MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vii
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ.x
DANH MỤC BẢNG . xiii
MỞ ĐẦU.1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.5
1.1. Khái quát về tình hình phát triển máy kéo nông nghiệp ở nước ta .5
1.1.1. Thực trạng trang bị máy kéo ở nước ta.5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo máy kéo ở nước ta .7
1.2. Khái quát về tính chất chuyển động của máy kéo.8
1.3. Sự cần thiết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo nông
nghiệp .11
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về tính chất chuyển động của máy kéo 15
1.4.1. Quá trình và thành tựu nghiên cứu động lực học ô tô theo phương ngang.15
1.4.2. Tình hình nghiên cứu về tính chất chuyển động của máy kéo bánh .19
1.5. Tình hình nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo ở trong nước .24
1.6. Mô hình động lực học nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo .26
1.7. Các mô hình bánh xe để nghiên cứu tính chất chuyển động của máy kéo 30
1.8. Kết luận phần Tổng quan .37
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .38
2.1. Nội dung nghiên cứu.38
2.2. Phương pháp nghiên cứu.38
2.2.1. Phương pháp mô hình hoá đối tượng nghiên cứu .38
2.2.2. Phương pháp mô phỏng số kết hợp với mô phỏng thực nghiệm .40
2.2.3. Phương pháp giải bài toán chuyển động của ô tô máy kéo .43
2.2.4. Phương pháp đánh giá tính chất chuyển động của ô tô máy kéo.45iv
2.2.5. Phương pháp thí nghiệm xác định các tham số đặc trưng của mô hình
nghiên cứu.47
2.2.6. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động vòng
của máy kéo .49
2.3. Kết luận chương 2.55
Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP .57
3.1. Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động của máy kéo nông nghiệp 57
3.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo nông
nghiệp trong trường hợp tổng quát.58
3.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình.58
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân mô tả tính chất chuyển động vòng.59
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung.61
3.2.4. Mô hình động cơ máy kéo .63
3.2.5. Mô hình hệ thống truyền lực .64
3.2.6. Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp.71
3.2.7. Lực cản kéo của máy nông nghiệp .76
3.3. Thử nghiệm mô hình để khảo sát chuyển động vòng của máy kéo trên đất
nông nghiệp.77
3.3.1. Mô hình một vết cho máy kéo có một cầu chủ động (4x2) .78
3.3.2. Sơ đồ khối thuật toán khảo sát tính chất chuyển động vòng của máy kéo
một cầu chủ động .79
3.4. Kết luận chương 3.80
Chương 4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY
KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP.81
4.1. Chọn đối tượng để khảo sát.81
4.2. Khảo sát động lực học chuyển động vòng .82
4.2.1. Phương án thay đổi góc lái cuối .82
4.2.2. Phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng .83
4.3. Khảo sát chuyển động vòng ổn định .84v
4.3.1. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi góc lái cuối .85
4.3.2. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi tỉ số truyền .85
4.3.3. Các thông số chuyển động vòng ổn định khi thay đổi lực cản kéo.87
4.3.4. Các thông số vòng ổn định khi thay đổi phân bố trọng lượng.88
4.4. Khảo sát sự sai lệch quỹ đạo chuyển động so với quỹ đạo cho trước.92
4.4.1. Sai lệch quỹ đạo khi máy kéo quay vòng 900 .93
4.4.2. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 không nút.94
4.4.3. Sai lệch quỹ đạo khi vòng 1800 theo hình quả lê.95
4.5. Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính bánh xe khi làm việc trên các loại nền 97
4.6. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu khác đến quỹ
đạo chuyển động vòng.98
4.6.1. Trường hợp trọng tâm liên hợp máy bị lệch hẳn về một phía .98
4.6.2. Trường hợp thay đổi tỷ số truyền khi quay vòng.99
4.7. Kết luận chương 4.100
Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.101
5.1. Thí nghiệm xác định mô men quán tính Jz của máy kéo đối với trục đứng
qua trọng tâm .101
5.2. Xây dựng đặc tính động cơ bằng thực nghiệm .105
5.3. Thí nghiệm xác định đặc tính bánh xe máy kéo.106
5.3.1. Mô tả chung về thiết bị thí nghiệm bánh xe WTD-02.106
5.3.2. Sơ đồ lắp ráp các cụm chức năng .107
5.3.3. Sơ đồ truyền động cho bánh xe thí nghiệm.108
5.3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị đo lường .108
5.3.5. Kết nối thiết bị với máy kéo ngoài thực địa.109
5.3.6. Tổ chức thí nghiệm .111
5.3.7. Kết quả thí nghiệm .111
5.3.8. Kết quả xác định các hệ số của mô hình bánh xe.113
5.4. Thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng .116
5.4.1. Mục đích thí nghiệm .116vi
5.4.2. Xây dựng hệ thống đo lường, thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm quá
trình quay vòng máy kéo .116
5.4.3. So sánh kết quả tính toán khảo sát theo mô hình mô phỏng với kết quả
thực nghiệm trên máy kéo MTZ-80 .122
5.5. Kết luận chương 5.125
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.127
Kết luận.127
Đề nghị.128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
ÁN ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
171 trang |
Chia sẻ: Lavie11 | Lượt xem: 551 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh dùng trong nông nghiệp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
, Jz phụ thuộc bậc 2 vào T0, do vậy vấn đề là
phải xác định chính xác chu kỳ dao động T0. Chu kỳ dao động lắc của máy kéo
được đo qua cảm biến ghi dao động lắc, tín hiệu được xử lý trên phần mềm
DasyLab 11.0 (sẽ trình bày kỹ hơn ở chương 5).
