TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tình hình nghiên cứu về hệ thống lái của ô tô
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đang có những bước tiến lớn nhờ vào sự phát triển của công nghệ thông tin, điều khiển và vật liệu mới Ô tô ngày càng được sử dụng với tốc độ cao trong nhiều lĩnh vực vận chuyển, từ đường quốc lộ đến đường lâm nghiệp Do đó, động học và động lực học trở thành những lĩnh vực được các nhà khoa học tại các quốc gia có ngành công nghiệp ô tô phát triển như Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản chú trọng nghiên cứu Trong cấu tạo ô tô, hệ thống lái và hệ thống phanh là hai hệ thống quan trọng nhất đảm bảo an toàn trong quá trình di chuyển.
Trong những năm gần đây, hàng trăm công trình nghiên cứu khoa học công nghệ đã được công bố nhằm cải thiện hệ thống lái, tập trung vào động học và động lực học để tăng tính cơ động và khả năng điều khiển Tác giả Samkar Moham từ Mỹ đã công bố nghiên cứu về loại xe 4 bánh, trong khi nhiều nhà khoa học Đức cũng đang nghiên cứu hệ thống điều khiển cho các loại xe Các trung tâm khoa học lớn tại Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản đang nỗ lực nghiên cứu tự động hóa hệ thống lái, với sự tham gia của hàng trăm nhà khoa học hàng đầu thế giới Hãng VINAXUKI cũng đã có những buổi trình diễn đáng chú ý trong lĩnh vực này.
Trong tương lai, ba loại xe với hệ thống lái tự động sẽ được áp dụng trên các đường thông minh Để nâng cao khả năng điều khiển và tiện nghi cho hệ thống lái tự động, các nhà khoa học đang phát triển bộ cường hóa tích cực PPS (Progressive Power Steering) Công nghệ này đảm bảo cảm giác lái tốt hơn với mặt đường và cải thiện tính điều khiển của hệ thống khi xe di chuyển ở tốc độ cao, đặc biệt là cho các mẫu xe thế hệ mới có khả năng vận hành vượt quá 100km/h.
Các nhà công nghệ đang không ngừng cải tiến các kết cấu hệ thống lái, bao gồm việc phát triển các cơ cấu điều khiển góc đặt trục lái và vô lăng.
Hệ thống lái TS (Tilt Steering) cùng với ghế ngồi điều chỉnh 3 chiều mang lại sự thuận tiện tối đa cho người điều khiển Các trung tâm công nghiệp ôtô lớn trên thế giới đang nghiên cứu hệ thống lái tích cực, ứng dụng công nghệ điện, điện tử và tin học để tối ưu hóa các tính năng và chế độ hoạt động Điều này cho thấy sự chú trọng của các nhà khoa học hàng đầu vào việc phát triển hệ thống lái, với nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm đảm bảo tính dẫn hướng hiệu quả.
Nghiên cứu động học hệ thống lái dựa trên mối tương quan hình học giữa các khâu độc lập, từ đó xác định sự thay đổi động học của các khâu và đánh giá khả năng sử dụng của hệ thống lái trên xe.
Xác định lực tác dụng lên vành tay lái để tính toán kết luận khả năng sử dụng đối với từng hệ thống lái
Xây dựng mô hình động học cho hệ thống lái ôtô dựa trên các giả thuyết cơ học thực tế giúp nghiên cứu và cải thiện tính năng điều khiển Việc này cho phép phân tích chính xác hơn về cách mà hệ thống lái tương tác với các yếu tố khác trong điều kiện thực tế, từ đó nâng cao hiệu suất và độ an toàn của xe.
Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất: Công trình của giáo sư B.ỉ.Pouonob và M.ỉuttepman [27] vào năm 1980 sử dụng hai phương phỏp
Để nghiên cứu động học hệ thống lái, giáo sư đã áp dụng các phương pháp đồ thị và đại số, sử dụng các thông số hình học của hệ thống lái và hệ treo phía trước Những thông số này cần phù hợp với sự biến đổi của các góc như nghiêng dọc của trục đứng, nghiêng ngoài của bánh xe, chụm bánh xe và độ dịch chuyển ngang của điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường Việc tính toán cũng cần xem xét góc nghiêng ngang của trục đứng, vì nó ảnh hưởng đến độ ổn định chuyển động của ôtô Các phụ thuộc này có thể được xác định bằng phương pháp đồ thị, mặc dù phương pháp này tốn công sức và độ chính xác phụ thuộc vào sự cẩn thận và thiết bị vẽ Ngược lại, phương pháp giải tích cho phép lập trình máy tính, mang lại giải pháp nhanh chóng cho nhiều vị trí bánh xe và các thông số hình học khác nhau Nghiên cứu của giáo sư Lưxốp vào năm 1972 đã áp dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá động học và động lực học của hệ thống lái, sử dụng thiết bị thí nghiệm để xác định các thông số như lực trên tay lái, ma sát và độ bền mỏi của cơ cấu lái.
Trong khu vực ASEAN, bốn quốc gia Thái Lan, Indonesia, Philippines và Malaysia có ngành công nghiệp lắp ráp ô tô phát triển cao, với lịch sử lắp ráp khoảng 50 năm và sản xuất hàng trăm nghìn ô tô mỗi năm Các quốc gia này đang tiếp tục áp dụng công nghệ tiên tiến trong quá trình nội địa hóa sản phẩm, mặc dù chủ yếu ở mức độ nghiên cứu ứng dụng.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:
An toàn giao thông là vấn đề xã hội quan trọng ở Việt Nam, nơi có đường sá chật hẹp và dân số đông đúc Với trình độ dân trí chưa cao và nhiều xe cũ, an toàn giao thông thường được chú trọng Việc vận chuyển hàng hóa và con người trên các tuyến đường lâm nghiệp với nhiều đèo dốc đòi hỏi chất lượng xe, đặc biệt là hệ thống lái, phải đảm bảo Hiện nay, Việt Nam có hơn 11 liên doanh với nước ngoài lắp ráp ôtô chủ yếu phục vụ thị trường nội địa Số lượng xe bán ra trên thị trường Việt Nam trong các năm gần đây lần lượt là 5.950 xe năm 1997, 5.517 xe năm 1998, 6.984 xe năm 1999 và đến tháng 10 năm 2000.
Theo số liệu từ Hội chế tạo ôtô Việt Nam, hiện có 9.525 xe các loại đang được sản xuất Chính sách nội địa hóa ngày càng được thực hiện nghiêm ngặt, yêu cầu các liên doanh phải đạt 30% nội địa hóa chi tiết sau 5 năm Bên cạnh đó, việc cho phép nhập khẩu xe cũ từ nước ngoài đã làm nổi bật tầm quan trọng của việc xác định chất lượng Đây không chỉ là nhiệm vụ của các nhà sản xuất mà còn là trách nhiệm của toàn ngành công nghiệp ôtô Việt Nam trong giai đoạn hiện nay.
Trong những năm gần đây, nhiều cán bộ khoa học công nghệ đã tập trung nghiên cứu các hệ thống ôtô, đặc biệt là hệ thống lái và hệ thống phanh Nhóm nghiên cứu từ các trường đại học đang phát triển các giải pháp cải tiến cho những hệ thống này nhằm nâng cao hiệu suất và độ an toàn của ôtô.
Trong lĩnh vực nghiên cứu ô tô tại Việt Nam, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để ứng dụng các phần mềm chuyển động như Alaska 2.3, Sap90 và Simulink Hiện tại, Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp ô tô, tập trung vào lắp ráp và chương trình nội địa hóa các chi tiết và phụ tùng ô tô, xe máy GSTSKH Đỗ Sanh dẫn dắt một nhóm nghiên cứu về động học và động lực học, bao gồm nghiên cứu về động học quay vòng xe ở tốc độ cao TS Nguyễn Khắc Trai cũng đã có những nghiên cứu sâu về thuyết quay vòng trong luận án của mình Thạc sĩ Nguyễn Xuân Châu đã bảo vệ thành công luận án về cơ cấu lái đặc biệt cho người tàn tật TS Nguyễn Xuân Thiện cùng NCS Lê Hồng Quân đã thử nghiệm thành công bộ trợ lực lái thủy lực do Việt Nam chế tạo cho xe xích T55 trong khuôn khổ đề tài KHCN-05-09 Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng đã có những nỗ lực đáng kể trong nghiên cứu hệ thống điều khiển cho động học chuyển động xe trên đường quân sự.
