Nghiên cứu độ ồn rung của hộp số ô tô tải được thiết kế và chế tạo tại việt nam

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------

Cao Hùng Phi

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỒN RUNG CỦA HỘP SỐ ÔTÔ TẢI
ĐƯỢC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------

Cao Hùng Phi

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỒN RUNG CỦA HỘP SỐ ÔTÔ TẢI
ĐƯỢC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành:

Kỹ thuật ôtô máy kéo

Mã số:

62.52.35.01
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. DƯ QUỐC THỊNH
2. TS. NGUYỄN THANH QUANG

HÀ NỘI 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của tôi.
Những phương pháp, số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa từng
được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Cao Hùng Phi


CẢM ƠN
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và trang trọng nhất đến những
thầy giáo hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dư Quốc Thịnh và TS Nguyễn Thanh
Quang. Khoa học có quá nhiều khó khăn và phức tạp, có những lúc tưởng chừng
như khơng thể vượt qua được nhưng q thầy đã hướng dẫn giúp tơi tìm ra phương
pháp, trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết. Đến hơm nay có thể nói luận án
của tơi khó hồn thành nếu khơng có sự hướng dẫn tận tình của q thầy.

Tơi xin cảm ơn trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học,
bộ môn ôtô và xe chuyên dụng của trường là nơi trực tiếp quản lý và hướng dẫn tơi
suốt q trình nghiên cứu đề tài. Chân thành cảm ơn quý thầy làm việc trong bộ
môn ôtô trường đại học Bách Khoa Hà Nội, các nhà khoa học, các phịng thí
nghiệm và nhà máy đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận
án.
Tơi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến GS Takuya YOSHIMURA trưởng phòng
Lab trường đại học Metropolitan Tokyo Nhật Bản đã cung cấp tài liệu và hướng
dẫn tơi xây dựng phịng thí nghiệm đo ồn-rung tại Việt Nam, đồng thời cảm ơn
GS.TS Nguyễn Tiến Khiêm và Viện Cơ Học Việt Nam đã giúp tơi rất nhiều khi tìm
tài liệu và thiết bị đo ồn-rung rất hiện đại.
Với trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, nơi tôi công tác, là hậu
phương rất tốt đã tạo nhiều điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu. Đặc
biệt thầy Hiệu Trưởng TS. Trần Hồng Nam. Tơi xin chân thành cảm ơn những tình
cảm này.
Tơi ln nhớ cơng lao của những người thân trong gia đình và đặc biệt cảm ơn
vợ và con tơi, những người đã chia sẻ những khó khăn và tạo điều kiện tốt cho tôi
học tập nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và rất nhiều người đã
quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ tôi suốt thời gian qua.
Tác giả


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỒN-RUNG HỘP SỐ ƠTƠ
1.1. Tình hình nghiên cứu ồn-rung hộp số ôtô trên thế giới ....................................... 5
1.1.1. Nghiên cứu bánh răng và ồn-rung .............................................................. 5
1.1.2. Các thành tựu nghiên cứu về ồn-rung của LMS ........................................ 9
1.1.3. Ứng dụng phƣơng pháp chẩn đốn tình trạng kỹ thuật ơ tô xe máy ........ 13
1.2. Nghiên cứu ồn-rung trong nƣớc ........................................................................ 13
1.3. Một số khái niệm về ồn-rung ............................................................................ 14
1.3.1. Khái niệm về dao động sử dụng trong ồn-rung ........................................ 14
1.3.2. Khái niệm về âm thanh sử dụng trong ồn-rung ....................................... 23
1.4. Các nguồn gây ồn-rung hộp số ......................................................................... 29
1.4.1. Các lỗi khi chế tạo .................................................................................... 29
1.4.2. Các lỗi lắp đặt ........................................................................................... 29
1.4.3. Dao động sinh ra do cấu tạo của ổ ............................................................ 29
1.4.4. Ảnh hƣởng của độ ồn hộp số....................................................................30
1.5. Phổ dao động ...................................................................................................... 30
1.5.1. Phổ tần số của tín hiệu điều biên: ............................................................. 31
1.5.2. Phổ tần số của tín hiệu điều tần: .............................................................. 31
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ồn-rung hộp số ôtô .................................................... 32
1.7. Tiêu chuẩn đánh giá ồn-rung hộp số ........... ......................................................33


1.7.1. Tiêu chuẩn ISO 8579-1(E): 2002 (Tiêu chuẩn đánh giá ồn hộp số.
Tiêu chuẩn thử nghiệm âm thanh hộp số).........................................................33
1.7.2. Tiêu chuẩn ISO 8579-2(E): 1999 (Tiêu chuẩn đánh giá hộp số.
Tiêu chuẩn xác định rung động cơ học của hộp số trong thử nghiệm)...........34
1.7.3. Tiêu chuẩn TCVN 4922-89 (Xác định các đặc tính ồn rung
của máy trong trƣờng âm tự do trên mặt phẳng phản xạ âm)..........................35