Hình 2.1. Sơ đồ treo máy kéo theo
mặt phẳng thẳng đứng
G
l2
a
l1
49
2.2.5.2. Phương pháp xây dựng đặc tính làm việc của động cơ diesel
Năm 2004, tại Trung tâm Giám định máy và thiết bị, động cơ D-240 lắp
trên máy kéo MTZ-80 và động cơ YM-3T84 trên máy kéo Yanmar-3000 đã được
khảo nghiệm trên máy phanh thủy lực F-4000 của Mỹ, liên kết qua trục trích công
suất. Kết quả nhận được là đường đặc tính tốc độ của động cơ, lấy ở các chế độ ga
khác nhau. Sử dụng phương pháp hồi qui thực nghiệm để xây dựng các công thức
toán học mô tả đặc tính mô men để tiện sử dụng trong mô hình toàn xe.
2.2.5.3. Phương pháp xác định đặc tính chuyển động lệch của bánh xe
Tính chất chuyển động lệch của bánh xe được nghiên cứu bằng phương
pháp thực nghiệm trên thiết bị thí nghiệm bánh xe. Các quan hệ lực dọc, lực
ngang, độ trượt phụ thuộc vào góc lệch bên được xác định nhờ bố trí các thiết bị
đo hiện đại. Trên cơ sở kết quả thí nghiệm (sẽ được trình bày kỹ ở chương 5) đã
phát triển mô hình Buckhardt cho bánh xe máy kéo nông nghiệp, các bánh xe lắp
trên các máy kéo nghiên cứu đã được mô phỏng thực nghiệm thông qua các quan
hệ toán học. Đây là một trong những đóng góp mới của luận án.
2.2.6. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định quỹ đạo chuyển động vòng
của máy kéo
Phương pháp thử nghiệm máy thực cho kết quả rất cụ thể mà không cần
thay thế máy kéo bằng một mô hình vật lí nào đó bởi khi thay thế như vậy hầu
hết phải đưa ra một số giả thiết hoặc điều kiện nhất định. Trong luận án sử dụng
phương pháp thử nghiệm máy thực để kiểm định tính sát thực của mô hình xây
dựng và mức độ tin cậy của các kết quả khảo sát từ mô hình đó.
Có nhiều phương pháp thực nghiệm để xác định quỹ đạo chuyển động như
cho ô tô máy kéo chuyển động trên bãi rộng rồi đo bán kính quay vòng
(Anilovich, 1976; Nguyễn Khắc Trai, 1997), hoặc đo gia tốc ngang tại trọng tâm
(Đào Đình Tại, 1996). Tuy nhiên việc đo bán kính vòng ở giai đoạn chuyển tiếp
hoặc đo các thông số động học khi đặt sensor vào đúng trọng tâm máy kéo
thường rất khó khăn hoặc không thể. Nhược điểm lớn của các phương pháp này
là không đảm bảo độ chính xác và không thể ghi lại được các giá trị tức thời để
có thể nghiên cứu và phân tích quá trình, nhất là quá trình quá độ.
50
Trong luận án này, một phương pháp lí thuyết – thực nghiệm đã được đề
xuất để xác định quỹ đạo chuyển động thực tế của máy kéo bánh, trên cơ sở sử
dụng các thiết bị đo hiện đại nhất. Thiết bị đo gồm:
Sensor vận tốc quang học V1-Datron cho phép đo vận tốc hai phương và
tốc độ đổi hướng của vectơ vận tốc tuyệt đối (sai số 0,05%).
