MỤC LỤC
Mục lục
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
1.1. Đặt vấn đề
1.2. Ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người
1.3. Dao động của ôtô - Các thông số và chỉ tiêu đánh giá
Chương 2: Thiết kế chế tạo thiết bị
2.1. Mục đích thiết kế
2.2. Cơ sở thiết kế
2.3. Lựa chọn phương án thiết kế
2.4. Tính toán thiết kế thiết bị
2.5. Lắp đặt thiết bị
2.6. Thao tác vận hành
2.7. Bảo dưỡng và hiệu chuẩn
Chương 3: Thí nghiệm
3.1. Cơ sở lý thuyết đo giá trị dao động tới hạn - eVDV
3.2. Các thiết bị thí nghiệm đo eVDV
3.3. Quy trình thí nghiệm
Kết luận
Tài liệu tham khảo
MỞ ĐẦU
Ôtô là một trong những phương tiện giao thông quan trọng, chiếm tỷ trọng cao trong các ngành kinh tế vận tải như vận tải hành khách, vận tải hàng hoá và không thể thiếu được trong đời sống con người. Ở các nước công nghiệp trên thế giới, ôtô là ngành kinh tế mũi nhọn. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế nói chung, ngành công nghiệp ôtô ở nước ta đã và đang được sự quan tâm của các cấp, các ngành và của toàn xã hội.
Ngày nay, khi mạng lưới giao thông đường bộ rộng lớn, bên cạnh việc quan tâm phát triển số lượng và chủng loại ôtô cho phù hợp với nhu cầu vận tải thì sự ảnh hưởng dao động của ôtô tới con người được đặc biệt quan tâm và nghiên cứu bởi nó quyết định đến tiêu chí mà người ta mong muốn hướng tới đó là chất lượng cũng như độ tiện nghi, độ êm dịu chuyển động của ôtô. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người trước hết người ta nghiên cứu lý thuyết dao động ôtô, sau đó bằng thực nghiệm xác định các ra các mức giới hạn ảnh hưởng đến sức khoẻ và cảm giác êm dịu của con người khi ngồi trên ôtô. Các phép đo này được thực hiện chủ yếu theo mô hình ôtô chuyển động trên đường, nơi mà do tác động của nhiều yếu tố như biên dạng đường thử, độ ổn định dao động của ôtô, điều kiện ngoại cảnh sẽ ảnh hưởng đến ngưỡng cảm nhận của người tham gia thử nghiệm.
Như vậy cần thiết phải có một thiết bị tạo ra một nguồn dao động ổn định để có thể thử nghiệm với nhiều người ngay trong phòng thí nghiệm.
Qua thời gian thực tập nghiên cứu tài liệu tại Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới - Cục Đăng Kiểm Việt Nam, để hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình em đã chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị mô phỏng dao động theo phương thẳng đứng của ôtô”
Nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thiết kế chế tạo thiết bị.
Chương 3: Thí nghiệm.
Để hoàn thành đồ án này em đã nhận được sự hướng dẫn rất tận tình của: Th.s……………. - Giám đốc trung tâm thử nghiệm xe cơ giới cùng với các anh chị cán bộ - kỹ sư trong trung tâm. Em gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc!
Em rất cảm ơn thầy: PGS.TS ……………… cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do đề tài này có liên quan rất nhiều tới những kiến thức khá là mới mẻ mà lần đầu tiên em được tiếp xúc, mặt khác thời gian nghiên cứu chưa dài và trình độ bản thân có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em chắc chắn có rất nhiều thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn và các cán bộ trong trung tâm.
Hà nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
……………….
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề.
1.1.1. Quan hệ đường - ô tô - con người.
Ôtô là một hệ thống nằm trong mối quan hệ chặt chẽ với đường có biên dạng phức tạp. Mặt khác, dao động của ôtô ảnh hưởng tới con người (lái xe và hành khách) và ảnh hưởng tới sự đảm bảo của hàng hoá chuyên chở. Đồng thời con người cũng có ảnh hưởng tới dao động của ôtô.
Mối quan hệ đó được thể hiện trên hình 1.1. Trong hình, các mối liên hệ chủ yếu được vẽ bằng các đường liền.
Ngày nay việc nghiên cứu dao động của ôtô cũng đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Dao động ôtô được nghiên cứu trong tổng thể của hệ thống “Đường - ôtô - con người”. Như vậy sẽ tạo điều kiện gần đúng với điều kiện thực tế nhưng đòi hỏi phải quan tâm đến biên dạng thực tế của đường và tính chất của các cơ quan trên cơ thể con người chịu tác động.
Vì vậy nghiên cứu hệ thống “đường - ôtô - con người” về mặt lôgic phân thành 3 hướng: Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường, nghiên cứu dao động của ôtô, nghiên cứu cảm giác của con người và sự an toàn của hàng hoá chuyên chở.
Hướng nghiên cứu thứ nhất, nghiên cứu về biên dạng mặt đường cả bằng thực nghiệm và bằng lý thuyết nhằm xác định quy luật kích thích dao động ô tô. Bằng các phương pháp đo ghi biên dạng đường khác nhau, tiến hành xử lý các kết quả nhận được nhờ xác xuất thống kê. Khi chuyển động, ôtô dao động cưỡng bức với nguồn kích thích là mấp mô mặt đường. Mấp mô của mặt đường thường là ngẫu nhiên, để mô tả được người ta dùng các phương pháp toán học đặc trưng thống kê gồm: kì vọng toán học, phương sai.v.v.. Bằng các số liệu của đặc tính thống kê về biên dạng đuờng người ta xây dựng mô hình về biên dạng đuờng và nó là cơ sở cho các tính toán sau này.