Trong luận án tiến sĩ của Nguyễn Thanh Quang [17], nghiên cứu về động học, động lực học và độ bền của hệ thống lái trên xe Mekong đã được thực hiện Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh nào về động học, động lực học và độ bền của hệ thống lái ô tô VINAXUKI.
Tổng quan về tình hình sử dụng ô tô VINAXUKI
Trong bối cảnh giao thông Việt Nam hiện nay gặp nhiều khó khăn với hệ thống đường sá chật hẹp và mặt đường không đồng đều, sự xuất hiện của các hãng xe như ISUZU, HOA MAI, DONGFONG, VINAXUKI đã đóng góp quan trọng trong việc cải thiện điều kiện di chuyển Những hãng xe này không chỉ phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa cho người dân mà còn hỗ trợ cho các ngành kinh tế, đặc biệt là trong việc vận chuyển gỗ trên các tuyến đường lâm nghiệp.
Hiện nay, xe VINAXUKI Việt Nam, do công ty Xuân Kiên lắp ráp, đang ngày càng được ưa chuộng trên thị trường.
Theo thống kê của công ty lắp ráp ô tô VINAXUKI năm 2011, trong lĩnh vực vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp, có 30% xe ô tô tải được sử dụng, trong khi 70% còn lại phục vụ cho các ngành kinh tế khác.
Ô tô sử dụng trong lâm nghiệp thường hoạt động trong điều kiện khó khăn, như không có đường hoặc trên các tuyến đường mấp mô, ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ phận như hệ thống phanh và hệ thống lái Do đó, việc nghiên cứu động học, động lực học và độ bền của hệ thống lái ô tô VINAXUKI là cần thiết để đảm bảo an toàn và cải thiện điều kiện làm việc cho người điều khiển.
Các phần mềm ứng dụng trong nghiên cứu động học, động lực học và độ bền
Hiện nay, mô hình hóa trên máy tính các kết cấu và chi tiết cơ khí đang trở thành nhu cầu thiết yếu trong sản xuất, đào tạo và nghiên cứu khoa học Nhiều phần mềm nổi tiếng đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu này, mỗi phần mềm đều có những ưu điểm và hạn chế riêng Vì vậy, nhiệm vụ của nhà thiết kế là hiểu rõ và áp dụng hiệu quả các lợi thế của phần mềm vào công việc của mình.
Phần mềm AutoCAD là một trong những công cụ thiết kế CAD phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xây dựng, cơ khí, kiến trúc, điện và bản đồ Nó hỗ trợ đắc lực cho kỹ sư, kiến trúc sư, kỹ thuật viên và họa viên trong việc tạo ra các bản vẽ kỹ thuật chất lượng cao.
Phần mềm AutoCAD cho phép người dùng vẽ thiết kế bản vẽ hai chiều 2D và mô hình ba chiều 3D, đồng thời hỗ trợ tô bóng các vật thể Với độ chính xác cao và năng suất vượt trội nhờ các lệnh sao chép, AutoCAD giúp thực hiện bản vẽ nhanh chóng và dễ dàng trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác Là một trong những phần mềm thiết kế hàng đầu cho máy tính cá nhân, AutoCAD đảm bảo lưu trữ dữ liệu chính xác và tương thích với nhiều phần cứng và phần mềm phổ biến trên thị trường Sự phát triển của AutoCAD gắn liền với sự tiến bộ nhanh chóng của ngành công nghiệp thông tin.
Phần mềm Autodesk Inventor nổi bật với khả năng mô hình hóa 3D và tạo ra các bản vẽ kỹ thuật chính xác, thể hiện sức mạnh vượt trội của một phần mềm CAD.
Autodesk Inventor là phần mềm thiết kế cơ khí 3D tích hợp công nghệ thích nghi và khả năng mô hình hóa khối rắn Phần mềm này cung cấp đầy đủ công cụ cần thiết cho các dự án thiết kế, từ giai đoạn phác thảo ban đầu đến việc tạo ra các bản vẽ kỹ thuật hoàn thiện.
Phần mềm Autodesk Inventor cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho việc tạo mô hình 3D, quản lý thông tin, làm việc nhóm và hỗ trợ kỹ thuật Người dùng có thể dễ dàng tạo ra các mô hình 3D và bản vẽ 2D, thiết kế chi tiết thích nghi, cũng như các bản vẽ lắp nhóm Phần mềm cho phép quản lý hàng ngàn chi tiết và các mô hình lắp ghép lớn, đồng thời hỗ trợ tích hợp các ứng dụng bên thứ ba thông qua API (Application Program Interface) và sử dụng VBA để truy cập vào Autodesk Inventor API Ngoài ra, người dùng có thể tạo các chương trình thực hiện các chức năng lặp và nhận các file định dạng SAT, STEP, AutoCAD từ menu Help.
Autodesk Inventor là một công cụ mạnh mẽ cho việc mô hình hóa khối rắn, cho phép các nhà thiết kế tạo ra các mô hình cơ khí 3D từ các file AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop và IGES Phần mềm hỗ trợ làm việc nhóm hiệu quả trong quá trình xây dựng mô hình, đồng thời liên kết với các công cụ Web để truy cập tài nguyên công nghiệp và chia sẻ dữ liệu với các cộng sự.
Trong số các phần mềm tự động hóa thiết kế 3D, Solidworks nổi bật với vị trí dẫn đầu toàn cầu, cho phép người dùng tạo ra mô hình 3D cho các chi tiết và lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh Phần mềm này hỗ trợ kiểm tra động học và cung cấp thông tin về vật liệu Đặc biệt, tính mở và tính tương thích của Solidworks cho phép tích hợp với nhiều phần mềm ứng dụng nổi tiếng khác, đồng thời xuất ra các file dữ liệu chuẩn để người dùng có thể khai thác trong môi trường mô hình của các phần mềm tương thích khác.
Các phần mềm phân tích như ANSYS và MSC cho phép kiểm tra mô hình về ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, xác định tần số dao động riêng và mô phỏng tương tác của dòng chảy khí hoặc chất lỏng Trong khi đó, các phần mềm như COSNOS và ADAMS chuyên kiểm tra thông số động học và động lực học của mô hình Đối với quá trình đúc sản phẩm, Z-Casting và Pro-Casting là những công cụ hữu ích Tất cả những phần mềm này thể hiện tư duy thiết kế hiện đại và công nghệ lập trình tiên tiến.
Solidworks là một công cụ đắc lực cho việc thiết kế tự động các vật thể
Công nghệ 3 chiều (3D) cho phép các kỹ sư thể hiện ý tưởng sáng tạo một cách trực quan ngay trên mô hình 3D mà không cần chú trọng đến kích thước cụ thể Điều này giúp họ nhanh chóng truyền tải ý tưởng thiết kế một cách hiệu quả.
10 tiết đã được chuyển đổi thành bản vẽ kỹ thuật 2D, giúp thiết kế khuôn và mẫu cho lĩnh vực đúc một cách nhanh chóng từ các chi tiết đã được thiết kế.
Sau khi hoàn thành mô hình 3D và gán vật liệu cho các khối lượng, chúng ta tiến hành lắp ghép chúng theo đúng thiết kế Trong Solidworks, việc lắp ghép chi tiết trở nên dễ dàng nhờ vào lệnh Mate, cho phép áp dụng các ràng buộc như song song, vuông góc, tiếp xúc, đồng tâm, khoảng cách, góc và trùng hợp.
Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) là phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng động lực học của các hệ thống cơ khí phức tạp Nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực động lực học xe máy, va chạm, robot và công nghệ vũ trụ Adams giúp người dùng giải quyết các vấn đề nghiên cứu khoa học mà không cần hiểu sâu về các thuật toán bên trong Phần mềm này cho phép nhập dữ liệu từ các file chuẩn, nhưng việc xây dựng mô hình phức tạp trực tiếp trong Adams sẽ tốn nhiều thời gian, vì nó không phải là phần mềm chuyên về CAD Do đó, các mô hình phức tạp thường được thiết kế trên các phần mềm CAD chuyên dụng như Catia hay ProEngineer, sau đó xuất ra các file có định dạng tương thích với Adams.
