Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra phân tích động lực học của xy lanh giảm chấn cỡ nhỏ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******&******

PHẠM HÀ PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ
NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA XY LANH GIẢM CHẤN CỠ NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

KHOA CHUN MƠN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN VĂN DỰ

PGS.TS NGƠ NHƯ KHOA

PHỊNG ĐÀO TẠO

Thái Ngun, 06/2017


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Hà Phương
Học viên: Lớp Cao học K16

Đơn vị công tác: Công ty TNHH MTV Cơ điện và VLN 31
Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm
tra phân tích động lực học của xy lanh giảm chấn cỡ nhỏ”
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: ..............
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi. Các ý
tưởng, thiết kế, chế tạo cũng như các số liệu là hồn tồn trung thực, chưa
từng được cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác.
Thái Ngun, ngày .....tháng .....năm 2017
Học viên

Phạm Hà Phương


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, Học viên đã nhận được rất nhiều sự
giúp đỡ từ phía nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy
cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho Học viên hồn thành chương
trình học và hồn thiện luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Ngô
Như Khoa đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể
hồn thành được luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Nguyễn Đăng Hào - Trường Đại
học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái nghuyên, đã giúp đỡ tôi trong việc lắp đặt
các thiết bị và thực hiện thí nghiệm cho đề tài này.
Học viên cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo chỉ huy Công ty TNHH
MTV Cơ điện và VLN 31 đã tạo mọi điều kiện cho Học viên được đi học
nâng cao trình độ.

Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế
nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy, kính mong
q thầy cơ, đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để Học viên hoàn thiện kiến
thức và ứng dụng các kiến thức học được vào trong thực tế.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Thực hiện: Phạm Hà Phương


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Thực hiện: Phạm Hà Phương


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN VÀ MÁY THÍ NGHIỆM.......4
1.1. Tổng quan về các loại giảm chấn......................................................................4
1.2. Tổng quan về thiết bị ........................................................................................7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ BÀI TOÁN THIẾT KẾ ..........................................................15
2.1. Cơ sở xác định các thông số khoảng F, V và X của thiết bị thí nghiệm .......15
2.2. Thiết kế nguyên lý máy .................................................................................17
2.3. Chọn phương án thiết kế thiết bị. ..................................................................18
2.4. Cơ sở tính tốn để lựa chọn thơng số cho thiết bị .........................................20
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .............................22
3.1. Thiết kế hệ thống thiết bị thí nghiệm. ............................................................22
3.2. Thiết kế chế tạo chi tiết của thiết bị. ..............................................................24
CHƯƠNG 4: HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ..................................................................27
4.1. Hiệu chuẩn hệ thống đo lực ...........................................................................27

4.2. Hiệu chuẩn hệ thống đo chuyển dịch .............................................................34
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ ..........................................37
I. Thí nghiệm trên 3 mẫu giảm chấn ma sát như sau. ...........................................37
II. Kết quả về mối quan hệ giữa lực và chuyển dịch của pistong. ........................39
III. Kết quả về mối quan hệ giữa lực và vận tốc chuyển dịch của pistong. ..........40
IV. Nhận xét:.........................................................................................................41
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .......................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................44
PHỤ LỤC ..................................................................................................................45

Thực hiện: Phạm Hà Phương


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Diễn giải nội dung đầy đủ

STT

Kí hiệu

1

F

Lực ma sát (lực cản) pistong

2

V

Vận tốc chuyển dịch của pistong

3

Y

Khoảng dịch chuyển của pistong

4

Vloadcell

5

KF

Hệ số tỷ lệ giữa lực và vận tốc

6

Kx

Hệ số tỷ lệ giữa lực và chuyển dịch của pistong

7

t

8

Vex

9

I

Độ nhậy của điện áp

10

ω

Tần số dao động

18

P

Công suất động cơ

21

η

Hiệu suất

22

n

Tốc động vịng quay

Tín hiệu điện áp của cảm biến loadcell

Bước của vít me
Điện áp kích thích

Thực hiện: Phạm Hà Phương


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thông số khoảng dịch chuyển max và lực ma sát max: ...........................15
Bảng 2.2: Vận tốc quay của máy giặt và vận tốc chuyển dịch tương ứng ................17
Bảng 2.3: Lựa chọn tốc độ động cơ ..........................................................................21
Bảng 4.1: Kết quả so sánh giá trị trên Lực kế và qua hiển thị ..................................29
Bảng 4.2: Kết quả hiệu chuẩn cảm biến vị trí ...........................................................35