Ôtô với các dạng khác nhau có những đặc điểm riêng của mình. Ví dụ: các thông số đặc trưng cho hệ thống treo của ôtô du lịch sẽ khác với ôtô vận tải, hoặc dao động của ôtô vận tải sẽ khác dao động của xe kéo (dạng sơmi rơ mooc) cùng chiều dài cơ sở…
Trên cơ sở nghiên cứu như vậy, kết hợp với số liệu thử nghiệm và kinh nghiệm sử dụng tiến hành chuyển bài toán phân tích sang bài toán tối ưu các thông số của hệ khảo sát.
Kinh nghiệm lớn trong quá trình chế tạo và thử nghiệm hệ thống treo chỉ ra rằng việc chọn các thông số của hệ thống treo không làm giảm dao động của ô tô đến giới hạn mong muốn. Cho nên người ta tiến hành sử dụng biện pháp điều chỉnh các thông số của hệ dao động, nghĩa là tiến hành liên hệ ngược và biến hệ dao động thành hệ tự động điều chỉnh. Việc áp dụng mô hình của hệ tự động điều chỉnh cho phép rút ngắn quá trình thiết kế chế tạo hệ dao động, nhất là khi thiết kế nhờ máy tính điện tử.
Hướng nghiên cứu thứ 3, đó là nghiên cứu cảm giác của con người (hành khách và lái xe) trên ôtô. Thường thì khi đi ôtô con người sẽ thấy mệt mỏi nhất là thần kinh. Vì vậy, cần thiết nghiên cứu sự mệt mỏi về thể xác, xác định các chỉ tiêu đánh giá cho từng nhóm người theo từng lứa tuổi khác nhau. Ngoài ra còn phải nghiên cứu sự phản ứng của các cơ quan hoặc bộ phận trên cơ thể con người liên quan tới việc điều khiển xe, từ đó tạo cơ sở cho công việc tuyển chọn lái xe ôtô.
Hiện nay người ta đã tập trung vào hai hướng nghiên cứu (mô hình) con người: Lái xe điều khiển ô tô chuyển động trên đường bằng và con người chịu dao động. Việc nghiên cứu cả hai hướng trên cần được hoàn thiện vì dao động làm con người mỏi mệt, dẫn đến mất phản ứng linh hoạt và điều khiển mất chính xác, gây tai nạn giao thông.
Việc nghiên cứu tình trạng của các cơ quan bộ phận con người khi chịu dao động tạo cơ sở cho việc nghiên cứu bệnh nghề nghiệp của các lái xe, việc chuyên chở bệnh nhân…
Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường - Ôtô - Con người” trong nghiên cứu dao động ôtô được thể hiện trên hình 1.2.
1.1.2. Lựa chọn đề tài tốt nghiệp và hướng nghiên cứu.
Như vậy, qua phân tích ở trên, nghiên cứu hệ thống “đường - ôtô - con người” có 3 hướng. Trong đồ án tốt nghiệp của mình, em chọn đề tài:
“Thiết kế chế tạo thiết bị mô phỏng dao động theo phương thẳng đứng của ôtô”
Thiết bị này được thiết kế và chế tạo nhằm phục vụ cho hướng nghiên cứu thứ 3, đó là nghiên cứu ảnh hưởng dao động của ô tô đối với sức khoẻ của người ngồi trên xe đặc biệt là người lái.
Sau đây là những phân tích về ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người, các thông số và chỉ tiêu chủ yếu đánh giá dao động của ôtô. Từ đó lựa chọn thông số đầu vào để thiết kế thiết bị tạo dao động phục vụ cho công tác thí nghiệm.
1.2. Ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người.
Những rung động cơ học của thân thể con người hay của những bộ phận riêng lẻ của con người là những tác động phức tạp và có thể gây nên hàng loạt những thay đổi trong cơ thể, trạng thái chức năng, khả năng làm việc, sức khoẻ.
Tác động của sự rung động cơ học đến cơ thể phụ thuộc vào những nguyên nhân sau đây: Tần số rung động, cường độ rung động (biên độ), độ liên tục của tác động và phương hướng của nó.
- Những rung động với tần số từ 3 đến 5 Hz gây nên phản ứng ở tuyến tiền đình và có thể gây nên rối loạn, liên quan đến sự dịch chuyển máu trong các mạch máu, có nghĩa là sự rối loạn mạch và triệu chứng say.
- Khi rung động với tần số từ 5 đến 11 Hz thì có sự rối loạn gây nên bởi sự kích động của bộ phận tai trong và bởi sự rung động cộng hưỏng của toàn thân cũng như của một vài bộ phận của cơ thể (đầu, dạ dày, gan, ruột).
- Những rung động của con người với tần số từ 11 đến 45 Hz có thể kéo theo sự rối loạn chức năng của hàng loạt cơ quan nội tạng (trong đó có cơ quan niệu quản), làm cho thị lực giảm liên quan tới nhãn cầu, gây buồn nôn và ù tai.