Các cảm biến đo góc xoay đặt tại trụ đứng của các bánh xe dẫn hướng.
Trong quá trình nghiên cứu, hai sensor V1-Datron đã được lắp đặt trên máy
kéo MTZ-80: một treo phía trước, một treo phía sau máy kéo (vị trí điểm C và
điểm D trên hình 2.2). Tuy nhiên, khi sử dụng phần mềm DasyLab11.0 để xác
định các thông số đặc trưng cho động học quay vòng nói chung và đặc trưng cho
quỹ đạo chuyển động nói riêng, có thể xây dựng thuật toán tính toán theo hai
trường hợp khác nhau như dưới đây.
2.2.6.1. Trường hợp 1: Sử dụng kết quả đo của cả hai sensor vận tốc V1
Với trường hợp này, ta tiến hành đo đồng thời vận tốc tuyệt đối của hai
điểm C và D nằm trên trục đối xứng dọc của máy kéo (hình 2.2).
Các thông số đo được như VCx, VCy (hoặc VC, C); VDx, VDy (hoặc VD,
D) và tr, ph được ghi đồng thời nhờ bộ thu thập dữ liệu đa kênh kết hợp bộ
chuyển đổi A/D và phần mềm DASYLab11.0. Các bước thuật toán chính để xác
định các thông số động học chuyển động vòng của máy kéo bánh được trình bày
dưới đây.
Từ hình 2.2, bán kính quay vòng lí thuyết:
2
tr ph
lt
LOB
tg
(2-2)
Bán kính quay vòng thực tế khi máy kéo có chuyển động lệch bên:
coscos C CC
VO E O C
(2-3)
hoặc: coscos D DD
VO E O D
(2-4)
trong khi: D
D
l e
tg
, với DyD
Dx
V
tg
V
(2-5)
51
Hình 2.2. Sơ đồ tính toán các thông số động học quay vòng
khi sử dụng 2 sensor vận tốc
Mặt khác: C F R
C
l l l e
tg
, với CyC
Cx
V
tg
V
(2-6)
Đồng đẳng hai công thức tính ở (2-5) và (2-6), được:
C F R D D C
C D
l l l tg l tg
e
tg tg
(2-7)
Từ đây tính được bán kính quay vòng của hai điểm đặt sensor V1 là vị trí
C và vị trí D:
;
sin sin
C F R D
C D
C D
l l l e l e
; (2-8)
C
y
x
A
B
T
F
R
FV
RV
O
O
TV
Rl
Fl
l
Tx
0X
Ty
0Y
CV
C
D
DV
D
Dl
Cl
C
D
TXV
TYV
e
T
D
C
52
Sau đó tính được vận tốc góc quay vòng:
2 2
Cx CyC
C C
V VV
(hoặc:
2 2
Dx DyD
D D
V VV
) (2-9)
Bán kính quay vòng của trọng tâm T là:
2 2( )T Rl e (2-10)
Vận tốc tại trọng tâm T sẽ là: T TV
Góc lệch giữa phương của TV
và trục đối xứng dọc của máy kéo là:
arcsin R
T
l e
(2-11)
Góc xoay thân xe so với hệ tục tọa độ cố định X0OY0:
0
t
dt
Chiếu véc tơ TV
lên hệ trục tọa độ cố định X0OY0, được:
cos( )
sin( )
TX T
TY T
V V
V V
(2-12)
Suy ra: 0
0
t
T TX
t
T TY
X V dt
Y V dt
(2-13)
Từ đó vẽ được quỹ đạo trọng tâm T một cách hoàn toàn chính xác.
Ngoài ra, cũng tính được góc lệch bên của các cầu:
- cầu trước:
( )F F
EA AB BE L e L etg arctg
O E O E
(2-14)
- cầu sau:
R R
BE e etg arctg
O E
(2-15)
Tính gia tốc hướng tâm:
2
.
THT T
T
Va V (2-16)
53
2.2.6.2. Trường hợp 2: Chỉ sử dụng kết quả đo của một sensor vận tốc V1
Trong trường hợp này chỉ cần sử dụng một sensor vận tốc V1 bố trí đo tại
điểm C phía trước máy kéo (hình 2.3), kết hợp với đo góc xoay các bánh xe dẫn
hướng, cũng có thể xác định một cách gần đúng quỹ đạo chuyển động và các
thông số đặc trưng cho tính chất chuyển động vòng của máy kéo thí nghiệm. Các
thông số đo được gồm giá trị vận tốc tại điểm đo VC, góc lệch C của vectơ CV
so
với trục dọc máy kéo và góc xoay trung bình của các bánh xe dẫn hướng.
