Tổng quan luận án

Công nghiệp ô tô Việt Nam trong giai đoạn phát triển theo định hướng của chính phủ đặt trọng tâm vào việc gia tăng tỷ lệ nội địa hóa các dòng xe tải nhỏ phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp. Các dòng xe tải có tải trọng dưới 5 tấn, đặc biệt là phân khúc tải trọng 3 tấn, chiếm thị phần lớn và được lắp ráp bởi nhiều doanh nghiệp trong nước. Tuy nhiên, điều kiện vận hành của phương tiện tại Việt Nam có tính chất đặc thù, phân bố trên khoảng 15 triệu héc-ta rừng và đất rừng với địa hình đồi núi phức tạp, độ dốc lớn, nhiều khúc cua liên tiếp và mặt đường đất mềm trơn lầy.

Cơ cấu vi sai đối xứng nguyên bản trang bị trên cụm cầu sau của các dòng xe tải nhỏ bộc lộ hai nhược điểm chính khi vận hành trong điều kiện nông lâm nghiệp:

  1. Khi xe liên tục quay vòng trên đường đèo dốc quanh co, các chi tiết bên trong bộ vi sai có chuyển động tương đối ở cường độ cao, làm phát sinh mô men ma sát lớn, sinh nhiệt gây mòn bề mặt, phá hủy chi tiết và gây tổn hao công suất truyền lực.
  2. Khi xe di chuyển trên nền đất mềm lầy lội có hệ số bám giữa hai bánh xe chênh lệch lớn, cơ cấu vi sai đối xứng có ma sát trong thấp làm triệt tiêu mô men kéo ở bánh xe phía đường tốt khi bánh xe phía đối diện bị trượt quay ($M_5 \approx 0 \implies M_4 \approx 0$), dẫn đến việc xe bị mất sức kéo và sa lầy.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là sự thiếu vắng các công trình nghiên cứu toàn diện về động lực học cơ cấu vi sai gắn liền với điều kiện địa hình đường nông lâm nghiệp đặc thù tại Việt Nam, nhằm đồng thời giải quyết bài toán giảm ma sát khi quay vòng và nâng cao tính năng kéo bám khi qua đường xấu.

Luận án đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định ảnh hưởng của mô men ma sát trong của cơ cấu vi sai đến hiệu suất truyền lực vi sai, nhằm nâng cao tuổi thọ và chất lượng động học vi sai khi quay vòng.
  2. Xác định ảnh hưởng của mô men ma sát vi sai đến tính năng kéo bám nhằm tăng sức vượt của xe, nâng cao chất lượng động lực học cơ cấu vi sai khi làm việc trên đường nông lâm nghiệp; từ đó làm cơ sở đề xuất thay đổi thiết kế cơ cấu vi sai nhằm mở rộng phạm vi hoạt động của xe từ đường giao thông sang đường nông lâm nghiệp.
  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm vi sai cầu sau của xe tải nhỏ có tải trọng 3 tấn (cụ thể khảo sát trên dòng xe tải tự đổ Lifan LF3070G1) được sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát động lực học cơ cấu vi sai trong điều kiện làm việc trên đường giao thông nông thôn và đường ô tô lâm nghiệp; phạm vi thực nghiệm được giới hạn tại các đoạn đường và địa hình đồi núi đặc trưng (khu vực miền Bắc và miền Trung).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy các nghiên cứu về cầu sau và vi sai thường tập trung vào công nghệ vật liệu, nhiệt luyện bánh răng, tối ưu hóa ăn khớp và biên dạng răng nhằm giảm tiếng ồn, nâng cao khả năng truyền mô men. Các công trình tiêu biểu gồm:

  • Công trình Geared power Transmission Technology của John Coy (Trung tâm Nghiên cứu NASA Lewis).
  • Công trình Gear Design của A. Lemnski (Boeing Co.).
  • Công trình Fundamentals of Gear Stress/Strength Relationships – Materials của Dale H Breen (Viện Nghiên cứu Bánh răng).
  • Công trình Computer Aided Design of Gear của C. D (Đại học Colorado Boulder, 1996).