Kết luận chƣơng 1........................ ............................................................................. 36
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ
HÌNH TÍNH TỐN ỒN RUNG HỘP SỐ
2.1. Tác động xung .................................................................................................... 37
2.1.1. Quá trình xung .......................................................................................... 37
2.1.2. Xung va chạm .......................................................................................... 41
2.2. Tác động xung trong cặp bánh răng ăn khớp ..................................................... 42
2.3. Thuật toán nghiên cứu truyền dao động ............................................................ 45
2.3.1. Hộp số nghiên cứu .................................................................................... 45
2.3.2. Đƣờng truyền rung động trong hộp số ..................................................... 47
2.4. Xây dựng phƣơng trình ...................................................................................... 48
2.4.1. Mơ hình tính tốn truyền động bánh răng hộp số .................................... 48
2.4.2. Thành lập hệ phƣơng trình dao động hộp số ............................................ 49
2.4.3. Phân tích hệ phƣơng trình dao động hộp số ............................................. 53
Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................... 56
Chƣơng 3: GIẢI BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH
HƢỞNG CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ỒN-RUNG HỘP SỐ ƠTƠ
3.1. Trạng thái chuyển động bình ổn của hộp số ...................................................... 57
3.2. phƣơng pháp phổ giải phƣơng trình .................................................................. 58
3.3. Dùng Matlab Simulink mơ phỏng ồn-rung hộp số nghiên cứu.......................... 59
3.3.1. Sơ đồ thuật toán. ....................................................................................... 59
3.3.2. Các trạng thái mô phỏng ồn-rung hộp số ................................................. 61
3.4. Kết quả tính tốn .. ............................................................................................. 65
3.4.1. Thơng số hộp số nghiên cứu .................................................................... 65


3.4.2. Kết quả mô phỏng..................................................................................... 67
3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của một số thông số kết cấu và chế độ làm việc của
hộp số nghiên cứu đến ồn-rung ......................................................................... 71
3.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của mô men M1........................................................ 72

3.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của tính chất vật liệu (độ cứng k)
đến dao động rung của hộp số ................................................................. 74
3.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của mô men cản M2 theo tải thay đổi ...................... 76
3.6. Tính kết quả dao động về mặt lý thuyết đạt giá trị cực đại...................... .........78
Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................................... 80
CHƢƠNG 4: THÍ NGHIỆM
4.1. Đo và phân tích ồn-rung ..................................................................................... 81
4.1.1. Phân tích độ rung động của hộp số ........................................................... 81
4.1.2. Hệ thống đo và các nguyên lý đo ồn-rung................................................ 82
4.2. Thí nghiệm ......................................................................................................... 86
4.2.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................. 86
4.2.2. Cở sở tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 86
4.2.3. Xây dựng cơ sở vật chất phịng thí nghiệm .............................................. 86
4.2.3.1. Xây mới phịng thí nghiệm đo ồn-rung tại Việt Nam................. 87
4.2.3.2. Thiết bị đo, ghi và các phần mềm đo, ghi, phân tích. ................. 91
4.2.4. Sơ đồ đo của thiết bị đo ồn-rung .............................................................. 92
4.2.5. Hiệu chỉnh thiết bị đo ............................................................................... 92
4.2.5.1. Thiết bị hiệu chỉnh đầu đo dao động ........................................... 92
4.2.5.2. Kết quả hiệu chỉnh ....................................................................... 94
4.2.6. Phần mềm DasyLab 7.0 ............................................................................ 95
4.3. Quy trình đo ....................................................................................................... 95
4.3.1. Bệ thử hộp số ........................................................................................... 95
4.3.1.1. Bệ thử hộp số theo dịng cơng suất hở ........................................ 95
4.3.1.2. Phịng cách âm bệ thử hộp số theo dịng cơng suất hở ............... 97
4.3.1.3. Kiểm tra phòng cách âm ............................................................. 97


4.3.2. Quy trình thí nghiệm ............................................................................... 97
4.4. Địa điểm, thời gian, điều kiện, sơ đồ thí nghiệm ............................................. 99
4.4.1. Địa điểm .................................................................................................. 99

4.4.2. Thời gian ................................................................................................. 100
4.4.3. Điều kiện thử nghiệm ............................................................................. 100
4.5. Kết quả ............................................................................................................. 100
4.5.1. Kết quả thí nghiệm đo đƣợc ................................................................... 100
4.5.2. Xử lý kết quả .......................................................................................... 101
4.5.2.1. Kết quả đo ồn-rung ................................................................... 102
4.5.2.2. Phân tích FFT ........................................................................... 102
4.5.2.3. Phân tích Octave ....................................................................... 104
4.5.2.4. Phân tích Envelope ................................................................... 105
4.5.2.5. Phân tích RMS .......................................................................... 105
4.6. Xây dựng Noise-Map ....................................................................................... 112
4.6.1. Dạng tổng quát........................................................................................ 112
4.6.2. Dạng thứ 2 .............................................................................................. 113
4.6.3. Dạng thứ 3 .............................................................................................. 114
4.7. So sánh kết quả dao động tính tốn lý thuyết và thực nghiệm đo đƣợc
của hộp số nghiên cứu......................................................................................114
Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................... 116
Kết luận ................................................................................................................... 117
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án .................................................. 119
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 120
Phụ lục ..................................................................................................................... 123
Phụ lục 1 ........................................................................................................... 124
Phụ lục 2 ........................................................................................................... 132
Phụ lục 3 ........................................................................................................... 138
Phụ lục 4 ........................................................................................................... 141
Phụ lục 5 ........................................................................................................... 143


Quyết định thành lập hội đồng cấp Trƣờng............................................................
Quyết nghị của hội đồng bảo vệ luận văn cấp Trƣờng........................................