Thực hiện: Phạm Hà Phương


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Một số xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ thơng dụng [1] ..........................................1
Hình 2: Xi lanh giảm chấn trong máy giặt [2] ............................................................1
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo giảm xóc sau [3] ...................................................................4
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý [3] .....................................................................................5
Hình 1.4: Cấu tạo giảm chấn máy giặt [2] ..................................................................5
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý ..........................................................................................6
Hình 1.6: Một dạng thiết bị thí nghiệm điển hình sử dụng nguyên lý thủy lực[4] .....7
Hình 1.7: Một dạng thiết bị khác cũng sử dụng nguyên lý thủy lực [4] .....................8
Hình 1.9: Giá chuyển hướng toa xe lửa [5].................................................................9

Hình 1.10: Thiết bị kiểm tra giảm chấn ngành đường sắt [4] .....................................9
Hình 1.11: Phụ kiện gá kẹp sử dụng bằng tay a); hay sử dụng thủy lực b)[4] ...........9
Hình 1.12: Hệ thống đo lường nhiệt độ, khơng khí/ nước làm mát ..........................10
Hình 1.13: Hệ thống đo lường giảm chấn được tích hợp trên xe tải
Hình 1.14: Các hệ thống cơ bản của thiết bị kiểm tra xi lanh giảm chấn [4] ...........11
Hình 1.15: lực - chuyển dịch với biên độ dao động 2mm, tần số = 0.5Hz[4] ..........11
Hình 1.16: Lực – vận tốc với biên độ dao động là 2mm .........................................12
Hình 1.17: Một dạng thiết bị kiểm tra giảm chấn ma sát [6] ....................................13
Hình 1.18: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc có dạng đồ thị sau [6] ........................14
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của giảm chấn ma sát trong máy giặt .....................16
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí �n: Phạm Hà Phương


Thực hiện: Phạm Hà Phương


Thực hiện: Phạm Hà Phương


Thực hiện: Phạm Hà Phương


Thực hiện: Phạm Hà Phương


4.2. Hiệu chuẩn hệ thống đo chuyển dịch
4.2.1. Theo cơ sở tính tốn
Cũng giống như việc hiệu chuẩn hệ thống đo lực. Việc xác định hệ số
tỷ lệ Kx trong phép hiệu chuẩn hệ thống chuyển dịch là điều hết sức cần thiết
và được xác định như sau:

X = Kx.Vx

(4.2.1)

Trong đó: X - là khoảng dịch chuyển tính theo mm của pistong
Vx - là tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí đo được khi
pistong dịch chuyển.
Kx - là hệ số tỷ lệ. Đây là giá trị cần xác định để quy đổi ra
giá trị chuyển dịch mm của pistong tương ứng với tín hiệu điện áp đo được.
Để tìm và xác định hệ số tỷ lệ Kx được xác định như sau:
Nhìn vào đồ thị hình 4.2 dưới đây ta có:

Hình 4.2. đồ thị quan hệ giữa giá trị điện áp và giá trị dịch chuyển
Theo nguyên tắc của cảm biến đo dịch chuyển thông thường ứng với
mỗi giá trị điện áp là một giá trị chuyển dịch, quan hệ này phải là một đường
thẳng tuyến tính như trên hình vẽ 4.2. Do vậy để xác định hệ số tỷ lệ Kx ta
tính tốn như sau:
Kx = ctg 

Thực hiện: Phạm Hà Phương

v j  vi
x j  xi

(4.2.2)


4.2.2. Theo thực tế.
Để xác định được chính xác hệ số tỷ lệ Kx, ta thực hiện theo các bước
như sau:

+ Bước 1: Sử dụng Thước cặp 1/50 để khống chế các khoảng kích
thước của cảm biến vị trí ví dụ ở: 5;10; 20mm… Ở mỗi vị trí cần đo phải
khóa chặt kích thước khơng cho xê dịch.
+ Bước 2: Sử dụng phần mềm LabView để test giá trị điện áp đầu ra
tương ứng với khoảng chuyển dịch của cảm biến vị trí.
+ Bước 3: Lập bảng kết quả. Xác định hệ số tỷ lệ Kx. (xem bảng 4.2)
Bảng 4.2 – Kết quả hiệu chuẩn cảm biến vị trí
TT
1
2
3
4
5
6