Về phương diện động lực học và điều khiển vi sai hiện đại, các công trình quốc tế hướng đến vi sai chủ động (active differential) và vi sai hạn chế trượt:

  • Marc Ollé Bernades (2012) nghiên cứu sự phân phối mô men xoắn giữa hai trục dẫn động cầu trước và mô hình tổn thất ma sát, tuy nhiên chỉ dừng lại ở phân tích tĩnh học và thử nghiệm tĩnh trên bệ thử.
  • Joško Deur và Hancock Assadian (2008) xây dựng mô hình toán học vi sai chủ động dựa trên thuật toán đồ thị liên kết (bond graph) và mô phỏng số.
  • Claudio Annicchiarico, Mirko Rinchi, Stefano Pellari, Renzo Capitani (2014) thiết kế và mô phỏng vi sai bán chủ động (SAD) điều khiển hệ số khóa vi sai bằng thủy lực để nâng cao chất lượng động lực học khi quay vòng.
  • Giordano Greco nghiên cứu động lực học xe trang bị vi sai hạn chế trượt điều khiển điện tử ứng dụng cho dòng xe thể thao.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trong nước về cụm cầu sau và vi sai gồm có:

  • Đề tài NCKH cấp Nhà nước mã số KC05-22/06-10 (2009–2010) do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam thực hiện, tập trung vào thiết kế, chế tạo thử nghiệm cụm cầu sau xe tải nhỏ đến 3 tấn.
  • Nguyễn Thị Hồng Cẩm (2012–2013) nghiên cứu tối ưu hóa phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc hành tinh hai cấp và hộp vi sai kín bằng tính toán giải tích truyền thống.
  • Đề tài tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam (2005) nghiên cứu cải tiến khóa vi sai của máy kéo MTZ-50 làm việc trên dốc ngang nhưng chưa xét hệ số bám ngẫu nhiên và tải trọng biến đổi.
  • Đề tài tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam (2008) nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số khóa vi sai đến tính năng kéo bám của máy kéo bằng mô phỏng Matlab.
  • Đề tài tại Đại học Bách khoa Hà Nội (2013) nghiên cứu tổng quan chức năng vi sai trong điều khiển động lực học ô tô.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Thiết lập mô hình động lực học hoàn chỉnh cho cơ cấu vi sai xe tải nhỏ xét đến mô men ma sát chi tiết tại từng bề mặt tiếp xúc (trục chữ thập, đệm tựa lưng bánh răng hành tinh, bánh răng bán trục và vỏ vi sai); đánh giá đồng thời tổn hao hiệu suất khi quay vòng và khả năng kéo bám khi bám đường kém; kiểm chứng bằng thực nghiệm đo đạc mô men trên cả bệ thử công suất kín lẫn xe thật trên hiện trường đường nông lâm nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật cơ khí động lực:

  • Lý thuyết động lực học hệ thống truyền lực và động lực học ô tô.
  • Lý thuyết tiếp xúc, ma sát học (tribology) và tổn hao công suất trong các bộ truyền bánh răng nón răng thẳng.
  • Lý thuyết tương tác giữa bánh xe chủ động với mặt đường và cơ sở tính toán hiệu suất kéo tổng quát của ô tô khi xét đến độ trượt và hệ số bám.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo hai nhánh kết hợp:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

    • Xây dựng mô hình động lực học cơ cấu vi sai 5 bậc tự do góc xoay: trục chủ động ($\varphi_1$), vỏ vi sai và bánh răng bị động ($\varphi_2$), bánh răng hành tinh ($\varphi_3$), bánh răng bán trục trái ($\varphi_4$), bánh răng bán trục phải ($\varphi_5$).
    • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động và cân bằng mô men, tích hợp các mô men ma sát thành phần ($M_{1ms}, M_{2ms}, M_{3ms}, M_{4ms}, M_{5ms}$).
    • Xây dựng thuật toán và mô hình mô phỏng số bằng phần mềm Matlab/Simulink để giải hệ phương trình động lực học, khảo sát tổn thất công suất và hiệu suất kéo tổng quát theo hệ số khóa vi sai $K_\delta$.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