Ý kiến phản biện...................................................................................................


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
c, V

Tên

Đơn vi ̣

Ps

Tố c đô ̣ âm thanh trong không khí
Áp suất khí quyển

m/s
Pa

0

Mâ ̣t đô ̣ của không khí .

kg/m3

f
T
p
I

P
Li
Lp
LA
LAV,T
LA,T
adB
vdB
,

Tầ n số
Chu kỳ
Bước sóng
Áp suất âm
Cường đô ̣ âm
Công suấ t âm
Mức cường đô ̣ âm
Mức áp suấ t âm
Mức áp suấ t âm tro ̣ng số A (mức âm A)
Mức âm trung bin
̀ h
Mức âm trọng số A trung bình
Gia tốc âm
Vận tốc âm
Góc lệch pha

Hz
s
m
Pa

W/m2
W
dB
dB
dBA
dBA
dBA
mm/s2
mm/s
rad

 2V

Phương sai vâ ̣n tố c dao đô ̣ng bề mă ̣t

m2/s2

A
Q

m2
m3/s
giây
m/s

E
1 , 2

Diê ̣n tić h trở kháng của vách ngăn
Lưu khố i

Thời gian tác dụng của xung
Vận tốc lúc va chạm
Hê ̣ số hấ p thu ̣ âm
Hê ̣ số trở kháng âm
Xung dao động
Hệ sớ Poatson
Mơ-đun đàn hồi
Bán kính cong của 2 mặt tiếp xúc

Q0

Cường độ xung va chạm

m/s2

Q0  

Phổ xung lực va chạm

Hz




V0
, 
Z
I(t)


N/m2
N/m2
m


NVH
CĐĐH
RMS
TE
TSTT
TSQT
STT
ĐC
MP-100S
FFT

Noise Vibration Harshness
Chủn động điều hịa
Root Mean Square
Sai sớ truyền động (Transmission error)
Tần số trung tâm
Tần số quãng tám
Số thứ tự
Động cơ đốt trong
Tên thiết bị gây tải và đo tải
Fast Fourier Transfrom

Hz
Hz

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1.
Bảng 1.2.
Bảng 1.3.
Bảng 1.4.
Bảng 1.5.
Bảng 1.6.
Bảng 1.7.
Bảng 1.8.
Bảng 2.1.
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 4.1.
Bảng 4.2.
Bảng 4.3.
Bảng 4.4.
Bảng 4.5.

Nguyên nhân và đường truyền lỗi trong hộp số
Bảng đặc tính thiết bị
Các giá trị chuyển vị tiêu biểu của chuyển động điều hòa
Các giá trị vận tốc tiêu biểu của CĐĐH

Tần số trung tâm điển hình
Các giải thơng điển hình
Vận tớc âm thanh trong vật liệu ở nhiệt độ phịng
Cơng śt âm và mức cơng suất âm
Các tham số phương trình thay đổi và mối quan hệ
Các thông số của hộp số
Các chế độ khảo sát hộp số M1
Các chế độ khảo sát hộp số theo ảnh hưởng của vật liệu
Các chế độ khảo sát hộp sớ theo M2 khi tải thay đổi
Đặc tính kỹ thuật các loại Microphone
Danh mục thiết bị dụng cụ phần mềm đo
Giá trị hiệu chuẩn đầu đo dao động
Giá trị hiệu chuẩn đầu đo rung
Các chế độ thử nghiệm hộp sớ

07
10
15
16
22
22
26
27
54
65
71
73
75
85
91

94
94
97

Bảng 4.6.
Bảng 4.7.

Chế độ, kết quả thí nghiệm
Chế độ, kết quả xử lý sớ liệu thí nghiệm

101
101


Bảng 4.8.

Đường đặc tính của RMS

106

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ
Hình vẽ

Tên

Trang

Hình 1.1.

Sơ đồ truyền lỗi của Harris biểu diễn một cặp bánh răng ở

tải trọng khác nhau

05

Hình 1.2.

Biến thể của truyền lỗi (TE) với tốc độ do nội động năng

06

Hình 1.3.

Thử nghiệm q trình mịn

08

Hình 1.4.

Hiển thị kết quả thí nghiệm

09

Hình 1.5.

Thiết bị phân tích và ghi công suất 16 kênh

11

Hình 1.6.

Kiểm tra đo ồn-rung bánh răng hộp số

12

Hình 1.7.

Kiểm tra đo ồn-rung ăn khớp bánh răng, tải thay đổi

13

Hình 1.8.

CĐĐH đơn của một khối lượng treo lên lị xo

14

Hình 1.9.

Chủn động điều hịa đơn

15

Hình 1.10.

Vận tớc và gia tốc dao động

17

Hình 1.11.

Tương quan: chuyển vị, vận tốc, gia tốc

17

Hình 1.12.

Tác động của hai chuyển động điều hòa đơn cùng pha ban
đầu

21

Hình 1.13.

Tác động của hai chuyển động điều hịa đơn lệch pha 600

21

Hình 1.14.

