thnh một mô hình rời rạc hoá của kết cấu thực cũng dới
dạng một ma trận độ cứng của cả kết cấu. Các tác động ngoi gây ra nội lực
v chuyển vị của kết cấu đợc quy đổi về các ứng lực tại nút v đợc mô tả
trong ma trận tải trọng nút tơng đơng. Các ẩn số cần tìm l các chuyển vị
nút (hoặc nội lực tại các nút) đợc xác định trong ma trận chuyển vị nút hoặc
ma trận nội lực nút.


15

Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn: Giả sử V l miền xác định của một đại
lợng cần khảo sát no đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng,..) ta chia V ra
thnh nhiều miền con ve có kích thớc v bậc tự do hữu hạn. Đại lợng
xấp xỉ của đại lợng trên sẽ đợc tính trong tập hợp các miền ve. Phơng
pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve đợc gọi l phơng pháp xấp xỉ bằng các
phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:
Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vo
nút của ve v biên của nó.
Các hm xấp xỉ trong mỗi miền con ve đợc xây dựng sao cho chúng
liên tục trên ve v phải thoả mãn điều kiện liên tục giữa các miền con khác
nhau.Các miền con ve đợc gọi l các phần tử hữu hạn.
Nút hình học: Nút hình học l tập hợp n điểm trên miền V để xác
định hình học các phần tử hữu hạn. Chia miền V theo các nút trên, rồi thay
miền V bằng một tập hợp các phần tử ve có dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử
ve cần chọn sao cho nó đợc xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút
hình học của phần tử đó, có nghĩa l các toạ độ nằm trong ve hoặc trên biên
của nó.
Quy tắc chia miền thnh các phần tử: Việc chia miền V thnh các

phần tử ve phải thoả mãn hai quy tắc sau:
+ Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên
biên của chúng. Điều ny loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử.
Biên giới giữa các phần tử có thể l các điểm, đờng hay mặt.

v

1

v1

v2

v

a.
Biên giới

v1

2

b.
Biên giới

Hình 1.1 Biên giới giữa các phần tử

a. Điểm; b. Đờng; c. Mặt.

v2

c.
Biên giới


16

+ Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thnh một miền cng gần với
miền V cho trớc cng tốt. Tránh không đợc tạo lỗ hổng giữa các phần tử.
Các dạng phần tử hữu hạn: Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: Phần tử một
chiều, phần tử hai chiều v phần tử ba chiều. Trong mỗi loại đó đại lợng khảo
sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi l phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba,...
Một số phần tử hữu hạn hay gặp đợc trình by trong hình vẽ 1.2.

(a)
Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

(b)

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

(c). Phần tử ba chiều

* Phần tử lục diện
Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

* Phần tử
lăng trụ

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Hình 1.2 Các dạng phần tử hữu hạn

a. Phần tử một chiều; b. Phần tử hai chiều; c. Phần tử ba chiều.
Một chơng trình tính bằng phơng pháp phần tử hữu hạn thờng gồm các
khối sau:


17

+ Khối 1: Đọc, kiểm tra, tổ chức các dữ liệu mô tả nút v phần tử (lới
phần tử), các thông số vật lý (mô đun đn hồi, hệ số dẫn nhiệt), tải trọng tác
dụng v điều kiện biên.

+ Khối 2: Xây dựng ma trận độ cứng phần tử k v véc tơ lực nút phần tử

f, sau đó xây dựng ma trận độ cứng K v véc tơ lực nút F chung cho cả hệ.

+ Khối 3: Nhập điều kiện biên v giải phơng trình phần tử hữu hạn.
+ Khối 4: Tính toán các đại lợng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên
nhiệt, ...) v in kết quả.
Sơ đồ tính bằng phơng pháp phần tử hữu hạn đợc thể hiện trong hình vẽ 1.3.

Đọc, kiểm tra, tổ chức dữ liệu
Đọc v in
- Toạ độ nút

- Tải trọng tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử

- Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K v véc tơ lực chung F
- Với mỗi phần tử:
* Trích những thông tin liên quan đến phần tử
* Xây dựng ma trận k v véc tơ f.
- Xây dựng ma trận K v véc tơ lực F cho cả hệ

Giải hệ phơng trình KQ = F
- Nhập điều kiện biên (biến đổi K v F)
- Giải hệ phơng trình phần tử hữu hạn để tìm Q

In kết quả
- Tính toán các đại lợng khác (ứng suất, biến dạng,...)
- In kết quả (bảng số, đồ thị,...)