Những điều kiện làm việc không thuận lợi của các lái xe như sau:
- Người lái xe làm việc trong điều kiện phải chịu những rung động tác động lâu dài, bao gồm tác động của tải trọng cùng với gia tốc lớn và biến đổi, có thể chịu tác động của tư thế ngồi không thuận lợi..v.v.
- Tác động của tư thế ngồi không thuận lợi. Trong tư thế ngồi, những rung động được truyền trực tiếp đến sống lưng qua các đốt dưới cùng.
- Sự căng thẳng về thần kinh tâm lý kéo dài trong thời gian làm việc sẽ tác động gây ra sự căng thẳng lớn về cơ bắp.
Nếu mức độ tăng tốc của sàn xe là 100% thì ghế ngồi làm giảm độ tăng tốc trung bình của khung xương chậu xuống 75%. Sức đàn hồi của thân mình (cơ bắp của xương sống, thắt lưng chậu và cơ bụng) làm tăng giá trị tăng tốc - đối với vùng thắt lưng đến 105% và đối với lưng đến 123%. Tăng tốc của đầu gắn liền với ngực bằng hệ thống đàn hồi của các cơ bắp ở cổ là 100%.
Tóm lại, qua nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng có thể coi con người là một hệ thống rung động, dao động của con người trên ô tô rất phức tạp. Khi đi ô tô, dao động của ô tô thông qua sàn xe, ghế ngồi, vành tay lái, các bàn đạp điều khiển, cần chuyển số (đối với người lái xe) truyền tới con người và ảnh hưởng chủ yếu tới các cơ quan như bộ máy tiền đình, hệ xương và các khớp (chủ yếu là cột sống), cơ quan nội tạng..
1.3. Dao động của ô tô - Các thông số và chỉ tiêu đánh giá.
Khi nghiên cứu dao động ôtô và chất lượng hệ thống treo cần phải quan tâm đến các thông số dao động tự do và thông số dao động cưỡng bức dưới tác dụng của kích thích có chu kỳ hoặc kích thích ngẫu nhiên.
Trong trường hợp kích thích là hàm điều hoà có thể đánh giá dao động theo đặc tính biên độ hoặc tần số, kích thích là hàm ngẫu nhiên cần đánh giá theo trị số bình phương trung bình của các dịch chuyển hoặc gia tốc. Để tính toán các thông số dao động cần sử dụng rất nhiều đại lượng, thông thường các đại lượng này chia thành hai nhóm:
- Các thông số kết cấu: Các khối lượng được treo và không được treo; chiều dài cơ sở của ôtô; toạ độ trọng tâm của khối lượng không được treo; độ cứng của phần tử đàn hồi trong hệ thống treo; độ cứng của lốp; hệ số cản giảm chấn; hệ số cản của lốp; lực ma sát trong hệ thống treo…
- Các thông số dao động gồm: tần số dao động riêng; hệ số dập tắt dao động; dịch chuyển và gia tốc khối lượng được treo…
1.3.1. Chỉ tiêu về tần số dao động.
Đây là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá dao động. Tần số dao động là số lần dao động trong khoảng thời gian 1 giõy, đơn vị là héc (Hz). Về mặt lý thuyết đối với ôtô, các khối lượng được treo và không được treo có 6 bậc tự do trong không gian. Dao động của ôtô dưới tác dụng của nguồn kích thích là mặt đường chủ yếu theo phương thẳng đứng, các dao động theo phương ngang và nghiêng là rất nhỏ có thể bỏ qua trong quá trình nghiên cứu.
Tần số dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn sau: [6]
Xe con: O = 1 1,5 Hz (60 90 lần/phút)
Xe tải: O = 1,6 2 Hz (100 120 lần/phút)
Giá trị này được lấy theo tần số trung bình của người đi bộ tương ứng với giá trị 1 1,5 Hz. Ở Việt Nam chỉ số này đang được đề nghị là nhỏ hơn 2,5 Hz đối với ôtô sản xuất trong nước.
1.3.2. Chỉ tiêu về gia tốc dao động.
Gia tốc dao động là thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động. Tác động đến con người thường được đánh giá theo trị số hiệu quả của gia tốc dao động, xác định dựa trên cơ sở trị số bình phương trung bình (trị số hiệu quả của gia tốc) .
Qua nghiên cứu cho thấy phương dao động có ảnh hưởng lớn đến cảm giác của con người. Theo cấu tạo của hệ thống tiền đình, sự ảnh hưởng của các phương dao động khác nhau đến não người là khác nhau. Do đó, khi nghiên cứu phải đo theo 3 phương riêng biệt sau đó tổ hợp lại thành giá trị gia tốc tổng hợp. Gia tốc giới hạn theo các phương Ox (phương dọc xe), Oy (phương ngang xe), Oz (phương thẳng đứng) được xác định bằng thực nghiệm như sau:
Z < 2,5 m/s2
Y < 0,7 m/s2
Y < 1,0 m/s2
1.3.3. Chỉ tiêu dựa trên hệ số êm dịu chuyển động (K).
Người ta cho rằng cảm giác của con người khi chịu dao động phụ thuộc vào hệ số độ êm dịu chuyển động. Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động, phương dao động và thời gian tác dụng của nó đến con người. Nếu K là hằng số thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi.