Phổ tần sớ của dao động phức hợp hai thành phần tần số
f1 , f2

21

Hình 1.15.

Nguồn âm

24

Hình 1.16.

Phổ tín hiệu điều biên

31

Hình 1.17.

Phổ tín hiệu điều tần

32

Hình 2.1.

Sơ đồ cặp bánh răng ăn khớp

37

Hình 2.2.

Mơ hình truyền động bánh răng hộp sớ

46

Hình 2.3.

Sơ đồ truyền động tay số 2 (cấp số chậm)

48

Hình 2.4.

Mô hình tính tốn truyền động bánh răng hộp sớ

48

Hình 2.5

Mơ hình vùng tiếp xúc khi hai răng ăn khớp

49

Hình 3.1.

Sơ đồ thuật tốn xác định dao động ồn-rung hộp sớ

60

Hình 3.2.

Sơ đồ tổng thể mô phỏng dao động rung hộp số

61


Hình 3.3.

Mô đun mô phỏng "phi1"

62

Hình 3.4.

Mô đun mô phỏng "phi2"

63

Hình 3.5.

Mô đun mô phỏng "phi3"

63

Hình 3.6.

Mô đun mô phỏng "phi4"

63

Hình 3.7.

Mô đun mô phỏng "phi5"

64

Hình 3.8.

Các mô đun mô phỏng "xi"

64

Hình 3.9.

Các mô đun mô phỏng "Ii"

65

Hình 3.10.

Mô-đun mô phỏng góc xoay, vận tớc và gia tớc góc xoay
5

68

Hình 3.11.

Góc xoay trục bánh răng 5 [5 (t)]

68

Hình 3.12.

Vận tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian['5 (t)]

69

Hình 3.13.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian ["5 (t)]

69

Hình 3.14.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo tần sớ ["5 (f)]

70

Hình 3.15.

Scope vận tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian
5(t)

70

Hình 3.16.

Scope gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian
"5(t)

71

Hình 3.17.

Góc xoay trục bánh răng 5 5 (t)

72

Hình 3.18.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian "5 (t)

72

Hình 3.19.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo tần sớ "5 (f)

73

Hình 3.20.

Góc xoay trục bánh răng 5 5 (t)

74

Hình 3.21.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian "5 (t)

74

Hình 3.22.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo tần sớ "5 (f)

75

Hình 3.23.

Góc xoay trục bánh răng 5 5 (t)

76

Hình 3.24.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo thời gian "5 (t)

76

Hình 3.25.

Gia tớc góc xoay trục bánh răng 5 theo tần sớ "5 (f)

77

Hình 3.26.

Mô-đun mô phỏng gia tốc "5 (t) theo X5x

78

Hình 3.27.

Gia tốc "5 (t) theo X5x

78

Hình 4.1.

Hệ thống đo và phân tích dao động DEWEBOOK của
hãng DEWETRON (Áo) và phần mềm DasyLab7.0
(Đức)

82


Hình 4.2.

Sơ đồ cấu tạo cảm biến đo gia tốc

83

Hình 4.3.

Cảm biến đo vận tốc dao động

83

Hình 4.4.

Sơ đồ cấu tạo cảm biến đo chuyển vị

84

Hình 4.5.

Hình ảnh nghiên cứu tại phịng Lab trường đại học
Metropolitan Tokyo Nhật Bản

87

Hình 4.6.

Hình chiếu đứng phịng thí nghiệm

88

Hình 4.7.

Hình chiếu bằng phịng thí nghiệm

88

Hình 4.8.

Bệ thử hộp sớ

89

Hình 4.9.

Đường đặc tính ngồi động cơ

89

Hình 4.10.

Đặc tính làm việc của thiết bị MP-100S

90

Hình 4.11.

Xử lý cách âm và phản xạ âm phịng thí nghiệm tại

91

Hình 4.12.

Sơ đồ thiết bị đo ồn-rung.

92

Hình 4.13.

Hệ thống hiệu chuẩn cảm biến đo dao động

93

Hình 4.14.

Bộ chuẩn âm BK 4229.

93

Hình 4.15.

Chuẩn cảm biến đo âm BK 2671 và máy đo ồn cầm tay
BEHA 93411.

93

Hình 4.16.

Sơ đồ thử nghiệm hộp sớ theo dịng cơng śt hở

96

Hình 4.17.

Hình thực tế sơ đồ thử nghiệm hộp sớ theo dịng cơng
śt hở

96

Hình 4.18.

Bớ trí cách âm phịng thí nghiệm

97

Hình 4.19.

Vị trí đo ồn-rung hộp số

99

Hình 4.20.

Vị trí đặt cảm biến đo ồn-rung hộp số

100

Hình 4.21.

Tín hiệu trong miền thời gian

102

Hình 4.22.

Tổ hợp các dao động.

103

Hình 4.23.

Tín hiệu trong miền tần sớ (phân tích FFT).

103

Hình 4.24.

Tín hiệu trong miền tần sớ (phân tích 1/3 Octave,).

104

Hình 4.25.

Tín hiệu trong miền tần sớ (phân tích Envelope).

105

Hình 4.26.

Dao động 3 phương xyz theo miền thời gian không tải,
cấp chậm

107

Hình 4.27.