Prasolid, igbs, step hoặc dxf/dwg được nhập vào Adams để thực hiện các bước tiếp theo Adams cung cấp một thư viện phong phú về các khối nối và ràng buộc, cho phép người dùng tạo ra các khớp nối động học cho cơ hệ Sau khi mô hình được thiết lập, Adams sẽ kiểm tra và chạy mô hình, tiến hành mô phỏng bằng cách giải các phương trình động lực học.
Hệ thống lái trợ lực thủy lực trên xe ô tô VINAXUKI và các loại ô tô hiện đại khác đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trên toàn cầu Hệ thống này giúp người lái điều khiển xe dễ dàng hơn mà không cần phải sử dụng nhiều lực, mang lại sự tiện lợi và an toàn trong quá trình lái xe.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu
Nghiên cứu về động học, động lực học và độ bền của cơ cấu lái ô tô VINAXUKI là cơ sở quan trọng để sửa chữa và hoàn thiện kết cấu hệ thống lái trên xe VINAXUKI, đặc biệt khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là xe ô tô VINAXUKI, một loại xe có một cầu chủ động và tính năng cơ động cao, được sử dụng để vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp Xe ô tô VINAXUKI hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ môi trường lên tới 40º C và hiện đang được áp dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế, đặc biệt là trong lĩnh vực lâm nghiệp.
Hình 2.1: Xe tải VINAXUKI loại 1240 kg
Các thông số cơ bản của xe ô tô VINAXUKI cho ở (bảng 2.1)
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật xe ô tô VINAXUKI
Loại phương tiện Ô tô tải
Loại động cơ SD485ZL2 TURBO - INTERCOOLER
Dung tích xi lanh (cc) 2156
Hệ thống truyền động Cầu sau chủ động
Hộp số 5 số tiến 1 số lùi
Hệ thống lái Không có trợ lực
Phanh chính Thủy lực trợ lực chân không
Chiều dài tổng thể (mm) 4950
Chiều rộng tổng thể (mm) 1830
Chiều cao tổng thể (mm) 2090
Chiều dài thùng hàng (mm) 3250
Chiều rộng thùng hàng (mm) 1680
Trọng lượng toàn bộ (kg) 3125
Trọng lượng không tải (kg) 1690
Tải trọng định mức cả người (kg) 1240
Xe ô tô VINAXUKI hoạt động trên đường lâm nghiệp với nhiều đèo dốc và cua gấp, do đó, hệ thống phanh và hệ thống lái cần đảm bảo độ tin cậy và chính xác cao để đảm bảo an toàn khi di chuyển.
Kết cấu hệ thống lái ô tô tải nói chung và ô tô VINAXUKI nói riêng cho ở (hình 2.2)
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống lái ô tô tải
1 Vành tay lái 5 Đòn quay đứng 9,12 Tay đòn
2 Trục lái 6 Thanh kéo dọc 10 Thanh kéo ngang
3 Trục vít 7 Đòn ngang 11 Dầm cầu trước
4 Bánh vít 8 Chốt chuyển hướng 13 Cam quay
14 Trục bánh vít Muốn xe chuyển động người lái xe tác động lên vành tay lái một lực để cho vành tay lái quay sang trái hoặc sang phải lúc này sẽ được truyền chuyển động xuống trục số 2
Trục lái số 2 là một trục rỗng ở cả hai đầu, được thiết kế với then hoa và ren để kết nối với ê cu, đồng thời lắp ráp với trục vít ba đầu còn lại, nhằm gắn kết vành tay lái một cách chắc chắn.
Mô men quay được truyền từ trục vít 3 đến bánh vít 4 thông qua cơ chế ăn khớp giữa trục vít và bánh vít, làm xoay trục bánh vít 14 Điều này dẫn đến việc đòn quay đứng 5 lắc về phía trước hoặc sau, trong khi thanh kéo dọc 6 di chuyển tương ứng Đồng thời, đòn ngang 7 và bánh dẫn hướng cũng thực hiện chuyển động xoay theo hai phía.
Giữa bánh xe bên trái và bên phải liên kết với nhau bằng cơ cấu hình thang lái, đảm bảo quan hệ động học của cơ cấu lái
C O D g O g cot cot Ở đây: L – Khoảng cách giữa hai cầu ô tô hay là chiều dài cơ sở của ô tô
B - Khoảng cách giữa tâm của các ngỗng quay
Phạm vi nghiên cứu
- Dùng Solidworks 2010 để xây dựng mô hình 3D các chi tiết của cơ cấu lái
- Dùng Cosmos Motion để mô phỏng động hệ thống lái trên xe ô tô
- Dùng COSMOS XPRESS ANALYSIS WIZARD để khảo sát ứng suất, biến dạng 1 số chi tiết chính của hệ thống lái.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Mô hình 3D của các chi tiết chính trong hệ thống lái xe ô tô VINAXUKI được xây dựng bằng phần mềm Solidworks, đồng thời hệ thống lái cũng được mô phỏng động thông qua Cosmos Motion.
Tôi sử dụng phần mềm Solidworks 10 để tạo biên dạng 2D và áp dụng các lệnh như Extrude, Cut Extrude, Chamfer, Fillet, và Hole nhằm xây dựng mô hình 3D cho các chi tiết trong cơ cấu lái Sau khi hoàn thành việc vẽ các chi tiết, tôi tiến hành lắp ráp và mô phỏng động của hệ thống lái xe ô tô VINAXUKI.
Để xác định tải trọng tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu lái, tôi đã thực hiện một thí nghiệm đo lực trên vành tay lái của xe VINAXUKI Sử dụng đầu đo lực loại 980 N, thiết bị này được gắn trên vành tay lái và kết nối với thiết bị thu thập khếch đại nhiều kênh Spider - 8 Thiết bị này sau đó được kết nối với máy tính xách tay Acer và điều khiển bằng phần mềm Catman để thu thập dữ liệu chính xác.
Khảo sát ứng suất và biến dạng của các chi tiết chính trong hệ thống lái có thể thực hiện bằng COSMOS XPRESS ANALYSIS WIZARD trong Solidworks 2010 Để bắt đầu, khởi động Solidworks 2010 và mở file chi tiết đã được thiết kế dưới dạng mô hình 3D.
Vào Toots > SimulationXpress > Next > Add fixture > OK
Chọn mặt đặt lực tác dụng > Chọn vật liệu > Run > Run Simulation
Yes,continue > Showvon Misstress > Play animation ta được ứng suất
Cuối cùng tôi Click chuột vào Stop animation > Show displacement > Play animation ta được biến dạng của chi tiết
Bằng cách thực hiện các bước trên đối với các cụm chi tiết và chi tiết của hệ thống lái, chúng ta có thể xác định được ứng suất và biến dạng của các thành phần cần khảo sát.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG LÁI KHI VẬN CHUYỂN GỖ TRÊN ĐƯỜNG LÂM NGHIỆP
Xây dựng mô hình 3D các chi tiết của hệ thống lái
Để tạo mô hình 3D cho các chi tiết hệ thống lái trên xe VINAXUKI, tôi đã sử dụng phần mềm Solidworks 2010 Trước tiên, cần thiết lập môi trường vẽ phác theo các bước cụ thể.
Bước 1: Khởi động chương trình Solidworks
Bước 2 : Trong môi trường Solidworks, nhắp New trên thanh công cụ ( hoặc chọn File> New ) Hộp thoại New xuất hiện
Bước 3: Trong Tab Template, chọn biểu tượng bản vẽ Part, nhắp OK màn hình quan sát bản vẽ xuất hiện
Bước 4: Tạo lưới và chọn đơn vị đo cho bản vẽ
Nhắp Grid trên thanh công cụ Sketch ( hoặc chọn Tool > Options) Hộp thoại Options xuất hiện
Chọn Tab Document Properties Chọn Gridsnap để tạo lưới và khả năng bắt điểm cho bản vẽ, chọn Units để xác định đơn vị đo cho bản vẽ
Bước 5: Nhắp Sketch trên thanh công cụ Sketch hoặc chọn Insert > Sketch, chọn mặt phẳng phác thảo (front plane, Topplane hoặc Right plane)
Môi trường vẽ phác xuất hiện, cho mặt phẳng để vẽ phác
Sau khi thiết lập môi trường vẽ phác, tôi bắt đầu xây dựng mô hình 3D cho các chi tiết và cụm chi tiết Bằng cách vào môi trường vẽ phác, tôi vẽ các biên dạng và sử dụng các lệnh trên thanh công cụ, từ đó dễ dàng tạo ra mô hình 3D theo mong muốn.
