Luận án Nghiên cứu xác định tải trọng động thẳng đứng của đoàn xe lên mặt đường

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Các phương pháp, số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Ngọc Tú BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- PHAN TUẤN KIỆT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG THẲNG ĐỨNG CỦA ĐOÀN XE LÊN MẶT ĐƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN TUẤN KIỆT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG THẲNG ĐỨNG CỦA ĐOÀN XE LÊN MẶT ĐƯỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG 2. PGS.TS NGUYỄN PHÚ HÙNG Hà Nội – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Võ Văn Hường và PGS.TS Nguyễn Phú Hùng. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được các tác giả khác công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn khoa học 1 PGS.TS. Võ Văn Hường Người hướng dẫn khoa học 2 PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng Tác giả Phan Tuấn Kiệt ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Võ Văn Hường và PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu và Khoa Cơ Khí Động lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện để luận án được hoàn thành. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Chuyên gia ngành Động lực đã đóng góp các ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Phan Tuấn Kiệt iii MỤC LỤC Lời cam đoan ............................................................................................................................ i Lời cảm ơn ............................................................................................................................... ii Mục lục ................................................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ..................................................................................... vi Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................................. x Danh mục bảng biểu .............................................................................................................. xiv Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................................... 1 Mục đích của luận án ............................................................................................................... 1 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................................. 1 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................................... 2 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................. 2 Các kết quả đã đạt được của Luận án ...................................................................................... 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................................. 3 Điểm mới của luận án .............................................................................................................. 3 Cấu trúc của luận án ................................................................................................................ 4 Chương 1 ................................................................................................................................. 5 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TẢI TRỌNG Ô TÔ ........................................................ 5 1.1 Tổng quan về tải trọng đoàn xe sơ-mi rơ moóc ............................................................. 5 1.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động .............................................................................. 9 1.2.1 Tình hình nghiên cứu tải trọng ĐXSMRM trên thế giới ......................................... 9 1.2.2 Tình hình nghiên cứu tải trọng động ở Việt Nam .................................................. 14 1.2.3 Tiêu chuẩn đánh giá ............................................................................................... 19 1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu .......................... 20 1.3.1 Mục tiêu.................................................................................................................. 20 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 21 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 21 1.3.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 21 Chương 2. MÔ HÌNH ĐOÀN XE SƠ-MI RƠMOÓC XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG .... 23 2.2 Phương pháp lập mô hình toán ..................................................................................... 25 2.3 Định nghĩa hệ tọa độ cho đoàn xe SMRM .................................................................... 25 2.4 Lực và mômen tác dụng lên đoàn xe SMRM ............................................................... 30 iv 2.5 Phương trình động lực học đoàn xe SMRM ................................................................. 33 2.5.1 Phương trình dao động khối lượng được treo xe đầu kéo ...................................... 33 2.5.2 Phương trình dao động khối lượng được treo SMRM ........................................... 36 2.5.5 Phương trình chuyển động quay các bánh xe ......................................................... 39 2.6 Xác định các lực và mômen liên kết ............................................................................. 42 2.6.1 Lực liên kết của hệ thống treo ................................................................................ 43 2.6.2 Tính lực liên kết lốp-đường tại tâm vết tiếp xúc bánh xe ...................................... 47 2.7 Cấu trúc mô hình ĐXSMRM ........................................................................................ 