Dao động 3 phương xyz theo miền thời gian không tải,
cấp nhanh

108

Hình 4.28.

Ồn hộp số chế độ không tải ở 2 cấp chậm và nhanh

109


Hình 4.29.

Dao động 3 phương xyz theo miền thời gian với tải thay
đổi, cấp chậm

110

Hình 4.30.

Dao động 3 phương xyz theo miền thời gian với tải thay
đổi, cấp nhanh

110

Hình 4.31.

Ồn hộp số chế độ tải thay đổi ở 2 cấp chậm và nhanh

111

Hình 4.32a

Đồ thị ồn hộp sớ thí nghiệm

112

Hình 4.32b

Đồ thị ồn hộp sớ thí nghiệm tải thay đổi cấp chậm

113

Hình 4.32c

Đồ thị ồn hộp sớ thí nghiệm tải thay đổi cấp nhanh

114


-1-

MỞ ĐẦU
Theo quyết định số 177/2004/QĐTTCP về quy hoạch phát triển ngành công
nghiệp ôtô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020, Chính phủ đã định
hướng về sản xuất hộp số ôtô sản lượng đạt 100.000 bộ/năm vào 2010, khoảng
200.000 bộ/năm vào năm 2020, tỷ lệ sản xuất trong nước đạt 90% vào năm 2010
[11]. Nhiều nhà máy trong nước đã tập trung đầu tư nghiên cứu chế tạo phụ tùng
cho các dòng xe lắp ráp trong nước nhằm tăng cường tỷ lệ nội địa hóa theo định
hướng của chính phủ.
Đến nay, năm 2010 theo khảo sát của tác giả khơng có nhà máy hay cơ sở sản
xuất nào tại Việt Nam chế tạo hoàn chỉnh hộp số ôtô tải. Duy nhất vào năm 2006,
nhóm nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nước, mã số KC.05.32 do
TS Nguyễn Thanh Quang chủ đề tài đã nghiên cứu thiết kế và xây dựng quy trình
cơng nghệ sản xuất thử nghiệm hộp số sử dụng cho ôtô tải thông dụng. Tuy nhiên
đề tài này xây dựng cơ sở lý thuyết và thử nghiệm chưa hoàn chỉnh [12].
Để sản xuất hồn chỉnh hộp số ơtơ phải qua nhiều giai đoạn và có nhiều phần
nghiên cứu chuyên sâu: Thiết kế, công nghệ chế tạo, công nghệ nhiệt luyện, nghiên
cứu ồn-rung hộp số, nghiên cứu độ bền lâu hộp số,...
Xuất phát từ yêu cầu này đề tài “Nghiên cứu độ ồn-rung hộp số ô tô tải được
thiết kế và chế tạo tại Việt Nam” thực hiện trong khuôn khổ luận án tiến sỹ nhằm
hoàn thiện việc chế tạo hộp số tại tại Việt Nam là cấp thiết.
 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn làm cơ sở khoa học xây dựng hàm truyền
dao động trong hộp số ôtô tải, xác định các thông số ảnh hưởng đến ồn-rung hộp số
khi làm việc. Thông qua giá trị ồn-rung hộp số khi làm việc sẽ đánh giá một loạt các

thông số của hộp số như: thông số kết cấu (bảng 2.1) hoặc các chế độ làm việc của
hộp số.
Xây dựng mới phịng thí nghiệm bao gồm thiết kế các hệ thống, lắp đặt các
thiết bị thí nghiệm, thiết lập qui trình đo giá trị ồn-rung của hộp số ở các chế độ hoạt
động trong phịng thí nghiệm.
Sau khi nghiên cứu đạt được những mục tiêu về lý thuyết và thực nghiệm sẽ là
cơ sở khoa học để hoàn thiện việc sản xuất hộp số ơtơ tải nói riêng và hộp số ơtơ nói
chung đạt u cầu kỹ thuật.


-2-

 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng mơ hình tính tốn, thiết lập hệ phương trình truyền dao động trong
hộp số ôtô tải. Xác định các thông số ảnh hưởng đến ồn-rung của hộp số.
- Sử dụng phần mềm MatLab Simulink để giải hệ phương trình và mơ phỏng
ảnh hưởng khi thay đổi giá trị các thông số đến ồn-rung của hộp số trong hoạt động.
- Xây dựng mới phòng thí nghiệm bao gồm: thiết kế xây dựng hệ thống, thiết
bị thí nghiệm đo ồn-rung đáp ứng theo TCVN 4922-89. Lắp đặt thiết bị và vận hành
phịng thí nghiệm theo đúng qui trình đo ồn-rung hộp số.
- Xử lý số liệu thí nghiệm đo ồn-rung hộp số và kiểm chứng với giá trị tính
tốn lý thuyết để đánh giá phương pháp nghiên cứu là phù hợp.
 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu ồn-rung hộp số xe tải có tải trọng dưới 3 tấn
được thiết kế và chế tạo tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn là xây
dựng mơ hình tốn xác định dao động từ trục vào đến trục ra của hộp số về mặt lý
thuyết và xây dựng mới phòng thí nghiệm đo giá trị ồn-rung của hộp số khi vận
hành tại các chế độ làm việc trong phịng thí nghiệm.
 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu này, sử dụng phương pháp xây dựng mơ hình tốn, tính tốn

