Khảo sát động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ

h toán và khảo sát sự ảnh hưởng của các điểm đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu nâng thùng sẽ rất phức tạp nếu giải quyết bằng phương pháp đồ họa hoặc giải tích thông thường. Bài báo ứng dụng phần mềm phân tích động học và động lực học hệ nhiều vật ADAMS để tính toán và khảo sát ảnh hưởng của các điểm đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng tự đổ. Kết quả của bài báo là tiền đề quan trọng để thiết kế tối ưu hệ thống nâng hạ thùng ô tô tự đổ. Từ khóa: Ô tô tự đổ; cơ cấu nâng hạ; động học và động lực học; ADAMS. Abstract The calculation and investigation of the joint points affect to the kinetics and dynamics of the dump truck hoist is very complex if solved by the conventional graphical or analytical methods. The paper describes the application of the dynamic analysis software and the multiple-dynamics systems ADAMS to calculate and examine the effect of joint points to the kinematics and dynamics of the dump truck hoist. The paper’s result is an important premise for the optimal design of the dump truck hoist. Keywords: Dump truck; dump truck hoist; kinetics and dynamics; ADAMS. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cơ cấu nâng hạ là bộ phận quan trọng của ô tô tự đổ. Việc tính toán và khảo sát ảnh hưởng của các điểm đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu này sẽ rất phức tạp nếu dùng phương pháp đồ họa hoặc giải tích thông thường. Bài báo ứng dụng phần mềm phân tích động học và động lực học hệ nhiều vật ADAMS để xây dựng mô hình mô phỏng có tham số hóa điểm đặt các khớp của cơ cấu nâng, từ đó tính toán và khảo sát ảnh hưởng của điểm đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu nâng hạ thùng tự đổ. Kết quả của bài báo có thể dùng để thiết kế tối ưu hệ thống nâng hạ thùng ô tô tự đổ. 2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1. Phân tích động học và động lực học cơ cấu nâng hạ trong ADAMS 2.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng cơ cấu nâng hạ trong ADAMS Lựa chọn đối tượng nghiên cứu là ô tô tự đổ Hyundai HD370, với khối lượng hàng hóa nâng là 23000 kg, khối lượng thùng hàng 4000 kg, yêu cầu góc nâng thùng tối thiểu đạt 52o. Sơ đồ cơ cấu nâng hạ thùng như hình 1. Chọn hệ tọa độ OXYZ có gốc tọa độ trùng với tâm chốt quay thùng O, phương và chiều các trục như hình 1. Lựa chọn sơ bộ tọa độ ban đầu các điểm như bảng 1. Hình 1. Sơ đồ cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ Người phản biện: GS.TS. Trần Văn Địch, TS. Nguyễn Đình Cương Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Văn Địch 2. TS. Nguyễn Đình Cương 24 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Bảng 1. Lựa chọn sơ bộ tọa độ ban đầu các điểm của cơ cấu nâng hạ TT Tên điểm Tọa độ (mm) Ghi chú X Y Z 1 AL -2775,0 147 235,0 AL điểm liên kết bên trái giàn nâng chữ A với thùng 2 AR -2775,0 147 -235,0 AR điểm liên kết bên phải giàn nâng chữ A với thùng 3 BT -3720,0 47,0 0,0 BT là điểm liên kết giữa chốt xylanh với xylanh 4 BL -3720,0 47,0 235,0 BL điểm liên kết chốt xylanh với bên trái giàn chữ A 5 BR -3720,0 47,0 -235,0 BR điểm liên kết chốt xylanh với bên phải giàn chữ A 6 CL -3937,0 -260,0 235,0 CL điểm liên kết tay nâng trái với giàn chữ A 7 CR -3937,0 -260,0 -235,0 CR điểm liên kết tay nâng phải với giàn chữ A 8 O1 -2236,0 -212,0 0,0 O1 điểm đặt chốt quay của xylanh với khung xe 9 O2L 1967,0 138,0 235,0 O2L điểm liên kết giữa tay nâng trái với khung xe 10 O2R 1967,0 138,0 -235,0 O2R điểm liên kết giữa tay nâng phải với khung xe 11 O 0,0 0,0 0,0 O là điểm đặt chốt quay của thùng xe Trên cơ sở trên, xây dựng mô hình mô phỏng trong ADAMS như hình 2. Hình 2. Mô hình mô phỏng cơ cấu nâng hạ trong ADAMS 2.1.2. Phân tích động học và động lực học cơ cấu nâng hạ Lựa chọn thời gian nâng thùng là 25 s, kết quả tính toán động học như hình 3. a. Góc nâng thùng theo thời gian b. Góc quay xylanh theo góc nâng thùng c. Hành trình nâng thùng theo thời