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán xử lý kết quả thí nghiệm quay vòng của máy kéo
khi sử dụng một sensor vận tốc
Từ hình vẽ, có: C T CTV V V
hay: T C CTV V V
C
y
x
A
B
T
F
R
FV
RV
O
O
TV
Rl
Fl
l
Tx
0X
Ty
0Y
CV
C
TV
CTV
Cl
C
TXV
TYV
e
T
C
54
Vận tốc góc quay vòng của máy kéo (khi nhỏ):
sin( )
( )
C CT C C
F C
V V V
O C CT l l
(2-17)
Theo Atamanov et al., (1997), trong giới hạn =0max, luôn có khá nhỏ
và <<C, cho nên một cách gần đúng có thể coi sin và cos1, do vậy công
thức tính vận tốc góc quay vòng của máy kéo được viết lại là:
sinC C
F C
V
l l
(2-18)
Vận tốc xoay tương đối của điểm C quanh trọng tâm T (với góc nhỏ):
( )CT F CV l l (2-19)
Vận tốc tuyệt đối của trọng tâm có thể tính được từ quan hệ tam giác vectơ
VC, VT và VCT:
2 2 2 22 cos 2 sin
2T C CT C CT C C CT C CT C
V V V V V V V V V
(2-20)
Bằng phương pháp gần đúng liên tiếp, có thể tính lại góc lệch của phương
vận tốc trọng tâm so với trục dọc máy kéo:
arcsin CTC C
C
V
V
(2-21)
Góc lệch giữa trục đối xứng dọc của máy kéo so với trục X0 của hệ trục
toạ độ cố định được xác định:
0
t
dt
Hình chiếu của vectơ vận tốc trọng tâm TV
lên các trục của hệ toạ độ cố
định X0OY0 sẽ là:
cos( )
sin( )
TX T
TY T
V V
V V
(2-22)
Từ đây tính được toạ độ tức thời của trọng tâm máy kéo trong hệ trục cố định:
0 0
0 0
cos( )
sin( )
t t
T TX T
t t
T TY T
X V dt V dt
Y V dt V dt
(2-23)
55
Như vậy trong trường hợp chỉ có một sensor V1-Datron, vẫn có thể xây
dựng được gần đúng quỹ đạo chuyển động vòng của máy kéo. Kết quả thí
nghiệm đối chứng cho hai trường hợp trên được thể hiện ở hình 5.22 (chương 5)
với sai khác quỹ đạo không đáng kể đã chứng minh điều này.
Công thức (2-23) cũng từng gặp trong các tính toán lí thuyết, tuy nhiên
vấn đề là ở chỗ việc xác định và bằng thực nghiệm rất khó khăn và hầu như
chưa thấy đề cập đến trong các nghiên cứu thực nghiệm trước đây.
Ngoài quỹ đạo chuyển động được vẽ bởi (2-23), hoàn toàn có thể xác định
được các thông số đặc trưng cho động học quay vòng của máy kéo:
Bán kính quay vòng tức thời của trọng tâm: TT
V
(2-24)
Độ dịch chuyển tâm quay vòng tức thời so với khi máy kéo không bị lệch bên:
sinR Te l (2-25)
Góc chuyển động lệch bên của cầu trước:
( ) os
F
T
L e carctg
(2-26)
Góc chuyển động lệch bên của cầu sau:
os
R
T
ecarctg
(2-27)
Đồ thị quỹ đạo và sự thay đổi các thông số động học chuyển động vòng
của máy kéo thí nghiệm được thể hiện trong mục 5.4.2 ở chương 5.
2.3. Kết luận chương 2
1- Phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp với mô phỏng số là phương
pháp nghiên cứu hiện đại, phù hợp với các hệ thống động lực học phức tạp và phi
tuyến như máy kéo bánh đàn hồi chuyển động trên nền đất biến dạng.
Mô hình toán học được xây dựng trên cơ sở kết hợp lí thuyết và thực
nghiệm cùng với việc giải hệ phương trình vi phân chuyển động của máy kéo
theo phương pháp mô phỏng Matlab/Simulink trên máy tính số là phương pháp
nghiên cứu chủ đạo của luận án. Điều đó tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí
nghiên cứu, tạo thuận lợi cho việc khảo sát nhiều phương án.
56
2- Việc xác định các hệ số của mô hình cũng như xác định đặc tính các
phần tử chính của mô hình bằng thực nghiệm sẽ góp phần làm cho mô hình sát
thực hơn và chắc chắn sẽ tin cậy hơn.
3- Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên máy thật là công đoạn bắt buộc
đối với phương pháp nghiên cứu theo mô hình, nhằm kiểm tra tính tương thích
của mô hình và độ chính xác của kết quả nghiên cứu lí thuyết.
4- Phương pháp thí nghiệm xây dựng quỹ đạo vòng của máy kéo chỉ dùng
một sensor vận tốc V1 đã đề xuất là phù hợp với điều kiện trang thiết bị của các cơ
sở nghiên cứu ở Việt Nam và vẫn đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu thực nghiệm.
57
Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
CHUYỂN ĐỘNG VÒNG CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP
Liên hợp máy kéo bánh được xem như hệ nhiều vật rắn chuyển động theo
một quĩ đạo không gian nào đó. Bài toán động lực học chuyển động của máy kéo
là bài toán phức tạp vì qui luật chuyển động của máy kéo trong điều kiện sản
xuất nông nghiệp là bất kỳ.
Mặt khác, đây là một hệ quán tính, trong đó hệ lực đặt vào máy kéo hầu
như không xác định chính xác được mà chỉ có thể xác định tương đối chính xác ở
một số trạng thái đặc trưng nhất định. Tuỳ thuộc mục đích nghiên cứu cần mô
phỏng liên hợp máy kéo sao cho các phương trình chuyển động phản ánh đúng
hoặc gần đúng nhất mục tiêu đề ra.
Như đã trình bày trong phần Tổng quan, khi nghiên cứu tính chất chuyển
động của máy kéo nông nghiệp cần lưu ý một số đặc điểm đặc thù về kết cấu và
điều kiện sử dụng của chúng, có thể rất khác với ô tô, thậm chí khác cả với máy
kéo kéo rơ-mooc vận chuyển trên đường. Cụ thể là :
- Các máy kéo nông nghiệp thường có kết cấu treo nửa cứng (máy kéo
lớn) hoặc treo cứng (máy kéo nhỏ), làm việc với tốc độ thấp trên mặt đồng bằng
phẳng không dốc nên có thể bỏ qua dao động thẳng đứng, chuyển động lật cũng
như chuyển động vặn.
- Trong mối quan hệ đất – bánh xe, tại diện tích tiếp xúc, cả bánh xe và đất
đều bị biến dạng và trượt. Quan hệ bám trượt không chỉ phụ thuộc vào bánh xe
(như đối với ô tô) mà chủ yếu phụ thuộc vào tính chất cơ lý và tình trạng đất.
3.1. Lựa chọn mô hình động lực học chuyển động của máy kéo nông nghiệp
Nhiều nhà nghiên cứu đều có chung quan điểm rằng, vấn đề ở chỗ không
phải là chọn mô hình phức tạp hay đơn giản, mô hình không gian hay mô hình
phẳng, mô hình phi tuyến hay mô hình tuyến tính, mà điều quan trọng là mô hình
đó phải phản ánh được những đặc trưng cơ bản nhất của cơ hệ, có thể xây dựng
được chương trình giải và khảo sát chính xác, và có thể dùng thực nghiệm để
kiểm định được độ tin cậy của mô hình lí thuyết.
58
Theo quan điểm tìm kiếm một mô hình sao cho có số bậc tự do ít nhất có
thể được mà vẫn cho kết quả phù hợp về các mối quan hệ động lực học của hệ
trong một miền đủ rộng, có thể chọn mô hình tối thiểu với 3 bậc tự do. Với mục
đích nghiên cứu động lực học hướng chuyển động của máy kéo, căn cứ vào phân
tích so sánh các loại mô hình máy kéo đã trình bày trong phần tổng quan, ở đây
chọn mô hình phẳng, một vết. Điều này là phù hợp vì ngay cả đối với ô tô có kết
cấu treo đàn hồi khá phức tạp nhưng khi nghiên cứu tính chất chuyển động của
nó, nhất là theo hướng ngang, người ta vẫn sử dụng mô hình một vết.
3.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo nông
nghiệp trong trường hợp tổng quát
Tính năng quay vòng động lực học của máy kéo là tính chất thay đổi quĩ
đạo chuyển động vòng tương ứng với việc quay vô lăng lái. Để nghiên cứu tính
chất chuyển động vòng của máy kéo bánh một cách tổng quát nhất, cần lập sơ đồ
tính toán quay vòng máy kéo bánh có hai cầu chủ động (sơ đồ 4x4) với các bánh
xe trước là các bánh xe dẫn hướng. Như vậy các máy kéo có một cầu chủ động
chỉ là trường hợp riêng.