về mặt lý thuyết và sử dụng phần mềm MatLab Simulink để mô phỏng ảnh hưởng
của các thông số đến giá trị ồn-rung của hộp số, đồng thời xây dựng mới phịng thí
nghiệm đo ồn-rung trên hộp số nghiên cứu trong phịng thí nghiệm để kiểm chứng
với kết quả tính tốn về mặt lý thuyết.
 Các kết quả mới
Xây dựng mô hình tốn bằng hệ phương trình vi phân mơ tả dao động của hộp
số nghiên cứu.
Mô phỏng ảnh hưởng của các thông số kết cấu của hộp số bằng phần mềm
MatLab Simulink.
Xây dựng mới phịng thí nghiệm, bao gồm: thiết kế các hệ thống, lắp đặt các
thiết bị thí nghiệm; Thiết lập qui trình thí nghiệm và đo được các gia trị ồn-rung của
các chế độ hoạt động của hộp số. Phịng thí nghiệm đo ồn-rung nầy là xây dựng đầu
tiên tại Việt Nam.


-3-

 Bố cục luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu và 4 chương trình bày những vấn đề nghiên
cứu, phần kết luận. Các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố của tác giả, tài liệu tham
khảo và phụ lục. Nội dung những vấn đề nghiên cứu của luận án được cấu trúc như
sau:
Chương 1: Tổng quan về ồn-rung trong hộp số ơtơ. Tác giả trình bày về những
thành tựu nghiên cứu ồn-rung hộp số trên thế giới và ở Việt Nam. Xác định phương pháp
nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng mơ hình tính tốn ồnrung hộp số. Tác giả phân tích sự ăn khớp và truyền động bánh răng cũng như các
chế độ làm việc thực của hộp số, xác định nguyên nhân gây ra dao động trong hộp
số, biểu diễn nguyên nhân gây ra dao động dưới dạng xung lực tác dụng lên hai
răng ăn khớp. Từ đây xây dựng mơ hình tốn và thiết lập hệ phương trình vi phân
truyền dao động trong hộp số dưới tác động của xung lực do khe hở.

Chương 3: Giải bài toán dao động và nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng các
thông số đền ồn-rung hộp số ơtơ. Tác giả phân tích trạng thái chuyển động bình ổn
của hộp số. Đã giải hệ phương trình 2.46 bằng phương pháp phổ đồng thời sử dụng
phần mềm MatLab giải hệ phương trình vi phân dao động của hộp số. Để phân tích
ảnh hưởng các thông số kết cấu cùng các chế độ làm việc của hộp số nghiên cứu
đến giá trị ồn-rung tác giả dùng phần mềm MatLab Simulink để mơ phỏng.
Chương 4: Thí nghiệm. Tác giả trình bày những phần chính của nghiên cứu
thực nghiệm, bao gồm: thành lập mới một phịng thí nghiệm đo ồn-rung, thiết kế
các hệ thống, chọn lựa và lắp đặt các thiết bị, xây dựng qui trình đo và xử lý kết quả
thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm này sẽ được so sánh với phần tính tốn lý thuyết của
chương 3 để khẳng định tính đúng đắn của mơ hình.
Tất cả các kết quả của chương này được công bố trong 5 bài báo cáo tại 2 hội
nghị quốc tế như phần những danh mục các cơng trình đã công bố.
Kết luận. Với những kết quả đã đạt được sau quá trình thực hiện luận án, so
sánh với mục tiêu nghiên cứu như: xây dựng được mơ hình toán làm cơ sở khoa học
xây dựng hàm truyền dao động trong hộp số ơtơ tải, giải hệ phương trình xác định
các giá trị ồn-rung của hộp số nghiên cứu ở các chế độ làm việc. Dùng phần mềm
Matlab Simulink mô phỏng ảnh hưởng của hơn 40 thông số thiết kế cùng các chế độ


-4-

làm việc của hộp số, với phương pháp này giúp q trình thiết kế và chẩn đốn tình
trạng kỹ thuật hộp số ơtơ tải nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Xây dựng mới phịng thí nghiệm bao gồm việc lắp đặt các hệ thống, thiết bị thí
nghiệm đo giá trị ồn-rung của hộp số ở các chế độ hoạt động nhằm khảo sát ảnh
hưởng của các thông số đến ồn-rung hộp số ơtơ tải, so sánh những kết quả này với
tính toán lý thuyết nhằm đánh giá phương pháp nghiên cứu lý thuyết là phù hợp.
Trong tương lai Việt Nam sẽ xây dựng tiêu chuẩn ồn-rung của hộp số phục vụ
cho thiết kế và chẩn đốn tình trạng kỹ thuật ơtơ.

Luận án được hồn thành tại bộ mơn ơtơ và xe chun dụng trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội. Phịng thí nghiệm đo ồn-rung xây dựng mới tại trường cao đẳng
Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long, quá trình đo ồn-rung được sự hỗ trợ về thiết bị của
phòng thử nghiệm động lực học, viện Cơ học Việt Nam. Hộp số thử nghiệm là sản
phẩm của dự án nghiên cứu cấp bộ có mã số KC.05.DA02/06-10 sản xuất tại Việt
Nam.