gian d. Hành trình nâng thùng theo góc nâng Hình 3. Kết quả tính toán động học cơ cấu nâng Nhận xét: Kết quả cho thấy tại hành trình xylanh 983,15 mm, góc nâng thùng đạt giá trị 52o. Tại vị 25 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 trí hành trình lớn nhất là 1245,5 mm, góc nâng thùng lớn nhất là 72,3o, góc quay xylanh là 92,8o. Hình 4. Lực nâng theo thời gian và theo góc quay thùng Kết quả tính động lực học được thể hiện như trong hình 4. Từ các đồ thị ta thấy, lực nâng lớn nhất 469430 N tại góc nâng thùng là 6,6o, lực nâng thùng nhỏ nhất Fmin= 2011 N tại góc nâng thùng là 70o, lực nâng thùng ban đầu là 419330 N. 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu nâng thùng 2.2.1. Tham số hóa mô hình mô phỏng Để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của vị trí các điểm đặt ta cần th am số hóa điểm đặt các khớp của cơ cấu nâng trong ADAMS. Tham số hóa tọa độ các khớp A, B, C, O1, O2 của cơ cấu nâng, từ vị trí ban đầu của các điểm ta dịch chuyển các khớp này theo phương OX và OY như bảng 2. Bảng 2. Bảng tham số hóa tọa độ các khớp trong ADAMS STT Tên điểm Tọa độ ban đầu (mm) Tọa độ sau khi tham số (mm) X Y Z X Y Z 1 AL -2775,0 147 235,0 -2775,0+A_X 147+A_Y 235,0 2 AR -2775,0 147 -235,0 -2775,0+A_X 147+A_Y -235,0 3 BT -3720,0 47,0 0,0 -3720,0+B_X 47,0+B_Y 0,0 4 BL -3720,0 47,0 235,0 -3720,0+B_X 47,0+B_Y 235,0 5 BR -3720,0 47,0 -235,0 -3720,0+B_X 47,0+B_Y -235,0 6 CL -3937,0 -260,0 235,0 -3937,0+C_X -260,0+C_Y 235,0 7 CR -3937,0 -260,0 -235,0 -3937,0+C_X -260,0+C_Y -235,0 8 O1 -2236,0 -212,0 0 -2236,0+O1_X -212,0+O1_Y 0 9 O2L 1967,0 138,0 235,0 1967,0+O2_X 138,0+O2_Y 235,0 10 O2R 1967,0 138,0 -235,0 1967,0+O2_X 138,0+O2_Y -235,0 Điều kiện ràng buộc: Dựa vào kết cấu thực tế của ô tô HD370 lựa chọn khoảng thay đổi của các điểm như trong bảng 3, ví dụ điểm A dịch chuyển quanh vị trí ban đầu như hình 5 biểu thị. Bảng 3. Giới hạn dịch chuyển của các điểm TT Tên biến Dải thay đổi 1 A_X -40≤ A_X ≤40 2 A_Y -40≤ A_Y ≤40 3 B_X -40≤ B_X ≤40 4 B_Y -40≤ B_Y ≤40 5 C_X -35≤ C_X ≤35 6 C_Y -40≤ C_Y ≤40 7 O1_X -40≤ O1_X ≤40 8 O1_Y -40≤ O1_Y ≤40 9 O2_X -40≤ O2_X ≤40 10 O2_Y -40≤ O2_Y ≤40 Hình 5. Điểm A dịch chuyển quanh vị trí ban đầu 2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của điểm đặt các khớp đến động học và động lực học cơ cấu nâng thùng 2.2.2.1. Ảnh hưởng của điểm A Kết quả tính toán lực nâng lớn nhất và lực nâng trung bình khi thay đổi vị trí điểm A như hình 6. 26 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 a) Sự thay đổi của lực nâng lớn nhất b) Sự thay đổi của lực nâng trung bình Hình 6. Kết quả khảo sát sự thay đổi của điểm A Nhận xét: Khi thay đổi vị trí điểm A thì giá trị của lực nâng lớn nhất tăng tại các vị trí 1, 6, 7, 11, 12, 16, 17, 18, 21, 22, 23, 24 và giảm tại các vị trí 2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 14, 15, 19, 20, 25. Lực nâng lớn nhất đạt lớn nhất tại vị trí 21 (481230 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 10 (463360 N). Lực nâng trung bình tăng tại các vị trí 2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 14, 15, 19, 20, 25 và giảm tại các vị trí 1, 6, 7, 11, 12, 16, 17, 18, 21, 22, 23, 24. Lực nâng trung bình đạt lớn nhất tại vị trí 5 (342390 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 21 (339690 N). 2.2.2.2. Ảnh hưởng của điểm B Kết quả khảo sát như hình 7. a) Sự thay đổi của lực nâng lớn nhất b) Sự thay đổi của lực nâng trung bình Hình 7. Kết quả khảo sát sự thay đổi của điểm B Nhận xét: Khi thay đổi vị trí điểm B, giá trị của lực nâng lớn nhất tăng tại các vị trí 1, 2, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 16, 17, 21, 22 và giảm tại các vị trí 4, 5, 9, 10, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 24, 25. Lực nâng lớn nhất đạt lớn nhất vị trí 1 (491190 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 25 (449900 N). Lực nâng trung bình tăng tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12 ,16 và giảm tại các vị trí 10, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25. Lực nâng trung bình đạt lớn nhất tại vị trí 1 (356690 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 25 (347440 N). 