Hình 1.3 Sơ đồ tính toán bằng phơng pháp phần tử hữu hạn


18

Phần mềm dùng phơng pháp phần tử hữu hạn:
Có thể giới thiệu một số chơng trình dùng phơng pháp phần tử hữu
hạn đã nổi tiếng nh: MicroFEAP - II P1 Module - Vesion 3.0 v XETTAPS 95 thuộc viện công nghệ Châu á - AIT Thái Lan sử dụng hệ thống lới không
gian để tính toán các hệ khung v lõi chịu lực. Hệ thống STRAND của úc l
bộ chơng trình phân tích kết cấu. Hệ thống LUSAS của Anh l bộ chơng
trình tích phân tính kết cấu tĩnh v động học, tuyến tính v phi tuyến. Hệ
thống STAAD-III của Mỹ giải quyết các bi toán tĩnh v động đặc biệt trợ
giúp thêm phần thiết kế v vẽ tiện lợi đối với những công trình lớn. Chơng
trình SAP dùng để tính kết cấu nổi tiếng thế giới đợc khởi thảo từ những năm
1970 tại Mỹ. SAP2000 có khả năng mạnh giải quyết các bi toán kết cấu
không gian trong thực tế.
Phần mềm ANSYS (Analysis Systems): ANSYS l một gói phần mềm
FEA (Finite Element Analysis) hon chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết
kế trong công nghiệp, ANSYS đã v đang đợc sử dụng rộng rãi trên ton thế
giới trong hầu hết các lĩnh vực nh: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ,
tĩnh điện, tơng tác giữa các môi trờng v các hệ vật lý.
Kết cấu phần mềm ANSYS: Về mặt cấu trúc, phần mềm ANSYS đợc
chia ra thnh ba mô đun chính l mô đun tiền xử lý (Preprocessing); mô đun
giải (Solution); mô đun hậu xử lý (Postprocessing).

(1) Mô đun tiền xử lý (Preprocessing): Mô đun ny cho phép ngời
dùng có thể chuẩn bị những thao tác để cho quá trình giải, bao gồm xây dựng
mô hình hình học, định kiểu phần tử, lựa chọn mô hình vật liệu, chia lới phần
tử hữu hạn, đặt tải,...
Xây dựng mô hình hình học: Dựng mô hình hình học trong ANSYS có

thể theo hai khả năng: xây dựng trực tiếp v xây dựng gián tiếp. Phơng pháp
thứ nhất l có khả năng xây dựng trực tiếp mô hình hình học trên giao diện đồ
hoạ của ANSYS thông qua các lệnh mô hình. Nếu mô hình bao gồm các khối


19

đơn giản thì có thể dựng trực tiếp mô hình bằng các khối cơ sở rồi sử dụng các
phép toán lôgíc để có thể tạo đợc các mô hình phức tạp hơn. Nếu mô hình
phức tạp thì thao tác bắt đầu từ các điểm, rồi từ đó dựng thnh đờng, miền v
khối thông qua các lệnh xử lý về đồ hoạ trong ANSYS. Phơng pháp ny có
u điểm l ton bộ dữ liệu của mô hình hình học của bi toán đợc đa vo
trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu. Phơng pháp thứ hai l
xây dựng mô hình từ những phần mềm thiết kế mạnh nh Solidworks, Catia,...
rồi liên kết với ANSYS để đa mô hình hình học vo. Ưu điểm của phơng
pháp ny l có thể dựng đợc những mô hình rất phức tạp.
Định kiểu phần tử: Chọn kiểu phần tử l một bớc quan trọng, nó xác
định những đặc trng dới đây của phần tử:
+ Bậc tự do (Degree of Freedom): ví dụ một phần tử nhiệt có một bậc tự
do, trong khi một phần tử kết cấu có sáu bậc tự do.
+ Dạng phần tử: hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình tam
giác,....
không gian 2D hoặc 3D.
+ Dạng giả thiết của trờng chuyển vị: bậc nhất hoặc bậc hai. ANSYS
có một th viện gồm 150 kiểu phần tử để ngời dùng lựa chọn.
Phân loại phần tử: Các phần tử gồm có; phần tử thanh (Spar), phần tử
dầm (Beam), phần tử lò xo (Spring), các phần tử vỏ, các phần tử khối 2D, các
phần tử khối 3D, một số dạng phần tử đặc biệt. ANSYS còn có khả năng cho
phép ngời dùng định nghĩa phần tử riêng tuỳ từng trờng hợp cụ thể. Ngoi
ra đối với từng bi toán ANSYS phân chia thnh các lớp phần tử riêng nh lớp

phần tử dùng cho bi toán cấu trúc, lớp phần tử dùng cho bi toán phân tích
dòng chảy, lớp bi toán dùng cho bi toán phân tích nhiệt,.... Phần tử dùng
trong mỗi lớp bi toán có những yêu cầu riêng cũng nh các thông số đầu vo
v đầu ra khác nhau.