3.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình
Các giả thiết chính đặt ra khi xây dựng mô hình nghiên cứu chuyển động
vòng của máy kéo bánh là:
- Máy kéo chuyển động trên mặt đường bằng phẳng, bỏ qua dao động
thẳng đứng, bỏ qua chuyển động lật và chuyển động vặn (nếu có).
- Các lực tác dụng trong mặt phẳng ngang, song song với mặt đường
không dốc.
- Trọng tâm máy kéo nằm trên mặt phẳng chuyển động. Coi sự phân bố lại
trọng lượng trên các cầu và trên các bánh xe trái phải cùng một cầu khi chuyển
động vòng là không đáng kể.
- Bỏ qua các lực ngẫu nhiên tác dụng theo phương ngang (gió, mấp mô)
- Bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng.
- Hai bánh xe trên mỗi cầu được quy đổi thành một bánh xe tương đương
đặt tại điểm giữa cầu.
59
- Qui ước góc quay trung bình của các bánh dẫn hướng trước là =(t),
trong tính toán đặt tại điểm giữa của cầu trước.
Những giả thiết nêu trên đều xác đáng và có cơ sở, bởi vì đa số các máy kéo
bánh hiện đại đều có công suất riêng lớn và được trang bị động cơ có máy điều
chỉnh mọi chế độ có độ nhạy cao. Bởi vậy, khi máy kéo từ đường thẳng đi vào
đường vòng, lực cản chuyển động có tăng lên nhưng dễ dàng được khắc phục và
bù bởi động cơ, kể cả trong trường hợp không còn công suất dự trữ thì vận tốc
cũng chỉ giảm không đáng kể. Mặt khác, máy kéo nông nghiệp thường chuyển
động với vận tốc nhỏ (dưới 10 km/h), nhất là khi quay vòng, nên ảnh hưởng của
lực cản không khí và lực quán tính ly tâm là không lớn, cộng với kết cấu treo cứng
hoặc nửa cứng giúp cho máy kéo không bị ”vặn” như ô tô khi chuyển hướng.
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân mô tả tính chất chuyển động vòng
Sơ đồ mô hình một vết để nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của
máy kéo 4x4 trong hệ trục tọa độ cố định X0Y0 được giới thiệu trên hình 3.1.
Hình 3.1. Sơ đồ một vết nghiên cứu tính chất chuyển động vòng của máy kéo 4x4
0X
0Y
yFF
LFF
xRF
yRF
LTF
vm
x
y
O
T
A
B
Fl
Rl
Fv
Rv
v
R
F
LRF xFF
MF
Ml
cM
60
Chú thích:
X0Y0 – hệ trục tọa độ cố định
xTy - hệ trục gắn tại trọng tâm
FxF – lực dọc trên cầu trước
FyF – lực ngang trên cầu trước
FLF - lực cản lăn trên cầu trước
FxR – lực dọc trên cầu sau
FyR – lực ngang trên cầu sau
FLR - lực cản lăn trên cầu sau
FM - lực cản máy nông nghiệp
FLT - lực li tâm, ( ) LTF mv
Mc – mô men cản quay vòng
v – vận tốc chuyển động
- bán kính cong quỹ đạo trọng tâm
2v - gia tốc hướng tâm
2mv / - lực quán tính ly tâm
vm - lực quán tính tịnh tiến
-góc xoay trung bình các bánh xe cầu trước
- góc xoay khung xe
- góc chuyển động lệch tại trọng tâm
F R, - góc chuyển động lệch của các cầu
l – chiều dài cơ sở của xe
lF, lR – tọa độ trọng tâm dọc của xe
Từ mô hình động lực học chuyển động hình 3.1, áp dụng Nguyên lý
D'Alembert, có thể xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động của máy kéo
hai cầu chủ động trong mặt phẳng ngang như dưới đây. Kí hiệu chỉ số “F” cho
cầu trước, chỉ số “R” cho cầu sau.
. .
. .
cos cos cos sin ( )sin
cos
cos sin sin cos cos sin
sin
( sin sin cos )
F F E F XF F
R R E R XR R
XR LR XF LF YF
M
YR XF LF YF
M
Z XF LF YF F YR R M
J M i i F r
J M i i F r
mv F F F F F mv
F
mv F F F F mv mv
F
J F F F l F l F
R
sin ( )M R
C z zF
l l
M M M
(3-1)
Có thể nhận thấy trong hệ (3-1), hai phương trình đầu tiên mô tả tính chất
truyền lực từ động cơ đến các cầu chủ động còn ba phương trình sau mô tả
chuyển động của thân xe trong mặt phẳng ngang. Như vậy hệ phương trình trên
được xây dựng trên cơ sở phương pháp tiếp cận vấn đề hoàn toàn mới: xem xét
động lực học chuyển động vòng của máy kéo nông nghiệp có tính đến đặc tính
làm việc của động cơ, tính chất đường truyền lực, mối quan hệ đất bánh xe và cả
ảnh hưởng của lực cản kéo máy nông nghiệp.