Các chi tiết tạo ra được ghi thành một file có phần mở rộng là
Thực hiện theo trình tự các bước như trên ta sẽ xây dựng được tất cả các chi tiết, cụm chi tiết mong muốn
Căn cứ vào catalog xe VINAXUKI và các kích thước đo được trên xe thật tôi xây dựng được mô hình 3D các chi tiết của hệ thống lái xe
Hệ thống lái trên xe VINAXUKI gồm các cụm chi tiết chính như sau:
Vành tay lái, trục lái và các bộ phận như trục vít, bánh vít, đòn quay đứng, thanh kéo dọc, đòn ngang, chốt chuyển hướng, thanh kéo ngang, dầm cầu trước, cam quay, và trục bánh vít là những thành phần quan trọng trong hệ thống lái của xe Những bộ phận này không chỉ giúp điều khiển hướng di chuyển mà còn đảm bảo an toàn và ổn định cho phương tiện.
Dầm cầu có thiết kế đơn giản nhưng cần đảm bảo khả năng chịu tải tốt từ mặt đường và các tác động do trọng lượng xe gây ra lên vành tay lái.
Chúng cần có kết cấu vững chắc, chịu được nhiều lực có hướng phức tạp và thay đổi theo chu kỳ
Để thiết kế dầm cầu trước, đầu tiên vẽ tiết diện của dầm trên mặt phẳng Right Plane và sử dụng lệnh Extrude để đùn dọc theo nửa chiều dài Tiếp theo, tạo mặt phẳng làm việc song song với mặt đầu dầm, cách khoảng 300 mm, và vẽ tiết diện thu nhỏ của dầm, sau đó dùng lệnh Loft để tạo ra dầm thu nhỏ Tiếp tục, trên mặt phẳng làm việc, vẽ tiết diện hình chữ nhật và sử dụng lệnh Revole để quay quanh trục, sau đó dùng lệnh Cut Extrude để tạo lỗ lắp chốt đứng Trên bề mặt dầm, vẽ biên dạng hình vuông và 4 lỗ để lắp bu lông, rồi dùng lệnh Extrude để đùn hình vuông trên mặt dầm Cuối cùng, để hoàn thiện dầm, sử dụng lệnh đối xứng để tạo nửa dầm còn lại, từ đó xây dựng dầm cầu trước như thể hiện trong hình 3.1.
Hình 3.1 Kết cấu dầm cầu trước
Chốt chuyển hướng được thiết kế bằng cách vẽ tiết diện tròn trên mặt phẳng phác họa Sau đó, sử dụng lệnh Extrude và Camper để tạo ra mô hình 3D cho chốt chuyển hướng Cuối cùng, tạo mặt phẳng làm việc tiếp xúc với mặt trụ để vẽ vòng tròn.
21 theo kích thước đã đo được, dùng lệnh Cut Extrude để tạo hai vết khuyết lắp hai chốt hãm
Mô hình 3D của chốt chuyển hướng được giới thiệu ở (hình 3.2)
Cam quay – đòn ngang là một phần quan trọng trong hệ thống lái Để tạo mô hình 3D cho chi tiết này, trước tiên cần vẽ biên dạng 2D của tấm lắp ngõng trục bánh xe dẫn hướng cùng với các lỗ bulong Sau đó, sử dụng lệnh Extrude để đùn vật thể theo kích thước yêu cầu.
Chọn mặt phẳng phác thảo song song với mặt phẳng lắp ráp đã được đùn lên, sau đó vẽ hai biên dạng vuông trên mặt phẳng này Tiếp theo, sử dụng lệnh Extrude để đùn lên với độ cao 50 mm.
Chọn mặt phẳng phác thảo phù hợp để vẽ vòng tròn có đường kính bằng biên dạng phía dưới, sau đó sử dụng lệnh Cut Extrude để tạo hình khối phần nhô ra, hoặc có thể dùng lệnh filet để bo tròn Tiếp theo, chọn mặt phẳng phác thảo là mặt trên hoặc mặt dưới của phần nhô ra, vẽ biên dạng tròn đồng tâm với cạnh tròn có đường kính tương ứng với đường kính chốt chuyển hướng, và sử dụng lệnh Cut Extrude để tạo lỗ lắp chốt chuyển hướng.
Chọn mặt phẳng phác thảo là mặt bên của phần nhô ra để tạo lỗ lắp chốt hãm Sử dụng lệnh hole để tạo hai lỗ lắp chốt hãm chuyển hướng.
Mô hình 3D của cam quay cho ở (hình 3.3)
Để vẽ thanh giằng ngang cho cơ cấu hình thang lái, trước tiên cần xác định đường kính và chiều dài của thanh giằng Sau đó, sử dụng lệnh Extrude để đùn chi tiết theo chiều dài Cuối cùng, hai đầu của thanh giằng ngang cần được vẽ thêm ren để lắp ráp với các chi tiết khác trong cơ cấu hình thang lái.
Mô hình 3D của thanh giằng ngang cho ở (hình 3.4)
Để thiết kế trục lái kết hợp với cơ cấu trục vít, cần xác định đường kính, chiều dài trục lái và kích thước lắp đặt hai vòng bi ở đầu trục vít Bên cạnh đó, việc xác định kích thước các răng của trục vít và phần then hoa để kết nối với vành tay lái cũng rất quan trọng Sử dụng các lệnh vẽ phác và Extrude, chúng ta có thể tạo ra mô hình 3D của trục tay lái, như được thể hiện trong hình 3.5.
Sau khi xác định các kích thước của vành tay lái, tôi xây dựng mô hình 3D của vành tay lái như sau:
Để tạo ra vành tay lái, đầu tiên, vẽ một vòng tròn trên mặt phẳng Oplane và thoát khỏi Sket Tiếp theo, tạo một mặt phẳng làm việc vuông góc với vòng tròn đã vẽ và trên mặt phẳng đó, vẽ một vòng tròn có đường kính bằng với tiết diện ngang của vành tay lái, sau đó thoát khỏi Sket Sử dụng lệnh Sweep để tạo ra vành tay lái Tiếp theo, trên mặt phẳng phác thảo ban đầu, vẽ một vòng tròn có đường kính bằng với mayơ của vô lăng và dùng lệnh Extrude để đùn tiết diện tròn đến chiều cao của mayơ vô lăng Cuối cùng, trên mặt phẳng làm việc tại tâm vòng tròn tay lái, vẽ một đường dẫn tiếp tuyến với đường tâm của vành, và tạo một biên dạng elíp giống như tiết diện của nan hoa vành tay lái.
Để tạo ra mô hình 3D của vành tay lái, đầu tiên, bạn cần extrude biên dạng cho đến khi gặp biên dạng may ơ của tay lái Tiếp theo, tạo trục làm việc bằng cách nhấn chuột vào Centerline, sau đó vào Insert > Pattern / Mirror > Circular Pattern Chọn đối tượng, xác định góc độ và chọn trục làm việc, rồi nhấn OK để hoàn tất.
Các chi tiết như thanh giằng và thanh đỡ các hướng trục cần được thiết kế dựa trên kích thước thực tế của xe VINAXUKI.
Lắp ráp và mô phỏng động hệ thống lái xe VINAXUKI
Sau khi hoàn thành việc xây dựng mô hình 3D cho các chi tiết của hệ thống lái, tôi tiến hành lắp ráp các chi tiết và cụm chi tiết lại với nhau Các bước lắp ráp được thực hiện theo một trình tự cụ thể.