    • Sử dụng phương pháp đo biến dạng bằng cảm biến tenzo (strain gauge) dán theo sơ đồ mạch cầu Wheatstone trên trục các đăng và hai nửa bán trục để đo mô men xoắn không tiếp xúc trực tiếp.
    • Sử dụng bộ thu dòng tiếp điểm thủy ngân chuyên dụng và bộ thu phát tín hiệu không dây để truyền dữ liệu mô men từ các trục quay về hệ thống xử lý.
    • Thu nhận và xử lý số liệu qua máy đo chuyên dụng HBM DMC plus và Spider8.
    • Thí nghiệm hai giai đoạn: (1) Thí nghiệm tĩnh và động trên bệ thử cầu sau kiểu dòng công suất kín tại phòng thí nghiệm; (2) Thí nghiệm động lực học trực tiếp trên xe tải nhẹ 3 tấn Lifan LF3070G1 vận hành trên đường hiện trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng sử dụng xe tải nhỏ trong sản xuất nông lâm nghiệp, phân tích cấu tạo bộ vi sai đối xứng nghiên cứu và phân loại các cơ cấu vi sai thông dụng:

  • Vi sai ma sát trong thấp (vi sai đối xứng nón thông thường).
  • Vi sai tăng ma sát trong: vi sai sử dụng khớp ma sát nhiều đĩa ép bằng lò xo đĩa, vi sai bánh răng trụ nghiêng, vi sai trục vít - bánh vít, vi sai kiểu vấu cam con trượt.
  • Cơ cấu khóa vi sai cứng (với hệ số khóa $K_\delta = 1$).

Bảng 1.1 tổng hợp các thông số hình học của cụm vi sai xe tải nhỏ 3 tấn được nghiên cứu trong luận án:

STT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Bánh răng hành tinh Bánh răng bán trục
1 Số lượng bánh răng trong cụm vi sai - - 4 2
2 Số răng $Z$ - 11 20
3 Tỷ số truyền $i_{bt}$ - \multicolumn{2}{c }{1,4615}
4 Mô đun pháp tuyến $m$ mm 5 5
5 Nửa góc côn chia $\delta$ độ 28,8 61,2
6 Góc ăn khớp $\alpha_0$ độ 20 20
7 Chiều rộng bánh răng $b$ mm 32 23
8 Hệ số dịch chỉnh $x$ mm -0,224 0,224
9 Chiều dài đường sinh côn $L$ mm 57,064 57,064
10 Đường kính vòng chia đáy lớn $d_c$ mm 55 100
11 Bán kính vòng chia đáy lớn $r_1$ mm 27,5 50
12 Bước răng đáy lớn $t_s$ mm 15,7 15,7
13 Đường kính vòng đỉnh đáy lớn $d_e$ mm 80 136
14 Chiều cao răng đáy lớn $h$ mm 7,875 7,875
15 Đường kính vòng chân răng đáy lớn $d_i$ mm 47,125 92,125

Chương này cũng phân tích các quy chuẩn kỹ thuật của đường ô tô lâm nghiệp (phân cấp I đến IV theo lượng vận chuyển và địa hình vùng đồi núi) và đường giao thông nông thôn (cấp A, B, C, D) theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 8730:2012 quy định về độ nén chặt đất nền $K > 0,95$ ở lớp trên và $K > 0,9$ ở lớp dưới).

Bảng 1.2 thể hiện phân cấp đường ô tô lâm nghiệp:

Cấp đường Lượng vận chuyển (tấn/năm) Loại đường Chức năng chính
I Trên 45.000 Đường trục chính Vận chuyển chính của khu vực kinh tế lâm nghiệp
II 20.000 – 45.000 Đường trục phụ Vận chuyển chính lâm trường, xe chạy quanh năm
III 8.000 – 20.000 Đường nhánh chính Nối nhánh phụ với đường trục, trừ ngày mưa lũ lớn
IV Dưới 8.000 Đường nhánh phụ Nối điểm tập kết gỗ, bãi giao, xe chạy mùa khô