Hệ số K được xác định theo công thức: K = Ky.RMS( )
Nếu con người chịu dao động ngang ở tư thế nằm thì hệ số Ky giảm đi một nửa. Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu càng cao. Các giá trị của K được đưa ra như sau [6]:
[K] = 0,1 tương ứng với ngưỡng kích thích.
[K] = 10 25 là giá trị giới hạn khi ngồi lâu trên xe;
[K] = 25 63 giới hạn khi đi ngắn.
1.3.4. Đánh giá theo công suất dao động.
Ghế ngồi của con người trên xe chịu dao động với bốn thành phần: RMS( ) – Giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua chân.
RMS( ) - Giá trị bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng truyền qua ghế ngồi.
RMS( ) - Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc.
RMS( ) - Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang. Công suất tổng cộng truyền đến con người được xác định như sau:
Nc= Kzi. RMS( )2 + Kzgi. RMS( )2 + Kxi.RMS( )2 + Kyi.. RMS( )2
Theo thực nghiệm, trị số [Nc] cho phép như sau [6]:
[Nc] = 0,2 0,3 (W) - Cảm giác thoải mái.
[Nc] = 6 10 (W) - Giới hạn cho phép đối với ôtô có tính cơ động cao.
1.3.5. Chỉ tiêu đánh giá cảm giác theo gia tốc dao động và độ dài thời gian tác động (gia tốc bình phương trung bình aRMS và gia tốc trung bình bậc 4 eVDV- estimate vibration dose value).
- Để đánh giá cảm giác người ta sử dụng dao động thẳng đứng điều hoà tác dụng lên người ngồi và đứng trong 8h. Ở tần số dao động trong giới hạn nhạy cảm nhất với con người (4 - 8 Hz) thì gia tốc bình phương trung bình ở các giới hạn cho phép như sau:
Thoải mái: 0,1 m/s2
Cảm giác mệt mỏi: 0,315 m/s2
Mệt mỏi trong giới hạn cho phép: 0,63 m/s2
- Chỉ tiêu về giá trị dao động tới hạn là giá trị ước lượng của giá trị gia tốc trung bình bậc 4 VDV. Phương pháp này cho ra kết quả chính xác hơn phương pháp định lượng cơ sở bằng cách sử dụng lũy thừa bậc 4 thay vì lũy thừa bậc 2.
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
2.1. Mục đích thiết kế.
Như ta đã biết, để nghiên cứu ảnh hưởng của dao động ôtô tới con người và ngưỡng cảm nhận của con người (hành khách và lái xe) trên ôtô, hiện nay tập trung vào hai mô hình thử nghiệm: Đó là lái xe điều khiển ôtô trên đường bằng và con người chịu dao động. Thực tế việc khảo sát trên xe chạy trực tiếp trên đường gặp rất nhiều khó khăn vì:
- Khó đảm bảo được cùng một tốc độ ở các lần thử khác nhau.
- Mức độ dao động cũng không đều nhau vì không đi lại được đúng đường như phép thử trước.
- Tác động của điều kiện ngoại cảnh (thời tiết, khí hậu..)
2.2. Cơ sở thiết kế.
- Do mặt đường không bằng phẳng nên khi xe chạy các tác động từ mặt đường lên xe và qua hệ thống treo gây ra dao động cho xe. Mặt khác ghế ngồi được bắt lên xe nên người ngồi cũng dao động theo. Người ngồi trong trạng thái dao động theo các phương: phương tịnh tiến theo phương thẳng đứng Z nguyên nhân chủ yếu do mấp mô mặt đường, phương dọc xe X do hiện tượng tăng tốc và phanh, phương ngang Y do mấp mô mặt đường và hiện tượng lắc ngang xe gây ra; 3 hướng quay quanh trục X, Y, Z. Tổng hợp các dao động này gây rối loạn cảm giác, gây khó chịu đối với người ngồi. Các tác động này gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người trên xe nói chung, đặc biệt là đối với khả năng điều khiển của người lái.
- Mức độ khó chịu (hoặc thoải mái) đối với người ngồi trên ô tô ảnh hưởng bởi các yếu tố như: Hướng tác động, biên độ dao động của người ngồi (z), tần số dao động (f) và thời gian tác động (t). Biên độ dao động càng lớn và thời gian dao động càng lâu thì càng gây cảm giác khó chịu. Đối với tần số dao động thì con người đặc biệt nhạy cảm với tần số từ 4 – 8 (Hz).
Để tạo ra một thiết bị mô phỏng một cách chính xác dao động của ô tô gặp rất nhiều khó khăn do dao động trên xe rất phức tạp. Ở những góc độ nhất định về kỹ thuật khi xe chuyển động ổn định trên đường ảnh hưởng chủ yếu đến người trên xe là dao động của ô tô theo phương tịnh tiến hướng trục z (trục thẳng đứng). Có nghĩa là con người chịu sự rung động của các dao động ô tô truyền từ sàn xe lên chân người và thông qua ghế ngồi truyền vào hông (lên cơ thể), qua tựa ghế vào lưng, qua tựa đầu vào hành khách.
2.3. Lựa chọn phương án thiết kế.
2.3.1. Điều kiện lựa chọn thông số đầu vào của thiết bị.