-5-

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ỒN-RUNG HỘP SỐ ÔTÔ
Bánh răng, hộp số đã được nghiên cứu từ rất lâu tại đại học Cambridge, từ
năm 1827 nhà toán học G.B. Airy đã nghiên cứu về biên dạng răng. Sau khi chiến
tranh thế giới thứ hai kết thúc. E.K. Frankl, giảng viên tại khoa kỹ thuật đại học
Cambridge sử dụng đồng hồ đo biến dạng răng theo nguyên lý cảm biến điện và sử
dụng vân giao thoa để nghiên cứu tải trọng tác dụng lên bánh răng [18].
1.1. Tình hình nghiên cứu ồn-rung hộp số ôtô trên thế giới
1.1.1 Nghiên cứu bánh răng và ồn-rung

Hình 1.1. Sơ đồ truyền lỗi của Harris biểu diễn một cặp bánh răng
ở tải trọng khác nhau [18]
Lần đầu tiên S.L. Harris tại đại học Lancaster đã tính toán rung động bánh
răng dưới tác động của tải trọng, trong quá trình này Harris đã xác định các nguồn
lực gây ra rung động phụ thuộc vào lỗi các răng do sản xuất hoặc biến dạng của
răng dưới tác dụng của tải [19]. Ông làm việc với sinh viên nghiên cứu sinh tên
R.G. Munro về đo lường và truyền sai số trong hộp số, R.G. Munro sau này trở
thành giáo sư tại Đại học Huddersfield, ông đặt ra thuật ngữ và tồn tại đến bây giờ

-6-

là tiếng ồn hộp số. Harris và Munro đã chứng minh sai số truyền động của bánh
răng khi thay đổi tải trọng khác nhau và đặc biệt đã chỉ ra cách sửa chữa biên dạng
để giảm lỗi truyền (TE). Công trình này đã cơng bố cùng bởi S.L. Harris, R. Wylie
Gregory và R.G. Munro trong bài báo cho hội kỹ sư cơ khí, và đã được sự cơng
nhận rộng rãi trên thế giới. Một cơng trình tiếp theo, trong đó sơ đồ Harris, (hình
1.1), lần đầu tiên được sử dụng. Với kết quả này các nhà thiết kế vận dụng một cách
hợp lý khi thiết kế bánh răng.

Hình 1.2. Biến thể của truyền lỗi (TE) với tốc độ do động năng [21]
Hình 1.2, đây là đóng góp của Harris về nghiên cứu động học bánh răng. Nó
cho thấy lỗi truyền (TE) làm tăng trạng thái dao động trong bánh răng. Năm 1965,
Welbourn đã nghiên cứu tiếng ồn. Các kết quả chính đã được cơng bố tại Học viện
Cơ khí (năm 1970). Hội thảo, tổ chức tại khoa kỹ thuật đại học Cambridge. Tại hội
nghị này, Welbourn cũng công bố công trình về tiếng ồn hộp số, hiển thị các loại


-7-

tần số khác nhau từ lỗi chế tạo bánh răng, có độ lệch tâm, lỗi profile răng, hoặc lỗi
ăn khớp, bao gồm biến dạng răng. Điều này giải thích phổ tiếng ồn bánh răng của
các tác giả xuất bản trước đó là khơng hợp lý. J.D. Smith, giảng viên đại học
Cambridge bắt đầu nghiên cứu về các thiết bị đo lường số, và thiết kế thiết bị kiểm
tra rất chính xác cho lỗi profile răng [20]. Hầu hết các công việc của Smith thuộc về
giai đoạn 1975-2000.
Bảng 1.1: Nguyên nhân và đường truyền lỗi (TE) trong hộp số
Thông số thiết kế và chế tạo

Biến dạng bánh răng 

 Biến dạng bánh răng

Lệch vỏ hộp số 
 Độ chính xác

Chuyển động bánh răng 
 Chuyển động bánh răng

Lệch răng 
 Lệch răng

Độ chính xác frofile răng 
 Độ chính xác mặt cắt bánh
răng

Độ chính xác bước răng 
 Độ chính xác bước răng

Độ chính xác góc xoắn răng 
 Độ chính xác góc xoắn răng
Sai số truyền động
Khối lượng Độ cứng Vững Độ cứng
hộp số

Xuất hiện dao động bên trong

Phản lực ổ trục

Khối lượng Độ cứng vững ổ Độ cứng
trục


Rung động giá đỡ chân hộp số

Giá chống rung

Truyền rung động ra khung

Tấm cách âm

Tiếng ồn ra khơng khí
Các cơng trình nghiên cứu công bố tổng hợp trong tác phẩm "Gear Noise and


-8-

Vibration", vào năm 1999. Sử dụng máy tính để dự đốn sai sót của thiết kế, các
lỗi sản xuất gây ồn. Đo truyền lỗi (TE) theo tốc độ và theo tải trọng, với độ chính
xác nhỏ hơn một micron với lực kích động xác định trong hộp số, do đó các bánh
răng có thể được sử dụng để thực hiện thử nghiệm cộng hưởng nhằm xác định lực
kích động cục bộ hay trong toàn hệ thống. Các nguyên nhân và đường truyền lỗi
trong hộp số được thể hiện trong bảng 1.1. [21]
Đến thời điểm này, song song với công tác nghiên cứu lý thuyết, một yêu cầu
lúc này phải hỗ trợ ngành công nghiệp giải quyết vấn đề tiếng ồn và độ rung. J.D.
Smith bắt đầu công việc thiết kế và phát triển các thiết bị đo ồn-rung. Kết quả như
thể hiện trong hình 1.3.