Để bắt đầu với Solidworks, mở chương trình và chọn File > New để tạo bản vẽ mới Khi hộp thoại New Solidworks xuất hiện, chọn Assembly và nhấn OK Tiếp theo, nhấn nút Browse trong hộp thoại Insert Component để truy cập thư mục chứa các chi tiết và cụm chi tiết đã tạo trước đó, sau đó nhấn Open Chi tiết và cụm chi tiết sẽ được tải vào môi trường lắp ráp.
Nhấn chọn nút Insert Component trên thanh công cụ Assembly Ta dẫn tới mục chứa các chi tiết đã tạo trước đó, chọn từng chi tiết và nhấn Open
Khi đó chi tiết được chọn xuất hiện gắn liền với chỏ chuột, ta nhấn chọn một điểm để đạt vào môi trường lắp ráp
Nhấn chọn nút lệnh Mate trên thanh công cụ Assembly Khi đó hộp thoại
Mate xuất hiện Ta chọn các ràng buộc thích hợp để lắp ghép các chi tiết lại với nhau
Quá trình chuyển động của trục vít và bánh vít là bộ phận quan trọng và phức tạp nhất trong hệ thống lái, do đó, tôi đã tiến hành mô phỏng động cho quá trình này.
Bằng Cosmos Motion trong Solidworks tôi tiến hành mô phỏng động bộ phận làm việc của hệ thống lái như sau:
- Trước tiên sử dụng lệnh trong môi trường Part của Solidworks để mô phỏng hóa các chi tiết
Sau khi mô phỏng hóa các chi tiết, tiến hành lắp ráp trong môi trường assembly bằng cách sử dụng các lệnh trong thanh công cụ hoặc menu Insert Để lắp ráp hệ thống lái, ta thực hiện lắp từng cụm chi tiết như vành tay lái, trục lái, trục vít, bạc trục vít, bánh vít, trục bánh vít, bạc trục vít, đòn quay đứng và thanh kéo ngang Đầu tiên, chọn New > Assembly và gọi chi tiết cố định là bạc trục lái Sau đó, lần lượt gọi các chi tiết còn lại Để lắp trục vít 2 vào trục vít 3, sử dụng lệnh Mate với ràng buộc đồng tâm và khoảng cách bằng 0 Các chi tiết trong cụm này đều áp dụng lệnh Mate > đồng tâm với ràng buộc = 0, tiếp tục thực hiện lần lượt cho đến khi hoàn tất lắp ráp.
28 chi tiết đầu tiên đến chi tiết cuối cùng của cụm ta sẽ được cụm chi tiết như (hình 3.9)
Hình 3.9: Lắp ráp cụm chi tiết
Sau khi hoàn tất việc lắp ráp cụm chi tiết, chúng ta tiến hành lắp đặt toàn bộ các thành phần của cơ cấu lái Đầu tiên, sử dụng lệnh Insert Component để lấy các chi tiết của hệ thống lái Tiếp theo, áp dụng các lệnh ràng buộc đồng tâm và khoảng cách để lắp thanh kéo dọc 6, đòn ngang 7 và cam quay 13 Để gắn dầm cầu trước vào cam quay phải, hãy click chuột vào Mate > Concentric, sau đó thiết lập ràng buộc khoảng cách bằng 0 giữa lỗ và mặt tiếp xúc của cam quay với dầm cầu trước Lặp lại quy trình tương tự để lắp cam quay trái Cuối cùng, sau khi hoàn tất việc lắp cam quay phải và cam quay trái, chúng ta tiến hành lắp chốt chuyển hướng.
Sử dụng các lệnh đồng tâm để căn chỉnh lỗ của dầm cầu trước với các lỗ của cam quay, và thiết lập ràng buộc khoảng cách bằng 0 giữa mặt dưới của cam quay và mặt dưới chốt chuyển hướng Tiến hành các bước tương tự, chúng ta có thể dễ dàng lắp thanh kéo ngang 10 vào các chi tiết của cơ cấu lái Cuối cùng, sơ đồ lắp ghép hệ thống lái sẽ được thể hiện như trong hình 3.10.
Hình 3.10: Sơ đồ lắp ghép hệ thống lái
- Sau khi lắp ráp các chi tiết, tiến hành chọn bảng Motion trong cây phả hệ vào môi trường mô phỏng động học
Để xác định đối tượng cố định và đối tượng chuyển động, trước tiên, bạn cần nhấp chọn đối tượng trong cây phả hệ Sau đó, nhấn chuột phải và chọn "Ground Part" để gán cho đối tượng cố định Tương tự, bạn chọn "Moving Part" để gán cho đối tượng chuyển động Đối tượng được gán là chuyển động sẽ hiển thị biểu tượng khối cầu tọa độ.
Sau khi gán đối tượng chuyển động và đối tượng cố định, cần tiến hành gán khớp nối cho các đối tượng Mặc định, sau khi lắp ráp, mô hình sẽ chuyển sang môi trường mô phỏng, nơi các đối tượng chuyển động sẽ được gán khớp động Các khớp động bao gồm khớp xoay từ ràng buộc Concentric và Coincident, cũng như khớp trụ từ ràng buộc Concentric trong lệnh Made của môi trường lắp ráp Những khớp động này được quản lý trong mục Constraints > Joints của cây phả hệ Trong một số trường hợp, có thể cần xóa bỏ khớp nối không phù hợp và thêm vào các khớp mới.
30 động cần thiết Để xóa khớp, ta nhắp chọn khớp cần xóa, nhắp chuột phải và chọn delete Còn để thêm khớp ta chọn Constraisnt>Joinst
- Sau khi gán khớp ta tiến hành gán lực và nguồn tạo chuyển động
Bước tiếp theo là kiểm tra và gán đơn vị lực cùng khối lượng cho mô hình Từ menu Cosmos Motion, chọn Intelli Motion Builder và thiết lập các thông số cần thiết cho chuyển động.
Sau khi định nghĩa các thông số, hãy nhấn vào nút Next để chuyển sang các trang tiếp theo và thiết lập các thông số cần thiết Để tạo đồ thị hiển thị kết quả mô phỏng cho một đối tượng cụ thể, bạn chỉ cần chọn đối tượng đó trong cây phả hệ, nhấn chuột phải và chọn tùy chọn plot.
Sau khi hoàn thành các bước cần thiết, chúng ta sử dụng nút Play trên thanh công cụ Cosmos Motion để tiến hành mô phỏng Quá trình mô phỏng có thể được xuất sang file *AVI hoặc chuyển sang các chương trình tính toán và mô phỏng khác như FEA, MSC, ADAMS Để mô phỏng hoạt động của hệ thống lái trên xe VINAXUKI trong Solidworks bằng Cosmos Motion, cần khai báo các thông số cho mô hình bằng cách vào cây thư mục chuyển động, nhấp chuột phải vào Motion Model, chọn Intelli Motion Builder và thiết lập các thông số cần thiết cho chuyển động.
- Khai báo hệ thống dơn vị đo (Units)
- Khai báo gia tốc trọng trường cho môi trường mô phỏng (Gravity)
- Khai báo liên kết (Joints)
Trong Cosmos Motion, việc kết nối các chi tiết được thực hiện thông qua việc tạo ra các liên kết Thư viện khớp nối của Cosmos Motion bao gồm nhiều loại khớp như khớp bản lề (Revolute), khớp trụ (Cylindrical), khớp cầu (Spherical), khớp tịnh tiến (Translational) và khớp cố định (Fixed).
Sau khi lắp ráp các chi tiết và chuyển sang môi trường mô phỏng, các khớp sẽ tự động được gán theo lệnh Mate Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải xóa các khớp mặc định và gán lại cho phù hợp với mô hình Trước khi gán khớp, cần xác định rõ đối tượng cố định và đối tượng di động Dựa vào nguyên lý làm việc của hệ thống lái, tiến hành khai báo liên kết các chi tiết cho phù hợp, với mỗi liên kết được gán chuyển động có các ký hiệu cụ thể.