Bảng 1.3 và 1.4 tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật của đường lâm nghiệp và giao thông nông thôn:

Cấp đường lâm nghiệp Tốc độ thiết kế vùng đồi (km/h) Tốc độ thiết kế vùng núi (km/h) Độ dốc dọc tối đa vùng đồi (%) Độ dốc dọc tối đa vùng núi (%)
I 30 25 8 9
II 25 20 9 10
III 20 15 10 11
IV 10 10 11 12
Cấp kỹ thuật GTNT Tốc độ thiết kế (km/h) Chiều rộng nền (m) Chiều rộng mặt (m) Chiều rộng lề (m)
A 30 (20) 6,5 (6,0) 3,5 1,50 (1,25)
B 20 5,0 (4,0) 3,5 (3,0) 0,75 (0,50)
C 15 4,0 (3,0) 3,0 (2,0) -
D - 2,0 1,5 -

Khảo sát thực tế các cung đường miền núi cho thấy mật độ cua rất lớn (đèo Pha Đin 16 cua/km, đèo Phượng Hoàng 20 cua/km, đèo Ngoạn Mục 15 cua/km, đèo Nhâu 11 cua/km), chứng minh cơ cấu vi sai phải hoạt động liên tục ở chế độ quay tương đối.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học vi sai cầu xe tải nhỏ

Chương 2 thiết lập mô hình toán học giải tích cho hệ thống vi sai cầu sau. Tác giả tiến hành phân tích lực tác dụng lên từng chi tiết máy:

  • Bánh răng chủ động: Lực vòng $F_{t1}$ do mô men chủ động $M_1$ tạo ra: $$I_1 \ddot{\varphi}1 = M_1 - F{t1} r_1 - M_{1ms}$$
  • Bánh răng bị động và vỏ vi sai: Tiếp nhận lực vòng $F_{t1}$ từ bánh răng chủ động và truyền lực $F_{t2}$ lên trục chữ thập: $$I_2 \ddot{\varphi}2 = F{t1} r_2 - F_{t2} r_{tr} - M_{2ms}$$
  • Bánh răng hành tinh: Cân bằng lực và mô men quanh trục quay của nó khi ăn khớp với hai bánh răng bán trục: $$F_{t2} = F_{t3} + F_{t4}$$ $$I_3 \ddot{\varphi}3 = (F{t4} - F_{t3}) r_3 - M_{3ms}$$
  • Bánh răng bán trục trái và phải: Nhận lực ăn khớp $F_{t4}, F_{t3}$ để truyền mô men ra bán trục: $$I_4 \ddot{\varphi}4 = F{t4} r_4 - M_{4ms} - M_{Ctr}$$ $$I_5 \ddot{\varphi}5 = F{t3} r_5 - M_{5ms} - M_{Cph}$$

Nghiên cứu đi sâu mô hình hóa ba thành phần ma sát cục bộ chủ yếu trong cụm vi sai:

  1. Ma sát giữa lỗ trục bánh răng hành tinh và ngõng trục chữ thập ($M_{htms/tr}$).
  2. Ma sát giữa mặt lưng hình cầu của bánh răng hành tinh và đệm tựa đồng ($M_{htms/d}$).
  3. Ma sát giữa mặt lưng bánh răng bán trục và vỏ hộp vi sai ($M_{btms/v}$).

Trên cơ sở phân tích phân bố áp lực tiếp xúc, tác giả đề xuất các giải pháp hình học nhằm giảm mô men ma sát khi quay vòng:

  • Vát cạnh ngõng trục chữ thập nhằm giảm diện tích tiếp xúc có áp lực cao, khảo sát mối quan hệ giữa tỷ số chiều dài vát $l/r_{ct}$ và mô men ma sát $M_{htms/tr}$.
  • Khoan lỗ giảm diện tích tiếp xúc trên mặt lưng bánh răng hành tinh ($S_{kht}$) và đệm tựa lưng đồng.
  • Khoan lỗ giảm diện tích tiếp xúc trên mặt lưng bánh răng bán trục ($S_{kbt}$) tì vào vỏ vi sai.