2.2.2.3. Ảnh hưởng của điểm C Kết quả khảo sát như hình 8. a) Sự thay đổi của lực nâng lớn nhất b) Sự thay đổi của lực nâng trung bình Hình 8. Kết quả khảo sát sự thay đổi của điểm C Nhận xét: Khi thay đổi vị trí điểm C, lực nâng lớn nhất tăng tại các vị trí 3, 4, 5, 8, 9, 10, 14, 15, 19, 20, 24, 25 và giảm tại các vị trí 1, 2, 6, 7, 11, 12, 16, 17, 18, 21, 22, 23. Lực nâng lớn nhất đạt lớn nhất tại vị trí 5 (488260 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 21 (452250 N). Lực nâng trung bình tăng tại các vị trí 5, 9,10, 14, 15, 18,19, 20, 22, 23, 24, 25 và giảm tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11, 12, 16, 17, 21. Lực nâng trung bình đạt lớn nhất tại vị trí 25 (358590 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 1 (351010 N). 2.2.2.4. Ảnh hưởng của điểm O1 Kết quả khảo sát như hình 9. Nhận xét: Khi thay đổi vị trí điểm O1 lực nâng lớn nhất tăng tại các vị trí 5, 9, 10, 14, 15, 18, 19, 20, 22, 23, 24, 25 và giảm tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11, 12, 16, 17, 21. Lực nâng lớn nhất đạt lớn nhất tại vị trí 25 (501570 N) và nhỏ nhất tại vị trí 1 (441950 N). Lực nâng trung bình tăng tại các vị trí 5, 9, 10, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 24, 25 và giảm tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11,12 ,16, 17, 21, 27 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 22. Lực nâng trung bình đạt lớn nhất tại vị trí 25 (345480 N) và nhỏ nhất tại vị trí 1 (335440 N). a) Sự thay đổi của lực nâng lớn nhất b) Sự thay đổi của lực nâng trung bình Hình 9. Kết quả khảo sát sự thay đổi của điểm O1 2.2.2.5. Ảnh hưởng của điểm O2 Kết quả khảo sát như hình 10. a) Sự thay đổi của lực nâng lớn nhất b) Sự thay đổi của lực nâng trung bình Hình 10. Kết quả khảo sát sự thay đổi của điểm O2 Nhận xét: Khi thay đổi vị trí điểm O2, lực nâng lớn nhất tăng tại các vị trí 1, 2, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 16, 17, 21, 22 và giảm tại các vị trí 4, 5, 9, 10, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 24, 25. Lực nâng lớn nhất đạt lớn nhất tại vị trí 1 (490710 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 25 (453320 N). Lực nâng trung bình tăng tại các vị trí 1, 2, 6, 7, 8, 11, 12, 16, 17, 21, 22 và giảm tại các vị trí 3, 4, 5, 9, 10, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 24, 25. Lực nâng trung bình đạt lớn nhất tại vị trí 21 (345230 N) và đạt nhỏ nhất tại vị trí 25 (336330 N). 3. KẾT LUẬN Xây dựng mô hình mô phỏng để phân tích động học, động lực học cơ cấu nâng hạ. Mô hình tham số hóa có khả năng đánh giá ảnh hưởng của vị trí các khớp đến động học và động lực học của cơ cấu nâng hạ và có khả năng thay đổi thông số để tính toán thiết kế nhiều loại cơ cấu nâng hạ tương tự. Ứng dụng mô hình tính toán động học và động lực học cho xe Hyundai HD370 để khảo sát ảnh hưởng của vị trí các khớp đến lực nâng của xylanh. Kết quả cho thấy khi thay đổi vị trí điểm đặt của các khớp đều ảnh hưởng khá lớn đến lực nâng của xylanh, vì vậy cần xác định một tổ hợp vị trí các điểm đặt tối ưu để giảm lực nâng trung bình hoặc lực nâng lớn nhất của xylanh. Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bài báo có thể dùng để thiết kế tối ưu cơ cấu nâng hạ trên ô tô tự đổ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. ADAMS Full Simulation Guide (2005). [2]. Advanced ADAMS/View Training Guide. [3]. Chu Tạo Đoan (2001). Cơ học lý thuyết - Tập I, Tập II. Trường Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội. [4]. Nguyễn Văn Khang (2007). Động lực học hệ nhiều vật thể. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [5]. Nguyễn Văn Bang, Nguyễn Thành Công (2008). Tính toán cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ bằng phương pháp giải tích. Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 24, 2008.