Các thông số của chuyển động sẽ được xác định trong bảng defined Joints:
- Khai báo các lực (Forcr/Moment)
- Lực tác dụng: Lệnh Action Only Force với hộp thoại Insert Action Only
- Mô men tác dụng: Lệnh Action Only Moment
Để mô phỏng động hệ thống lái xe ô tô VINAXUKI, trước tiên cần mô phỏng từng cụm chi tiết, bắt đầu với cụm chi tiết bánh vít, bạc trục vít, trục vít và đòn quay đứng Đầu tiên, gọi các chi tiết vào môi trường mô phỏng (Motion) và chọn bạc trục vít làm chi tiết cố định bằng cách nhấp chuột phải và chọn Ground Part Tương tự, chọn bạc thứ hai Tiếp theo, chọn chi tiết chuyển động là bánh vít và đòn quay đứng bằng cách nhấp chuột phải và chọn Moving Part Sau đó, khai báo khớp ràng buộc trong COSMOS motion bằng cách vào Joints > Pixd, chọn bánh vít và trục bánh vít rồi nhấn Apply, tiếp tục ràng buộc chi tiết đòn quay đứng Cuối cùng, đặt lực vào COSMOS motion > Porces > Action on Force và xem mô phỏng bằng COSMOS motion > Show Simulation.
Sau khi thiết lập các thông số cần thiết, hãy nhấp vào biểu tượng "Run Simulation" ở cuối cây phả hệ để quan sát chuyển động cụ thể Mô hình mô phỏng chuyển động của cụm chi tiết được thể hiện trong hình 11.
Hình 3.11: Mô hình mô phỏng động cụm chi tiết
KHẢO SÁT ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG MỘT SỐ CHI TIẾT CHÍNH CỦA HỆ THỐNG LÁI
Cơ sở tính toán hệ thống lái
Trục lái làm bằng ống thép rỗng được tính theo ứng suất xoắn đo lực tác dụng lên vành tay lái
Trục lái thường được chế tạo từ thép ống cácbon 20, 30, 40 mà không qua quá trình nhiệt luyện Đường kính trong và ngoài của trục lái được ký hiệu là D và d (m), với ứng suất tiếp xúc cho phép trong khoảng [] = 50 ÷ 80 MN/m².
Với các trục lái dài cần tính toán theo độ cứng (góc xoắn trục) theo công thức:
2 ( rad) (2) Ở đây: L- Chiều dài của trục (m)
G – mô đuyn đàn hồi dịch chuyển (G = 8.10 4 MN/m 2 )
max đổi ra độ không được vượt quá (5,5 0 – 7,5 0 ): 1m Tính như trên độ dự trữ bền giới hạn chảy được trong khoảng 2,5 – 3,5
Loại trục vít vô tận và bánh răng vít hay cung răng
Khi tính toán độ bền, chúng ta xem xét cả hai phương pháp uốn và chèn dập, đồng thời thừa nhận rằng có hai răng ăn khớp cùng một lúc Ứng suất uốn của răng sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
(MN/m 2 ) Ở đây: t – Bước của trục vít vô tận,
- góc nghiêng của trục vít vô tận,
37 h và b – chiều cao và chiều rộng tương ứng của răng bánh vít (m)
Lực dọc T được xác định theo công thức: t
(MN) Ở đây: r0 – bán kính vòng tròn cơ sở của trục vít
Trục vít thường chế tạo bằng thép xêmăngtít hóa 20, 20X, 20X3 Đôi khi chế tạo bằng thép 35X hay 35XH
Bánh vít thường chế tạo bằng thép 35X đôi khi chế tạo bằng thép
Xêmăngtít 20X Cung răng chế tạo bằng thép 35X, 20X Khi tính chèn dập bề mặt răng ta coi mặt tì là toàn bộ bề mặt của bánh răng vít
Ở đây: F – diện tích bề mặt tiếp xúc của răng F= 2bh (giả thiết với răng cùng ăn khớp)
Đòn quay đứng là bộ phận quan trọng trong hệ thống lái, giúp truyền chuyển động từ trục thụ động đến đòn dọc của dẫn động lái Nó được kết nối với dẫn động lái thông qua khớp cầu và với trục cơ cấu lái bằng then hoa hình tam giác Trong các thiết kế cũ, đòn quay thường được lắp vào đầu trục hình vuông, nhưng phương pháp này gây khó khăn trong việc căn chỉnh và tạo ra ứng suất lớn trên bề mặt hình vuông.
Kích thước cơ bản của đòn quay đứng được xác định bởi lực truyền từ các bánh xe dẫn hướng khi ô tô di chuyển trên đường gồ ghề.
Thực nghiệm cho thấy lực truyền từ bánh xe qua đòn dọc chỉ đạt tối đa một nửa trọng lượng tĩnh tác động lên bánh trước của ô tô.
( 0,5 G1) Vì vậy khi tính lực quay đứng ta sẽ tính Q nào lớn hơn trong hai giá trị lực Q tác dụng lên chốt hình cầu dưới đây
Đòn quay đứng được kiểm tra độ bền uốn và xoắn thông qua mô men Qla và Qc Chúng được chế tạo từ thép carbon trung bình như 40, 40X, 40XH đã qua tôi và ram Đầu quay đứng hình tam giác được kiểm tra bằng phương pháp chèn, dập và cắt.
Hệ số an toàn khi tính đòn quay đứng lấy từ 2 – 3
Để tính toán các đòn dẫn động chủ yếu, cần xem xét đòn dọc và đòn ngang Đòn dọc được kiểm tra bằng uốn dọc do lực Q, trong khi đòn ngang được kiểm tra bằng uốn dọc do lực N Lực Q có thể được tính theo công thức (3) hoặc (4), và giá trị lớn hơn sẽ được sử dụng cho tính toán Lực N có thể được xác định dựa trên giá trị của lực phanh Xp.
(5) Ở đây: Xp – Lực phanh tác dụng lên một bánh xe
Mlp – hệ số phân bố lại trọng lượng lên cầu dẫn hướng khi phanh (mlp = 1,4) φ - Hệ số bám giữa lốp và đường φ= 0,7 Ứng suất nén trong đòn kéo dọc d n f
Ứng suất nén trong đòn kéo ngang n n f
Ở đây: fd và fn – Tiết diện ngang của đòn kéo ngang và đòn kéo dọc Ứng suất uốn dọc của đòn kéo dọc d ud f
39 Ứng suất uốn ngang của đòn kéo ngang n un f
Ở đây: Jd và Jn – là mômen quán tính của tiết diện thanh dọc và thanh ngang
E – Môđuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh dọc và thanh ngang (E= 2,1.10 5 MN/m 2 ) lb, n – các kích thước chiều dài Độ dự trữ bền được tính theo 1 , 2 2 , 5 un
Đòn kéo dọc và kéo ngang được chế tạo từ thép ống loại 20, 30 và 40 Trụ cầu (rotule) trong hệ thống dẫn động lái cần được kiểm tra áp suất giữa đầu trụ cầu và đệm, đảm bảo rằng áp suất này không vượt quá 25 – 35 MN/m2.
Chân trụ cầu cần được kiểm tra cắt và uốn tại vị trí tiếp xúc với thành lỗ đòn kéo Để đảm bảo hiệu suất, lực xiết lò xo ban đầu ở bên tấm đệm phải đạt khoảng 0,8 lực cực đại tác dụng lên thanh kéo dọc.
Trụ cầu được chế tạo từ thép xêmăngtít hóa 15HM, 12XH3, đóng vai trò quan trọng trong động học của hệ thống lái ô tô Khi thiết kế động học cho hình thang lái, các kỹ sư xác định kích thước và góc nghiêng của đòn bên so với trục dọc của xe, đồng thời lựa chọn tỉ số truyền phù hợp cho các đòn dẫn động lái.
Khi thực hiện kiểm tra động học của hình thang lái, người ta xác định mối quan hệ thực tế giữa góc quay của các bánh dẫn hướng và một mẫu ô tô cụ thể, sau đó so sánh với mối quan hệ lý thuyết mà không tính đến sự biến dạng của lốp.
Để ô tô quay vòng mà không bị trượt, tất cả các bánh xe phải quay quanh một tâm O Đối với ô tô bốn bánh, tâm quay vòng O có thể nằm ngoài xe hoặc tại giao điểm của trục giữa hai cầu sau và trục kéo dài của hai bánh dẫn hướng Trong trường hợp ô tô sáu bánh, điều này cũng áp dụng tương tự để đảm bảo quá trình quay vòng ổn định.