Hệ phương trình vi phân phi tuyến được thiết lập và mô phỏng trên Matlab/Simulink với các thông số kết cấu và hệ số cản lăn của xe tải tự đổ LF3070G1 để xác định quy luật biến thiên của chuyển vị góc ($\varphi_4, \varphi_5$) và vận tốc góc ($\omega_4, \omega_5$) của các bán trục khi xe quay vòng.

Chương 3: Khảo sát động lực học vi sai cầu sau xe tải nhỏ

Chương 3 tập trung khảo sát tổn thất công suất ma sát và phân tích tính năng kéo bám:

  • Tổn hao công suất trong vi sai gồm ba thành phần:
    • Công suất tổn thất ma sát bánh răng hành tinh và trục chữ thập: $P_{ht/tr}$
    • Công suất tổn thất ma sát bánh răng hành tinh và đệm tựa: $P_{ht/d}$
    • Công suất tổn thất ma sát bánh răng bán trục và vỏ vi sai: $P_{bt/v}$
  • Khảo sát hiệu suất vi sai nguyên bản và hiệu suất sau khi áp dụng các giải pháp giảm ma sát kết cấu (vát trục chữ thập, khoan lỗ mặt tựa lưng). Kết quả cho thấy việc giảm diện tích tiếp xúc tại các bề mặt ma sát giúp nâng cao hiệu suất truyền động của vi sai khi xe quay vòng.

Nghiên cứu tính năng kéo bám trên đường xấu:

  • Xác định hệ số khóa vi sai $K_\delta$ và hệ số gài vi sai: $$K_\delta = \frac{M_{ms}}{M_2}$$
  • Khảo sát mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến $F_K$, hệ số hãm vi sai, mô men ma sát $M_{ms}$ và hệ số bám bánh xe bên trái ($\varphi_{tr}$) và bên phải ($\varphi_{ph}$).
  • So sánh hiệu suất kéo tổng quát giữa vi sai có ma sát trong thấp ($K_\delta$ thấp) và vi sai có ma sát trong cao ($K_\delta$ cao). Khi chênh lệch hệ số bám giữa hai bánh xe lớn, vi sai có ma sát trong cao giúp phân phối mô men lớn hơn về phía bánh xe bám tốt, tăng lực kéo toàn bộ xe.
  • Đề xuất giải pháp sử dụng cơ cấu khóa vi sai tự động kiểu cơ học kết hợp điều khiển độ trượt nhằm đáp ứng linh hoạt: giảm ma sát khi chạy trên đường tốt/quay vòng và tự động khóa cứng ($K_\delta = 1$) khi xuất hiện trượt quay để vượt lầy.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 thực hiện đo đạc thực nghiệm nhằm kiểm chứng mô hình lý thuyết:

  1. Thí nghiệm trên bệ thử cầu sau kiểu dòng công suất kín:

    • Cụm cầu sau xe tải LF3070G1 được lắp đặt trên bệ thử tải hồi lưu công suất.
    • Thiết bị đo: Cảm biến tenzo dán trên trục các đăng và hai bán trục nối mạch cầu Wheatstone, cổ góp thủy ngân truyền tín hiệu, hệ thống khuếch đại và xử lý tín hiệu HBM Spider8 và DMC plus.
    • Tiến hành hiệu chuẩn tĩnh hệ thống đo bằng các mức tải chuẩn 20 kg và 40 kg, xây dựng đường chuẩn tuyến tính cho cảm biến mô men.
    • Đo mô men xoắn trên 3 trục ở các chế độ: không tải (0%), 50% tải (tương ứng 1000 kg), và 100% tải (tương ứng 2000 kg).

  2. Thí nghiệm trên xe thực tế:

    • Xe thí nghiệm: Xe tải nhẹ tự đổ LF3070G1 tải trọng 3 tấn.
    • Lắp đặt cảm biến tenzo, bộ thu phát không dây và thiết bị đo lên trục các đăng và hai nửa bán trục xe.
    • Chạy thí nghiệm thực tế ngoài hiện trường trên các đoạn đường nông lâm nghiệp có khúc cua và nền đường đất xấu.
    • Thu thập đồng thời tín hiệu mô men trục các đăng ($M_1$), mô men bán trục trái ($M_4$) và mô men bán trục phải ($M_5$).