Hình 1.3. Thử nghiệm quá trình mòn
Nghiên cứu đường truyền sai số J.D. Smith đã phát hiện ra rằng có thể theo
dõi các điểm ăn khớp liên hệ với bề mặt giữa hai bên sườn răng ăn khớp. Kỹ thuật
này, mặc dù khó áp dụng, có thể phát hiện sớm sự mòn của cặp bánh răng ăn khớp,

rất lâu trước khi nó được hiển thị trên răng, và đã chứng minh trên cả hai hộp số lớn


-9-

và nhỏ.
1.1.2.

Các thành tựu nghiên cứu về ồn-rung của LMS [27]

LMS là công ty đa quốc gia đặt tại Bỉ chuyên về NVH xây dựng phần mềm
chuyên dùng LMS Sysnoise, đã nghiên cứu phát triển nhiều thiết bị, phần mềm và
thành lập nhiều phịng thí nghiệm chun dùng, xây dựng phương pháp pháp đo ồn
rung để kiểm tra hầu hết các cơng trình và sản phẩm mới chế tạo.

 Phịng thí nghiệm dao động

Hình 1.4. Hiển thị kết quả thí nghiệm
Phịng thí nghiệm kiểm tra dao động nâng cao LMS bao gồm tất cả các mơđun của phịng thí nghiệm dao động tiêu chuẩn có bổ sung thêm thiết bị hiện đại và
mơ-đun trình tự kiểm tra.
Giải pháp nâng cao cũng cho phép sửa đổi dữ liệu máy tính theo mơi trường
sử dụng và điều chỉnh q trình kiểm tra. Lúc sử dụng có thể tạo q trình kiểm tra
bằng cách sửa dữ liệu. Điều chỉnh tốc độ làm việc có thể điều chỉnh chất lượng
kiểm tra dao động và ồn. Ồn và dao động là một bộ phận của phòng kiểm tra dao
động LMS. Kết quả đo được phân tích và hiển thị 3D.
LMS Test.Xpress được tích hợp với thiết bị ngoại vi LMS SCADAS Mobile.
LMS SCADAS Mobile là một thiết bị có cơng suất lớn, kích thước nhỏ gọn và có
trọng lượng nhẹ, hệ thống thu nhận dữ liệu ngoại vi của nó: có tốc độ lấy mẫu mỗi
kênh lên đến 102,4 kHz, độ chính xác 24 bit, tín hiệu tỉ lệ ồn 105 dB, tốc độ 2.2M
mẫu/giây.

Khi sử dụng có thể chọn mơ-đun từ 4 đến 8 kênh hệ thống SCM01 hoặc cho
bộ phận xách tay SCM05, một mơ-đun phía trước có 5 lỗ để kết nối tới 40 kênh tín


- 10 -

hiệu vào của máy chủ. LMS Test.Xpress sử dụng chung bộ xử lý ngoại vi LMS
SCADAS Mobile với LMS Test.Lab kết hợp những giải pháp công nghệ ồn và dao
động tiên tiến.
LMS SCADAS Mobile:
Bảng 1.2. Bảng đặc tính thiết bị
LMS SCADAS
SCM01
Số lượng slots

Mobile LMS SCADAS Mobile
SCM05

2 (1 cho hệ thống điều 6 (1cho hệ thống điều
khiển)
khiển)

Số lượng kênh tối đa cho 8
một khung

40

Ta cho vào

2 (standard on board)

2 (standard on board)

Tín hiệu phát ra

2 (standard on board)

2 (standard on board)

Kích thước (WxHxD)

203 x 58 x 260 mm
7.99 x 2.28 x 10.24 inch

340 x 78 x 295 mm
13.38 x 3.07 x 11.69 inch

Trọng lượng

2.5kg / 5.59lbs

6.2kg max / 13.67 lbs
max

Điện áp vào AC

110/220V

110/220V

Điện áp vào DC

9-36V

9-36V

Công suất tối đa

15W

40W

Thời gian hoạt động của 2.5 giờ
pin (nhỏ nhất)

1 giờ

Giao diện máy chủ

Ethernet

Ethernet

Nhiệt độ hoạt động

-10°C to +55°C / 14° to -10°C to +55°C / 14° to
131°F
131°F

Dạng cảm biến

V, ICP, MIC, charge, V, ICP, MIC, charge,
strain, digital audio
strain, digital audio

 Thiết bị phân tích và ghi cơng suất có 16 kênh LMS TEST.XPRESS
Thiết bị phân tích và ghi cơng suất LMS Test. Xpress là một thiết bị ghi dữ
liệu dao động và ồn có cơng suất lớn. Hệ thống trực tiếp ghi dữ liệu vào đĩa tại rãnh
ghi dữ liệu với 40 kênh đầy đủ các băng tần mà không ảnh hưởng đến quá trình