40 hoặc nằm trên giao điểm của các trục dài của bốn bánh dẫn hướng và trường hợp ô tô có bốn bánh đều là bốn bánh dẫn hướng
Khi quay vòng, các bánh dẫn hướng quay cùng với ngỗng quay, nhưng ngỗng quay chỉ xoay quanh trục của nó mà không di chuyển vị trí Mối quan hệ giữa các ngỗng quay được thiết lập thông qua hình thang lái, hay còn gọi là hình thang lái Đantô Theo lý thuyết ô tô máy kéo, góc lớn hơn góc Hình thang lái có nhiệm vụ đảm bảo rằng hai bánh dẫn hướng quay với các góc và theo một tỷ lệ không đổi, giúp đảm bảo điều kiện quay không bị trượt.
C O D g O g cot cot (7) Ở đây: L – Khoảng cách giữa hai cầu ô tô hay là chiều dài cơ sở của ô tô
Khoảng cách giữa tâm của các ngỗng quay (O – tâm quay vòng) là giao điểm giữa ngỗng quay và trục của trụ đứng Phương trình (7) không tính đến độ biến dạng bên của các bánh xe Để ô tô có thể quay vòng với các bán kính khác nhau mà vẫn giữ được mối quan hệ giữa và như trong (7), hình thang lái Đantô cần phải được xác định rõ ràng Mặc dù hình thang lái Đantô không hoàn toàn đáp ứng công thức (7), nhưng có thể điều chỉnh quan hệ cơ cấu hình thang lái để chấp nhận một sai lệch nhỏ so với lý thuyết.
4.2 Thực nghiệm để xác định tải trọng tác dụng lên hệ thống lái của xe ô tô VINAXUKI Để xác định tải trọng tác dụng lên hệ thống lái của xe ô tô tôi đã tiến hành làm thực nghiệm trên xe ô tô VINAXUKI khi vận chuyển gỗ trên đường lâm nghiệp (Hình 4.1) tại Tỉnh Thanh Hóa thông qua việc đo lực tác dụng lên vành tay lái
Hình 4.1: Chuẩn bị ô tô khảo nghiệm Để đo lực tác dụng lên vành tay lái tôi sử dụng những thiết bị sau:
Khảo sát ứng suất, biến dạng một số chi tiết chính của hệ thống lái trên xe ôtô VINAXUKI
4.3.1 Khảo sát ứng suất, biến dạng của cụm chi tiết cam quay – đòn ngang Để khảo sát ứng suất biến dạng cam quay – đòn ngang của hệ thống lái tôi sử dụng phần mềm Solidworks 2010
Sau đây là các bước cụ thể để tiến hành khảo sát ứng suất, biến dạng của cụm chi tiết
Khởi động Solidworks và mở file mô hình 3D của chi tiết cam quay – đòn ngang để tiến hành khảo sát ứng suất và biến dạng.
Hình 4.9: Cụm chi tiết cam quay – đòn ngang
Bước tiếp theo vào Toots > SimulationXpress > Next > Add fixture (Chọn mặt cố định) > OK
Để chọn mặt và đặt lực tác dụng, bạn cần nhấp chuột vào mặt mà mình muốn tác động Sau đó, chọn "Add a force" và nhập giá trị lực đã tính toán ở phần trước (hình 4.10), rồi nhấn "OK".
Hình 4.10: Đặt giá trị lực đã tính toán
Bước tiếp theo tôi chọn vật liệu: Material > Choose material > Apply ta được (hình 4.11)
48 Tiếp theo tôi vào: Run > Run Simulation ta được (hình 4.12)
Tiếp theo tôi vào: Yes,continue > Showvon Misstress > Play animation ta được ứng suất (chuyển vị) của cụm chi tiết (hình 4.13)
Hình 4.13 : Chuyển vị của cụm chi tiết
Bước tiếp theo ta click chuột vào Stop animation > Show displacement
> Play animation ta được biến dạng của cụm chi tiết (hình 4.14)
Hình 4.14 : Biến dạng của cụm chi tiết 4.3.2 Khảo sát ứng suất, biến dạng của chi tiết đòn quay đứng
Khảo sát ứng suất, biến dạng của chi tiết đòn quay đứng được tiến hành theo các bước sau:
Sau khi khởi động phần mềm Solidworks 2010 ta mở file chi tiết đòn quay đứng như (hình 4.15)
Hình 4.15: Chi tiết đòn quay đứng
Bước tiếp theo vào Toots > SimulationXpress > Next > Fixtures (Chọn mặt ràng buộc) > OK > Loads > Add a force > Chọn mặt đặt lực > Material như (hình 4.16)
Hình 4.16: Mặt tác dụng lực
Sau khi đã xác định điểm đặt lực và vật liệu, tôi tiếp tục chọn Run > Results > Show von Mises stress > Play animation để hiển thị ứng suất tác động lên đòn quay đứng (hình 4.17).
Hình 4.17: Ứng suất của chi tiết
Bước tiếp theo ta click chuột vào Stop animation > Show displacement > Play animation ta được biến dạng (chuyển vị) của đòn (hình 4.18)
Hình 4.18: Chuyển vị của chi tiết
4.3.3 Khảo sát ứng suất, biến dạng của chi tiết bánh vít
Sau khi khởi động phần mềm Solidworks 2010 ta mở file chi tiết bánh vít như (hình 4.19)
Hình 4.19: Chi tiết bánh vít
Sau khi đã mở chi tiết trong thư mục ra như hình trên ta Click chuột vào: Tools > Simulation Xpress > Next > Add a flixture (Chọn mặt cố định như hình 4.20)
Hình 4.20: Chọn mặt cố định
Sau khi đã chọn mặt cố định ta chọn điểm (mặt đặt lực tác dụng)
Trong phần này, chúng ta sẽ thêm lực tác dụng bằng cách chọn các mặt bên của răng ăn khớp và nhập giá trị lực mà đã được tính toán trước đó, như minh họa trong hình 4.21.
Hình 4.21: Điểm đặt lực tác dụng
Khi đã chọn mặt tác dụng lực và giá trị lực thì ta Click chuột vào OK >
Material > Choose Material ta được (hình 4.22)
Khi đã chọn được vật liệu phù hợp ta Click chuột vào Apply
Bước tiếp theo ta chọn: Run > Change settings > Continue > Run Simulation
Bước tiếp theo ta chọn Yes,continue > Show von Mises stress > Play animation ta được ứng suất (chuyển vị) của cung răng như (hình 4.24)
Hình 4.24: Chuyển vị của chi tiết
Sau khi đã thể hiện ứng suất của chi tiết ta Click chuột vào Stop animtion > Show displacement > Play animation ta được biến dạng của cung răng như (hình 4.25)
Hình 4.25: Biến dạng của chi tiết 4.3.4 Khảo sát ứng suất, biến dạng của chi tiết trục vít
Sau khi khởi động Solidworks, mở file chi tiết mô hình 3D để khảo sát ứng suất và biến dạng của chi tiết trục vít như trong hình 4.26.
Hình 4.26: Chi tiết trục vít
Bước tiếp theo vào Toots > SimulationXpress > Next > Add fixture (Chọn mặt cố định) > OK
Để chọn mặt tác dụng lực, bạn cần nhấp chuột vào mặt mà bạn muốn tác động Tiếp theo, chọn "Add a force" và nhập giá trị lực đã tính toán ở phần trước, sau đó nhấn "OK" để hoàn tất.
Hình 4.27: Đặt giá trị lực đã tính toán
8Bước tiếp theo tôi chọn vật liệu: Material > Choose material > Apply ta được (hình 4.28)
Tiếp theo tôi vào: Run > Run Simulation ta được (hình 4.29)
Tiếp theo tôi vào: Yes,continue > Showvon Misstress > Play animation ta được ứng suất của cụm chi tiết (hình 4.30)
Hình 4.30 : Ứng suất của chi tiết
Bước tiếp theo ta click chuột vào Stop animation > Show displacement
> Play animation ta được biến dạng (chuyển vị) của cụm chi tiết (hình 4.31)
Hình 4.31: Chuyển vị của chi tiết
4.3.5 Khảo sát ứng suất, biến dạng của chi tiết dầm cầu trước
Khởi động Solidworks và mở file chi tiết mô hình 3D để phân tích ứng suất và biến dạng của dầm cầu trước, như được minh họa trong hình 4.32.