Từ những phân tích các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô, cùng với yêu cầu của thiết bị cần chế tạo, ta lựa chọn hai thông số quan trọng cho thiết bị đó là biên độ dao động và tần số dao động. Một yếu tố cần phải quan tâm đó là đối tượng thí nghiệm của thiết bị (người thử nghiệm), sẽ cho ta thông số về khối lượng dao động của thiết bị.
- Xác định khối lượng dao động tối đa của thiết bị: Thiết bị được thiết kế để có thể thí nghiệm cho 2 người lớn khoẻ mạnh cùng một lúc. Do vậy ta lựa chọn khối lượng dao động tối đa là 150 kg (cả ghế ngồi).
- Tần số dao động tối đa của thiết bị: Căn cứ vào chỉ tiêu về tần số theo [3], đó là tần số dao động riêng của phần được treo của ô tô khách không được vượt quá 2,5 Hz. Mặt khác thiết bị dùng để nghiên cứu cảm giác của con người do vậy phải tạo ra được dao động có dải tần số chứa dải tần số nhạy cảm của con người là từ 4 – 8 Hz.
2.3.2 Phương pháp tạo dao động.
Có nhiều phương pháp tạo ra dao động tuần hoàn với biên độ và tần số theo yêu cầu. Một phương pháp tạo ra dao động đơn giản đó là sử dụng một động cơ điện đặt trên giá. Ở trục quay của động cơ có gắn trọng vật lệch tâm so với trục của động cơ. Toàn bộ động cơ và giá được đặt trên một hệ thống gồm lò xo và giảm chấn.
Nguyên lý làm việc:
Khi động cơ 1 làm việc, trục động cơ có gắn khối lượng m quay với vận tốc góc không đổi nào đó. Do trọng lượng m được bố trí lệch tâm so với trục quay của động cơ, sẽ tạo ra lực biến thiên tuần hoàn làm cả hệ thống dao động cưỡng bức theo phương thẳng đứng nhờ rãnh trượt.
Theo nguyên lý này thì khi thay đổi tốc độ quay của động cơ sẽ làm thay đổi đồng thời biên độ và tần số dao động.
Nguyên lý làm việc:
Khi tay quay AB chuyển động với vận tốc góc , điểm B sẽ chuyển động trên đường tròn tâm A bán kính AB = R.
Toạ độ của điểm B theo phương nằm ngang x là: xB = R.sin( t)
Ta thấy xB là phương trình của dao động điều hoà.
Như vậy hình chiếu của điểm B theo phương ngang dao động điều hoà với biên độ là R.
Chuyển động quay của trục dẫn động truyền qua thanh truyền BC chiều dài L, làm điểm C dao động tuần hoàn với tần số f, dao động quanh điểm O cách A một khoảng L, với hành trình S = 2R.
2.4. Tính toán thiết kế thiết bị.
2.4.1. Lựa chọn kích thước của cơ cấu.
Sơ đồ xác định quy luật chuyển động của điểm như hình vẽ:
Tại thời điểm t tay quay AB quay được một góc = t, ngược chiều kim đồng hồ.
Khi đó chuyển vị của điểm C là: Z = OA – CA = R + L - (Rcos + Lcos )
Từ các điều kiện về thông số đầu vào ở trên ta có thông số kích thước cho cơ cấu tạo dao động như sau:
R= Amax = 15 mm
L = 250 mm
Với tần số dao động là: fmax = 8 Hz.
Như vậy, tốc độ quay của tay quay là n = 60.f = 60.8 = 480 v/ph
Suy ra = 2 .f = 2 .8 = 16 (rad/s).
Dùng phần mềm lập trình Matlab viết chương trình M-file vẽ đồ thị động học của điểm C như sau:
%%TINH TOAN DONG HOC CO CAU KHUYU TRUC THANH TRUYEN
%CAC THONG SO CO BAN
R=0.015%Chieu dai tay quay
L=0.25%Chieu dai thanh truyen
lamda=R/L%Tham so ket cau
f=8% Tan so dao dong
n=60*f%So vong quay truc dan dong
anpha=(0:720)
anpha1=anpha.*pi./180
beta=asin(lamda.*sin(anpha1))
vtg=2*pi*n/60
%Chuyen vi cua pittong
Z=R*((1-cos(anpha1))+((1-cos(beta))./lamda))
%Van toc cua pit tong%
V=R.*vtg.*sin((anpha1+beta))./cos(beta)
%gia toc cua pit tong
J=R*(vtg^2).*(((cos(anpha1+beta))./cos(beta))+lamda.*((cos(anpha1)).^2)./(cos(beta)).^3)
Zmax = 0.0300
Vmax = 0.7553
Jmax = 40.1732
Như vậy, thiết bị được chế tạo với lựa chọn kích thước của cơ cấu tạo dao động như trên sẽ tạo ra được một nguồn dao động điều hoà theo phương thẳng đứng đáp ứng yêu cầu thí nghiệm.
Theo quan hệ lượng giác ta xác định được:
T = Ptt.sin( B)
Z = Ptt.cos(B )
Dao động theo phương thẳng đứng nên ta có:
F = m.j
Do đó: PT = F - G = m.(j -g)
Theo quan hệ lượng giác ta xác định được: Ptt = PT ./cos = m.(j -g)/ cos
Dùng phần mềm lập trình Matlab viết chương trình M-file tính công suất:
%%TINH CONG SUAT TRUNG BINH
a =1000 %So khoang chia tinh tich phan hinh thang
anpha=0:2*pi/a:2*pi% Goc quay tay quay
g=9.8 %Gia toc trong truong
R=0.015% Chieu dai tay quay
L=0.25% Chieu dai thanh truyên
n=480%So vong quay tay quay
m=150% Khoi luong dao dong
lamda=R/L% He so ket cau
vtg=2*pi*n/60% Tan so goc
Memax= max(Me)
%%Tinh cong suat
Ne=(n/60)* trapz(anpha,Me)
Chạy chương trình trên phần mềm Matlab ta có đồ thị mômen cản và các kết quả như sau.