61
Để giải được hệ phương trình (3-1) cần thiết phải xác định các quan hệ
động học bổ sung và xây dựng mô hình động lực học của các phần tử chính trong
hệ thống.
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung
Sự chuyển động lệch của các bánh xe làm thay đổi đặc tính chuyển động
của máy kéo khi quay vòng, bởi vì khi lăn lệch thì véc tơ vận tốc ở các bánh xe
không còn trùng với mặt phẳng quay của chúng: véc tơ vận tốc của cầu sau hợp
với trục dọc của xe một góc R và véc tơ vận tốc của cầu trước có góc lệch tương
ứng là (-F) như trên hình 3.1. Các góc chuyển động lệch F và R được xác
định từ các phương trình động học viết cho cầu trước và cầu sau.
a) b)
Hình 3.2. Sơ đồ động học của các cầu
a- cầu trước; b- cầu sau
Xét chuyển động của điểm A - điểm giữa của cầu trước (hình 3.2a), vận
tốc tuyệt đối VA hợp với trục hoành góc (-F+). Ký hiệu Ax àA Ay AV X v V Y
Chiếu chúng xuống phương 1-1 (phương vuông góc với AV
), được:
os 90 ( ) os( ) 0oA F A FX c Y c
hay: sin( ) os( ) 0A F A FX Y c (3-2)
Y
X
0
T
A
lF
XT XA
YA
YT
VAy
VAx
VA
1
1
(-F)
Y
X 0 XT XB
YB
YT
T
B VBy
VBx
VB
R
2
2
lR
62
Biểu diễn toạ độ tâm cầu trước thông qua toạ độ trọng tâm máy kéo, có
quan hệ:
os
sin
A T F
A T F
X X l c
Y Y l
(3-3)
Suy ra:
sin
cos
A T F
A T F
X X l
Y Y l
(3-4)
Thay (3-4) vào (3-2), nhận được phương trình động học của cầu trước:
sin( ) sin sin( ) os( )
cos os( ) 0
T F F F T F
F F
X l Y c
l c
(3-5)
Sau một số phép biến đổi lượng giác với lưu ý các góc lệch bên của bánh
xe có giá trị nhỏ, nhận được biểu thức xác định góc chuyển động lệch bên của
cầu trước theo các toạ độ tổng quát:
sin( ) os( ) os
os( ) sin( ) sin
T T F
F
T T F
X Y c l c
X c Y l
(3-6)
Việc thành lập phương trình động học của cầu sau cũng được tiến hành
tương tự. Trên cơ sở sơ đồ ở hình 3.2b, có thể biểu thị toạ độ điểm giữa cầu sau
thông qua toạ độ trọng tâm máy kéo:
os
sin
B T R
B T R
X X l c
Y Y l
(3-7)
Lấy đạo hàm các biểu thức này theo thời gian, ta xác định được vận tốc
của điểm giữa cầu sau với các thành phần hình chiếu trên các trục toạ độ, được
biểu diễn qua vận tốc trọng tâm máy kéo:
sin
os
B T R
B T R
X X l
Y Y l c
(3-8)
Qua các phép biến đổi trung gian, nhận được công thức tính góc chuyển
động lệch của cầu sau:
sin os
os sin
T T R
R
T T
X Y c l
X c Y
(3-9)
Tuy nhiên có thể thiết lập quan hệ giữa các góc chuyển động lệch của các
cầu với các thông số chuyển động của máy kéo không phụ thuộc vào hệ trục tọa
độ cố định và điều đó thuận tiện hơn cho việc giải hệ phương trình vi phân (3-1).
63
sin
cos
sin( )
cos
R
R
F
F
l vtg
v
l vtg
v
(3-10)
Trong trường hợp góc rất nhỏ có thể tính gần đúng:
F F
R R
l
v
l
v
(3-11)
Cũng từ hình (3.1), tính được vận tốc dài bánh xe chủ động sau:
cos
osR R
vv
c
(3-12)
Và vận tốc dài của bánh xe dẫn hướng trước:
cos
os( )F F
vv
c
(3-13)
3.2.4. Mô hình động cơ máy kéo
Mô men quay của động cơ
diesel có bộ điều tốc mọi chế độ có
thể xác định dựa trên đường đặc tính
ngoài của động cơ, tuỳ thuộc vào vận
tốc góc của trục khuỷu, theo các
công thức thực nghiệm.