Hình 4.32: Chi tiết dầm cầu trước
Bước tiếp theo vào Toots > SimulationXpress > Next > Add fixture (Chọn mặt cố định) > OK
Để chọn mặt và đặt lực tác dụng, trước tiên bạn cần nhấp chuột vào mặt mà bạn muốn tác động Tiếp theo, chọn "Add a force" và nhập giá trị lực đã được tính toán trước đó Sau khi hoàn tất, nhấn "OK" để hoàn thiện quá trình, như được minh họa trong hình 4.33.
Hình 4.33: Đặt giá trị lực đã tính toán
Bước tiếp theo tôi chọn vật liệu: Material > Choose material > Apply ta được (hình 4.34)
Tiếp theo tôi vào: Run > Run Simulation ta được (hình 4.35)
Tiếp theo tôi vào: Yes,continue > Showvon Misstress > Play animation ta được ứng suất của cụm chi tiết (hình 4.36)
Hình 4.36: Ứng suất của chi tiết
Bước tiếp theo ta click chuột vào Stop animation > Show displacement
> Play animation ta được biến dạng (chuyển vị) của cụm chi tiết (hình 4.37)
Hình 4.37 : Chuyển vị của chi tiết
Đầu đo lực tiêu chuẩn kết nối với thiết bị Spider 8 đã thực hiện đo lực tác dụng lên vành tay của hệ thống lái, cung cấp các thông số đầu vào quan trọng cho việc khảo sát ứng suất và biến dạng của các chi tiết trong hệ thống lái của xe ô tô VINAXUKI.
Qua khảo sát ứng suất và biến dạng của cụm chi tiết cam quay, đòn ngang, đòn quay đứng, bánh vít, trục vít và dầm cầu trước, chúng tôi nhận thấy rằng trong điều kiện làm việc bình thường, ứng suất và biến dạng của các chi tiết này đều nằm trong tiêu chuẩn cho phép Tuy nhiên, để nâng cao độ bền cho hệ thống lái, cần cải tiến một số chi tiết như chế tạo thêm gân cho dầm cầu trước và tăng độ cứng cho cam quay và đòn ngang.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Kết luận
- Bằng phần mềm Solidworks 2010 tôi đã xây dựng được mô hình 3D các chi tiết của hệ thống lái trên xe ô tô VINAXUKI
- Bằng phần mềm Solidworks tôi đã lắp ráp được các chi tiết của hệ thống lái trên xe ô tô VINAXUKI
Phần mềm Cosmos Motion đã mô phỏng động các cụm của hệ thống lái trên xe ô tô VINAXUKI, giúp xác định các thông số động học quan trọng của hệ thống này.
Sử dụng COSMOS XPRESS ANALYSIS WIZARD, chúng tôi đã phân tích ứng suất và biến dạng của các chi tiết quan trọng trong hệ thống lái, bao gồm cụm chi tiết cam quay, đòn ngang, đòn quay đứng, trục vít, bánh vít và dầm cầu trước.
Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định lực tác dụng lên vành tay lái trong hệ thống lái, cung cấp tài liệu gốc cho việc mô phỏng động và phân tích ứng suất, biến dạng của các bộ phận làm việc trong cơ cấu lái.
Khuyến nghị
Mô hình 3D và kết quả phân tích ứng suất, biến dạng từ COSMOS XPRESS ANALYSIS WIZARD có thể áp dụng để xác định các thông số động học của hệ thống lái trên nhiều loại xe khác, bao gồm Hoa Mai và Đông Phong.
Cần sử dụng các phần mềm như Adams và Ansys để phân tích động lực học, ứng suất và biến dạng của các cơ cấu và chi tiết trong hệ thống lái nhằm thực hiện so sánh hiệu quả.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1 Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên (1985), Thiết kế và tính toán Ô tô máy kéo, Tập III, Nxb Đại học và trung học chuyên nghiệp Hà Nội
2 Nguyễn Hữu Cẩn và các tác giả (1998), Lý thuyết Ô tô máy kéo, Nxb Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
3 Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê
Thị Vàng (2000) Lý thuyết ô tô máy kéo, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,
4 Nguyễn Xuân Châu, Cơ cấu lái đặc biệt cho người tàn tật, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội
5 PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu (2005), Đo lường và khảo nghiệm máy, Tập bài giảng cho cao học, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà nội
6 Nguyễn Đà Giang (2011), Khảo sát động lực học của máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo bông sen – 8, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội
7 Phạm Thượng Hàn và các tác giả (1996), Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý Tập 1, Nxb Giáo dục Hà Nội
8 Nguyễn Khắc Huân (2005), Nghiên cứu xác định ứng suất và biến dậngcủ vỏ xe khi chịu tác động va chạm bên, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội
9 Phan Đình Huấn, Tôn Thất Tài (2002), Xây dựng mô hình ba chiều và bản vẽ kỹ thuật bằng Inventor, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
10 Lương Ngọc Hoàn (2008), Nghiên cứu động lực học của tay thủy lực bốc dỡ gỗ lắp sau máy kéo bánh hơi khi xoay cần, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội
11 Nguyễn Việt Hùng, Đào Hồng Bách (2003), Hướng dẫn sử dụng
Solidwokrs trong thiết kế 3 chiều, Nxb Xây dựng, Hà Nội
12 Nguyễn Trọng Hữu (2007), Mô phỏng động trong Solidwokrs, Nxb Hồng Đức, TP Hồ Chí Minh
13 Nguyễn Trọng Hữu (2008), Thiết kế sản phẩm Solidwokrs, Nxb Thống kê,
14 Đinh Thị Hợi (2009), Nghiên cứu ứng suất biến dạngcủa tay thủy lực khi làm việc ở giai đoạn quá độ, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội
15 Vũ Đức Lập, Phạm Đình Vi (1996), Thử nghiệm xe, Tài liệu dịch từ tiếng
Séc, Học viện Kỹ thuật quân sự
16 Nguyễn Hữu Lộc (2005), Sử dụng AutoCAD 2000, Nxb Tổng hợp TP Hồ
17 Nguyễn Thanh Quang (2001), Nghiên cứu động học, động lực học và độ bền hệ thống lái trên xe Mekong, Luận văn tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội
18 Ngô Xuân Quyết (2000), Cơ sở lý thuyết mỏi, Nxb Giáo dục, Hà Nội
19 Đỗ Sanh, Nghiên cứu về động học, động lực học trong đó có một phần nghiên cứu về động học quay vòng xe ở tốc độ cao
20 Nguyễn Ngọc Tân (1998), Kỹ thuật đo, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà
21 Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm (1999), Nguyên lý máy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
22 Nguyễn Xuân Thiện, Lê Hồng Quân, Bộ trợ lực lái thủy lực do Việt Nam chế tạo áp dụng cho xe xích T55, Học viện kỹ thuật Quân sự, Hà Nội
23 TS Nguyễn Khắc Trai, Nghiên cứu về thuyết quay vòng của hệ thống lái,
Luận án tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội
24 Lê Công Trung (1999), Đàn hồi ứng dụng, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà
25 Nguyễn Thị Tho (2010), Ứng dụng Solidwokrs và Cosmos Motion trong việc mô phỏng máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo bông sen – 8,
Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội
26 Nguyễn Mạnh Yên, Đào Tăng Kiệm, Nguyễn Xuân Thành, Ngô Đức
Tuấn (1998), Hướng dẫn sử dụng các chương trình tính kết cấu, Nxb
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
27 B.ỉ.Pouonob và M.ỉuttepman, (1980), Sử dụng hai phương phỏp đồ thị và phương pháp đại số để nghiên cứu xác định động học hệ thống lái ,
Tài liệu dịch từ tiếng Nga
28 Lưxốp (1972, Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu xác định động học, động lực học hệ thống lái, Tài liệu dịch từ tiếng Nga
Số liệu thực nghiệm đo lực tác dụng lên vành tay lái Thời gian (s) Lực tác dung
PHỤ LỤC 2 Một số hình ảnh và tài liệu liên quan đến đề tài
Xe tải VINAXUKI loại 1240 kg
Chuẩn bị ô tô khảo nghiệm