20

Mô hình vật liệu: Mỗi phân tích đòi hỏi nhập vo một vi thuộc tính vật
liệu: Mô đun đn hồi đối với những phần tử kết cấu, độ dẫn nhiệt đối với
những phần tử nhiệt,... ANSYS cũng cung cấp cho ngời dùng th viện vật
liệu với rất nhiều mô hình vật liệu khác nhau ứng dụng trong các bi toán
khác nhau: mô hình vật liệu đẳng hớng, dị hớng, đn hồi phi tuyến, dẻo phụ
thuộc tốc độ biến dạng, siêu đn hồi,...
Chia lới phần tử: Có hai phơng pháp chia lới chính l chia tự do v
chia lới có quy tắc.
+ Chia lới tự do (hình 1.4a): không hạn chế dạng phần tử; lới không
đi theo bất kỳ mẫu no; thích hợp cho những dạng thể tích v diện tích phức
tạp.

a

b

Hình 1.4 Các phơng pháp chia lới
+ Chia lới có quy tắc (hình 1.4b): Hạn chế dạng phần tử; có một mẫu
đều đặc với những dãy phần tử rõ rng. Tuỳ từng bi toán v đặc điểm cụ thể
ngời dùng có thể quyết định chia lới theo một trong hai kiểu trên. Kiểu chia
lới tự do thờng đợc áp dụng trong bi toán phân tích biến dạng lớn.

(2) Mô đun giải (Solution): Tải trọng áp đặt vo mô hình trong ANSYS
đợc chia thnh một số dạng cơ bản sau:
+ Những rng buộc bậc tự do: áp đặt bằng bậc tự do, ví dụ chuyển vị
trong một phân tích ứng suất, hoặc nhiệt độ trong một phân tích nhiệt.


21

+ Tải tập trung (Concentrated load): tải đặt vo điểm, ví dụ nh lực hay
tiêu thụ dòng nhiệt.
+ Tải bề mặt (Surface load): tải phân bố trên ton bộ một bề mặt, ví dụ
nh áp suất hoặc đối lu.
+ Tải vật thể (Body load): tải thể tích hoặc tải trờng, ví dụ nhiệt độ gây
ra giãn nở hoặc sự sinh nhiệt bên trong.
+ Tải quán tính (Inertia load): tải khối lợng kết cấu hoặc tải quán tính,
ví dụ trọng lực hoặc vận tốc quay.
Đối với bi toán phân tích cấu trúc, tải có thể l: chuyển vị theo các
phơng, lực tác dụng theo các phơng (bao gồm lực khối, lực mặt), áp suất,
nhiệt độ (cho trờng hợp biến dạng nhiệt) v gia tốc trọng trờng,...
Có thể đặt tải trên mô hình hình học hoặc trực tiếp trên mô hình FEM
(các nút v các phần tử). Dù cho cách đặt lực nh thế no thì FEM cũng cần
có tải trên mô hình phần tử hữu hạn. Vì thế tải đặt trên mô hình hoặc sẽ đợc
tự động chuyển đổi đến các nút v phần tử trong quá trình giải.
Các tuỳ chọn giải: Một phân tích tĩnh đợc giả thiết rằng chỉ có các lực
liên quan đến độ cứng l quan trọng. Một phân tích động lực học tính đến cả
ba dạng lực, thờng sẽ phải tính đến lực quán tính v lực cản nếu tải áp đặt
thay đổi nhanh theo thời gian.
Một phân tích tuyến tính với giả thiết rằng tải áp đặt vo lm thay đổi
không đáng kể đến độ cứng của kết cấu. Các dấu hiệu điển hình:
+ Chuyển vị nhỏ,

+ Biến dạng v ứng suất nằm trong miền đn hồi,
+ Không có những thay đổi đột ngột trong độ cứng, ví dụ nh hai vật
thể vo hoặc ra khỏi tiếp xúc.
Một phân tích phi tuyến l cần thiết nếu tải áp đặt lm thay đổi nhiều độ
cứng của kết cấu. Các nguyên nhân cơ bản lm thay đổi độ cứng của kết cấu
l:


22

+ Biến dạng ra khỏi vùng đn hồi (dẻo),
+ Chuyển vị lớn, ví dụ tải áp đặt lên một cần cẩu,
+ Tiếp xúc giữa hai vật thể.