MeTB = 29.4271
Memax = 57.5698
Ne = 1.4792e+003
Như vậy, công suất trung bình trên trục dẫn động là: Ne = 1,479.103 (W)
Khi đó, công suất cần thiết của động cơ là: Pct = 1,58 (KW)
2.4.3. Thiết kế truyền động đai.
a. Các thông số động học.
Trên đây ta đã tính toán lựa chọn xong nguồn động lực cho thiết bị. Tiếp theo cần tiến hành tính toán động học, từ đó tính toán lựa chọn các chi tiết của bộ truyền đai.
- Kiểm nghiệm lại tỷ số truyền của bộ truyền đai: Do ta sử dụng giảm tốc duy nhất là bộ truyền đai nên tỷ số truyền của bộ truyền đai là:
ut = nđc/nlv
- Mômen xoắn trên trục động cơ:
Tđc = 9,55.103.Pct/nđc ([TL2]-Tr49)
Thay số: Tđc = 9,55.103.1,58/1440 = 10,478 (Nm)
(Hoặc có thể tính theo công thức: Tđc = TTbị/ut. )
b. Tính toán thiết kế.
Trong truyền động đai, thường sử dụng phổ biến là đai hình thang thường, có mặt làm việc là hai mặt bên tiếp xúc với các rãnh hình thang tương ứng trên các bánh đai, nhờ đó hệ số ma sát giữa đai và bánh đai lớn nên có khả năng truyền lực kéo lớn. Do vậy ta chọn loại đai này để truyền động cho thiết bị.
* Chọn đường kính bánh đai nhỏ d1.
- Đường kính bánh đai nhỏ d1 được lựa chọn theo bảng 4.13 [TL2] theo tiết diện đai. Lựa chọn tiết diện đai căn cứ vào số vòng quay bánh đai nhỏ (trục động cơ) và công suất cần truyền, hình 4.1 [TL2].
Chọn d1 = 100 mm.
Vận tốc đai: v = .d1.n1/60000
v = 100.1440/60000 = 7,5 m/s
Ta thấy v =7,5 m/s < 25 m/s do đó sử dụng đai thang thường là hợp lý.
- Đường kính bánh đai lớn:
d2 = d1.u/(1 - ) (ct 4.2 - [TL2])
Trong đó: u – Tỷ số truyền; u= 0,01 – 0,02 – Hệ số trượt
Thay số ta có: d2 = 100.3.(1- 0,01) = 297 mm
Chọn d2 = 300 mm
Kiểm tra lại tỷ số truyền:
u0 = d2. (1 - )/d1
u0 = 300.(1- 0,01)/100 = 2,97
Sai lệch tỷ số truyền là: (uo- u)/u = (3 - 2,97)/3 = 0,01 = 1 % < 4% nằm trong phạm vi cho phép.
* Khoảng cách trục a.
Khoảng cách a được chọn phải thoả mãn điều kiện:
0,55( d1 + d2) + h a 2(d1 + d2) (ct 4.14 - [TL2])
Thay số: 220 a 800. Ta chọn a = 400 mm nằm trong khoảng cho phép.
* Chiều dài đai:
Xác định theo công thức:
l = 2a + ( d1 + d2)/2 + ( d1 + d2)2/4a (ct 4.4 - [TL2])
Thay số: l = 2.400 + ( 100 + 300)/2 + (100 + 300)2/4.400
l = 1528 mm
Chiều dài đai được chọn l phải thoả mãn điều kiện chiều dài nhỏ nhất do yêu cầu về tuổi thọ:
lmin v/i (ct 4.5 - [TL2])
Trong đó:
i – số lần uốn của đai trong 1 giây, i imax = 3 5
v – Vận tốc đai, v = 7,5 m/s
i = v/l = 7,5/1,528 = 4,9 imax = 3 5 (thoả mãn)
Chiều dài đai l phải được chọn theo tiêu chuẩn quy định trong bảng 4.13 [TL2]. Ta chọn l = 1600 mm.
* Xác định số đai.
Số đai z được tính theo công thức:
z = P1.Kđ/([P0].C .Cl.C0.Cz) (ct 4.16 - [TL2])
Như vậy số đai truyền động là:
z = 1,58.1,7/(1,08.0,94.1.1,14.1) = 2,33
Chọn số đai là z = 3.
Chiều rộng bánh đai được xác định theo công thức:
B = (z -1)t + 2e (ct 4.17 - [TL2])
Thay số: B = (3 -1).22 + 2.14 = 72 (mm)
* Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục.
Lực căng trên một đai được xác định theo công thức sau:
F0 = 780P1Kđ/(vC z) + Fv (ct 4.19 - [TL2])
Trong đó:
Fv – Lực căng do lực ly tâm sinh ra.