52 2.8 Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 53 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐXSMRM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG ĐỘNG XUỐNG ĐƯỜNG ....................................................................................... 54 3.1. Định nghĩa thông số đầu vào ................................................................................... 55 3.1.1 Thông số từ mặt đường .......................................................................................... 55 3.1.2 Xác định vận tốc tương đương ............................................................................... 57 3.1.3 Điều kiện đầu của các tọa độ suy rộng ................................................................... 58 3.1.4 Thông số cấu trúc ................................................................................................... 58 3.1.5 Thông số đánh giá .................................................................................................. 63 3.2 Nội dung khảo sát ......................................................................................................... 64 3.3 Kết quả khảo sát ............................................................................................................ 65 3.3.1 Phương pháp xác định giá trị cực đại của các tham số khảo sát ............................ 65 3.3.2 Kết quả khảo sát với 04 loại đường theo tiêu chuẩn ISO 8608 .............................. 66 3.3 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 82 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................................ 84 4.1 Mục tiêu thí nghiệm ...................................................................................................... 84 4.2 Đối tượng thí nghiệm .................................................................................................... 84 4.3 Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................................... 85 4.4 Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................................ 88 4.4.1 Cảm biến ................................................................................................................ 88 4.4.1.1 Cảm biến đo gia tốc theo phương x, y, z - MMA7361L ................................. 88 4.4.1.2 Cảm biến đo khoảng cách siêu âm Ultrasonic US-015 ................................... 88 4.4.1.3 Cảm biến đo vận tốc dài của xe ....................................................................... 89 4.4.1.4 Card chuyển đổi tín hiệu Arduino UNO R3 .................................................... 90 4.4.1.5 Bộ xử lý NI USB – 6210 ................................................................................. 91 4.5 Quy trình thí nghiệm ..................................................................................................... 94 v 4.6. So sánh kết quả ............................................................................................................ 95 4.7. Tính sai số theo Pearson ............................................................................................. 100 4.8. Xác định tải trọng gián tiếp ......................................................................................... 101 4.9 Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................. 114 Phụ lục 1 .................................................................................................................................. 1 Phụ lục 2 ................................................................................................................................. 13 Phụ lục 3 ................................................................................................................................. 30 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa MBS Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System) XĐK Xe đầu kéo SMRM Sơmi rơ moóc ĐXSMRM Đoàn xe sơmi rơ moóc G(OXYZ) Hệ tọa độ cố định B(Cxyz) Hệ tọa độ vật, hệ tọa độ con ij Chỉ số bánh xe thứ i (cầu) và trái (j=1) / phải (j=2) i=1(1)5 Chỉ số các cầu j=1 Chỉ số bánh xe bên trái j=2 Chỉ số bánh xe bên phải l1 m Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến cầu 1 l2 m Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến cầu 2 l3 m Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến tâm cầu 3 l23 m Khoảng cách từ trọng tâm xe kéo đến tâm cầu 2 và 3 l4 m Khoảng cách từ trọng tâm rơmoóc đến cầu 4 l5 m Khoảng cách từ trọng tâm rơmoóc đến cầu 5 hC1 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm xe kéo hC2 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm rơ moóc hk1 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm khớp yên ngựa hwx1, 2 m Chiều cao tâm khí động theo phương x 2bi m Chiều rộng cơ sở của cầu thứ i, i=1(1)5 vii 2wi m Khoảng cách hai hệ thống treo cầu thứ i c m Chiều dài thanh cân bằng dọc của hệ thống treo lk1 m Khoảng cách trọng tâm xe kéo đến khớp yên ngựa lk2 m Khoảng cách trọng tâm rơmoóc đến khớp yên ngựa rdij m Bán kính động của lốp thứ ij; 0 ( )dij ij ij ijr r h    (i=1(1)5, j=1(1)2) r0ij m Bán kính tĩnh của lốp thứ ij; 0 t ij ij ijr r f  (i=1(1)5, j=1(1)2) rij m Bán kính thiết kế của lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) x, y max Hệ số bám dọc, ngang lớn nhất của bánh xe mC1 kg Khối lượng được treo xe kéo mC2 kg Khối lượng được treo bán moóc mAi kg Khối lượng không được treo cầu i (i= 1(1)5) Deg/rad Góc lắc ngang của cầu thứ i (i= 1(1)5) deg, deg/s, deg/s2 Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang của xe kéo deg, deg/s, deg/s2 Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc ngang của xe rơ moóc deg, deg/s, deg/s2 Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc của xe kéo deg, deg/s, deg/s2 Góc, vận tốc góc và gia tốc góc lắc dọc của xe rơ moóc deg, deg/s, deg/s2 Góc, vận tốc góc và gia tốc góc bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc trọng tâm khối lượng không được treo cầu i (i = 1(1)5) m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc trọng tâm khối lượng bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) Aiβ C1 C1 C1, ,   C2 C2 C2, ,   C1 C1 C1, ,   C2 C2 2, , C   ij ij ij, ,   Ai Ai Aiξ ,ξ ,ξ Aij Aij Aijξ ,ξ ,ξ viii ,ij ijz z m, m/s Chuyển vị, vận tốc điểm trên hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) ,ij ij  m, m/s Chuyển vị, vận tốc điểm dưới hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương dọc của khối lượng được treo xe kéo m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc dọc của khối lượng được treo rơ moóc m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của khối lượng được treo xe kéo m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng của khối lượng được treo rơ moóc m Độ võng động (hành trình trả) của hệ thống treo (i=1(1)5, j=1(1)2) m Độ võng động (hành trình nén) của hệ thống treo (i=1(1)5, j=1(1)2) Cij N/m Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)5, j=1(1)2) Kij N/(m/s) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)5, j=1(1)2) CLij N/m Độ cứng hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) KLij N/(m/s) Hệ số cản hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) JxC1 kgm 2 Mô men quán tính trục x của phần được treo xe kéo JxC2 kgm 2 Mô men quán tính trục x của phần được treo bán moóc JAxi kgm 2 Mô men quán tính trục x của khối lượng không được treo cầu i (i=1(1)5) JAyij kgm 2 Mô men quán tính trục y bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) MAij Nm Mô men chủ động bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) MBij Nm Mô men phanh bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) Mij Nm Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y (i=1(1)5, j=1(1)2) C1 C1 C1x ,x ,x C2 C2 C2x ,x ,x C1 C1 C1z ,z ,z C2 C2 C2z ,z ,z t dijf n dijf ix MTi Nm Mô men thanh ổn định ngang cầu i (i=1(1)5) Fwx N Lực cản không khí phương x Fxij N Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) Fzij N Phản lực bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) FCLij N Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) FKLij N Lực cản giảm chấn lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)5, j=1(1)2) kdij Hệ số tải trọng động bánh ij IM Hệ số xung kích w Hệ số áp lực đường R Hệ số tương quan x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tác động tương hỗ lốp-đường ................................................................................ 5 Hình 1.2 Tương tác lốp-đường .............................................................................................. 6 Hình 1.3 Các dạng đoàn xe trên thế giới .............................................................................. 9 Hình 1.4 Đo phản lực lực tiếp ............................................................................................. 12 Hình 1.5 Đo chuyển vị hướng kính của lốp ......................................................................... 13 Hình 1.6 Đo phản lực lốp-đường ........................................................................................ 14 Hình 2.1 Hệ tọa độ của ĐXSMRM ...................................................................................... 27 Hình 2.2 Hệ tọa độ của đoàn xe trong mặt phẳng dọc OXZ ............................................... 28 Hình 2.3 Hệ tọa độ mặt ngang cầu trước ............................................................................ 29 Hình 2.4 Hệ tọa độ mặt ngang cầu sau xe kéo .................................................................... 29 Hình 2.5 Hệ tọa độ mặt ngang cầu SMRM.......................................................................... 30 Hình 2.6 Sơ đồ lực và mômen ngoại lực và liên kết của ĐXSMRM .................................... 31 Hình 2.7 Sơ đồ lực và mômen của đoàn xe trong mặt phẳng dọc ....................................... 32 Hình 2.8 Sơ đồ lực và mômen của xe đầu kéo trong mặt phẳng dọc .................................. 34 Hình 2.9 Động lực học ngang cầu 1 .................................................................................... 35 Hình 2.10 Động lực học ngang cầu giữa ............................................................................ 35 Hình 2.11 Sơ đồ lực và mômen của SMRM trong mặt phẳng dọc ...................................... 36 Hình 2.12 Động lực học ngang cầu sau SMRM .................................................................. 37 Hình 2.13 Bánh xe chủ động MAij>0 ................................................................................... 39 Hình 2.14 Bánh xe chủ động MBij<0 ................................................................................... 39 Hình 2.15 Bánh xe bị động bị phanh Mij=0 ........................................................................ 40 Hình 2.16 Bánh xe bị động bị đẩy Mij=0 ............................................................................. 40 Hình 2.17 Động lực học chuyển động góc các bánh xe ...................................................... 41 Hình 2.18 Hệ thống treo phụ thuộc ..................................................................................... 43 Hình 2.19 Hệ thống treo thanh cân bằng và hệ thống treo cân bằng ................................. 44 Hình 2.20 Hệ thống treo cân bằng ...................................................................................... 44 Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống treo cân bằng của xe đầu kéo .................................................... 44 Hình 2.22 Hệ thống treo cân bằng với thanh cân bằng ...................................................... 45 Hình 2.23 Sơ đồ hệ thống treo cân bằng liên tiếp của xe sơ-mi rơmoóc ............................ 45 Hình 2.2