(3) Mô đun hậu xử lý (Postprocessing): Hậu xử lý l khâu quan trọng
trong các bớc phân tích bi toán. ANSYS cung cấp hai mô đun hậu xử lý để
lu trữ kết quả phân tích tính toán. Đó l mô đun xử lý kết quả tổng quát v
mô đun xử lý kết quả theo thời gian. Mô đun xử lý kết quả tổng quát cho phép
biểu thị kết quả dới dạng: Các đờng đồng mức (thể hiện sự thay đổi ứng
suất, biến dạng,...), biến dạng (mức độ v phân bố biến dạng dới tác dụng
của tải trọng), véc tơ (véc tơ chuyển vị, xoay,...), phản lực, dòng chảy v
chuyển đổi dòng chảy. Sử dụng mô đun xử lý kết quả theo thời gian để biểu
thị kết quả phân tích dới dạng hm của thời gian, có thể xây dựng các dạng
của đồ thị nh đồ thị ứng suất tại nút theo thời gian,...
Cấu trúc tệp dữ liệu vo v dạng dữ liệu ra của ANSYS: Dữ liệu vo của
sơ đồ kết cấu đợc tổ chức thnh tệp dạng văn bản (text), trong đó có thể sử
dụng sự lựa chọn tự sinh v các kỹ thuật nhập số liệu khác cho phép nhập dữ
liệu rất nhanh v tiện lợi. Tệp dữ liệu của ANSYS đợc tổ chức dới dạng văn
bản bao gồm 15 khối dữ liệu độc lập theo kiểu riêng biệt với dòng ngăn cách
cho từng khối.

23

chơng 2
Mục tiêu, đối tợng,
nội dung v phơng pháp nghiên cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu đợc động học, động lực học v độ bền của hệ thống lái
trên máy kéo Bông Sen 20. Tìm ra các lực tác dụng lên hệ thống lái v sự thay
đổi của nó trong quá trình lái vòng, từ đó tìm ra ứng suất, biến dạng của các chi tiết
trong hệ thống lái. Kết quả nghiên cứu có thể dùng lm thông số đầu vo cho bi
toán tối u hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20, lm cơ sở cho việc hon thiện
thiết kế v chế tạo các chi tiết trong hệ thống lái, để đảm bảo cho máy kéo lm
việc ổn định v an ton.
2.2. Đối tợng nghiên cứu
Hệ thống lái trên máy kéo Bông Sen 20, đợc sản xuất v lắp ráp tại
Công ty máy kéo v máy nông nghiệp - H Đông - H Tây.
2.3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu động học v động lực học hệ thống lái máy kéo, với những
nội dung cụ thể nh sau:
+ Các vấn đề chung v cấu tạo hệ thống lái máy kéo Bông Sen 20,
+ Mô hình hệ thống lái máy kéo theo lý thuyết hệ nhiều vật,
+ Giải bi toán động học hệ thống lái máy kéo;
- Các yếu tố về kết cấu ảnh hởng tới tính năng ổn định v tính
năng dẫn hớng của hệ thống lái,
- Xác định các chế độ tải trọng lên hệ thống lái,
- Tính toán động học hệ thống lái máy kéo,
+ Tính toán động lực học hệ thống lái máy kéo;

24

- Xác định các thông số hệ thống của hệ thống lái máy kéo,
- Các kết quả tính động lực học hệ thống lái máy kéo.
Nghiên cứu độ bền một số chi tiết của hệ thống lái máy kéo, nội dung
gồm:
+ Tính bền rôtuyn;
- Cấu tạo rôtuyn,
- Chơng trình tính bền rôtuyn trong ANSYS,
+ Tính bền đòn quay trái;
- Cấu tạo đòn quay trái,
- Chơng trình tính bền đòn quay trái trong ANSYS,
+ Tính bền đòn quay phải;
- Cấu tạo đòn quay phải,
- Chơng trình tính bền đòn quay phải trong ANSYS.
2.4. Phơng pháp nghiên cứu
Sử dụng phơng pháp động lực học hệ nhiều vật, xác định các thông số
động học, động lực học lm thông số đầu vo để tính bền các chi tiết trong hệ
thống lái.
Sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn tính toán bền một số chi tiết của
hệ thống lái.
Sơ đồ nghiên cứu hệ thống lái đợc mô tả theo sơ đồ 2.1.