Bộ truyền được điều chỉnh lực căng định kỳ do đó: Fv = qmv2
Với v = 7,5 m/s vận tốc vòng (m/s);
qm – Khối lượng 1m chiều dài đai, tra bảng 4.22 [TL2] ta có qm = 0,105;
Thay số: Fv = 0,105.7,52 = 5,91 (N)
Như vậy, lực căng trên một đai: F0 = 780.1,58.1,7/(7,5.0,94.3) + 5,91 = 104,97 (N)
Lực tác dụng lên một trục: Fr = 2F0zsin( /2) = 2.104,97.3.sin(156/2) = 616,06 (N)
2.5. Lắp đặt thiết bị.
Sau khi tính toán thiết kế xong bộ truyền đai, cần tính toán thiết kế cơ cấu tạo dao động cho thiết bị. Bao gồm trục dẫn động, cơ cấu điều chỉnh biên độ, thanh truyền, trục nâng, dẫn hướng cho trục nâng…vv.
Việc tính toán thiết kế phải đảm bảo yêu cầu về kích thước của cơ cấu tạo dao động đã chọn ở trên đó là:
R= Amax = 15 mm (chiều dài tay quay, biên độ dao động cực đại )
L = 250 mm (chiều dài thanh truyền)
Do thiết bị được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm phục vụ cho công tác kiểm nghiệm chỉ tiêu dao động nên việc chế tạo các chi tiết chưa quan tâm nhiều đến vấn đề về sản lượng và chi phí chế tạo. Các chi tiết có kết cấu và kích thước được lựa chọn và được tính toán kiểm nghiệm về độ bền. Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, ta chỉ giới thiệu và phân tích kết cấu của một số cơ cấu của thiết bị.
2.6. Thao tác vận hành.
- Lắp ghế lên đầu trục tạo dao động.
- Cấp nguồn điện 3 pha Ud = 380 V cho thiết bị. Máy ở trạng thái sẵn sàng hoạt động.
- Bật khoá nguồn. Đèn của các bộ phận hiển thị báo sáng. Điện áp trên vôn kế chỉ điện áp lưới điện, ampe kế hiển thị cường độ dòng điện.
- Điều chỉnh biến tần ở tần số thích hợp.
- Nhấn nút "Start", thiết bị bắt đầu tạo dao động. Tần số dao động được hiển thị ở đồng hồ Frequence. Tiếp tục điều chỉnh biến tần để đạt tần số như mong muốn.
2.7. Bảo dưỡng và hiệu chuẩn.
a. Bảo dưỡng.
- Tra dầu mỡ tại các ổ bi, trục. Do có bộ phận chuyển động nên cần được bôi trơn như trục.
- Trong quá trình sử dụng các bulông có thể bị nới lỏng, do vậy cần kiểm tra định kỳ và bắt chặt kịp thời.
b. Hiệu chuẩn.
Các thiết bị cần đảm bảo sai số cho phép, trước khi thử nghiệm cần được kiểm chuẩn và hiệu chuẩn.
- Kiểm tra và hiệu chuẩn sai số của các thiết bị hiển thị trước khi sử dụng: Vôn kế, ampe kế, timer, dụng cụ do nhiệt độ và độ ẩm
- Kiểm tra độ chính xác của cảm biến đo tốc độ vòng quay, cảm biến đo biên độ dao động của trục. Khi sai số lớn hơn sai số cho phép trên thiết bị cần được hiệu chuẩn.
- Đảm bảo lưới điện cung cấp đầy đủ ổn định cho thiết bị, đủ công suất, điện áp 380 V AC.
CHUƠNG III: THÍ NGHIỆM
(KHẢO SÁT GIÁ TRỊ DAO ĐỘNG GIỚI HẠN eVDV)
3.1. Cơ sở lý thuyết đo giá trị dao động tới hạn - eVDV.
Phương pháp đo lường và tính toán ra giá trị dao động tới hạn eVDV được tuân thủ theo đúng quy trình trong tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 quy định.
Như vậy để xây dựng được giá trị dao động tới hạn eVDV thì phải tính toán ra gia trị cơ sở là gia tốc bình phương trung bình của dao động aRMS. Trình tự đo giá trị dao động tới hạn eVDV được chia làm 2 bước:
Bước 1: Tính giá trị gia tốc bình phương trung bình aRMS.
Bước 2: Tổng hợp thành giá trị eVDV theo công thức trên.
Do đó ta phải tính giá trị aRMS trước làm cơ sở để tính toán eVDV. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của quy trình tính gia tốc bình phương trung bình.
Vị trí đo:
Bản chất của quá trình nghiên cứu dao động truyền lên con người là xét các vị trí tác động. Nếu con người là 1 tác nhân chịu dao động. Khi đó ta phải đo tất cả các nguồn dao động truyền lên con người. Sau đó nghiên cứu ảnh hưởng của từng phần thành phần dao động này đến độ êm dịu và sức khỏe của con người rồi nghiên cứu tác động tổng hợp lên con người.
Theo tiêu chuẩn ISO 2631 thì có 3 vị trí truyền dao động từ xe lên người là: vị trí chỗ ngồi, vị trí lưng, vị trí bàn chân. Các phương dao động được quy ước như trên hình vẽ. Phương Z là phương thẳng đứng, phương x là phương dọc trục xe và phương y là phương nằm ngang. Tại mỗi vị trí đo phải đều được đo theo 3 phương này.