- Khi động cơ làm việc trên
nhánh tự điều chỉnh, mô men động
cơ được xác định như sau:
ck E
E EH
ck H
M M
(3-14)
- Khi động cơ làm việc trên nhánh quá tải:
max 1
EK
E E
E E
M M
M M (3-15)
Trong đó: MEH, MEmax- mô men quay định mức và mô men quay cực đại;
Hình 3.3. Đường đặc tính ngoài
của động cơ diesel trên máy kéo
ME
MEmax
MEH
M
H
H ck E
64
ck, H, M - tương ứng là các tốc độ góc của trục khuỷu ở các chế độ
chạy không, định mức và khi mô men quay đạt cực đại; E- tốc độ góc tức thời;
maxE
E
EH
MK
M
- hệ số dự trữ mô men quay của động cơ.
Các đường đặc tính mô men của hai loại động cơ diesel lắp trên hai máy
kéo nghiên cứu xây dựng bằng thực nghiệm và được giới thiệu cụ thể ở chương 5.
3.2.5. Mô hình hệ thống truyền lực
Để xác định được các lực kéo tiếp tuyến ở cầu trước FxF và ở cầu sau FxR,
cần phải thiết lập mô hình hệ thống động lực học của máy kéo. Hệ thống này có
tính đến sự làm việc của động cơ, đặc tính của hệ thống truyền lực, độ trượt của
bộ phận di động và tác động của lực kéo ở móc (hình 3.4).
Với giả thiết các trục, các bánh răng không bị xoắn, mô hình động lực học
của máy kéo có tất cả các cầu là chủ động được mô tả toán học dưới dạng hệ
phương trình vi phân chuyển động của các phần tử thuộc hệ thống.
M E E
P LH xF xR
xF xF LH F
xR xR LH R
xF F
F F xF
F
xR R
R R xR
R
J M M
J M M M
M C
M C
F rJ M
i
F rJ M
i
(3-16)
Mô men ma sát trong quá trình gài
ly hợp có thể xác định theo công thức:
ax (1 )
kt
mM M e (3-17)
Trong đó: Mmax- mô men ma sát
lớn nhất của li hợp; dk 5 / t - hệ số phụ
thuộc vào thời gian đóng bộ li hợp (khi tính toán có thể chọn td = 1,5s).
Giới hạn phạm vi nghiên cứu chuyển động vòng khi máy kéo đã chuyển
động ổn định, tức là không có sự đóng mở ly hợp, khi đó EM M hay E=const.
FM
Mc ME M
MR
MF
J JPLH
JFF
JRR
V
m
FyFsin()
FyRsin
(FxRFLR)cos
(FxFFLF)cos()
CxF;MxF
CxR;MxR
Hình 3.4. Mô hình động lực học
đường truyền lực của máy kéo 4x4
65
Hình 3.5. Sơ đồ xác
định mô men cản xoay
của bánh xe
b/4
G1
b F
F
b
Ngoài ra, mô men quán tính qui dẫn về trục chủ động cầu trước và cầu sau
được tính:
2 2 2
iF iF
2 2 2
iR iR
2
2
F F qtF E F
R R qtR E R
J m r J i J i
J m r J i J i
(3-18)
Trong đó: mF, mR lần lượt là khối lượng của một bánh xe trước và sau,
rqtF, rqtR lần lượt là bán kính quán tính của bánh xe trước và sau
JE là mô men quán tính của toàn bộ các chi tiết quay trong động cơ
JiF, JiR lần lượt là mô men quán tính của chi tiết quay trong HTTL
iiF, iiR lần lượt là tỉ số truyền tính từ chi tiết thứ i đến bánh xe mỗi cầu
Mô men cản quay Mc
Sự chuyển động của máy kéo trên đường vòng sẽ làm thay đổi điều kiện
làm việc của các bánh xe so với khi chuyển động thẳng. Sự chuyển động của các
bánh xe có thể được xem như là tổng hợp của hai chuyển động: vừa lăn vừa xoay
xung quanh trục thẳng đứng với vận tốc góc do đó tại bề mặt tiếp xúc sẽ xuất
hiện lực ma sát và các phản lực của mặt đường. Chúng tạo ra một mô men cản
chống lại sự xoay của bánh xe, nghĩa là chống lại sự quay vòng của xe. Ngoài ra,
sự biến dạng ngang
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- ktck_la_han_trung_dung_4019_2005213.pdf