Khoảng dịch chuyển X của cảm
biến được xác định bằng thước cặp
(mm)
5
10
20
30
40
50

Từ bảng 4.2 ta có đồ thị sau:

Thực hiện: Phạm Hà Phương

Điện Áp đầu ra

(v)
0,36
0,85
1,83
2,81
3,79
4,77


Nhìn vào đồ thị ta thấy thực tế chứng minh giữa điện áp và chuyển dịch
là một đường thẳng tuyến tính. Khi đó hệ số tỷ lệ để quy đổi từ giá trị điện áp
(v) sang giá trị chuyển dịch (mm) của cảm biến là: Thay bất kỳ giá trị nào vào
công thức 4.2.1 ta được: Kx = 10,204
Kết quả:

K x  10, 204

Một số hình ảnh ghi lại trong quá trình hiệu chuẩn hệ thống đo chuyển
dịch xem hình dưới đây:

Thực hiện: Phạm Hà Phương


CHƯƠNG 5:
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ
I. Thí nghiệm trên 3 mẫu giảm chấn ma sát. (xem hình vẽ)
1. Giảm chấn mới ký hiệu M1.

2. Giảm chấn đã qua sử dụng ký hiệu M2.

Thực hiện: Phạm Hà Phương


3. Giảm chấn đã qua sử dụng pistong có dấu hiệu oxi hóa nhiều trên bề
mặt ký hiệu M3.

Thực hiện: Phạm Hà Phương


II. Kết quả về mối quan hệ giữa lực và chuyển dịch của pistong.
(xem hình vẽ đồ thị)
1.1.

Đối với mẫu M1 thí nghiệm ở vận tốc 10-340mm/s.

1.2.

Đối với mẫu M2 thí nghiệm ở vận tốc 10-340mm/s.

Thực hiện: Phạm Hà Phương


2. Đối với mẫu M3
2.1. Thí nghiệm ở vận tốc 10-340mm/s.

III. Kết quả về mối quan hệ giữa lực và vận tốc chuyển dịch của pistong.
Kết quả được thể hiện qua bảng số liệu và đồ thị sau:
1. Bảng kết quả các mẫu thử M1, M2, M3

TT

Lực cản/mẫu
(N)

Vận tốc
(mm/s)

Ghi chú

M1

M2

M3

1

0

0

0

0

2

10

51,683

52,777

37,517

3

40

85,879

73,816

53,886

4

70

97,665

80,824

59,305

5

100

105,780

85,482

64,049

6

130

110,102

88,787

67,593

7

160

113,449

90,990

70,251

8

190

115,581

92,640

71,969

9

220

114,719

93,769

73,108

10

250

117,226

94,426

73,475

11

280

116,099

94,150

74,281

12

310

118,714

103,382

94,719

13

340

116,775

102,046

91,520

Thực hiện: Phạm Hà Phương


1
2

0
-10

0
-47,528

0
-48,309

0
-38,611

3

-40

-77,260

-67,079

-53,688

4

-70

-88,191

-73,931

-60,643

5

-100

-96,843

-78,983

-66,025

6

-130

-99,517

-81,165

-69,802

7

-160

-103,759

-84,323

-72,592

8

-190

-105,270

-85,513

-74,838

9

-220

-104,988

-86,746

-75,757

10

-250

-104,738

-87,228

-76,944

11

-280

-104,966

-87,413

-77,273

12

-310

-109,896

-95,902

-104,557

13

-340

-107,614

-95,045

-100,256

2. Đồ thị so sánh mối quan hệ giữa lực cản và vận tốc chuyển dịch của
Pistong ở 3 mẫu khác nhau M1, M2, M3 như sau:

IV. Nhận xét:
- Như vậy từ kết quả thực nghiệm so sánh giữa 3 mẫu M1, M2, M3 thể
hiện trong phần II, III chương 5 ta thấy:
1. Về quan hệ giữa lực và chuyển dịch của pistong:
Dễ dàng nhận thầy đối với giảm chấn ma sát cịn mới (mẫu M1) có
đường cong khép kín đều và ổn định ở mỗi một giá trị vận tốc. Điều này thể
hiện lực ma sát được duy trì đều và ổn định trong một khoảng dịch chuyển
Thực hiện: Phạm Hà Phương


của pistong, được xác định từ ban đầu là ±8mm; các vùng nằm ngoài khoảng
dịch chuyển này được xác định là do quán tính gây ra, khi ở tốc độ càng cao
thì qn tính càng lớn và khơng được xem là kết quả của phép đo. Và thực tế
đối với mẫu giảm chấn càng cũ, pistong bị gỉ sét càng nhiều thì tính ổn định
lại giảm rần.
2. Về quan hệ giữa lực và vận tốc chuyển dịch:
Cũng tương tự như quan hệ lực và chuyển dịch; nhìn vào đồ thị ta thấy
giá trị lực cản được so sánh mẫu M1>M2>M3; Điều này chỉ ra hệ số cản xủa
Giảm chấn mới lớn hơn giảm chấn cũ, do pistong có hiện tượng mòn và gỉ sét
gây ra.
Với nhận xét nêu trên chứng minh phép thử trên thiết bị này là đúng.

Thực hiện: Phạm Hà Phương

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
1. Kết quả đạt được:
- Đã thiết kế, chế tạo được thiết bị thử nghiệm phân tích đặc tính động lực học
của giảm chấn ma sát sử dụng trong máy giặt với thông số kỹ thuật phù hợp với
phương pháp cần thí nghiệm.
- Sử dụng phần mềm Labview lập trình điều khiển thiết bị hoạt động đáp ứng
được yêu cầu thí nghiệm.
- Kết quả thực nghiệm trên các mẫu Giảm chấn ma sát trong máy giặt có mức độ
chất lượng khác nhau cho thấy việc đánh giá chất lượng Giảm chấn là chính xác.
2. Thiết bị được chế tạo có thể được sử dụng cho các mục đích:
- Tiến hành các thí nghiệm đo đạc, kiểm tra đánh giá chất lượng giảm chấn ma
sát trên các thiết bị dân dụng.
3. Hướng phát triển:
+ Có thể phát triển thiết bị ở dạng thương mại được từ cơ sở kết quả thiết kế và
chế tạo thiết bị.
Yêu cầu: Có thiết bị căn chỉnh tiêu chuẩn.

* Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, do điều kiện hạn chế nên thiết bị
được chế tạo chưa giải quyết hết được các vấn đề sau:
1). Thiết bị được chế tạo vừa ở dạng prototype (nguyên mẫu), chưa thực sự phải
là thiết bị hồn chỉnh.
+ Kết cấu cịn cồng kềnh do tận dụng ray trượt + vít me bi có sẵn.
+ Chưa thiết kế hồn chỉnh được giao diện mang tính tiện ích và chuyên nghiệp.
+ Phần hiệu chuẩn thiết bị chỉ thực hiện ở mặt thí nghiệm mang tính nguyên lý,
do thiết bị đo chuyện dụng có độ chính xác khơng cao. Ví dụ như đo lực là lực kế,
đo dịch chuyển loacell bằng thước cặp 1/50.
2). Khơng có các thiết bị căn chỉnh có độ chính xác cao để đánh giá, xác định lại
chính xác sai số kết quả đo của thiết bị được chế tạo.

Thực hiện: Phạm Hà Phương


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, 2.

2.

PGS. Hà Văn Vui, TS. Nguyễn Chỉ Sáng, THs. Phan Đăng Phong, Sổ tay

thiết kế cơ khí tập 1, 2, 3.

3. Thân Văn Cam, Sinh viên Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - Đề tài thiết
kế giảm xóc sau xe máy.
4. HALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ;Göteborg, Sweden 2009
5.

/>
springs -image9563286.
6. />7. www.future-engine.com/inova_damper_040507.pdf
8. />9.

/>
dampers/products/
10. />11.
/>et_Editorial-Generic_1159451077207_files/DataSheet_MT1260_en_0707.pdf
12.
/>uid=2100

Thực hiện: Phạm Hà Phương


PHỤ LỤC
Bản vẽ kèm theo

Thực hiện: Phạm Hà Phương