  3. So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết:

    • Đối chiếu số liệu đo trên bệ thử và trên đường với kết quả tính toán mô phỏng từ mô hình động lực học xây dựng ở Chương 2 và Chương 3.
    • Kết quả so sánh cho thấy quy luật biến thiên mô men và độ phân bố tải trọng giữa hai bán trục có sự trùng khớp cao về mặt định tính và sai số nằm trong giới hạn cho phép của thực nghiệm cơ khí, khẳng định độ tin cậy của mô hình toán học đã thiết lập.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học

  • Xây dựng được mô hình động lực học cơ cấu vi sai 5 bậc tự do cho cụm cầu sau xe tải nhỏ, trong đó mô tả chi tiết các thành phần mô men ma sát nội tại xuất hiện tại trục chữ thập, đệm tựa bánh răng hành tinh và mặt tựa bánh răng bán trục.
  • Thiết lập hệ thống công thức giải tích và thuật toán mô phỏng số trên Matlab/Simulink cho phép tính toán tổn thất công suất ma sát, hiệu suất truyền lực vi sai và hiệu suất kéo tổng quát của ô tô trên đường có hệ số bám không đều.
  • Làm rõ quy luật ảnh hưởng của hệ số khóa vi sai $K_\delta$ đến sự phân bố lực kéo và khả năng vượt lầy của xe tải nhỏ trong điều kiện đường nông lâm nghiệp.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Đề xuất các giải pháp kết cấu cơ học cụ thể nhằm giảm tổn thất ma sát và mài mòn cho bộ vi sai nguyên bản khi xe quay vòng: giải pháp vát cạnh ngõng trục chữ thập và phương án khoan lỗ giảm diện tích tiếp xúc trên mặt lưng bánh răng hành tinh và bánh răng bán trục.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để lựa chọn kết cấu khóa vi sai tự động cơ học phù hợp cho dòng xe tải nhỏ 3 tấn sản xuất trong nước.
  • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình và hệ thống đo mô men xoắn trên các trục quay của cầu xe sử dụng cảm biến tenzo kết hợp cổ góp thủy ngân và truyền dẫn không dây, có thể áp dụng cho các nghiên cứu thử nghiệm ô tô khác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường mới chỉ được tiến hành trên một số cung đường nông lâm nghiệp điển hình tại miền Bắc và miền Trung; đối tượng khảo sát chuyên sâu tập trung vào dòng xe tải nhỏ tải trọng 3 tấn LF3070G1; chưa chế tạo hàng loạt mẫu thử nghiệm cơ cấu khóa vi sai cơ học tự động để đánh giá độ bền mỏi dài hạn trong sản xuất công nghiệp.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Mở rộng phạm vi thử nghiệm thực tế trên nhiều điều kiện địa hình và loại đất nông lâm nghiệp khác nhau (đất cát, đất bazan trơn trượt mùa mưa).
    • Nghiên cứu chế tạo mẫu thử hoàn chỉnh cơ cấu vi sai tự động khóa hoặc vi sai bán chủ động điều khiển điện tử tích hợp trên cụm cầu sau xe tải nhẹ Việt Nam.
    • Ứng dụng mô hình động lực học vi sai vào việc nghiên cứu hệ thống điều khiển ổn định chuyển động tổng thể cho xe chuyên dụng nông lâm nghiệp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo đối với:

  • Kỹ sư và nhà thiết kế ô tô: Ứng dụng phương pháp tính toán lực ma sát, phân tích phân bố mô men và các giải pháp giảm ma sát hình học để tối ưu hóa thiết kế cụm vi sai và cầu sau ô tô tải nhẹ.
  • Các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô trong nước: Tham khảo dữ liệu kết cấu và quy trình kiểm tra thực nghiệm bệ thử để nâng cao chất lượng nội địa hóa cụm cầu sau.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật ô tô - máy kéo, Cơ giới hóa nông lâm nghiệp về mô hình hóa động lực học hệ thống truyền lực và kỹ thuật đo đạc biến dạng trên trục quay.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu vi sai đối xứng thông thường lại làm mất lực kéo khi một bánh xe bị sa lầy?
Cơ cấu vi sai đối xứng có mô men ma sát trong rất nhỏ ($M_{ms} \approx 0$). Quan hệ phân bố mô men giữa vỏ vi sai và hai bánh xe là $M_2 = M_4 + M_5$ với $M_4 \approx M_5 \approx M_2/2$. Khi một bánh xe (ví dụ bánh phải) sa lầy vào vùng bùn trơn có hệ số bám rất thấp, mô men cản và khả năng truyền lực của bánh đó giảm về 0 ($M_5 \approx 0$). Do đặc tính chia đều mô men của vi sai đối xứng, bánh xe bên trái trên nền đường tốt cũng chỉ nhận được mô men $M_4 \approx M_5 \approx 0$, dẫn đến xe mất hoàn toàn lực kéo tiếp tuyến và không thể tự vượt qua vũng lầy.

2. Các bề mặt tiếp xúc chính nào trong cụm vi sai sinh ra mô men ma sát khi xe quay vòng?
Khi xe quay vòng, bánh răng hành tinh vừa quay quanh trục vỏ vi sai vừa tự xoay quanh ngõng trục chữ thập, tạo ra ba vùng ma sát chính:

  • Tiếp xúc trượt giữa mặt trong lỗ bánh răng hành tinh và ngõng trục chữ thập ($M_{htms/tr}$).
  • Tiếp xúc mặt cầu giữa lưng bánh răng hành tinh và tấm đệm đồng tựa lưng ($M_{htms/d}$).
  • Tiếp xúc phẳng/côn giữa mặt lưng bánh răng bán trục và bề mặt vỏ hộp vi sai ($M_{btms/v}$).

3. Tác giả đã đề xuất những giải pháp kết cấu nào để giảm ma sát trong vi sai khi xe quay vòng?
Tác giả đề xuất ba giải pháp can thiệp hình học:

  • Vát cạnh ngõng trục chữ thập theo tỷ lệ chiều dài vát $l/r_{ct}$ nhằm giảm vùng diện tích chịu áp lực tập trung cao.
  • Khoan lỗ giảm diện tích tiếp xúc ($S_{kht}$) trên lưng bánh răng hành tinh và các tấm đệm tựa đồng.
  • Khoan lỗ giảm diện tích tiếp xúc ($S_{kbt}$) trên mặt lưng của các bánh răng bán trục tì vào vỏ vi sai.

4. Phương pháp đo thực nghiệm nào đã được sử dụng để lấy tín hiệu mô men xoắn trên các trục quay của xe?
Tác giả sử dụng phương pháp đo biến dạng bằng điện trở tenzo dán theo sơ đồ cầu Wheatstone trực tiếp lên thân trục các đăng và hai nửa bán trục. Tín hiệu điện áp vi sai siêu nhỏ từ các trục đang quay được dẫn ra ngoài thông qua hai giải pháp: sử dụng bộ thu dòng tiếp điểm thủy ngân chuyên dụng và bộ thu phát tín hiệu không dây gắn đồng tốc với trục, sau đó truyền vào máy phân tích Spider8 và DMC plus để ghi nhận dữ liệu mô men theo thời gian thực.

Kết luận

Luận án của NCS. Lê Hoàng Anh đã giải quyết vấn đề nâng cao chất lượng động lực học cơ cấu vi sai cầu xe tải nhỏ phục vụ vận tải nông lâm nghiệp tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp mô hình hóa giải tích 5 bậc tự do, mô phỏng số Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên cả bệ thử dòng công suất kín lẫn hiện trường thực tế, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế tổn hao ma sát và đặc tính kéo bám của cụm vi sai. Các đề xuất về cải tiến hình học giảm ma sát và ứng dụng khóa vi sai tự động cơ học mang lại giá trị khoa học và cơ sở thực tiễn cho quá trình thiết kế, chế tạo và nội địa hóa cầu xe tải nhỏ trong nước.