Vai trò của các trọng số tần số - Frequency Weight:
Theo lý luận nêu trên, các công thức tính gia tốc được xây dựng với một tần số cố định. Nhưng thực tế tín hiệu dao động là tín hiệu ngẫu nhiên. Do các công thức tính toán lý thuyết chỉ đúng khi tính cho một dải tần nhất định nên cần thiết phải phân tích các tín hiệu đầu vào thành các dải giá trị đo theo các tần số khác nhau.
Trong quá trình tổng hợp, các giá trị ở các tần số khác nhau thì có vai trò khác nhau nên ta mới đưa ra giá trị trọng số tần số (frequency weighting). Ở mức các tần số đầu vào khác nhau tác động của dao động lên con người khác nhau. Để đơn giản ta có thể hiểu tác động của dao động lên con người giống như tác động của âm thanh lên cảm giác nghe của con người. Ví dụ cường độ âm thanh của người nói bình thường là 20dB.
3.2. Các thiết bị thí nghiệm đo eVDV trên thiết bị tạo dao động CAV.
Để tiến hành đo eVDV trên thiết bị tạo dao động CAV ta sử dụng 2 thiết bị là:
1. Thiết bị đo ghi nhận và xử lý tín hiệu DEWE5000. Trên đó có cài đặt phần mềm Dasylab 9.0.
2. Đĩa đo gia tốc theo 3 phương X, Y, Z.
Thiết bị đo dao động tích hợp là một máy tính công nghiệp, đa năng được tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến. DEWE5000 có thể cài đặt các hệ điều hành, nhờ đó có thể chạy được các chương trình đo đa dạng được viết bằng nhiều loại ngôn ngữ lập trình ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Với 32 kênh đầu vào trong một card ADC tích hợp sẵn do vậy có thể cài đặt nhiều loại môđun và đầu đo.
3.3. Quy trình thí nghiệm.
Quy trình thí nghiệm được thực hiện theo trình tự sau:
1 - Chuẩn bị thiết bị thử nghiệm và các dụng cụ phụ trợ khác.
- Kiểm tra thiết bị đo tích hợp DEWE 5000 và đĩa đo gia tốc DYTRAN 5313A.
- Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tạo dao động CAV để đảm bảo đáp ứng được các điều kiện thử nghiệm.
Chuẩn bị ghế ngồi và vị trí lắp đặt thiết bị thử nghiệm.
Kiểm tra hoạt động của các dụng cụ đo và trang thiết bị phục vụ thử nghiệm.
Yêu cầu: Đảm bảo các thiết bị ở trạng thái làm việc bình thường. Các thông số của thiết bị CAV phải được hiệu chuẩn đảm bảo sai số cho phép.
3 - Lắp đặt thiết bị.
+ Kết nối và lắp đặt thiết bị đo tích hợp DEWE5000.
Bước 1: Kết nối đầu đo gia tốc dao động với môđun khuếch đại điện tích trên DEWE5000. Chú ý kết nối đúng vị trí tương ứng giữa các đầu đo với các kênh môđun CH0, CH1, CH2.
Bước 2: Cấp nguồn cho hệ thống đo, là nguồn điện xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu nguồn DW, đảm bảo đủ công suất và chịu được dòng điện cực đại là 10A
Bước 3: Khởi động bộ đo tích hợp DEWE5000.
+ Gá cảm biến đo dao động (đĩa đo gia tốc theo 3 phương) ở vị trí thích hợp.
Với phép đo giá trị gia tốc bình phương trung bình trong tư thế người ngồi theo tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997, ta có 03 vị trí cần đo:
- Phần tiếp xúc giữa mặt ghế với khớp hang.
- Phần tiếp xúc lưng ghế với thân người.
- Phần tiếp xúc sàn xe với chân người.
KẾT LUẬN
Như vậy sau một thời gian tích cực học tập và nghiên cứu tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới - Cục đăng kiểm Việt Nam, đồ án “Thiết kế chế tạo thiết bị dao động theo phương thẳng đứng của ôtô” đã hoàn thành. Thiết bị được thiết kế chế tạo và với các thiết bị đo đi kèm hoàn toàn có thể xác định được giá trị gia tốc bình phương trung bình và giá trị giới hạn dao động để nghiên cứu đánh giá ngưỡng cảm nhận của con người dưới tác dụng của dao động. Một lần nữa em xin cảm ơn thầy: PGS.TS……………… cùng các thầy cô giáo trong bộ môn và Ths…………… cùng các cán bộ kỹ sư trong trung tâm đã nhiệt tình hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Duy Tiến. Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 2007.
[2]. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (T1+2). NXB Giáo Dục, Hà Nội 2006.
[3]. Đặng Việt Hà. Nghiên cứu xây dựng chỉ tiêu đánh giá dao động của một số loại ôtô khách sản suất lắp ráp mới tại Việt Nam. Đề tài DT064035 Cấp Bộ. Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới, Cục dăng kiểm Việt Nam.
[4]. Trần Văn Tế. Bài giảng Động lực học và dao động của động cơ đốt trong. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,1998.
[5]. Trần Văn Như. Ứng dụng máy tính giải các bài toán dao động trên ôtô. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội 11 /2006.
[6]. Vũ Đức Lập. Dao động ô tô. NXB Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, Hà Nội 1994.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"